鉄鋳造所での熱処理
鋼の焼入れ、焼き戻し、焼ならし、焼きなまし
熱処理は、鋳鋼の機械的特性を保証するための重要なステップです。成形、注入、シェイクアウト、およびクリーニングによって、鋳物は最終的な形状になりますが、最終的な使用に十分な強度または弾性がない場合があります。金属をさまざまな速度で加熱および冷却することにより、鋳造所はその機械的特性を変えることができます。
しかし、熱を加えると金属の強度や柔軟性はどのように変化しますか？
結晶化と金属特性
溶融金属が冷えると、結晶構造で凍結します。顕微鏡下では、これらの構造は冬にガラス上に形成される霜の結晶のように見えます。各構造は、中心点から別の結晶構造と出会うまで成長します。これらの構造は、金属の「粒子」を構成します。
冬の条件が変化すると多くの種類の霜のパターンが生じるのと同じように、温度が変化すると金属を作る結晶が変化します。それらが作成する粒子は通常は見えませんが、金属が酸エッチングされると明らかになります。
合金の粒子の形状と関係によって、その機械的特性が決まります。丸い粒子は、金属が打たれたときに互いにすり抜けて、強いままであるか壊れているのではなく、へこんでいる可能性があります。平らな粒子は積み重なって、壁のレンガのように互いに支え合うことがあります。丸い穀物よりも強いですが、それでもやや移動可能です。ギザギザの、かみ合った穀物は、まったく与えることができないかもしれません。金属の熱処理は、その結晶化を再形成する可能性があり、それによってその粒子が変化し、したがって金属の特性が変化します。
加工硬化金属
鍛冶屋の鍛冶屋が輝く金属の板を叩いている画像は、もはや一般的な光景ではありませんが、すぐに認識できます。しかし、人類の歴史の多くでは、鍛冶屋は金属を機械的に加工してより強くしていました。今日では、鍛冶屋が手作業で加工するのではなく、鋼を圧延して機械的に硬化させることがよくあります。
結晶粒構造を描くと、加工硬化がどのように機能するかがわかります。金属内の丸い粒子が変形し、その新しい形状が金属の強度を与えます。たとえば冷間圧延では、丸い穀物が押しつぶされて引き伸ばされ、より棒状になります。これらのロッドは、束になったスティックのように互いに支え合っています。鍛冶屋や金属細工人は、物体をハンマーで叩いたり、ねじったり、加熱したり、冷やしたり、伸ばしたりして、穀物の形を変えることができます。粒子が打たれたときに行く場所がない場合、それらは動かせない、弾力性のないマトリックスを形成し、金属の硬度を高めます。
ただし、この硬度にはコストがかかる可能性があります。強度により、材料がもろくなる可能性があります。不規則な形状の粒子は、互いに簡単にすり抜けることはありません。それらはくさびで覆われています。十分に大きな衝撃（粒子間の結合の強さよりも大きいもの）があると、粒子がバラバラになります。
熱処理金属
鋳造所は、これらの特性を生み出すことが知られている合金を選択することにより、鋼の望ましい機械的特性の作成を開始します。しかし、鋳造物が冷えるにつれて、この金属の結晶化を制御することはほとんどできません。結晶化は金属の機械的特性を生み出すため、合金はさらに処理されない限り最適に動作しない可能性があります。鋳造所は、制御された定期的な方法で金属を加熱および冷却することによってこれを行うことができます。
熱処理は、材料特性を変更するための非破壊的な方法です。これは、加工硬化した金属を使用した二次的なプロセスである場合もありますが、鋳造はすでに正しい形状であり、加工できないため、鋳造所の最初の選択肢です。
結晶化は、ほとんどの場合、外面から始まり、内部に移動します。特に大きな鋳物では、鋳物のシェルと中心の間に大きな温度差があります。結晶は不規則に成長し、通常は表面近くでより鋭く、展性が低くなります。それらはしばしば丸みを帯びているため、金属内の鋳造形状と欠陥または介在物が冷却速度に影響を及ぼし、金属内に異なる機械的特性を持つゾーンが生じます。これらの違いにより、内部の金属ひずみが発生し、金属の疲労や故障が発生する可能性があります。熱処理により、鋳造所は金属の内部に戻り、それを構成する結晶を再配置することができます。
浸漬
浸漬は、すべての熱処理方法の基礎を形成するプロセスです。熱処理は、金属の融点より低い「再結晶」温度に依存しています。再結晶中、炭素はロックが解除されて金属全体に拡散し、熱、炭素の割合、および時間に応じて、ある分子形態から別の分子形態に移動します。この炭素の動きは、金属の結晶化パターンを変化させるため、さまざまな材料特性をもたらします。鉄-炭素状態図は、熱中のさまざまな時間と温度でのオーステナイト、フェライト、パーライト、およびセメンタイトの粒子の形成を示しています。焼入れ鋼に見られるもう1つの結晶粒構造であるマルテンサイトは、オーステナイトのコールドショックによって形成されます。
したがって、浸漬は、鋳造物を再結晶化のポイントより上に持ってくるプロセスです。熱処理に指定された「温度での時間」を浸すことにより、金属中の結晶が溶融して再形成することができます。鉄と炭素の相サイクルを調べることで、鋳造所が炭素の特定の拡散を可能にする温度で鋳造物を保持する時間を知ることができます。
