鋼とはどのような種類の合金ですか?直接的な答え
鉄は基本的に、 鉄炭素合金 ここで、炭素含有量は重量で 0.02% ～ 2.14% の範囲です。この狭い炭素の帯は、脆かった銑鉄を、橋を架けたり、タービンを収容したり、現代のインフラの基幹を形成したりできる材料に変えます。この基本的な鉄と炭素の組み合わせを超えて、 合金鋼 マンガン、クロム、ニッケル、モリブデン、バナジウム、シリコンなどの追加の合金元素を導入して、普通の炭素鋼では達成できない特定の機械的、熱的、化学的特性を設計します。
「合金鋼」という用語は、正確かつ幅広い意味を持ちます。最も厳密な冶金学的意味では、鋼には少なくとも 2 つの元素が含まれているため、すべての鋼は合金です。しかし、工業的には、「合金鋼」とは、1 つ以上の合金元素を意図的に添加することにより、標準的な炭素鋼グレードを超える性能を実現した鋼を特に指します。この材料が熱いときまたは冷たいときに圧縮力によって成形されると、結果は次のようになります。 合金鋼 forgings — 方向性のある粒子の流れ、優れた靭性、および要求の厳しい使用環境における耐疲労性が高く評価されているコンポーネントです。
鋼が合金として分類される仕組み
冶金学者は、ベースメタルと追加元素の性質に基づいて合金を分類します。スチールは、より広範なグループに属します。 鉄合金 — 鉄が主成分である合金。鉄合金内では、炭素含有量が最初の大きな境界線を引きます。
鉄鋼ファミリー内では、米国鉄鋼協会 (AISI) と自動車技術者協会 (SAE) が広く採用されている指定システムを維持しています。炭素鋼には低濃度の合金元素が含まれていますが、合金鋼では単一元素が次のしきい値濃度 (AISI で定義) を意図的に超えています。 1.65% マンガン、0.60% シリコン、または 0.60% 銅 、または指定された最小量のアルミニウム、クロム、コバルト、ニオブ、モリブデン、ニッケル、チタン、タングステン、バナジウム、またはジルコニウムを含む。
この分類は、調達、溶接手順の認定、熱処理計画、および製品の製造において非常に重要です。 合金鋼鍛造品 。 4340 合金鋼 (ニッケル クロム モリブデン グレード) を調達する鍛造工場は、予熱温度、焼き入れ媒体、焼き戻しサイクルの点で、普通の 1045 炭素鋼とは大きく異なる扱いをする必要があります。
| スチール Category | 炭素含有量 | 主要な合金元素 | 代表的な用途 |
|---|---|---|---|
| 低炭素鋼 | 0.02%～0.30% | ん、シ（微量） | 板金、ワイヤー、構造梁 |
| 中炭素鋼 | 0.30%～0.60% | マンガン、シ | シャフト、歯車、鉄道車輪 |
| 高炭素鋼 | 0.60%～2.14% | マンガン、シ | ばね、切削工具、ピアノ線 |
| 低合金鋼 | 0.10%～0.50% | Cr、ニ、モー、V (合計 5% 未満) | 圧力容器、パイプライン、合金鋼鍛造品 |
| 高合金鋼 (ステンレスなど) | さまざま | Cr (>10.5%)、Ni、Mo | 食品機器、医療機器、船舶 |
各合金元素が実際に鋼に与える影響
鋼がそのように配合される理由を理解するには、各元素がどのような影響を及ぼしているかを知る必要があります。この知識は特に次のような場合に関連します。 合金鋼鍛造品 ここで、最終的な微細構造は、鍛造温度、圧下率、およびその後の熱処理と相互作用する合金の化学的性質に依存します。
カーボン
最も影響力のある要素。炭素が 0.10% 増加するたびに、引張強度は約 65 ～ 70 MPa 増加しますが、延性は低下します。炭素は炭化鉄（Fe3C、セメンタイト）を形成し、マトリックスを硬化させます。これより高いレベルでは、溶接性と衝撃靱性が急激に低下します。
マンガン
