20CrMoH鋼ギア鍛造品の熱処理プロセスが微細組織と硬度に及ぼす影響

2025-07-29

20CrMoH鋼ギア鍛造品の熱処理プロセスが微細構造と硬さに及ぼす影響

20CrMoH鋼は高品質の合金構造用鋼です。クロム（Cr）やモリブデン（Mo）などの合金元素の組成により、優れた焼入れ性、強度と靭性のバランス、および被削性を発揮します。自動車、建設機械、その他の分野における高負荷ギア鍛造品によく使用される材料です。その最終的な特性、特に微細構造と硬さは、熱処理プロセスに大きく依存します。異なるプロセスは、鋼中の相変態、炭素分布、および粒界の状態を変化させることにより、大きな違いをもたらします。以下に、3つの側面からの詳細な分析を示します。予備熱処理プロセス, 最終熱処理プロセス, および主要なプロセスパラメータの影響。

I. 予備熱処理プロセスが微細構造と硬さに及ぼす影響

鍛造後、ギア鍛造品は不均一な微細構造（過熱粒、ウィドマンシュテッテン構造、帯状パーライトなど）を形成し、鍛造応力を保持します。欠陥を除去し、その後の加工と最終熱処理の基礎を築くために、予備熱処理（焼ならしまたは焼鈍）が必要です。

1. 焼ならしプロセス

プロセス特性: 鍛造品をAc₃（オーステナイト化臨界温度、約880〜920℃）より30〜50℃高い温度に加熱し、微細構造を完全にオーステナイト化するために十分な時間保持した後、空冷して室温まで冷却します。
微細構造への影響:
焼ならしにおける急速冷却（空冷）は、粒界に沿ったフェライトの網状析出を抑制し、粒を微細化し、微細構造を均一な微細パーライト+少量のフェライト（パーライト層がより微細）に変化させ、鍛造後のウィドマンシュテッテン構造と粗大粒を排除します。
硬さへの影響:
微細パーライトとフェライトの混合構造は適度な硬度を持ち、通常180〜220HBWであり、その後の切削加工の要件（硬度が250HBW未満の場合、被削性は良好）を満たすだけでなく、焼入れなどの最終熱処理のための均一な元の微細構造を提供します。

2. 焼鈍プロセス

プロセス特性: 完全焼鈍（Ac₃より20〜30℃高い温度に加熱し、保持後に炉内で徐冷）または等温焼鈍（加熱後にパーライト変態温度範囲で保持）が一般的に使用されます。
微細構造への影響:
徐冷により十分な炭素拡散が可能になり、より均一なパーライト+フェライト（パーライト層がより厚く、より弥散分布）、鍛造応力と組成偏析を完全に排除します。球状化焼鈍（高炭素領域の場合）では、炭化物を球状化して被削性をさらに向上させることができます。
硬さへの影響:
焼鈍後の微細構造はより柔らかく、通常160〜190HBWの硬度であり、焼ならし後よりも低いです。形状が複雑で切削が難しい鍛造品に適していますが、製造サイクルは長くなります。

II. 最終熱処理プロセスが微細構造と硬さに及ぼす影響

ギアは、「耐摩耗性のための高い表面硬度と、耐衝撃性のための高い心部靭性」の性能要件を満たす必要があります。したがって、最終熱処理は主に浸炭焼入れ+低温焼戻しです。一部の低負荷ギアは、焼入れ焼戻しを採用する場合があります。

1. 浸炭焼入れ+低温焼戻し

これは20CrMoH鋼ギアのコアプロセスであり、「表面炭素含有量を増加させるための浸炭→マルテンサイトを得るための焼入れ→応力を除去するための低温焼戻し」を通じて性能マッチングを実現します。

浸炭段階:
- プロセス特性: 900〜930℃の炭素リッチ雰囲気（炭素ポテンシャル1.0〜1.2％）で保持し、表面炭素含有量を元の約0.2％から0.8〜1.2％に増加させます（心部炭素含有量は約0.2％のままです）。
- 微細構造への影響: 表面に高炭素オーステナイトが形成され、心部に低炭素オーステナイトが形成されます。保持時間が不十分だと、表面炭素濃度が低く不均一になります。温度が高すぎる（>950℃）と、粗大オーステナイト粒（過熱）が発生します。
- 硬さへの影響: 浸炭後に焼入れを行わない場合、高炭素含有量により表面硬度は心部よりもわずかに高くなります（約250〜300HBW）が、実質的な強化はありません。
焼入れ段階:
- プロセス特性: 浸炭後、温度を820〜860℃（オーステナイト化温度）に下げて保持し、油冷（またはオーステンパ）します。20CrMoH鋼の焼入れ性（Mo元素が焼入れ性を向上させる）を利用して、相変態を実現します。
- 微細構造への影響:
  - 表面（高炭素領域）：針状マルテンサイト+残留オーステナイト+少量の炭化物（マルテンサイト板が微細で、高炭素含有量によりマルテンサイト強化効果が顕著）に変化します。
  - 心部（低炭素領域）：ラメラマルテンサイト（または冷却速度によってはベイナイト）に変化し、網状フェライトはありません（十分な焼入れ性のため）。
  - 冷却速度が不十分（油温が高すぎるなど）な場合、表面にパーライトまたはトルースタイト、心部にフェライトが発生し、微細構造が不合格になる可能性があります。
- 硬さへの影響: 焼入れ後、表面硬度は62〜65HRC（高マルテンサイト硬度）に達し、心部硬度は35〜45HRC（低炭素マルテンサイトは優れた靭性を持つ）ですが、大量の焼入れ応力があります。
低温焼戻し段階:
- プロセス特性: 150〜200℃で1〜3時間保持し、焼入れ応力を除去し、微細構造を安定させます。
- 微細構造への影響: 表面マルテンサイトは焼戻しマルテンサイト（針状微細化）に変化し、残留オーステナイトの一部はマルテンサイトに変化し、炭化物がより均一に析出します。心部の低炭素マルテンサイトは焼戻し低炭素マルテンサイト（ラメラがより鮮明）に変化します。
- 硬さへの影響: 表面硬度はわずかに低下して58〜62HRC（高硬度を維持）になり、心部硬度は30〜40HRCに低下します（靭性が向上します）。応力除去後、使用中の変形や割れが回避されます。

2. 焼入れ焼戻し（焼入れ+高温焼戻し）

一部の低負荷ギア（トルク伝達の少ない補助ギアなど）は、強度と靭性のバランスを追求するために、最終熱処理として焼入れ焼戻しを採用する場合があります。

プロセス特性: 860〜880℃で焼入れ（水冷または油冷）し、600〜650℃で高温焼戻しを行います。
微細構造への影響:焼戻しソルバイト（フェライトマトリックスに均一に分布する微細炭化物）を形成し、微細で均一な粒が得られます。
硬さへの影響: 適度な硬度（220〜280HBW）、強度（σb ≥ 800MPa）と靭性（衝撃エネルギー ≥ 60J）のバランスが取れていますが、表面には高硬度層がなく、耐摩耗性が低いです。

III. 主要なプロセスパラメータが微細構造と硬さに及ぼす影響

熱処理プロセスパラメータ（温度、保持時間、冷却速度）は、微細構造と硬度の安定性を直接決定します。一般的な影響は次のとおりです。

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プロセスパラメータ	異常な状態	微細構造への影響	硬さへの影響
加熱温度	過度に高い（例：浸炭の場合>950℃）	粗大オーステナイト粒（過熱）、ウィドマンシュテッテン構造の発生	焼入れ後の表面硬度のわずかな低下、心部硬度の大きな変動

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