鍛造・熱処理時の亀裂発生原因の解析

鍛造と熱処理は金属加工における重要なプロセスであり、金属製品の機械的特性と最終品質に大きな影響を与えます。ただし、鍛造および熱処理中に発生する亀裂は一般的な品質問題です。これらの亀裂は鋳物の性能に影響を与えるだけでなく、スクラップの発生や生産効率の低下につながる可能性があります。この記事では、鍛造および熱処理中に発生する亀裂の主な原因を分析し、亀裂の発生を防止するための効果的な対策について説明します。

1. 鍛造時の亀裂発生原因

鍛造とは、金属材料に外力を加えて高温で塑性変形させ、目的の形状に成形することです。鍛造は金属の内部構造を改善する上で重要な役割を果たしますが、複雑な環境や材料特性により亀裂が発生することがよくあります。鍛造工程中に亀裂が発生する主な原因は次のとおりです。

1.1 材料上の欠陥

鍛造材料の介在物、気孔、内部亀裂などの欠陥は、鍛造プロセス中に増幅される可能性があります。素材中の非金属不純物や局所的な脆性領域は鍛造時に割れやすく、割れの起点となります。これは、高強度合金、工具鋼、および同様の材料に特に当てはまり、鍛造中に内部欠陥が急速に拡大し、亀裂が発生する可能性があります。

1.2 不適切な温度管理

鍛造温度は金属の塑性流動に直接影響します。温度が高すぎても低すぎても亀裂が発生する可能性があります。温度が低すぎると金属の可塑性や流動性が不足し、クラックが発生しやすくなります。温度が高すぎると、金属の表面が酸化し、内部に硬くて脆い相が形成され、クラックが発生する危険性が高まります。したがって、正確な温度制御が重要であり、温度は材料にとって適切な範囲内に維持されなければなりません。

1.3 不適切な鍛造パラメータ

亀裂の形成には、圧力、速度、変形量などの鍛造プロセスのパラメーターが重要な役割を果たします。鍛造速度が速すぎると、金型内で金属が均一に流動せず、応力集中や亀裂の発生につながる可能性があります。速度が遅すぎると、局所的な過熱が発生し、その結果、温度分布が不均一になり、熱または冷間亀裂が発生する可能性があります。

1.4 応力集中

鍛造中に材料に不均一な応力分布が発生すると、特に金型の設計が不十分であったり部品の形状が複雑な場合に、応力集中領域が形成される可能性が高くなります。これらの領域に応力が集中すると、亀裂の発生源となる可能性があります。これは、内部と外部の応力分布が均一ではないため、亀裂が発生しやすくなる、厚さが不均一な鋳造品で特によく見られます。

1.5 金型の設計とメンテナンスの問題

鍛造金型の設計とメンテナンスは、鍛造プロセス中の金属の流動と応力の均一性に直接影響します。ダイ冷却システムの設計が不十分であったり、ダイ表面が粗かったりすると、局所的な過熱や不均一な冷却が発生し、クラックが発生する可能性が高くなります。

2. 熱処理時のクラック発生原因

熱処理では、金属を加熱、保持、冷却して内部構造を変化させ、機械的特性を改善します。ただし、不適切な熱処理を行うと亀裂が発生する可能性があります。熱処理中に亀裂が発生する主な原因は次のとおりです。

2.1 加熱温度ムラ

熱処理中の不均一な温度分布は、クラックの一般的な原因です。部品の特定の領域が不均一に加熱されると、膨張の仕方が異なり、亀裂につながる内部応力が発生する可能性があります。これは、加熱中に熱勾配によって亀裂が発生する可能性がある、大型または複雑な形状の部品に特に当てはまります。

