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熱処理の基本

焼入れ・焼もどし・焼なまし・焼ならし

熱処理で押さえておきたい4つの基本パターン

鋼材に用いられる熱処理の基本は、「焼入れ」「焼もどし」「焼なまし」「焼ならし」の4つ。いずれも鋼材を構成する微細な組織を加熱・冷却により調整して、目的の性質(硬さ・強さ・軟らかさなど)を得る方法です。

焼入れ〜鋼を硬くする〜

鋼を変態点(組織の構造が変化するポイント)以上の温度まで上昇させ、一定時間置いた後、急激に冷却することを「焼入れ」と呼びます。英語ではハードニング(Hardening:硬くする)やクエンチング(Quenching:急冷する)、もしくはクエンチ・ハードニング(Quench Hardening:急冷して硬くする)などと呼ばれます。JISの加工記号では「HQ」と記載されます。

鋼を硬くすることが焼入れの目的ですが、硬化の程度は鋼に含まれる炭素量で決まります。炭素だけでなく、さまざまな合金元素によっても最高硬さや硬化の深さが変化します。その変化の度合が高い鋼ほど「焼入れ性がよい」と言われます。なお、焼入れ性がよい鋼種は空気や油など冷却媒体を選びませんが、反対に焼入れ性が悪い鋼種の場合は水などで急速に冷却しないと目的の硬さが得られません。

また、処理物が大きくなればなるほど冷却速度が遅くなる傾向があり、これを質量効果と呼びます。長尺物を熱処理する場合は、質量効果を念頭に置いて工程設計する必要があります。

焼入れ

焼もどし〜鋼を強靭にする〜

焼入れによって鋼の組織はマルテンサイト化して硬くなりますが、そのままではもろく、割れなどが生じやすい状態です。「焼もどし」とはそこからさらに再加熱して硬さを調整しながら、粘りや強靭性を高める作業です。英語ではテンパリングと呼ばれ、JISの加工記号では「HT」と記載されます。

基本的に焼入れと焼もどしはワンセットで行い、硬くて丈夫な製品づくりに生かします。もし、焼入れだけで作られた工具や部品があったとすると、すぐに破損したりキズが付いたりして使い物にならないでしょう。なお、この焼入れは低温焼もどしと高温焼もどしに大別できます。

焼もどし

低温焼もどし

焼もどし温度は150〜200℃で保持時間は1時間。このプロセスで硬くてもろい焼入れマルテンサイトが粘りのある焼もどしマルテンサイトに変化します。また焼入れによるストレスが取り除けるので、耐摩耗性や割れなどが防止できるほか経年変化にも強くなります。

高温焼もどし

高温焼もどしは強靭性が必要なシャフトや歯車類、工具類の製造に用いられます。処理は550〜650℃の高温で1時間程度加熱した後、空気で急冷しますが、同時に焼入れで残っていたオーステナイトがマルテンサイトに変化するので、これをさらにもう1回焼もどしします。

焼なまし〜鋼を軟らかく、加工しやすくする〜

工具や機械部品を製作するには切削が容易な鋼が理想的です。そのためには鋼を軟らかくする処理が欠かせません。それが「焼なまし(焼鈍:しょうどん)」と呼ばれる熱処理です。英語ではアニーリングと呼ばれ、JISの加工記号では「HA」と記載されます。

焼なましには組織を均一にする役割もあり、処理が不完全だと鋼材の組織や硬さが不均一となり、機械加工に適さなかったり、加工ムラが生じる一因となったりします。さらに、加工の際に曲がりや反りが発生したり、焼入れした場合の硬さにもバラつきが生じたりすることもあります。

焼なましには、目的によって「拡散焼なまし」「完全焼なまし」「球状焼なまし」「等温変態焼なまし」「応力除去焼なまし」などに分けられます。例えば低温で応力を除去する「応力除去焼なまし」、高温で成分や不純物を均一化する「拡散焼なまし」など、目的に合わせた温度で焼なましを行なうことで、さまざまな性質改善が実現できます。

焼なまし

焼ならし〜鋼の組織を均一にする〜

鉄鋼製部品の材料となる鋼材は、鋳造・鍛造・圧延という方法で作られますが、いずれの製造法でもそのままでは加工によって生じたひずみにより鋼の組織が不均一となっているため、強度をはじめとする機械的性質が十分ではありません。そこで、鋼の組織を均一化、微細化する手法が「焼ならし(焼準:しょうじゅん)」です。英語ではノーマライジングと呼ばれ、JISの加工記号では「HNR」と記載されます。

変態点より高めの温度で再加熱し、空冷することで結晶粒が微細化するので強靭性などの性質が向上し、同時に残留応力(外部からの力や熱が内部に残る現象)が除去できます。

焼ならし

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