事実上すべての商用鋼に 0.30% ～ 1.80% 存在します。マンガンは溶湯を脱硫し、高温ショートを防ぎます。また、焼入性（鋼を硬化できる深さ）も向上し、構造用合金鋼グレードや重量鍛造品に不可欠なものとなります。
クロム
焼入性と耐摩耗性を目的として0.50%以上添加します。クロムは 10.5% を超えるレベルで自己修復性の不動態酸化物層を形成し、ステンレス鋼の特徴となります。工具鋼およびダイス鋼では、クロム炭化物は優れた耐摩耗性を発揮します。 52100軸受鋼、H13工具鋼に共通。
ニッケル
ニッケルは靭性を低下させることなくフェライトを強化します。これは珍しい組み合わせです。氷点下の温度で特に効果的であるため、ニッケル合金鋼（9% Ni 鋼など）が -196°C での液化ガスの貯蔵に使用されます。で 合金鋼 forgings 航空宇宙着陸装置または防衛用途では、1.8% ～ 4.0% のニッケル含有量が一般的です (4340 および 300M のように)。
モリブデン
たとえ少量の添加 (0.15% ～ 0.30%) であっても、焼入性が劇的に向上し、焼き戻し脆化 (特定の合金鋼を 250°C ～ 400°C で保持またはゆっくり冷却したときに発生する靭性の損失) が防止されます。モリブデンは高温強度も向上させるため、発電設備用の耐クリープ鋼には不可欠です。
バナジウム
穀物精製装置。バナジウム炭化物および窒化物は、熱間加工および熱処理中にオーステナイト粒界を固定し、微細構造を維持します。微細な粒子サイズは、強度と靱性の両方を同時に向上させます。このトレードオフは、他の方法では達成することが困難です。バナジウムは、微小合金鋼、鍛造クランクシャフト、高速度工具鋼に使用されます。
シリコン
シリコンは製鋼時の脱酸剤であり、フェライトを強化します。 1% ～ 2% のレベルでは、ばね鋼 (9260 など) および電気鋼の主要な合金元素であり、電気抵抗率を増加させることで鉄損を低減します。シリコンは弾性限界を高めるため、コイルスプリングには普通のカーボングレードではなくシリコンマンガン合金鋼が使用されます。
ホウ素
わずかな添加で非常に強力です。 0.0005% ～ 0.003% という少量のホウ素は、他の機械的特性に影響を与えることなく、焼き入れ性を劇的に向上させます。ホウ素処理鋼（AISI 指定の「B」接尾辞、10B30 など）では、ニッケルやモリブデンなどのより高価な元素を削減でき、硬化能力を犠牲にすることなくコストを削減できます。
合金鋼鍛造品: 鍛造が合金鋼に適したプロセスである理由
たとえ同じ化学物質から作られたとしても、すべての鉄鋼部品が同じように作られるわけではありません。鋳造、棒材からの機械加工、鍛造などの製造ルートによって、部品の内部構造が決まり、したがって負荷がかかった状態での性能が決まります。 合金鋼鍛造品 他のプロセスでは完全に再現できない一連の構造上の利点を提供します。
グレインフローと方向強度
合金鋼ビレットが鍛造されると、塑性変形により金属の粒子構造が部品の輪郭に沿って整列します。これはと呼ばれます ファイバーフロー または穀物の流れ。たとえば、鍛造クランクシャフトでは、木目の線がコンポーネントの形状に沿って、各スローとジャーナルの周囲に連続的に巻き付いています。棒材から切断された機械加工されたクランクシャフトは、これらの結晶粒線を切断し、応力集中点で端の結晶粒が露出したままになります。その結果、公開されている疲労試験比較 (ASM ハンドブック、第 14A 巻、金属加工: バルク成形) では、鍛造クランクシャフトは、同等の疲労荷重下で機械加工された同等品よりも 2 ～ 3 倍長持ちすることが日常的に証明されています。
気孔の除去と密度の均一性
