Forging Temperature Guide: Optimal Heat Ranges for Metal Working

一般的な金属の最適温度範囲

鍛造温度は、金属が構造の完全性を維持しながら、亀裂を生じることなく成形できる程度に可塑性になる比熱範囲を表します。のために 炭素鋼、理想的な鍛造範囲は 1095 ～ 1260°C (2000 ～ 2300°F) です。 、錬鉄が最もよく機能するのに対し、 1040 ～ 1200°C (1900 ～ 2200°F) 。これらの温度により、機械的な力の下で金属の結晶構造が再編成されるため、鍛冶屋や金属細工師は目的の形状を効率的に作成できるようになります。

鍛造ウィンドウは、炭素含有量と合金元素によって大きく異なります。低炭素鋼 (炭素 0.05 ～ 0.30%) は広い温度範囲に耐えますが、高炭素鋼 (炭素 0.60 ～ 1.50%) は粒界割れや過剰なスケールを防ぐためにより正確な温度制御を必要とします。

色温度インジケーターと視覚的評価

伝統的な鍛冶屋は主な温度指標として色に依存しており、この技術は社内で正確であることが証明されています。 経験豊富な医師が実施した場合、±25°C 。金属の輝きは黒体放射によって生じ、さまざまな温度で特定の波長が支配的になります。この方法は、高温計を備えた現代の店舗でも依然として価値があり、即時検証ツールとして機能します。

色のスペクトルと対応する温度

• 淡い赤色 (475-550°C / 885-1020°F): 暗闇でのみ見えるため、ほとんどの鋼の鍛造には不向き
• ブラッドレッド (550-650°C / 1020-1200°F): 焼きなましの最低温度、効率的な鍛造には冷たすぎる
• ダークチェリーレッド (650-750°C / 1200-1380°F): 軽鍛造は可能ですが、かなりの力が必要です
• ミディアムチェリーレッド (750-815°C / 1380-1500°F): 高炭素鋼の仕上げパスに最適
• チェリーレッド (815-900°C / 1500-1650°F): ほとんどの炭素鋼に対して優れた一般的な鍛造温度
• 明るいチェリーレッド (900-1000°C / 1650-1830°F): 重鍛造作業に最適
• オレンジ (1000-1100°C / 1830-2010°F): ほとんどの鉄金属にとって理想的な開始温度
• ライトオレンジからイエロー (1100-1200°C / 2010-2190°F): 炭素鋼の最高鍛造温度
• 黄色から白 (1200-1300°C / 2190-2370°F): 燃焼温度に近づくと穀物が損傷する危険性がある

周囲の照明は色の認識に大きく影響します。とのワークショップ 200～300ルクスの制御された照明 正確な視覚的温度評価に最適な条件を提供します。直射日光が当たると、明るいオレンジ色より下の色が見えなくなり、冷間鍛造や材料の損傷につながる可能性があります。

温度制御方法と装置

現代の鍛造作業では、一貫性と品質を確保するために複数の温度制御戦略が採用されています。どの方法を選択するかは、生産量、精度要件、材料の仕様によって異なります。

暖房器具の選定

石炭およびコークスの炉は、小規模な工場で依然として人気があり、 局所ゾーンでは 1400°C (2550°F) ただし、温度分布は不均一になる可能性があります。プロパンまたは天然ガスを使用するガス鍛造は、より優れた温度均一性を提供し、最新のバーナー設計により、300 mm の加熱ゾーン全体で ±15°C の一貫性が達成されます。誘導加熱システムは最も正確な制御を提供し、特定の領域を正確な温度に加熱します。 実稼働環境では±5°C 、小型コンポーネントの場合、毎分最大 1000°C の加熱速度を実現します。

温度測定ツール

• タイプ K 熱電対: 0 ～ 1260°C で正確、応答時間は 1 秒未満、連続監視に最適
• 赤外線高温計: 1600℃までの非接触測定、放射率調整が必要（酸化鋼の場合は0.8～0.95）
• 熱画像カメラ: ワーク全体の温度分布を表示、鍛造前にコールドスポットを検出
• 温度を示すクレヨン: 特定の温度 (150 ～ 1400 °C の範囲) で溶解し、予熱の検証に役立ちます

