熱処理中のワークの体積や形状の変化は、鋼材の組織変態時の比体積変化による体積膨張と、熱処理応力による塑性変形によって引き起こされます。したがって、熱処理応力が大きく、相変態が不均一であるほど、変形は大きくなり、その逆も同様です。変形を軽減するには、焼入れ応力を軽減し、鋼の降伏強度を向上させる努力をする必要があります。

熱処理変形に及ぼす化学組成の影響

鋼の化学組成は、鋼の降伏強さ、Ms 点、焼入れ性、微細構造の比体積、および残留オーステナイト含有量に影響を与えることにより、ワークピースの熱処理変形に影響を与えます。

鋼の炭素含有量は、熱処理後に得られる各種組織の比体積（室温における各種組織の比体積と炭素含有量の関係～略称、炭素鋼の炭素含有量とMs点および残留オーステナイトの関係～）に直接影響します。略称）。鋼の炭素含有量が増加すると、マルテンサイトの体積が増加し、降伏強度が増加します。焼入れ性とマルテンサイト比体積の増加により、焼入れ後の微細構造の応力と熱処理変形が増加します。残留オーステナイト含有量と降伏強度の増加により、比体積変化が減少し、組織応力の減少と熱処理変形の減少につながります。熱処理中のワークピースの変形に対する炭素含有量の影響は、前述の相反する要因の複合効果の結果です。

焼入れ中の体積変化に対する炭素含有量の影響(サンプルサイズ: ￠25 * 100)

08鋼サンプルの焼入変形傾向は、長さが短くなり、サンプルの中央で直径が増加し、端で直径が減少し、ウエストドラム形状を形成します。これは、低炭素鋼はＭｓ点が高いものの、マルテンサイト変態が起こると降伏強さが低く、塑性が良く、変形しやすいためである。しかし、マルテンサイトの量が少ないため、組織応力は大きくなく、大きな塑性変形を引き起こしません。逆に、熱応力による変形は比較的大きく、最終的には熱応力変形として現れます。

微細構造応力が 55 鋼試験片の変形を引き起こす支配的な要因となり、その結果、中間直径が減少し、端直径が増加し、長さが増加しました。

さらに炭素の質量分率が0.8%以上に増加すると、Ms点の低下と残留オーステナイト量の増加により、その変形は長さが短くなり径が大きくなる熱応力型の変形となる。また、高炭素鋼は降伏強度が向上しているため、中炭素鋼に比べて変形が小さくなります。炭素鋼の場合、ほとんどの場合、T7A 鋼の変形が最も小さくなります。炭素の質量分率が 0.7% を超えると、収縮する傾向があります。ただし、カーボンの質量割合が0.7%未満になると、内外径ともに拡大する傾向があります。

一般に完全焼入れの場合、炭素鋼は合金鋼に比べてMs点が高いため、より高温でマルテンサイト変態が始まります。高温での鋼の良好な可塑性と炭素鋼自体の降伏強度が比較的低いため、内側の穴 (またはキャビティ) を持つ炭素鋼部品はより変形する傾向があり、内側の穴 (またはキャビティ) が膨潤する傾向があります。合金鋼は、強度が高く、Ms 点が低く、残留オーステナイト含有量が高いため、主に熱応力変形として現れる焼入れ変形が比較的小さく、内部の穴 (または空洞) が収縮する傾向があります。したがって、中炭素鋼、高炭素鋼、高合金鋼と同じ条件で焼入れすると、主に内穴収縮が発生することがよくあります。

ワークピースの熱処理変形に対する合金元素の影響は、主に鋼の Ms 点と焼入れ性への影響に反映されます。マンガン、クロム、シリコン、ニッケル、モリブデン、ホウ素などのほとんどの合金元素は、鋼の Ms 点を低下させ、残留オーステナイトの量を増加させ、焼入れ中の比体積変化と微細構造応力を減少させ、その結果、ワークの焼入れ変形。合金元素は鋼の焼入れ性を大幅に向上させるため、鋼の体積変形と構造応力が増加し、ワークピースの熱処理変形の傾向が増加します。さらに、合金元素による鋼の焼入れ性の向上により、臨界焼入れ冷却速度が低下します。実際の生産では、穏やかな焼入れ媒体を使用して焼入れを行うことができるため、熱応力が軽減され、ワー​​クピースの熱処理変形が軽減されます。シリコンは MS 点にはほとんど影響を与えず、サンプルの変形を軽減する効果のみを持ちます。タングステン、バナジウムは焼入性やMs点にほとんど影響を与えず、熱処理時のワークの変形にもほとんど影響を与えません。したがって、工業的に使用されるいわゆる微異形鋼には、シリコン、タングステン、バナジウムなどの合金元素が多量に含まれています。

