鋼の熱処理は、鋼を固体状態で加熱、保持、冷却することで内部の微細構造を変化させ、所望の特性を得るプロセスです。熱処理により、鋳物や鍛造品などの部品ブランクの欠陥を除去し、被削性、成形性などの加工特性を向上させ、鋼の機械的特性を高めることができます。鋼の潜在能力を最大限に活用することで、熱処理は生産コストの削減、部品の性能向上、製品寿命の延長につながります。
I. 焼入れ
鋼の熱処理プロセスは、鋼を亜共析鋼の臨界温度 Ac3 または過共析鋼の臨界温度 Ac1 を超える温度に加熱し、一定時間保持して完全または部分的なオーステナイト化を達成した後、臨界冷却速度よりも速い速度で Ms 温度未満まで急速に冷却するか、または Ms 付近で等温に保持してマルテンサイト変態を促進するものです。
焼入れという用語は、溶解処理や、例えば他の材料の急速冷却を伴う熱処理を指す場合にもよく使用されます。 アルミニウム合金、銅合金、チタン合金など。
焼入れの目的
- 金属半製品または部品の機械的特性を強化します。例えば、工具やベアリングの硬度と耐摩耗性を高め、バネの弾性限界を改善し、シャフト部品の全体的な機械的特性を向上させます。
- 特定の特殊鋼の材料特性または化学的特性を改善する。例としては、 ステンレス鋼の耐食性 または磁性鋼の永久磁性を強化する。
焼入れ冷却においては、適切な焼入れ媒体を選択するだけでなく、適切な焼入れ方法を採用する必要があります。一般的な焼入れ方法には、シングルバス焼入れ、ダブルバス焼入れ、マルクエンチング、オーステンパリング、局部焼入れなどがあります。
焼入れ後の鋼の特性
- マルテンサイト、ベイナイト、残留オーステナイトなどの不安定または非平衡の微細構造の形成。
- 高い内部応力または残留応力の存在。
- 得られた機械的特性は通常、使用には不十分です。そのため、鋼材は通常、焼入れ後に焼戻し処理が必要となります。
II. 焼き戻し
テンパリング 焼入れされた金属製品または部品を特定の温度まで加熱し、一定時間保持した後、制御された速度で冷却する熱処理プロセスです。焼戻しは焼入れ直後に行われ、通常は熱処理の最終段階です。焼入れと焼戻しを組み合わせたプロセスは、最終処理または焼入れ・焼戻しプロセスと呼ばれることがよくあります。
焼き入れの目的
- 内部応力を低減し、脆さを低下させます。焼入れ部品は高い応力と脆さを帯びており、適切なタイミングで焼戻しを行わないと、変形やひび割れが発生しやすくなります。
- ワークピースの機械的特性を調整します。焼入れ後の部品は硬度が高く、脆性も高くなります。焼戻しは、硬度、強度、延性（塑性）、靭性の組み合わせを調整し、様々な部品の多様な性能要件を満たすために使用されます。
- ワークピースの寸法を安定させます。焼戻しは微細構造の安定化を促進し、その後の使用中に寸法変化が生じないようにします。
- 特定の合金鋼の機械加工性を向上させます。
- 微細構造の安定性を高め、ワークピースの耐用年数中に微細構造の変化を防ぎ、安定した形状と性能を維持します。
- 内部応力を排除することで、サービス パフォーマンスが向上し、部品の形状が安定します。
- 使用要件を満たすように鋼鉄の機械的特性を調整します。
これらの効果は、高温によって原子の移動度が増加し、鉄、炭素、その他の合金元素の原子がより速く拡散するために発生します。これにより原子の再配置と再結合が促進され、不安定で非平衡な微細構造が徐々に安定した平衡構造へと変化します。内部応力の除去は、高温における金属強度の低下にも関連しています。
一般的に、鋼の焼戻しは硬度と強度の低下、延性の増加をもたらします。焼戻し温度が高いほど、これらの機械的特性の変化は大きくなります。しかし、一部の高合金鋼では、特定の温度範囲で焼戻しを行うと微細な金属化合物が析出し、強度と硬度が増加します。この現象は二次硬化として知られています。
焼き戻し要件: 用途の異なるワークピースは、その使用要件を満たすために異なる温度で焼き戻しする必要があります。
