金属鍛造の説明: 金属、鋼の種類、およびその仕組み

金属鍛造品 圧縮力を使用して金属を成形するプロセスです。ハンマーで叩いたり、プレスしたり、圧延したりすることで、通常は金属を加熱して展性を高めます。脆くなりすぎずに加熱できるほとんどすべての金属は技術的には鍛造可能ですが、実際には炭素鋼、合金鋼、アルミニウム、チタン、銅合金が工業用鍛造の主流となっています。これは、加工性と鍛造による機械的特性の向上の最適な組み合わせが得られるためです。

どのような金属が鍛造できるのか、またある金属が他の金属よりも優れた鍛造ができる理由

金属の鍛造性は、鍛造温度での延性と、その結晶粒構造が変形にどのように反応するかによって決まります。面心立方晶 (FCC) 結晶構造を持つ鋼は、高温で圧縮するとより均一に変形します。これが、鋼が工業環境で最も一般的に鍛造される金属である理由の 1 つです。

おおよそ以上の炭素含有量の高い金属 0.6% 、鋳鉄と同様に、これらは高温でも十分な延性に欠け、ハンマーやプレスの力で変形するよりもむしろ亀裂が発生する傾向があるため、一般に鍛造の候補としては不十分であると考えられています。

鋼を鍛造する方法: 基本的なプロセスの説明

産業現場では規模や設備が劇的に進化したにもかかわらず、鋼の鍛造は伝統的な鍛冶以来基本的に変わっていない手順に従います。

1. 加熱: 鋼は、伝統的には石炭またはコークスで加熱され、現在はガスまたは誘導加熱で加熱される鍛冶場で、通常は次の温度まで加熱されます。 1100℃と1250℃ ほとんどの炭素鋼では (2,000°F ～ 2,300°F)、明るいオレンジから黄色の色で識別できます。
2. 変形: 圧縮力は、ハンマー、プレス、または圧延によって加えられ、加熱された鋼を成形します。これには、オープンダイ (自由形状成形) またはクローズドダイ (金属を成形されたキャビティに押し込む) のいずれかが可能です。
3. 必要に応じて再加熱: 鋼は鍛冶場から取り出されると急速に冷却され、鍛造温度範囲を下回ると、続行する前に熱源に戻す必要があります。鋼を冷やしすぎると、変形するどころか亀裂が発生する危険があります。
4. 正規化またはアニーリング: 成形後、多くの場合、鍛造品は制御された温度まで再加熱され、ゆっくりと冷却されて、鍛造中に発生した内部応力を緩和し、結晶粒構造を微細化します。
5. 仕上げ: 余分な材料（密閉型鍛造におけるバリ）はトリミングされ、最終用途に応じて部品に追加の熱処理、機械加工、または表面仕上げが施される場合があります。

金属の鍛造プロセスの種類

工業用鍛造は通常、温度と使用する金型構成によって分類され、これらの方法の選択は部品の複雑さ、生産量、必要な機械的特性によって決まります。

• 熱間鍛造： 金属の再結晶温度より高い温度で実行され、比較的低い力で大幅な形状変化が可能になり、亀裂のリスクが軽減されます。これは鋼の最も一般的な方法です。
• 冷間鍛造： 室温または室温に近い温度で実行され、寸法公差が厳しくなり、表面仕上げが滑らかな部品が製造されますが、非常に大きな力が必要となり、亀裂を生じることなく可能な変形量が制限されます。
• 温間鍛造： 中間の温度で実行され、熱間鍛造のより低い力要件と冷間鍛造の精度の利点の一部のバランスが取れています。
• 自由型鍛造： 金属は、完全に囲まれていない平らなダイスまたは単純な形状のダイスの間で成形され、ダイスが接触する場所を除いて金属が流れることができます。シャフトやディスクなどの大きくて単純な形状に使用されます。
• 密閉型（圧搾型）鍛造： 金属は、金属を完全に囲む金型キャビティに押し込まれ、より複雑な形状をより厳しい公差で生成します。これは、自動車部品などの大量部品に使用されます。
• 落とし鍛造: ハンマーベースの特殊な鍛造方法で、金型内または金型上に配置されたワークピースに重い重量を落とすもので、一般に従来の工業用鍛造作業に関連付けられています。

鍛造鋼とは何か、そして炭素含有量が結果に与える影響

「鍛造鋼」とは、鋳造（溶融金属を型に注入する）や機械加工（固体のブロックから材料を切り出す）ではなく、鍛造によって成形された鋼を指します。鍛造プロセスでは、鋼の内部結晶粒構造が変形方向に沿って圧縮され整列します。その結果、一般に、同じ組成の鋳造部品と比較して、強度、靱性、耐疲労性が向上します。これが、クランクシャフト、ギア、構造継手など、高い応力や衝撃を受ける部品に鍛造部品が指定されることが多い理由です。

炭素含有量は、鍛造鋼の異なるグレードを区別する主な要素であり、鍛造後の強度、硬度、延性のトレードオフを決定します。

炭素含有量が高くなると、その後の熱処理によって鍛造部品の硬度が高くなりますが、同時に鋼が割れずに安全に鍛造できる温度範囲も狭くなります。そのため、高炭素鋼はより厳密な温度制御とより頻繁な再加熱によって鍛造されます。

鍛冶屋は何を使用しますか: 手鍛造のための道具と設備

工業用鍛造は油圧プレスと機械ハンマーに依存していますが、鍛冶屋が手鍛造に使用する中心的なツールは、行われる作業の規模に合わせて調整された伝統的な慣行とほぼ一致しています。

• 鍛造: 熱源（伝統的には石炭またはコークスを焚いた鍛冶場でしたが、現在ではプロパンや高周波鍛冶場が一般的です）は、鋼を鍛造温度にするために使用されます。
• アンビル: ハンマーで叩くための安定した硬い表面を提供する重いスチールブロック。さまざまな成形技術に使用されるさまざまな機能 (ホーン、ハーディホール、プリッチェルホール) が付いています。
• ハンマー: さまざまな作業に対応するさまざまなハンマーの重量と面の形状 - 金属を引き出すためのクロスピーンハンマー、テクスチャリングと成形のためのボールピーンハンマーと丸めハンマー
• トング: 丸い素材、平らな素材、または特定の部品の形状に合わせて設計されたさまざまなジョー形状で、熱いワークピースをしっかりと保持するために使用されます。
• ノミとパンチ: 金属が熱いうちに切断、穴開け、または装飾的なテクスチャーの作成に使用されます。
• 焼入れタンク： 鋼を急速に冷却して硬化するために使用される水、油、またはその他の焼入れ剤の入った容器。焼入れ剤の選択は、得られる硬度と亀裂のリスクに影響します。

手鍛造と工業用鍛造の両方において、色は伝統的な温度の指標です。明るい黄色からオレンジ色は一般に、ほとんどの炭素鋼の最適な鍛造範囲に対応しますが、くすんだ赤色は鋼が安全な作業範囲以下に冷えており、衝撃を受けると亀裂が生じる危険性があることを示します。