2.2 熱応力を引き起こす急速冷却

熱処理中、特に焼き入れ中、冷却速度が速すぎる場合（水焼き入れなど）、金属の表面と内部の相変化速度が異なり、応力集中が起こる可能性があります。この場合、金属表面は急速に収縮しますが、内部は冷却が遅くなるため膨張し、低温亀裂の形成につながる可能性があります。高炭素鋼や合金鋼は、急冷によって特に脆性亀裂が発生しやすくなります。

2.3 不適切な熱処理プロセス

熱処理パラメータの選択は、材料の微細構造と特性に直接影響します。加熱温度、保持時間、冷却速度などの熱処理パラメータが正しくないと、不均一な内部構造が形成され、内部応力が発生し、最終的にはクラックが発生する可能性があります。高炭素鋼などの特定の材料では、過度の加熱温度により炭化物の析出が発生し、亀裂が発生しやすい硬くて脆い相が形成されることがあります。

2.4 水素脆化

水素脆化とは、金属が水素ガスを吸収することで靭性が低下し、亀裂が発生しやすくなる現象です。熱処理中、特に高温環境では、水素が金属に侵入し、延性が低下する可能性があります。水素脆化は高張力鋼や特定の合金鋼でよく見られ、応力下で亀裂が急速に広がる可能性があります。

2.5 残留応力が解放されない

鍛造時に発生した残留応力は、熱処理中に効果的に解放されないと、亀裂が発生する可能性があります。たとえば、鍛造部品が適切に焼きなましまたは応力除去されていない場合、金属内に残留応力が残ります。熱処理中に、温度変化によりこれらの応力が新たな亀裂を引き起こす可能性があります。

3. クラックの発生を防ぐ方法

鍛造および熱処理中の亀裂の形成を軽減するには、次の対策を講じる必要があります。

3.1 プロセスパラメータの最適化

鍛造および熱処理プロセスのパラメータ、特に温度と冷却速度を制御します。鍛造中は、温度を適切な範囲内に制御し、特定の部品の要件に基づいて鍛造速度を調整する必要があります。熱処理の際、特に焼き入れが難しい材質の場合は急冷を避けてください。代わりに、油焼き入れや空冷などのゆっくりとした冷却方法を使用する必要があります。

3.2 金型設計の改善

鍛造金型は部品の形状や材質特性に応じた合理的な設計が重要です。ダイ冷却システムが均等に分散され効率的であることを確認し、局所的な過熱を回避します。また、金型の欠陥による応力集中を防ぐために、金型の表面を滑らかで平坦にするために、金型の定期的なメンテナンスも行う必要があります。

3.3 材料の品質管理

鍛造前に材料の品質を厳密に検査し、原材料の欠陥を排除します。アニーリングなどのプロセスで材料を前処理すると、内部応力が軽減され、材料の可塑性が向上するため、亀裂が発生する可能性が低くなります。

3.4 熱処理プロセスの正確な選択

材料の固有の特性に基づいて、適切な熱処理プロセスを選択します。特に高炭素鋼や合金鋼の場合は、過度の加熱温度を避けてください。低温亀裂を防ぐには、適切な保持時間と冷却速度を選択する必要があります。特にゆっくりとした冷却が必要な部品の場合、冷却速度は中程度にする必要があります。

3.5 残留応力の除去

熱処理前に適切な焼鈍や応力除去処理を行い、鍛造時の残留応力を除去します。このステップにより、熱処理プロセス中に亀裂が発生するリスクが軽減されます。大型または複雑な形状の部品の場合は、応力集中を避けるために分割された加熱または冷却方法の使用を検討してください。

鍛造および熱処理中の亀裂の形成は、プロセスパラメータ、材料欠陥、金型設計などのさまざまな要因が関与する複雑な現象です。プロセス制御の最適化、金型設計の改善、材料品質の確保、適切な熱処理プロセスの選択により、クラックを効果的に最小限に抑え、高品質の製品を保証します。鍛造業界の専門家にとって、亀裂の発生原因を理解し、亀裂の発生を予防するための予防措置を講じることは、生産効率を向上させ、製品の品質を確保するための鍵となります。