重要な航空宇宙部品や自動車部品には、 ±0.3%の精度で校正された高温計 は必須であり、国家標準に追跡可能な校正証明書が 6 か月ごとに要求されます。

不適切な鍛造温度の影響

適切な温度範囲外で動作すると、即時的および長期的な材料欠陥が発生します。これらの結果を理解することは、コストのかかる間違いや材料の無駄を防ぐのに役立ちます。

冷間鍛造損傷

推奨温度範囲未満で鍛造すると、金属に過度の加工硬化が発生し、亀裂が発生する可能性があります。炭素鋼を以下で加工する場合 800°C (1470°F) 、オーステナイトからパーライトへの変態がすでに始まっており、材料は脆くなっています。最初に表面亀裂が発生し、通常は深さ 0.5 ～ 2 mm で、その後の加熱サイクル中に断面全体に広がる可能性があります。内部せん断帯が発達し、応力集中が生じ、疲労寿命が短縮されます。 完成部品の 40 ～ 60% .

過熱と燃焼

上限温度を超えると、粒子の成長と酸化の浸透が発生します。以上の温度では 炭素鋼の場合は 1250°C (2280°F) 、オーステナイト粒子は指数関数的に成長し、50°C が上昇するごとに粒子サイズは 2 倍になります。この粗粒構造はその後の熱処理によって完全に微細化することができず、靭性が永久に低下します。金属が固相線温度近くに達すると燃焼が発生し、酸素が粒界に侵入します。過熱とは異なり、燃焼は元に戻すことができません。影響を受けた材料は廃棄する必要があり、これは完全な損失を意味します。

スケールの形成と脱炭

鍛造温度では、鉄は急速に酸化し、次の速度でスケールを形成します。 1150℃で1時間あたり0.1～0.5mm 。このスケールは材料の損失を表し、表面欠陥が生じます。さらに重要なのは、下にある表面が脱炭によって炭素を失い、深さ 0.5 ～ 3 mm の柔らかい表皮層が形成され、硬化反応が損なわれることです。保護雰囲気または急速加熱サイクルによりこの影響を最小限に抑え、誘導加熱により暴露時間を短縮します。 炉加熱と比較して75% .

鍛造作業時の温度管理

鍛造を成功させるには、作業全体を通じてワークピースを最適な温度範囲内に維持する必要があります。鍛造中に温度が急激に低下し、小さな部分が失われます 50～100℃/分 周囲空気にさらされたり、ダイやアンビルと接触した場合。

熱損失の計算と再加熱頻度

直径 25 mm の丸棒は 1150 °C で、空気にさらされて最初の 30 秒で約 150 °C 低下し、温度差が減少するにつれてその速度は低下します。ダイの接触により熱損失が加速します。スチールダイスは室温で抽出可能 ワーク表面より200～300℃ ファーストコンタクトで。経験豊富な鍛冶職人は再加熱の頻度について直観的な感覚を養いますが、製品の鍛造では計算に基づいたスケジュールが使用されます。

中炭素鋼の典型的な鍛造シーケンスの場合、ワークフローは次のように進行します。

1. 1150℃まで加熱（明るいチェリー色からオレンジ色）
2. 温度が 1000°C 以上に保たれている間に、3 ～ 5 回の強打撃を実行します。
3. 金属が870℃（ミディアムチェリーレッド）に達するまで鍛造を続けます。
4. 材料が 800°C を下回る前に、再加熱のために鍛造に戻ります。
5. 希望の形状が得られるまでサイクルを繰り返します

予熱と浸漬の要件

大型の鍛造品や高合金鋼には、熱衝撃を防ぐために制御された予熱が必要です。重量を超える鍛造品 50kgは400〜600℃に予熱する必要があります 最大の鍛造温度にさらされる前に、最初の段階では加熱速度を 1 時間あたり 100 ～ 200°C に制限します。鍛造温度での均熱時間は、次のように計算され、断面全体の温度均一性を保証します。 厚さ25mmあたり1分 炭素鋼の場合は長くなり、熱伝導率が低い合金鋼の場合は長くなります。

