炭素鋼の熱処理を理解する：#45と40CRの説明

鋼鉄の熱処理： 要求される組織と特性を得るために、適切な方法で固体鋼を加熱、保温、冷却する工程を指す。

熱処理は、鋼を強化し、機械部品の耐用性能を向上させるだけでなく、鋼の技術的性能を向上させるためにも使用できる。

共通しているのは、表面の形状や大きさを変えずに内部の組織構造だけを変えている点だ。

熱処理を施すことで 鋼の機械的性質また、部品の強度、靭性、寿命を高め、硬度と耐摩耗性を向上させる。

だから、重要な機械部品や工具には熱処理を施すべきだ。

また、熱処理はワークの加工性能を向上させ、生産性と加工品質を向上させることができる。

したがって、熱処理は機械製造業において非常に重要な役割を果たしている。

#45鋼と40Cr鋼を例にとってみよう。

焼入れ後の高温焼戻しは、生産上「焼入れ焼戻し」と呼ばれる。焼入れ・焼戻し後の部品は総合的な機械的性質が良好で、各種重要構造部品、特に交番荷重が作用するコネクティングロッド、ボルト、ギア、シャフトなどに広く使用されています。

しかし、表面硬度は低く、耐摩耗性はない。

部品の表面硬度は、焼入れ・焼戻し＋表面焼入れによって向上させることができる。

1.#45鋼 - 高品質中炭素構造用鋼

#45鋼はGBで呼ばれ、JISではS45C、ASTMでは1045080M46、DINではC45と呼ばれる；

#45鋼は高品質の炭素構造用鋼で、化学成分は炭素(C)含有量は0.42~0.50%、Si含有量は0.17~0.37%、Mn含有量は0.50~0.80%、Cr含有量は<0.25%です。

冷間および熱間加工の性能がよく、機械的性能がよく、価格が安く、供給元が広いので、広く使用されている。

その最大の弱点は、焼入れ性が低く、断面寸法が大きく、要求の高いワークは使用すべきではないことである。

#45鋼の熱処理推奨温度： 850℃で焼ならし、840℃で焼入れ、600℃で焼戻し。

#45鋼は、焼入れ後、焼戻し前の硬度がHRC55以上（HRC62まで）であれば合格となる。

実用上の最高硬度はHRC55（高周波焼入れHRC58）。

#45鋼は浸炭焼入れの熱処理は行わない。

#45鋼の焼入れと焼戻し： #45鋼の焼入れ温度はA3+(30~50)℃である。実操業では、一般に上限が取られる。

焼入れ温度を高くすることで、ワークの加熱速度を速め、表面の酸化を抑え、作業効率を向上させることができる。

を均質化する。 オーステナイト のワークの場合、十分な保持時間が必要である。

実際の充電量が多い場合は、保持時間を適宜延長する必要がある。

さもないと、加熱ムラにより硬度不足が生じる可能性がある。

しかし、保持時間が長すぎると、目が粗くなったり、酸化が進んだりする。 脱炭 も発生し、焼き入れの品質に影響を与える。

プロセス文書で指定された量以上の装入を行う場合は、加熱・保持時間を1/5に延長すべきであると考える。

#45鋼は焼入れ性が低いため、冷却速度の速い10%食塩水を使用する。

ワークピースを水中で冷却した後、急冷する必要があるが、冷やし切ってはならない。

ワークピースを塩水中で冷却すると、ワークピースにクラックが入る可能性がある。

これは、ワークピースが約180℃まで冷却されると オーステナイト は急速にマルテンサイトに変態し、過剰な構造応力をもたらす。

従って、焼入れしたワークをこの温度域まで急冷する場合は、徐冷法を採用すべきである。

出口水温は使いこなすのが難しいので、経験で操作する必要がある。水中のワークが揺れなくなったら、出口水を空冷する（できれば油冷がよい）。

さらに、ワークピースは入水時に静止しているのではなく、動くべきである。ワークピースの幾何学的形状に従って規則的に動くべきである。

静的 冷却媒体 さらに、静的なワークピースでは、硬度が不均一になり、応力も不均一になるため、ワークピースが大きく変形し、亀裂が入ることさえある。

の硬さである。 焼き入れと焼き戻し #45鋼部品はHRC56~59に達する必要があり、大断面の可能性は低くなるが、HRC48より低くなることはない。

そうでなければ、ワークピースが完全に焼入れされていないことを意味し、組織中にソルバイト、あるいはフェライト組織が存在する可能性があり、焼戻し後もマトリックス中に保持され、焼入れ・焼戻しの目的を達成することができない。

