冶金学者に尋ねる：強化鋼とは何ですか？

機能性鋼にとって焼戻しはどのように重要か。

金属合金は、レシピの材料のように、元素の正確な組み合わせでできています。さまざまな調理技術が食品の風味を変えるのと同じように、これらの要素を熱の下で組み合わせる方法によって、合金の特性が変わります。

強化鋼は、金属の機械的特性を変化させて、金属をより強く、より耐性のあるものにします。これにより、工具、ばね、構造用鋼、さらには剣にも適した材料になります。

焼き戻し鋼の基本を見てみましょう…そして、焼き戻しのある鋼は、焼き戻しのない鋼よりも柔軟性があり、与えることができます。

冶金101

冶金学は、（金属生産に適用される）科学であると同時に金属の技術でもあります。これは、金属の化学的構成とその物理的および機械的属性に関係します。

冶金および焼戻し鋼を取り巻く一般的な用語は次のとおりです。

• 強さ ：鋼が永久的な変形や裂けにどれだけ耐えられるか
• タフネス ：鋼が破壊にどれだけ耐えられるか（多くの場合、強度が増すにつれて、靭性も増します）
• 硬度 ：金属がどれだけうまく鋼の引っかき傷やくぼみを作るか
• 耐衝撃性 ：鋼が最小限の変形で衝撃荷重にどれだけ耐えられるか（多くの場合、高強度靭性を持つこととしても知られています）
• 耐摩耗性 ：鋼が侵食、アブレーション、剥離、かじりにどれだけ耐えられるか（硬度とも呼ばれます）
• 構造的完全性 ：鋼が破砕せずに荷重にどれだけ耐えられるか

鋼は建設用の人気のある材料です。鋼に必要な2つの元素は鉄と炭素であり、合金には少量の他の金属も含まれていることがよくあります。鋼の炭素含有量は2.14％未満です。通常、高炭素合金は鋳鉄の一種です。合金には、マンガンと微量のシリコーン、リン、硫黄、および酸素が含まれていることがよくあります。鋼は耐久性と強度が非常に高いため、数十年以上使用でき、その特性を失うことなく何度もリサイクルできます。新しい鉄鋼生産の多くには、リサイクル鋼の量が含まれています。

鋼の微細構造

鋼の性質を変える方法を学ぶ前に、まずその微細構造を理解する必要があります。鋼を正確に加熱および冷却すると、その微細構造が変化します：

フェライト-体心立方（BCC）結晶構造

これは室温で純鉄です。また、炭素数が非常に少ない鋼についても説明できます。

各角に1つの分子があり、立方体の中央に1つの分子がある立方体を想像してみてください。分子はゆるく詰め込まれており、各立方体内に含まれる分子が少なくなっています。室温では、構造に0.006％の炭素しか追加できません。

オーステナイト-面心立方（FCC）結晶構造

この形態は、鉄基合金が1500Fから1800Fの間で加熱されたときに発生します。

立方体の各角に分子があり、立方体の各辺の中央に分子がある立方体を想像してみてください。これらの分子はフェライトよりも密に詰まっており、最大2％の炭素を含むことができます。

セメンタイト

炭素鋼をオーステナイト範囲まで加熱し、合金が存在しない状態で冷却すると、フェライトの形に戻ります。炭素含有量が0.006％を超えるとセメンタイトが形成され、炭素原子が鉄と結合して炭化鉄（Fe3C）を形成します。一部の材料はフェライトの形で残るため、純粋なセメンタイトの金属片を入手することはできません。

パーライト

フェライトとセメンタイトの交互の層は、パーライトと呼ばれる新しい構造を形成します。これは、鋼がゆっくりと冷却され、共晶混合物（2つの溶融材料が同時に結晶化する混合物）を形成するときに発生します。フェライトとセメンタイトを交互に形成します。

マルテンサイト-体心正方晶（BCT）結晶構造

この鋼の微細構造は、鋼を非常に急速に冷却することによって形成されます。これにより、炭素原子が鉄の格子に閉じ込められます。その結果、鉄と鋼の非常に硬い針のような構造になります。

これらの微細構造は、鋼の機械的特性を理解するために重要です。炭素含有量、合金濃度、および仕上げ方法はすべて、鋼の微細構造に寄与します。これを知ったら、焼戻し鋼のような正確な熱処理を通してその特性を操作する方法を学ぶことができます。

熱処理の概要

金属を熱処理すると、その物理的特性が変化します。強度、延性、靭性、硬度、耐食性を向上させることができます。

3つの一般的な熱処理があります：

• アニーリング ：金属を加熱して柔らかくした後、ゆっくりと冷却します。微細構造のゆっくりとした凍結は、大きくて丸い金属の粒子を作ります。これにより、金属の内部応力が取り除かれ、金属が当たったときにのみへこんだり曲がったりする可能性が高くなります。
• 焼入れ ：このプロセスでは、金属は急速に冷却されます（多くの場合、水浴または油浴で）。これにより、分子が急速に凍結します。急激な温度低下により、表面に小さなギザギザの粒子が多数発生します。粒子のギザギザのエッジが織り交ぜられ、金属が当たったときに曲がりにくくなります。表面が硬くなります。
• 焼き戻し ：製造または焼入れによって生じる過剰な硬度を減らすために、変更しようとしている特性に応じて、金属を特定の温度に特定の時間加熱することによって金属を強化することができます。

