鍛造鋼とは何ですか?性質、種類、産業用途

とは何ですか 鍛造スチール ?

鍛造鋼とは、金属が再結晶温度を超えている間に、またはプロセスによっては室温で、ハンマーで叩いたり、プレスしたり、圧延したりして圧縮力を加えることによって成形された鋼です。液体金属を型に流し込む鋳造とは異なり、鍛造では固体材料を加工し、粒子構造を整え、内部の空隙を排除します。その結果、優れた耐疲労性と機械的靭性を備えた、より高密度で強力な部品が得られます。このため、クランクシャフト、フランジ、圧力容器継手、着陸装置、重機部品など、要求の厳しい環境における耐荷重コンポーネントに鍛造鋼がデフォルトで選択されています。

鋳鋼や機械加工鋼に対する鍛造鋼の基本的な利点は、木目の流れの連続性です。鋼が鍛造されると、内部の結晶粒線は機械加工によって切断されるのではなく、部品の輪郭に沿って形成されます。この方向性のある結晶粒が鍛造部品に与えます。 最大 37% 高い疲労強度 Forging Industry Association のデータによると、同等の鋳造コンポーネントとの比較。

鍛造鋼と鍛造合金鋼: 違いを理解する

普通炭素鍛造鋼には、鉄と炭素 (通常 0.1% ～ 0.6% の炭素) が含まれており、微量のマンガン、シリコン、その他の残留元素が含まれています。費用対効果が高く、極度の強度や高温が必要とされない場所で広く使用されており、一般的な構造部品、工具、標準継手などがこのカテゴリに分類されます。

鍛造合金鋼 1 つまたは複数の合金元素 (クロム、モリブデン、ニッケル、バナジウム、マンガン) を意図的な量で添加し、炭素だけで達成できるものを超えて特定の特性を強化します。

• クロムモリブデン (Cr-Mo) 鋼 — 優れた高温強度と耐クリープ性。圧力容器フランジおよび蒸気配管の規格 (ASTM A182 F11、F22)。
• ニッケルクロムモリブデン (Ni-Cr-Mo) 鋼 — 低温での高い衝撃靭性。航空宇宙および極低温用途で使用されます。
• ボロン合金鋼 — 少量のホウ素添加 (0.001% ～ 0.003%) により、最小限のコストプレミアムで焼き入れ性が劇的に向上します。
• バナジウム鋼 - 結晶粒の微細化と析出硬化。自動車のクランクシャフトやコンロッドで一般的です。

普通鍛造鋼と鍛造合金鋼のどちらを選択するかは、温度範囲、繰り返し荷重、腐食への曝露、必要な降伏強度などの使用条件によって決まります。ほとんどの石油およびガス、石油化学、発電用途では、鍛造合金鋼がデフォルトで指定されています。

鋼の鍛造温度: なぜそれが重要なのか

温度は鋼の鍛造において最も重要なプロセス変数です。低すぎると金属が加工硬化して割れてしまいます。高すぎると結晶粒の成長が発生し、強度と延性が低下します。正しい鍛造温度は、炭素含有量、合金組成、および目的の最終微細構造によって異なります。

熱間鍛造温度

熱間鍛造 - 最も一般的な工業方法 - は、鋼を再結晶温度以上に加熱します。 950°C ～ 1250°C (1740°F ～ 2280°F) 炭素鋼および低合金鋼用。この範囲では、金属はプレスまたはハンマーの力を受けても亀裂が生じることなく流動するのに十分な可塑性を有します。主な考慮事項:

• 低炭素鋼 (0.05% ～ 0.25% C) は、この範囲の上限である 1250°C まで鍛造できます。
• 中炭素鋼および合金鋼は、結晶粒の粗大化を避けるために、通常 900°C ～ 1150°C で加工されます。
• 高炭素工具鋼には、より厳密な制御 (多くの場合 850℃ ～ 1100°C) と狭い作業範囲が必要です。
• 仕上げ温度が重要です。部品はそれ以下で作業しないでください。 850°C 、二相範囲での鍛造では異方性欠陥が発生する可能性があるためです。

