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熱処理の基本

熱処理とは

金属の性能を向上させる熱処理の基礎知識

熱処理とは材料や製品に熱を加える操作を指し、広義では材料加工の一種である金属熱処理のほか、食品などの加熱殺菌処理なども含まれます。ここでは鋼をはじめとした金属を加熱・冷却して素材の組織を制御し、求める性質に変化させる金属加熱処理の基本についてご説明します。

熱処理とは

熱処理とは、日本金属熱処理工業会で「赤めて冷ますこと」と記載されており、金属材料に加熱と冷却を加えて形を変えることなく性質を向上させる加工技術と説明されています。また変化させる性質については、強さ、硬さ、粘り、耐衝撃性、耐摩耗性、耐腐食性、耐食性、被削性、冷間加工性などを指し、切断や塑性加工のような金属加工の一種に分類されます。
また、変化させる性質については、強さ・硬さ・粘り・耐衝撃性・耐摩耗性・耐腐食性・被削性・冷間加工性なとが挙げられます。

熱処理とは

また、日本工業標準調査会では「JIS G 0201 鉄鋼用語(熱処理)」で以下のように定義しています。

熱処理(heat treatment)

固体の鉄鋼製品が全体として又は部分的に熱サイクルにさらされ、その性質及び/又は組織に変化をきたすような一連の操作。
備考:鉄鋼製品の化学成分がこの操作の間に変化することもある。

熱処理の基本

熱処理には「焼入れ」「焼もどし」「焼なまし」「焼ならし」などの加工方法があり、硬くしたり、軟らかくしたり、さびにくくしたり、表面を均一化したり、さまざまな目的のために行われます。その中でも基本となる処理が硬さなどの機械的性質を調整する「焼入れ・焼もどし」です。ここでは、工具などの鉄鋼製品には欠かせない「焼入れ・焼もどし」を中心にご説明します。

熱処理の基本的な分類

一般的な鋼は約700℃まで加熱すると素材が赤づき、結晶構造や性質の変化がはじまります。この性質変化を「変態」、その変化がはじまる温度を「変態温度」と呼びます。変態温度を超えると鋼は軟らかいオーステナイトと呼ばれる組織に変化します。その後に鋼が黒づく温度(約550℃)まで冷却すると、オーステナイトは硬いマルテンサイトという組織に変化します。

手作業での熱処理の様子
手作業での熱処理の様子

刃物の製造で鋼を真っ赤になるまで熱し、水で急速に冷やす光景を目にしたことのある方も多いのではないでしょうか? 鋼は熱したあとに急激に冷却すると硬くなるため、この性質を利用して素材を硬くする熱処理が「焼入れ」というわけです。その際、素早く約550℃以下まで冷却しなければ硬化しないため、焼入れでは冷却時間と冷却温度も非常に重要な要素になっています。

表面の温度変化の流れ
表面の温度変化の流れ

加熱後に急激に冷却すると鋼が変態して硬くなる

しかし、焼入れした鋼は硬く脆い性質になるため、実際に使用するには変態温度を超えない範囲で再加熱する「焼もどし」を行なう必要があります。焼もどしを行なうことで、硬くて強い素材になるというわけです。

その他の熱処理の方法
その他の熱処理の方法

このほかにも焼なましや焼ならしなどの処理もありますが、まずは熱処理において加熱温度と冷却速度・温度が大切だと覚えておきましょう。

焼入れ・焼もどし・焼なまし・焼ならしについて

熱処理の大まかな分類

熱処理にはさまざまな加工方法がありますが、大きく全体熱処理と表面熱処理に分けることができます。

全体熱処理

素材全体を変態させる熱処理で、大きく「一般熱処理」と「特殊熱処理」に分類されます。

一般熱処理と特殊熱処理の違い

一般熱処理は「焼入れ」「焼もどし」「焼なまし」「焼ならし」、特殊熱処理は「固溶化処理」「サブゼロ処理」などが該当します。一般熱処理に対して、特殊熱処理は一般熱処理を加えた材質をさらに改善する目的で採用されます。

焼入れ・焼もどし・焼なまし・焼ならしについて

表面熱処理

内部組織はそのまま、素材表面のみを変態させる熱加工で、「表面硬化熱処理」と「表面改善熱処理」に分類されます。

表面硬化熱処理と表面改善熱処理の違い

表面硬化熱処理は、加熱・冷却することで表面のみを硬化させる熱処理です。一方表面改質熱処理は窒素や硫黄などを拡散・蒸着させて表面の改善を行なう手法です。

熱処理の大まかな分類

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