熱処理変形に及ぼす元の組織と応力状態の影響

ワークの熱処理変形には、炭化物の形態、大きさ、量、分布、合金元素の偏析、鍛造や圧延によって形成される繊維方向など、焼入れ前のワークの元の構造が一定の影響を与えます。 。球状パーライトは鱗片状パーライトに比べて体積が大きく強度が高いため、球状化前処理後のワークの焼入変形が比較的小さくなります。9Mn2V、CrWMn、GCr15 鋼などの一部の高炭素合金工具鋼では、球状化レベルが熱処理変形割れや焼入れ変形の修正に大きな影響を与えるため、通常は 2.5 ～ 5 レベルの球状化鋼を使用することをお勧めします。構造。焼き入れと焼き戻しを行うと、ワークの変形の絶対値が小さくなるだけでなく、ワークの焼き入れ変形がより規則的になり、変形の制御に有利になります。

ストリップ炭化物の分布は、ワークピースの熱処理変形に大きな影響を与えます。焼入れ後、ワークは超硬ストリップの方向に平行に膨張し、超硬ストリップに垂直な方向に収縮します。炭化物粒子が粗大であるほど、ストリップ方向の膨張が大きくなります。Cr12系鋼や高速度鋼などのマルテンサイト鋼では、炭化物の形態や分布が焼入れ変形に特に大きな影響を与えます。炭化物は母材の約70％であり、熱膨張係数が小さいため、加熱時は板方向の膨張が小さい炭化物が母材の伸びを抑制し、冷却時は収縮が小さい炭化物が母材の伸びを阻害します。マトリックスの収縮。オーステナイト化の加熱温度が遅いため、炭化物の基本膨張抑制効果は弱い。したがって、ワークピースの焼入れおよび加熱変形に対するストリップ状に分布した炭化物の方向性の影響は比較的小さいです。しかし、焼入れおよび冷却中、冷却速度が速いため、マトリックス収縮に対する炭化物の抑制効果が増大し、その結果、焼入れ後の炭化物ストリップの方向に沿った大幅な伸びが発生します。

圧延および鍛造された材料は、異なる繊維方向に沿って異なる熱処理変形挙動を示します。繊維配向が不明瞭な正規化された試験片では、縦方向と横方向に沿ったサイズ変化の差は比較的小さくなります。アニールされたサンプルに明確な縞状構造がある場合、繊維方向に沿ったサイズ変化と繊維方向に垂直なサイズ変化は大きく異なります。鍛造比が大きく繊維方向が明らかな場合、繊維方向に沿った縦方向の試験片の寸法変化率は、繊維方向に直交する横方向の試験片の寸法変化率よりも大きくなります。

過共析鋼中に網目状炭化物が存在する場合、網目状炭化物の近傍に多量の炭素元素および合金元素が濃化する。網状炭化物から遠く離れた領域では、炭素と合金の元素が少なくなり、その結果、焼入れ微細構造の応力が増加し、焼入れ変形が増加し、さらには亀裂が発生します。したがって、過共析鋼中のネットワーク状炭化物は、適切な前熱処理によって除去する必要があります。

また、鋼塊の巨視的偏析により、鋼材の断面に四角偏析が生じることが多く、円盤状部品の焼入れ変形が不均一となる場合が多い。つまり、ワークの元の組織が均一であればあるほど、熱処理変形は小さくなり、変形が規則的になり、制御が容易になります。

焼入れ前のワーク自体の応力状態は変形に大きな影響を与えます。特に高送り切削を行った複雑な形状のワークの場合、残留応力が除去されていないと焼入れ変形に大きな影響を与えます。

ワーク形状が熱処理変形に及ぼす影響

キー溝付きシャフト、キー溝カッター、タワー型ワークなど、複雑な幾何学的形状や非対称な断面形状を持つワークは、焼入れ冷却時に片側の熱の放散が早く、もう一方の側の熱の放散が遅くなるなど、冷却が不均一になります。Ms を超える不均一な冷却によって引き起こされる変形が支配的な場合、冷却が速い側が凹面になります。Ms 以下の不均一な冷却による変形が支配的な場合、冷却が速い側が凸になります。等温時間を長くし、ベイナイト変態変数を増やし、残留オーステナイトをより安定させ、空冷中のマルテンサイト変態量を減らすと、ワークピースの変形を大幅に減らすことができます。

