機械設計工学

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わんどかみこ
5 years ago
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1 鋼の熱処理基礎知識熱処理とは : 鉄鋼などの金属材料を加熱したり冷却したりすると内部構造 ( 組織 ) に変化が起こり機械性質が著しく変わるこれを利用して金属材料を硬くしたり柔らかくしたりする工法を熱処理法という金属は温度により自身を構成する原子の結び付き方 ( 組織 ) が変化するこの組織には状態によりそれぞれ異なった特徴があり金属熱処理では金属を加熱冷却することで組織を変化させ金属自身の特性をコントロールする参考文献 : (1) 新知りたい熱処理不二越熱処理研究会著ジャパンマシニスト社 (2) 浅川熱処理 ( 株 ) ホームページ (3) 第一鋼業 ( 株 ) ホームページ

2 1. 金属原子の並び方金属は結晶から構成され結晶は原子から構成されている結晶における原子の並び方は次に示すように (a) 面心立方形 (b) 体心立方形と (c) 稠密六方形の三種類がある (γ 鉄 ) (α 鉄 ) (ε 鉄 ) (a) 面心立方形結晶構造 (b) 体心立方形結晶構造 (c) 稠密六方形結晶構造

3 変態変態 2. 純鉄原子の並び方及び温度との関係融点 1536 液体の鉄 α 鉄 γ 鉄 γ 鉄 δ 鉄変態温度変態温度 1392 A 4 変態点 911 A 3 変態点 780 体心立方形結晶構造 (δ 鉄 ) 格子定数 :2.93 面心立方形結晶構造 (γ 鉄 ) 常磁性領域 β 鉄 (α 鉄から電子状態の変化が発生 ) α 鉄は強磁性体で 780 以上では β 鉄 ( 常磁性体 ) になる常温体心立方形結晶構造 (α 鉄 ) 格子定数 : α 鉄 γ 鉄 δ 鉄液体

4 温度の上昇 3. 炭素鋼の平行状態図と変態 ( 組織変化 ) L= 液体 G= 黒鉛 r= オーステナイト ( 面心立方晶 ) α= マルテンサイト ( 体心正方晶 ) β= マルテンサイト ( 体心立方晶 ) 炭素の含有量

5 4. 実際の金属結晶の格子欠陥について実際の金属は不完全な結晶構造でその格子には欠陥だらけのものである格子欠陥にもいろいろな形があるぽつぽつと原子が空席になっている欠陥を点欠陥あるいは原子空孔という原子空孔は焼入れ焼きなまし表面処理酸化など高温現象に関係のある拡散に深い関わり合いがある (a) 線上欠陥 (b) らせん欠陥

6 5. 固溶と拡散 (a) 侵入形 (b) 置換形鉄を A3 変態点以上を加熱すると組織は体心立方形結晶構造から面心立方形結晶構造に変態し炭素原子を吸収しやすくなる

7 6. 鋼の熱処理による組織の変化 A 3 変態点 A: オーステナイト組織加熱面心立方形結晶構造組織変態体心立方形結晶構造徐冷 P: パーライト A: オーステナイト M: マルテンサイト B: ベイナイト P F : 細いパーライト P M : 中位のパーライト P C : 粗いパーライト急冷水中冷却 ( 水冷 ) 恒温冷却 C 素が排出し鉄と結び付き Fe 3 C を作る油中冷却 ( 油冷 ) 衝風冷却空気中冷却 ( 空冷 ) 炉中冷却 ( 炉冷 ) 常温 P 組織 M 組織針状焼入れマルテンサイト B 組織針状層状急冷の場合 C 素排出に間に合わなく C 素原子が体心立方形結晶に残留しマルテンサイト組織が生じる M+P F 組織 P F 組織 P M 組織 P C 組織針状層状層状層状層状焼ならし焼なましマルテンサイト + パーライト + フェライトパーライト + フェライト

