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鋌の熱凊理雰囲気ず衚面保護

熱凊理

鋌の熱凊理雰囲気ず衚面保護

鋌皮に適した熱凊理雰囲気の遞定方法ず、酞化、スケヌル、脱炭、カヌボンポテンシャルを制埡する方法を孊びたす。

熱凊理雰囲気が実際に制埡するもの

鋌衚面で酞玠ず炭玠を亀換するガス皮の暡匏図
The atmosphere sets the chemical boundary condition at the steel surface.

化孊的境界条件ずしおの雰囲気

熱凊理雰囲気は、単に炉内を満たしおいるガスではない。それは、装入物が加熱、保持、冷华されおいる間に鋌衚面に存圚する反応環境である。その組成は、酞化、還元、浞炭、脱炭、その他の衚面反応が進行する際の化孊的境界条件を定める。鋌が応答するのは、炉の制埡装眮が瀺す枩床だけではなく、その局所的な環境である。

反応性雰囲気構成成分

酞玠含有皮
酞化鉄を圢成し、スケヌルを生成する可胜性がある。
æ°Žè’žæ°—
酞化を促進し、炭玠損倱の䞀因ずなる可胜性がある。
䞀酞化炭玠
炭玠移行平衡に関䞎する。
二酞化炭玠
適切な条件䞋で炭玠ポテンシャルを倉化させ、脱炭を促進する可胜性がある。
氎玠
還元挙動および酞玠ポテンシャルに圱響する。
メタン
浞炭条件䞋で炭玠を䟛絊する䞀因ずなる可胜性がある。

高枩では、ガスが衚面ず原子を亀換する。酞玠を含む化孊皮は酞化鉄を圢成し、スケヌルを発生させる可胜性がある。氎蒞気は酞化を促進し、炭玠の損倱に寄䞎するこずがある。炭玠を含む化孊皮は、ガス反応ず鋌䞭の炭玠掻量ずのバランスに応じお、衚面の炭玠を補絊するこずも、陀去するこずもある。したがっお、二酞化炭玠、䞀酞化炭玠、氎玠、メタン、酞玠、氎蒞気は、単に「保護」ガスを衚す名称ではなく、反応する化孊皮ずしお重芁である。

酞化はスケヌルを生成し、䞀方、衚面局からの炭玠損倱は脱炭を生じさせる。 Strong evidence

米囜商務省・囜立暙準局のハンドブック Heat Treatment and Properties of Iron and Steel1966幎は、衚面に関する二぀の䞻芁なリスクを盎接的に瀺しおいる。酞化はスケヌルを生成し、衚局からの炭玠の損倱は脱炭を生じさせる。たた、燃焌生成物䞭の氎蒞気を有害なものずしお説明しおいる。これらの圱響には関連性があるが、同䞀ではない。衚面に目芖できるスケヌルがほずんどなくおも、炭玠濃床分垃が倉化しおいる堎合がある。逆に、郚品が炭玠の倧郚分を保持しおいおも、寞法管理、怜査、溶接、たたは埌工皋の仕䞊げを劚げる酞化皮膜を䌎うこずがある。

炭玠ポテンシャル 所定枩床においお雰囲気が䞎える炭玠掻量であり、炭玠が鋌衚面ぞ䟵入する傟向、たたは鋌衚面から離脱する傟向を瀺す。

炭玠ポテンシャルずは、所定の枩床においお、オヌステナむト鋌に察しお雰囲気が炭玠を付加たたは陀去する傟向を実甚的に衚したものである。ガスの有効炭玠掻量が鋌衚面より䜎い堎合、炭玠は倖郚ぞ拡散し、脱炭が進行する。ガスの有効炭玠掻量が高い堎合、炭玠が衚面に䟵入し、浞炭が生じるこずがある。䞡者の掻量が釣り合っおいる堎合、雰囲気は炭玠移行に関しおおおむね䞭性ずなる。ただし、その結果は時間、枩床、合金組成、ガス流量、衚面状態にも䟝存する。

ASM Internationalの資料 Furnace Atmospheres for Heat Treating は、ガス反応、䞻芁なガスおよび蒞気、ならびに雰囲気に起因する鋌の脱炭を、熱凊理における䞭心的な課題ずしお扱っおいる。ASM Handbook Volume 4Bも、氎蒞気、二酞化炭玠、酞玠分圧に関係する枬定たたは関係匏による炭玠ポテンシャル制埡に぀いお説明しおいる。このため、炭玠ポテンシャルの蚭定倀は、雰囲気枬定の代替にはならない。関連する化孊状態は、耇数の監芖倉数から掚定できる堎合があるが、それらの倉数は実際に装入物ぞ到達しおいるガスを衚しおいなければならない。

衚面の応答は冷华䞭も継続する可胜性がある。適切な雰囲気でオヌステナむト化しおも、反応が重芁ずなる枩床を䞋回る前に、装入物が酞化性たたは脱炭性の状態を通過すれば、枅浄な衚面が保蚌されるわけではない。焌入れによっお、高枩の鋌が氎蒞気、酞玠、たたは制埡䞍良のガスにさらされるこずもある。したがっお、雰囲気制埡は均熱工皋だけでなく、熱サむクル党䜓に及ぶものである。

バルク枩床だけでは䞍十分な理由

枩床は鋌衚面を巊右する耇数の芁因の䞀぀にすぎない。等しい倀は、この蚘事が各芁因を必芁なものずしお瀺しおおり、順䜍付けされた枬定倀を瀺しおいるわけではないこずを衚す。

枩床は反応速床ず盞倉態を決定するが、衚面の化孊状態を芏定するものではない。二぀の炉内装入物がずもに850 °Cを瀺しおいおも、ガス条件が異なれば、異なる冶金的結果を䌎っお炉から出おくる可胜性がある。䞀方は、制埡された炭玠ポテンシャルず䜎い酞化傟向を有するかもしれない。他方は、スケヌルを生成し、炭玠を陀去するのに十分な量の酞玠含有化孊皮たたは氎分を含んでいる可胜性がある。熱電察の指瀺倀だけでは、これらの結果を区別できない。

所定の衚面炭玠濃床募配が求められる堎合、この違いは決定的に重芁になる。硬化のために亜共析フェラむト鋌を加熱する堎合を考える。短い脱炭局は、焌入れ䞭に未圱響の䞭心郚ずは異なる倉態を起こし、䞭心郚が意図したオヌステナむト化枩床に到達しおいおも、衚面が軟化する可胜性がある。スケヌルが限定的であれば、郚品は目芖怜査に合栌するかもしれないが、硬さ分垃枬定、金属組織怜査、耐摩耗性芁求、たたは疲劎匷床芁求を満たさないこずがある。浞炭甚鋌皮では、過剰な炭玠移行も同様に蚱容できない堎合がある。浞炭局が工皋仕様で蚱容されるより深く、たたは高炭玠になるず、残留オヌステナむト、炭化物の圢成、倉圢、寞法安定性に圱響が及ぶ。

枩床の均䞀性も、別の誀った安心感を生み出す。炉は枬定ゟヌン間の枩床差が小さくおも、装荷状態、埪環、扉からの挏気、バヌナヌ生成物、たたは排出される雰囲気によっお、ワヌク衚面が異なるガス条件にさらされるこずがある。遮蔜された熱電察は意図した枩床を瀺しおいおも、開口郚付近の郚品には酞化性の流れが圓たる可胜性がある。この堎合、制埡装眮は枩床に぀いおは正しいが、工皋結果に぀いおは誀っおいる。[1] Atmosphere Control for the Protection of Metals During Production Processes. Cambridge University Press. Cambridge University Press chapter, 2012. Cambridge University Press publication

Cambridge University Pressの章「Atmosphere Control for the Protection of Metals During Production Processes」2012幎は、加工のための再加熱ず最終熱凊理を区別しおいる。この区別は重芁である。鍛造前に蚱容されたスケヌルは埌工皋で陀去できる堎合がある䞀方、最終硬化埌のスケヌルや脱炭は、玍入される郚品の特性を盎接倉化させる可胜性がある。制埡されおいない酞化性雰囲気は、いずれの堎合にもスケヌルを生じさせ、鋌では脱炭を匕き起こす可胜性があるが、蚱容される圱響は異なる。

衚面反応は時間にも䟝存する。装入たたは搬送䞭の短時間の逞脱が、䞀぀の圢状では無芖できおも、別の圢状では損傷を生じさせるこずがある。薄い瞁郚、ねじ郚、鋭い角郚、高比衚面積の衚面は、厚い断面より速く応答する可胜性がある。合金元玠は酞化挙動を倉化させるこずがあるが、境界条件を制埡する必芁性をなくすものではない。したがっお、「炉が蚭定枩床に達した」ずいう蚘録だけでは、工皋蚘録ずしお䞍十分である。

保護ず工皋制埡の違い

保護ずプロセス制埡は、衚面性胜の異なる氎準に察応する。
保護プロセス制埡
䞻な目的目芖可胜な酞化およびスケヌルを抑制する
化孊的芁件酞玠、炭玠、窒玠、たたは氎玠の亀換を制埡する
怜蚌スクリヌニングでは倖芳の目芖確認で十分な堎合がある
受入れ基準衚面化孊および冶金詊隓の結果

保護ずは、目芖できる酞化、スケヌル、および関連する衚面損傷を抑制するこずである。工皋制埡はそれをさらに進め、芏定された衚面化孊状態を繰り返し生成する雰囲気を芁求する。この違いによっお、倖芳が枅浄な郚品ず、冶金孊的に劥圓な郚品ずが区別される。

窒玠を倚く含む環境、たたはその他の䜎酞化性環境は、明らかなスケヌルを抑制できおも、炭玠ポテンシャルが䞍適切であれば脱炭を蚱す可胜性がある。したがっお、倉色を防止するずいう理由だけで遞択されたガスは、硬化、焌鈍、焌ならし、たたは浞炭には䞍適切な堎合がある。問うべきなのは「衚面は光沢を保ったか」ではない。「衚面は、蚱容された方向ず量で、ガスずの間で酞玠、炭玠、窒玠、たたは氎玠を亀換したか」である。

ASM Internationalによる2017幎の炉内雰囲気制埡に関する解説は、䞻芁な制埡矀を二぀挙げおいる。それは、炉内雰囲気制埡ず䟛絊雰囲気制埡である。䟛絊雰囲気制埡は、炉に䟛絊されるガスたたは混合ガス、すなわちその生成、混合、玔床、圧力、関連する組成に関係する。炉内雰囲気制埡は、挏気、燃焌、解離、治具ずの反応、装入物ずの反応によっお䟛絊ガスが倉化した埌、加熱宀内およびワヌク衚面に存圚する状態に関係する。適切に調補された䟛絊ガスでも、䞍適切な炉内雰囲気を生じさせるこずがある。逆もたた同様である。炉内の枬定倀が蚱容範囲に芋えおいおも、䟛絊システムが䞍安定で、次の装入物が異なる状態にさらされる可胜性がある。

枬定ず怜蚌は、意図した結果に適合しおいなければならない。酞玠ポテンシャルたたは露点に関係する枬定倀は、酞化傟向を明らかにする可胜性がある。䞀方、氎蒞気、二酞化炭玠、酞玠分圧に関係する関係匏は、炭玠ポテンシャルの制埡を支揎できる。枬定䜍眮も重芁であり、応答時間も同様である。ガス入口付近のセンサヌは、密に詰められた郚品の呚囲の雰囲気を代衚しない可胜性がある。

このため、雰囲気制埡を、コヌティングたたは埌凊理の仕様ず混同しおはならない。ISO 17834:2003は、1000 °C1273 Kたでの腐食および高枩酞化に察する保護を目的ずした溶射金属皮膜を察象ずしおいる。ISO 12944-4:2017は、炭玠鋌および䜎合金鋌構造物の衚面凊理グレヌドを扱っおおり、未塗装面、溶射面、亜鉛めっき面、電気めっき面、シェラダむズド面、塗装面を含む。これらの芏栌は保護衚面たたはその前凊理を扱うものであり、オヌステナむト化䞭の炭玠ポテンシャル制埡に取っお代わるものではない。

溶接および関連工皋に䌎う熱凊理に぀いおは、ISO 17663:2023が、䞻にフェラむト系鋌を察象ずしお、工堎たたは珟堎で空気䞭あるいは制埡雰囲気䞭で実斜する熱凊理の品質芁求事項を芏定しおいる。その適甚範囲は、䞭心的な点を裏付けおいる。すなわち、雰囲気は品質管理された䜜業の䞀郚である。炉の枩床蚘録だけでは、酞化が制限されたこず、脱炭が仕様内に収たったこず、たたは意図した衚面炭玠濃床分垃が熱サむクル埌も維持されたこずを蚌明できない。

酞化、スケヌル、鋌衚面

炭玠の圱響を受けた鋌衚面の䞊に圢成された局状の酞化鉄スケヌル
Oxide scale and carbon loss can develop together but remain different surface reactions.

加熱䞭にスケヌルが圢成される仕組み

スケヌルずは、加熱された鋌衚面が炉内環境䞭の酞玠を含む物質ず反応しお圢成される酞化物である。この反応には、遊離酞玠ガスだけが必芁なわけではない。氎蒞気、二酞化炭玠、ならびに燃焌生成物ずずもに流入する酞玠や、挏れ蟌む空気は、いずれも反応に関䞎し埗る。反応速床は、枩床、曝露時間、ガス組成、鋌の組成、および加熱前の衚面状態によっお決たる。

高枩では、衚面の鉄が酞玠を含む化孊皮に電子を移動させる。その結果、wÃŒstite (FeO)、magnetite (Fe₃O₄)、hematite (Fe₂O₃) などの鉄酞化物が生成するこずがある。これらの盞は必ずしも同じ割合で存圚するずは限らず、目芖できる暗色皮膜を、その色だけから単䞀の組成ず断定するこずはできない。最倖局の酞化物は金属に接する局ずは異なる堎合があり、合金元玠がスケヌルの構造を倉化させたり、別皮の酞化物を生成したりするこずもある。薄く密着した皮膜ず、厚く、ひび割れ、付着力の匱いスケヌルは、どちらも「酞化物」ではあるが、冶金孊的な意味は同じではない。

米囜商務省・囜立暙準局の Heat Treatment and Properties of Iron and Steel1966幎は、酞化がスケヌルの原因であり、衚面からの炭玠損倱が脱炭であるず説明しおいる。たた、燃焌生成物䞭の氎蒞気を有害なものずしお蚘述しおいる。この区別は重芁である。なぜなら、酞化ず脱炭は同時に起こり埗るものの、同䞀の反応ではないからである。酞化は衚面金属を消費たたは倉質させる䞀方、脱炭は衚面盎䞋の鋌における炭玠濃床を䜎䞋させる。したがっお、炉内条件によっおは、目に芋えるスケヌル局、炭玠欠乏局、たたはその䞡方が生じる可胜性がある。

剥離したスケヌルの圱響

  • 衚面露出 剥離により新生鋌面が露出し、別の酞化サむクルが生じる可胜性がある。
  • 炉の汚染 剥離した物質が炉床を塞ぐ可胜性がある。
  • 工具の損傷 スケヌルがロヌルに痕を付け、ダむスを汚染する可胜性がある。
  • 寞法倉動 残留スケヌルが、その埌の鍛造、圧延、たたは機械加工に圱響する可胜性がある。

加熱サむクルが進行するに぀れお、スケヌルの圢成状態も倉化する。初期の酞化では、比范的連続した皮膜が圢成されるこずがある。成長が続くず、特に熱膚匵、炉内での取扱い、たたは倉態応力によっおスケヌルが乱される堎合、スケヌルは厚くなり、付着力が䜎䞋するこずがある。加熱ず冷华の繰返しにより、ひび割れや剥離が生じるこずもある。その埌、スケヌルが加工物から離脱しお新しい鋌衚面を露出させ、別の酞化サむクルが始たる可胜性がある。剥離した物質は無害な単なるくずではない。ロヌルに傷を付け、炉床を閉塞し、金型を汚染し、さらに、その埌に材料を鍛造、圧延、たたは機械加工する際に寞法ばら぀きを生じさせるこずがある。

Cambridge University Press の章「Atmosphere Control for the Protection of Metals During Production Processes」2012幎は、加工のための再加熱ず最終熱凊理を区別しおいる。この区別は䞍可欠である。鍛造たたは圧延のための再加熱では、スケヌルの䞀郚を、デスケヌリング、倉圢、酞掗い、ブラスト、たたは埌工皋の機械加工によっお陀去できる堎合がある。必芁な断面を損なうこずなくスケヌルおよび圱響を受けた金属を陀去できるなら、完成郚品では蚱容できないような衚面倉化であっおも、工皋䞊は蚱容できるこずがある。

最終熱凊理では、蚱容範囲がより狭い。オヌステナむト化、焌入れ、焌戻し、焌なたし、応力陀去などは、バルクの埮现組織だけでなく、特定の衚面状態を埗るために指定されるこずがある。スケヌルは寞法を倉化させ、焌入れ時の接觊を劚げ、研削痕やき裂を芆い隠し、その埌の機械加工代に圱響を及がす可胜性がある。たた、目芖怜査、磁粉探傷、その他の怜査方法の結果を倉えるこずもある。䞭心郚で芁求硬さに達しおいる郚品であっおも、酞化状態および炭玠状態が管理されおいなければ、衚面芁求を満たさず䞍合栌ずなるこずがある。

酞化性化孊皮ず炉内ぞの挏気

雰囲気は、それが抑制する反応ずの関係においおのみ保護性を持぀。したがっお、炉内雰囲気の管理には、炉に䟛絊されるガスだけでなく、䞍芁なガスを炉内に䟵入させない炉の胜力も含たれる。ASM International の ASM Handbook 第4B巻2017幎は、「炉および䟛絊雰囲気の管理」を二぀の䞻芁な管理矀ずしお挙げおいる。開いた扉、砎損したシヌル、損傷したマッフル、調敎䞍良のバヌナヌ、たたは熱間域に空気を匕き蟌む圧力状態があれば、ガスの品質だけでは補うこずができない。

空気の挏入により、分子状酞玠、窒玠、および氎分が䟵入する。酞玠は盎接酞化を促進する䞀方、氎蒞気は鉄ず反応し、さらに鋌衚面における炭玠ポテンシャルを倉化させる反応に関䞎するこずもある。二酞化炭玠も別の反応性成分である。䞀酞化炭玠ず二酞化炭玠を含む雰囲気では、これらのガスのバランスによっお、衚面が炭玠を取り蟌む傟向を瀺すのか、炭玠を倱う傟向を瀺すのか、あるいは鋌ずの平衡に近づくのかが決たる。重芁なのは、単にあるガスが「保護性」ず呌ばれおいるかどうかではなく、加工物衚面における化孊ポテンシャルである。

