熱処理とは

熱処理とは、炭素を含む金属(主に鉄鋼材)の加熱・冷却することで生じる組織変化を活用し、素材の性質や耐摩耗性を向上させる処理方法です。

代表的な熱処理方法として、「焼なまし」「焼ならし」「焼入れ」「焼戻し」があり、鉄鋼材を硬くしたり軟らかくしたりすることができます。
鋼をオーステナイトと呼ばれる金属組織に変態する温度まで加熱したあとの冷却時間や加熱操作によって名称が異なります。

 

 

熱処理の種類

焼きなまし

「焼なまし」は、主に切削加工しやすくするために、鋼を軟らかくすることを目的に行われ、加工ムラや割れを防ぐことができます。
加工記号は「HA」と記載します。
金属組織がオーステナイト化するまで加熱したあと、炉の中などでゆっくりと時間をかけて冷却します。(徐冷/炉冷)

焼ならし

「焼ならし」は、鋼材を製造する際に生じる組織のムラを均一化し、耐衝撃性などの機械的性質を向上させることを目的に行われます。
加工記号は「HNR」と記載します。
金属組織がオーステナイト化するまで加熱したあと、炉から取り出し、静かな大気中で空中放冷します。(空冷) 炉冷よりも冷却スピードをやや速めることで、組織の結晶粒を微細化することができます。

焼入れ

「焼入れ」は、鋼を硬くすることを目的に行われます。加工記号は「HQ」と記載します。
焼入れをすることで、硬度を高めることができますが、脆く割れやすくなるため、基本的には「焼入れ」後に「焼戻し」と呼ばれる硬度を弱め、粘りを増加させる処理を併せて行います。
金属組織がオーステナイト化するまで加熱したあと、水や油などの焼入冷却液に入れて急速に冷却します。(急冷) そして、ある程度時間が経過したあと、引き上げて空冷させます。

焼戻し

「焼戻し」は、焼入れや焼ならしを行った鋼について、硬度を弱め、粘りを増加させることを目的に行います。焼入れ後の鋼は、硬度は高いですが脆く衝撃に弱いため、焼戻しを行い、機械部品に適した硬さに調節したり、耐衝撃性を付加したりします。
加工記号では「HT」と記載します。
焼入れを行ったあと、変態温度を超えない範囲で再加熱し、冷却することで金属組織を安定させます。

熱処理の仕組み

ここでは、熱処理で金属(炭素鋼)が硬くなる原理を簡単にご説明します。

炭素鋼は、軟らかい純鉄部分と硬い鉄と炭素の化合物の結晶が集まってできています。
まだらに混ざり合ったこの状態から800℃~850℃に加熱すると、オーステナイトと呼ばれる金属組織に変化し炭素部分の分布が均一化されます。
ここから、ゆっくりと冷却すると再び結晶化しますが、組織が均質化するため軟らかさを付加したり、機械的性質を向上させることができます。(焼なまし/焼ならし)
加熱しオーステナイト化した金属組織を、急速に冷却すると、マルテンサイトと呼ばれる組織に変態し、炭素部分の分布が均一のまま硬化させることができます。(焼入れ)
ただし、マルテンサイトのままでは硬く脆い性質のため、再び加熱し冷却することで組織を安定させることができます。(焼戻し)

焼入れによる硬さは、材質の焼入れ性、冷却速度、そして炭素の含有量で決まります。高炭素材とされるSK材など、炭素量が多ければ多いほど、焼入れ後の硬度が高くなります。




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