合金元素による焼戻し変態を左右する5つの要因：解説

1.序文

焼戻し変態に及ぼす合金元素の影響

実際の生産現場では、一般的に次のような現象が見られる：

1. 焼入れ後に同じ硬さ（480-610HV5など）を得るために、浸炭部品に比べて高い焼戻し温度が必要なのはなぜですか？
2. 45スチールは28～32HRCの硬度が必要だが、なぜ、この硬度が必要なのか？ 42CrMo より高い焼き戻し温度が必要か？
3. SKH-9やW6Mo5Cr4V2などの高速度鋼の硬さが、従来の高温焼戻し後に低下するのではなく、上昇するのはなぜか。この現象は 合金元素 この記事では、金属部品の焼戻し変態について説明する。

この記事では、このトピックに関する詳細な分析を行っている。

2.マルテンサイト分解に及ぼす合金元素の影響

分解するプロセス マルテンサイト 合金鋼の分解速度は、基本的には炭素鋼の分解速度と似ているが、大きく異なる。

実験により、合金元素の影響は、マルテンサイト分解の後期に特に顕著であることが実証されている。

マルテンサイトの分解に影響を及ぼす合金元素の理由と法則を大まかにまとめると次のようになる。

1.マルテンサイトの分解段階において、マルテンサイト中の過飽和炭素が脱溶媒を起こし、炭化物粒子の析出と凝集を引き起こし、その結果、マルテンサイト中の炭素濃度が低下する。 炭素含有量 マトリックス位相αで

合金元素の役割は主に、マルテンサイトの分解過程、炭化物粒子の凝集と成長速度、炭素の拡散に影響を与えることである。これは、α相における炭素濃度の低下速度に影響を与える。

この効果の程度は、合金元素と炭素の結合力の強さによって異なる。

2.非炭化物形成元素（NiやMnなど）は、炭素との結合力がFeと同様であるため、マルテンサイトの分解に大きな影響を与えない。

強炭化物形成元素（Cr、Mo、W、V、Tiなど）は炭素との結合力が強く、マルテンサイト中の炭素の拡散活性化エネルギーを増大させ、拡散を妨げてマルテンサイトの分解速度を遅くする。

SiやCOのような非炭化物形成元素は、ε-FexCに溶解して安定化させ、炭化物の凝集速度を遅らせることができるため、マルテンサイトの分解を遅らせることができる。

炭素鋼の焼戻しにおけるマルテンサイト中の過飽和炭素の完全脱溶媒温度は約300℃である。合金元素の添加により、完全脱溶媒温度は100～150℃上昇する。

言い換えれば、"忖度 "である、 合金鋼 は、高温で焼戻ししてもα相の一定の飽和炭素濃度と微細な炭化物を維持できるため、高い硬度と強度を維持できる。

α相の炭素含有量の低下と炭化物粒子の成長を防止し、高い炭素含有量を維持する合金元素。 硬さと強さ は、鋼の焼戻し耐性や「耐バックファイア性」を向上させる合金元素として知られている。

3.保持オーステナイトの変態に及ぼす合金元素の影響

内部留保の変容 オーステナイト 合金鋼の変態は炭素鋼の変態と同様であるが、合金元素は保持されたオーステナイトの分解温度と分解速度に影響を与え、変態の種類と性質を変える可能性がある。

以下で焼戻しする場合 MSポイント残留オーステナイトがマルテンサイトに変態する。

MS点が高い場合（>100℃）、マルテンサイトの分解が起こり、焼戻しマルテンサイトが形成される。

MS点以上で焼き戻す場合、 保持オーステナイト は3つの変形を経る可能性がある：

ベイナイト形成領域におけるベイナイトへの等温変態；

パーライト形成帯におけるパーライトへの等温変態；

焼戻し加熱保持中では分解せず、その後の冷却過程でマルテンサイトに変化する。"二次焼入れ "と呼ばれる。

注：ポイント①は、高速度鋼の多重焼戻しプロセスに適用される二次焼入れ理論と関係がありますか？

4.炭化物変態に及ぼす合金元素の影響

Cu、Ni、Co、Al、Siなどの非炭化物形成元素と炭素は、特有なタイプの炭化物を形成しない。しかし、これらの元素は、ε-FexCからθ-Fe3Cへの変態や、セメンタイトから他のタイプの特殊な炭化物への変態を改善する。

合金鋼の焼戻しでは、焼戻し時間または温度の上昇に伴い、セメンタイトとα相の間で合金元素の再分布が起こる。炭化物形成元素はセメンタイトに拡散し続け、非炭化物形成元素は徐々にα相に濃縮する。この結果、元の不安定な炭化物に代わって、より安定した炭化物が形成され、炭化物の組成と構造が変化する。

合金鋼の焼戻し中に起こりうる炭化物変態の順序は、ε-炭化物 ( 500 ℃) である。鋼中に特殊炭化物が生成するかどうかは、合金元素の性質と含有量、炭素または窒素の含有量、焼戻し温度と時間に依存する。

通常、合金鋼の焼戻し工程では、セメンタイトは準安定炭化物を経て安定した特殊炭化物に変化する。

例えば、高Crの急冷後 高炭素鋼焼戻し中の炭化物変態プロセスは、次のとおりである：

（Fe，Cr）である。₃C→（Fe，Cr₃C）+（Cr,Fe）₇C₃→ （Cr,Fe）₇C₃+（Cr，Fe）₂₃C₆→（Cr，Fe）₂₃C₆

特殊な炭化物も、この2つのメカニズムによって形成される。

炭化物の変質プロセスには2種類ある。ひとつは原位置変態で、炭化物形成元素は当初、セメンタイト中に濃縮される。その濃度が合金セメンタイトの溶解限度を超えると、セメンタイトの格子が独自の炭化物格子に再編成される。このタイプの例は、低クロム鋼の (Fe, Cr) 3Cから(Cr, Fe) 7C3への変態である。焼戻し温度を上げると、炭化物変態プロセスは加速される。