鋳鋼には固有の収縮気孔、ガス細孔、樹枝状偏析が含まれており、これらすべてが局所的な弱点を生み出します。鍛造時の圧縮力により、これらの空隙は崩壊し、溶接されて閉じられます。測定可能な気孔率から始まる 4340 合金鋼のインゴットは、ASTM A388 規格に準拠した超音波検査によって検出可能なボイドがほぼゼロの鍛造品を生成します。これは、気孔を通る内部漏れ経路が許容できないバルブ本体などの圧力を含むコンポーネントでは非常に重要です。
優れた機械的特性
直接比較すると、次のように明確にわかります。
| プロパティ | 4340合金鋼鍛造(Q&T) | 4340 鋳鋼 (Q&T) |
|---|---|---|
| 極限引張強さ | 1,034～1,172MPa | 930～1,000MPa |
| 降伏強さ | 862～1,000MPa | 760～860MPa |
| シャルピーインパクト (CVN) | -40°C で 54 ～ 81 J | -40°C で 27 ～ 41 J |
| 疲労限界 (R = -1) | ～586MPa | ～448MPa |
| 面積の減少(%) | 58～65% | 35～45% |
合金鋼鍛造品に使用される一般的なグレード
- 4130(クロモリ): 0.28 ～ 0.33% C、0.80 ～ 1.10% Cr、0.15 ～ 0.25% Mo。航空機の構造金具、ロール ケージ、自転車のフレームに使用されます。合金鋼のため溶接性が良好です。
- 4140: 0.38 ～ 0.43% C、0.80 ～ 1.10% Cr、0.15 ～ 0.25% Mo。世界で最も広く使用されている低合金鋼。鍛造品には、油田ドリルのカラー、ギア、ダイス、およびファスナーが含まれます。
- 4340: 0.38 ～ 0.43% C、1.65 ～ 2.00% Ni、0.70 ～ 0.90% Cr、0.20 ～ 0.30% Mo。最も性能の高い構造用合金鋼の 1 つ。十分な靭性と非常に高い強度を必要とする航空機の着陸装置、大型クランクシャフト、兵器部品に使用されます。
- 8620: 0.18 ～ 0.23% C、0.40 ～ 0.70% Ni、0.40 ～ 0.60% Cr、0.15 ～ 0.25% Mo。肌焼き鋼。鍛造品はその後浸炭または浸炭窒化され、強靭なコア上に硬くて耐摩耗性の表面が形成されます。リング＆ピニオンギヤの標準装備。
- 52100: 0.93 ～ 1.05% C、1.35 ～ 1.60% Cr。高炭素クロム軸受鋼。ほとんどの場合、転がり軸受のみに使用され、焼き入れ後に 60 ～ 64 HRC の表面硬度が必要とされます。
- 300M: シリコン (1.45 ～ 1.80%) とバナジウムを追加した改良型 4340。 1,930 MPaを超える引張強度が達成可能です。重量と強度の両方が重視される重要な航空宇宙用合金鋼鍛造品に使用されます。
合金鋼の主な種類とその産業上の役割
合金鋼のより広いカテゴリーには、いくつかの異なるサブファミリーが含まれており、それぞれが特定の一連の性能要求に合わせて設計されています。これらは単なるマーケティングラベルではありません。各タイプには明確な化学哲学があり、異なる方法で熱処理されます。
高強度低合金鋼 (HSLA)
HSLA 鋼には、0.35% 未満の炭素と少量のニオブ、バナジウム、チタン、または銅が含まれており、通常合計は 2% 未満です。適度な化学的性質にもかかわらず、350 ～ 700 MPa の降伏強さは、完全硬化ではなく結晶粒の微細化と析出硬化によって達成されます。 A572 グレード 50、A36、API 5L X70 などの HSLA グレードは、建物、橋、パイプラインの構造用鋼に使用されます。従来の合金鋼と比較して溶接性が高く、コストが低いため、1960 年代以降、建設現場で主流となりました。世界鉄鋼協会 (wまたはldsteel.org) は、HSLA 鋼が世界で生産される全鉄鋼の約 12% を占めると推定しています。
ステンレス鋼