鉄-炭素相サイクルのほとんど（すべてではない）の部分で、鋳造または加工された金属を浸すと、硬くなくろくなります。金属の粒子がより規則的に成長するにつれて、それらはより丸くなり、互いにすれ違うことによって衝撃で再配列することができます。また、アイテムは全体を通して同じ温度に達するため、結晶は通常、注ぎたての鋳造物よりも均一です。
アニーリング
焼きなましは、浸漬から始まり、炉内で鋼を非常にゆっくりと冷却することによって続きます。鋳造作業員は炉の電源を切り、穏やかに制御された温度低下を可能にします。加熱中と冷却中の両方でオブジェクト全体に熱の一貫性があります。つまり、内部応力がほとんどありません。異なる結晶化特性を持つ金属の「ゾーン」は発生しません。焼きなましされた金属は、一般に非常に展性があり、延性、引張強度、および伸びが向上しています。冷却曲線が非常に遅いため、焼きなましされた金属の結晶粒径は非常に大きいことがよくあります。
正規化
金属を正常化するということは、金属を浸漬して再結晶温度に上げてから、炉から引き出して大気中で冷却することを意味します。焼きなましされた金属の特性の多くは、正規化された金属で明らかですが、冷却の均一性がまったく同じではないため、粒子は少し不規則になる傾向があります。それでも、凍結金属に見られるよりもはるかに小さい温度差は、正規化された製品の脆性が低いことを意味します。
正規化で見られる冷却速度は、焼きなましよりも金属に小さな粒子を生成します。つまり、一般に、焼きなましされた金属よりも強くまたは硬くなります。
焼入れ
非常に高い硬度が必要な場合はどうなりますか？工具や機械部品を作るとき、金属を柔らかくすると目的が果たせなくなる可能性があります。
熱処理により、硬度を指定して一定にすることができます。鋼に硬度を持たせるために、鋳造所はオーステナイトが主分子になるまで鋼を浸し、次にそれをより冷たい油または強制空気で急冷します。オーステナイトがコールドショックを受けると、マルテンサイトと呼ばれるわずかに不規則な結晶構造が形成されます。この材料は、各マルテンサイト分子の炭素歪みのために硬くなります。
焼入れは外側から内側に向かって行われるため、大きな物体は急速な結晶化の圧力を受けて金属の内圧につながる可能性があります。クエンチが極端すぎると、これらの力によって亀裂が発生することがあります。このため、大きな鋼の物体では水焼入れはあまり一般的ではありません。これは、温度が非常に急激に低下し、亀裂が発生する可能性があるためです。オイルと空気はどちらも少し弱く冷えます。
ただし、焼入れのために焼入れされるのは鋼だけではありません。鋳物工場では水焼入れが使用されています。非鋼金属は、相と分子構造が異なるため、同じ内圧を受けない場合があります。マンガンは、鋼よりもはるかに高い温度で、割れることなく水焼入れされます。ただし、温度差が非常に大きいため、焼入れは失敗する可能性のある多くのエネルギーを処理します。以下は、マンガン鋼鋳物の焼入れ中に保持された砂のコアによって引き起こされた爆発です。現在セールスマネージャーであるリライアンスファウンドリーのレンクランモアは、この爆発で無傷でしたが、過熱した砂の破片によって開始された小さな火を消し去らなければなりませんでした。
焼き戻し
硬度と延性の適切な混合物を見つけることは、焼き戻しと呼ばれるプロセスによっても達成できます。焼戻しは、硬度をある程度維持しながら脆性を低減するために、焼入れ鋼を使用して行われることがよくあります。焼き戻しでは、金属は再び再加熱されますが、焼きなまし、焼きならし、または焼入れよりも低い温度になります。
マルテンサイトは熱中で安定した分子ではなく、衝撃下で達成されます。したがって、鋼の焼き戻しとは、マルテンサイトを不安定にしてセメンタイトとフェライトへの変換を開始させることを意味します。テンパーオーブン内の温度と時間の長さの範囲は、マルテンサイトの変換量に影響を与え、したがって金属がどれだけ柔らかくなるかに影響します。たとえば、金属ばねは、硬度を維持するために低温で強化された工具と比較して、弾性を高めるために高温で強化される場合があります。
焼戻しは、焼入れされた材料の内部応力を緩和するためによく使用されます。溶接や鍛冶などの他の熱ストレスを受けた金属は、内部の分子が互いに少しリラックスできるように焼き戻しすることができます。
熱処理のバリエーション
鋳造所では、鋳物は通常均一に熱処理されます。ただし、アイテムが不規則に熱処理される場合があります。強化された鋼の剣は、一般的に、コアが弾力性を保っている間、刃が硬いエッジを持っているように、さまざまに強化されました。スプリングは、その機能に合わせて、差動熱処理を行うことがあります。
多くの鋳造所と同様に、合金の化学的性質を理解することは、時間、温度、および公差を科学的に指定できることを意味します。しかし、時間が経つにつれて、鋳造労働者は彼らが扱っている金属を知るようになります。専門のシェフがレシピを必要としないほど十分に食材を知っているように、専門の鋳造労働者は何かがオフになったことを知っています。金属が光るまでに時間がかかりすぎたり、冷却が速すぎたりすると、実験室の機器を使わなくても、経験豊富な目に分子の物語が伝わります。
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