第二のタイプは核生成と成長のみで、合金セメンタイトの溶解を伴ってα相から直接特殊な炭化物が析出する。V、Ti、Nb、Taなどの炭化物形成元素を含む鋼や高Cr鋼がこのタイプに属する。

例えば、1250 ℃で焼入れした0.3% C, 2.1% V鋼は、V含有量が低いにもかかわらず、500 ℃以下で焼戻しすると合金セメンタイトを析出する。固溶Vはα相の連続分解を強く阻害するため、セメンタイトの形で析出する炭素は40%程度であり、残りの60%はα相に保持される。

焼戻し温度が500℃を超えると、α相から直接VCが析出し、さらに焼戻し温度を上げると、かなりの量のVCが析出し、セメンタイトが溶解する。700℃では、すべてのセメンタイトが溶解し、すべての炭化物がVCに変化する。

5.焼戻し中の二次硬化

第3段階の焼戻しでは、図1に示すように、炭素鋼はセメンタイト粒子の成長とともに軟化を続ける。

図1 低・中炭素鋼の100～700℃、1時間焼戻しによる硬度変化

しかし、鋼にMo、V、W、Ta、Nb、Tiのような強い炭化物形成元素が含まれていると、軟化傾向が弱まり、結果として軟化に対する抵抗力が増す。

マルテンサイトに十分な炭化物形成元素が含まれている場合、500℃以上の焼戻しで微細な特殊炭化物が析出し、焼戻し温度の上昇とθ炭化物の粗大化によって粗大化した鋼に再硬化が生じる。この現象を二次硬化という。

場合によっては、二次硬化ピークの硬度が焼入れの硬度より高くなることもある。

図2 低炭素鋼のマルテンサイト硬さに及ぼす焼戻し温度の影響 モリブデン鋼

図2は、低炭素（0.1%c）モリブデン鋼の二次硬化効果に及ぼすモリブデン含有量の影響を示す。

二次硬化効果の強さは、Mo含有量とともに増加することがわかる。

同様の効果は、Ti、V、W、Nbなどの他の強炭化物形成元素でも観察される。

Cr含有量が非常に高い場合（12%以上）には、あまり明瞭でない二次硬化ピークが見られる。

炭素鋼は二次硬化を起こさない。

電子顕微鏡観察の結果、二次硬化は、Mo2C、W2C、VC、TiC、NbCなどの分散した微細な特殊炭化物の析出によって引き起こされることが確認された。

これらの特殊な炭化物は転位帯に析出し、多くの場合、非常に微細な針状またはシート状で、サイズは小さく、α相と首尾一貫した関係を維持する。

焼戻し温度が上昇するにつれて、炭化物の数とサイズが徐々に増加し、α相による格子歪みが硬度がピークに達するまで強まる。

炭化物が成長するにつれて分散が減少し、コヒーレントな関係が破壊され、コヒーレントな歪みが消失し、温度が上昇し続けるにつれて転位密度が減少し、硬度が急激に低下する。

鋼の二次硬化効果は、以下の方法で向上させることができる：

1. 特殊炭化物の核生成部位を増やし、分散性を高めるには、鋼中の転位密度を高めればよい。これは、図に示すように、低温変形焼入れ法によって達成することができる。
2. 特殊な炭化物形成元素の拡散を遅らせ、微細な炭化物の成長を抑制し、そのような炭化物の過時効の発生を遅らせるために、いくつかの合金元素を鋼に添加することができる。
3. 例えば、CO、Al、Si、Nb、Ta、その他の元素の添加は、α相とのコヒーレントな歪みを維持し、特殊な炭化物の微細分散を達成するのに役立ち、それによって鋼の焼戻し安定性を高めることができる。

二次硬化効果のある合金鋼を選択することで、ワークピースを熱間状態で良好に機能させることができる。使用する温度が焼戻し温度（二次硬化のピークを生成する温度）より低い限り、鋼部品は高い硬度と強度を維持することができます。

6.相の回復と再結晶に及ぼす合金元素の影響 α

合金鋼を高温で焼戻しすると、α相と首尾一貫した関係を維持する微細な粒子を持つ特殊な炭化物を形成することができる。これにより、鋼はα相の高い炭素過飽和度を維持し、α相の回復と再結晶を大幅に遅らせることができる。その結果、α相は高い硬度と強度を保ちながら高度に歪んだ状態を維持し、高い焼戻し安定性をもたらす。

合金鋼で一般的に使用されるMo、W、Ti、V、Cr、Siなどの合金元素は、焼戻し中の様々な歪みの除去を妨げる可能性がある。これらは一般にα相の回復と再結晶を遅らせ（再結晶温度を上昇させる）、炭化物の凝集と成長過程を遅らせ、鋼の焼戻し安定性を向上させるのに役立つ。

合金元素の遅延効果は、鋼中の合金元素含有量が増加するほど高まる。

鋼に複数の合金元素を同時に添加すると、元素間の相互作用が強まる。

合金鋼は高い焼戻し安定性を示し、高温でも高い硬度と強度を維持する。このため、赤色の硬度と熱強度を必要とするチップカッターや熱間加工金型などの工具鋼に適しています。

7.結論

この記事では、合金元素の焼戻し変態に影響を与える5つの要因について説明します。読後には、貴重な洞察とインスピレーションを得ることができると思います。