鋼の冷却変化を理解する

 

I 冷却方法

 

鋼鉄は主に等温冷却と連続冷却の 2 種類の冷却方法を経ます。

 

等温冷却

この方法では、鋼をオーステナイト状態まで加熱し、特定の温度まで急速冷却し、一定時間その温度に保持してオーステナイトを変態させ、さらに室温まで冷却します。この方法により、変態温度と変態時間を正確に制御でき、特定の微細構造と特性が得られます。

 

▲ 等温冷却と温度

 

連続冷却

ここでは、最初はオーステナイト状態にあった鋼が、さまざまな速度（空冷、炉冷、油冷、水冷など）で室温まで連続的に冷却されます。この方法における冷却速度は、オーステナイトの変態プロセスと最終的な微細構造に影響を与えます。

 

▲ 連続冷却と温度

 

 

II 過冷却オーステナイトの等温変態曲線

 

▲ 共析鋼の過冷却オーステナイト等温変態曲線

 

共析炭素鋼の C 曲線 (過冷却オーステナイトの等温変態曲線または TTT 曲線とも呼ばれる) は、鋼が過冷却オーステナイト状態にあるときの変態温度、時間、変態生成物の関係を示します。

 

Cカーブ領域の分割

過冷却オーステナイト領域:C 曲線上の変態開始ラインの左側に位置するこのゾーンは、過冷却オーステナイトがまだ変態していない領域を表します。

 

変革製品ゾーン:このゾーンは、変態終了線の右側、Ms 点より上に位置し、過冷却オーステナイトが生成物に変態した場所を示します。

 

変革進捗ゾーン:このゾーンは変態開始線と変態終了線の間にあり、過冷却オーステナイトの変態プロセスが進行中であることを示します。

 

C カーブの線とその物理的意味

変革のスタートライン:過冷却オーステナイトが変態し始める点を結んだ曲線。異なる温度でオーステナイトが変態し始めるのにかかる時間を示します。

 

変換終了ライン:さまざまな温度でオーステナイトが変態を完了するのに必要な時間を示します。

Ms ライン: マルテンサイト変態の開始温度を示す水平線。オーステナイトがマルテンサイトに変態し始める点を示します。

 

Mf ライン (Mf ポイントと呼ばれることもあります):オーステナイトが完全にマルテンサイトに変態するマルテンサイト変態の終了温度を表す水平線。

 

Cカーブの先端の重要性

約 550 度で、共析炭素鋼の C 曲線は曲線のノーズと呼ばれる曲がりを示します。対応する温度はノーズ温度と呼ばれ、オーステナイトの変態速度が最も速くなります。このノーズより上では、オーステナイトは主にパーライト変態を起こし、このノーズより下ではベイナイト変態が起こり、Ms 点より下ではマルテンサイト変態が起こります。

 

Cカーブの形状と位置に影響を与える主な要因

鋼の化学組成:炭素含有量と合金元素は、オーステナイトの安定性と変態プロセスに影響します。一般的に、炭素含有量が増加すると C 曲線は右にシフトし、合金元素 (Co と Al を除く) はオーステナイトの安定性を高め、C 曲線の形状を変えます。

 

オーステナイトの微細構造:オーステナイト粒子が細かくなると、単位面積あたりの粒界が多くなり、変態生成物の核生成と成長が促進され、C 曲線の位置と形状に影響を与えます。

 

オーステナイト化温度と保持時間:オーステナイト化温度が高くなり、保持時間が長くなると、オーステナイト粒子が粗くなり、C 曲線がさらに右にシフトします。

 

 

III 過冷却オーステナイトの連続冷却変態曲線

 

▲ 過冷却オーステナイトの連続冷却変態曲線

 

▲各文字に対応するパラメータ

 

連続冷却変態曲線（CCT 曲線）は、連続冷却条件下での過冷却オーステナイトの相変態プロセスを説明するために使用される重要なツールです。これは、さまざまな冷却速度での過冷却オーステナイトの変態パターンを反映し、変態生成物の微細構造と性能を分析するための基礎として機能します。また、熱処理プロセスを策定するための重要な参照でもあります。

 

CCT曲線の定義と意義

CCT 曲線、つまり連続冷却変態曲線は、異なる冷却速度で過冷却オーステナイトがさまざまな相 (パーライト、ベイナイト、マルテンサイトなど) に変態する開始温度と終了温度、および時間を記録します。この曲線は、鋼の相変態プロセスを理解し、熱処理プロセスを最適化し、鋼部品の特性を予測する上で重要です。

 

CCT曲線の決定方法

CCT 曲線を決定する方法には、通常、次の手順が含まれます。

 

サンプルの準備:代表的な鋼サンプルを選択し、オーステナイト化処理を施して、測定前にすべてのサンプルが同じ初期の微細構造を持つようにします。

 

連続冷却:冷却プロセス中の温度と時間のデータを記録しながら、オーステナイト化されたサンプルをさまざまな一定速度で連続的に冷却します。

 

変換製品分析:冷却中または冷却後に、金属組織学的分析またはその他の方法によって変態生成物の種類と量を決定します。

 

曲線プロット:異なる冷却速度での変化の開始温度と終了温度、および時間データを「温度-時間対数」座標チャートにプロットして、CCT 曲線を作成します。

 

CCT曲線の特徴

変換領域:CCT 曲線には通常、パーライト変態、ベイナイト変態 (特定の鋼の場合)、およびマルテンサイト変態の領域が含まれます。これらの領域は、異なる冷却速度で発生する相変態プロセスに対応します。

 