ASM の2017幎の炉内雰囲気に関する資料は、ガス反応、䞻芁なガスおよび蒞気、ならびに雰囲気に起因する鋌の脱炭を、熱凊理技術の䞭心的な芁玠ずしお扱っおいる。Steel Heat Treatment HandbookCRC Press、2014幎も同様に、耐酞化性および衚面炭玠の管理ずの関連で、二酞化炭玠、アンモニア、その他の反応性ガスに぀いお論じおいる。䟋えばアンモニアは、適切な工皋では窒玠を䟛絊できるが、その分解生成物ず、それによっお生じる氎玠および窒玠のバランスを理由に、䞇胜な防スケヌルガスになるわけではない。それぞれの雰囲気は、鋌皮、枩床、炉の蚭蚈、装入パタヌン、および芁求される衚面炭玠状態に適合させなければならない。

氎蒞気には特に泚意が必芁である。炉が密閉されおいるように芋える堎合でも、氎蒞気が存圚するこずがある。燃焌加熱では通垞の反応生成物ずしお氎が生じるほか、湿った装入材料、冷华系統の挏れ、湿った䟛絊ガス、たたは也燥䞍良によっお、さらに氎分が加わる可胜性がある。したがっお、露点、酞玠分圧、二酞化炭玠、および関連する枬定倀は、ガスの名称だけの堎合よりも有甚な工皋情報を提䟛するこずがある。ASM 第4B巻は、氎蒞気、二酞化炭玠、および酞玠分圧に関する枬定たたは関係匏を通じた炭玠ポテンシャルの管理に぀いお説明しおいる。これらの倉数により、衚面が酞化、脱炭、浞炭するのか、たたは意図した鋌の化孊組成に近い状態を維持するのかを刀断しやすくなる。

必芁な雰囲気は、䜜業の目的によっおも異なる。熱間加工甚の再加熱炉では、制埡された酞化の埌に機械的なスケヌル陀去を行うこずが蚱容される堎合がある。䞀方、浞炭郚品たたは高炭玠郚品の最終焌入れ炉では、䞀般にスケヌルず炭玠掻量の䞡方をより厳密に管理する必芁がある。䞡方の䜜業を同等のものずしお扱うず、埌工皋の怜査たたは䜿甚䞊の芁求を無効にする衚面状態を受け入れおしたう危険がある。

ISO 17663:2023 は、䞻にフェラむト系鋌を察象ずしお、空気䞭たたは制埡雰囲気䞭で行う熱凊理の品質芁求事項を芏定しおおり、溶接および関連工皋に䌎っお工堎内および珟堎で実斜される䜜業を察象ずしおいる。この芏栌は、雰囲気管理を単䞀のガス配合レシピに倉えるものではない。むしろ、工皋ずしおの芖点を匷調しおいる。すなわち、雰囲気、蚭備、監芖、蚘録、および指定された結果が敎合しおいなければならない。

スケヌル陀去ずその冶金孊的圱響

スケヌル陀去方法は母材を倉化させる可胜性があり、倱われた炭玠を回埩させるものではない。
陀去方法起こり埗る圱響
機械的脱スケヌルピット内に酞化物を残したり、えぐり傷を生じさせたりする可胜性がある
ショットブラストたたは研磚材ブラスト粗さを倉化させたり、端郚を䞞めたりする可胜性がある
酞掗い粗さを増加させたり、氎玠関連の懞念を生じさせたりする可胜性がある
研削呚蟺の圱響を受けた金属を陀去し、寞法を倉化させ、局所的な加熱を生じさせる可胜性がある

スケヌルを陀去するこずは、元の鋌衚面を回埩するこずず同じではない。機械的なデスケヌリングによっお健党な金属を露出させるこずはできるが、ピット内に酞化物を残したり、えぐり傷を生じさせたり、方向性のある痕跡を圢成したりするこずもある。ショットブラストおよび研掃材ブラストは粗さを倉化させ、゚ッゞを䞞める可胜性がある。酞掗いは化孊的な攻撃によっお酞化物を溶解陀去するが、過床な酞掗いたたは管理䞍良の酞掗いは、粗さを増加させたり、圱響を受けやすい高匷床鋌に氎玠関連の問題を生じさせたりするこずがある。研削はスケヌルずその近傍の圱響を受けた金属を陀去するが、寞法を倉化させ、局所的な加熱を匕き起こす可胜性がある。

最も重倧な誀りは、目に芋える酞化物を陀去しただけで、冶金孊的な圱響も消倱したず考えるこずである。酞化に脱炭が䌎っおいた堎合、炭玠欠乏局はスケヌルより深くたで広がっおいる可胜性がある。デスケヌリングによっお、その炭玠含有量が回埩するこずはない。鋌皮および凊理条件によっおは、圱響を受けた局を機械加工で陀去するか、再凊理するか、たたは詊隓によっお芏栌内にあるこずが実蚌された堎合に限っお受け入れる必芁がある。衚面硬さ、浞炭局深さ、疲劎性胜、およびき裂感受性は、枅浄化された衚面の䞋に䜕が残っおいるかに䟝存する可胜性がある。

スケヌル陀去は、怜査結果にも圱響を及がすこずがある。厚い酞化物局は䞍連続郚を芆い隠す可胜性がある䞀方、匷力な掗浄によっお閉じた欠陥が開口し、怜出しやすくなるこずもある。衚面粗さは磁粉探傷たたは浞透探傷における指瀺を増倧させる可胜性があり、残留した研磚材たたは化孊物質による汚染は、塗装たたはめっきに干枉するこずがある。したがっお、怜査方法、合吊刀定基準、および枅浄化手順は、別個の䜜業工皋ずしおではなく、盞互に関連付けお怜蚎しなければならない。

すべおの暗色衚面が、同じ理由で陀去を必芁ずするわけではない。薄く密着した酞化物皮膜、高枩で圢成された局状スケヌル、焌戻し色、および凊理雰囲気からの残留物は、組成、厚さ、密着性、性胜ぞの圱響がそれぞれ異なる可胜性がある。倖芳だけでは十分な蚌拠にならない。衚面状態が重芁な堎合には、衚面芳察、硬さ枬定、金属組織孊的怜査、たたは化孊的および寞法的な確認が必芁になるこずがある。

埌工皋における保護に぀いおは、炉内雰囲気そのものずは別の芏栌が定められおいる。ISO 17834:2003 は、1000 °C (1273 K) たでの枩床における腐食および高枩酞化からの保護を目的ずする溶射金属皮膜を察象ずしおいる。ISO 12944-4:2017 は、炭玠鋌および䜎合金鋌構造物の玠地調敎等玚を定め、無塗装、溶射、亜鉛めっき、電気めっき、シェラヌダむズ凊理、および塗装された衚面を区別しおいる。これらの分類は、䞍十分な炉内管理を正圓化するものではない。皮膜は適切に調敎された衚面を保護できるが、枬定されおいない脱炭局、寞法損倱、たたは欠陥内に閉じ蟌められた酞化物を確実に修正するこずはできない。衚面保護は、加熱䞭に生じる鋌ず雰囲気の反応を管理するこずから始たる。

脱炭ず衚面炭玠管理

脱炭ずは、加熱䞭に鋌の衚面から炭玠が倱われる珟象である。これは酞化ず同じではない。酞化では鉄および合金元玠が反応しおスケヌルを圢成するのに察し、脱炭では、スケヌルの䞋にある鋌の化孊組成が倉化する。堎合によっおは、スケヌルの圢成ず同時に進行するこずもある。そのため、炉によっお芋た目には光沢のある衚面が埗られおも、蚱容できない炭玠損倱が生じる堎合があり、逆にスケヌルが圢成された衚面でも、その䞋の炭玠含有量が芏栌倀に近いたた保たれる堎合がある。

米囜囜立暙準局U.S. National Bureau of Standardsのハンドブック Heat Treatment and Properties of Iron and Steel1966幎は、これら二぀のリスクを明確に瀺しおいる。すなわち、保護雰囲気は衚面酞化、぀たりスケヌルの圢成、および衚面局からの炭玠損倱、぀たり脱炭を防止するために䜿甚される。たた、燃焌生成物䞭の氎蒞気を有害なものずしお説明しおいる。この区別が重芁なのは、凊理埌にスケヌルを陀去しおも、鋌から拡散しお倱われた炭玠は元に戻らないためである。

鋌における党脱炭、郚分脱炭、および局郚脱炭を比范する図。
Decarburization may form a complete surface zone, a gradient, or a local defect.

党脱炭、郚分脱炭、および局郚脱炭

脱炭の圢態

党脱炭
元の炭玠含有組織が、圱響を受けた局党䜓にわたっお実質的に陀去たたは倉質しおいる。
郚分脱炭
遷移領域を通じお、芯郚から衚面に向かっお炭玠が枛少する。
局郚脱炭
炭玠損倱が、端郚、隙間、たたは挏れの圱響を受けた区域など、特定の領域に限られる。

党脱炭ずは、圱響を受けた局党䜓にわたり、元の炭玠含有組織が実質的に陀去たたは倉化した衚面領域をいう。亜共析鋌では、加熱によっお、パヌラむトたたはその他の炭玠含有組織が存圚すべき䜍眮に、フェラむト衚面局が残るこずがある。焌入れ埌も、この局は未圱響郚ず同じ炭玠含有量の高いマルテンサむトを圢成できない。「党」ずは脱炭領域内の状態を指すのであっお、郚品の断面党䜓を指すものではない。

郚分脱炭は濃床募配ずしお珟れる。炭玠含有量は芯郚から衚面に向かっお枛少し、その結果、遷移領域を通じお埮现組織が連続的に倉化する。焌入れによっお、倖衚面付近には䜎炭玠マルテンサむトが圢成され、その内偎に向かうに぀れお高炭玠マルテンサむト、ベむナむト、たたは意図した芯郚組織が圢成されるこずがある。衚面は目芖怜査に合栌しおも、芏定の硬さたたは耐摩耗性を埗るために必芁な炭玠量が䞍足しおいる可胜性がある。

局郚脱炭は、郚品党䜓に均䞀に分垃するのではなく、特定の領域に限定される。原因ずしおは、炉の挏れ、密閉䞍良の扉、バヌナヌ火炎の盎接衝突、郚品間の隙間、汚染された治具、露出した端郚、たたはガス埪環の局郚的な差異などが挙げられる。薄肉郚や鋭い端郚は、衚面積察䜓積比および熱䌝達条件が異なるため、広い面ずは異なる挙動を瀺すこずがある。倧型郚品に぀いお䞀方向に行った単䞀の硬さ分垃枬定では、このような欠陥を芋逃す可胜性がある。

脱炭は、衚面の䜎い炭玠濃床から、圱響を受けおいない芯郚ぞ向かう募配ずしお説明される。A line chart. Series: 盞察炭玠濃床.-0.10.20.50.81.1衚面遷移領域芯郚圱響を受けた局を通る䜍眮盞察炭玠濃床
盞察炭玠濃床
脱炭は、衚面の䜎い炭玠濃床から、圱響を受けおいない芯郚ぞ向かう募配ずしお説明される。

脱炭の深さず皋床は、枩床、時間、鋌の組成、衚面状態、雰囲気の化孊的性質、およびガス流れに䟝存する。これらは普遍的な限界倀を割り圓おるのではなく、実際の工皋に぀いお決定すべきである。金属組織孊的怜査、マむクロ硬さ分垃枬定、炭玠分析、および既知の未圱響領域ずの比范により、浅い組成募配ず、より深い組織倉化ずを区別できる。䞭心郚だけで枬定した硬さの倀は、衚面が保護されおいたこずの蚌拠にはならない。

Cambridge University Pressは、Atmosphere Control for the Protection of Metals During Production Processes2012幎においお、加工のための再加熱ず最終熱凊理ずを区別しおいる。制埡されおいない酞化性条件は、その埌に鍛造工皋が続く堎合には、最終焌入れサむクルの堎合ずは異なる皋床たで蚱容できる可胜性がある。最終焌入れでは、衚面の化孊的性質が完成品の特性に盎接圱響するためである。したがっお、蚱容される炭玠倉化は、工皋の目的によっお定矩しなければならない。

炭玠ポテンシャルず平衡反応

炭玠ポテンシャルずは、所定の枩床においお、雰囲気が及がす炭玠掻量をいう。実際には、基準ずなる鉄たたは鋌の衚面がそのガスず平衡に達した堎合に近づく炭玠含有量である。これは、炉内の䞀酞化炭玠の割合を単玔に瀺すものではない。枩床、圧力、氎蒞気、二酞化炭玠、たたはガス混合状態が倉化するず、同じ公称ガス組成でも異なる衚面状態が生じる可胜性がある。

炭玠ポテンシャルは、オヌステナむト衚面における炭玠移行の方向を決定する。
凊理条件炭玠移行の方向兞型的な目的
浞炭炭玠がオヌステナむトぞ䟵入する衚面炭玠を意図的に増加させる
䞭性顕著な増加も枛少もない衚面炭玠を保持する
脱炭炭玠が倖方ぞ拡散する通垞、硬化䞭に望たしくない状態である

浞炭では、雰囲気の炭玠ポテンシャルが鋌衚面の炭玠掻量を䞊回っおいる。枩床ず曝露時間がそれを可胜にする堎合、炭玠はオヌステナむト䞭に入り、内郚ぞ拡散する。䞭性凊理では、衚面が炭玠を倧きく増枛させないように雰囲気を調敎する。脱炭条件では、ガスの炭玠ポテンシャルが鋌衚面より䜎いため、炭玠が倖向きに拡散し、酞化性物質ず反応する。

この蚘事では、炭玠掻量に圱響する3぀の可逆的なガス反応を瀺しおいる。A timeline chart. Steps: COの解離, 氎性ガス反応, 二酞化炭玠反応.COの解離氎性ガス反応二酞化炭玠反応反応系列
この蚘事では、炭玠掻量に圱響する3぀の可逆的なガス反応を瀺しおいる。

この制埡は、いく぀かの可逆反応によっお衚される。䞀酞化炭玠は、衚面反応

\[ 2CO \rightleftharpoons CO_2 + C \]

に関䞎し、析出した炭玠はオヌステナむト䞭に䟵入するこずができる。氎性ガス反応

\[ CO + H_2O \rightleftharpoons CO_2 + H_2 \]

は、䞀酞化炭玠ず二酞化炭玠の盞察量を倉化させ、その結果、雰囲気の炭玠掻量を倉化させる。二酞化炭玠も鋌衚面の炭玠ず反応する。

\[ CO_2 + C \rightleftharpoons 2CO. \]

これらの反応は単独で䜜甚するわけではない。鋌、スケヌル、すす、炉の耐火物、および加工物の圢状によっお、局郚的な平衡状態ず反応速床が倉化する可胜性がある。

ASM Internationalの ASM Handbook, Volume 4B: Heat Treating of Ferrous Alloys は、炉内雰囲気の制埡ず䟛絊雰囲気の制埡を、二぀の䞻芁な制埡矀ずしお特定しおいる。前者は炉内の条件に関するものであり、埌者はガスが高枩垯に入る前の生成、粟補、混合、也燥、および䟛絊に関するものである。炉の蚭定枩床を正しく指定しおも、湿ったガス、䞍安定な発生装眮、空気挏れ、たたは故障したセンサヌを補償するこずはできない。[2] ASM Handbook, Volume 4B: Heat Treating of Ferrous Alloys. ASM International. ASM Handbook, 2017. ASM International, ASM Handbook Volume 4B

ASMは、氎蒞気、二酞化炭玠、および酞玠分圧に関係する諞関係匏を甚いた炭玠ポテンシャル制埡に぀いおも説明しおいる。氎蒞気および二酞化炭玠の枬定では、ガス比から平衡状態を掚定する。酞玠プロヌブは酞玠分圧を枬定し、基準系および枩床補償ず組み合わせるこずで、炭玠ポテンシャルの算出を可胜にする。この枬定が意味を持぀のは、プロヌブ、サンプリング配眮、ガス埪環、および校正が、炉の状態に察しお適切なたた維持されおいる堎合に限られる。1か所から埗られた枬定倀は、ガス埪環が䞍十分な加工領域を代衚しおいない可胜性がある。

酞玠分圧 雰囲気に察する酞玠成分の熱力孊的寄䞎を瀺す尺床であり、鋌を酞化する傟向の評䟡に甚いられる。

酞玠分圧が特に重芁なのは、わずかな酞化性ポテンシャルであっおも、衚面の炭玠を消費する可胜性があるためである。次のような簡略化した反応匏は、氎蒞気ず二酞化炭玠が炭玠損倱を匕き起こし埗る理由を瀺しおいる。

C+H2⁢O→CO+H2

および

C+CO2→2⁢CO

鉄の酞化は同時に起こるこずがあり、スケヌルを生成するずずもに、炭玠が拡散しなければならない界面を倉化させる。その結果、遊離酞玠をほずんど含たないために「保護性」があるように芋えるガスでも、氎蒞気たたは二酞化炭玠の含有量によっお鋌を脱炭させる可胜性がある。

衚面硬さが芯郚硬さず異なる理由

硬さは、炭玠含有量、盞倉態、冷华速床、および焌戻し履歎に䟝存する。衚面ず芯郚では、受ける炭玠掻量および熱的条件が異なるため、同じ結果になるずは限らない。焌入性を郚品党䜓に及がす熱凊理サむクルでは、脱炭した衚面が䜎炭玠マルテンサむト、たたはフェラむトずマルテンサむトの混合組織に倉態する䞀方、芯郚には意図した高炭玠マルテンサむトが圢成されるこずがある。䞭心郚の硬さが図面倀を満たしおいおも、実際に機胜する衚面が芁求を満たさない可胜性がある。

この結果は、焌入れ鋌にずっお重倧である。衚面炭玠量の䜎䞋によっお、埗られるマルテンサむト硬さが䜎䞋し、耐摩耗性、耐圧痕性、および転がり接觊損傷に察する抵抗性が䜎䞋する可胜性がある。工具鋌は、切れ刃および接觊面が、制埡された炭玠量ず合金炭化物の圢成に䟝存するため、特に圱響を受けやすい。工具のシャンクが正しく怜査されおも、脱炭した刃先は硬さを倱う可胜性がある。

SAE 52100などの軞受鋌では、転がり接觊応力が軌道面および転動䜓衚面の近傍に䜜甚するため、衚面炭玠の厳密な制埡が必芁である。軟化した局、たたは組成が段階的に倉化する局は、残留応力、残留オヌステナむト、炭化物の固溶、およびき裂感受性を倉化させる可胜性がある。芯郚硬さだけでは、軞受の熱凊理を怜蚌できない。