最小値によって定義される 10.5%クロム , ステンレス鋼は、最も注目度の高い高合金鋼です。クロムは大気中の酸素と反応して、表面を不動態化し、さらなる酸化を防ぐナノメートル厚の Cr2O3 膜を形成します。主要グレード (304、316、410、17-4 PH) は、ニッケル含有量、モリブデン添加量、炭素レベルが異なります。オーステナイト系グレード (300 シリーズ) は非磁性で、優れた耐食性を備えています。マルテンサイトグレード (400 シリーズ) は硬化可能で、硬度と耐食性の両方が必要な刃物、外科用器具、合金鋼鍛造品に使用されます。
工具鋼
工具鋼は、他の材料を切断、成形、または形成するために設計された合金鋼です。高炭素 (0.60% ～ 2.30%) と硬質炭化物を形成する合金元素により、55 ～ 68 HRC の硬度を実現します。 AISI 分類では、工具鋼を W (水硬化)、O (油硬化)、D (ダイス鋼)、H (熱間加工)、M (モリブデン高速)、および T (高速タングステン) のグループに分類しています。 H13 は 5% クロム熱間工具鋼で、アルミダイカストおよび温間鍛造金型の標準的な金型材料です。 M2 および M4 高速度鋼には、600°C を超える切削温度でも硬度を維持するためにタングステン、モリブデン、クロム、バナジウムが含まれています。
マレージング鋼
珍しいサブファミリー: マレージング鋼は炭素含有量が非常に低い (0.03% 未満) ものの、17% ～ 19% のニッケルに加え、コバルト、モリブデン、チタンが含まれています。これらは、炭素マルテンサイトによってではなく、約 480°C での時効中の金属間化合物の析出によって強化されます。その結果、1,400 ～ 2,400 MPa の引張強さが得られ、同等の強度の高炭素鋼よりもはるかに高い破壊靱性が得られます。用途には、ロケット モーター ケーシング、超高強度航空機鍛造品、航空宇宙複合材料製造用の精密工具などがあります。
軸受鋼
軸受鋼（主に 52100 および M50）には、非金属介在物が転がり接触で疲労亀裂の開始点として機能するため、酸素と硫黄の百万分率で測定される極度の清浄度が必要です。真空アーク再溶解 (VAR) またはエレクトロスラグ再溶解 (ESR) が標準的な製造方法です。得られた鋼は、60 ～ 64 HRC に硬化され、精密研磨されると、数十億の応力サイクルで測定される転がり接触疲労寿命を実現します。軸受鋼は、合金鋼の品質管理において最も要求の厳しい用途の 1 つです。
合金鋼の鍛造プロセス: ビレットから完成品まで
生産する 合金鋼鍛造品 は多段階の製造プロセスであり、すべての段階で綿密な制御が必要です。鋼の化学的性質、加工温度範囲、使用する装置、その後に適用される熱処理はすべて相互作用して、最終的な特性を決定します。
ストックの準備
合金鋼は、インゴット、ブルーム、ビレット、またはバーとして鍛造場に到着します。重要な航空宇宙またはエネルギー分野の鍛造品の場合、鋼は次の方法で製造された可能性があります。 真空アーク再溶解 (VAR) or エレクトロスラグ再溶解 (ESR) 硫化物介在物と酸素含有量を極めて低いレベルまで低減します。受け入れられる材料は超音波検査され (ASTM A388 または同等のものに従って)、処理を開始する前に指定された化学的要件と清浄度要件を満たしている必要があります。
鍛造温度まで加熱
合金鋼には特定の鍛造温度範囲があります。 4140 の場合、鍛造範囲は通常、 1,177°C ～ 982°C (2,150°F ～ 1,800°F) 。ビレットを割る可能性のある温度勾配を避けるために、ガス加熱炉または電気抵抗炉ではゆっくりと均一に加熱する必要があります。浸漬時間により、ビレットの断面全体の温度が均一になります。これは、熱拡散率によってコアの加熱速度が制限される 300 mm を超える大径鍛造品にとって重要です。