8 7. 各組織の性質及び状態相の名称記号結晶構造フェライト α bcc オーステナイト A 組織 γ fcc δ Fe δ bcc パーライト P 組織 α + Fe 3 C 性質状態 C をランダムに固溶した侵入型固溶体 727 で最大固溶限 0.022wt% 純鉄では 912 以下で安定 C をランダムに固溶した侵入型固溶体 1147 で最大固溶限 2.14wt% 純鉄では 912~1391 で安定 C をランダムに固溶した侵入型固溶体 1490 で最大固溶限 0.08wt% 純鉄では 1391~1536 で安定 α 相と Fe 3 C が積層された共析複合組織セメンタイト Fe 3 C Fe と C の化合物 C を 6.7wt% 含む硬くて脆いマルテンサイト M 組織 α bct γ 域からの急冷時に無拡散変態により形成される準安定相

9 マルテンサイトの変態炭素鋼を水中に焼入れすると非常に硬くなりその組織を調べると針状で細かいマルテンサイト組織になる ( ドイツ人発見者マルテンスの名前 ) このマルテンサイト組織が非常に硬く腐食しにくくそれを 200 ( 焼き戻し温度制限 ) 程度に加熱すると少し腐食しやすいものに変化していく焼入れしたままの観察用の腐食液で腐食しにくいものを α マルテンサイト少し温度を上げて腐食しやすくなった組織のものを β マルテンサイト ( 焼戻しマルテンサイト ) と区別している焼入れしてから焼戻し (250 程度以下 ) までの温度による変化はマルテンサイトが焼戻しマルテンサイトになることでねばさが増す焼き戻し : α マルテンサイト β マルテンサイト焼き戻し目的 : 材料に靱性 ( ねばさ ) を持たせること

10 ８鋼の代表的な組織写真 a パーライト組織層状パーライト組織球状パーライト組織走査電顕パーライト写真層状パーライト組織電顕レプリカパーライト写真

11 (b) マルテンサイト組織 : (c) トルースタイト組織 : (d) ソルバイト組織 : (e) オーステナイト

12 熱処理工法の紹介 1. 焼入れについて鋼を硬化させるために変態点以上の温度に保持した後 ( オーステナイト領域まで加熱した後 ) に急冷する操作を焼入れと言う (Hardening) 高炭素を含有する鋼を変態点以上に加熱してオーステナイト組織 ( 面心立方格子 ) の状態のものが急冷されるとマルテンサイト組織 ( 体心正方格子 ) に変化する冷却には水油熱浴空気などを用いそれらを静止したり撹拌したりして冷却速度を調節する

13 焼入れ時の組織変化及び体積膨張 : 面心立方晶のオーステナイトが体心立方 ( 正方 ) 晶のマルテンサイトに変わると体積が膨張し硬さが非常に高くなる C 素原子が残留焼入れ体積膨張硬くなる面心立方晶 (fcc) の基本格子体心立方晶 (bcc) の基本格子

14 温度上昇 2. 焼き戻しについてオーステナイト( 柔らかい組織 ) A A1 P パーライト焼き入れ焼き戻し温度上昇加熱急冷 M 焼き入れマルテンサイト T トルースタイト焼き入れ S ソルバイト ( 非常に硬くて脆い組織 ) マルテンサイト変態焼戻しパーライト組織マルテンサイト組織焼戻し組織

15 焼き戻しの目的 : 焼入れした時のマルテンサイトを微細化させ靱性を持たせるオーステナイトから急冷して出来たマルテンサイトは硬くて脆いので焼戻しすることにより靱性を保たせる ( マルテンサイト変態した時に内部応力が発生し応力が鋭角の所に集中しそのままの状態で放置しておくと鋭角部から割れが発生する ) マルテンサイトを焼戻し ( 一般には 160 ~250 程度 ) するとマルテンサイトが焼戻しマルテンサイトになることでねばさが増す硬さが若干低下しねばさ ( 強靭性 ) が増加する硬さと強さの両方が必要な高硬度で使うナイフや工具などは一般的にはこの焼戻し温度範囲を採用するつまり焼戻しをしないと欠けたり折れたりしやすいということになる 250 以上にもっと焼戻し温度を上げていくと次第に焼き戻し後の硬さが低下するが組織的には炭化物が析出する共析反応が進んでいる

16 硬さ (HRC) 焼戻し温度と材料機械性能の関係 : A. 焼戻し温度と硬さとの関係焼入れ温度焼き戻し限界温度 :250 まで焼き入れまま焼戻し温度 ( ) 図 1 SLD の焼き戻し硬さ曲線

