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種類に分類できます。加熱媒体、加熱温度、冷却方法によって、それぞれのカテゴリーはさらにいくつかの異なる熱処理プロセスに細分化されます。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、結果として異なる特性を持つことになります。鋼は産業界で最も広く使用されている金属であり、その微細構造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存在します。

全体熱処理とは、金属を熱処理する際に、ワークピース全体を加熱し、適切な速度で冷却することで、その機械的特性を変化させるプロセスです。鋼の全体熱処理は、一般的に焼きなまし、焼きならし、焼き入れ、焼き戻しの4つの基本プロセスから構成されます。

1.焼きなまし

焼きなましとは、加工対象物を適切な温度まで加熱し、材料や加工対象物のサイズに応じて保持時間を変え、その後ゆっくりと冷却する工程です。その目的は、金属の内部構造を平衡状態に近づけること、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。これにより、良好な加工性能と使用性能を得ることができ、また、その後の焼入れ工程に向けて構造を整えることができます。

2.正規化

焼きならしとは、加工対象物を適切な温度まで加熱し、その後空気中で冷却する処理のことです。焼きならしの効果は焼きなましと似ていますが、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用いられ、特定の要求を満たすために用いられることもあります。最終熱処理としては、高品位部品には適していません。

3. 急冷

焼入れとは、加工対象物を加熱して一定時間保持した後、水、油、その他の無機塩溶液、有機水溶液などの焼入れ媒体中で急速に冷却することである。

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。鋼部品の脆性を低減するために、焼入れされた鋼部品は室温より高く650℃以下の適切な温度で長時間保持され、その後冷却されます。この工程は焼き戻しと呼ばれます。焼鈍、焼ならし、焼入れ、焼き戻しは、総合的な熱処理における「4つの工程」です。中でも、焼入れと焼き戻しは密接に関連しており、しばしば一緒に用いられ、不可欠です。

「四つの火」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発展させてきました。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呼びます。一部の合金は、焼入れによって過飽和固溶体を形成した後、室温またはそれよりやや高い温度で長時間保持することで、合金の硬度、強度、または電磁特性を向上させます。この熱処理プロセスを時効処理と呼びます。

圧力加工による変形と熱処理を効果的かつ密接に組み合わせることで、加工物の強度と靭性を向上させる方法を変形熱処理といい、負圧雰囲気または真空中で熱処理を行う方法を真空熱処理といい、加工物の酸化や脱炭を防ぎ、処理後の加工物の表面を滑らかで清潔に保ち、加工物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ある。

現在、レーザー技術とプラズマ技術の成熟度が高まるにつれ、これらの技術を用いて、通常の鋼製ワークピースの表面に耐摩耗性、耐腐食性、耐熱性などのコーティング層を形成し、元のワークピースの表面特性を変化させる技術が開発されている。この新しい技術は表面改質と呼ばれている。