45鋼の焼なまし、焼ならし、組織特性を探る

1.はじめに

同一の材料が異なる機械的特性（強度、硬度、塑性、靭性）を示すこともあれば、異なる材料が同様の機械的特性を示すこともある。これらはすべて、鋼の熱処理と密接な関係があります。

鉄鋼部品は、要求される性能特性を達成するために、熱処理によって一定の組織を得る。熱処理は手段であり、性能の達成は目的であり、組織はこれらの特性の基礎と保証を形成する。

ここでは、45#鋼を例にとって、以下の関係を説明する。 アニール45#鋼は、焼ならし処理、45#鋼の構造、およびそれに関連する特性を持っています。

2.ケース分析

ケース1

• 素材名45スチール
• 処理状況原材料（供給状況、熱間圧延）
• 腐食剤：4% 硝酸アルコール溶液
• 微細構造の説明：φ13.2mm棒材の断面の微細組織を図1に示す。図中の白色フェライトはブロック状、網状、針状に見え、パーライトは薄いラメラ層になっている。硬度は18HRC前後で、焼ならし後の硬度と同程度である。

供給された状態の原料は、熱間圧延され、空気中で冷却されたもので、焼きなましに相当するため、焼きなまし鋼よりも硬い。

しかし、高温のため、一部のフェライトが粒界に沿って針状に析出し、粒の中にまで広がってウィドマンシュテッテン構造を形成する。

ウィドマンシュテッテン組織が現れると、鋼の衝撃靭性が著しく低下し、脆くなる。大粒径の鋼は特にウィドマンシュテッテン組織を形成しやすい。

ウィドマンシュテッテン組織や大粒を除去するためには、焼入れ前に焼ならし処理を行い、結晶粒を微細化し組織を改善する必要がある。

ケース2

• 素材名45スチール
• 加工状態原材料（供給状態、カット）
• エッチング液4% 硝酸アルコール溶液

組織注：φ13.2mmの丸棒材を通常の切断機で切断した後、適時の水冷が行われなかったため、図2に示すような熱影響部断面の組織が形成された。

画像の左半分が元の組織、右半分が熱影響部の組織である。熱影響部の硬度変化はかなり大きく、25～40HRCの範囲にある。

図3は、各ゾーンの微細構造を拡大したものである。図3aは図2のゾーン1の構造を表している。

図の左半分は、白色で網目状のフェライトと微細なパーライトフレークを特徴とする元の材料組織を示している。右半分は切断時の熱影響部の組織を示し、白色の多角形フェライト、パーライト薄片、灰白色 マルテンサイトそして残留オーステナイトである。

図3bは、図2のゾーン2の構造を示している。 未溶解 粒界のフェライト、灰白色のマルテンサイト、残留オーステナイト、微細なパーライトフレーク。結晶粒内の暗色で微細なパーライト薄片は、切削冷却過程で新たに形成された遷移層の微細構造を表している。

図3cは、図2のゾーン3の組織を示しており、加熱不足の焼入れ組織に類似している。粒界には、灰白色のマルテンサイトと残留オーステナイトとともに、白色で多角形の未溶解フェライトが見られる。フェライト境界は明瞭に定義されている。

試料の切削工程では、切削速度と送り速度が変化し、さらに冷却が不十分であったため、図4に示すように、試料表面に宝石をちりばめたような青色の酸化層が明瞭な領域で発生した。

図から推測できるように、熱影響部は切断の後期に存在する。材料が硬ければ硬いほど、切断の難易度は高くなり、熱影響部は大きくなる。

図4の上3つのサンプルは高炭素高合金鋼で、下5つは45#鋼である。

熱処理前の試料表面は十分に研磨されていなかったため、検査中に原料中のさまざまな微細構造が観察された。

試料切断中、冷却が速やかに行われないと、試料と砥石の摩擦により、切断速度が徐々に上昇するにつれて、試料温度はAc1からAc3の間まで急速に上昇する。

水冷すると、加熱不足の焼入れに似た構造が形成される。表面温度は試料の異なる領域で異なるため、これらの領域の微細構造も異なる。

ケース3

• 素材名45スチール
• 処理状況：830℃断熱15分後、炉冷（アニール）
• エッチング液4% 硝酸アルコール溶液
• 微細構造の説明：図5に示すように、焼鈍した45鋼の正常なミクロ組織を示す。それは、白色と暗色のラメラパーライト中の不規則な多角形フェライトからなる。パーライトのラメラは明瞭に確認でき、硬度は8～11HRCである。

45鋼の焼鈍は、Ac3以上の鋼を30～50℃加熱した後、鋼を馴染ませるために炉冷する。この比較的緩やかな冷却プロセスにより、微細組織はほぼ均衡を保ち、パーライトが全視野面積の約55%を占める。

ケース4

• 素材名45スチール
• 処理状況：830℃15分保持後空冷（正常化）
• エッチング液4% 硝酸アルコール溶液
• 構造の説明：図6に示すように、焼ならし45鋼の通常の組織は、白色ブロックフェライトとネットワークフェライト、および暗色フレークパーライトで構成されている。パーライトは視野面積の約70%を占め、硬度は15～20HRCである。

焼ならし45鋼は、鋼をAc3温度以上に30～50℃加熱し、空気中で自然冷却させる。完全焼鈍との主な違いは、冷却速度が速く、過冷却の度合いが高いことです。

この結果、焼鈍鋼に比べてパーライトのラメラ構造が微細化し、パーライト量が大幅に増加し、粒径が相対的に小さくなる。そのため、焼ならし鋼の硬度は、焼なまし鋼の硬度よりも高くなります。

45番鋼を焼ならしすることで、次のような組織が改善される。 鋳造または鍛造その結果、鋼の強度、硬度、靭性が向上する。

45鋼は高い強度と優れた塑性を持ち、コンプレッサー、ケミカルポンプ、可動部品（クランクシャフト、コネクティングロッド、ピストンロッド）など、さまざまな重要部品の製造に使用できる。また、タービンブレードの製造にも使用できる。一般に、大型部品は焼ならし状態で使用され、小型部品は焼戻しして焼戻しソルバイトを形成することができる。

45スチールも最も一般的に使用されている。 焼き入れ・焼き戻し鋼.焼入れと高温焼戻しの前に、均一で微細な組織を得るために焼ならし処理を施し、焼入れに備える必要がある。

3.結論

この記事では、さまざまな状態における45鋼の組織特性を紹介する。処理方法の違いによって、材料の組織や性質が巧みに変化する熱処理の神秘と魅力を、私たちはそこから理解することができる。

45鋼は一般的に使用される焼入れ鋼である。この記事では、さまざまな状態のこの材料を分析し、誰もが何らかの洞察を得られると思われる方法論を提供する。

日々の仕事の中で、他の素材のサンプルを開発する際、一つの例から学んだことを他の例にも応用できれば理想的だ。