17 残留オーステナイト量 (%) B. 焼戻し温度と残留オーステナイト量との関係焼入れ温度焼戻し温度 ( ) 図 2 SLD の焼き戻し温度と残留オーステナイト量の関係

18 残留オーステナイト及びその役割 : 焼入れした鋼の中に残っているオーステナイトを残留オーステナイトと言う残留オーステナイトが多ければ悪い点としては 1 焼入れした時の硬さの低下 2 弾性限が低下したり経年変化が出やすい 3 着磁力の低下良い点としては適度な残留オーステナイトはじん性を向上させショックアブソーバーとなって焼き割れや使用中の割れを防ぐ残留オーステナイト量は指定の焼入れ温度範囲を超えると急激に増加する冷却速度が遅い場合にも増加している残留オーステナイトは C Mn Ni Cr などの合金成分が多いほど多く残留する

19 シャルピー衝撃値 (J/cm 2 ) C. 焼戻し温度とシャルビー衝撃値との関係 520 焼戻し 200 焼戻し焼戻し回数図 3 SLD の焼戻し回数とシャルビー衝撃値の関係

20 シャルビー衝撃実験原理図試験片出典 : シャルピー衝撃試験

21 破断荷重 (N) たわみ (mm) D. 焼戻し温度と抗折じん性との関係 1010 焼入れ各 1 時間 2 回焼戻し破断荷重たわみ焼戻し温度 ( ) 図 4 SLD の焼戻し温度と抗折じん性の関係

22 3. 焼なまし ( 焼鈍 ) 焼きなまし英 : annealing 焼き鈍し焼鈍 ( しょうどん ) ともとは金属材料を適当な温度に加熱し鋼をオーステナイト組織の状態で十分保持した後炉中で徐冷する熱処理工法である目的 : 加工硬化による内部の残留ひずみ ( 残留応力 ) を取り除き組織を軟化させ展延性を向上させる焼なましによって金属組織の格子欠陥が減少し再結晶が行われるため組織が均質化し残留応力も減少するため軟化する焼なましはその目的により温度と冷却速度が異なったいくつかの種類に分けられる完全焼なましは材料を再結晶温度以上に保った後徐冷することによって内部応力の無い組織とすることでありこれによって材料は軟化する球状化焼なましは一旦オーステナイト組織にした鋼を急冷することにより組織内部の炭化物を層状から球状に変化させる処理でこれによって焼き割れしにくく靭性に富む鋼が得られる工具鋼の加工前に行われる熱処理であるこのほか塑性加工や切削加工前に焼なましを行い材料を軟化させて被工作性を増す処理を軟化焼なまし残留応力除去のため比較的低温で行う応力除去焼なましなどがある

23 金属原子加工により歪んだ金属結晶組織再結晶化により均質化結晶組織焼きなまし

24 4. 焼きならしについて焼きならし (normalizing) とは加工による内部のひずみを取り除いたり組織を標準の状態に戻したり微細化したりする熱処理である鋼をオーステナイト組織の状態で十分保持した後空気中で十分に冷却する鍛造や鋳造圧延などによって造られた鋼材は過熱異常組織や炭化物の部分的凝集結晶粒の粗大化及び不均一なものが多いこのような鋼材について結晶粒を均一に微細化し機械的性質を向上させまた機械加工性などを改善する目的で行う熱処理を焼ならしというつまり鋼材の金属組織を標準状態にする処理である 1) A3 又は Acm 点以上 50 程度高い温度に加熱してオーステナイト一相としたのち大気中で放冷 ( 空冷 ) を行うこの時変態点を上下することによって繊維組織は消失し過熱組織や鋳造組織が改善されまた冷却によって結晶粒が微細化すると共に硬く強く伸び絞り性の良い微細なパーライトが得られ残留応力も除去される機械的性質の向上機械加工性の向上など目的として行う熱処理である焼きならしをすると強度延性が高くなる焼入れの予備処理としても使われる焼きならし徐冷温度 ( パーライト変態 ) ぎょうこ凝固組織加工組織 ( 熱処理前の組織 ) ( パーライト組織 )