なぜ鋼を焼き戻すのですか？

鋼は、その用途に適した材料特性を与えるために焼き戻しされています。これらは次のようになります：

• 靭性を高めながら硬度を下げる（硬い材料は衝撃時の欠けに抵抗し、硬い材料はへこみに抵抗し、曲げる前に破壊します）
• 延性の向上（破損することなく形状を変更できるようにする）
• 耐摩耗性の向上
• 鋼をさらに加工する必要がある場合の機械加工性の向上

強化鋼プロセス

鋼を焼入れする前に、最初に鋼を焼入れして硬化させることがよくあります。次に、焼き戻し温度によって、金属から除去する硬度が決まります。温度が高いほど、より多くの硬度が除去されます。たとえば、硬い工具は低温で焼き戻しされますが、柔軟なばねは高温で焼き戻しされます。

鋼は、酸化を防ぐために、ガス、電気抵抗、または誘導炉内で真空または不活性ガスを使用して加熱されることがよくあります。鋼が指定された温度に加熱されたら、鋼の種類と達成したい機械的特性に応じて、設定された時間温度を保持します。

適切な温度に加熱されたことを知るために、温度計や温度ガンは必要ありません。焼戻し鋼は、焼戻し温度によって透明色に変化します。この色は、表面に形成される酸化物層によって形成されます。より高い温度は、その温度ゾーンで費やされるより長い時間枠と同様に、酸化鉄のより厚い層を作成します。この層は、鋼の腐食を防ぐのに役立ちます。

上の画像は、焼戻し鋼が金属上で作るさまざまな色を示しています：

• 左側から始まるのは正規化鋼です 。これは、上限臨界温度を超えて加熱され、静風で冷却された鋼です。
• 左から2番目は焼入れ鋼です 。それは急速に冷却された鋼です。
• 次の8つは、温度に基づいた焼き戻し鋼の色を示しています-130F（176C）から730F（388C）

焼戻し鋼の例（温度/色別）：

かすかな黄色	176C / 349F	彫刻家、かみそり、スクレーパー
ライトイエロー	205C / 401F	削岩機、リーマー、金属切断のこぎり
ダークストロー	226C / 439F	スクライバー、プレーナーブレード
ブラウン	260C / 500F	テープ、ダイ、ビット、ハンマー、コールドチゼル
紫	282C / 540F	手術器具、パンチ、石の彫刻ツール
ダークブルー	310C / 590F	ドライバー、レンチ
ライトブルー	337C / 639F	ばね、木ネジ
グレーブルー	371C / 700F	構造用鋼

焼戻し鋼と硬化の違いは何ですか？

焼戻し鋼と焼入れ鋼は、同じ合金に異なる能力を与えます。

焼入れ鋼はそれをより堅くし、引っかき傷やへこみを少なくします。ただし、この硬い表面はよりもろくなります。叩いてもインデントしませんが、衝撃力が強すぎると割れたり欠けたりします。焼き戻しを行うと、靭性を高めるためにある程度の硬度が失われます。靭性は、破壊や欠けに耐える能力ですが、トレードは、引っかき傷やへこみが発生しやすいということです。

多くの場合、最初に鋼を硬化させ、その後、特定の硬度と靭性の比率に達するまで鋼を焼き戻します。

刀とナイフの熱処理

焼き戻しはブレードスミスの重要な部分です。最高の剣のいくつかは、ディファレンシャルテンパリングと呼ばれるプロセスを通じて作成されます。異なる気性で、鍛冶屋は刃の中心に柔らかく、弾力性のあるコアを持つ非常に硬い刃の刃を作成することができます。これにより、ブレードの靭性が向上し、破損が防止されます。

日本では、刀は、焼入れと焼き戻しの間の変化の速度を制御するのを助けるために粘土の適用を使用することによって、しばしば異なって硬化または焼き戻しされました。粘土の厚さが異なると、変化の速度を制御するのに役立つ可能性があります。

他の差動焼戻しプロセスでは、熱はブレードの一部（多くの場合スパイン）にのみ適用されます。刀の製作者は、鋭い刃に向かって放射する刃の色が変化するのを見るでしょう。端が淡い麦わら色に近づいたら、熱を取り除きます。

「最新の」用途での熱処理と強化鋼

強化鋼はナイフや剣だけのものではありません。それは現代の生産における実際のアプリケーションを持っています。工具はしばしば非常に硬くなるように焼き入れされます。焼入れは、摩耗やへこみに耐える硬い加工エッジを作成するための工具鋼プロセスの一部です。精密工具は、多くの場合、このハードエッジを動作許容範囲内に保つ必要があります。ただし、ツール全体の完全性を保つために、後で脆性を減らすために焼き戻しが必要になる場合があります。ばね、構造用鋼、および特定の材料特性を必要とするその他の金属片も熱処理を受ける可能性があり、用途の材料ニーズに応じて、一定または異なる温度を生成します。

金属は、可鍛性の微細構造を持つ結晶として、合金の選択と熱処理の巧妙な組み合わせで問題を解決するためのさまざまな方法を材料科学者に提供します。