鍛造作業
部品の形状と生産量に応じて、鍛造はハンマー (重力落下、空気圧、カウンターブロー)、機械プレス、油圧プレス、またはリングローリングミルで実行されます。 自由鍛造 平らなダイまたは輪郭のあるダイの間でビレットを成形し、粒子の流れを段階的に構築します。これは、大きなシャフト、ディスク、およびカスタム形状に使用されます。 閉塞型（印象型）鍛造 熱したビレットを適合するダイキャビティにプレスし、優れた寸法安定性と表面仕上げを備えたほぼネットシェイプの部品を製造します。
制御された冷却
鍛造後、（熱勾配による）亀裂を防ぎ、硬くて脆いマルテンサイトの形成を防ぐために、合金鋼コンポーネントを制御された方法で冷却する必要があります。大型の合金鋼鍛造品は、多くの場合、断熱された箱やピットに置かれたり、砂に埋められたり、炉でゆっくりと冷却されたりします。この焼きなましまたは焼きならしのステップにより、微細構造が均質化され、鍛造応力が軽減され、その後の熱処理または機械加工に向けて部品が準備されます。
熱処理: 焼き戻しと焼き戻し
構造用サービスを目的とした合金鋼鍛造品のほとんどは、 焼き戻し（Q&T） 熱処理。鍛造品はオーステナイト化され、たとえば 4140 の場合は 845°C ～ 899°C に加熱され、その後油、水、またはポリマー中で急速に急冷されてマルテンサイトが形成されます。その後、マルテンサイトは焼き戻され (150°C ～ 650°C に再加熱)、得られた硬度のほとんどを保持しながら延性と靭性を回復します。焼き戻し温度は、強度と靭性のバランスをとるための主要な手段です。焼き戻し温度が低いほど、より高い強度が得られます。温度が高くなると強度は低下しますが、衝撃靱性は向上します。
検査と試験
完成した合金鋼鍛造品は、納入前に寸法検査、機械試験（引張、硬度、シャルピー衝撃）、および非破壊検査（NDE）を受けます。超音波検査 (UT) は内部欠陥を検出します。磁粉検査 (MPI) により、表面および表面近くの亀裂が明らかになります。航空宇宙鍛造品の場合、追加の要件には、金型浸透検査、化学分析検証、熱処理記録のレビューなどが含まれる場合があります。合格基準は、顧客の仕様または AMS、ASTM、EN などの業界標準によって定義されます。
合金鋼鍛造品に依存する産業
優れた機械的特性、密度の均一性、設計の柔軟性の組み合わせにより、 合金鋼鍛造品 事実上あらゆる重工業分野で選ばれる製造方法です。以下では、これらのコンポーネントがどこに登場するのか、またなぜ鍛造品が特に指定されているのかを詳しく見ていきます。
航空宇宙
航空機の着陸装置、エンジン シャフト、タービン ディスク、翼取り付け金具、および構造ブラケットは、通常、グレード 4340、300M、または 17-4 PH ステンレスの合金鋼鍛造品として指定されています。飛行に不可欠なコンポーネントでは、高い比強度 (強度対重量比) と破壊靱性の組み合わせは交渉の余地がありません。たとえば、ボーイングの 737 着陸装置では、メインのオレオ ストラット シリンダーに 300M 合金鋼鍛造品が使用されています。
自動車
クランクシャフト、コンロッド、カムシャフト、ステアリングナックル、ホイールハブ、トランスミッションギア、CV ジョイント部品は、主要な自動車用合金鋼鍛造品です。 1045 改良鋼または 4140 鋼で鍛造された一般的な 4 気筒エンジンのクランクシャフトの重量は 9 ～ 14 kg で、車両の寿命にわたってねじれ疲労荷重に耐える必要があります。世界の自動車鍛造市場は、2022 年に約 744 億米ドルと評価され (出典: Grand View Research、2023 年)、自動車の生産率とともに成長を続けています。
石油とガス
