焼戻しは、様々な鋼材の性能を確保するための熱処理プロセスです。自動車エンジン部品や大型建設機械の構造部品などに適用されています。例えば、自動車のトランスミッションギアは、焼入れ・焼戻し処理を施すことで、正確な動力伝達を可能にし、ギアボックスのスムーズな作動を保証します。この記事では、焼戻しの基礎について説明します。
概要 of テンパリング
焼き入れは 熱処理 焼入れしたワークピースをAc1点より低い特定の温度まで加熱し、一定時間保持した後、室温まで冷却するプロセスです。焼戻しにより、ワークピースは必要な使用特性を得ることができます。
鋼は焼入れ直後に使用されることはほとんどありません。これは、焼入れ後のミクロ組織がマルテンサイトと残留オーステナイトから構成され、大きな内部応力を伴うためです。マルテンサイトは高い強度と硬度を有しますが、塑性が低く脆性が高いため、部品は内部応力下で変形や割れが生じやすくなります。さらに、焼入れ組織は不安定で、室温でゆっくりと分解し、体積変化やワークの歪みを引き起こす可能性があります。そのため、焼入れした部品は使用前に焼戻しを行う必要があります。
焼き戻しの機能
焼き戻しの目的は次のとおりです。
内部応力の軽減
焼入れされた金属材料には大きな内部応力が含まれており、部品の変形やひび割れにつながる可能性があります。焼戻しは、これらの内部応力を解放し、バランスをとるための効果的な手段となります。
例えば、大型の焼入れ金型では、焼入れ後すぐに内部応力を緩和しないと、使用中に金型が大きく変形し、製品の精度と品質が損なわれる可能性があります。焼戻しは金型内の応力分布をより均一にし、構造的な安定性を保証します。
硬度調整
焼入れされた金属材料は高い硬度を有しますが、脆くなりすぎることが多く、多くの実用用途には適しません。焼戻しにより、用途の要件に応じて硬度を適切な範囲に正確に調整することができます。
ハンマーヘッドや掘削機のバケットなど、衝撃荷重を受ける機械部品の場合、焼戻し処理によって硬度を適度に低下させながら靭性を高めることができます。この靭性の向上により、部品は運転中の衝撃力に容易に耐えることができ、破損しにくくなります。
微細構造の安定化
焼入れされた金属材料の微細組織は準安定状態にあります。焼戻しにより、微細組織はより安定した状態へと変化します。
鋼を例に挙げると、焼入れ直後のマルテンサイト組織は焼戻し処理によって分解し、焼戻しマルテンサイト、焼戻しトルースタイト、焼戻しソルバイトといったより安定した組織を形成します。これらの組織は優れた総合的な機械的特性を示し、長期間の使用においても材料の性能の長期安定性を保証します。例えば、自動車エンジンのクランクシャフトの製造において、焼戻しによって得られる安定した組織は、高温、高速、高負荷条件下でのクランクシャフトの長期にわたる安定した動作を保証し、ミクロ組織の不安定性による性能低下や故障を防止します。
靭性の向上
金属材料の靭性は、衝撃や大きな塑性変形を受けた際の破壊に対する耐性の尺度です。焼戻しは金属材料の靭性を大幅に向上させます。
薄肉部品や複雑な形状の部品の場合、 使用中に故障につながる可能性があります。焼戻し処理はこれらの部品の靭性を向上させ、様々な複雑な動作条件への適応性を高めます。例えば、航空宇宙分野の重要部品では、飛行の安全性を確保するために極めて高い靭性が求められるため、焼戻し処理は製造工程において不可欠なステップとなっています。
テンパリングの種類
焼き戻し温度によって3つの種類に分けられます。
低温焼戻し（250℃以下）
低温焼戻しにより、焼戻しマルテンサイト組織が生成されます。その目的は、焼入れ応力と脆性を低減することです。得られた焼戻しマルテンサイトは、高い硬度（通常58～64HRC）、高い強度、そして優れた耐摩耗性を示します。そのため、低温焼戻しは、切削工具、測定機器、転がり軸受、浸炭部品、高周波焼入れ面など、高い硬度と耐摩耗性が求められる部品に特に適しています。
中温焼戻し（250℃～500℃）
中温焼戻しにより、焼戻しトルースタイト組織が形成されます。これにより、鋼は高い弾性限界、比較的高い強度と硬度（通常35～50HRC）、そして優れた塑性と靭性を有します。中温焼戻しは、主に様々な弾性部品や熱間加工金型に使用されます。
高温焼戻し（500℃～650℃）
高温焼戻しにより、焼戻しソルバイト組織が形成されます。焼入れと高温焼戻しを組み合わせた熱処理工程は、焼入れ焼戻し、または「コンディショニング」と呼ばれます。コンディショニング後、鋼は優れた機械的特性（通常、硬度220～230 HBS）を有します。高温焼戻しは主に、クランクシャフト、コネクティングロッド、ボルト、自動車の車軸、工作機械のスピンドル、ギアなど、中炭素鋼または低合金鋼で作られた重要な機械部品に適用されます。
焼戻し脆性
一般的に、焼入れ鋼を焼戻しすると、焼戻し温度の上昇に伴い、強度と硬度は低下し、塑性と靭性は増加します。しかし、特定の温度範囲で焼戻しを行うと、鋼の衝撃靭性は著しく低下することがあります。焼入れ鋼を特定の温度範囲で焼戻し、あるいは焼戻し温度からその温度範囲をゆっくりと冷却することで生じるこの脆化現象を焼戻し脆性と呼びます。焼戻し脆性は、タイプ1とタイプ2に分けられます。
タイプ1の焼戻し脆性
このタイプの脆性は不可逆な焼戻し脆性です。この脆性は、焼入れ鋼を300℃前後で焼戻しすると発生し、タイプ1または不可逆な焼戻し脆性として知られています。ほとんどすべての鋼がこのタイプの脆性を示します。これは、焼戻し中にマルテンサイトラスまたはプレートの境界に沿って不連続な薄い殻状の炭化物が析出することに起因し、粒界の破壊強度が大幅に低下します。その結果、ワークピースは一般的に 250℃～350℃の範囲で焼き入れされます。
タイプ2の焼戻し脆性
このタイプの脆性は可逆的な焼戻し脆性です。この脆性は、Cr、Mn、Niなどの元素を含む合金鋼に発生します。これらの鋼を脆化温度域（400℃～550℃）で焼戻しした場合、または高温で焼戻しを行った後にこの温度域まで徐冷した場合に発生します。このタイプの脆性は、脆化温度域を超えて再焼戻しを行い、急冷することで解消できるため、可逆的な焼戻し脆性と呼ばれます。その後、鋼を脆化温度域で再焼戻しするか、脆化温度域まで徐冷すると、脆性が再び現れます。
原因は一般的に、Sb、Sn、Pなどの不純物元素が旧オーステナイト粒界に偏析することです。NiやCrなどの合金元素は、この不純物偏析を促進するだけでなく、粒界自体にも偏析するため、焼戻し脆性感受性を高めます。
予防方法は次のとおりです。
- 鋼中の不純物元素の含有量を最小限に抑えます。
- 粒界偏析を抑制できるモリブデン (Mo) などの元素を追加します。
- 小型から中型のワークの場合、このタイプの焼戻し脆性は、焼戻し後に急速に冷却することで抑制できます。
