鍛造合金鋼、ST 37、鍛造リング、および 416 ステンレス硬度の説明

鍛造合金鋼とは

鍛造合金鋼は、高温で圧縮力（ハンマーブローまたは金型プレス）を加えて成形された鋼で、その組成には鉄と炭素の基本配合を超えた合金元素が意図的に添加されています。一般的な合金添加物にはクロム、モリブデン、ニッケル、バナジウム、マンガンが含まれており、それぞれ強度、靱性、焼入れ性、耐摩耗性、耐食性などの機械的特性の特定の向上に貢献します。

鍛造プロセス自体は、合金の化学的性質と同じくらい重要です。加熱された鋼が圧縮力下で加工されると、ボイド、樹枝状偏析、ランダムな方向に並んだ介在物を含む鋳放しの粒子構造が破壊され、微細化されます。結晶粒は再結晶化してより細かく均一な構造になり、材料の流れのライン (結晶粒流とも呼ばれます) が鍛造品の形状と一致します。 この方向性のある結晶粒構造は、鋳造または棒から機械加工された同等品に対する鍛造合金鋼の主な機械的利点です。 : 鍛造部品は疲労亀裂、衝撃荷重、および使用荷重が最も高い方向の応力に耐性があります。

鍛造合金鋼は幅広い材質グレードをカバーします。 AISI 4140 (クロム モリブデン) や AISI 4340 (ニッケル クロム モリブデン) などの低合金鋼は、自動車、石油およびガス、重機の用途で主力製品です。高合金工具鋼、ダイス鋼、およびステンレスグレードも、鋳造だけでは確実に提供できない微細構造の完全性が要求される用途では、鍛造品として製造されます。

ST 37 鋼とは

ST 37 は、旧ドイツの DIN 規格システムによる構造用鋼の指定です。「ST」は構造用鋼を示し、「37」は構造用鋼の最小引張強度を指します。 370MPa 。このグレードは、現在の EN 10025 欧州規格の S235 と同等であり、米国システムの ASTM A36 とほぼ同等ですが、正確な同等性は特定のサブグレードおよび熱処理条件によって異なります。

ST 37 は、低炭素の非合金構造用鋼です。その典型的な炭素含有量は 0.17% 未満であり、これにより良好な溶接性と成形性が得られますが、合金または熱処理グレードに比べて強度が制限されます。通常、降伏強度は約 235MPa 破断点伸びは約 26% で、これは最大耐荷重能力ではなく、延性と製造の容易さのために最適化された材料を反映しています。

ST37/S235 の用途は、主に建築フレーム、橋梁、支持構造、機械ベース、および荷重が中程度で溶接性が優先される一般的なエンジニアリングコンポーネントなどの一般的な構造製作です。これは硬化性鋼ではないため、高い疲労耐性や表面硬度が必要な用途には通常使用されません。より高い強度が必要な場合は、S355 (以前の ST 52) または 4140 などの合金グレードに置き換えられます。

鍛造スチールリング : プロセス、種類、用途

鍛造鋼リングは、リングローリングによって製造される環状コンポーネントです。この特殊な鍛造プロセスでは、加熱して穴を開けた鋼ビレットをマンドレル上に置き、マンドレルと駆動ロールの間で徐々にローリングし、制御された断面プロファイルを維持しながら壁厚を減らし、直径を増加させます。このプロセスでは、数センチメートルからそれ以上の範囲のリングが生成されます 直径9メートル 、機器の容量に応じて異なります。

リングローリングプロセスでは、リングの形状に沿った連続的な円周方向の粒子の流れが生成されます。この配向は性能にとって重要です。回転機械、圧力容器、ベアリング レースの応力は円周方向に作用します。整列した粒子構造は、板や棒から切り出されたリングよりも効果的にこれらの応力に抵抗します。この場合、粒子の流れは部品の形状とは無関係に固定された直線方向に流れます。

鍛造鋼リングの種類

鍛造リングは、次の 2 つの主要な断面カテゴリで製造されます。

• フラットリング (長方形断面): 最も一般的なタイプで、フランジ、ギア ブランク、ベアリング レース、構造リングとして使用されます。リングの圧延後、平坦なリングは通常熱処理され、最終寸法に機械加工されます。
• 等高線圧延リング (プロファイル断面): 成形されたマンドレルと軸方向のロールを使用して、圧延プロセス自体中にニアネットシェイプのプロファイル (フランジ、ステップ、溝、またはテーパー) を作成することによって製造されます。コンターローリングにより、必要な機械加工の量が減り、材料の無駄が最小限に抑えられ、プロファイルの重要なセクションを通る粒子の流れが改善されます。

鍛造リングの一般的な鋼種

鍛造鋼リングの材質の選択は、動作環境と機械的要件によって異なります。

• 炭素鋼 (AISI 1045、1020): 高合金含有量を必要としない汎用フランジおよび構造リングに使用されます。
• 合金鋼 (AISI 4140、4340、8620): 高い応力、疲労荷重を受けるリング、または完全硬化が必要なリング用の標準的な選択肢です。石油およびガス、鉱山、発電装置で一般的です。
• ステンレス鋼 (304、316、17-4 PH): 化学処理、海洋、食品および医薬品機器など、耐食性が必要な場所で使用されます。
• 工具鋼および軸受鋼 (52100、H13): ベアリングレース、金型部品、および特定の硬度プロファイルを必要とする高摩耗用途向けの鍛造リングとして製造されています。