熱処理変形に対するプロセスパラメータの影響

通常の熱処理でも特殊な熱処理でも熱処理変形が発生する場合があります。熱処理プロセスパラメータが熱処理変形に及ぼす影響を分析する場合、最も重要なことは、加熱プロセスと冷却プロセスの影響を分析することです。加熱プロセスの主なパラメータは、加熱の均一性、加熱温度、加熱速度です。冷却プロセスの主なパラメータは、冷却の均一性と冷却速度です。不均一な冷却が焼入れ変形に及ぼす影響は、ワークの非対称断面形状によって引き起こされる影響と同じです。このセクションでは主に他のプロセスパラメータの影響について説明します。

加熱ムラによる変形 - 過度の加熱速度、加熱環境の温度ムラ、不適切な加熱操作はすべて、ワークの加熱ムラを引き起こす可能性があります。加熱ムラは細長いワークや薄いワークの変形に大きな影響を与えます。ここでいう不均一加熱とは、加熱過程においてワークの表面と中心部で避けられない温度差を指すのではなく、さまざまな原因によりワークの各部に生じる温度勾配を指します。複雑な形状や熱伝導率の悪い高合金鋼ワークの場合、不均一な加熱による変形を軽減するために、低速加熱または予熱を使用する必要があります。ただし、急速加熱は長軸のワークピースや薄板状部品の変形を増大させる可能性があることに注意してください。ただし、体積変形が主なワークピースの場合、急速加熱が変形を軽減する役割を果たすことがよくあります。これは、ワークの加工部分のみを焼き入れ強化する必要がある場合、急速加熱することでワーク中心部を低温かつ高強度の状態に保ち、加工部分を焼き入れ温度に到達させることができるためです。この高強度コアにより、焼入れ冷却後のワークの大きな変形を防ぐことができます。さらに、高速加熱では加熱温度を高くすることができ、加熱・保温時間を短くすることで、高温に長時間放置した際のワークの重量による変形を軽減できます。急速加熱はワークピースの表面および局所領域でのみ相転移温度に達するため、それに応じて焼入れ後の体積変化の影響が軽減され、焼入れ変形の軽減にも役立ちます。

加熱温度が変形に及ぼす影響 - 焼入れ加熱温度は、焼入れ冷却時の温度差が変化し、焼入性、Ms点、残留オーステナイト量が変化し、焼入変形に影響を与えます。焼入れ加熱温度を上げると、残留オーステナイト量が増加し、Ms点が低下し、構造応力による変形が減少し、スリーブタイプのワークピースの穴キャビティが縮小する傾向があります。しかしその一方で、焼入れ加熱温度の上昇により焼入れ性が向上し、焼入れ冷却時の温度差が大きくなり、熱応力が増大し、内部穴拡大が生じやすくなる。低炭素鋼のワークピースの場合、通常の加熱温度で焼入れした後に内穴が収縮する場合、焼入れ加熱温度を上げると収縮が大きくなることが実際にわかっています。収縮を小さくするには、焼入れ加熱温度を低くする必要があります。中炭素合金鋼のワークの場合、通常の加熱温度で焼入れ後、内穴が膨張する場合、焼入れ加熱温度を高くすると内穴の膨張が大きくなります。穴キャビティの拡大を抑えるためには、焼入れ加熱温度を下げることも必要です。Cr12系高合金金型鋼の場合、焼入れ加熱温度を高くすると残留オーステナイト量が増加し、気孔径が小さくなる傾向にあります。

焼入れ冷却速度が変形に及ぼす影響 - 一般に、焼入れ冷却が激しくなるほど、ワークの内外や異なる部品（断面サイズの異なる部品）の温度差が大きくなり、発生する内部応力は大きくなります。 、熱処理変形の増加につながります。異なる冷却速度での焼入れおよび焼き戻し後の熱間ダイス鋼試験片 (長さ 150 * 幅 100 * 高さ 50) の変形。3 つの媒体の冷却速度は、油冷が最も速く、次に熱浴冷却が続き、空冷が最も遅くなります。3 つの異なる冷却速度で焼入れした後、ワークピースの長さと幅は収縮する傾向がありますが、変形量にはほとんど差がありません。ただし、板厚方向の冷却速度が遅い空冷や熱浴焼入れでは変形量が0.05%と非常に小さく、油焼入れでは収縮変形が起こり、最大変形量は0.28%程度です。ただし、冷却速度の変化によってワークピースの相変態が変化する場合、冷却速度の増加は必ずしも変形の増加につながるわけではなく、場合によっては実際に変形が減少することがあります。例えば、低炭素合金鋼の中心部に多量のフェライトが存在するために焼入れ後に収縮が生じる場合、焼入れ冷却速度を上げて中心部のベイナイトを多くすることで収縮変形を効果的に低減できます。逆に、焼入れ後に中心部に得られるマルテンサイトによりワークが膨れる場合には、冷却速度を下げて中心部のマルテンサイト量を相対的に減らすことでも膨れを軽減することができます。焼入れ冷却速度が焼入れ変形に及ぼす影響は複雑な問題ですが、原則として、必要な微細構造と特性を確保しながら、焼入れ冷却速度を最小限に抑えることです。

