高周波焼入れの一般的な材料にはどのようなものがありますか？
高周波焼入れの対象となる材料には、いくつかの基本条件があります。材料は高い熱伝導性と電気伝導性を持つ必要があります。しかし、特殊な微細構造と冶金学的要件があるため、高周波焼入れで硬化する材料は限られています。材料は、相変態によって効果的に硬化できるような適切な微細構造を持つ必要があり、これは一定量の炭素含有量を意味する。さらに、材料は冷却後も硬度を保持できる冶金的特性を持たなければならない。例えば、オーステナイト鋼は焼入れ性が悪いため、高周波焼入れには適さない。高周波焼入れプロジェクトで使用される最も一般的な材料を以下に示します；
- 鋳鉄 (>炭素含有率2%)
- 中炭素鋼 (炭素含有量0.3～0.6%)
- 高炭素鋼 (炭素含有量0.6～1.4%)
- 合金鋼
- 工具鋼
- ステンレス
アルミニウムとチタン合金も高周波焼入れに適合するが、これらの非鉄材料は他の材料に比べて一般的ではない。
鋼の高周波焼入れ
合金鋼、工具鋼、ステンレス鋼、またはその他の鋼（炭素含有量0.3%以上）は、高周波焼入れで加工できます。実際、鋼は高周波焼入れプロジェクトで最も人気のある材料です。未加工の鋼板、鋼部品、製品に高周波焼入れを施し、所望の特性を向上させます。これは、鋼材の強度と硬度を所望のレベルにカスタマイズするための最も効率的なアプローチの1つです。工具、ギア、シャフト、クランクシャフト、カムシャフト、ベアリング、ブッシュ、アクセル、シリンダー、パイプ、コネクティングロッドなど、ほとんどのスチール部品や製品は、表面硬化のために高周波焼入れプロセスを受けます。焼入れ深さは、電流、加熱時間、焼入れ速度、その他の操作パラメーターを調整することで制御できます。硬化深さは、特定の要件や使用目的に応じて、0.5～10 mmの範囲で調整できます。
高周波焼入れ用の一般的な鋼種
炭素に加えてさらに合金元素を含む鋼は合金鋼として知られている。クロム、ニッケル、モリブデン、マンガンは、鋼の強度、硬度、靭性、耐食性を高めるために鋼に添加される一般的な合金元素です。多様な高周波焼入れプロジェクトで使用される合金鋼の等級はいくつかあります。合金鋼の等級は、鋼の組成と特性を定義する特定の規格または分類を指します。
| グレード | 内容 |
|---|---|
| 1045 | 炭素含有量0.43-0.50%、その他の合金元素を含む中炭素鋼合金です。SAE 1045鋼は、強度と硬度を高めるために高周波加熱によって硬化させることができる。しかし、焼入れ性が低いため、表面硬度が非常に高い特定の用途には適さない場合があります。 |
| 1050 | 合金鋼1050は、マンガン、炭素、鉄を主成分とする中炭素鋼合金である。1045よりも炭素含有量が少ないため、柔らかく、焼入れ性が低い。 |
| 1144 | 合金元素として炭素に加えてマンガンと硫黄を含む。脆くなることなく応力緩和が可能であることが特徴である。 |
| 4140 | 優れた強度と靭性で知られる低合金鋼。高周波焼入れにより58HRC（代表値）までの表面硬度を得ることができる。他の高合金鋼に比べ、焼入れ性は比較的低い（John Pearson, 2021）。 |
| 4340 | 高強度・高硬度の高合金鋼で、クランクシャフト、コネクティングロッド、その他高応力部品に適している。さらに、合金にニッケルを添加することで、高強度レベルでも優れた靭性と延性が得られます。 |
| 5210 | 高炭素合金鋼で、炭素含有量が高いため高周波焼入れプロジェクトに適しています。この鋼種は、高周波焼入れ後、ベアリング、ギア、切削工具など、高い表面硬度を必要とする高性能用途に使用されます。 |
| 8620 | 8620は、高周波焼入れプロジェクトで一般的に使用される低合金鋼です。異なる特性、強度、硬度、疲労寿命を達成するために焼入れされます。 |
| 9310 | 他の合金鋼に比べて焼入れ性が比較的高く、非常に硬度の高い用途での高周波焼入れに最適です。 |
高周波焼入れにおける他の合金鋼種には、4150、4350、5150、8650、EN25、EN2、XK1340、K245、その他多数が含まれます。
鋼の炭素含有量と高周波焼入れ
前述したように、高周波焼入れで加工するためには、鋼材に一定の割合（0.3%）の炭素を含有させる必要がある。したがって、鋼の炭素含有量は高周波焼入れプロセスに密接に関係している。炭素含有量は主に硬化層の硬度と深さを決定する。炭素含有量の高い鋼はより硬く、より脆く、より深い硬化が可能です。一方、低炭素鋼は柔らかく、より可鍛性であり、より浅い深さまでしか硬化させることができない。硬化層の深さは、部品の強度と耐摩耗性に影響するため、高周波焼入れでは極めて重要である。さらに、炭素含有量は高周波焼入れプロセス中の鋼の変態温度に影響する。炭素含有量の高い鋼は変態温度が高く、オーステナイトからマルテンサイトに変態させるためには変態温度に達する必要がある。
高周波焼入れのための材料選択手順
高周波焼入れプロジェクトに適した材料は、使用可能な材料や処理能力だけでなく、用途の特定の要件や制約によって異なります。材料の選定は、高周波焼入れの性能に直接影響するため、高周波焼入れの重要な側面です。高周波焼入れの材料選択手順には、通常以下のステップが含まれます：
- アプリケーションの要件を定義する:最初のステップは、強度、硬度、耐摩耗性、靭性、延性など、用途に特有の要件を定義し、決定することである。
- 素材オプションのリスト:通常、炭素含有量、他の合金元素、微細構造が異なる様々な材料や合金を含みます。
- 高周波焼入れの能力を調べる:変態温度、硬度、硬化層の深さ、クラックの入りやすさなど、いくつかの要素を考慮する前に、リストアップした各材料オプションの能力を調べる。
- 機械的特性の評価:強度、硬度、靭性、延性など、各材料オプションの機械的特性を比較します。用途の要件を満たしていることを確認する必要があります。
- コストと入手可能性を考慮する:原材料費、製造コスト、リードタイムなどの要因を考慮し、各材料オプションの価格と入手可能性を比較する。
- 最終決断を下す:高周波焼入れ能力、機械的特性、コストと入手可能性の評価に基づき、用途に最も適した材料を最終決定する。
結論
高周波焼入れに使用される一般的な材料には、鋳鉄、中炭素鋼、高炭素鋼、合金鋼、工具鋼、ステンレス鋼などがあります。しかし、鋼は高周波焼入れプロジェクトで最も一般的に使用される材料です。材料は高周波焼入れされた部品や製品の品質や性能に直接影響するため、適切な材料を選択することは非常に重要です。したがって、希望する特性、意図する用途、焼入れ能力、コスト、疲労寿命に基づいて、プロジェクトに適した材料を選択します。