鍛造スチールリングが使用される場所

鍛造鋼リングは、回転、圧力保持、または耐荷重性の環状コンポーネントが必要とされるほぼすべての重工業分野で使用されています。主な応用分野は次のとおりです。

• 風力タービン: タワーフランジ、メインシャフトフランジ、ピッチおよびヨーベアリングリング。単一の大型風力タービンには、20 個を超える鍛造リング フランジが含まれる場合があります。これらのコンポーネントの疲労寿命要件は、20 年間の繰り返し荷重に耐えられるように設計されているため、鍛造材料が標準仕様となっています。
• 石油とガス: 坑口フランジ、圧力容器ノズル、海底コネクタリング、パイプラインフランジ。低温での圧力定格と材料の靭性（北極または深海用途）により、鍛造コンポーネントと鋳造コンポーネントの選択が決まります。
• 航空宇宙: エンジンケーシング、タービンリング、構造フレーム。チタンおよびニッケルの超合金リングも、鋼と同じプロセス原則に従って、ジェット エンジンの高温部分コンポーネント用にリング圧延されます。
• 鉱山および重機: 旋回リングブランク、クラッシャーコンポーネント、掘削機やミル用の大型ギアブランク。
• 原子力発電: 原子炉圧力容器リングおよび蒸気発生器コンポーネント。材料のトレーサビリティ、非破壊検査、および制御された鍛造手順が必須です。

416 ステンレス鋼の硬度: 特性と実用上の考慮事項

AISI 416 は、標準的な 12 ～ 13% のクロム マルテンサイト組成に硫黄 (最低 0.15%) を添加することで得られる、すべてのステンレス グレードの中で最も機械加工しやすい自由加工マルテンサイト ステンレス鋼です。硫黄は、加工中にチップブレーカーとして機能する硫化マンガン介在物を形成し、410 や 420 などの材種と比較して工具の摩耗とサイクルタイムを劇的に短縮します。その代償として、硫黄を含まないマルテンサイト材種と比較して耐食性が低下し、靱性がわずかに低くなります。

焼きなまし状態での硬さ

焼きなまし (軟化) 状態では、416 ステンレス鋼の典型的なブリネル硬度は次のとおりです。 185～200HB 、引張強さは約 515 MPa、降伏強さは約 275 MPa です。これは、材料が最も一般的に供給され、機械加工される条件です。硫黄の添加により、焼きなまし状態で自由に切断できるようになり、ほとんどの精密部品は、熱処理が適用される前に機械加工されます。

熱処理後の硬さ

416 ステンレスは硬化可能なグレードです。 925 ～ 1,010°C でのオーステナイト化とその後の油焼き入れおよび焼き戻しにより、材料を大幅に高い硬度レベルにすることができます。

• 条件 H900 相当 (低温焼戻し温度、~175°C): までの硬度を実現 38–42 HRC (約 370 ～ 400 HB)、引張強さは 1,200 MPa 以上。
• 中域焼戻し (400 ～ 500°C): 硬度約 28–35 HRC 、高硬度の状態よりも靭性が向上し、耐食性が向上します。
• 高温焼戻し温度 (600 ～ 650°C): 硬度が下がります 22–26 HRC 、強度を犠牲にして延性と靭性を最大化します。硬度よりも耐衝撃性が重要な場合に使用されます。

416 は他のマルテンサイト系ステンレス鋼と同様、425 ～ 595°C の範囲で焼き戻し脆化が起こりやすいため、焼き戻し温度の選択は重要です。この範囲内で焼き戻しを行うと、許容可能な硬度の読み取り値にもかかわらず、衝撃靱性が低い材料が生成されます。 この範囲は避けるべきです ; 200 °C 未満または 600 °C を超える温度で焼戻しすると、全体的な機械的性能が向上します。

416 ステンレス鋼の一般的な用途

416 ステンレス鋼は、機械加工性と焼入れ性の組み合わせにより、適度な耐食性と熱処理後の所定の硬度レベルを必要とする大量の精密機械加工部品の標準的な選択肢となっています。

• 銃器のコンポーネント: 寸法精度、硬度、耐食性が同時に要求され、加工量が多いトリガーグループ、ボルト、アクション部品。
• ネジ、ナット、ボルト: 炭素鋼を超える耐食性が必要なファスナーですが、硫黄により被削性が向上し生産効率が向上する自動ねじ機で生産されます。
• ポンプシャフトとバルブステム: 表面硬度、寸法精度、および軽度の腐食性媒体に対する適度な耐性が必要な用途。
• ギアとブッシュ: 316 や二相ステンレスなどのより耐食性の高いグレードを必要とするほど過酷ではない環境で、耐摩耗性と硬度が必要な場合。

重要な制限の 1 つは、416 に硫黄を添加すると、非自由加工マルテンサイト材と比較して耐食性が低下することです。塩化物を含む環境、酸への暴露、または保護コーティングなしでの水への長時間の浸漬を指定すべきではありません。自由加工ステンレス材種でより高い耐食性が必要な場合、303 (オーステナイト系) が一般的な代替品になりますが、熱処理によって硬化することはできません。