臨界冷却速度:CCT 曲線には、上限臨界冷却速度 (Vk) と下限臨界冷却速度 (Vk') という 2 つの重要な臨界冷却速度が存在します。上限臨界冷却速度は、連続冷却中にオーステナイトが分解せず、完全に過冷却されてマルテンサイト領域になることを保証するために必要な最小速度です。下限臨界冷却速度は、連続冷却中にオーステナイトがマルテンサイト変態を起こさずに完全に分解することを保証する最大速度です。

 

変換の複雑さ:連続冷却変態は等温変態よりも複雑です。連続冷却プロセスはさまざまな変態温度領域を順番に通過するため、複数の変態が連続して発生する可能性があり、冷却速度が異なると変態生成物と相対量が異なる場合があります。

 

CCT曲線の応用

熱処理プロセスの定式化:CCT 曲線は、さまざまな冷却速度における鋼の変態生成物と性能変化についての洞察を提供し、加熱温度、保持時間、冷却速度などの適切な熱処理パラメータの策定を可能にします。

 

パフォーマンス予測:CCT 曲線は、硬度、強度、靭性など、特定の熱処理条件下での鋼部品の特性を予測するために使用できます。

 

材料の選択:材料の選択時に、さまざまな材料の CCT 曲線を比較して、熱処理性能と潜在的な用途を評価できます。

 

 

IV 冷却変換の種類

 

▲ A温度以下でのさまざまな変化

 

▲ A温度以下でのさまざまな変化

 

鋼の冷却変態には、主にパーライト変態、ベイナイト変態、マルテンサイト変態が含まれます。

 

パーライト変態:この高温拡散変態は、核生成と成長のプロセスを経て完了します。パーライトの形態は形成温度の低下とともに変化し、層間間隔が減少し、良好な延性と靭性を維持しながら強度と硬度が増加します。

 

ベイナイト変態:ベイナイト変態は中温域で起こる半拡散変態です。ベイナイトには上部ベイナイトや下部ベイナイトなどさまざまな形態があり、その特性はパーライトとマルテンサイトの中間にあります。

 

マルテンサイト変態:この低温、非拡散変態により、硬度と強度は高いが延性と靭性は低いという特徴を持つマルテンサイトが生成されます。マルテンサイトは、それぞれ低炭素鋼と高炭素鋼に対応するラス状または板状になります。

 

 

V 連続冷却変態と等温変態の関係

 

▲ 共析鋼の等温冷却変態曲線と変態組織の比較

 

関係

連続冷却変態と等温変態はどちらも熱処理におけるオーステナイト相変態の重要な方法であり、材料の相変態挙動を理解し、熱処理プロセスを定式化し、材料特性を予測するために不可欠です。連続冷却変態図を決定するのが比較的難しいため、連続冷却変態プロセスを等温変態図（C曲線）を使用して近似的に分析できる場合もあります。

 

違い

変換条件:連続冷却変態は連続的に変化する温度条件下で発生しますが、等温変態は特定の一定温度で発生します。

 

変換プロセス:連続冷却中、過冷却オーステナイトは温度範囲内で相変態を完了し、不均一な変態を引き起こす可能性があります。最初に変態した微細構造は粗いかもしれませんが、後で変態した微細構造は細かくなる可能性があり、さまざまな微細構造が混在することがよくあります。一方、等温変態は一定の温度条件下で発生し、比較的均一な相変態を引き起こします。

 

変革製品:変態条件が異なるため、2 つの方法で得られる変態生成物の種類と割合は異なる場合があります。たとえば、共析鋼では、連続冷却ではベイナイトのないパーライト変態のみが生じる可能性がありますが、等温変態条件ではより多様な相変態生成物が生じる可能性があります。

 

応募と選考

実際の生産では、連続冷却変態と等温変態の選択は、特定の材料の化学組成、微細構造、および望ましい熱処理効果と性能要件によって異なります。連続冷却変態は、その単純さと低コストのため、通常、大規模生産と連続処理に使用されます。対照的に、等温変態は、ハイエンド材料の準備や特別な性能要件を持つ部品の製造など、相変態プロセスと製品タイプを正確に制御する必要があるシナリオに適しています。

 

 

VI. 冷却変化に影響を与える要因

 

オーステナイト組成

炭素含有量と合金元素は、オーステナイトの安定性と変態プロセスに影響します。たとえば、炭素含有量が増加すると C 曲線は右にシフトし、オーステナイトに溶解した合金元素 (Co と Al を除く) はオーステナイトの安定性を高め、C 曲線の形状を変えます。

 

オーステナイト微細組織

オーステナイト粒子が細かくなり、単位面積あたりの粒界が増えると、変態生成物の核生成と成長が促進されます。

 

応力と塑性変形

引張応力を受ける過冷却オーステナイトは変態を加速しますが、圧縮応力は逆の効果をもたらします。塑性変形もオーステナイトの変態を加速します。

 

 

VII. 冷却変換の応用

 

鋼の冷却変態を理解することは、熱処理工程を策定する上で非常に重要です。冷却方法と冷却速度を制御することで、さまざまな要件を満たすさまざまな微細構造と特性を持つ鋼を生産できます。たとえば、焼入れ工程では鋼を急速に冷却してマルテンサイト組織を形成し、硬度と強度を高めます。焼戻し工程では、焼入れ後に加熱して保持することで内部応力を緩和し、靭性を向上させます。

 

鋼の冷却変態は、数多くの複雑な要因の影響を受ける熱処理プロセスの重要な側面です。実際のアプリケーションでは、特定の条件に基づいて適切な冷却方法と速度を選択することが、望ましい微細構造と特性を実現するために必要です。