- 低温焼戻し（150～250℃）：工具、軸受、浸炭焼入れ部品、表面硬化部品などに用いられます。低温焼戻しにより、硬度の変化は少なく、内部応力は低減し、靭性はわずかに向上します。
- 中温焼戻し（350～500℃）：高弾性と必要な靭性を得るためにばねに使用されます。
- 高温焼戻し（500～600℃）：中炭素構造用鋼の部品に適用され、強度と靭性の好ましい組み合わせを実現します。
鋼を300℃付近で焼戻しすると、脆さが増すことがよくあります。この現象は焼戻し脆性タイプIとして知られています。この温度域での焼戻しは一般的に避けるべきです。また、一部の中炭素合金構造用鋼は、高温焼戻し後に室温までゆっくりと冷却すると脆くなる傾向があります。これは焼戻し脆性タイプIと呼ばれます。
鋼にモリブデンを添加するか、焼戻し中に油または水中で急冷することで、焼戻し脆性II型の発生を防ぐことができます。焼戻し脆性II型が発生しやすい鋼は、元の高温焼戻し温度まで再加熱することで、この脆性を除去することができます。
製造業では、必要な特性に応じて、加熱温度に基づいて焼き戻しが分類されることが多いです。
- 低温焼戻し（150～250℃）：ミクロ組織は焼戻しマルテンサイトです。内部応力と脆性を低減し、延性と靭性を向上させ、高い硬度と耐摩耗性を維持します。ゲージ、切削工具、転がり軸受などに使用されます。
- 中温焼戻し（350～500℃）：ミクロ組織はトルースタイト。一定の延性と硬度を有し、高い弾性を示す。バネや鍛造金型などに用いられる。
- 高温焼戻し（500～650℃）：ミクロ組織はソルバイト。優れた機械的特性が得られます。ギアやクランクシャフトなどに使用されます。
焼入れとそれに続く高温焼戻しの組み合わせは焼入れ焼戻しと呼ばれ、優れた延性と靭性を兼ね備えた高強度が得られます。
III. 正規化
焼準処理は、鋼の靭性を向上させるための熱処理です。鋼部品をAc3温度より30～50℃高い温度に加熱し、一定時間保持した後、炉外で静止空気中で冷却します。主な特徴は、冷却速度が焼鈍処理よりも速く、焼入れよりも遅いことです。焼準処理では、このわずかに速い冷却速度を利用して鋼の結晶粒組織を微細化します。これにより、十分な強度が得られるだけでなく、靭性（AKV値で測定）が大幅に向上し、部品の割れ感受性が低下します。一部の低合金熱間圧延鋼板、低合金鋼鍛造品、鋳物では、焼準処理によって全体的な機械的特性が大幅に向上し、被削性も向上します。
正規化の応用
亜共析鋼：焼準処理は、鋳物、鍛造品、溶接部における粗大な過熱結晶粒組織やウィドマンシュテッテン組織を除去するため、また圧延品における帯状組織を除去するために用いられます。焼準処理は結晶粒を微細化し、焼入れ前の予備熱処理として機能します。
過共析鋼: 焼準により二次セメンタイトのネットワークまたは粒界膜を除去し、パーライトを微細化することができます。これにより機械的特性が向上するだけでなく、その後の球状化焼鈍も容易になります。
低炭素鋼：焼ならし処理により微細なラメラパーライトが増加し、硬度がHB140～190に上昇します。これにより切削時の「固着」が防止され、被削性が向上します。中炭素鋼の場合、焼ならし処理と焼鈍処理の両方が可能な場合、焼ならし処理の方が経済的かつ簡便な場合が多くあります。
中炭素構造用鋼：機械的特性に対する要求がそれほど高くない場合、焼入れおよび高温焼戻しの代わりに焼ならし処理を施すことができます。これにより作業が簡素化され、鋼の微細組織と寸法が安定します。
高温焼準（Ac3より150～200℃高い温度）：高温での拡散速度が高いため、このプロセスでは鋳物や鍛造品における成分偏析を低減できます。高温焼準によって生じた粗大結晶粒は、その後に低温で行われる第2の焼準工程によって微細化できます。