時効と冷間処理が熱処理変形に及ぼす影響 - 精密部品や測定工具では、長期使用時の精度や寸法安定性を維持するために、組織をより安定させるための冷間処理や焼き戻しが必要になることがよくあります。したがって、ワークの熱処理品質を向上させるためには、時効時のワークの焼き戻しや冷間処理の変形則を理解することが非常に重要です。冷間処理により残留オーステナイトがマルテンサイトに変化し、体積が膨張します。低温焼戻しや時効処理により、ε - 炭化物の析出やマルテンサイトの分解が促進され、体積収縮が生じる一方で、ある程度の応力緩和が生じ、ワークの形状歪みが生じます。鋼の化学組成、焼き戻し温度、および時効温度は、時効プロセス中の加工変形に影響を与える主な要因です。

浸炭ワークの変形 - 浸炭ワークは通常、フェライトと少量のパーライトを含む独自の組織を持つ低炭素鋼および低炭素合金鋼でできています。ワークのサービス要件に応じて、浸炭後、ワークを直接焼入れ、徐冷、再加熱、焼入れ、または再焼入れする必要があります。浸炭されたワークピースは、浸炭後の徐冷および浸炭焼入れプロセス中に、構造応力および熱応力の影響により変形を受けます。変形のサイズと変形パターンは、浸炭鋼の化学組成、浸炭層の深さ、ワークピースの幾何学的形状とサイズ、浸炭および浸炭後の熱処理プロセスパラメータなどの要因に依存します。

ワークは、長さ、幅、高さ（厚さ）の相対的な寸法に基づいて、細長い部品、平坦な部品、立方体の部品に分類できます。細長いピースの長さはその断面サイズよりもはるかに大きく、平らなピースの長さおよび幅はその高さ（厚さ）よりもはるかに大きく、立方体の 3 方向の寸法は大きく変わりません。熱処理中の最大内部応力は、一般に最大寸法の方向に発生します。この方向を優勢応力方向とすると、一般に低炭素鋼や低炭素合金鋼のワークは、浸炭後の徐冷や空冷後に内部にフェライトやパーライトが生成すると、優勢応力方向に沿って収縮変形を示します。冷却後の収縮変形率は約0.08～0.14%です。鋼中の合金元素の含有量が増加し、ワークピースの断面サイズが小さくなると、変形速度も低下し、膨潤変形が発生することもあります。

断面厚さが大きく異なり、形状が非対称である細長いロッドは、浸炭および空冷後に曲げ変形が発生しやすくなります。曲げ変形の方向は材質によって異なります。急速冷却された低炭素鋼浸炭ワークの薄い部分は、片面が凹面になっていることがよくあります。ただし、12CrN3A や 18CrMnTi などの高合金元素を含む低炭素合金鋼浸炭ワークの場合、急速に冷却された薄肉側が凸面になることがよくあります。

920〜940℃の温度で浸炭した後、低炭素鋼および低炭素合金鋼で作られたワークピースの浸炭層中の炭素の質量分率は0.6〜1.0％に増加します。浸炭層の高炭素オーステナイトは、パーライトに変態し始める前に、空冷または徐冷中に Ar1 (約 600℃) 以下に過冷却する必要があります。中心部の低炭素オーステナイトは900℃付近でフェライトの析出を開始し、Ar1温度以下では残りのオーステナイトが共析分解してパーライトに変態する。浸炭温度の過冷却からAr1温度まで、共析成分の浸炭層は相変態を起こさず、高炭素オーステナイトは温度の低下に伴う熱収縮のみを起こした。同時に、フェライト析出量の増加により中心部の低炭素オーステナイトが膨張し、中心部に圧縮応力、浸炭層に引張応力が発生する。心臓イベントによる γ→α 変態中、相変化応力の影響により降伏強度が低下し、中心での圧縮変形が生じます。低炭素合金鋼は強度が高く、同一条件下で中心部の圧縮塑性変形が小さい。