石油・ガス分野のドリルカラー、スタビライザー、ロータリーショルダーツールジョイント、坑口フランジ、および高圧バルブ本体は、主に 4140、4145H、および 4340 の合金鋼鍛造品で作られています。米国石油協会 (API) 仕様 API 7-1 および API 6A は、これらのコンポーネントの材質と検査要件を規定しており、138 MPa (20,000 MPa) を超えるダウンホール圧力に耐える必要があります。 psi) 一部のアプリケーションでは。
発電
火力発電所や原子力発電所の蒸気タービン ローター、発電機シャフト、圧力容器ノズルは、生産される合金鋼鍛造品の中でも最大のものです。単一の蒸気タービン ローター鍛造品の重量は 100 トンを超える場合があり、インゴットから仕上げ機械加工部品までの加工に数か月を要します。 26NiCrMoV14-5 (Cr-Mo-V 合金鋼) などのグレードは高温での使用に使用され、500 °C ～ 580 °C での耐クリープ性が室温の引張特性と同じくらい重要です。
防衛と兵器
戦車の履帯、砲尾ブロック、砲身、装甲板、ミサイルの機体の鍛造品はすべて合金鋼の鍛造品に依存しています。軍事規格 (MIL-SPEC) および防衛規格 (DEF STAN) は、化学、機械的特性、および試験要件を規定しています。グレード 4340 は戦車のスプロケットと駆動輪に使用され、H-11 工具鋼 (5% Cr 熱間加工グレード) は、高い硬度、熱安定性、推進ガスによる浸食に対する耐性の組み合わせにより砲身に使用されます。
合金鋼 vs. 炭素鋼 vs. ステンレス鋼: 適切な材料の選択
鍛造コンポーネントの材料の選択には、コスト、入手可能性、および製造可能性に対する性能要件のバランスが含まれます。ここでは、エンジニアやバイヤーが十分な情報に基づいた選択を行えるよう、最も一般的な 3 つの構造用鋼ファミリーを直接比較しています。
- 引張強さ: 600 ～ 2,000 MPa (グレードおよび熱処理による)
- 断面焼入性に優れています。大型鍛造品に適しています
- 良好から優れた衝撃靱性、特に Ni 添加の場合
- 腐食環境では保護コーティングまたはメッキが必要
- コスト: 合金含有量に応じて中程度から高
- 用途: 航空宇宙、防衛、油田工具、自動車のドライブトレイン、発電機
- 引張強さ：400～900MPa。大きなセクションでは焼入性によって制限される
- 断面サイズが直径約 50 mm を超えると、硬化性が急速に低下します。
- 低〜中炭素で良好な靭性。高炭素では脆くなる
- 錆びる可能性があります。表面保護が必要です
- コスト：構造用鋼の中で最も安価
- 最適な用途: 一般機械、手動工具、重要ではない構造部品
- 引張強さ：500～1,700MPa（析出硬化型）
- 合金本来の優れた耐食性。コーティングは必要ありません
- オーステナイトグレードは極低温まで耐えられる
- 原材料コストの上昇（ニッケルとクロムの含有量）
- カーボンや低合金グレードよりも機械加工や鍛造が難しい
- 最適な用途: 食品加工、医療、海洋、化学プラントのコンポーネント
これらの材料ファミリー間の決定は通常、 必要な強度レベル、断面サイズ、腐食環境、予算の組み合わせ 。たとえば、海水環境での海底ライザークランプには二相ステンレス鋼鍛造品が使用されますが、非腐食環境で動作する頑丈な採掘用ドリルロッドには、大幅に低コストの 4140 合金鋼鍛造品が使用されます。
合金鋼鍛造品の熱処理: あらゆる特性範囲を解き放つ
競合材料に対する合金鋼鍛造品の決定的な利点の 1 つは、熱処理によって達成できる幅広い特性です。同じ 4140 合金鋼の鍛造品は、熱処理サイクルに応じて、620 MPa (高度に焼き戻し、最大の延性) から 1,380 MPa 以上 (最小限の焼き戻し、高硬度) までの引張強度を実現できます。このセクションでは、主な熱処理ルートとそれが最終特性に及ぼす影響について説明します。
正規化
