鉄鋼のアウステニ化

オーステナイト化の原理

• 相変態の原理: 鋼を加熱すると、フェライトやパーライトなどの内部構造は、鉄の結晶格子内の炭素原子の再分配を通じて、徐々にオーステナイトに変態します。
• 温度の影響: オーステナイト化温度は通常、ac₁（下部臨界点）とac₃（上部臨界点）の間です。ただし、臨界点温度は鋼の組成によって異なります。たとえば、炭素含有量、合金元素の種類と含有量はすべて臨界点に影響します。

オーステナイト化プロセス（平衡鋼を例として）

• オーステナイト核の形成: オーステナイト核は通常、フェライトとセメンタイトの間の相界面で優先的に形成されます。これは、相界面での炭素原子濃度が不均一であり、エネルギーが高く、原子配列が不規則であるため、核生成に必要な濃度変動、エネルギー変動、および構造変動の条件を容易に満たすためです。さらに、パーライトドメインとフェライトモザイクブロックの境界も核生成サイトになる可能性があります。
• オーステナイト核の成長: オーステナイト相領域まで加熱した後、高温では炭素原子の拡散速度が加速し、鉄原子と合金原子も完全に拡散できます。オーステナイト核は、炭素原子の拡散を通じて、フェライトとセメンタイトに向かって成長し続けます。
• 残留セメンタイトの溶解: フェライトの組成と構造はオーステナイトに近いため、オーステナイト核の成長中にフェライトが最初に消失し、残留セメンタイトは保持時間の延長とともに溶解し続け、最終的にすべて消失します。
• オーステナイト組成の均質化: すべてのセメンタイトが溶解した後、オーステナイト中の炭素濃度は均一ではなく、元のセメンタイト領域の炭素含有量が高くなります。このとき、炭素原子が完全に拡散するように、長時間の保持または継続的な加熱を行う必要があり、均一な組成のオーステナイトが得られます。

亜共析鋼と過共析鋼のオーステナイト化

• 亜共析鋼: 上記の平衡鋼のオーステナイト形成の基本プロセスに加えて、ac₁温度以上に加熱すると、プロユーテクトイドフェライトは徐々に溶解する必要があり、ac₃温度以上に加熱して完全にオーステナイトに変態させる必要があります。
• 過共析鋼: ac₁温度以上に加熱すると、プロユーテクトイドセメンタイト（二次セメンタイト）は徐々に溶解する必要があり、Accm（過共析鋼の上部臨界点）以上に加熱して初めて、すべてのセメンタイトが溶解し、単一のオーステナイト構造が得られます。

オーステナイト化に影響を与える要因

• 加熱温度と時間: 加熱温度が高いほど、原子の拡散速度が速くなり、オーステナイト化速度が速くなり、形成に必要な時間が短くなります。一定の温度では、保持時間が長いほどオーステナイト組成が均一になりますが、保持時間が長すぎると粒成長につながります。
• 加熱速度: 加熱速度が速いほど、潜伏期間が短くなり、オーステナイトが変態を開始および終了する温度が高くなり、変態に必要な時間が短くなります。急速加熱中、オーステナイトの核生成速度の増加は成長速度よりも大きく、微細なオーステナイト粒が得られます。
• 合金元素: コバルトやニッケルなどの元素はオーステナイト化プロセスを加速します。クロム、モリブデン、バナジウムなどの元素はオーステナイト化プロセスを遅らせます。ケイ素、アルミニウム、マンガンなどの元素は、基本的にオーステナイト化プロセスに影響を与えません。合金元素の拡散速度は炭素の拡散速度よりもはるかに遅いため、合金鋼の熱処理加熱温度は一般的に高く、保持時間は長くなります。
• 元の構造: 元の構造のセメンタイトが層状の場合、オーステナイト形成速度は粒状セメンタイトよりも速くなります。セメンタイトの層間隔が小さいほど、相界面が多くなり、核生成速度が高くなり、変態速度が速くなります。球状化焼鈍状態の粒状パーライトは相界面が少ないため、オーステナイト化速度が最も遅くなります。

オーステナイト化の実用的な応用

• 熱処理: オーステナイト化は、鋼の熱処理における重要なステップです。その後の異なる冷却方法（焼入れ、焼ならし、焼鈍、焼き戻しなど）は、オーステナイトを異なる構造に変態させ、必要な機械的特性を得る原因となります。たとえば、オーステナイト化後に鋼を焼入れすると、マルテンサイト構造が得られ、鋼の硬度と強度が向上します。焼ならし処理は、粒を微細化し、被削性を向上させることができます。
• 圧力加工: 鋼塊、鋼片、鋼製品は、一般的に1100℃以上に加熱してオーステナイト化します。このとき、オーステナイトは良好な可塑性と低い降伏強度を持ち、さまざまな形状の部品または完成品を作るための鍛造や圧延などの塑性加工に便利です。