非対称形状の浸炭ワークを空冷すると、徐冷側よりも急冷側のオーステナイト線長さの収縮が大きくなり、曲げ応力が発生します。曲げ応力が徐冷側の降伏強度より大きい場合、ワークは急速冷却側に曲がります。合金元素の含有量が高い低炭素合金鋼の場合、浸炭後の表層は高炭素合金鋼の組成になります。空冷中、急速に冷却される側は相変態を起こし、より高い硬度とより大きな比容積の組織を備えた新しい相を形成します。一方、冷却によりゆっくりと形成される新しい相は硬度が低く、その結果、逆の曲げ変形が生じます。

浸炭ワークの焼入変形則も同様の方法で解析できます。浸炭部品の焼き入れ温度は通常800〜820℃です。焼入れ中、浸炭層内の高炭素オーステナイトは、浸炭温度から Ms 点温度範囲まで冷却されるときに大幅な熱収縮を受けます。同時に中心部の低炭素オーステナイトはフェライトやパーライト、低炭素ベイナイトや低炭素マルテンサイトに変態します。変形する組織の種類に関係なく、心臓は組織比容積の増加により体積膨張を起こし、浸炭層と心臓に重大な内部応力が生じます。一般に、焼入れを行わない場合、コア内のフェライトおよびパーライト相転移生成物の降伏強度が低いため、浸炭層の熱収縮圧縮応力により支配応力の方向に収縮変形が発生します。コア内の相変態生成物が高強度の低炭素ベイナイトと低炭素マルテンサイトの組み合わせである場合、表面の高炭素オーステナイトはコアの膨張応力の作用下で塑性変形を受け、その結果、支配的な応力の方向と膨張が生じます。

浸炭鋼中の炭素含有量および合金元素含有量が増加すると、焼入れ後の浸炭部品の中心硬度が増加し、支配的な応力方向の膨張の傾向が増加します。芯部の硬さが28～32HRCの場合、浸炭ワークの焼入変形が非常に小さくなります。心臓の硬度が増すと、腫れや変形が起こりやすくなります。浸炭部品の焼入性の向上などの要因により、浸炭部品の中心の硬度が増加し、浸炭部品が主応力方向に沿って膨らむ傾向が増大することは明らかです。

窒化されたワークピースの変形 - 窒化により、ワークピースの表面硬度と耐疲労性が効果的に向上し、ある程度の耐食性が向上します。窒化温度は比較的低く、約510〜560℃です。鋼材の窒化処理において母材は相変態を起こさないため、窒化後のワークの変形は比較的小さくなります。窒化は一般に熱処理の最終工程です。窒化処理後は、高精度ワーク以外の機械加工は一般的には行われません。そのため、高い硬度と小さな変形が要求される精密部品の処理には窒化処理が広く使用されています。しかし、窒化されたワークピースは依然として変形を受けます。窒素原子の浸透により、窒化層の比体積が増加する。したがって、窒化されたワークピースの最も一般的な変形は、ワークピース表面の膨張です。表面窒化層の膨張は中心部によって妨げられ、表面は圧縮応力、中心部は引張応力を受ける。内部応力の大きさは、部品の断面サイズ、窒化鋼の降伏強さ、窒素濃度、窒化層の深さなどの要因によって影響されます。ワークの断面サイズが小さく、断面形状が非対称で、炉温や窒化処理が不均一な場合、窒化後のワークにも寸法変化や曲がり、反り変形などの形状歪みが発生します。

窒化処理後の軸部品の変形パターンは、外径が拡大し、長さが長くなります。半径方向の膨張は通常、ワークピースの直径が大きくなるにつれて増加しますが、最大膨張は 0.055 mm を超えることはありません。一般に、長さの伸びは半径方向の伸びよりも大きく、その絶対値はシャフトの長さに応じて増加しますが、シャフトの長さに比例して変化するわけではありません。窒化スリーブワークピースの変形は肉厚に依存します。肉厚が薄いと内径、外径ともに拡大する傾向があります。壁の厚さが増加すると、膨張は大幅に減少します。壁の厚さが十分に大きい場合、内径は収縮する傾向があります。

一般にワークの有効断面寸法が50mmを超える場合、窒化処理の主な変形モードは面膨張となります。しかし、ワークの断面積が減少するにつれて、中心断面積に対する窒化層の断面積の比率が0.05を超え0.7未満になると、表面の膨張に加えて、窒化層の断面積による変形が発生します。内部ストレスも考慮する必要があります。ワークの主応力方向の変形量は、経験式 Δ L= η （ Ν/Κ)％ で概算できます。

Δ L - 支配的な応力方向の長さの増加。

η---- 係数は窒化処理されたワークの材質や断面形状によって異なります。

Ν------ 窒化層の断面積。

Κ---- 心臓の断面積。

一般的に使用される窒化鋼のη値：