工具鋼の熱処理：プロセスガイド

工具鋼は製造業に欠かせないもので、その硬度、耐摩耗性、高ストレス環境への耐性で知られています。切削工具から産業機械まで、その性能は熱処理という重要なプロセスにかかっています。

SteelPro Group では、焼きなまし状態とプレハードン状態の両方の工具鋼を提供しています。当社の専門家は、最適な硬度、靭性、耐久性を確保するための詳細な熱処理アドバイスも提供できます。

工具鋼の熱処理

熱処理は、合金を加熱および冷却して所望の機械的特性を得るための重要な手順です。工具鋼のこのプロセスには通常、焼鈍、予熱、オーステナイト化、焼入れ、焼き戻しといういくつかの重要なステップが含まれます。

工具鋼を熱処理するにはどうすればいいですか?

• 鍛造は通常、熱処理前の工具鋼に対して行われます。このプロセスにより、結晶構造が整列し、内部応力が軽減され、均一性が確保されるため、熱処理後の性能が向上します。

焼鈍 - 工具鋼の軟化

プロセス:

1. 鋼材を特定の温度（鋼材の種類に応じて、通常は 700°C ～ 900°C）まで加熱します。 
2. 鋼は完全な変態を可能にするために、しばらくこの温度に維持されます。 
3. 最後に、熱衝撃を避け、望ましい軟化効果を得るために、多くの場合は炉内で鋼を徐々に冷却します。

焼鈍処理により硬度と脆さが軽減され、鋼の機械加工や成形が容易になります。また、焼鈍処理は微細構造の均一化にも役立ち、これはその後の熱処理に不可欠です。

硬化 - 強度と耐摩耗性の向上

1. 予熱

予熱は実際の硬化反応の一部ではありませんが、熱衝撃を最小限に抑え、歪み、反り、または割れのリスクを軽減するのに役立ちます。複雑なツールや高速度鋼は、多くの場合、2 段階で予熱されます。

2. オーステナイト化

工具鋼をオーステナイト化温度範囲 760°C ～ 1300°C (1400°F ～ 2400°F) まで加熱します。目標温度は工具鋼の種類によって異なります。

適切なオーステナイト化温度を達成することは非常に重要です。温度が低すぎるとオーステナイトへの変態が不完全になり、温度が高すぎると結晶粒の成長が起こり、材料の靭性が低下する可能性があるためです。

3. 焼き入れ

オーステナイト化後、鋼は 焼入れ媒体冷却速度は慎重に制御する必要があります。急冷が不十分だと、不完全な変形や反りが生じる可能性があります。 

• 油焼入れ

油焼入れでは、加熱した鋼を油に浸して、適度な速度で急速冷却します。油は水よりも冷却が遅く、凝固をより制御できるため、この方法は工具鋼の歪みや割れを最小限に抑えるためによく使用されます。

• 水焼入れ

水焼入れは油焼入れよりもずっと速く鋼を冷却するため、急速冷却に耐えられる鋼に適しています。硬度は高くなりますが、冷却速度が速いため、ひび割れや反りが発生するリスクが高まります。

• 空気焼入れ

空気冷却は、鋼を周囲空気または強制空気で冷却する、より遅い冷却方法です。このプロセスは、歪みを防ぎながら最適な硬度を実現するために、それほど急速な冷却を必要としない、特定の高速度鋼などのこの目的のために設計された合金に使用されます。

焼き入れ - 脆さを軽減し、靭性を向上させる

プロセス

1. 硬化した鋼を特定の温度、通常は 150°C ～ 700°C (300°F ～ 1300°F) まで再加熱します。
2. 目標温度を一定時間（30 分から数時間）維持します。
3. 望ましい機械的特性を得るために、通常は空気または油中で制御された速度で鋼を冷却します。

焼き戻し温度は、鋼の最終的な機械的特性に直接影響します。焼き戻し温度が低いと、材料は硬くなりますが靭性は低下します。一方、焼き戻し温度が高いと、材料は靭性が高まりますが、わずかに柔らかくなります。

工具鋼の熱処理時の考慮事項

オーステナイト化中の表面保護

オーステナイト化プロセス中に酸素にさらされると、 スケーリング そして 脱炭工具表面の硬度が永久的に失われることになります。これらの問題を回避するには、 表面保護. 

一般的な方法としては、 真空炉, 雰囲気制御炉あるいは 中性塩浴炉もう一つの選択肢は、工具鋼を ステンレススチールホイル 酸素への露出を最小限に抑えるため。

熱処理中のサイズの変化

熱処理は、工具鋼の微細構造の変化により、必然的にサイズの変化を引き起こします。ほとんどの工具鋼は、 0.0005 ～ 0.002 インチ/インチ 処理中に元の長さに戻ります。 

残留オーステナイト

焼入れ中に、オーステナイトからマルテンサイトへの変態が完了しない場合があります。たとえば、D2 工具鋼は、焼入れ後も 20% を超えるオーステナイトが残る場合があります。これにより、内部応力や歪みが生じる可能性があります。これに対処するには、極低温処理などの技術を使用して、残留オーステナイトを安定したマルテンサイトに変換することができます。

低温処理は、サブゼロ処理または極低温処理とも呼ばれ、工具鋼の特性を改善するために使用されます。この処理では、鋼を非常に低い温度、通常は -70°C (-94°F) 以下に冷却します。これにより残留オーステナイトが減少し、鋼がより硬くなり、耐摩耗性が向上し、長期間にわたってより安定します。

熱処理によって工具鋼の微細構造はどのように変化するのでしょうか？

熱処理は、工具鋼の微細構造を原子レベルで変化させることで機能します。この処理中に、オーステナイトやマルテンサイトなどの相が生成され、さまざまな用途でその性能が向上します。

オーステナイト化

工具鋼をオーステナイト化温度まで加熱すると、鋼は初期の結晶構造（フェライトまたはパーライト）からオーステナイトに変化します。この段階では、炭素原子が鉄に溶解し、冷却時に鋼の硬度が高くなります。

マルテンサイト形成

急速冷却（焼入れ）により、オーステナイトは マルテンサイト冷却プロセスにより炭素の拡散が防止され、鉄原子が体心正方晶（BCT）構造に配置され、オーステナイトよりもはるかに硬く強度が増します。

マルテンサイト相により硬度と耐摩耗性が大幅に向上し、切削工具や高応力用途に適した鋼材となります。

マルテンサイトの精製

焼き戻しの際、鋼は再び低温に加熱されます。これにより、一部の炭素原子が析出し、構造が安定します。この手順により、内部の歪みが最小限に抑えられ、鋼の強度と耐久性は維持されながら、脆さが軽減されます。

焼きなましおよびプレハードニングオプションを備えた工具鋼ソリューション

SteelPro Groupでは、高品質の D2, H13そして T1工具鋼 焼きなまし状態とプレハードン状態の両方のプレート、ロッド、バー。当社の専門チームは、プロジェクトの特定のニーズを満たす専門的なガイダンスを提供し、最適な材料の選択とパフォーマンスを保証します。