CNC 加工金属部品の熱処理ガイド

CNC 機械加工は、ツールと回転を使用して材料の固体ブロックから部品を作成する減法製造方法です。部品はさまざまな方法で機械加工できるため、CNC 機械加工は、自動車のシャーシから外科用器具まで、あらゆるものを作成するために使用できる汎用性の高い製造プロセスになります。

熱処理は、製造プロセス中に金属をより加工しやすくするため、または機械加工が完了した後に材料特性を改善するために開発された技術です。戦略的な方法で金属部品に熱やその他の要素を適用することで、優れた延性、硬度、靭性、およびその他の特性を持つ部品を作成できます。

CNC 加工された金属部品の最も一般的な熱処理の一部を次に示します。

アニーリング

アニーリング プロセスでは、金属を臨界温度 (合金によって異なります) まで加熱し、その温度を一定時間維持した後、金属をゆっくりと空冷して、金属内に目的の微細構造を作成します。

焼きなましは通常、成形後に金属合金に適用され、材料の延性を高めます。これにより、より硬い金属が機械加工プロセス中に割れたり壊れたりしにくくなります。

ケース硬化

肌焼きは、内部材料を硬化させることなく、炭素鋼または合金鋼の外層の硬度を高める熱処理方法です。鉄や鋼のような金属は炭素含有量が低いことが多いため、表面に熱と炭素を豊富に含む物質を組み合わせて適用すると、低炭素の合金に高炭素の硬化した外装が与えられます。これにより、エンジン カムシャフトなど、柔軟でありながら耐久性と耐摩耗性を備えた外層が必要な用途に、肌焼きが理想的になります。

硬化プロセスは金属の強度を大幅に向上させますが、材料のもろさを増加させる傾向もあります。そのため、通常、表面硬化は機械加工後に行われます。

ストレス解消

CNC 機械加工は、部品の材料内に応力を発生させる可能性があり、未処理のままにしておくと、部品の全体的な品質が著しく損なわれる可能性があります。アニーリングと同様に、応力緩和には、金属合金を高温に加熱し、ゆっくりと冷却することが含まれます。ただし、アニーリングとは異なり、この熱処理は機械加工プロセスの後に適用され、残留応力を除去します。応力緩和は、材料の構造や硬度を変えることなく、パーツの機械的特性を改善します。

焼き入れと焼き戻し

マルテンサイト変態としても知られる焼入れと焼戻しは、鋼部品の硬度を高めるために特別に設計された 2 部構成の方法です。

焼入れプロセスでは、鋼または鋼合金が高温に加熱され、鉄の結晶構造がフェライトからオーステナイトに変化します。これにより、金属はより多くの炭素を吸収できます。

その後、鋼は鉄の相変化を「固定」するために急速に冷却されますが、炭素の添加により、優れた表面硬度特性を持つマルテンサイトと呼ばれる非常に強力な結晶格子構造が形成されます。

一方、焼戻しは、金属を急冷した後に金属を高温に加熱するプロセスです (ただし、アニーリングとは対照的に、材料の臨界温度よりもはるかに低い温度です)。これにより、材料の脆さが軽減され、靭性が向上し、部品の寿命が延びます。

析出硬化

析出硬化は、アルミニウム、ステンレス鋼、超合金などの可鍛性金属の強度を高めるために使用されます。このプロセスは焼入れと焼き戻しに似ており、金属を高温に加熱してから焼入れし、低温で長時間加熱します。これにより、合金内の析出物が分散し、微細構造内の転位 (不規則性) の動きが減少し、金属の強度と硬度が大幅に向上します。

析出硬化は、強度を犠牲にすることなく重量を減らすことが重要な航空宇宙用途のコンポーネントに一般的に適用されます。たとえば、析出硬化アルミニウムで作られた部品は、ステンレス鋼に匹敵する強度を達成できますが、重量は約 3 分の 1 です。

理想的な熱処理プロセスの選択

熱処理により、金属部品の材料特性が大幅に改善されます。ただし、製品チームが調査を行って、特定の部品に最適な熱処理を決定することが重要です。焼き入れと焼き戻しは高強度鋼の作成には理想的かもしれませんが、アルミニウム合金の処理にはあまり有用なプロセスではありません。幸いなことに、信頼できる製造パートナーの助けを借りて、どの処理プロセスが適切かを簡単に判断できます。

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