25 5. 熱処理後の寸法変化寸法変化の原因 : (1) 残留応力ひずみ ; (2) 変態ひずみ ; (3) 自重ひずみ 1 残留応力歪み : 加工時の残留応力放出によるもの ( 加熱後 ) 2 変態歪み : オーステナイトからマルテンサイトに変態する時の体積膨張 3 自重歪み : 製品の重さによる変形量 ( 加熱後 ) 三つの要因が 1 つとなって寸法変化が発生する加工の影響も含まれるので熱処理によるひずみの予測が極めて困難であるが歪み量を少なくすることが可能

26 6. 材料焼き入れ性焼入れの際の冷却材は ( 冷却能力の高い順から ) 水油ソルト窒素ガス空気などが用いられるが鋼材の表面で焼が十分に入る (50% がマルテンサイトに変わる ) 最低の冷却速度を臨界冷却速度といい硬化の深度と硬さの関係を焼入れ性として表現する急冷の度合いは鋼種によって異なるが水冷ではなく油冷油冷ではなく空冷というようにゆっくりと冷やしても硬化する材料を焼入れ性が良い鋼種と言う空気焼入れ鋼と言われるものは空冷で硬化する非常に焼入れ性が高いものである焼入れ性は Mn( マンガン ) Cr( クロム ) などの焼入れ性を高める合金元素量が影響するジョミニ焼入試験などのように端面を冷却して端面からの表面硬さを測る方法や規定の表面硬さや中心硬さが得られる最大直径を示すことなどでそれを表す

27 7. 材料の焼入れ性評価 : ジョミニ焼入試験 JIS G 0561:2011 鋼の焼入性試験方法 ( 一端焼入方法 ) 出典 :

28 8. 鉄鋼中の元素の役割 (1) 鋼の成分 :Fe Si Mn P S C 添加量 : C:0.04~1.5%; P:0.04% 以下 ; Si: 0.1~0.4%; Mn:0.5~0.8%; S: 0.04% 以下硬さ強さ又は耐摩耗性耐疲労性耐食性などを向上するために Cr Mo W( タングステン ) V( バナジウム ) Ni Co( コバルト ) B Ti( チタン ) などの特殊元素を加える焼入れ性向上 : W Cr Mo V Ni 切削性 / 耐摩耗性向上 : Mo W V 靱性増加 : V Mo 快削性向上 : S 焼き戻し軟化を向上

29 鉄鋼中の元素の役割 (2) 各元素の役割 : C : 主役で硬さ強さを増加させる最も重要な元素 Si : 硬さ強さを増す元素 Si1% に付き引張り強さ約 98Mpa 上昇する Mn : 焼入れ性をよくし強じん性を与える働きをする P : 有害な元素で寒い時に鋼を脆くする性質があるつまり冷間脆性を起こしやすく偏析を生じやすい元素の 1 つ S : P と同様有害元素で P とは逆に赤めたときに脆くする性質があるこれを熱間脆性と呼んでいる Cr : 耐摩耗性耐食性を増加させる元素また浸炭を促進し焼入れし易くする働きもある Mo : 焼入性をよくする最も優れた元素高温における結晶粒の粗大化を防ぎ高温引張り強さも上昇させる Cr Mn W などと一緒に添加されるさらに効果的である Ni : 低温における耐ショック性を増加させまた耐食性を向上させる V : 結晶粒を細かくし強じん性を与えさらに硬い炭化物を形成するため耐摩耗性の向上にも役立つ W : 高温における軟化抵抗が大きく V と同様硬い炭化物を形成するまた Mo と同じ作用し Mo1% と W2% が大体同じ効果がある Co : 鋼中に溶け込み熱に強い性質つまり赤熱軟化抵抗を増大させる元素 B : 0.003% 下の添加だけで良く焼きが入る性質を与える元素 Ti : 焼きを入りにくくする元素ただしステンレス鋼に添加されると耐食性が増加する以上の元素はフェライト中へ固溶するものまた炭化物を形成し有効に作用するものとがある Ni Co B Mo C r はフェライト中に固溶して強じん性耐熱性焼入性耐食性などの向上に付与し Cr Mo V,Ti W などは硬い炭化物を形成し耐摩耗性の向上に役立つ

