CNC機械加工部品の熱処理

多くの金属合金に熱処理を適用して、硬度、強度、機械加工性などの重要な物理的特性を大幅に向上させる方法を学びましょう。

序章
熱処理を多くの金属合金に適用して、主要な物理的特性 (硬度、強度、機械加工性など) を大幅に向上させることができます。これらの変化は、微細構造の変更、場合によっては材料の化学組成の変更によって発生します。

これらの処理には、金属合金を（通常は）極端な温度まで加熱し、その後、制御された条件下で冷却するステップが含まれます。材料を加熱する温度、その温度に保つ時間、および冷却速度はすべて、金属合金の最終的な物理的特性に大きな影響を与えます。

この記事では、CNC 加工で最も一般的に使用される金属合金に関連する熱処理について概説しました。この記事では、最終部品の特性に対するこれらのプロセスの影響について説明することで、アプリケーションに適切な材料を選択するのに役立ちます。

熱処理はいつ適用されますか
製造プロセス全体を通じて金属合金に熱処理を適用できます。CNC 機械加工部品の場合、通常、次のいずれかの熱処理が適用されます。

CNC 機械加工の前: すぐに入手できる標準化された合金グレードが要求された場合、CNC サービス プロバイダーはそのストック材料から直接部品を機械加工します。多くの場合、これがリードタイムを短縮するための最良のオプションです。

CNC 加工後: 一部の熱処理は材料の硬度を大幅に高めたり、成形後の仕上げステップとして使用されます。このような場合、硬度が高いと材料の被削性が低下するため、CNC 加工後に熱処理が適用されます。たとえば、これは工具鋼部品を CNC 加工する場合の標準的な方法です。

CNC素材の一般的な熱処理
焼きなまし、応力除去、焼き戻し
アニーリング、焼き戻し、および応力除去にはすべて、金属合金を高温に加熱し、その後、通常は空気中またはオーブン内でゆっくりと材料を冷却することが含まれます。材料を加熱する温度や製造工程での順序が異なります。

アニーリングでは、金属を非常に高温に加熱し、その後ゆっくりと冷却して目的の微細構造を実現します。アニーリングは通常、成形後、さらなる加工の前にすべての金属合金に適用され、合金を軟化させて機械加工性を向上させます。別の熱処理が指定されていない場合、ほとんどの CNC 機械加工部品は焼きなまし状態の材料特性を持ちます。

応力緩和には部品を高温 (ただしアニーリングよりも低い温度) で加熱することが含まれ、通常は CNC 加工の後に、製造プロセスで生じた残留応力を除去するために使用されます。このようにして、より一貫した機械的特性を備えた部品が製造されます。

焼き戻しはまた、焼きなましよりも低い温度で部品を加熱します。焼き戻しは通常、軟鋼 (1045 および A36) および合金鋼 (4140 および 4240) の焼き入れ (次のセクションを参照) の後に使用され、脆性を軽減し、機械的性能を向上させます。

焼入れ
焼き入れには、金属を非常に高温に加熱し、その後、通常は材料を油または水に浸すか、冷気の流れにさらすことによって急速に冷却するステップが含まれます。急速冷却により、加熱時に材料が受ける微細構造の変化が「固定」され、その結果、非常に高い硬度の部品が得られます。

硬度が増すと材料の機械加工が難しくなるため、部品は通常、CNC 加工後の製造プロセスの最終ステップとして焼き入れされます (鍛冶屋が刃を油に浸すことを想像してください)。

工具鋼は CNC 加工後に焼き入れされ、非常に高い表面硬度特性が得られます。次に、焼き戻しプロセスを使用して、得られる硬度を制御することができます。たとえば、工具鋼 A2 は焼き入れ後の硬度が 63 ～ 65 ロックウェル C ですが、42 ～ 62 HRC の範囲の硬度に焼き戻すことができます。焼き戻しは脆性を軽減するため、部品の耐用年数を延ばします (硬度 56 ～ 58 HRC で最良の結果が得られます)。

析出硬化（時効）
析出硬化または時効は、同じプロセスを説明するために一般的に使用される 2 つの用語です。析出硬化は 3 段階のプロセスです。まず材料を高温に加熱し、次に急冷し、最後に低温で長時間加熱します (時効)。これにより、溶液を加熱すると砂糖の結晶が水に溶けるのと同じように、最初は異なる組成の個別の粒子として見えた合金元素が金属マトリックスに溶解し、均一に分布します。

析出硬化後、金属合金の強度と硬度は大幅に増加します。たとえば、7075 はアルミニウム合金で、重量が 3 倍未満でありながら、ステンレス鋼と同等の引張強度の部品を製造するために航空宇宙産業で一般的に使用されています。

表面焼入れおよび浸炭処理
表面硬化は熱処理の一種で、アンダーラインの材料は柔らかいままで、部品の表面が高硬度になります。硬い部品はより脆くなるため、これは、部品の体積全体の硬度を上げる (たとえば、焼き入れによって) よりも好まれることがよくあります。

浸炭は最も一般的な肌硬化熱処理です。これには、炭素が豊富な環境で軟鋼を加熱し、その後部品を焼入れして金属マトリックスに炭素を固定することが含まれます。陽極酸化によりアルミニウム合金の表面硬度が高まるのと同様に、これにより鋼の表面硬度が高まります。