熱処理の基礎知識：種類、方法、用途を徹底解説

この記事では、熱処理プロセスとは何か、その方法、種類、および目的、手順、用途について学びます。熱処理は、機械部品と工具の製造プロセスにおける必須操作です。

熱処理とは

熱処理は、組成を変えることなく、金属または合金を固体状態で加熱および冷却する操作として定義され、望ましい特定の特性を得るために行われます。

熱処理プロセスは、結晶粒サイズを変更し、材料の構造を改変し、熱間または冷間加工後に材料に生じた応力を除去するために実施されます。

• 熱処理は切削性を改善するために行われます。
• 磁気的および電気的特性を改善するため。
• 耐摩耗性、耐熱性、耐食性を向上させるため、その他多くの理由のために。

熱処理は、金属をその臨界温度付近または以上まで加熱し、その温度で特定の時間保持した後、空気、水、塩水、または溶融塩などの何らかの媒体で金属を冷却することで構成されます。熱処理プロセスには、焼鈍、表面硬化、焼戻し、正規化、焼入れ、窒化、シアン化などが含まれます。

熱処理プロセスの種類

以下は熱処理プロセスのさまざまな種類です：

1. 焼鈍
2. 正規化
3. 焼入れ
4. 焼戻し
5. 窒化
6. シアン化
7. 誘導焼入れ
8. 炎焼入れ

• 金属鋳造プロセスとは？完全ガイド
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熱処理の種類

1. 焼鈍

焼鈍は、熱処理の中で最も重要なプロセスの一つです。鉄鋼の熱処理において最も広く使用されている操作の一つで、軟化プロセスと定義されます。

上部臨界温度より30〜50℃高く加熱し、炉の中で非常に遅い速度で冷却します。焼鈍の主な目的は、鋼をより延性と展延性に富むものにし、内部応力を除去することです。このプロセスにより鋼が軟らかくなり、容易に機械加工できるようになります。

1.1 焼鈍の目的

• 鋼を軟らかくし、切削性を改善する。
• 結晶粒を微細化し、ガスを除去する。
• 前工程で発生した内部応力を除去する。
• 所望の延性、展延性、靭性を得る。
• 電気的および磁気的特性を改変する。

1.2 焼鈍の手順

炭素含有量に応じて、鋼をその臨界温度範囲より約50〜55℃高い温度まで加熱します。炉の種類と工作物の性質に応じて、一定期間この温度で保持します。その後、鋼を炉内で徐冷させます。

1.3 焼鈍の用途

鋳造品と鍛造品に適用されます。

2. 正規化

正規化：正規化の主な目的は、冷間加工プロセス後に発生した内部応力を除去することです。上部臨界温度より30〜50℃高く加熱し、空気中で冷却します。

機械的および電気的特性、切削性、引張強さを改善します。正規化は、構造を正常な状態に復元するために実施される熱処理プロセスです。

2.1 正規化の目的

• 組織の均一性を促進する。
• 結晶粒の微細化を確保する。
• 鋼の特性に望ましい変化をもたらす。

2.2 正規化の手順

鋼をその上部臨界温度より約40〜50℃高い温度まで加熱します。短時間この温度で保持します。その後、室温の静止空気中で冷却させます。これは空冷（エアクエンチング）として知られています。

2.3 正規化の用途

• 鋳造品と鍛造品に適用し、結晶粒構造を微細化し応力を除去する。
• 圧延、スタンピング、ハンマリングなどの冷間加工後に適用する。

3. 焼入れ

焼入れ：焼入れプロセスの主な目的は、鋼を硬く靭くすることです。このプロセスでは、鋼を上部臨界温度より30〜40℃高く加熱し、その後水または油で焼入れして室温まで連続冷却します。これは焼鈍の逆のプロセスです。

3.1 焼入れの目的

• 焼入れにより鋼の硬度を増加させる。
• 耐摩耗性を付与する。
• 鋼が他の金属を切削できるようにする。

3.2 焼入れの手順

鋼をその臨界温度範囲以上まで加熱します。一定期間その温度で保持します。その後、焼入れ媒体で急冷します。

焼入れ媒体は、望まれる硬度の程度に応じて選択されます。空気、水、塩水、油、溶融塩が焼入れ媒体として使用されます。ナイフ刃のような薄い断面は空気で冷却されます。水は広く使用される媒体ですが、金属表面に気泡が形成される結果となります。