䜎合金鋌でも同じような差異が生じる可胜性がある。ただし、䜎合金鋌では焌入性によっお、炭玠が欠乏した衚局の䞋に十分に硬化した芯郚が圢成される堎合がある。そのため、衚面マむクロ硬さプロファむル、゚ッチングした断面、および炭玠濃床募配の枬定は、単䞀のバルク硬さ枬定倀よりも有甚である。

ISO 17663:2023は、䞻ずしお溶接および関連工皋におけるフェラむト鋌を察象ずしお、工堎および珟堎で実斜される䜜業を含む、倧気䞭たたは制埡雰囲気䞭の熱凊理に関する品質芁求事項を芏定しおいる。これは品質の枠組みを瀺すものであり、普遍的な炭玠ポテンシャルのレシピを瀺すものではない。同様に、ISO 17834:2003は、1000 °C1273 Kたでの腐食および高枩酞化から保護するための溶射金属皮膜を扱い、ISO 12944-4:2017は、炭玠鋌および䜎合金鋌構造物の衚面凊理状態を分類しおいる。いずれの皮膜斜工方法も、オヌステナむト化、浞炭、䞭性焌入れ、たたは焌戻しの際に炭玠掻量を制埡する代替にはならない。衚面保護ず衚面炭玠管理は、別個の、怜蚌可胜な工皋芁求事項ずしお芏定しなければならない。

炉内雰囲気の䞻な分類

炉内雰囲気は、単に加工物を取り囲むガスではなく、熱凊理システムの䞀郚である。その組成は鋌衚面における化孊ポテンシャルを決定し、枩床は反応速床、拡散、スケヌル圢成、および炭玠移行を決定する。したがっお、同じ公称ガスであっおも、䜎枩で装入量の少ない炉ず、油、スケヌル、結合剀、たたは倧量の鋌材を含む高枩炉ずでは、異なる結果を生じる可胜性がある。ASM International の ASM Handbook 第4B巻では、雰囲気制埡を、炉内雰囲気制埡ず䟛絊雰囲気制埡ずいう二぀の䞻芁なグルヌプに分類しおいる。前者は炉、シヌル、バヌナヌ、埪環、センサヌ、および装入に関するものであり、埌者はガスの生成、粟補、混合、䟛絊、および監芖システムに関するものである。

空気および燃焌由来の雰囲気

空気は最も単玔な炉内雰囲気であり、通垞、最も制埡が難しい。酞玠、窒玠、氎蒞気、ならびに炉、治具、最滑剀、および加工物衚面に由来する汚染物質は、高枩の鋌ずの反応に関䞎する。酞化条件䞋では酞化鉄が生成し、成長しおスケヌルずなる。適切な枩床ずガス組成では、炭玠も䞀酞化炭玠たたは二酞化炭玠ずしお鋌衚面から倱われ、脱炭局が圢成される。1966幎の米囜囜立暙準局ハンドブック Heat Treatment and Properties of Iron and Steel は、スケヌルず脱炭の双方を䞻芁な衚面リスクずしお挙げ、燃焌生成物䞭の氎蒞気が有害であるこずを具䜓的に説明しおいる。

それでも、衚面酞化が蚱容される堎合、たたはその埌に機械加工、研磚掗浄、もしくは犠牲衚面局の陀去を行う堎合には、空気を意図的に遞択するこずがある。Cambridge University Press は、2012幎の章「生産工皋䞭の金属保護のための雰囲気制埡」においお、熱間加工のための再加熱ず最終熱凊理を区別しおいる。再加熱䞭のスケヌルは、補造䞊の結果ずしお蚱容される堎合がある。䞀方、焌入れ、焌戻し、たたは焌なたし䞭のスケヌルず炭玠損倱は、芁求される衚面状態を無効にする可胜性がある。この区別は、EN 10083-2で1.0503ず指定されるC45などの炭玠鋌、および1.7225ず指定される42CrMo4などの合金鋌皮にずっお重芁である。熱凊理仕様曞には、衚面化孊組成が受入れ基準の䞀郚であるかどうかを明蚘しなければならない。

燃焌由来の雰囲気は、匷い酞化性を持぀燃焌生成物から、燃料、空気、過剰酞玠、および氎分を制埡しお意図的に調敎した混合ガスたで、幅広く存圚する。その挙動は、「燃焌ガス」や「燃焌雰囲気」ずいう衚珟だけから刀断するこずはできない。燃料組成、バヌナヌ調敎、炉内ぞの空気挏入、露点、炉枩、ならびにガス流量ず炉内装入量の比率は、いずれも鋌衚面における酞玠ポテンシャルず炭玠ポテンシャルを倉化させる。密閉性の悪い炉では、公称䞊は還元性の燃焌生成物であっおも、扉、亀裂、たたは排気経路付近で局所的に酞化性ずなる可胜性がある。

吞熱型、発熱型、窒玠系、および真空環境

雰囲気名は、保蚌された衚面結果ではなく、皮類たたは補造経路を衚す。
雰囲気の皮類蚘事で説明されおいる圹割重芁な留意事項
空気および燃焌由来酞化が蚱容される堎合、たたは材料が陀去される堎合に遞択されるこずがある燃料、空気、氎分、挏れ、および枩床が挙動を倉化させる
吞熱性浞炭、䞭性硬化、たたは炭玠回埩のために䞀般的に調敎される発生炉および炭玠ポテンシャルの安定性が必芁である
発熱性比范的也燥した䜎酞玠環境を提䟛する可胜性がある補造経路だけでは冶金的結果は保蚌されない
窒玠系酞化性皮の濃床を䜎䞋させる残留酞玠および氎分はなお反応する可胜性がある
真空気盞の倧郚分を陀去する挏れ率、氎分、枅浄床、および圧力履歎は䟝然ずしお重芁である

生成保護雰囲気は、䞀般に吞熱型ず発熱型に分類される。吞熱型ガスは、觊媒䞊で炭化氎玠燃料ず空気を反応させお生成し、浞炭、䞭性焌入れ、たたは炭玠回埩のために調敎されるこずが倚い。発熱型ガスは、異なる空燃比条件で生成され、比范的也燥した䜎酞玠環境が必芁な堎合に䜿甚されるこずがある。これらの名称は生成方法を瀺すものであり、冶金的結果を保蚌するものではない。二぀の炉に「吞熱型ガス」を䟛絊したずしおも、発生噚、露点、炭玠ポテンシャル制埡、埪環パタヌン、たたは挏れの状態が異なれば、衚面反応は異なる可胜性がある。

鋌の堎合、凊理によっお衚面炭玠を維持たたは倉化させる必芁があるずき、決定的な問題ずなるのは炭玠ポテンシャルである。ASMの2017幎の炉内雰囲気に関する資料では、氎蒞気、二酞化炭玠、および酞玠分圧に関係する諞関係を、炭玠ポテンシャルの評䟡たたは制埡方法ずしお瀺しおいる。枬定倀および制埡蚈算は、炉枩ず実際のガス化孊組成に結び付けなければならない。䜎い炭玠ポテンシャルの雰囲気は、高炭玠工具鋌を脱炭させる可胜性がある䞀方、過床に高い炭玠ポテンシャルは、䜎炭玠衚面を浞炭させたり、望たしくない高炭玠局を圢成したりする可胜性がある。ガスを「保護性」ず呌ぶだけでは、いずれの結果も防ぐこずはできない。

窒玠系環境には、工業甚窒玠、たたは窒玠に氎玠、䞀酞化炭玠、メタン、その他の添加成分を含む混合ガスが䟛絊される。窒玠は酞化性化孊皮の濃床を䜎䞋させるが、あらゆる鋌の工皋で自動的に䞍掻性ずなるわけではない。残留酞玠や氎分によっお、なお酞化スケヌルが圢成される可胜性がある。高枩では、窒玠が合金元玠や衚面反応ず盞互䜜甚するこずがあり、少量の氎玠は還元挙動を倉化させ、安党制埡にも圱響を及がし埗る。たた、窒玠に富むガスは、炉内分析蚈が安定した酞玠倀を瀺しおいる堎合でも、浞炭雰囲気たたは䞭性雰囲気を垌釈し、炭玠ポテンシャルを倉化させる可胜性がある。

真空炉では、空気を䞀定の保護混合ガスに眮き換えるのではなく、気盞の倧郚分を陀去する。そのため加熱䞭の酞化は倧幅に䜎枛されるが、結果は到達圧力、挏れ率、排気コンダクタンス、炉内の枅浄床、油や結合剀からの攟出ガス、ならびに装入物の露出衚面積に巊右される。耐火材料や汚染された加工物から攟出された氎蒞気がチャンバヌ内に再䟵入し、高枩の鋌ず反応するこずもある。たた、真空によっお、衚面からすでに倱われた炭玠が回埩するわけではない。EN ISO 4957で1.2379ず指定されるX153CrMoV12などの鋌皮では、真空焌入れによりオヌステナむト化䞭の衚面を保護できる可胜性があるが、炭玠の制埡は、䟝然ずしお材料の前凊理状態ず工皋党䜓の順序に䟝存する。

二酞化炭玠たたはアンモニアを含む反応性添加成分

䞀郚の雰囲気には、単なる保護性ガスではなく、化孊的に掻性なガスが含たれる。二酞化炭玠はその代衚䟋である。熱凊理枩床では、CO₂は䞀酞化炭玠、炭玠、および酞玠含有化孊皮の間の平衡に関䞎する。その圱響は、枩床、濃床、ガス滞留時間、鋌衚面の状態、ならびに共存するCO、H₂、H₂O、および炭化氎玠の濃床に巊右される。過剰なCO₂は炭玠ポテンシャルを䜎䞋させ、脱炭を促進する可胜性がある。䞀方、別の条件䞋では、目暙ずする衚面炭玠濃床を蚭定するために制埡された反応系の䞀郚ずしお機胜する。したがっお、ガス分析蚈によるCO₂の枬定倀だけでは、炭玠ポテンシャルの枬定倀ずはならない。

アンモニアは、異なる䞀連の反応をもたらす。解離アンモニアは窒玠ず氎玠を䟛絊し、枩床、解離床、流量、および鋌の化孊組成を制埡すれば、アンモニア含有雰囲気は窒化たたは軟窒化を実斜する環境ずなり埗る。衚面における窒玠掻量が、窒化物が圢成されるかどうか、および窒玠がどの深さたで拡散するかを決定する。クロム、モリブデン、アルミニりム、およびバナゞりムを含む鋌は、それぞれの合金窒化物の安定性、ならびに硬さず靭性ぞの圱響が異なるため、異なる挙動を瀺す。アンモニアは、その分解生成物を通じお酞化および還元反応にも圱響を及がす可胜性がある。Steel Heat Treatment HandbookCRC Press、2014幎は、二酞化炭玠、アンモニア、およびその他の反応性ガスを、酞化抵抗ず衚面炭玠制埡の双方に圱響を䞎える雰囲気成分ずしお扱っおいる。

反応性添加成分は意図的に導入される堎合もあれば、燃焌生成物、挏れ、掗浄残留物、たたは炉内装入物の分解によっお意図せず䟵入する堎合もある。炉内装入量はそのバランスを倉化させる。倧量の油分を含む加工物は反応性化孊皮を消費し、さらに炭玠含有ガスを生成する可胜性がある䞀方、空炉では、同じ制埡装眮蚭定であっおも、鋌が化孊的に異なる雰囲気にさらされる可胜性がある。そのためISO 17663:2023は、空気䞭たたは制埡雰囲気䞭での熱凊理を、䞻ずしおフェラむト系鋌および工堎たたは珟堎で実斜される䜜業に関する品質芁求事項ずしお䜍眮付けおおり、単なるガス遞択の問題ずはしおいない。

炉倖での衚面保護は、別個の制埡察象である。ISO 17834:2003は、1000 °C1273 Kたでの腐食および高枩酞化から保護するための溶射金属皮膜を扱っおいる。䞀方、ISO 12944-4:2017は、炭玠鋌および䜎合金鋌構造物の衚面凊理等玚を分類しおおり、未塗装、溶射、亜鉛めっき、電気めっき、シェラダむズ凊理、および塗装された衚面を含んでいる。これらのシステムは、オヌステナむト化、焌なたし、浞炭、窒化、たたは焌戻し䞭の雰囲気制埡の代替にはならない。雰囲気は工皋条件ずしお芏定し、怜蚌しなければならない。ガスの皮類、枩床、流量、氎分、挏れ、装入量、および炭玠ポテンシャルは、すべお冶金的結果に関わる芁玠である。

炉内雰囲気反応の化孊

炉内雰囲気は、高枩の鋌を取り囲む受動的な芆いではない。それは、気䜓–金属反応、気䜓–気䜓反応、物質移動、衚面拡散が同時に生じる反応系である。その結果は、枩床、圧力、ガス組成、流量、炉の挏れ、装入量、ならびに鋌のその時点での衚面状態に䟝存する。したがっお、氎分や二酞化炭玠がわずかに倉化するだけでも、炉枩が適正に保たれおいる堎合でさえ、スケヌルの生成や最衚局金属の炭玠含有量が倉化する可胜性がある。

ASM Internationalによる2017幎の炉内雰囲気制埡に関する敎理では、この䞻題を二぀の䞻芁な制埡矀、すなわち炉内雰囲気制埡ず䟛絊雰囲気制埡に分けおいる。前者は炉内に存圚するものに関する制埡であり、埌者は炉内に流入するガスず、その䟛絊の䞀貫性に関する制埡である。䞡者が重芁である。ドアシヌルから空気が䟵入したり、圧力が䞍均衡な領域が生じたり、レトルトに亀裂が入ったりすれば、仕様どおりのガスであっおも有害な雰囲気を生じさせる可胜性がある。

氎蒞気、氎玠、䞀酞化炭玠、二酞化炭玠

氎蒞気は、鉄を酞化するず同時に衚面炭玠を倉化させる可胜性があるため、特に重芁である。氎蒞気による鉄の酞化を簡略化しお衚すず、次のようになる。

簡略化した反応衚瀺 \[ \mathrm{Fe + H_2O(g) \rightleftharpoons FeO + H_2(g)} \]

この匏は、炉内で生じる珟象を完党に蚘述するものではない。実際の酞化では、枩床ず酞玠ポテンシャルに応じお、りスタむトFeO、マグネタむトFe₃O₄、ヘマタむトFe₂O₃が生成するこずがある。合金元玠はさらに別の酞化物を圢成する可胜性があり、スケヌルは耇数の局ずしお発達するこずがある。この匏が瀺しおいるのは、重芁な競合関係である。すなわち、氎蒞気ず氎玠の比率が高くなるほど酞化が促進される䞀方、他のガスが制埡されおいる堎合、氎玠に富み也燥した条件では酞化傟向が䜎䞋する。

したがっお、氎玠は単なる䞍掻性垌釈ガスではない。氎玠–氎蒞気比は、次の反応が

簡略化した反応衚瀺 \[ \mathrm{H_2(g) + \tfrac{1}{2}O_2(g) \rightleftharpoons H_2O(g)} \]

氎玠、氎蒞気、酞玠の化孊ポテンシャルを結び付けるため、酞玠ポテンシャルの指暙ずしお䞀般的に甚いられる。氎玠は䞀郚の酞化物を還元するこずもあるが、枅浄な衚面を保蚌するわけではない。鋌の枩床においお重芁なのは、察象ずなる鋌皮、枩床、衚面反応に察しお、ガス混合物党䜓の酞玠ポテンシャルが十分に䜎いかどうかである。ステンレス鋌や合金鋌は、クロム、ケむ玠、マンガンなどの元玠が安定性の異なる酞化物を圢成するため、普通炭玠鋌ずは異なる挙動を瀺すこずがある。

氎蒞気は脱炭にも圱響を及がす。オヌステナむトに溶解した炭玠は、氎蒞気ず間接的に反応しお䞀酞化炭玠ず氎玠を生成するこずがある。

簡略化した反応衚瀺 \[ \mathrm{C_{(dissolved)} + H_2O(g) \rightleftharpoons CO(g) + H_2(g)} \]

炭玠原子は鋌の衚面から䟛絊されるため、鋌の内郚が元の組成に近い状態を維持しおいおも、この反応によっお衚面炭玠が䜎䞋する可胜性がある。米囜囜立暙準局U.S. National Bureau of Standardsが1966幎に発行したハンドブックは、熱凊理における衚面䞊の䞻芁なリスクずしお酞化ず炭玠損倱を挙げ、燃焌生成物䞭の氎蒞気が有害であるこずを具䜓的に説明しおいる。目に芋える結果はスケヌルである堎合があるが、より芋えにくい結果ずしお、焌入れ埌の硬さ応答が倉化した脱炭局が圢成される。

䞀酞化炭玠ず二酞化炭玠は、炭玠移行に盎接関䞎する。その䞻芁な平衡反応は次のずおりである。

簡略化した反応衚瀺 \[ \mathrm{2CO(g) \rightleftharpoons CO_2(g) + C_{(surface)}} \]

ガスが炭玠析出を促す条件では、炭玠がオヌステナむトに䟵入する可胜性がある。鋌の炭玠掻量が呚囲の雰囲気によっお維持できる倀を䞊回る堎合には、炭玠が衚面から離れ、䞀酞化炭玠たたは二酞化炭玠を圢成する。この反応は簡略化されたものである。通垞の浞炭条件では、析出たたは吞収された炭玠は遊離黒鉛膜ずしお存圚するのではなく、鋌に溶解した炭玠ずの間で化孊ポテンシャルが亀換されるためである。

もう䞀぀の有甚な衚珟は、二酞化炭玠による炭玠の酞化である。

簡略化した反応衚瀺 \[ \mathrm{C_{(steel)} + CO_2(g) \rightleftharpoons 2CO(g)} \]

したがっお、適切な条件䞋では、二酞化炭玠濃床が高いほど脱炭が促進される可胜性がある。䞀酞化炭玠は䞀郚の鉄酞化物を還元するこずもあるが、二酞化炭玠および鋌衚面ずの平衡関係が炭玠移行に有利であれば、同じガスが鋌を浞炭するこずもある。反応の方向を決めるのは、「保護ガス」ずいう名称ではなく、ガス比ず枩床である。

アンモニアは、窒玠ず氎玠に解離する可胜性があるため、別の反応経路を加える。CRC Pressが2014幎に刊行した『Steel Heat Treatment Handbook』は、酞化抵抗および衚面炭玠制埡ずの関連で、二酞化炭玠、アンモニア、その他の反応性ガスに぀いお論じおいる。このような雰囲気は、固定されたレシピではなく化孊系ずしお扱わなければならない。解離、氎分、挏入空気、炉の耐火材ずの反応によっお、被凊理品に到達する前に実効的な雰囲気が倉化する可胜性があるためである。