温間鍛造と冷間鍛造

温間鍛造は 650 °C ～ 950 °C の間、つまり完全なオーステナイト化よりも低いが室温よりも高い温度で行われます。これにより、酸化やスケールの形成が軽減され、寸法精度と表面仕上げが向上します。冷間鍛造 (室温) は、非常に厳しい公差と加工硬化された表面が必要な小型鋼部品に使用されます。ボルト、ネジ、ベアリング部品は冷間鍛造されることがよくあります。冷間鍛造には通常、 2 ～ 3 倍の高いプレス力 同じ部品の熱間鍛造との比較。

鍛造鋼製継手: 規格、圧力クラス、および用途

鍛造鋼製継手は、ねじ込み式またはソケット溶接式のパイプ継手 (エルボ、ティー、カップリング、ユニオン、クロス、キャップ) であり、棒材や鋳物から機械加工するのではなく、閉型鍛造によって製造されます。鍛造プロセスにより、これらの継手は鋳造同等品よりも高い圧力定格と優れた油圧衝撃耐性を備えているため、高圧および高温の配管システムの標準的な選択肢となっています。

ほとんどの市場における鍛造鋼継手の管理基準は次のとおりです。 ASME B16.11 、圧力クラス 2000、3000、および 6000 のソケット溶接およびねじ込み継手をカバーします。材料仕様は通常、以下を参照します。

• ASTM A105 — 炭素鋼、最高 425°C (800°F) までの周囲温度および中温での使用に適しています。
• ASTM A182 F304 / F316 — オーステナイト系ステンレス鋼、腐食性または極低温での使用に適しています。
• ASTM A182 F11 / F22 — クロムモリブデン合金鋼、高温蒸気およびプロセス配管用。
• ASTM A350 LF2 — 低温炭素鋼、定格 -46°C (-50°F)。

クラス 3000 および 6000 の継手は、ライン圧力が 1500 PSI を超える石油精製所、化学プラント、発電所で最も一般的です。適切な仕様には、継手のクラスをパイプのスケジュールおよびサービス圧力に適合させる必要があります。たとえば、スケジュール 80 パイプのクラス 3000 継手の圧力は、温度におけるパイプの使用圧力と一致するように評価されています。

鍛造鋼部品: 産業と構造的役割

構造上の破損が避けられない場合には、鍛造鋼製コンポーネントが使用されます。部品が使用中に周期的な荷重、衝撃、または高い応力集中に耐える必要がある場合、鋳造や機械加工よりも鍛造プロセスが選択されます。以下は、主要なセクターとそれらが依存するコンポーネントです。

自動車および重量物輸送

クランクシャフト、コンロッド、ステアリングナックル、ホイールハブ、アクスルシャフト、サスペンションアームは、ほぼ普遍的に鍛造鋼です。たとえば乗用車のクランクシャフトは、 1億回以上の疲労サイクル 耐用年数全体にわたり、鍛造部品の結晶粒を微細化した微細構造によってのみ、この性能閾値を確実に満たすことができます。ここでは（バナジウムまたはチタンを添加した）微合金鍛造鋼が主流となっており、別個の熱処理ステップを必要とせずに鍛造後に直接空冷することが可能です。

石油、ガス、石油化学

フランジ、バルブ、坑口コンポーネント、およびクリスマス ツリー アセンブリは、ASME、API、および MSS 規格に準拠して鍛造されています。海中およびダウンホール環境における圧力定格は 15,000 PSI を超える場合があり、鋳造の気孔率や偏析が許容できないリスクとなる条件です。 ASTM A105およびA182シリーズ この分野の炭素鋼および合金鋼フランジの大部分をカバーしています。

航空宇宙と防衛

着陸装置コンポーネント、機体構造ブラケット、ローター ヘッド、砲身は航空宇宙仕様 (AMS、MIL-SPEC) に合わせて鍛造されています。ここでは重量対強度の比が重要であり、高合金および超高張力鋼（300M、4340、および H-11 工具鋼）の使用が推進されており、これらはすべて厳密な熱機械制御による密閉型鍛造によって加工されます。

発電

タービン ローター、発電機シャフト、圧力容器ヘッドは、生産される鍛造鋼製部品の中で最大のもので、200 トンを超えるものもあります。これらのインゴット鍛造部品は、全断面にわたって鋳造構造を破壊するために段階的な鍛造パスを必要とし、その後、均一な特性を達成するために長時間の熱処理サイクルが必要です。風力エネルギーにより、新たに大規模な需要セグメントが追加されました。ナセルのメインシャフトとタワーのフランジは、現在、世界的に最も生産量の多い大型鍛造品の 1 つです。