金属の熱処理プロセス

熱処理は、金属を所定の温度に加熱し、一定時間保持した後、制御された速度で冷却することにより、金属内部の微細組織を変化させ、機械的特性を調整するプロセスです。工程は大きく三つの段階に分けられます。まず「加熱段階」では、金属の種類や形状に応じた適切な加熱方法の制御が重要です。加熱過程中の化学反応を抑制するため、金属材料に安定した加熱環境を提供する必要があります。続く「保持段階」では、材料と目標とする特性に基づいて保持温度と時間を設定します。均一な温度分布を維持することで、金属内部組織の変態を促進し、組織の均一性を確保することが求められます。最後の「冷却段階」では、異なる金属材料の特性に応じて適切な冷却速度と方法を選択し、所望の材料特性を実現します。

熱処理ステップ図

熱処理は、金属の特性を向上させる一般的な手法であり、処理方法と目的に応じて、主に「全体熱処理」「表面熱処理」「化学熱処理」の3種類に分類されます。

全体熱処理：部材全体を加熱および冷却することで、内部組織と特性を制御する処理です。主なプロセスとして、「焼鈍し」「焼ならし」「焼入れ」「焼戻し」が含まれます。 

表面熱処理：部材の表層のみを加熱して特性を高める手法で、一般的な方法として「火炎焼入れ」と「高周波焼入れ（誘導加熱熱処理）」が挙げられます。

高周波焼入れ品の硬度試験図（黒皮付き表面）

化学熱処理：部材の表層の化学組成を変化させることで性能を向上させる手法です。具体的な例として、「浸炭」「窒化」「炭窒共渗」などがあります。

浸炭処理品の硬度試験図

次に、全体熱処理に含まれる代表的なプロセスについてご紹介 します。

焼なましは、金属材料を変態点付近または以下に加熱し、十分な時間保持した後、炉内や砂の中などでゆっくりと冷却する工程です。この処理により、素材内部の残留応力を効果的に除去でき、その後の加工や使用時の変形や割れを防ぐことができます。

焼ならしも一般的な熱処理技術の一つです。金属を変態点以上に加熱し、組織を十分にオーステナイト化させた後、空気中で自然冷却します。このプロセスにより、結晶粒が微細化され、組織が均一になることで、材料の靭性や疲労強度が向上します。硬度を低下させずに総合的な機械的特性を高めることが特徴です。

焼鈍しと焼ならしは、いずれも「軟化」を目的としたプロセスですが、焼ならしは焼なましに比べて冷却速度が速い点が異なります。

一方、焼入れは、金属を変態点以上に加熱して均一なオーステナイト組織を作り、その後、水や油などで急冷する工程です。これにより材料の硬度と強度は飛躍的に向上しますが、内部応力が増大し、脆くなりやすいという側面もあります。このため、焼入れ後には通常、焼もどし処理が不可欠です。

焼もどしは、焼入れされた素材をAC1点以下に再加熱し、一定時間保持した後に空冷する工程を指します。この処理により、焼入れによって生じた内部応力を緩和し、材料の靭性を回復させることで、使用時の安全性を高めることができます。

焼入れと焼もどしは、一連の「硬化」を目的とした組み合わせプロセスです。焼入れで硬度を高め、焼もどしで特性を調整して脆さを軽減する、相互に補完し合う関係にあります。

熱処理は、金属材料の特性を制御する上で重要な技術であり、主に材料の組織変化、機械的特性、残留応力に影響を及ぼします。以下では、これらの側面が具体的にどのように変化するかを見ていきましょう。

まず、熱処理により材料の内部組織は大きく変化します。その主な現れは、以下の三つの側面にあります：結晶粒サイズ、相組成、析出物です。

結晶粒サイズ：微細で均一な結晶粒は、材料の強度と靭性を同時に向上させることができます。一方、結晶粒が粗大化すると、機械的特性が劣化しやすいです。

相組成：異なる相の分布や比率は、材料の硬さ、強度、靭性に直接影響を与えます。

析出物：微細な第二相粒子の形状や分布は、素材の強度や耐磨耗性に大きく影響を及ぼします。

次に、こうした組織特性を制御することで、熱処理は材料の機械的特性を最適化します：

硬さ：素材の局部変形に対する抵抗性を示し、焼入れと焼戻しの工程によって調整されることが一般的です。

強度：材料が破断に抵抗する能力を指し、結晶微細化強化、固溶強化、析出強化などのメカニズムを通じて制御されます。

靭性：材料がエネルギーを吸収し、破壊を抑制する能力であり、一般的に結晶粒の微細化や相組成の調整によって向上させることができます。

さらに、熱処理の過程では、表面と内部の温度差によって残留応力が発生します。これを適切に制御しない場合、部品の寸法安定性や耐久性に悪影響を及ぼす可能性があります。

まとめると、熱処理は組織変化を精密に制御することで、材料の硬さ、強度、靭性、応力状態のバランスを適切に保ち、多様な応用シーンにおける性能要求を満たすことを可能にします。

サブゼロ処理品の硬度試験図

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