30 鋼材記号 C Mn Ni Cr Mo 機械構造用炭素鋼 S45C マンガン鋼 SMn ニッケルクロム鋼 SNC ニッケルクロムモリブテン鋼 SNCM クロム鋼 Scr クロムモリブデン鋼 SCM ステンレス鋼 SUS 以下高炭素クロム軸受鋼 SUJ 以下炭素工具鋼 SK 以下鍛鋼鋳鋼ハダ焼鋼 SF45.50 FC FCD 9. 機械部品の常用鋼材 SCM (S:Steel; C:Chromium; M:Molybdenum); SCr (S:Steel; C:Chromium); SNC (S:Steel; N:Nickel C:Chromium); SNCM (S:Steel; N:Nickel C:Chromium; M:Molybdenum) FCD (F:Ferrum; C:Casting; D:Ductile)

31 10. 炭素鋼の炭素含有量と硬度焼入れ硬度の関係種類記号炭素含有量 (C%) 焼入れ硬度 (HRC)( 水 ) 種類記号炭素含有量 (C%) 焼入れ硬度 (HRC)( 水 ) S10C 0.08~0.13 S35C 0.32~ 機械構造用炭素鋼鋼材 S12C 0.10~0.15 S38C 0.35~ S15C 0.13~0.18 S40C 0.37~ S17C 0.15~0.20 S43C 0.40~ S20C 0.18~0.23 S45C 0.42~ S22C 0.20~0.25 S48C 0.45~ S25C 0.22~0.28 S50C 0.47~ S28C 0.25~0.31 S53C 0.50~ S30C 0.27~0.33 S55C 0.52~ S33C 0.30~0.36 S58C 0.55~

32 11. はだ焼き入れとズブ焼き入れはだ焼き : 鋼材の表面だけを硬くする方法ははだ焼きと呼ばれる表面硬化のために設計されている鋼はハダ焼き鋼と呼ばれるズブ焼き : 表面だけではなく中心部に近い芯のほうにまで熱処理を行うことで鋼全体を硬くする方法はズブ焼きと呼ばれるズブ焼き鋼とは芯部のほうまで熱処理を施した鋼もしくは施すことを意味する

33 現場でよく使われている熱処理工法 1. 浸炭焼入れ 2. 浸炭窒化焼き入れ 3. 高周波焼入れ 4. 真空浸炭焼き入れ ( 無酸化焼入れ ) 参考文献 :

34 1. 浸炭焼入れ熱処理のヒートパターン : ( 浸炭深さによって決める ) 温度 A 浸炭 C 濃度拡散 C 濃度 Cp 1 % Cp 2 % ( 材料の C 量によって決める ) 温度 B 均熱 C 濃度 Cp 2 % 焼き戻し温度 C t 1 t 2 t 3 冷却 t 4 浸炭深さ = K t (K = 定数 ; t = 時間 ) 参考資料 :

浸炭焼入れ後の組織比較 : マルテンサイト組織マルテンサイトと残留オーステナイト倍率 = 約 400 倍率 = 約 400 0.

程度以上の硬さが得られるマルテンサイトは細かく針状でかなり冷却が速くなければこのような均一の組織は得られない 1.

35 浸炭焼入れ後の組織比較 : マルテンサイト組織マルテンサイトと残留オーステナイト倍率 = 約 400 倍率 = 約 %C の炭素工具鋼 + 水焼入れ [ ナイタール ( 硝酸アルコール ) で腐食 ] 焼入れ温度が適正であればこのような均一組織となり 64HRC 程度以上の硬さが得られるマルテンサイトは細かく針状でかなり冷却が速くなければこのような均一の組織は得られない 1.1%C の炭素工具鋼 + 水焼入れ [ ナイタール ( 硝酸アルコール ) で腐食 ] 通常の焼入れ温度よりかなり高い温度 (1030 ) から水焼入れした組織で組織は粗く未変態の残留オーステナイト ( 白い部分 ) が多く見られる

36 2. 浸炭窒化焼き入れ熱処理のヒートパターン : 温度 A 浸炭拡散温度 B C 濃度 Cp 1 % C 濃度 Cp 2 % 均熱 NH3 V 1 m 3 /h 冷却焼き戻し温度 C t 1 t 2 t 3 t 4