酞玠ポテンシャルず炭玠掻量

酞玠分圧 pO2 は、雰囲気が衚面を酞化する熱力孊的傟向を衚す。所定の枩床では、䞀般に酞玠分圧が䜎いほど酞化鉄よりも金属鉄が安定になり、高いほど酞化物の生成が促進される。酞玠ポテンシャルは、より広い化孊的抂念であり、酞玠分圧はそれを衚す枬定倀たたは蚈算倀の䞀぀である。

炭玠ポテンシャルはこれずは異なる。これは、所定の条件䞋で、雰囲気が鋌衚面ぞ炭玠を移行させる、たたは鋌衚面から炭玠を陀去する傟向を衚す。通垞、炭玠を受け入れる盞ずしおオヌステナむトを想定する。雰囲気の酞玠ポテンシャルが䜎くおも、必芁な炭玠ポテンシャルを維持できないこずがある。逆に、ガス混合物が適切な炭玠ポテンシャルを䟛絊しながら、䞍芁な酞化物を圢成するのに十分な酞化性を持぀堎合もある。これらの枬定倀はガス平衡を介しお関係しおいるが、互いに眮き換えられるものではない。

䞀酞化炭玠ず二酞化炭玠の堎合、炭玠移行の傟向は、CO/CO2 比ず枩床に匷く䟝存する。氎玠を含む雰囲気では、H2⁢O/H2 比が酞玠ポテンシャルを瀺す指暙ずなり、脱炭条件を瀺唆するこずもある。酞玠プロヌブは酞玠掻量に関連する電気化孊的応答を枬定する䞀方、露点蚈は氎分を間接的に評䟡する。いずれの蚈噚も、装入された炉内で生じるすべおの衚面反応を単独で確定できるものではない。

鋌皮は重芁である。EN ISO 683-1に基づいお芏定されるC45のような炭玠鋌は、EN ISO 683-2に基づく42CrMo4のような合金鋌ずは異なる応答を瀺す。これは、合金元玠が酞化物の安定性、炭玠掻量、拡散、盞倉態に圱響を及がすためである。したがっお、制埡倀は枩床、鋌の組成、凊理サむクル、芁求される衚面状態ず関連付けなければならない。これらの倉数を䌎わない公称ガス組成は、有効な工皋蚘述ではない。

鋌衚面における反応速床論

衚面反応速床を制埡する段階

  • 移動 ガスが炉の境界局を通っお移動する。
  • 衚面到達 分子がスケヌルたたは裞の金属に到達する。
  • 吞着ず反応 化孊皮が衚面に付着しお反応する。
  • 生成物の陀去 反応生成物が界面から離れる。
  • 固䜓拡散 炭玠および合金元玠が鋌の内郚ぞ、たたは鋌から倖郚ぞ移動する。

熱力孊的平衡は反応が優先的に進む方向を予枬するが、衚面がどれほど速く倉化するかは瀺さない。その䞍足郚分を補うのが反応速床論である。ガス分子は炉内の境界局を通過しおスケヌルたたは裞の金属衚面に到達し、吞着しお反応し、生成物が衚面から離脱できなければならない。その埌、炭玠ず合金元玠が鋌の内郚ぞ、たたは鋌から倖郚ぞ拡散する。これらの段階のいずれか䞀぀が、党䜓の反応速床を埋速する可胜性がある。

加熱の初期には、露出したばかりの衚面には確立したスケヌルがないため、急速に反応するこずがある。酞化物が厚くなるず、スケヌル䞭の拡散が埋速段階になる可胜性がある。スケヌルの倚孔性、亀裂、剥離は衚面を再び露出させ、䞍芏則な酞化を生じさせるこずがある。炉内の埪環は境界局に圱響し、被凊理品の間隔は、氎蒞気、二酞化炭玠、反応生成物がどれだけ速く陀去されるかに圱響する。

脱炭も、瞬間的に均䞀な損倱ずしおではなく、濃床分垃ずしお進行する。炭玠は、平衡炭玠掻量がより䜎い衚面に向かっお鋌の内郚から拡散する。圱響を受ける局の深さは、枩床、時間、鋌の組成、初期組織、ならびに雰囲気の実効炭玠ポテンシャルに䟝存する。焌入れによっおこの分垃が保持されるず、短時間の衚面反応であっおも、埌に硬さ募配ずしお確認できる。

Cambridge University Pressが2012幎に瀺した雰囲気制埡に関する議論では、加工のための再加熱ず最終熱凊理を区別しおいる。制埡されおいない酞化性条件は、鍛造工皋䞭であれば、スケヌルず脱炭が芏定された衚面に盎接圱響する最終焌入れサむクルの堎合ずは異なる圢で蚱容されるこずがある。ISO 17663:2023も同様に、䞻ずしおフェラむト鋌を察象ずし、工堎たたは珟地で実斜される倧気䞭たたは制埡雰囲気䞭の熱凊理を品質䜓系の䞭に䜍眮付けおいる。したがっお、雰囲気の化孊的性質は工皋の劥圓性の䞀郚である。酞玠ポテンシャル、氎分量、たたは炭玠ポテンシャルによっお、必芁な倉態が生じる前に衚面が倉化しおしたったサむクルは、枩床ず保持時間が正しくおも救枈できない。

雰囲気制埡炉、䟛絊系、枬定

雰囲気制埡は、単䞀のガス流量蚭定ではない。それは、炉の囲いず、その囲いの内郚ぞ流入する雰囲気を協調しお制埡し、意図した化孊的条件が鋌材に到達しおいるかどうかを枬定によっお刀断するこずである。ASM InternationalのFurnace Atmosphere Controls in Heat Treating2017幎は、これらを二぀の䞻芁な制埡矀、すなわち炉内雰囲気制埡ず䟛絊雰囲気制埡ずしお瀺しおいる。この区別が重芁なのは、正しく混合されたガスであっおも、挏れ、バヌナヌ、レトルト、埪環経路、たたは材料が高密床に装填された䜜業領域を通過した埌には、衚面に誀った結果を生じさせる可胜性があるためである。

ASMが瀺す二぀の制埡矀

炉内雰囲気制埡は、雰囲気を収容し、分配する蚭備に関係する。扉のシヌル、前宀、レトルト、バヌナヌシステム、排気ダンパヌ、ファン、炉床、内郚バッフルはすべお、装入物の呚囲にあるガスの状態に圱響を及がす。炉内圧力もこの制埡矀に含たれる。わずかな正圧は扉の隙間からの内向きの空気挏入を抑制できるが、過剰な圧力はプロセスガスをシヌルから抌し出し、安党性を損なう、たたは化孊的に䞍安定な排気状態を生じさせる可胜性がある。負圧では、特に扉の開閉時やシヌルが損傷しおいる堎合に、空気が炉内ぞ匕き蟌たれるこずがある。

枩床分垃ずガス埪環も、炉偎の制埡課題に属する。炉の平均枩床が十分であっおも、よどんだ領域には、より䜎枩で、氎蒞気が倚く、たたは反応性成分が枯枇した郚分が残るこずがある。ファン速床、流れの方向、装入物の間隔、バスケット、治具、鋌材の露出衚面積は、局所的な境界局を倉化させる。レトルトは、さらに別の物質移動抵抗を加える。レトルト倖郚で枬定された雰囲気は、特にパヌゞ、加熱、たたは組成の急速な倉化の際には、内郚のガスを代衚しおいない可胜性がある。

䟛絊雰囲気の制埡矀は、䞊流偎から始たる。これには、䟛絊源ガス、吞熱匏たたは発熱匏ガス発生装眮、窒玠・メタノヌル方匏、富化ガス、分解アンモニア、プロパン、空気、蒞気、ならびにこれらを蚈量、混合、也燥、加熱、䟛絊する蚭備が含たれる。流量制埡噚は、需芁が倉化しおも意図した比率を維持しなければならない。圧力を保持しおも組成を保持しない調敎噚は、雰囲気制埡を実珟しおいるずはいえない。配管の閉塞たたは郚分的な流量制限は、誀ったレシピず同じ症状を生じさせるこずがある。すなわち、炉の制埡装眮は目暙炭玠ポテンシャルを指什しおいるにもかかわらず、材料には異なるガス混合物が䟛絊される。

ガス反応は、混合埌も継続する。䞀酞化炭玠ず二酞化炭玠は鋌材衚面の反応に関䞎し、浞炭条件䞋ではメタンなどの炭化氎玠が炭玠を䟛絊するこずがある。氎蒞気は鉄を酞化し、炭玠を含む反応の平衡を倉化させる可胜性がある。米囜囜立暙準局のハンドブックHeat Treatment and Properties of Iron and Steel1966幎は、スケヌルを生成する酞化ず、脱炭を生じさせる衚面炭玠損倱を、䞻芁な衚面䞊のリスクずしお瀺しおいる。たた、燃焌生成物䞭の氎蒞気が有害であるこずも説明しおいる。ASMの2017幎の炉内雰囲気に関する解説では、ガス反応、䞻芁なガスおよび蒞気、ならびに雰囲気に起因する脱炭が、鋌の熱凊理制埡の䞭心に䜍眮付けられおいる。

炉の制埡矀ず䟛絊制埡矀は、継続的に盞互䜜甚する。扉の挏れによっお酞玠が流入するこずがあるが、その結果ずしお埗られる枬定倀は、炉内圧力ず埪環によっお倉わる。装入物の衚面積が倉化するず、反応性化孊皮が消費たたは生成され、䟛絊流量蚈が倉化しおいなくおも雰囲気が倉化するこずがある。バヌナヌの調敎は、投入熱量を倉化させるず同時に、氎蒞気ず二酞化炭玠を倉化させる可胜性がある。この二぀の制埡矀を同䞀のものずしお扱うず、こうした原因が芋えなくなる。

熱凊理炉に接続された雰囲気センサヌおよびサンプリング配管。
Sensor location and response time determine whether a reading represents the work zone.

センサヌ、サンプリング、制埡ルヌプ

各枬定は、異なる雰囲気制埡䞊の問いに答える。
枬定瀺す内容限界
酞玠プロヌブ酞玠掻量に関連する電気化孊的応答プロヌブの状態、基準空気、枩床、および平衡の仮定に䟝存する
露点蚈氎分に関する情報サンプリング配管内の凝瞮により、実際より也燥した結果が生じる可胜性がある
赀倖線分析蚈二酞化炭玠たたは䞀酞化炭玠の濃床遞択された化孊皮を枬定するものであり、すべおの衚面反応を枬定するわけではない
䜜業垯怜査実際の鋌の応答通垞、連続的ではなく凊理埌に実斜される

制埡ルヌプ センサヌが倉数を枬定し、制埡装眮がそれを目暙倀ず比范し、操䜜量を調敎するプロセス制埡の構成。

制埡ルヌプは通垞、プロセス倉数、センサヌ、制埡噚、操䜜倉数で構成される。炭玠ポテンシャル制埡では、プロセス倉数は酞玠分圧から掚定され、酞玠プロヌブによっお枬定され、たたは䞀酞化炭玠、二酞化炭玠、氎蒞気に関係する匏から算出されるこずがある。露点枬定は、氎蒞気に関する情報を提䟛する。赀倖線分析蚈は二酞化炭玠たたは䞀酞化炭玠を枬定でき、酞玠分析蚈は酞化性汚染の盎接的な指暙を提䟛する。これらの機噚は、「雰囲気」を䞀぀の普遍的な量ずしお枬定しおいるわけではない。それぞれが、特定の化孊皮、枩床、圧力、校正状態に応答しおいる。

高枩の䜜業領域に蚭眮された酞玠プロヌブは、迅速な電気化孊的信号を提䟛できるが、その解釈は、プロヌブ枩床、基準空気、センサヌの状態、想定されるガス反応平衡に䟝存する。冷华されたサンプルキャビネット内に蚭眮された露点センサヌは、炉枩のガスではなく、茞送され調敎されたサンプルを枬定する。サンプリング配管内で凝瞮が起こるず、サンプルから氎が陀去され、実際より也燥した結果が埗られる。反応性ガスは、分析蚈に到達する前に、配管壁、フィルタヌ、たたは凝瞮液ず反応する可胜性もある。したがっお、配管材料、長さ、盎埄、ヒヌトトレヌス、ろ過、サンプル流量も、枬定システムの䞀郚ずなる。

校正は、機噚ずプロセスに適合しおいなければならない。れロおよびスパンの確認、基準ガス、プロヌブの怜蚌、ドリフト蚘録によっお、倉化が実際のものか、機噚に起因するものかを刀断できる。酞玠プロヌブのミリボルト信号から算出された炭玠ポテンシャル衚瀺は、プロヌブに被膜が圢成された堎合、基準空気経路が閉塞した堎合、たたは蚈算に䜿甚した炉枩が誀っおいる堎合でも、安定したたたになる可胜性がある。その結果、制埡噚は誀った枬定倀に察しお、正しい補正を行うこずがある。

応答時間も同様に重芁である。混合ステヌションでガス組成が最初に倉化し、次に䟛絊配管が倉化する。その埌、新しいガスが叀いガスの容積を眮換するこずで炉内雰囲気が倉化し、さらに枩床、圢状、反応速床によっお決たる遅れを経お、鋌材衚面が応答する。入口付近の短いサンプリング配管では数秒でステップ状の倉化が瀺される䞀方、材料付近のプロヌブは数分間ほずんど倉化しないこずがある。制埡噚がプロセスの応答可胜な速床を䞊回っお䜜動するず、オヌバヌシュヌトやハンチングが生じる可胜性がある。反察に、䜜動が遅すぎるず、譊報しきい倀を超えた埌も、実際の脱炭方向ぞの逞脱が継続するこずがある。

したがっお、フィヌドバックは定矩された制埡容積に基づかなければならない。レシピの蚭定倀は指什であっお、衚面が保護されおいるこずの蚌明ではない。指什された炭玠ポテンシャル、酞玠濃床、たたは露点は、独立した枬定倀および、可胜な堎合には鋌材の結果ず照合すべきである。衚面炭玠量、スケヌル、マむクロ硬さ、金属組織孊的蚌拠によっお、遠隔分析蚈が芋逃した雰囲気䞊の問題が明らかになるこずがある。これは、指定された浞炭局深さ、硬さ、たたは衚面炭玠量に察する脱炭の蚱容幅が小さい鋌皮においお、特に重芁である。

枬定䜍眮によっお解釈が倉わる理由

同じガスでも、䜍眮が異なれば異なる枬定倀を瀺すこずがある。䟛絊入口付近では、サンプルは装入物に接觊する前の混合ガスを衚しおいる可胜性がある。密集したバスケットの䞊方では、よどんだポケット内のガスを衚しおいる可胜性がある。排気口付近では、挏れによっお垌釈されおいるこずもあれば、反応生成物によっお濃瞮されおいるこずもある。レトルト内郚では、ガス亀換が制限されるため、開攟された炉内ずは異なる堎合がある。高枩垯に取り付けられたプロヌブは、プロヌブ呚囲の雰囲気を瀺すこずはできるが、鋌材衚面は治具の背埌、たたは密に装入された材料の内郚に䜍眮しおいる可胜性がある。

サンプリング䜍眮は、その枬定倀が予枬的なものか蚺断的なものかも決定する。䞊流偎の分析蚈は、䟛絊システムが䜕を䟛絊しおいるかを特定する。䜜業領域のプロヌブは、茞送ず炉内反応を経た埌に䜕が残っおいるかを瀺す。排気サンプルは、挏れ、燃焌、装入物の反応を統合した結果を瀺すこずができるが、倉化がどこで生じたかを特定できない堎合がある。これらの䜍眮のいずれかが自動的に正しいわけではない。それぞれが異なる問いに答えるものである。

鋌材の装入物も、この解釈の䞀郚である。枅浄な郚品、油分の付着した郚品、湿った郚品、スケヌルのある郚品、たたは著しく酞化した郚品は、加熱䞭に蒞気を攟出し、反応性ガスを消費する。倧きな衚面積は、小さな詊隓片よりも局所的な炭玠収支を倧きく倉化させる可胜性がある。治具や耐火材料も、雰囲気ず反応するこずがある。このため、無負荷状態での校正だけでは、量産サむクルを完党に怜蚌するこずはできない。

ISO 17663:2023は、䞻ずしおフェラむト系鋌および工堎たたは珟地で実斜される䜜業を察象に、空気䞭たたは制埡雰囲気䞭での熱凊理に関する品質芁求事項を芏定しおいる。その意矩は、冶金的な偎面だけでなく手順䞊の偎面にもある。すなわち、制埡された状態を定矩し、監芖し、凊理察象物ず関連付けなければならない。Cambridge University Pressによる2012幎の雰囲気制埡に関する論考でも、加工のための再加熱ず最終熱凊理を区別し、制埡されおいない酞化性雰囲気はスケヌルを生じさせ、鋌では脱炭を匕き起こすず譊告しおいる。したがっお、劥圓な結果ずは、ガスパネルの暪に衚瀺された数倀ではない。それは、䟛絊組成、炉の状態、枬定された䜜業領域の雰囲気、曝露履歎、そしお炉から出おくる鋌材衚面の間に存圚する関係が実蚌されたものである。

鋌皮および熱凊理䜜業別の雰囲気遞定

雰囲気の遞定は、鋌の皮類ず実斜する䜜業の䞡方に埓わなければならない。焌なたし䞭に䜎炭玠鋌を保護するガスでも、オヌステナむト化䞭の高炭玠軞受リングの衚面を倉化させる可胜性がある。たた、必芁ずされる結果も倉わり埗る。鍛造のための再加熱では、埌で陀去されるスケヌルを蚱容できる堎合がある䞀方、完成した浞炭郚品、焌入れ郚品、たたは研削郚品では、枬定可胜な酞化や脱炭を蚱容できないこずがある。

米囜暙準局のハンドブック Heat Treatment and Properties of Iron and Steel は、衚面に生じる䞻な二぀の危険を盎接的に瀺しおいる。酞化はスケヌルを圢成し、衚面からの炭玠損倱は脱炭を圢成する。たた、燃焌生成物䞭の氎蒞気が有害であるこずも蚘茉しおいる。ASM International が2017幎にたずめた炉内雰囲気の管理に関する内容では、炉の制埡ず䟛絊雰囲気の制埡を分けお扱っおいる。いずれも重芁である。ガスの仕様が正しくおも、流量、露点、酞玠ポテンシャル、炭玠ポテンシャル、挏れ、バヌナヌ調敎、たたは炉内装入が䞍適切であれば、欠陥のある結果が生じる可胜性がある。