焼入れ後の#45鋼の高温焼戻しは、加熱温度は通常560～600℃であり、要求硬度はHRC22～34である。

焼戻しの目的は総合的な機械的特性を得ることであるため、硬度範囲は比較的広い。

ただし、図面に硬度の要求がある場合は、硬度を確保するために、図面の要求に応じて焼戻し温度を調整しなければならない。

例えば、シャフト部品には高強度や高硬度が要求されるものがある；

しかし、キー溝のあるギアやシャフト部品では、焼入れ・焼戻し後にフライス加工や溝加工を行うため、要求される硬度は低くなります。

焼戻し熱保存時間は、要求される硬度とワークピースのサイズによって異なる。

焼戻し後の硬度は焼戻し温度に依存し、焼戻し時間とはあまり関係がないと考えているが、浸透し戻さなければならない。

一般に、ワークピースの焼戻し熱保存時間は1時間以上である。

#45鋼を浸炭に使用する場合、硬くて脆い。 マルテンサイト が発生し、浸炭処理の利点が失われる。

現在のところ 炭素含有量 浸炭材の強度は高くなく、0.30%で非常に高いコア強度に達するが、この用途では稀である。

0.35%は教科書に紹介されているだけで、例を見たことがない。

焼入れ・焼戻し＋高周波表面焼入れのプロセスが採用でき、耐摩耗性は浸炭焼入れより若干劣る。

2.40Cr鋼 - 合金構造用鋼

40CrはGB3077「合金構造用鋼」に属する。

40Cr鋼の炭素含有量は0.37% ～ 0.44%で、#45鋼より若干低い。SiとMnの含有量は同等で、Crは0.80%～1.10%である。

熱間圧延供給の場合、1% Crは基本的に機能せず、両者の機械的特性はほぼ同じである。

40Crの価格は#45鋼の約半分であるため、経済的な理由で#45鋼を使用できる人には不要である。

40Cr鋼の焼入れ・焼戻し処理： 熱処理におけるCrの主な役割は、鋼の焼入れ性を向上させることである。

焼入れ性の改善により、焼入れ（または焼戻し）処理後の40Crの強度、硬度、衝撃靭性、およびその他の機械的特性も、#45鋼よりも著しく高くなっている。

しかし、焼き入れ性が強いため 内部応力 焼入れ中の40Crの温度も#45鋼より高い。

同じ条件下で、40Cr材の亀裂傾斜は#45鋼よりも大きい。

従って、ワークの割れを避けるため、40Cr焼入れの焼入れ媒体には熱伝導率の低い油を使用するのが一般的です。 水冷 と油冷)、45Cr鋼には熱伝導率の高い水が焼入れ媒体として使用される。

もちろん、水と油の選択は絶対的なものではなく、ワークの形状とも密接な関係がある。

水冷は、単純な形状の40Cr部品にも使用できます。 油焼き入れ 複雑な形状の#45鋼部品には、塩浴を使用することもできる。

40Crワークピースの焼入れと焼戻しのために、様々なパラメータがプロセスカードに指定されている。

実際の運用経験は以下の通り：

(1) 焼入れ後の 40Cr ワークは油冷とする。

40Cr鋼は焼入れ性がよく、油で冷やすと焼き入れができ、ワークの変形や割れ傾向が少ない。

しかし、油の供給が逼迫している場合、小規模の企業であれば、複雑な形状のワークピースを割れることなく水中で急冷することができるが、オペレーターは経験に基づいて水の入口と出口の温度を厳密に管理する必要がある。

(2)焼戻し後の40Crワークの硬度はまだ高く、2回目の焼戻し温度は20～50℃上昇し、そうでなければ硬度を下げることは難しい。

(3)高温焼戻し後、40Crのワークピースに 複雑な形状 は油で冷却され、第二種のテンパー脆性の影響を避けるために単に水で冷却される。

焼戻しおよび急冷後のワークピースは、必要に応じて応力除去処理を施さなければならない。

熱処理後の中炭素鋼の最大硬度はHRC55（HB538）程度で、σbは600～1100MPaである。

従って、中炭素鋼は中程度の強度を持つ様々な用途に最も広く使用されている。

建築材料として使われるほか、さまざまな機械部品の製造にも広く使われている。

中炭素鋼が十分な温度と保持時間を持つ限り、一般的にこの硬度値に達することは可能であり、変形しなければ不可能である。

ひとつは加工代を確保し、研削盤で加工する方法、もうひとつは表面焼き入れを行う方法である。