正規化には、鍛造品を上限臨界温度 (Ac3) より 40°C ～ 55°C 高い温度に加熱し、完全にオーステナイト化するまで保持し、その後空冷することが含まれます。目的は、熱間加工後の結晶粒組織を微細化し、均一化することです。正規化合金鋼鍛造品は、断面全体にわたって一貫した機械的特性を示します。これは、大型の鍛造品を最終熱処理前に広範囲に機械加工する場合に重要です。焼きならしは、焼き入れ焼き戻しまたは肌焼きの前の準備ステップとしても使用されます。
アニーリング
完全焼鈍（オーステナイト化の後に毎時 10°C ～ 30°C で炉を冷却）は、合金鋼で最も柔らかく延性の高い状態を作り出します。焼き鈍しされた 4140 の一般的な硬度値は 150 ～ 200 HB です。仕上げ熱処理前に最大の機械加工性が必要な場合、または複数の加工操作の間に中間の応力除去が必要な場合に、鍛造品は焼きなましされます。
クエンチアンドテンパー(Q&T)
構造用の最も一般的な熱処理 合金鋼鍛造品 。オーステナイト化された鍛造品は急速に急冷され（ほとんどの合金鋼の場合は油中で、低級合金グレードの場合は水またはポリマー中で）マルテンサイト微細構造が生成され、その後、必要な硬度と靱性のバランスに焼き戻されます。関係は逆であり、焼き戻し温度が高いと硬度は低下しますが、シャルピー衝撃靱性は増加します。 200°C で焼き戻された 4340 合金鋼鍛造品は、約 14 J の CVN 衝撃値で 1,930 MPa 近くの引張強度を達成します。 600°C で焼き戻すと、引張強さは約 1,035 MPa まで低下しますが、CVN は約 81 J まで上昇します (ASM ハンドブック、第 4 巻、熱処理)。
肌焼入れ（浸炭・浸炭窒化）
8620、9310、4320 などの低炭素合金鋼は、大幅に硬化するには低すぎるコア炭素含有量で意図的に設計されていますが、浸炭ケースの硬化性を高める合金元素が含まれています。鍛造と機械加工の後、部品は炭素が豊富な雰囲気中で 900°C ～ 955°C に加熱され、炭素が表面に制御された深さ (通常 0.5 ～ 2.5 mm) まで拡散し、その後焼き入れされます。その結果、丈夫で耐衝撃性のコアの上に硬く耐摩耗性の表面 (58 ～ 64 HRC) が形成されます。これはまさにギアの歯とカムローブに必要な組み合わせです。
ストレス解消
機械加工または溶接後、合金鋼鍛造品は、硬度や強度を大きく変えることなく残留応力を低減するために、Ac1 以下の温度 (合金鋼の場合は通常 550°C ～ 650°C) で応力除去される場合があります。このステップにより、精密加工中の歪みが防止され、寸法安定性が向上し、使用中の応力腐食割れのリスクが軽減されます。
合金鋼鍛造品の品質管理: 試験方法と規格
の品質 合金鋼鍛造品 は想定されていません。原材料の受け入れから始まり、最終納品まで続く、体系的なテストと検査のプログラムを通じて検証されます。以下は、現代の鍛造品の品質管理に使用されている主な方法です。
発光分光分析 (OES) または蛍光 X 線 (XRF) により、熱化学が指定されたグレードと一致するかどうかが検証されます。ほとんどの材料仕様では、取鍋分析と製品分析 (鍛造自体から) の両方が必要です。炭素、硫黄、リンは特に懸念されます。硫黄が 0.030% を超えると横方向の靭性が低下します。リンが 0.035% を超えると脆化が促進されます。
ロックウェル (HRC)、ブリネル (HB)、またはビッカース (HV) 硬度は、鍛造品の指定された位置で測定されます。完全硬化されたコンポーネントの場合、表面から中心までの硬度 (ジョミニーの終端焼入れデータ) により、適切な硬化性が確認されます。硬度は、熱処理された鋼の引張強さを示す最も経済的な指標です。