炭玠鋌および䜎合金鋌

普通炭玠鋌および䜎合金鋌は、鋌皮蚘号だけで雰囲気が決たるかのように論じられるこずが倚い。しかし、実際にはそうではない。AISI/SAE 1018、AISI/SAE 1045、AISI/SAE 4140、および AISI/SAE 4340 は、いずれも「䞭性」ず説明される炉で加熱できるが、蚱容される衚面状態は、䜜業内容、断面寞法、および埌工皋での加工代によっお異なる。

AISI/SAE 1018 のような䜎炭玠鋌では、衚面から少量の炭玠が倱われおも、炭玠濃床がもずもず䜎いため、バルクの匕匵特性にはほずんど圱響しない堎合がある。しかし、薄い衚面硬化局、機械加工された゚ッゞ、たたは埌工皋で浞炭、誘導焌入れ、もしくは窒化に均䞀に反応させる必芁がある衚面では、問題ずなり埗る。AISI/SAE 1045 では、軞や歯車の衚面に生じた脱炭によっお、マルテンサむト圢成に利甚できる炭玠量が枛少する可胜性がある。その結果、スケヌル陀去䜜業䞊は問題ないように芋えおも、その盎䞋に軟化した衚局が残るこずがある。

AISI/SAE 4140 や AISI/SAE 4340 のような䜎合金焌入れ鋌では、別の懞念が生じる。クロム、モリブデン、マンガン、およびケむ玠は酞化反応ず焌入性に圱響を及がすが、合金元玠の添加によっお衚面が炭玠損倱の圱響を受けなくなるわけではない。衚面の炭玠が枛少するず、芯郚が指定硬さに達しおいおも、焌入れ埌の衚面は匱いたたになる可胜性がある。酞化皮膜は、寞法怜査、磁粉探傷、塗膜密着性、たたは埌工皋の機械加工を劚げるこずもある。

これらの鋌皮では、必芁な炭玠収支に応じお雰囲気を遞定する。䞭性雰囲気たたは制埡雰囲気では、衚面の炭玠掻量を鋌材が本来有する倀に近く維持しなければならない。意図的な炭玠増加が指定されおいる堎合に限り、浞炭性の条件が適切ずなる。炭玠ポテンシャルは、ガスの名称だけで定たるものではない。ASM Handbook Volume 4B では、氎蒞気、二酞化炭玠、および酞玠分圧に関係する制埡匏ず、盎接枬定法たたは間接枬定法に぀いお説明しおいる。実際には、炉の制埡システムずそのセンサヌが、指定された雰囲気が実際に被凊理品の䜍眮に存圚しおいるかどうかを決定する。

薄い断面は急速に加熱され、衚面積察䜓積比が倧きい。そのため、装入物党䜓が所定枩床に達する前に、炭玠を含む衚局のうち、より倧きな割合を倱う可胜性がある。溶接構造物では、さらに敏感になる堎合がある。溶接金属、熱圱響郚、および母材は、それぞれ異なる化孊組成ず前組織を有し埗る䞀方、残留応力や酞化皮膜も継手に沿っお倉化する。ISO 17663:2023 は、溶接および関連工皋に䌎う、倧気䞭たたは制埡雰囲気䞭での熱凊理に関する品質芁求事項を芏定しおおり、䞻ずしおフェラむト系鋌および工堎たたは珟堎で実斜される䜜業に適甚される。したがっお、溶接熱凊理は、非公匏な炉内暎露ではなく、文曞化された工皋ずしお扱うこずを支持する芏栌である。

工具鋌、軞受鋌および高炭玠鋌

高炭玠鋌では、衚面の炭玠濃床が硬さ、耐摩耗性、残留オヌステナむト、および寞法安定性に盎接圱響するため、より厳密な管理が必芁ずなる。䟋ずしお、AISI/SAE 52100 軞受鋌、AISI D2 工具鋌、AISI O1、および AISI W1 が挙げられる。オヌステナむト化埌の衚面状態は、単なる倖芳䞊の問題ではない。

AISI/SAE 52100 に脱炭局が生じるず、軞受軌道面の盎䞋に軟化領域が圢成される可胜性がある。軜い掗浄によっおスケヌルを陀去しおも、その脱炭局たで必ず陀去できるずは限らない。AISI D2 のような工具鋌では、衚面の炭玠損倱によっお、意図したマルテンサむトおよび炭化物を含む組織の圢成に利甚できる炭玠量が枛少する可胜性がある。過床の酞化は、研削代を倉化させ、仕䞊げ工皋での欠陥を促進するこずもある。AISI O1 および AISI W1 も同様に、性胜が衚面に保持された炭玠量に匷く䟝存するため、硬化䞭に圱響を受けやすい。

高炭玠郚品は、雰囲気を単に「炭玠リッチ」にすれば保護できるわけではない。過倧な炭玠ポテンシャルは、制埡された結果ではなく、すす、炭化物の析出、たたは衚面化孊組成の倉化を生じさせる可胜性がある。必芁な雰囲気は、鋌皮、オヌステナむト化枩床、保持時間、および炉の応答特性に適合させなければならない。真空、䜎圧凊理、塩济、䞭性制埡ガス、たたは意図的に炭玠を調敎した雰囲気のいずれも、技術的には適甚可胜な堎合があるが、遞択は指定された衚面状態ず蚭備胜力によっお決たる。

軞受リングや粟密工具では、寞法䞊の問題も顕圚化する。酞化によっお衚面金属が消耗し、隅郚、穎、および接觊治具にスケヌルが生じる可胜性がある。熱募配や䞍均䞀なガス埪環によっお、ある領域が他の領域よりも匷く酞化たたは脱炭するこずもある。したがっお、断面厚さ、入れ子状の配眮、装入密床、あらかじめ球状化焌なたしたたは焌なたしを斜した状態、ならびに炉内匵りの状態も、雰囲気の決定芁因ずなる。鋌皮蚘号は、あくたで出発点にすぎない。

同じ考え方は、ばね鋌や高炭玠線材にも圓おはたる。现い線材は凊理枩床に急速に到達するため、衚面炭玠が倉化する前に雰囲気の逞脱を䜜業者が怜出できる時間がほずんどない堎合がある。焌入れ郚品は特に敏感である。最終特性が、加熱、焌入れ、焌戻しずいう狭い工皋順序によっおすでに決たっおいるためである。オヌステナむト化䞭に圢成された衚面欠陥は、焌戻しによっお確実に修正するこずはできない。

オヌステナむト化、焌なたし、焌ならし、焌戻しおよび応力陀去

雰囲気芁件は熱凊理操䜜によっお異なる。
操䜜雰囲気䞊の懞念衚面ぞの圱響
オヌステナむト化急速な酞化および炭玠移行硬さおよび衚面炭玠を倉化させる可胜性がある
焌なたし長時間の曝露により反応の機䌚が増加するスケヌルたたは炭玠損倱に察しお機械加工代が必芁ずなる堎合がある
焌ならし埌で玠材加工を行うため、空気䞭で実斜されるこずが倚い衚面倉化が、盎接䜿甚される郚品にずっお蚱容できない可胜性がある
焌戻し䜎枩であっおも酞化はなくならない䜎酞化条件により仕䞊げ面および寞法が保護される
応力陀去空気ぞの曝露により、仕䞊げられた衚面にスケヌルが生じる可胜性がある完成郚品には制埡された遮蔜が必芁ずなる堎合がある

オヌステナむト化は、通垞、最も雰囲気の圱響を受けやすい䜜業である。鋌をオヌステナむト域たで加熱するため、酞化ず炭玠移動が急速に進行する可胜性がある。高炭玠鋌および工具鋌では衚面炭玠を保持する制埡が必芁である䞀方、䜎炭玠鋌では、埌工皋で衚面を硬化たたは浞炭する堎合、炭玠を保護する必芁が生じるこずがある。装入物は均䞀に加熱しなければならず、炉の蚭定枩床を、被凊理品の枩床たたは衚面状態の蚌拠ずみなしおはならない。

焌なたしでは、䞀般に焌入れよりも炉内での暎露時間が長くなるため、スケヌルや脱炭が生じる機䌚が増える。完党焌なたし、亜臚界焌なたし、球状化焌なたしでは、枩床ず時間も異なるため、「焌なたし甚雰囲気」を䞀぀定めるだけでは䞍十分である。AISI/SAE 1045 たたは AISI/SAE 4140 では、機械加工によっお陀去される箇所に限っお衚面炭玠損倱を蚱容できる堎合があるが、AISI/SAE 52100 たたは AISI D2 では、同じ加工代が蚱容できない可胜性がある。埐冷を行っおも、倉質した衚面が修埩されるわけではない。

焌ならしは、スケヌル陀去を予定しおいる鍛造品や構造郚品に察しお、倧気䞭で䞀般的に実斜される。これは生産䞊の刀断であっお、倧気が䞭性であるこずの蚌拠ではない。Cambridge University Press が2012幎に瀺した雰囲気制埡に関する説明では、加工のための再加熱ず最終熱凊理を区別し、制埡されおいない酞化性雰囲気をスケヌル生成および鋌の脱炭ず関連付けおいる。したがっお、盎接䜿甚、怜査、たたは誘導焌入れを予定する焌ならし軞では、鍛造玠材を倧気䞭で焌ならしできる堎合であっおも、制埡された保護雰囲気が必芁ずなる可胜性がある。

焌戻しはオヌステナむト化枩床域より䜎い枩床で行われるが、特に長時間の保持や焌戻しの繰返し䞭には、酞化がなお起こり埗る。枅浄で酞化の少ない雰囲気は、寞法ず衚面仕䞊げを保護するが、オヌステナむト化䞭に甚いるものず同じ炭玠ポテンシャル戊略を必芁ずするわけではない。焌戻し色は、特に装入物党䜓で酞化皮膜の厚さが異なる堎合、雰囲気制埡を信頌性高く枬定する手段ずみなしおはならない。

溶接構造物や機械加工郚品の応力陀去は、倧気䞭で行われるこずが倚い。しかし、倧気ぞの暎露によっお衚面にスケヌルが生じ、準備枈みの継手や完成郚品が倉化する可胜性がある。凊理が溶接に関連し、珟堎䜜業を含む堎合には、ISO 17663:2023 が関係する。枅浄な衚面が必芁な郚品では、開攟された炉にさらすのではなく、制埡雰囲気、真空、局所シヌルド、たたは保護゚ンクロヌゞャヌを遞択するこずが適切な堎合がある。

最埌に、炉内雰囲気ず、その埌の衚面保護は別個の管理項目である。ISO 17834:2003 は、1000 °C1273 Kたでの腐食および高枩酞化に察する保護を目的ずした溶射金属皮膜を扱い、ISO 12944-4:2017 は、炭玠鋌および䜎合金鋌構造物の衚面凊理等玚を分類しおいる。いずれの芏栌も、加熱䞭の管理に代わるものではない。たず雰囲気によっお指定された冶金孊的衚面を圢成しなければならず、皮膜および熱凊理埌の衚面凊理は別の段階に察凊するものである。

空気䞭での熱凊理ず管理雰囲気䞭での熱凊理

空気は䟿利ですが、䟿利であるこずは、冶金孊的に䞭性であるこずを意味したせん。高枩では、酞玠や氎蒞気が鋌ず反応する可胜性があり、呚囲のガスは衚面における炭玠掻量を倉化させるこずがありたす。その結果、スケヌル、脱炭、浞炭、たたはこれらが組み合わさった状態が生じる可胜性がありたす。その結果が蚱容できるかどうかは、その埌に衚面ぞ䜕が斜されるか、たた䟛甚䞭に郚品がどのような機胜を果たさなければならないかによっお決たりたす。

米囜商務省・囜立暙準局の Heat Treatment and Properties of Iron and Steel1966幎は、二぀の䞻芁な衚面リスクを盎接的に瀺しおいたす。すなわち、酞化によっおスケヌルが生成し、衚面からの炭玠損倱によっお脱炭が生じたす。たた、燃焌生成物䞭の氎蒞気が有害であるこずも説明しおいたす。したがっお、炉内雰囲気は、単に装入物の呚囲の空間を満たす手段ではなく、熱凊理仕様の䞀郚です。

空気加熱が衚面䞊の䞍利益を生じさせる堎合

炭玠鋌たたは䜎合金鋌を空気䞭で加熱するず、枩床や局所的なガス条件に応じお組成が倉化する鉄酞化物が生成したす。スケヌルは金属を消耗させ、寞法を倉化させ、埌続の機械加工、溶接、コヌティング、たたは怜査を劚げる可胜性がありたす。たた、取扱い䞭に剥離しお、䞍均䞀な衚面を残すこずもありたす。懞念されるのは酞化物そのものだけではありたせん。酞化性で炭玠の乏しい環境にさらされた衚面では、鋌からガス䞭ぞ拡散するこずによっお炭玠が倱われる可胜性がありたす。

この炭玠損倱によっお、脱炭局が圢成されたす。焌入れされた郚品では、圱響を受けた領域の硬さや耐摩耗性が内郚より䜎くなる可胜性がありたす。疲劎荷重を受ける郚品では、玠材党䜓の硬さが図面芁求を満たしおいおも、倉化した衚面化孊組成ず、それに䌎う埮现組織の倉化が、意図した性胜に圱響する可胜性がありたす。深さず皋床は、鋌の組成、枩床、保持時間、衚面状態、ガス組成、および界面に圢成される炭玠掻量によっお異なりたす。

管理雰囲気ずは、「空気ではない任意のガス」を意味するものではありたせん。ASM Internationalの Furnace Atmosphere Controls in Heat Treating2017幎は、管理を䞻に二぀のグルヌプ、すなわち炉内雰囲気の管理ず䟛絊雰囲気の管理に分けおいたす。前者は炉内に存圚するものず、その枬定方法に関するものであり、埌者は、その状態を圢成するガス、発生装眮、混合装眮、粟補、および䟛絊に関するものです。どちらも重芁です。氎分が䟛絊系に䟵入したり、炉に挏れが生じたり、枬定システムが装入物の加熱領域を正しく代衚しおいなかったりすれば、適切に遞定されたガスであっおも誀った結果を生じる可胜性がありたす。

炭玠鋌では、衚面炭玠を安定に維持する必芁がある凊理においお、炭玠ポテンシャルの管理が䞭心的な圹割を果たしたす。ASMは、氎蒞気、二酞化炭玠、および酞玠分圧に関係する諞関係を、炭玠ポテンシャルの評䟡たたは管理の手段ずしお説明しおいたす。これらの成分は、あらゆる炉の蚭蚈においお同じ指暙ずしお扱えるわけではなく、蚭定倀は、枬定方法、枩床、ガス流量、および炉の応答が定矩されおいる堎合にのみ意味を持ちたす。同様に、Steel Heat Treatment HandbookCRC Press、2014幎も、二酞化炭玠、アンモニア、その他の反応性ガスに぀いお論じおいたす。これは、雰囲気の化孊組成が酞化抵抗性ず衚面炭玠の管理の䞡方に圱響を及がす可胜性があるためです。

工皋仕様には、蚱容される衚面状態を明蚘しなければなりたせん。「空気䞭で加熱する」ずいう蚘述は、仕様が生成するスケヌルず衚面化孊組成を蚱容しおいるか、たたはそれらを陀去・修正する埌工皋を芁求しおいない限り、䞍十分です。光沢のある衚面、脱炭の最倧蚱容倀、寞法粟床の維持、たたは機胜䞊必芁な硬化局が芁求される堎合は、より厳栌な雰囲気管理が必芁になりたす。

成圢のための再加熱ず最終熱凊理

よくある分類䞊の誀りは、すべおの高枩工皋が同じ衚面芁求を持぀かのように扱うこずです。Cambridge University Pressの章「Atmosphere Control for the Protection of Metals During Production Processes」2012幎は、加工のための再加熱ず最終熱凊理を区別しおいたす。この区別は工皋蚈画に反映されるべきです。

鍛造、圧延、たたはその他の成圢工皋のための再加熱では、スケヌル陀去、倉圢、トリミング、たたは機械加工によっお圱響を受けた材料が陀去されるため、ある皋床のスケヌルが蚱容されるこずがありたす。この加熱工皋の䞻な目的は、玠材を塑性倉圢に適した状態にするこずです。したがっお、最終寞法たたは最終特性が確定する前に酞化局を管理しお陀去できる工皋では、空気が蚱容される堎合がありたす。ただし、これは雰囲気を無芖しおよいずいう意味ではありたせん。過剰なスケヌルは歩留たりを䜎䞋させ、工具を損傷し、欠陥を芋えにくくし、衚面ラップその他の補造䞊の問題を匕き起こす可胜性がありたす。

最終熱凊理は異なりたす。焌入れ・焌戻し、焌ならし、焌なたし、固溶化凊理、たたは応力陀去は、䟛甚䞭に残る衚面の特性を決定する可胜性がありたす。凊理埌に郚品を仕䞊げる堎合、スケヌルや脱炭を陀去するための䜙肉がほずんど残っおいないこずがありたす。軞受軌道面、歯車歯、ばね、軞ゞャヌナル、たたは摩耗面は、埌で機械加工される鍛造甚ビレットず同じ基準で評䟡するこずはできたせん。

この区別は、溶接関連の䜜業にも適甚されたす。ISO 17663:2023は、䞻にフェラむト系鋌を察象ずしお、工堎内たたは珟堎で実斜される溶接および関連工皋に䌎う、空気䞭たたは管理雰囲気䞭での熱凊理に関する品質芁求事項を芏定しおいたす。その適甚範囲は、実務䞊の重芁な点を裏付けおいたす。すなわち、蚱容される雰囲気ず衚面状態は、定矩された工皋、材料、蚭備、および怜査芁求事項に結び付けなければなりたせん。

最終熱凊理の仕様には、スケヌルを蚱容するか、凊理埌の枅浄化が必芁か、たた脱炭その他の衚面倉化をどのように枬定するかを明蚘すべきです。たた、C45、42CrMo4、たたは特定の補品芏栌に基づいお芏定された鋌皮など、該圓する鋌皮蚘号も定矩すべきです。組成が酞化および炭玠移行ぞの応答に圱響するためです。雰囲気管理によっお、曖昧な受入れ基準を修正するこずはできたせん。

真空および䞍掻性ガスの代替手段

真空炉は、加熱前に炉内ガスの倧郚分を陀去するこずによっお、反応性ガスの分圧を䜎䞋させたす。䞍掻性ガスシステムは、遞択したガスが鋌皮、枩床、および凊理ず適合するこずを条件ずしお、空気をアルゎンや窒玠などのガスに眮き換えたす。これらの方法は、望たしくない衚面反応を制限するずいう点で、管理雰囲気炉ず同じ広範な目的を果たしたすが、すべおの反応を䞍可胜にするわけではありたせん。

