金属の特性と精密機械加工への応答を変更する方法はたくさんあります。 これらの方法の1つは熱処理です。 熱処理は、強度、硬度、靭性、加工性、成形性、延性、弾性など、金属のさまざまな側面に影響を与えます。 また、金属の物理的および機械的特性に影響を与え、それによって金属の用途を変更したり、金属の将来の作業を変更したりします。 これらの変化は、材料の微細構造や場合によっては化学組成の変化が原因で発生します.
ここでは、CNC機械加工で最も一般的に使用される金属合金関連の熱処理と、これらの熱処理が精密機械加工の部品にどのように影響するかを注意深く研究します。
熱処理とは？
多くの標準的なCNC製造施設は熱処理を使用しています。 製造業者は、熱処理プロセスを含めることを選択することにより、完成したコンポーネントの強度、可塑性、および耐食性を変更できます。
これらの処理には、金属合金を（通常）極端な温度に加熱してから、制御された条件下で冷却して、材料の物理的状態または機械的特性を変更することが含まれます。 材料が加熱される温度、この温度を維持する時間、および冷却速度は、金属合金の最終的な物理的特性に大きく影響します。
設計およびエンジニアリングプロセスの一部は、部品に必要な物理的特性を決定し、これらの要件を満たすのに最適な金属を選択することです。 加工前または加工後の金属合金の熱処理により、主要な物理的特性を大幅に向上させることができます。 熱処理により、金属の硬度、強度、または加工性が向上します。
熱処理の種類
アニーリング
焼きなましは、材料を臨界温度まで加熱してからゆっくりと冷却する熱処理プロセスです。 焼きなましプロセスは、材料の物理的構造を変化させ、より柔らかく、より延性のあるものにします。
焼鈍は、アルミニウム、銅、鋼、銀、真ちゅうなどの金属を特定の温度に加熱し、その温度で一定時間維持して変態させた後、空冷する熱処理方法です。 このプロセスにより、金属の延性が向上し、硬度が低下するため、金属の処理が容易になります。 銅、銀、真ちゅうは急速またはゆっくりと冷却できますが、鋼などの鉄金属は、焼きなましを行うために常に徐々に冷却する必要があります。
焼きなましは通常、すべての金属合金が形成された後、それらを柔らかくして加工性を向上させるためのさらなる処理の前に実行されるため、硬い材料は簡単に割れたり壊れたりしません。 他の熱処理が指定されていない場合、ほとんどのCNC機械加工部品は、焼きなまし状態の材料特性を持ちます。
焼戻し
焼戻しはまた、通常、軟鋼（1045およびA36）および合金鋼（4140および4240）を焼入れした後、焼鈍よりも低い温度で部品を加熱します。 焼戻しは、金属の硬度、延性、強度を変更するために使用できます。これにより、通常、金属の処理が容易になります。 金属は臨界点より低い温度に加熱されます。これは、温度が低いほど、硬度を維持しながら脆性が低下するためです。
応力緩和
応力緩和には、部品を高温（ただし焼きなましよりも低い）に加熱してから、部品をゆっくりと冷却することが含まれます。 通常、CNC機械加工の後に使用され、製造プロセス中に発生する残留応力を排除します。 このようにして、より一貫した機械的特性を備えた部品を製造することができます。
応力の除去は、前の製造プロセスで材料の内部応力を除去するために必要な条件です。 ストレスリリーフがない場合、使用中に部品にひびが入ったり、耐性が失われたりして、最終的に部品が損傷する可能性があります。
焼入れ
焼入れには、金属を非常に高温に加熱してから、急速冷却ステップを実行することが含まれます。 通常、材料は油や水に浸されるか、冷たい空気の流れにさらされます。 ただし、部品に必要な最終的な機械的特性によっては、ポリマーまたは塩が使用される場合があります。 急速冷却は、材料が加熱されたときに受ける微細構造の変化を「固定」し、その結果、部品の硬度が非常に高くなります。
部品は通常、高い表面硬度を達成するための製造プロセスの最後のステップとして、CNC機械加工後に焼入れされます。 次に、焼き戻しプロセスを使用して、結果として生じる硬度を制御できます。 たとえば、焼入れ後の工具鋼A2の硬度は63〜65 HRCですが、42〜62HRCの硬度に焼き戻すことができます。 焼戻しは部品の脆性を低減し、それによって部品の耐用年数を延ばすことができます（最良の結果を得るための硬度は56-58HRCです）。
ケース硬化
肌焼きは、材料内部の柔らかさを維持しながら、部品の高い表面硬度をもたらすことができる一連の熱処理です。 これは通常、部品の全体積に硬度を追加するよりも優れています（たとえば、焼入れによって）。硬い部品はよりもろくなるためです。
浸炭は最も一般的な肌焼き熱処理です。 炭素含有量の少ない金属（鋼など）の場合、追加の炭素を表面に注入する必要があります。次に、部品を急冷して金属マトリックスに炭素を固定します。これにより、鋼の表面硬度が 陽極酸化はアルミニウム合金の表面硬度を高めます。
肌焼きは、通常、部品が機械加工された後の最後のステップとして使用されるプロセスです。 高熱を他の元素や化学物質と組み合わせて、硬化した外層を生成します。 硬化により金属がより脆くなるため、表面硬化は、耐久性のある摩耗層を備えた柔軟な金属を必要とする用途に役立ちます。
熱処理はいつ適用されますか？
金属合金は、製造プロセス全体で熱処理することができます。 CNC機械加工部品の場合、通常、次の熱処理が使用されます。
CNC機械加工の前に：標準化されたグレードの金属合金を提供する必要がある場合、CNCサービスプロバイダーはストック材料から部品を直接処理します。 これは通常、納期を短縮するための最良のオプションです。
CNC機械加工後：特定の熱処理により、材料の硬度が大幅に向上したり、成形後の仕上げステップとして使用されたりする場合があります。 このような場合、硬度が高いと材料の被削性が低下するため、CNC加工後に熱処理を行います。 たとえば、これは工具鋼部品をCNC加工する場合の標準的な方法です。
ご注文の熱処理を指定する方法
CNCを注文する場合、熱処理を要求する方法は3つあります。
製造基準への参照を与える：
多くの熱処理が標準化され、広く使用されています。 たとえば、アルミニウム合金（6061-T6、7075-T6など）のT6インジケータは、材料が析出硬化していることを示します。
必要な硬度を指定します。
これは、工具鋼の熱処理と表面硬化を指定するための一般的な方法です。 これは、CNC機械加工後に実行する必要のある熱処理をメーカーに示します。 たとえば、D2工具鋼の場合、硬度は通常56〜58HRCです。
比熱処理サイクル：
これには、高度な冶金学的知識が必要です。 さまざまな熱処理が金属にどのように影響するかを理解している場合は、必要な熱処理プロセスを指定して、アプリケーションの材料特性を具体的に変更できます。