金属熱処理の3つのカテゴリー

金属の熱処理プロセスは、大きく分けて全体熱処理、表面熱処理、化学熱処理の3つに分類されます。加熱媒体、加熱温度、冷却方法の違いにより、それぞれ異なる熱処理プロセスに分類されます。異なる熱処理プロセスを用いることで、同じ金属でも異なる組織が得られ、異なる特性を持つことができます。鋼は産業界で最も広く使用されている金属であり、その微細組織も最も複雑であるため、鋼の熱処理プロセスには多くの種類があります。

全体熱処理とは、ワーク全体を加熱し、適切な速度で冷却することで全体的な機械的特性を変化させる金属熱処理プロセスです。鋼の全体熱処理は、一般的に、焼鈍、焼ならし、焼入れ、焼戻しの4つの基本プロセスで構成されます。

1.アニーリング

焼鈍とは、ワークピースを適切な温度に加熱し、材質やサイズに応じて異なる保持時間を設け、その後ゆっくりと冷却することです。その目的は、金属の内部構造を平衡状態に到達または近づけること、あるいは前工程で発生した内部応力を解放することです。良好なプロセス性能とサービス性能を得るため、あるいは更なる焼入れのための組織を準備するためです。

2.正規化

焼ならしまたは焼きならしとは、ワークピースを適切な温度に加熱し、その後空気中で冷却することです。焼ならしの効果は焼鈍と似ていますが、得られる組織がより微細になります。材料の切削性能を向上させるためによく使用され、特定の要件を満たすために使用されることもあります。最終熱処理として高強度部品に使用されることはありません。

3.焼入れ

焼入れとは、ワークピースを加熱して保持し、その後、水、油、その他の無機塩溶液、有機水溶液などの焼入れ媒体で急速に冷却することです。

4.焼き戻し

焼入れ後、鋼は硬くなりますが、同時に脆くなります。鋼部品の脆さを軽減するために、焼入れされた鋼部品は室温以上650℃以下の適切な温度に長時間保持され、その後冷却されます。この工程は焼戻しと呼ばれます。焼鈍、焼ならし、焼入れ、焼戻しは、熱処理における「四火」と呼ばれています。その中でも、焼入れと焼戻しは密接に関連しており、しばしば併用され、必要不可欠なものです。

「四火」は、加熱温度と冷却方法が異なる様々な熱処理プロセスを開発してきました。一定の強度と靭性を得るために、焼入れと高温焼戻しを組み合わせたプロセスを焼入れ焼戻しといいます。一部の合金は、焼入れによって過飽和固溶体を形成させた後、室温またはわずかに高い温度で長時間保持することで、合金の硬度、強度、または電磁気特性を向上させます。この熱処理プロセスは時効処理と呼ばれます。

加圧加工による変形と熱処理を効果的に密接に組み合わせ、ワークピースの良好な強度と靭性を得る方法を変形熱処理といいます。一方、負圧雰囲気または真空中で熱処理を行うことを真空熱処理といいます。真空熱処理は、ワークピースの酸化や脱炭を防ぎ、処理後のワークピースの表面を滑らかで清浄に保ち、ワークピースの性能を向上させるだけでなく、浸透剤による化学熱処理も可能です。

現在、レーザー技術とプラズマ技術の成熟に伴い、これらの2つの技術は、一般的な鋼材の表面に耐摩耗性、耐腐食性、または耐熱性などのコーティング層を塗布することで、元の鋼材の表面特性を変化させるために使用されています。この新しい技術は表面改質と呼ばれています。