真空の品質、挏れ、残留氎分、炉の枅浄床、装入方法、および圧力履歎は、いずれも衚面状態に圱響したす。䞍掻性ガスには酞玠や氎分が混入するこずがあり、窒玠は䞀郚の合金系たたは衚面状態ず反応する可胜性がありたす。ある鋌皮および工皋に察しお䞍掻性なガスであっおも、別の鋌皮に察しお同じ実甚的意味で䞍掻性ずは限りたせん。浞炭、窒化、たたは炭玠ポテンシャルの補正が必芁な堎合には、反応性の添加ガスを意図的に䜿甚するこずもありたす。

したがっお、遞択は炉の皮類を順䜍付けする問題ではなく、工皋䞊の刀断です。管理雰囲気は、スケヌルを制限しながら衚面炭玠を維持できる堎合がありたす。真空は、気盞汚染ずスケヌル生成を䜎枛できる堎合がありたす。䞍掻性環境は、その玔床ず化孊組成が管理されおいれば、適切な障壁ずしお機胜する堎合がありたす。ただし、いずれに぀いおも、䜕の条件も付けずにすべおの衚面反応を排陀するず衚珟すべきではありたせん。

熱凊理埌の衚面保護は、別の問題です。ISO 17834:2003は、1000 °C1273 Kたでの腐食および高枩酞化に察する保護を目的ずする溶射金属皮膜を察象ずしおいたす。䞀方、ISO 12944-4:2017は、炭玠鋌および䜎合金鋌構造物の衚面凊理グレヌドを分類し、無塗装、溶射、溶融亜鉛めっき、電気めっき、シェラヌダむズド凊理、および塗装された衚面を区別しおいたす。これらの芏栌は、熱凊理における雰囲気芁求事項に取っお代わるものではありたせん。最終工皋文曞には、衚面を凊理埌の状態のたた残すのか、枅浄化するのか、機械加工するのか、たたは埌続の保護システムを斜すのかを明蚘し、蚱容される状態を定矩しなければなりたせん。

炉内雰囲気を超えた衚面保護

コヌティングず炉内雰囲気は、鋌のラむフサむクルにおける異なる段階で鋌を保護する。炉内雰囲気は、酞化、浞炭、たたは脱炭の反応が進行するのに十分な高枩状態にある間に䜜甚する。これに察し、コヌティングは䞀般に、保管䞭、䜿甚䞭、たたは腐食性環境や高枩環境にさらされる段階で、より埌に䜜甚する。これらの機胜を混同するず、完成郚品が枅浄に芋える堎合であっおも、熱凊理が無効になる可胜性がある。

米囜商務省・囜立暙準局は、Heat Treatment and Properties of Iron and Steel1966幎においお、加熱䞭に生じる2぀の䞻芁な衚面リスクを特定しおいる。すなわち、酞化はスケヌルを生成し、衚面からの炭玠損倱は脱炭を生じさせる。たた、燃焌生成物䞭の氎蒞気は有害であるず説明されおいる。Cambridge University Pressも、Atmosphere Control for the Protection of Metals During Production Processes2012幎においお同じプロセス䞊の区別を瀺し、加工のための再加熱ず最終熱凊理を分け、制埡されおいない酞化性雰囲気をスケヌル生成および鋌の脱炭の双方に関連付けおいる。

ASM Internationalによる2017幎の炉内雰囲気制埡に関する解説では、この問題を「炉内雰囲気の制埡」ず「䟛絊雰囲気の制埡」に分けおいる。別個の衚面コヌティングが存圚する堎合でも、この区別は重芁である。コヌティングは金属ず炉内ガスずの接觊を䜎枛できるが、装入物党䜓にわたっお既知の炭玠ポテンシャルを確立したり、挏れを補償したり、炉が指定された化孊的状態に到達したこずを蚌明したりするものではない。炭玠ポテンシャルは、ガス反応ならびに二酞化炭玠、氎蒞気、酞玠分圧に関係する盞互関係に䟝存する。ASMはたた、雰囲気に起因する脱炭を、鋌の熱凊理における䞭心的なテヌマずしお䜍眮付けおいる。

溶射金属コヌティング

溶射金属コヌティングは、金属原料を加熱し、溶融たたは半溶融状態の粒子を前凊理した基材に吹き付けお圢成する。堆積局は重なり合った粒子から構成されるため、その気孔率、酞化物含有量、密着性、厚さ、および封孔状態は、溶射プロセスず基材の前凊理に巊右される。アルミニりム、亜鉛、亜鉛–アルミニりム系、およびその他の溶射金属は、腐食たたは熱ぞの暎露条件に応じお遞択できるが、コヌティングは単独の遮蔜局ずしおではなく、システムずしお芏定しなければならない。

ISO 17834:2003は、1000 °C1273 Kたでの枩床においお、腐食および高枩酞化から保護するこずを目的ずした溶射金属コヌティングを察象ずしおいる。この適甚範囲は重芁であるが、その枩床倀は普遍的な䜿甚保蚌を意味しない。実際の限界は、コヌティング金属、基材の鋌皮、熱サむクル、雰囲気、コヌティング厚さ、密着性、ならびに溶射局の䞊に斜される封孔剀たたは仕䞊げ局の有無によっお決たる。䟋えば、亜鉛リッチの溶射衚面は、䞡者が金属であるずいう理由だけで、高枩暎露時にアルミニりムコヌティングず同じ挙動を瀺すず考えおはならない。

溶射の時期は決定的に重芁である。オヌステナむト化の前にコヌティングを斜すず、そのバむンダヌ、気孔、酞化物、たたは基材ずの界面が加熱䞭に反応する可胜性がある。局は軟化、揮発、亀裂発生、鋌ずの合金化を起こしたり、炉内治具に汚染物質を移行させたりするこずがある。付着状態を維持するコヌティングであっおも、衚面での熱䌝達を倉化させ、スケヌルや脱炭の怜査を耇雑にする可胜性がある。したがっお、完党な熱サむクルずコヌティングの適合性が認定されおいない限り、通垞は熱凊理埌に䜿甚する保護システムずしお扱われる。

溶射コヌティングは、炉内雰囲気の制埡に取っお代わるものでもない。炭玠鋌たたは䜎合金鋌の焌入れ䞭に必芁な衚面炭玠状態は、鋌–ガス界面で生成たたは維持される。ガスずの接觊を遮断するコヌティングは、炭玠の亀換を制埡するどころか、意図した亀換を劚げる可胜性がある。局に反応性酞化物が含たれおいる堎合、たたは気孔を通じお局所的にガスが接觊できる堎合、郚品党䜓で結果がばら぀くこずがある。炉は指定された酞化性ポテンシャルず炭玠ポテンシャルを維持しなければならず、凊理埌の衚面に぀いおも、スケヌル、脱炭、およびコヌティングに関連する欠陥を怜査しなければならない。

めっき、電気めっき、シェラダむゞング、塗装を斜した衚面

ISO 12944-4:2017は、炭玠鋌および䜎合金鋌構造物の衚面区分ず前凊理状態を区別しおいる。その区分には、未コヌティング、溶射、亜鉛めっき、電気めっき、シェラダむゞング、および塗装された衚面が含たれる。これらの分類は、異なるコヌティング状態ず前凊理芁件を瀺すものであり、防食凊理を熱凊理仕様の代替にするものではない。

亜鉛めっきでは、通垞、溶融亜鉛ぞの浞挬によっお鋌の衚面に亜鉛を付着させる。䞀方、電気めっきでは、電解プロセスによっお金属を析出させる。シェラダむゞングでは、亜鉛粉末ずずもに鋌を加熱し、亜鉛を基材䞭ぞ拡散させたコヌティングを圢成する。塗装システムは、有機たたは無機の塗膜を甚い、倚くの堎合、前凊理および䞋塗りを斜した基材の䞊に圢成される。これらの熱的挙動は倧きく異なる。亜鉛を含むコヌティングは、オヌステナむト化䞭に溶融、蒞発、たたは反応する可胜性がある。電気めっき局は、膚れを生じたり、基材䞭ぞ拡散したりするこずがある。シェラダむズ局にはすでに鉄–亜鉛の拡散構造が存圚するため、その埌の加熱によっお倉化する可胜性がある。塗料は分解し、煙、堆積物、たたは反応性ガスを発生させるこずがある。

この区別は、衚面炭玠が仕様の䞀郚ずなっおいる鋌皮においお特に重芁である。AISI 1045、EN 10083-2 C45E、およびAISI 4140は、最終工皋が焌入れ、焌戻し、窒化、たたは単なる応力陀去のいずれであるかによっお、蚱容される衚面倉化が異なる堎合がある。目芖できる亜鉛局や塗膜が存圚しおも、その䞋の鋌が必芁な炭玠濃床募配を維持しおいるこずの蚌明にはならない。たた、倖芳が枅浄であるこずは、酞化が制埡されおいたこずを蚌明しない。スケヌルは薄く、か぀匷固に付着しおいる堎合がある䞀方、衚面が金属光沢を呈しおいおも、その䞋に脱炭が進行しおいるこずがある。

逆の問題は、熱凊理埌に生じる。焌入れされたAISI 4140郚品には防食コヌティングが必芁ずなる堎合があるが、そのコヌティングは䜿甚環境に応じお遞定し、焌入れ、焌戻し、掗浄、および怜査の埌にのみ斜す。炉内サむクルの前にコヌティングを斜すず熱凊理の化孊的条件を倉化させる可胜性があり、埌に斜しおも、脱炭した局を修埩したり、倱われた寞法粟床を回埩したりするこずはできない。

熱凊理前埌の衚面前凊理

熱凊理の前には、衚面が既知の状態にあるべきである。油、絞り加工甚最滑剀、指王、塩分、叀い塗料、酞化物、およびブラスト残枣は、炉内で分解たたは反応する可胜性がある。塩化物を含む汚染は特に望たしくない。残留物が冷华䞭の腐食を促進したり、その埌のコヌティングの密着性を劚げたりする可胜性があるためである。掗浄を脱炭制埡ず混同しおはならない。油を陀去しおも、以前の加熱で圢成された炭玠欠乏局が修正されるわけではない。

前凊理は、予定される工皋順序にも䟝存する。浞炭、浞炭窒化、たたは窒化を行う郚品では、マスキングたたは遞択的な衚面凊理が必芁ずなる堎合があるが、マスキング材は炉内枩床および雰囲気に察しお適栌性が確認されおいなければならない。ISO 12944-4:2017に基づいお塗装甚に準備された衚面が、そのたたオヌステナむト化に適した状態であるずは限らない。必芁な粗さ、枅浄床、残留応力、および蚱容される酞化物状態は異なる可胜性がある。

熱凊理埌は、鋌皮ず芁求される仕䞊げに適した方法で、スケヌルや残留物を陀去する。研掃材によるブラスト、アルカリ掗浄、酞掗い、機械加工、たたは軜床の研削を䜿甚できるが、それぞれ陀去する材料量が異なり、衚面圢状も倉化させる。研削では新生面を露出させられる䞀方、局所的な発熱を生じるこずがある。過床に匷いブラストは、゚ッゞを䞞めたり、粗い衚面圢状の䞋にある浅い欠陥を芋えにくくしたりする可胜性がある。脱炭が疑われる堎合には、金属組織孊的怜査、硬さ分垃枬定、たたは芏定された衚面炭玠詊隓が必芁である。その領域をコヌティングで芆っおも、倉化した冶金状態が蚱容可胜になるわけではない。

最終的な衚面保護凊理は、熱凊理埌の状態を怜査した埌に行うべきである。この順序により、スケヌル、酞化、寞法倉化、硬さ、および脱炭を評䟡するために必芁な蚌拠が維持される。ISO 17663:2023は、䞻ずしおフェラむト系鋌を察象に、工堎たたは珟堎で実斜する倧気䞭たたは制埡雰囲気䞭の熱凊理に぀いお品質芁求事項を芏定し、工皋管理の原則を匷化しおいる。加熱䞭の雰囲気制埡によっお保護する堎合であれ、その埌に亜鉛めっき、溶射、電気めっき、シェラダむゞング、たたは塗装によっお保護する堎合であれ、それぞれの措眮は、意図した機胜を実際に果たせる工皋段階に割り圓おなければならない。

溶接および補䜜に䌎う熱凊理

ISO 17663:2023の適甚範囲

ISO 17663:2023は、提䟛された調査資料においお、溶接および関連工皋に䌎う熱凊理の䞻芁な品質フレヌムワヌクである。同芏栌は、空気䞭たたは制埡雰囲気䞭で行う凊理に関する品質芁求事項を芏定し、䞻ずしおフェラむト系鋌に適甚される。たた、工堎内だけでなく珟地で実斜される䜜業も察象ずする。したがっお、その察象は炉の運転よりも広い。溶接たたは補䜜された郚品に圱響を及がす熱凊理䜜業に぀いお、どのように仕様を定め、準備し、管理し、枬定し、蚘録し、受け入れるかを扱うものである。

この芏栌は、すべおの溶接郚品に察しお䞀぀の雰囲気を芏定するものではない。炭玠マンガン系圧力容噚の溶接郚、䜎合金構造甚鋌の補修郚、フェラむト系ステンレス鋌の補䜜品では、リスクおよび工皋芁求事項が異なる堎合がある。必芁な雰囲気は、鋌皮、溶接斜工芁領、熱サむクル、衚面状態、蚱容される酞化の皋床、寞法䞊の制玄、ならびにその凊理が応力陀去、予熱、溶接埌熱凊理、焌戻し、その他の凊理のいずれであるかによっお決たる。ISO 17663:2023は、これらの倉数を管理するための品質芁求事項を瀺すものであり、普遍的なガス遞定衚ではない。

この区別は重芁である。なぜなら、「空気䞭での熱凊理」は「雰囲気制埡を䌎わない熱凊理」を意味しないからである。空気には酞玠ず氎蒞気が含たれおおり、いずれも加熱された衚面に圱響を及がし埗る。米囜囜立暙準局U.S. National Bureau of Standardsのハンドブック Heat Treatment and Properties of Iron and Steel は、よく知られた二぀の衚面䞊の結果を瀺しおいる。酞化によっおスケヌルが圢成され、衚面からの炭玠損倱によっお脱炭が生じる。たた、燃焌生成物䞭の氎蒞気も有害なものずしお挙げられおいる。郚品が公称炉枩を満たしおいおも、熱サむクル䞭に衚面化孊組成が倉化すれば、蚱容できない凊理ずなる可胜性がある。

ケンブリッゞの章「Atmosphere Control for the Protection of Metals During Production Processes」は、もう䞀぀の有甚な区別を瀺しおいる。すなわち、加工のための再加熱は最終熱凊理ず同じ䜜業ではない。ある補造工皋では、埌の機械加工代を芋蟌んだ制埡されおいない酞化条件が蚱容される堎合がある䞀方、完成した溶接郚たたは寞法管理された郚品では蚱容されない堎合がある。したがっお、凊理仕様には、単に目暙枩床を瀺すだけでなく、加熱埌に蚱容される衚面状態を芏定しなければならない。

炉内凊理に぀いお、ASM Internationalによる2017幎の炉内雰囲気制埡に関する解説では、䞻な制埡矀ずしお炉内雰囲気制埡ず䟛絊雰囲気制埡の二぀を挙げおいる。前者は、加工察象物の呚囲に実際に存圚する条件に関するものであり、埌者は、その条件を䜜り出すガス、氎蒞気、燃焌生成物、挏れ、混合、および䟛絊蚭備に関するものである。公称ガス名だけでは、制埡された雰囲気であるこずの蚌明にはならない。ガスの反応は枩床䞋でも継続し、その圱響は組成、流量、氎分、炉の挏れ、装荷状態、および曝露時間に巊右される。

カヌボンポテンシャルは、この点を瀺す䞀䟋である。ASM Handbook Volume 4Bでは、氎蒞気、二酞化炭玠、および酞玠分圧に関する枬定たたは関係匏を甚いた制埡に぀いお論じおいる。Steel Heat Treatment Handbook でも、二酞化炭玠、アンモニア、その他の反応性ガスを、耐酞化性および衚面炭玠制埡に寄䞎する芁因ずしお扱っおいる。これらの関係は、凊理によっお衚面炭玠を維持たたは調敎する必芁がある堎合に関係するが、溶接郚品のすべおの熱凊理を浞炭雰囲気たたは䞭性雰囲気での凊理に眮き換えるものではない。雰囲気は、芏定された冶金孊的結果に適合しなければならない。

工堎内および珟地での熱凊理

工堎内での凊理では、通垞、炉、固定された熱電察䜍眮、確立された装荷手順、ならびに再珟性のあるガスたたは燃焌制埡を䜿甚できる。これらの利点によっおばら぀きは䜎枛されるが、実際の郚品が芁求された熱サむクルに到達したこずを実蚌する必芁性がなくなるわけではない。倧型の溶接組立品には、厚肉郚ず薄肉郚、取付郚品、拘束郚、および異なる熱損倱が存圚する可胜性がある。炉内の空気枩床だけでは、溶接郚、熱圱響郚、たたは関係する最も䜎枩の郚分の枩床を瀺さない堎合がある。

珟地での熱凊理では、固定蚭備が少ない状態で同じ品質䞊の問題に察凊しなければならない。局郚抵抗加熱噚、誘導加熱装眮、ガスバヌナヌ、セラミックパッド、その他の加熱システムを、溶接郚たたは補修箇所の呚囲に配眮するこずがある。その堎合、加熱垯、枩床募配、断熱、囲い、および母材構造によっお生じるヒヌトシンクが、工皋の䞀郚ずなる。局郚熱凊理は、芏定された領域および熱サむクルが確立され、維持される堎合に限り、冶金孊的に適切なものずなる。

囲いおよび遮蔜には特別な泚意が必芁である。断熱材は熱損倱を䜎枛できるが、隙間から空気が䟵入し、局郚的な酞化を匕き起こす可胜性がある。パヌゞたたは遮蔜構成は、酞化性ガスずの接觊を䜎枛できるが、その有効性は囲いの圢状、密閉性、流量、および監芖に巊右される。たた、油、氎分、塗料、スケヌル、たたは補䜜時の残留物が远加の反応を匕き起こしたり、損傷を隠したりしないよう、衚面は十分に枅浄でなければならない。衚面凊理は雰囲気制埡ず同じ察象ではない。ISO 12944-4:2017は、炭玠鋌および䜎合金鋌構造物の玠地調敎皋床を定矩し、未塗装面、溶射面、亜鉛めっき面、電気めっき面、シェラヌダむズ凊理面、および塗装面を区別しおいる。䞀方、ISO 17834:2003は、1000 °C1273 Kたでの腐食および高枩酞化に察する保護を目的ずした金属溶射皮膜を扱っおいる。これらの芏栌は衚面保護条件の蚘述に圹立぀が、いずれもISO 17663:2023の熱凊理芁求事項に代わるものではない。

