まず、変形の原因
鋼の変形の主な原因は、鋼の内部応力または外部から加えられた応力の存在です。内部応力は、不均一な温度分布または相転移によるもので、残留応力も原因の 1 つです。変形によって引き起こされる外部応力は、主にワークピースの重量による「崩壊」によるものですが、特殊な状況では、加熱されたワークピースとの衝突、またはクランプツールのクランプによる陥没によるものも考慮する必要があります。変形には、弾性変形と塑性変形の両方が含まれます。寸法変化は主に組織の変化に基づいているため、同じ膨張と収縮を示しますが、ワークピースに穴があったり、複雑な形状がある場合は、追加の変形が発生します。焼入れによって大量のマルテンサイトが形成されると膨張が発生し、大量の残留オーステナイトが生成されると収縮が発生します。また、焼戻しによる一般的な収縮、および合金鋼の二次硬化現象による膨張、深冷処理の場合、残留オーステナイト・マルテンサイトおよびこれらの組織のさらなる膨張により、炭素含有量の増加に伴って炭素の比容積が増加するため、炭素含有量の増加は寸法変化量も増加します。
第二に、主な発生時間の急冷変形
1. 加熱プロセス：加熱プロセス中のワークピースは、内部応力と変形が徐々に解放されます。
2. 保持工程：自重崩壊の主な変形、すなわち崩壊曲げ。
3. 冷却プロセス：冷却の不均一性と組織変化により変形します。
第三に、加熱と変形
大型のワークピースを加熱する場合、残留応力や加熱の不均一性により変形が生じる可能性があります。残留応力は主にプロセスから発生します。これらの応力が存在すると、鋼の降伏強度は温度上昇とともに徐々に低下するため、加熱が非常に均一であっても、わずかな応力で変形が生じる可能性があります。
一般的に、残留応力はワークピースの外縁部で高く、外側から温度上昇が進むと、外縁部の変形が大きくなります。残留応力による変形には、弾性変形と塑性変形の2種類があります。
加熱中に発生する熱応力と衝撃応力は変形の原因です。加熱速度が速いほど、ワークピースのサイズが大きいほど、断面積の変化が大きいほど、加熱変形が大きくなります。熱応力は、温度不均一性と温度勾配の程度に依存し、どちらも熱膨張の違いの原因となります。熱応力が材料の高温降伏点よりも高い場合、塑性変形が誘発され、「変形」として特徴付けられます。
相転移応力は、主に相転移のタイミングが不均等なこと、つまり材料の一部で相転移が発生し、他の部分では発生しないことから生じます。塑性変形は、加熱中に材料の組織がオーステナイトに変化し、体積収縮が発生すると発生します。材料のすべての部分が同時に同じ組織変化を起こす場合、応力は発生しません。このため、できれば予熱によって、ゆっくりと加熱すると、加熱変形を適切に減らすことができます。
また、加熱により自重で「崩壊」変形が起きやすいため、加熱温度が高くなるほど、また加熱時間が長くなるほど、「崩壊」現象は深刻になります。
第四に、冷却と変形
冷却が不均一だと熱応力が発生し、変形が発生します。ワークピースの外縁と内部の冷却速度が異なるため、熱応力は避けられず、焼入れ、熱応力と組織応力が重なり、変形がより複雑になります。また、組織の不均一性、脱炭などにより、相転移点にも違いが生じ、相転移の膨張量も異なります。
つまり、「変形」は相変化応力と熱応力の結果ですが、応力がすべて変形で消費されるわけではなく、残留応力の一部が残留応力としてワークピース内に存在し、それが経年変形や経年割れの原因となります。
冷却によって生じる変形は、次のような形で現れます。
1. 部品の急冷の初期段階では、急冷された側が凹状で、その後凸状に変わり、結果として急冷された側が凸状になります。この状況は、熱応力による変形が相変化による変形よりも大きいことによるものです。
2. 熱応力による変形は鋼が球状になる傾向があり、相変化応力による変形は鋼が軸を巻く傾向があり、したがって、焼入れと冷却による変形はこれら 2 つの組み合わせであり、焼入れ方法の違いにより、異なる変形を示します。
3. ボアの一部のみを焼入れすると、ボアの収縮が発生します。リング状のワークピース全体を加熱して全体を焼入れすると、その外径は常に増加しますが、内径は収縮する時間に応じてサイズが異なります。一般的に、内径が大きいと内穴が大きくなり、内径が小さいと内穴が収縮します。
第五に、冷間加工と変形
冷間処理はマルテンサイト変態を促進するため、温度が低いため、生じる変形は焼入れ冷却よりも小さくなりますが、このときに生じる応力は大きくなり、残留応力、相転移応力、熱応力などが重なり合って割れにつながりやすくなります。
6番目は、焼き入れと変形
焼戻し処理では、ワークピースの均質化、内部応力の減少または消失、組織の変化により、変形が減少する傾向がありますが、同時に、変形が発生すると、修正することも非常に困難です。この変形を修正するには、さらに圧力焼戻しやショットピーニングなどの方法を使用します。
第七に、繰り返しの焼入れと変形
通常、中間焼鈍を行わずに焼入れしたワークピースを繰り返すと、変形が大きくなります。繰り返し焼入れは変形を引き起こし、繰り返し焼入れ後は変形が累積して球状になりやすく、亀裂が生じやすくなりますが、形状は比較的安定しており、変形が生じにくくなります。そのため、中間焼鈍を行う前に繰り返し焼入れを増やし、繰り返し焼入れの回数は 2 回以下にする必要があります (最初の焼入れを除く)。
第8に、残留応力と変形
加熱工程では、約 450 度で、鋼がエラストマーからプラスチック体に変化するため、上向きの塑性変形が起こりやすくなります。同時に、残留応力はこの温度より高くなると再結晶により消失します。そのため、急速加熱では、ワークピースの内側と外側に温度差が存在するため、外側が 450 度に達すると塑性域に入り、内部温度よりも低い残留応力の存在と変形を受け、冷却され、その領域で変形が発生します。実際の製造工程では、均一性を実現することが難しいため、ゆっくりと加熱し、応力除去焼鈍前の急冷が非常に重要であり、加熱による応力除去に加えて、大型部品では振動による応力除去も効果的です。
