熱処理プロセスの概要：金属からプラスチック金型まで

エンジニアリングの分野では、材料によって役割が異なるため、必要なニーズを満たすための特性プロセスが必要になる。エンジニアは製造工程で必要な特性を得るために様々な技術を適用する。広く適用されているプロセスのひとつに熱処理があります。

エンジニアリング製造における熱処理の役割は、加工や部品組立に導入する前に、部品の機械的・化学的特性を変化させることである。この工程を経ることで、出来上がった部品はより有用で修理可能なものとなり、作業場で安全に使用できるようになります。

製造工学および材料科学における熱処理とは、材料をある温度まで加熱し、その温度にしばらく保ち、その後、あるパターンで材料を冷却することである。熱処理によって材料の微細構造が変化し、耐摩耗性、靭性、硬度などの機械的特性が得られる。

熱処理は金属だけでなく、金型やプラスチック金型の製造にも必要です。例えば、以下のような金型に熱処理を施します。 ダイカスト は常に寸法が安定しており、変形やひび割れに強い。.

製造業、航空宇宙産業、建設業、自動車産業は、製品を改良するために常に熱処理を使用している分野の一部です。熱処理は通常、焼きなまし、焼き入れ、焼き戻しなどの手法で行われる。

金属の熱処理プロセス

金属には焼きなまし、焼き入れ、焼き戻しの3つの熱処理工程がある。

アニーリング

焼きなましは、部品を物理的な状態に戻すことを目的とした、適用可能な熱処理プロセスです。延性は、金属板のようなさまざまなエンジニアリング部品を製造する上で非常に重要であり、より薄い板への圧延が容易になることを保証する。しかし、そのような金属が硬くなることもあります。場合によっては、金属シャフトの機械加工や冷間加工中、あるいは鋳造中に、材料は内部応力を蓄積し、その結果もろくなります。焼鈍の役割は、このような材料の硬度レベルを下げ、起こりうる応力を緩和することである。

アニーリングでは、技術者は金属の温度を再結晶温度より少し上まで上げる。しかし、焼きなまし温度は材料の融点以下でなければならない。高温は、金属微細構造内での原子の移動に十分なエネルギーを与える。

高エネルギーは、より多くの結晶粒の形成にもつながる。その結果、転位が整流化される。さらに、このプロセスは金属の内部応力を緩和する。冷却すると、金属は延性を効果的に回復し、機械加工が容易になります。

アニーリングプロセスのステップ

1. 暖房:金属の加熱は、金属の種類によって異なる再結晶温度で行われる。例えば、鋼の再結晶温度は500～700℃である。⁰C.この加熱により、材料の温度が均一になり、微細構造の再配列が起こる。

2. 浸漬/保持時間:金属が再結晶温度に達すると、技術者はその温度でしばらく保持する。この時、再結晶が起こり、金属の微細構造に新しい結晶粒が生じる。その結果、このプロセスは金属の軟化につながる。材料の組成と厚さによって浸漬時間が決まる。浸漬時間は数分の短いものから数時間のものまである。

3. 冷却:金属の冷却浸漬期間。技術者は、制御された環境（大気中または炉内）で冷却がゆっくりと行われるようにする。徐冷により、技術者は金属の微細構造における応力や望ましくない相の形成を防ぐことができる。材料の急冷は金属を硬化させる。

一般金属

クエンチング

金属の硬さを取り除くことを目的とする焼きなましとは異なり、焼き入れは金属の硬さと強度を達成することを目的とする。焼き入れでは、技術者は金属をある温度まで加熱し、室温以下まで急速に冷却する。この急冷プロセスにより、金属組織の構造と原子の再配列が起こる。この変態がマルテンサイト変態であり、得られる材料は硬くなる。

エンジニアは、水、油、空気、特殊な流体を使って焼入れを行うことができる。使用する方法は、焼入れを行う金属の結果によって異なる。

金属焼き入れプロセスのステップ

1.金属の準備： 材料の特性に基づいて、技術者は焼き入れを行う金属の種類を選択する。その後、金属を洗浄し、焼入れプロセスの妨げとなる汚れや破片を取り除きます。

2.金属加熱： 金属は熱処理炉で臨界温度まで加熱される。臨界温度では、金属は非磁性になる。得られる硬度が均一になるよう、加熱は均一に行われる。

3.焼入れ媒体の選択:焼入れ媒体には幅広い種類がある。どの媒体を選択するかは、素材や製品の目的によって異なります。例えば、材料が炭素鋼の場合、技術者は焼入れ媒体として水を選択します。

4.金属焼き入れ:高温の金属を慎重に急冷媒体まで下げる。技術者は均一性のために急冷槽を使用し、金属を完全に浸漬することで均一な冷却を行う。 

5.冷却速度制御： 冷却速度は最終製品の特性に大きく影響する。冷却速度を速くすると硬度が増し、遅くすると軟らかくなります。

冷却メディアの選択

焼入れ媒体によって、焼入れプロセスにおける用途が異なる。例えば、水を使用すると冷却速度が非常に速くなります。その高い冷却能力により、水は可能な限り短時間で硬度を達成します。ほとんどの場合、技術者はマルテンサイト鋼を形成するために水冷を使用します。しかし、冷却速度が速いため、反りや割れが発生することがあります。水焼き入れの用途には、切削工具に高い硬度を必要とする炭素鋼や合金鋼が含まれます。

