応力除去焼鈍：安定した精密加工の鍵

精密部品の加工において、多くの部品が精密設備で加工された後、常に「不満足な」箇所が残ることがあります。明らかに最高の加工マイスターと最高の加工設備を使用し、機上では全てが完璧に確認されたのに、機械から外して品質管理室や次工程に送ると、寸法が静かに変化し、元の完璧な製品が不良品になってしまうのです。

実はこれは工程配置の問題です。我々は上記の加工プロセスしか考慮せず、材料自体の特性を考慮しなかったため、部品加工後に材料内部構造が変化し、加工変形が生じ、寸法不良を招いているのです。

では、この望ましくない現象をどう回避すればよいのでしょうか？ 非常に重要なプロセス、「材料の応力除去」プロセス、すなわち焼鈍処理を用いる必要があります。

応力除去焼鈍処理とは？

ワークを一定温度まで加熱し、一定時間保持した後、冷却してワークを復元させ、残留内部応力を除去するプロセスを応力除去焼鈍と呼びます。冷間変形した金属を再結晶温度以下で加熱して内部応力を除去します。しかし、加工硬化効果を保持したままの熱処理を応力除去焼鈍と呼びます。

応力除去焼鈍は、鋼や各種金属機械部品を一定温度まで加熱し、一定時間保持した後、ゆっくり冷却して平衡状態に近い状態を得る熱処理プロセスです。機械製造業では、焼鈍は通常ワーク製造プロセスにおける予備熱処理プロセスとして使用されます。

実際の加工生産プロセスでは、応力除去焼鈍プロセスの適用は上記以上に広範です。熱間鍛造、鋳造、各種冷間変形加工、切削、溶接、熱処理、さらには機械部品組立後でも、組織状態を変えず、冷間加工・熱間加工・表面硬化条件を保持したまま、鋼や機械部品をより低い温度で加熱し、（全てまたは一部の）内部応力を除去し、変形と割れの傾向を低減するプロセスを応力除去焼鈍と呼ぶことができます。材料組成、加工方法、内部応力の大きさと分布、除去度合いの違いにより、応力除去焼鈍の温度範囲は非常に広いです。伝統的に、高温での応力除去処理を応力除去焼鈍、低温での処理を応力除去焼き戻しと呼びます。本質は同じです。

応力除去焼鈍の原理

圧力加工、鋳造、溶接、熱処理、切削加工などのプロセスでは、製品が内部応力を生じる可能性があります。ほとんどの場合、プロセス終了後、残留応力の一部が金属に残ります。残留応力はワークの割れ、変形、寸法変化を引き起こす可能性があります。残留応力は金属の化学的活性も高め、残留引張応力の作用下では粒界腐食と割れを特に引き起こしやすくなります。したがって、残留応力は材料性能に影響を与えるか、ワークの早期破壊を引き起こします。

応力除去焼鈍中、金属は一定温度下で内部局所塑性変形（応力がこの温度での材料降伏強度を超える場合）または局所緩和プロセス（応力がこの温度での降伏強度未満の場合）を経て、残留応力が緩和され除去されます。応力除去焼鈍では、ワークを一般にゆっくりと低温まで加熱します（ねずみ鋳鉄で500〜550℃、鋼で500〜650℃、非鉄金属合金プレス部品で再結晶開始温度以下）。一定時間保持後、新たな残留応力を防ぐためゆっくり冷却します。

応力除去焼鈍では、ワーク内部の残留応力を完全に除去することはできず、大部分を除去するに留まります。完全に除去するには、ワークをより高温まで加熱する必要があります。しかし、そのような条件下では他の組織変化を招き、材料性能を損なう可能性があります。

寸法保証に加え、完成部品に存在する内部応力は実際には非常に有害です。適時に除去しないと、内部応力と外部荷重、すなわち使用時に加わる力が重なり合い、材料に予期せぬ破断を引き起こす可能性があります。したがって、鋳造・溶接・切削後のワークは、加工中に生じた内部応力を除去するため応力除去焼鈍を実施すべきです。あなたが最高の職人技で努力しても良い部品が作れない、またはお客様から部品が使用中に偶然破損したと報告された場合、応力除去焼鈍プロセスを検討してください。このプロセスが多くの問題を解決する助けになります。