なぜ鋼材には焼き入れ・焼き戻しが必要なのか？ どんな効果があるの？

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調質処理：焼入れ後に高温で時効させる熱処理方法を調質処理と呼びます。高温焼戻しとは、500～650℃の間で行う焼戻しのことです。調質によって鋼の性能や材質を大幅に調整することができ、強度、塑性、靭性がすべて優れており、良好な総合的な機械的性質を持つ。 調質処理後には、焼戻しソルバイトが得られる。時効ソルバイト（tempered sorbite）は、マルテンサイトが時効する際に形成されるもので、光学顕微鏡で500～600倍以上に拡大しないと識別できない。これはフェライト基地の中に炭化物（セメンタイトを含む）の球状粒子が分散した複合組織である。これもマルテンサイトの一種の時効組織で、フェライトと粒状炭化物の混合物です。この時点でのフェライトは炭素の過飽和度がほぼなく、炭化物も安定型の炭化物となっている。常温下は平衡組織である。 調質鋼には炭素調質鋼と合金調質鋼の2つの大きなカテゴリーがあり、炭素鋼であれ合金鋼であれ、その炭素含有量は厳しく管理されている。炭素含有量が過剰だと、調質後の部品の強度は高くなるものの靭性が不足し、逆に炭素含有量が過少だと靭性は向上するが強度が不十分になる。調質部品が良好な総合的な性能を得るために、一般的に炭素含有量は0.30～0.50％に制御される。 調質焼入れ時には、ワークの全断面が十分に焼き入るようにし、微細な針状の焼入マルテンサイトを主とする組織をワークに得させる必要がある。高温時効により、均一な時効ソルバイトを主とする組織が得られる。小規模な工場では、各炉ごとに金属組織の分析を行うことは不可能であり、一般的には硬度試験のみが行われる。つまり、焼入れ後の硬度はその材料の焼入れ硬度に達していなければならず、焼戻し後の硬度は図面の要求に従って検査される。 事例紹介　45鋼の調質　45鋼は中炭素構造鋼で、冷間・熱間加工性がともに優れ、機械的性質も良好です。また、価格が安く供給源も多いため、広く利用されています。その最大の弱点は浸透性が低く、断面寸法が大きく、要求が高い部品には適していないことです。 45鋼の焼入れ温度はA3+(30～50)℃で、実際の作業では一般的に上限値が用いられる。やや高い焼入れ温度にすることで、ワークの加熱速度が上がり、表面の酸化が減少し、さらに作業効率も向上する。ワークのオーステナイトを均一化するためには、十分な保持時間が必要である。実際の装入量が多い場合は、保温時間を適切に延長する必要がある。そうでなければ、加熱が均一でないために硬度が不足する現象が起こる可能性があります。しかし、保持時間が長すぎると、結晶粒が粗くなったり、酸化や脱炭が進んでしまうという欠点が生じ、焼入れの品質に悪影響を与えます。私たちは、装炉量が工程書の規定を超える場合、加熱保持時間を1/5延長する必要があると考えています。 45鋼は浸透硬化性が低いため、冷却速度の速い10％食塩水溶液を使用すべきである。ワークを水中に入れた後は、完全に焼き入れる必要があるが、極端に急冷してはならない。もし塩水の中で極端に急冷してしまうと、ワークが割れる可能性がある。これは、ワークの温度が約180℃まで下がるとオーステナイトが急速にマルテンサイトに変化し、過度な組織応力が生じるためである。したがって、焼入れされたワークがその温度領域まで急速に冷却された場合は、緩やかに冷却する方法を取るべきである。出水温度を把握するのが難しいため、経験に基づいて操作する必要があり、水中のワークの振動が止まれば、水を出して空冷する（可能であれば油冷が望ましい）。また、ワークを水中に投入する際は静止させずに動かすべきであり、ワークの幾何学的形状に応じて規則的な動きをさせる必要がある。静止した冷却媒体と静止したワークの組み合わせにより、硬度が不均一になり、応力も不均一となるため、ワークが大きく変形したり、ひび割れが生じたりする。 45鋼の調質部品は、焼入れ後の硬度がHRC56～59に達する必要があります。断面が大きい場合はその値はやや低くなりますが、HRC48未満になってはなりません。そうでないと、部品が十分に焼入れされていないことを意味し、組織内にソルバイトやフェライト組織が現れる可能性があります。このような組織は時効処理を行っても基質中に残ったままとなり、調質の目的を達成することはできません。 45鋼の焼入れ後の高温時効では、加熱温度は通常560～600℃で、硬度はHRC22～34が要求される。調質の目的は総合的な機械的特性を得ることであるため、硬度の範囲は比較的広い。しかし、図面に硬度の要求がある場合は、硬度を保証するために図面の要求に従って焼戻し温度を調整する必要があります。一部の軸部品では強度が求められるため、硬度も高くなければならない；一方、歯車やキー溝付きの軸部品の中には、焼き入れ後にフライス加工や挿入加工を行うため、硬度の要求がやや低くなるものもある。焼き戻しの保持時間については、硬度の要求やワークの大きさによって異なりますが、私たちの見解では、焼き戻し後の硬度は焼き戻し温度に依存し、保持時間とはあまり関係がないと考えられます。ただし、十分に焼き戻す必要があり、一般的なワークの場合、焼き戻しの保持時間は1時間以上です。