蒸気タービンやボイラーに使用される特定の低炭素および中炭素合金鋼では、ベイナイト組織を得るために焼きならし処理がよく使用され、その後に高温焼き戻しが行われることで、400 ～ 550°C で優れたクリープ耐性が得られます。
鋼の部品や材料に加えて、焼準処理は、延性（球状化）鋳鉄の熱処理において、パーライトマトリックスを得て強度を高めるために広く使用されています。
焼ならし処理は空冷が特徴であるため、周囲温度、積み重ね方法、空気流、ワークピースのサイズはすべて、得られるミクロ組織と特性に影響を与えます。焼ならし処理後のミクロ組織は、合金鋼の分類方法としても使用できます。合金鋼は、通常、直径25mmのサンプルを900℃に加熱し、空冷した際に得られるミクロ組織に基づいて、パーライト鋼、ベイナイト鋼、マルテンサイト鋼、オーステナイト鋼に分類されます。
IV. アニーリング
アニーリング 焼鈍は、金属を特定の温度までゆっくりと加熱し、十分な時間保持した後、適切な速度で冷却する金属熱処理プロセスです。焼鈍熱処理は、完全焼鈍、不完全焼鈍、応力除去焼鈍に分類されます。焼鈍された材料の機械的特性は、引張試験または硬度試験によって評価できます。多くの鋼材は焼鈍された状態で供給されます。鋼材の硬度試験にはロックウェル硬度計が使用され、薄板、帯鋼、薄肉パイプの場合はサーフィシャルロックウェル硬度計が使用されます。
アニーリングの目的
- 鋳造、鍛造、圧延、溶接によって生じるさまざまな微細構造欠陥や残留応力を改善または除去し、ワークの変形や割れを防止します。
- ワークピースを柔らかくして、 機械加工.
- 粒子構造を改良し、微細構造を改善して、ワークピースの機械的特性を強化します。
- 最終熱処理のために微細構造を準備します。
一般的なアニーリングプロセス
完全焼鈍または均質化焼鈍：中炭素鋼および低炭素鋼の鋳造、鍛造、溶接工程で生じる粗大で過熱された組織（機械的特性の劣る）を微細化するために使用されます。ワークピースは、すべてのフェライトがオーステナイトに変態する温度より30～50℃高い温度に加熱され、一定時間保持された後、炉内でゆっくりと冷却されます。冷却中にオーステナイトが再変態し、微細化された鋼組織が得られます。
球状化焼鈍：工具鋼や軸受鋼の鍛造後の高硬度を低下させるために使用されます。ワークピースは、鋼がオーステナイト相を形成し始める温度より20～40℃高い温度に加熱され、保持された後、徐冷されます。冷却中に、パーライト中の層状セメンタイトが球状または球状の粒子に変化し、硬度が低下します。
等温焼鈍：機械加工用途において、高ニッケル・高クロム合金構造用鋼の高硬度を低減するために使用されます。部品は通常、オーステナイトが最も不安定になる温度まで比較的急速に冷却され、適切な時間保持されます。その後、オーステナイトはトルースタイトまたはソルバイトに変態し、硬度が低下します。
再結晶焼鈍：冷間引抜および冷間圧延によって金属線材および板材に生じる加工硬化効果（硬度の上昇、延性の低下）を除去するために用いられます。加熱温度は通常、鋼がオーステナイト相を形成し始める温度より50～150℃低い温度です。この温度範囲は、加工硬化効果を除去し、金属を軟化させるために必要な温度です。
黒鉛化焼鈍：多量のセメンタイトを含む鋳鉄を、良好な可塑性を有する延性鋳鉄または可鍛鋳鉄に変化させるために使用されます。このプロセスでは、鋳物を約950℃に加熱し、一定時間保持した後、適切に冷却することで、セメンタイトを分解し、綿状の黒鉛を形成します。
拡散焼鈍または均質化：合金鋳物の化学組成を均質化し、その使用性能を向上させるために用いられます。この方法では、鋳物を溶融させずに可能な限り高温まで加熱し、長時間保持します。これにより、合金中の様々な元素が均一に拡散し、その後、鋳物をゆっくりと冷却します。
応力除去焼鈍：鋳鋼品および溶接部品の内部応力を除去するために用いられます。鋼製品の場合、オーステナイト相の形成開始温度より100～200℃低い温度に加熱し、保持した後、空気中で冷却することで内部応力を除去します。