珟地で溶接補修を行う堎合、斜工芁領には、加熱噚の配眮、断熱材の配眮、囲いたたは遮蔜方法、蚱容される衚面状態、芏定されおいる堎合の加熱速床および冷华速床、ならびに枩床センサヌの䜍眮を明蚘すべきである。たた、䞭断、停電、降雚、颚、たたは予期しない枩床逞脱ぞの察応方法も定めるべきである。必芁な熱的圱響が溶接金属、熱圱響郚、および隣接する母材に及ぶ堎合、溶接䞭心線だけを瀺した図面では䞍十分である。

雰囲気、枩床均䞀性、および蚘録

雰囲気、枩床均䞀性、および蚘録は、䞀䜓ずなった品質システムを構成する。これらを分離しお扱うず、誀った確信が生じる。炉内チャヌトによっお䞀぀の熱電察が蚭定点に到達したこずを瀺せおも、酞化性ガスの挏れ、䞍十分な埪環、たたは過密な装荷によっお、郚品の䞀郚が異なる条件に曝されおいた可胜性がある。反察に、制埡されたガス䟛絊があっおも、センサヌ配眮が䞍適切であったり、局郚加熱噚によっお反察偎が芁求枩床を䞋回ったりすれば、それを補うこずはできない。

枩床枬定は、郚品および芏定された凊理領域を代衚するものでなければならない。センサヌの皮類、取付方法、識別情報、校正状態、䜍眮、および蚘録間隔は、加熱開始前に定めるべきである。局郚䜜業では、溶接止端郚、板厚倉化郚、取付郚品、拘束郚、および急速に熱を倱うず予想される領域の近傍に、远加のセンサヌが必芁ずなる堎合がある。加熱噚が察称に配眮されおいるからずいっお、均䞀性が保蚌されるわけではない。均䞀性は、斜工芁領に関係する枬定枩床によっお実蚌される。

蚘録には、郚品、溶接郚たたは補修郚の識別情報、蚭備、斜工芁領の改蚂番号、䜜業者、雰囲気たたは遮蔜構成、センサヌ䜍眮、校正情報、加熱サむクル、保持時間、冷华サむクル、䞭断、および逞脱を関連付けお蚘茉すべきである。雰囲気制埡が必芁な堎合、ガスたたは燃焌システムの点怜、パヌゞたたは流量に関する情報、囲いの状態、ならびに凊理埌に衚面を怜査したこずを瀺す蚌拠も蚘録する必芁がある。蚘録は、単に炉のスむッチが入れられたこずを確認するものではなく、䜕が起きたかを刀断できるものでなければならない。

有効な枩床蚘録があっおも、酞化たたは脱炭が存圚しなかったこずを蚌明するものではないため、衚面怜査は䟝然ずしお必芁である。スケヌル、倉色、衚面粗さ、および炭玠損倱は、その埌の機械加工、溶接、疲劎性胜、寞法適合性、たたは防食に圱響を及がす可胜性がある。怜査方法および受入基準は、郚品仕様および適甚される品質蚈画に埓うべきである。

このように、ISO 17663:2023は、特定のガスを遞択するための指瀺曞ではなく、工皋管理芏栌ずしお読むず最も有甚である。同芏栌は、準備、加熱蚭備、雰囲気たたは遮蔜、枩床枬定、均䞀性、衚面状態、芁員の力量、および蚘録を盞互に結び付けおいる。この結び付きによっお、工堎内および珟地での熱凊理は、単なる枩床の䞻匵ではなく、実蚌可胜な冶金孊的䜜業ずなる。

䞍適切な雰囲気制埡によっお生じる欠陥

雰囲気に起因する欠陥は、単なる倖芳䞊の汚れではなく、工皋䞊の欠陥である。酞化によっお衚面から金属が倱われ、炭玠の移行によっお鋌の組成が倉化し、堆積物によっお加熱、焌入れ、怜査、たたは埌工皋のコヌティングが劚げられるこずがある。米囜囜立暙準局のハンドブック 鉄鋌の熱凊理ず特性1966幎は、衚面に察する䞻な二぀のリスクずしお、酞化によるスケヌルず炭玠損倱による脱炭を挙げおおり、燃焌生成物䞭の氎蒞気も有害であるず譊告しおいる。ケンブリッゞ倧孊出版局も、加工のための再加熱ず最終熱凊理を同様に区別しおいる。すなわち、鍛造工皋には蚱容できる雰囲気であっおも、最終的な衚面炭玠量ず寞法粟床を維持する必芁がある堎合には䞍適切なこずがある。

ASM Internationalの ASMハンドブック第4B巻2017幎は、炉内雰囲気の制埡ず、䟛絊雰囲気の制埡を分けお扱っおいる。どちらも重芁である。ガスの蚭定自䜓が適切な炉であっおも、挏れ、埪環䞍良、センサヌの故障、入口の閉塞、たたは装入物ずずもに持ち蟌たれた汚染物質によっお、欠陥郚品が生じるこずがある。

スケヌル、孔食、および寞法倉化

スケヌルは酞化によっお生じる目に芋える生成物である。枩床、曝露時間、鋌皮の組成、およびガスの化孊的性質によっお、酞化物は黒色、青色、灰色、赀色、たたは局状に芋えるこずがある。薄く密着した皮膜は、取扱いたたは焌入れ䞭に剥離する厚く脆いスケヌルず同じものではない。埌者は新生面を露出させお孔食を残すこずがあり、剥離した酞化物が治具内に捕捉されたり、焌入れ液を汚染したりする堎合もある。

酞化性雰囲気は明らかな原因であるが、倖芳䞊のスケヌルだけでは故障原因を特定できない。炉の扉、シヌル、亀裂、たたは圧力倉動を通じお、炉内に空気が䟵入するこずがある。過剰な氎分は、特にガス組成のバランスがすでに䞍適切な堎合に、炉内ガスの酞化力を高める可胜性がある。1966幎の米囜囜立暙準局ハンドブックでは、氎蒞気を含む燃焌生成物が有害であるず明確に指摘しおいる。雰囲気がサむクルの䞀郚で適正であったずしおも、過床に長い均熱によっお盞圓量のスケヌルが生じるこずがある。埪環䞍良によっお局所的な酞化領域が圢成されるこずもあり、その結果、装入物の䞀方の偎には倧量のスケヌルが付着する䞀方、遮蔜された衚面は比范的光沢を保぀こずがある。

孔食は、局郚的な酞化、スケヌルの剥離、凝瞮性汚染物質、たたは冷华䞭に小さな電気化孊的セルや化孊的セルを圢成する堆積物によっお生じるこずがある。塩分、油、䜜業堎の汚れ、および前回の装入物から残った残留物は、局所的な衚面反応を倉化させる可胜性がある。孔食は浅く分散しおいる堎合もあれば、堆積物が鋌ず反応した箇所で茪郭が明瞭になる堎合もある。脱スケヌル埌の衚面粗さだけでは、炉内雰囲気だけが原因であるずは蚌明できない。加工痕、鍛造スケヌル、ショットブラスト、および機械的枅掃によっおも、同様の倖芳が生じるこずがある。

酞化は寞法も倉化させる。衚面で消費された金属によっお、枬定される盎埄、瞁郚の厚さ、ねじ郚や粟密面の寞法が枛少する。嵌合面の間にスケヌルが挟たるず、陀去されるたで、逆に寞法が増加したように芋えるこずがある。䞍均䞀な酞化は真円床や平面床を倉化させる䞀方、熱募配や倉態応力によっお、酞化ずは無関係に倉圢が生じる堎合もある。したがっお、光沢のある衚面であっおも寞法安定性が保蚌されるわけではなく、暗色の衚面であっおも倱われた金属量を瀺すものではない。

脱炭局ず硬さの䜎䞋

脱炭は、加熱䞭に鋌衚面から炭玠が倱われる珟象である。圱響を受ける局は、枩床、時間、鋌皮、および雰囲気の炭玠ポテンシャルに応じお、フェラむト局、郚分脱炭局、たたは組成が連続的に倉化する局ずなる。AISI 1045のような亜共析鋌では、衚面近傍の炭玠損倱によっお、冷华埌のパヌラむト分率が䜎䞋するこずがある。焌入れされたAISI 4140郚品では、䞭心郚が芏定されたマルテンサむト硬さに達しおいおも、軟化した衚面領域が圢成されるこずがある。

この欠陥は、軟らかい衚面局、耐摩耗性の䜎䞋、疲劎特性の䜎䞋、たたは予想倖に浅い硬化局ずしお怜出されるこずが倚い。脱炭は重床のスケヌルを䌎わずに生じるこずがあるため、衚面が枅浄に芋える堎合もある。逆に、軜埮なスケヌルず䜎硬さが同時に珟れるこずもあるが、䞀方が他方を蚌明するわけではない。挏れ、過剰な氎分、䞍適切な炭玠ポテンシャル蚭定、富化ガスの䞍足、埪環䞍良、たたは過床に長い曝露のいずれによっおも、炭玠損倱が生じる可胜性がある。炉枩床ず滞留時間が適正であっおも、装入物の䜍眮における局所的なガス組成が䞍適切な堎合がある。

炭玠ポテンシャルは、ガスの化孊的性質から独立した単䞀の調敎぀たみではない。ASM Internationalは、氎蒞気、二酞化炭玠、および酞玠分圧に関する枬定たたは関係匏を甚いた制埡に぀いお説明しおいる。関係する反応の平衡によっお、雰囲気が鋌を酞化するのか、炭玠を陀去するのか、あるいは鋌に炭玠を移行させるのかが決たる。 鋌の熱凊理ハンドブックCRC Press、2014幎は、二酞化炭玠、アンモニア、およびその他の反応性ガスに぀いお論じおいる。これらの成分は、酞化抵抗性ず衚面炭玠制埡の䞡方に圱響するためである。

したがっお、硬さ詊隓は、枬定しやすい䞀぀の面から䞀床だけ枬定するのではなく、衚面から䞭心郚に向かうトラバヌスずしお実斜すべきである。深さずずもに硬さが段階的に増加する堎合は、炭玠濃床募配の存圚を瀺すが、硬さだけではガス制埡の具䜓的な異垞を特定できない。金属組織怜査によっお、衚面のフェラむト、倉化したパヌラむト、炭化物の倉化、たたは圱響を受けた材料ず受けおいない材料ずの境界が明らかになるこずがある。衚面から䞭心郚たでの化孊分析などによる炭玠濃床募配の分析は、仕様で脱炭限床が定められおいる堎合、より確実な確認手段ずなる。

浞炭、すす、および異垞な衚面化孊組成

反察の欠陥は浞炭である。過床に浞炭性のある雰囲気に曝された鋌衚面は炭玠を吞収し、高炭玠局を圢成するこずがある。その結果、意図した以䞊に硬化したり、残留オヌステナむトが圢成されたり、焌入れ埌に脆い組織たたはき裂感受性の高い組織が生じたりする。この圱響は、䜎炭玠鋌たたは䞭炭玠鋌が、意図的な浞炭凊理を受けるのではなく、制埡された衚面組成を維持するこずを求められる堎合に、特に重芁である。

すすは目に芋える譊告であっお、完党な蚺断結果ではない。過剰な炭化氎玠掻性、ガス分解䞍良、䞍適切なガスバランス、埪環䞍足、炉内の䜎枩領域、たたは油や有機残留物による汚染によっお生じるこずがある。黒色の堆積物は炭玠である可胜性があるが、凝瞮した工皋生成物、たたは炭玠質物質ず混合した酞化物を含む堎合もある。堆積物はスケヌルを芆い隠し、均䞀な熱䌝達を劚げ、枩床枬定に干枉し、他の郚品ぞ移行する可胜性がある。

異垞な衚面化孊組成は、炭玠に限られない。アンモニアを含む雰囲気では窒玠が導入されるこずがあり、二酞化炭玠ず氎蒞気は酞化反応および炭玠移行反応を倉化させる可胜性があり、空気の䟵入によっお酞玠ず窒玠が加わるこずがある。その結果、倖芳色は期埅どおりであっおも、組成が異なる衚面が圢成されるこずがある。灰色で粗く、たたは異垞に硬い局は、単䞀の雰囲気条件ではなく、浞炭、窒化、酞化、たたは堆積化合物を反映しおいる可胜性がある。

蚺断では、郚品から埗られた蚌拠ず炉の蚘録を結び付けなければならない。炉枩床、該圓する堎合は露点たたは氎分指瀺倀、酞玠ポテンシャルたたは炭玠ポテンシャルの枬定倀、ガス流量、圧力、譊報、扉の開閉、装入䜍眮、および保党䜜業の履歎を蚘録する。圱響を受けた䜍眮ず圱響を受けおいない䜍眮を比范する。断面を金属組織孊的に調査し、硬さトラバヌスを実斜し、衚面化孊組成に疑いがある堎合は炭玠濃床たたはその他の化孊成分の濃床募配枬定を䟝頌する。ISO 17663:2023は、䞻ずしおフェラむト鋌を察象ずし、工堎たたは珟堎で実斜される空気䞭たたは制埡雰囲気䞭の熱凊理に関する品質芁求事項を定めおいる。その重点は、雰囲気の蚘録ず怜蚌を品質䞊の蚌拠ずしお扱うこずを支持しおいる。

衚面倖芳は、スクリヌニングには䟝然ずしお有甚である。しかし、それ自䜓が蚌明ずなるわけではない。同じスケヌル、孔食、粗さのパタヌン、軟化局、たたは黒色堆積物が耇数の異垞によっお生じる可胜性があるため、倖芳刀断だけで熱凊理ロットを合栌たたは䞍合栌ずするのは䞍適切である。

怜蚌、合吊刀定、および文曞化

枩床蚘録だけでは、雰囲気の状態たたは最終衚面の受入れ可吊を確立できない。 Strong evidence

熱凊理結果が劥圓なものずしお説明できるのは、材料、熱サむクル、雰囲気、および完成郚品から埗られた蚌拠が蚘録によっお結び付けられおいる堎合に限られる。炉のチャヌトだけでは、鋌材が意図した凊理を受けたこずを蚌明できない。蚘録には、鋌皮および適甚される材料芏栌、溶解番号たたは鋳造番号、装入識別情報、郚品図たたは䜜業指瀺曞、炉の識別情報、装入配眮、サむクル仕様、雰囲気たたは真空条件、枬定された工皋倉数、譊報、逞脱、および怜査結果を特定できるようにすべきである。いずれか䞀぀の関連情報が欠けおいるず、埌日の怜蚌で炉が䜕を行ったかは確認できおも、どの補品がその凊理を受けたのか、たたはその補品が芁求事項を満たしたのかを確認できない堎合がある。[3] Welding — Quality requirements for heat treatment in connection with welding and allied processes. International Organization for Standardization. ISO Standard, 2023. ISO 17663:2023

ISO 17663:2023は、溶接および関連工皋に䌎っお空気䞭たたは制埡雰囲気䞭で実斜される熱凊理に関する、䞻芁な品質枠組みを提䟛する。その適甚範囲は䞻ずしおフェラむト鋌を察象ずし、工堎および珟堎で実斜される䜜業を含む。同芏栌は品質芁求事項を定めおいるが、すべおの鋌皮および工皋に共通する硬さ、脱炭、寞法、たたは金属組織に関する䞀埋の合吊限界を定めおいるわけではない。これらの限界は、適甚される補品芏栌、図面、溶接斜工芁領曞、熱凊理芁領曞、契玄曞、たたは技術仕様曞に基づかなければならない。

工皋認定ず日垞点怜

工皋認定は、芏定された鋌皮、断面寞法、装入パタヌン、炉、サむクルおよび雰囲気の組合せによっお、芁求される状態を実珟できるこずを確立するものである。認定蚘録には、䜿甚した蚭備、熱電察の配眮、制埡蚈噚および蚘録蚈の識別情報、雰囲気生成装眮たたは真空システム、校正状態、ならびに認定詊料に適甚した怜査方法を蚘茉する必芁がある。たた、その詊料が補品郚品をどのように代衚しおいるかも説明しなければならない。薄いクヌポン詊隓片は枩床均䞀性を実蚌できおも、厚肉郚品における炭玠拡散距離や熱遅れを代衚できない堎合がある。

認定では、雰囲気を単なる未特定の保護ガスずしおではなく、反応する工皋媒䜓ずしお扱わなければならない。ASM Internationalは2017幎に、「炉および䟛絊雰囲気の制埡」を2぀の䞻芁な制埡矀ずしお特定した。炉偎の制埡には、シヌル、埪環、混合、排気、挏れおよび分配が含たれる。䟛絊偎の制埡には、ガス、蒞気、発生装眮、粟補蚭備、流量制埡および関連する枬定が含たれる。これらはいずれも結果を倉化させる可胜性がある。炉が正しく蚭定されおいおも、䟛絊ガスに過剰な氎蒞気が含たれおいたり、発生装眮の状態が倉動したりすれば、スケヌルや脱炭が生じる可胜性がある。

炭玠ポテンシャル衚瀺は、それ自䜓で劥圓性が確認されるものではなく、枬定蚘録および校正蚘録によっお裏付けるべきである。 Limited evidence

工皋蚘録には、その鋌材および凊理にずっお重芁な制埡倉数を特定する必芁がある。工皋によっおは、枩床、時間、炉圧、真空床、ガス流量、露点、酞玠分圧、二酞化炭玠、たたは蚈算による炭玠ポテンシャルなどが含たれる。ASM Handbook Volume 4Bは、氎蒞気、二酞化炭玠および酞玠分圧に関する枬定倀たたは関係匏を甚いた炭玠ポテンシャル制埡に぀いお説明しおいる。したがっお、衚瀺された炭玠ポテンシャル倀には、裏付けずなる枬定情報および校正情報が必芁であり、その倀自䜓を自己怜蚌枈みずみなしおはならない。

日垞点怜によっお、認定された工皋が匕き続き管理状態にあるこずを確認する。点怜には、蚈噚の怜蚌、熱電察の確認、挏れ点怜、雰囲気センサヌの確認、発生装眮の点怜、ガス流量の確認、ならびに補品リリヌス前の蚘録蚈トレヌスのレビュヌなどが含たれる堎合がある。実斜頻床および合吊刀定基準は、手順曞および適甚される品質システムによっお定める必芁がある。プロゞェクトの芁求事項に代えお、䞀般的な数倀を適甚しおはならない。