油焼き入れは、適度な冷却速度に適しています。反りや割れを避けるため、油焼入れでは金属は適度にゆっくりと冷却されます。技術者は硬度と靭性のバランスを取るために油焼入れを行います。しかし、オイルクエンチは引火性があるため危険です。さらに、オイルは取り扱いが面倒である。その結果、製品の硬度が最大にならないこともある。

空気焼き入れは、冷却速度を遅くするために不可欠です。冷却速度が速いと歪んだり割れたりする合金には、緩やかな冷却速度が不可欠です。しかし、空気焼き入れは最大硬度には至らないかもしれません。

テンパリング

焼戻しは通常、金属の脆性を下げ、延性を回復させるために焼入れの後に行われる。焼き戻しの際、技術者は焼き入れ後の金属を一定のレベルまで再加熱し、臨界点（通常150～700℃）以下にしばらく保つ。その後、静止空気中で室温まで冷却する。

ステップ

1.暖房： 金属を室温と臨界温度の中間の焼戻し温度まで加熱する。加熱速度を調節する。加熱速度が速すぎると、割れの原因になる。金属によって焼戻し温度は異なる。加熱することで、硬度を保ちながら、焼き入れ時の応力を逃がすことができる。

2.保持時間： 金属を焼き戻し温度に保つ。保持時間は30分から数時間で、製品の用途や材料の厚さによって異なる。この保持時間が軟化につながり、材料の硬度を保ちながら脆性レベルを下げる。

3.冷却： 保持時間の後、金属を空気で冷却する。空気はゆっくりとした冷却速度を保証し、新たな応力の発生を防ぐのに役立つ。

プラスチックおよびダイカスト金型の熱処理方法

鋳造用金型の耐久性と性能は、材料の選択にかかっている。金型技術者は、機能と構造を考慮して材料を選択する責任があります。鋳造用金型の材料は、適切な機能と構造を満たすために、熱処理や表面補強が施され、耐久性と品質が保証されます。

ダイカスト金型の熱処理には、4つの重要なステップがあります。

予熱と後熱

この工程は、金型が熱衝撃に耐えられるようにするため、熱処理には欠かせません。作業中、ダイカスト金型は急激な変化による熱衝撃にさらされ、ひび割れや変形を引き起こします。予熱では、金型エンジニアが成形開始前に金型を使用温度に加熱します。このプロセスにより、早期故障を防ぐことができます。予熱はまた、金型の寿命を延ばし、成形作業中の寸法安定性を確保します。

成形工程の後、金型エンジニアは制御された冷却条件下で後加熱を行う。この工程により、反りの原因となる内部応力の発生を抑えることができる。

ストレス解消

この工程はダイカスト金型では重要である。金属における焼きなましと似ていますが、この場合は比較的低温で行われます。また、ダイカスト金型では、応力除去は金型材料を軟化させるのではなく、蓄積された応力を緩和することを目的としています。

窒化処理による金型硬度の向上

このプロセスは、金型材料の内部表面に影響を与えることなく、金型鋼の表面を硬化させるのに役立ちます。窒化により耐摩耗性が向上し、金型の寿命が延びます。

窒化処理では、窒素が豊富な環境で金型を加熱する。この工程では、窒素が鋼の表面に拡散し、硬い窒化物の表面が形成されます。

プロセスの目標は焼入れに似ている。しかし、窒化の温度は500～550℃で、焼入れ温度より比較的低い。焼入れには時間がかかるが、窒化処理には数時間と比較的長い時間がかかる。

しかし、得られる窒化物層は優れており、後処理は必要ない。

真空熱処理

この工程は、酸化や金型表面の汚染を避けるために真空中で行われる。酸化は表面仕上げを悪くし、金型を弱くします。真空熱処理は、焼きなましを含む他の金属熱処理と似ています。違いは、真空中で行うことです。高価ですが、医療機器や航空宇宙分野の精密金型に有効です。

金属熱処理と金型熱処理の比較

結論

エンジニアリング製造における熱処理の役割は、加工や部品組立に導入する前に、部品の機械的・化学的特性を変化させることである。この工程を経ることで、出来上がった部品はより有用で修理可能なものとなり、作業場で安全に使用できるようになる。金属には、焼きなまし、焼き入れ、焼き戻しの3つの熱処理工程があります。

金属の硬さを取り除くことを目的とする焼きなましとは異なり、焼入れは金属の硬さと強度を達成することを目的とする。焼入れ媒体によって、焼入れプロセスにおける用途が異なる。例えば、水を使用すると冷却速度が非常に速くなります。油焼き入れは、中程度の冷却速度に適しています。反りや割れを避けるため、油焼き入れでは金属は適度にゆっくりと冷却されます。金属の脆性を下げ、延性を回復させるため、焼入れの後に焼戻しを行うのが一般的です。

ダイカスト金型の熱処理には、予熱と後熱、応力除去、金型硬度のための窒化、真空熱処理の4つの重要なステップがあります。予熱では、金型エンジニアが成形開始前に金型を使用温度に加熱します。成形工程の後、金型エンジニアは制御された冷却条件下で後加熱を行います。この工程により、反りの原因となる内部応力の発生を抑えることができる。

このプロセスは、金型材料の内部表面に影響を与えることなく、金型鋼の表面を硬化させるのに役立ちます。真空熱処理は、焼きなましを含む他の金属熱処理と似ています。違いは真空中で行われることです。高価ですが、医療機器や航空宇宙分野の精密金型に有用です。