誘導焼入れは、鋼の硬度を高めるために現代の工場で一般的に使用されている方法です。誘導加熱は鋼部品の表面を加熱し、その結晶構造を変化させます。誘導焼入れによって鋼の硬度がどのように向上するかについては、以下をお読みください。
高周波焼入れ入門
高周波焼入れは、金属の要求される物理的、機械的、化学的特性をカスタマイズする一般的な熱処理方法のひとつです。電磁誘導を利用して部品を加熱します。高周波焼入れプロセスでは、電磁誘導を使用してらせん形状のコイル（誘導コイル）内で部品を加熱し、すぐに冷却します。電源（AC）が渦電流を発生させ、熱処理工程に必要な温度を上げるために必要な熱を発生させます。加熱された部品は、加熱システムに連結された水噴霧機構によって素早く急冷（冷却）される。ただし、冷却剤は水、空気、油のいずれでもよい。
鋼の高周波焼入れ
鋼の焼き入れは、機械的特性を向上させるための冶金的変化を伴う。高周波焼入れプロセスでは、鋼を摂氏880度から1050度で加熱し、その後急速に冷却します。鋼の極端な温度上昇は微細構造の変化をもたらし、硬度を高めます。急冷プロセスは、微細構造の変化を安定させます。誘導加熱は、効果的な硬化のために部品全体に均一性をもたらします。正確な加熱パターンは、比較的低温で安定したコアの形成に役立ちます。
高周波焼入れで鋼の硬度を高める
鋼鉄の高周波焼入れには、電磁、熱伝導、冶金学的変化の3つの異なる現象が含まれる。鋼部品を誘導コイルに入れて交流電流（AC）を供給すると、表面に発生した交流磁場が渦電流を発生させる。この渦電流が鋼部品の加熱の原因となります。臨界温度（7240℃）に達すると、その特性は大きく変化します。ここでは、鋼の高周波焼入れ中に起こる2つの重要な変化について説明しましょう：
- オーステナイト
元の結晶粒の範囲内で結晶方位が変化するのは、鋼のオーステナイト変態によるものである。オーステナイトはFCC結晶構造を持ち、より緻密な充填パターンを示す。より緻密な充填パターンにより、結晶構造中の空間が開放され、格子間炭素原子が収まるようになる。炭素の高い溶解度
- マルテンサイト
マルテンサイト形成は、超高温鋼（<10000C ）の即時冷却に関連している（Guterres, 2022）。即座に冷却すると拡散が妨げられるため、鉄原子間の空間に炭素原子が捕捉される。オーステナイトとマルテンサイトへの時系列的変態を通じて、鋼はその結晶構造を変化させる。さらに、より多くの炭素を含む緻密な充填パターンに安定化し、元の硬度を高めます。達成される硬度の値は、炭素の含有量に依存します。
鋼の硬度における高周波焼入れ効果
高周波焼入れによって硬度がどのように影響されるかに入る前に、いくつかの重要な用語を理解しておこう。
| 用語 | 説明 |
|---|---|
| 結晶と結晶粒 | 結晶とは、原子が周期的なパターンで繰り返し配列されたものを指し、結晶粒とは、それぞれの粒界で区切られた結晶の集合体を指す。 |
| BCC | 体心結晶構造とは、立方体の中心と8つの角の原子の配置のことで、それぞれの角は他の立方体の角と共有されている。 |
| FCC | FCCでは、立方体の各コーナーに8個の原子が配置され、各面の中央には隣接する面と共有する原子が1個残る。 |
力が加わると、粒は互いにエネルギーを伝達し合う。力が強すぎると、粒界が力を受け流す際に滑りやすくなり、変形を引き起こす。硬度は変形に抵抗する能力であるため、硬化工程は変形に抵抗する強度を加える。加熱によって鋼の結晶構造はBCCからFCCに変化し、中心の鉄原子が外に出て、その間に間隙ができる。炭素原子は粒子と粒子の間に入り込み、より詰まった緻密なパターンになる。高周波焼入れ機の瞬間冷却は、構造変化を安定させ、エネルギーを吸収する能力をはるかに高める。さらに、コンパクトな粒子は、境界位置でスリップするために、より多くのエネルギーを必要とします。
高周波焼入れの利点
鋼の高周波焼入れは、その機械的特性を向上させ、簡単な工具や台所用品から高度な自動車部品まで、幅広い用途に適しています。
- 優れた耐摩耗性
誘導加熱により硬度が増すと、自動的に耐摩耗性が向上する。内部構造の緊密さにより、硬い鋼は材料表面からの摩耗や破損を防ぎます。
- 最小反り
高周波焼入れを従来の別の焼入れ方法と比較したとしよう。均一加熱は、反りのシナリオを劇的に変化させます。反りは非常に少なくなり、特性の機能性への影響は無視できるほど小さくなります。
- 特定の硬度レベル
高周波焼入れで特定の硬度を得ることは容易である。例えば、ホイールの機能を満足させるためには、特定の硬度が必要です。この場合、鋼を予熱して必要な硬度を得ることができます。
- 強さ
焼入れ部は芯部よりも体積が多いため、鋼の圧縮強度は大幅に向上し、機械的強度が高くなるため、硬度も鋼の疲労寿命を向上させます。それでも、鋼の硬度を高めることは高周波焼入れの最も大きな利点であり、いくつかの産業で優れた効果を発揮します。岩石破砕機、車軸、歯車、シャフト、建物の梁、その他多くの用途で硬度の高い鋼材が必要とされます。