ASTM A370 に従って、引張試験片は、同じ熱処理条件で鍛造品の延長部分（延長部分）または別個に鍛造されたテストリングから機械加工されます。極限引張強さ、0.2%耐力、伸び、および減面率が報告されており、指定された最小値を満たさなければなりません。
V ノッチ シャルピー試験片 (ASTM E23 に準拠した 10 × 10 × 55 mm) を指定温度で破壊し、衝撃靱性を測定します。 ASME セクション VIII に基づく圧力容器鍛造品などの重要な用途では、-40°C での衝撃試験が日常的です。最小平均吸収エネルギー要件は、用途の厳しさに応じて通常 27 J ～ 68 J の範囲です。
高周波音波 (1 ～ 10 MHz) が鍛造品を透過します。内部欠陥からの反射が A スキャン ディスプレイに表示されます。 ASTM A388 は、鍛造鋼の超音波検査の標準方法です。許容基準では、最大許容表示サイズと頻度が指定されます。 UT は、表面からは見えない内部の継ぎ目、ラップ、気孔を検出するのに特に重要です。
MPI はフェライト系およびマルテンサイト系合金鋼に使用され、磁場と酸化鉄粒子を適用することで表面および表面付近の不連続性を検出します。表面と交差したり、表面に接近した亀裂、継ぎ目、ラップは粒子を引きつけ、目に見える痕跡を形成します。 ASTM E709 は鍛造鋼の MPI を管理します。このテストは、航空宇宙および防衛用途における最も重要な合金鋼鍛造品に必須です。
合金鋼・鍛造品の世界市場と今後の動向
合金鋼および鍛造市場は大規模かつ世界的であり、電化、持続可能性への圧力、および新たな産業要件に対応して進化しています。
世界の粗鋼生産量が到達 2022年に18億8,800万トン (出典:世界鉄鋼協会、worldsteel.org)。このうち、合金および特殊グレードのシェアが大きく増加しています。世界の鍛造部品市場は約 2022年に914億ドル 、主に自動車、航空宇宙、再生可能エネルギー分野の成長によって、2030 年までに 1,300 億米ドルを超えると予測されています (Grand View Research、2023)。
いくつかのトレンドが需要を再構築しています 合金鋼鍛造品 :
- 電気自動車 (EV): EV パワートレインではエンジンのクランクシャフトが不要になりますが、モーターシャフト、減速機アセンブリ、バッテリーハウジングフレーム、より重いバッテリーを搭載したプラットフォーム用のサスペンションナックルなどの新しい鍛造コンポーネントが導入されています。 EV あたりの鍛造含有量は、コンポーネントが異なるだけで、内燃エンジン車と同等かそれを超える可能性があります。
- 再生可能エネルギー: 洋上風力タービンでは、メインシャフト、遊星キャリア、リングギア、タワーフランジに大型の合金鋼鍛造品が必要です。単一の 15 MW 洋上風力タービンには、ドライブトレインと構造接続部に 50 トンを超える鍛造合金鋼が含まれる場合があります。
- 水素経済: 高圧水素の貯蔵および供給には、非常にクリーンで、水素脆化の影響が少ない合金鋼鍛造品が必要です。 700 bar を超える圧力での水素誘起亀裂に対する耐性を備えた新しいグレードが開発されています。
- 高度な製造: シミュレーション ソフトウェア (鍛造プロセス モデリング用の FEA、DEFORM、Simufact) を使用すると、鍛造エンジニアは金型設計とプロセス パラメーターを仮想的に最適化し、試行錯誤を減らし、材料の利用率を向上させることができます。結晶粒の流れと微細構造の予測は、現在、高級鍛造工場では日常的に行われています。
- アディティブ マニュファクチャリングのハイブリッド アプローチ: 一部の鍛造工場は、ニアネットシェイプの鍛造プリフォームを指向性エネルギー蒸着 (DED) によって仕上げて薄肉機能を追加し、複雑な合金鋼コンポーネントの機械加工の無駄を削減するハイブリッド ルートを模索しています。