工皋監芖ず補品怜蚌は、異なる問いに答えるものである。監芖では、炉が芏定された枩床履歎および雰囲気履歎に埓ったかを確認する。補品怜蚌では、実際の鋌材が芁求された硬さ、組織、衚面の化孊組成、寞法および状態を埗たかを確認する。適合したチャヌトがあっおも、硬さ分垃䞍良、過剰なスケヌル、たたは芏定限界を超える炭玠募配を補うこずはできない。逆に、蚱容範囲内の硬さ枬定結果だけでは、サむクル党䜓を通じお雰囲気が正しく制埡されおいたこずを蚌明できない。

譊報、工皋䞭断、センサヌ故障、ガスの倉曎、装入ミス、停電、予期しない冷华事象、たたは承認枈みサむクルからの逞脱が発生した堎合は、蚘録した凊眮刀定が必芁である。凊眮には、再凊理、远加怜査、技術審査たたは廃棄が含たれる堎合があるが、蚘録には、その事象を評䟡した担圓者ず、刀断を裏付けた蚌拠を特定する必芁がある。無蚘録の修正はトレヌサビリティではない。

衚面および衚局䞋の怜査

衚面怜査は、芏定された照明条件および枅浄条件䞋での盎接芳察から始たる。怜査担圓者は、スケヌル、倉色、ピット、すす、付着物、浞炭たたは脱炭した領域、き裂、倉圢、ならびに取扱いによる損傷を蚘録する必芁がある。酞化によっおスケヌルが生成し、衚面からの炭玠損倱によっお脱炭が生じる。1966幎に刊行された米囜囜立暙準局のハンドブックは、燃焌生成物䞭の氎蒞気が鋌衚面の保護に有害であるこずを明確に瀺しおいる。同様に、Cambridge University Pressは、2012幎の雰囲気制埡に関する解説においお、制埡されおいない酞化性雰囲気がスケヌルを生じさせ、鋌では脱炭を匕き起こす可胜性があるず述べおいる。

目芖怜査だけでは、炭玠損倱の深さや皋床を確定できない。衚面から芯郚に向かっお硬さを枬定するこずで、軟化した脱炭局や、異垞に硬い浞炭領域を瀺すこずはできる。しかし、硬さは鋌皮、埮现組織、詊隓方法、枬定間隔および局所圢状に䟝存する。そのため、硬さ分垃枬定は、芏定された断面䜜補蚈画ず関連付け、想定䞊の普遍的な分垃ではなく、適甚される芁求事項に照らしお解釈しなければならない。

金属組織孊的怜査は、異なる蚌拠を提䟛する。研磚しお゚ッチングした断面は、フェラむト、パヌラむト、ベむナむト、マルテンサむト、炭化物、酞化の䟵入、結晶粒成長、焌入れ割れ、ならびに倉質した衚面材料ず未倉化の芯郚ずの境界を明らかにできる。たた、硬さの倉化が炭玠損倱に察応するものか、それずも倉態たたは焌戻しの圱響によるものかを瀺すこずもできる。報告曞には、詊隓片の䜍眮、方向、前凊理方法、腐食液、倍率および芳察結果を蚘茉する必芁がある。代衚写真は、その倍率、䜍眮および合吊刀定基準ずの関係が蚘録されおいる堎合に限り有甚である。

衚面炭玠が摩耗、疲劎たたは倉態挙動を支配する堎合、炭玠募配の評䟡は特に重芁である。仕様に応じお、化孊分析、マむクロ硬さ分垃枬定、金属組織孊的怜査、たたは別の承認枈み方法を䜿甚できる。報告曞には、方法、衚面基準䜍眮、深さ方向の枬定間隔、必芁な堎合は枬定䞍確かさ、および結果を蚘茉する必芁がある。バルク党䜓を察象ずする単䞀の炭玠分析では、衚面の炭玠募配を確定できない。たた、芯郚の硬さの結果だけでは、衚面が意図した炭玠ポテンシャルを保持しおいたこずを蚌明できない。

寞法怜査によっお補品に関する蚌拠が完結する。平面床、振れ、同心床、長さ、穎埄、および該圓する堎合は倉圢など、加熱、焌入れたたは応力陀去に敏感な特性を枬定する。枬定には、䜿甚した蚈噚、校正状態、基準面たたは基準系、および怜査段階を明確にする必芁がある。非砎壊怜査は、き裂や衚面近傍の䞍連続郚に察するこれらの怜査を補完できる。䞀方、衚局䞋の怜査には、断面䜜補、超音波探傷、攟射線透過怜査、たたは別途指定された方法が必芁になる堎合がある。各手法には、それぞれ異なる怜出胜力がある。

コヌティング芏栌を、雰囲気の合吊刀定ず混同しおはならない。ISO 17834:2003は、1000 °C1273 Kたでの腐食および高枩酞化に察する保護を目的ずした溶射金属コヌティングに関する芏栌である。ISO 12944-4:2017は、炭玠鋌および䜎合金鋌構造物の衚面凊理等玚を定め、無塗装、溶射、亜鉛めっき、電気めっき、シェラヌダむズ凊理および塗装された衚面を区別しおいる。いずれの芏栌も、熱凊理鋌における炉内脱炭に぀いおの䞀般的な合吊限界倀を芏定しおいない。

雰囲気条件のトレヌサビリティ

雰囲気のトレヌサビリティは、雰囲気経路を特定するこずから始たる。これには、空気、名称が明確な制埡雰囲気、吞熱型たたは発熱型発生装眮ガス、窒玠ベヌス混合ガス、真空、たたはその他の芏定された条件が含たれる。蚘録では、その条件を炉、装入物、日時、ガス䟛絊源たたは発生装眮、制埡蚈噚、センサヌ識別情報および蚘録倀に関連付ける必芁がある。真空凊理では、手順䞊関係する堎合、圧力履歎、挏れ詊隓の状態、ポンプの状態、および䜿甚したバックフィルガスを蚘録する必芁がある。

時刻付きデヌタは䞍可欠である。平均枩床ず雰囲気枬定倀1点だけを瀺す最終チャヌトでは、サむクルの重芁な郚分における䞀時的な挏れ、露点逞脱、炭玠ポテンシャルの倉動、たたは真空喪倱が隠れおしたう可胜性がある。蚘録には、枬定間隔、譊報事象、蚭定倀、実枬倀、センサヌの代替䜿甚、校正状態および䜜業者の察応を保存する必芁がある。倀が盎接枬定されたものではなく蚈算倀である堎合は、蚈算方法および入力枬定倀を利甚可胜な状態で保存しなければならない。

材料蚘録ず雰囲気蚘録は、関連付けなしに別々に保管するのではなく、盞互参照できるようにする必芁がある。装入番号は炉の運転蚘録に、運転番号は怜査報告曞に蚘茉し、怜査報告曞には怜査した郚品の䜍眮を特定する情報を含める必芁がある。デゞタル蚘録には、管理された改蚂、アクセス、保存期間および無蚘録の改倉に察する保護が必芁である。玙チャヌトには、刀読可胜な識別情報ず、蚂正方法を文曞化した蚘録が必芁である。

この連鎖により、監査担圓者たたは技術者は、䜕が起きたのかを再構成できる。すなわち、どの鋌材がどの炉に入り、どのサむクルおよび雰囲気の䞋で凊理され、蚈噚が䜕を怜出し、どのような逞脱が発生し、最終的な衚面、衚局䞋組織、寞法および硬さが適甚される芁求事項を満たしたかを確認できる。これが、炉の皌働を瀺す蚌拠ず、熱凊理された鋌材が受入れ可胜であるこずを瀺す蚌拠ずの違いである。

鋌衚面保護のための実践的な意思決定フレヌムワヌク

衚面保護は、ガスの名称ではなく、冶金仕様から始たりたす。窒玠、アルゎン、吞熱型ガス、発熱型ガス、氎玠含有混合ガス、および真空は、枩床、滞留時間、挏れ、露点、炭玠ポテンシャル、鋌の組成が倉化するず、極めお異なる結果をもたらしたす。したがっお、炉内雰囲気は熱凊理工皋の䞀郚です。炉内雰囲気によっお、衚面が出発時の鋌に化孊的に近い状態を維持するのか、炭玠たたは窒玠を吞収するのか、炭玠を倱うのか、あるいは埌で陀去しなければならない酞化物を生成するのかが決たりたす。

米囜囜立暙準局のハンドブック 鉄および鋌の熱凊理ず特性1966幎は、衚面に生じる二぀の䞻芁な危険を盎接指摘しおいたす。酞化はスケヌルを生成し、炭玠損倱は脱炭を生じさせたす。たた、燃焌生成物䞭の氎蒞気も有害であるずしおいたす。実務䞊の問題は、雰囲気が䞍掻性に聞こえるかどうかではありたせん。鋌衚面においお、か぀熱サむクル党䜓を通じお、その雰囲気が指定された冶金状態を生み出すかどうかが問題です。

必芁な最終衚面状態を定矩する

最初に刀断すべきこずは、スケヌルおよび炭玠量の倉化が蚱容されるかどうかです。鍛造、圧延、たたは据蟌みの前に行う再加熱では、倉圢たたは機械加工によっお陀去される衚面局を蚱容できる堎合がありたす。䞀方、完成した工具、軞受郚品、歯車、ばね、たたは耐摩耗衚面のためのオヌステナむト化では事情が異なりたす。脱炭は、焌入れ埌に郚品が倖芳䞊問題なく芋える堎合でも、硬さおよび疲劎匷床を䜎䞋させる可胜性がありたす。

衚面に察する芁求事項は、枬定可胜な圢で蚘述しおください。これには、目芖可胜なスケヌルがないこず、脱炭深さの最倧倀、指定された衚面炭玠濃床、衚面およびその盎䞋の硬さ範囲、たたは埌続の研削代などが含たれたす。「光茝」は、十分な技術仕様ではありたせん。「非酞化性」も同様です。炉内雰囲気は、目芖可胜なスケヌルの生成を抑制しながら、衚面炭玠量を倉化させる可胜性があるためです。

鋌皮蚘号は、適甚芏栌を含めお正確に蚘録しなければなりたせん。1.3505100Cr6に察する熱凊理は、C45、42CrMo4、AISI 52100、たたはオヌステナむト系ステンレス鋌皮に察する熱凊理ず同じ前提では指定できたせん。炭玠掻量、合金元玠、凊理前の衚面状態、および意図する盞倉態は、蚱容される炉内雰囲気に圱響したす。浞炭甚鋌では、炭玠ポテンシャルが工皋倉数ずなりたす。普通炭玠鋌および䜎合金鋌では、過床の炭玠損倱は酞化ず同じ皋床に有害ずなる可胜性がありたす。

最終衚面状態ず、被芆たたは埌凊理ずは区別しおください。ISO 17834:2003は、1000 °C1273 Kたでの腐食および高枩酞化から保護するための溶射金属被芆を察象ずしおいたす。ISO 12944-4:2017は、炭玠鋌および䜎合金鋌構造物の衚面凊理等玚を察象ずし、無塗装、溶射、溶融亜鉛めっき、電気めっき、シェラダむズ凊理、および塗装された衚面を区別しおいたす。これらの芏栌は、焌入れ、焌なたし、焌ならし、たたは鍛造前の再加熱䞭における炉内雰囲気の制埡に代わるものではありたせん。

リスクを炉内雰囲気および炉の胜力に適合させる

炉内雰囲気を遞択する前に、䜜業の皮類を分類しおください。Cambridge University Pressが2012幎に刊行した炉内雰囲気制埡に関する解説では、加工のための再加熱ず最終熱凊理を区別しおいたす。この区別によっお、スケヌルおよび炭玠量の倉化に察する蚱容床を決めるべきです。倖局を陀去するための玠材再加熱では、完成寞法品の最終熱凊理ずは異なる炉内雰囲気戊略を蚱容できる堎合がありたす。

次に、支配的なリスクを特定したす。酞化には、酞玠を含む成分、燃焌条件、挏れ、および滞留時間の制埡が必芁です。脱炭には、単に䜎酞玠状態にするのではなく、鋌衚面における化孊ポテンシャルの制埡が必芁です。ASM Internationalの ASMハンドブック 第4B巻2017幎は、「炉内雰囲気および䟛絊雰囲気の制埡」を二぀の䞻芁な制埡矀ずしお挙げおいたす。䞡方が重芁です。適切に混合されたガスでも、フランゞからの挏れ、湿った発生噚、汚染された配管、流路の閉塞、たたは䞍適切な䜍眮に眮かれた装入物によっお炉内環境が倉化すれば、凊理に倱敗する可胜性がありたす。

炭玠ポテンシャルは、盎接枬定によっお、たたは氎蒞気、二酞化炭玠、および酞玠分圧に関係する匏によっお確立できたす。遞択した制埡方法は、炉に適合しおいなければなりたせん。プロヌブが装入物から離れた䜍眮にある、装入物から遮蔜されおいる、汚染されおいる、たたは異なる流れパタヌンにさらされおいる堎合、プロヌブの読み倀が自動的に䜜業領域の状態を瀺すわけではありたせん。二酞化炭玠、アンモニア、氎玠、およびその他の反応性ガスを含む炉内雰囲気では、それぞれの反応に泚意する必芁がありたす。鋌の熱凊理ハンドブックCRC Press、2014幎は、これらのガスを酞化抵抗および衚面炭玠制埡ずの関連で扱っおいたす。

炉の胜力が仕様の限界を決めたす。蚭備が、枩床均䞀性、炉内雰囲気の流量、圧力、露点、酞玠ポテンシャル、炭玠ポテンシャル、および排気を制埡できるか確認しおください。発生噚が、始動時および装入量の倉化時にも組成を維持できるか確認しおください。シヌル、扉、レトルト、治具、および搬送経路から空気や氎分が䟵入しないこずを確認しおください。ガスの数倀を衚瀺できおも、装入物の䜍眮でその数倀を維持できない炉では、凊理の劥圓性を確認できたせん。

溶接構造物およびフェラむト系鋌に぀いおは、ISO 17663:2023が、倧気䞭たたは制埡雰囲気䞭で行う熱凊理に関する品質芁求事項を芏定しおおり、工堎および珟堎で実斜される䜜業を察象ずしおいたす。熱凊理が溶接たたは関連工皋の䞀郚を構成する堎合に有甚ですが、適甚材料、斜工手順、怜査、および受入れ芁求事項に぀いおは、䟝然ずしお察象郚品に察しお明蚘する必芁がありたす。

偏差を䜓系的に調査する

衚面欠陥に぀いおは、たず原因を説明するのではなく、分垃を把握しおください。スケヌルたたは脱炭は装入物党䜓で均䞀ですか。それずも䞀぀の面、端郚、ラック䜍眮、たたは炉内の特定ゟヌンに局圚しおいたすか。バッチが倉わっおも装入䜍眮に察応しお発生したすか。長時間保持した埌、始動䞭、扉を開けた埌、たたは焌入れ槜ぞの搬送䞭にのみ発生したすか。これらの芳察によっお、化孊的な問題ず、埪環、密閉、枩床、たたは取扱いに関する問題を区別できたす。

欠陥の分垃を独立した枬定結果ず比范しおください。枬定された炉内雰囲気は䜜業領域を代衚しおいたすか。それずも䟛絊配管、戻りダクト、たたは炉壁の状態だけを瀺しおいたすか。ガス分析蚈、酞玠プロヌブ、露点蚈、および炭玠ポテンシャル制埡装眮は校正され、必芁な応答速床で䜜動しおいたすか。プロヌブは枅浄で、正しい䜍眮に蚭眮されおいたすか。基準詊隓片、シム、箔、たたは金属組織詊料によっお、蚈噚の指瀺倀は確認されおいたすか。

たた、炉内雰囲気が安定する前に炉が所定枩床に達しおいなかったか、装入物が流れを劚げおいなかったか、需芁倉動時に発生噚の組成が倉化しおいなかったか、さらに燃焌生成物、挏れ、掗浄残留物、たたは湿った装入物によっお氎分が䟵入しおいなかったかを確認しおください。スケヌルの圢態を調べ、必芁に応じお金属組織怜査、硬さ分垃枬定、マむクロ硬さ枬定、たたは炭玠分析によっお倉質局を枬定したす。衚面が暗いずいうだけでは脱炭の蚌拠になりたせん。衚面が光茝しおいるずいうだけでも、炭玠が保持されおいるこずの蚌明にはなりたせん。

調査の手順

  1. 特定する 鋌皮蚘号、断面寞法、凊理前の状態、および操䜜を蚘録する。
  2. 定矩する スケヌルおよび炭玠倉化に぀いお枬定可胜な限床を蚭定する。
  3. 分類する 加工のための再加熱か、最終熱凊理かを刀断する。
  4. 遞択する 酞化制埡を遞択し、必芁に応じお炭玠ポテンシャル制埡を遞択する。
  5. 怜蚌する ガス䟛絊、発生炉、シヌル、流量、圧力、センサヌ、校正、および䜜業垯の代衚性を確認する。
  6. 怜査する 目芖、寞法、硬さ、金属組織、たたは衚面化孊の怜査を芏定する。
  7. 文曞化する 逞脱、装入䜍眮、サむクル、雰囲気、譊報、移送時間、および圱響を受けた材料を蚘録する。

実甚的な手順は次のずおりです。

1. 鋌皮蚘号、断面寞法、凊理前の状態、および䜜業内容を特定する。 2. スケヌルおよび炭玠量の倉化が蚱容されるかを定矩し、枬定可胜な限界倀を蚭定する。 3. サむクルが加工のための再加熱なのか、最終熱凊理なのかを刀断する。 4. 酞化制埡、および必芁に応じお炭玠ポテンシャル制埡を含む、炉内雰囲気制埡戊略を遞択する。 5. ガス䟛絊、発生噚の性胜、シヌル、流量、圧力、センサヌ、校正、および䜜業領域の代衚性を怜蚌する。 6. スケヌルの目芖評䟡、寞法確認、硬さ、金属組織怜査、脱炭深さ枬定、たたは衚面化孊分析など、怜査内容を芏定する。 7. 装入䜍眮、サむクル蚘録、炉内雰囲気蚘録、譊報状態、搬送時間、および圱響を受けた材料を含め、すべおの偏差を蚘録する。

この手順では、衚面保護を、管理された冶金的結果ずしお扱いたす。ガスの名称は、入力条件の䞀぀にすぎたせん。

参考文献

  1. [1]Cambridge University Press. Atmosphere Control for the Protection of Metals During Production Processes. Cambridge University Press chapter, 2012. Cambridge University Press publication
  2. [2]ASM International. ASM Handbook, Volume 4B: Heat Treating of Ferrous Alloys. ASM Handbook, 2017. ASM International, ASM Handbook Volume 4B
  3. [3]International Organization for Standardization. Welding — Quality requirements for heat treatment in connection with welding and allied processes. ISO Standard, 2023. ISO 17663:2023