合金鋼に関する特別な考慮事項

合金元素は鍛造温度範囲と挙動を大きく変化させます。各元素は、相変態温度と熱間加工特性に特定の方法で影響を与えます。

一般的な合金元素の影響

クロム （工具鋼やステンレス鋼に含まれる）は、鍛造範囲を狭め、表面亀裂のリスクを高めます。 12 ～ 18% のクロムを含む鋼には、次の開始温度が必要です。 1150～1200℃ また、シグマ相の形成を避けるために 925°C 未満で作業しないでください。 ニッケル オーステナイト範囲を広げることで熱間加工性を向上させ、亀裂のリスクを伴うことなく、約 790°C 程度の低い仕上げ温度を可能にします。

モリブデン そして タングステン 鍛造温度要件が大幅に上昇し、一部の高速度鋼では開始温度が 200 ℃以上必要となります。 1200～1260℃ 。これらの元素は拡散も遅くするため、浸漬時間を長くする必要があります。 厚さ25mmあたり2分 . バナジウム 温度が 1150°C を超えない限り、溶解に抵抗する炭化物を形成し、鍛造中に局所的な応力集中を形成します。

ステンレス鋼の鍛造パラメータ

オーステナイト系ステンレス鋼 (304、316 シリーズ) は、熱伝導率が低いため、特有の課題を抱えています。 炭素鋼の40% 。これにより大きな温度勾配が生じ、ゆっくりとした加熱速度と長時間の浸漬が必要になります。 480～870℃の範囲で加工すると炭化クロムが析出し、耐食性が著しく低下するため、1040～1200℃の鍛造範囲を厳密に遵守する必要があります。炭素鋼とは異なり、ステンレス鋼は表面酸化物の特性により視覚的な色のインジケーターが不十分なため、高温計の使用が必須となります。

鍛造後の温度管理

鍛造完了後の冷却段階は、最終的な微細構造と特性に重大な影響を与えます。不適切な冷却は残留応力、歪み、または意図しない硬化を引き起こし、その後の機械加工作業を複雑にします。

制御された冷却戦略

ほとんどの炭素鋼鍛造品では、 静止空気中で650℃から冷却 適切な結果が得られ、加工に適した正規化された構造が作成されます。複雑な形状の場合は、断熱材 (バーミキュライト、石灰、または木灰) に埋めて、冷却を約 50℃/時間 、熱応力勾配を軽減します。高炭素鋼 (C 0.6% 以上) および多くの合金鋼は、亀裂の原因となるマルテンサイト変態を防ぐためにゆっくりと冷却する必要があります。これらの鍛造品は、炉内で 1 時間あたり 20 ～ 30 °C の制御された速度で 870 °C から 540 °C まで冷却されます。

ストレス解消の要件

を超える大型鍛造品 任意の寸法で100mm 冷却方法に関係なく、冷却中に重大な残留応力が蓄積されます。厚さ 25mm あたり 580 ～ 650°C で 1 ～ 2 時間の応力除去熱処理により、これらの応力が次のように軽減されます。 80-90% 加工時の寸法安定性が向上します。この中間ステップは、歪み許容値が 100 分の 1 ミリメートル単位で測定される航空宇宙および発電用途の精密部品には必須です。

安全性と環境への配慮

鍛造温度は深刻な熱的危険を引き起こすため、包括的な安全プロトコルが必要です。 1150°C の金属は十分な輻射熱を与え、 1メートルの距離で30秒以内にⅡ度熱傷 連続露光のこと。適切な個人用保護具には、輻射熱に耐えられるアルミ加工または革製のエプロン、シェード 5 ～ 8 のフィルターを備えたフェイス シールド、および 650°C の表面との短時間の接触に耐えられる絶縁手袋が含まれます。

鍛造雰囲気では一酸化炭素、二酸化硫黄、および金属の煙が発生するため、適切な換気が必要です。産業運営は維持されます 1時間あたり10～15回の換気 鍛冶エリアでは、上昇する燃焼生成物を遮断するために局所排気捕捉フードが配置されています。スケールの形成により粒子の排出が発生します。 10kg のビレットを 1 回鍛造するだけで、 酸化鉄スケール 100 ～ 200 グラム ハンマーで叩いて取り除くと空中に浮遊します。

適切な温度管理によりエネルギー効率が向上します。材料を 100°C で過熱すると、約 8～12%の追加燃料 一方、不適切なワークフロー計画による過剰な再加熱は、エネルギー消費を 2 倍にする可能性があります。最新のガス炉の熱効率は 25 ～ 35% に達しますが、誘導システムは 65 ～ 75% に達するため、設備の選択は運用コストと環境への影響の重要な要素となります。