37 3. 高周波焼入れ高周波焼入れ (Induction hardening) とは金属に高周波の電磁波による電磁誘導を起こし表面を加熱させて焼入れを行う熱処理の手法主に炭素量 0.3% 以上の鋼に適する方法である金属に銅線を巻きつけてコイル状にし銅線に交流を流すとコイル内部に電磁誘導による磁力が発生すると同時に金属内に渦電流が発生するこの渦電流は金属表面のみに集まるので ( 表皮効果 ) 金属表面を電流が流れていることになる電流が発生すると焼入れする金属の持つ電気抵抗 R によりジュール熱が発生する ( 誘導加熱 ) 水などをかけて冷却するこの高周波焼入れ焼戻しする一連の作業を高周波焼入れ焼戻し (Induction hardening and tempering) とひとくくりに言うこともある

38 利点 : 調整が簡便焼入れ深さを決める際はコイルに流す周波数を調整すればいい交流の周波数を調整することは簡単なので焼入れ深さの調整をしやすい短時間で処理が出来る材料をコイルに近付け交流電流を流すだけなので短時間で処理することが可能である欠点 : 大きな材料の焼入れ材料が大きくなればコイルも大型化するが出力が小さな電源ではそれに見合う磁場を発生させられないため高周波焼入れが困難である高出力な電源があれば大きなコイルでも強力な磁界を発生させられるため大型のものでも焼入れできるがそのような電源は一般に高価である複雑な形状の焼入れ入り組んだものなど複雑な形状のものは内部の渦電流が一定にならないため場所によって温度差が出るそのため高周波焼入れは適さない適用部品 : 比較的小型な軸歯車平板などに広く使われている大きな材料や複雑な形状のものに焼入れをする際は主に火炎焼入れが使われる

39 4. 真空浸炭焼き入れ鋼を大気中で高温に加熱すると酸化被膜が付着したり表面脱炭などの変質などが起るこれらが発生すると表面の硬さが充分に出なかったり焼割れの原因になるこれを防ぐためにソルトバス熱処理窒素ガス雰囲気での加熱大気を排気しながら光輝状態で品物を熱処理する真空熱処理などが行われる鋼の加熱中の酸化を防ぐ熱処理法を総称して無酸化熱処理と呼び現状では工具鋼などの高級鋼における熱処理方法の主流となっているもっともポピュラーな真空熱処理の多くは各種の真空ポンプを使って脱気しながら電熱で加熱昇温するが宇宙のような高い真空度にすると高温になるほど鋼中から合金元素が抜ける現象が生じるために低真空 ( または中真空 ) の脱気状態で加熱するか加熱時の熱効率を高めるために脱気しながら微量の窒素ガスを流して光輝状態を保つ方法が主流で焼入れ冷却の際には大量の窒素ガスで冷却する装置を用いる場合が多く高価な熱処理法である

40 機械装置の熱処理の必要性について機械部品の表面 ( 例えば歯車などの歯面 ) を硬化させることにより機械部品の表面接触強度を伸ばすことができる薄肉構造部品 ( 例えば波動歯車装置のカップ状薄肉外歯車など ) の表面を硬化させることにより機械部品の引っ張り強度を伸ばすことができる硬い機械素材を熱処理により柔らかくして加工しやすくなる内部残留応力のある機械部品や素材を熱処理により残留応力を除去し残留ひずみを発生させないようにすることができる

41 参考資料 : 第一鋼業社のソルトバス熱処理写真出典 : 1 かごにセット 2 予熱高温加熱用ソルトバス ( 中央 ) 3 焼入れ温度に加熱 4 取り出し 5 焼入れ 6 引き続き焼き戻し中温ソルトバス 1000 までの焼入れ用加熱段階加熱 ( 予熱 ) にも使用

Microsoft PowerPoint - Engmat111Y6V1pdf.ppt

Microsoft PowerPoint - Engmat111Y6V1pdf.ppt 第六回目鉄鋼の熱処理の基礎 a.fe-c 状態図と標準組織炭素鋼 ( 鋼 ):Fe+ 少量の C Fe 3 C( セメンタイト, cementite): 準安定相で, 安定相は黒鉛, 通常の熱処理ではセメンタイトとして存在生命医科学部医工学科バイオメカニクス研究室 ( 片山田中研 ) IN116N 田中和人 E-mail: 内線 : 6408 材料工学 Ⅰ 鋼 (steel) :C 量が約 2.0%