したがって、これを防ぐために塩水溶液が使用されます。歪みや割れのリスクがある場合に油が使用され、合金鋼に適しています。溶融塩は、薄い断面を冷却してクラックフリーで耐衝撃性のある製品を得るために使用されます。

3.3 焼入れの用途

ノミ、大ハンマー、手持ちハンマー、センターポンチ、タップ、ダイス、フライスカッター、ナイフ刃、ギアに適用されます。

4. 焼戻し

焼戻し：焼入れプロセスで鋼試験片を硬化させると、脆くなり高い残留応力を持ちます。焼入れによって硬化された鋼の特性を改変し、その有用性を高める目的で使用される操作です。

焼戻しまたはドローイングは、脆性の低減と焼入れ時に生じた内部ひずみの除去をもたらします。鋼は焼入れプロセス後に必ず焼戻しを行わなければなりません。

焼戻しは、鋼に要求される有用性に応じて以下の3つのカテゴリに分類されます：

• 低温焼戻し
• 中温焼戻し
• 高温焼戻し

4.1 焼戻しの目的

• 焼入れによって生じた内部応力を除去する。
• 脆性を低減する。
• 延性、強度、靭性を改善する。
• 耐摩耗性を向上させる。
• 所望の機械的特性を得る。

4.2 焼戻しの手順

焼入れプロセスで焼入れされた鋼を、使用される温度範囲よりわずかに高い温度まで再加熱しますが、下部臨界温度以下です。ここでの温度は100℃〜700℃の範囲で変化します。

再加熱は、油浴、溶融鉛浴、または溶融塩浴で行われます。試験片は、組成と鋼の望まれる品質に依存する期間、均一に温度に達するまで浴内で保持されます。その後、試験片を浴から取り出し、静止空気中でゆっくり冷却させます。

4.3 焼戻しの用途

焼入れプロセスで硬化された切削工具、工具、ギアに適用されます。

5. 窒化

窒化は、窒素ガスを用いて金属の硬い表皮を得るためのケース硬化または表面硬化のプロセスです。このプロセスでは、アンモニア雰囲気中で鋼を加熱します。

これにより、窒素原子が堆積し材料を硬化させます。誘導焼入れと炎焼入れでは、酸素-アセチレン炎で物体を加熱します。

5.1 窒化の目的

• 鋼の表面を一定の深さまで硬化させる。
• 耐摩耗性と耐疲労性を向上させる。
• 耐食性を向上させる。

5.2 窒化の手順

450℃〜510℃の温度範囲を維持する電気炉で行われます。部品はよく機械加工され仕上げられ、出口と入口チューブが設けられた密閉容器に配置され、アンモニアガスが循環されます。

部品を入れた容器を炉に入れ、炉を加熱しながらアンモニアガスを通過させます。

加熱プロセス中、アンモニアから原子状窒素の形で窒素ガスが放出され、部品の表面と反応して窒化鉄を形成します。

浸透深度は、窒化温度で費やされた時間の長さに依存します。部品を取り出し、さらなる焼入れや熱処理は不要です。

5.3 窒化の用途

• 中炭素合金鋼の表面硬化に適用されます。

6. シアン化

シアン化：このプロセスでは、ナトリウムシアン化物雰囲気中で鋼を加熱します。これにより、炭素と窒素原子が鋼の表面に堆積し、硬化させます。

6.1 シアン化の目的

• この方法は、ギア、シャフト、リストピンなどの中小型部品の疲労限度を増加させるのに効果的です。
• 表面硬度を増加させる。
• 耐摩耗性を向上させる。
• 硬化表面に清潔で明るく美しい外観を与える。

6.2 シアン化の手順

処理される部品を、950℃で維持される溶融シアン化物塩浴に浸漬します。使用される溶融塩は、塩化ナトリウム、炭酸ナトリウム、シアン化ナトリウム、ソーダ灰です。

浸漬された物品を、950℃の溶融シアン化物塩中に約15〜20分間放置します。シアン化ナトリウムの分解により一酸化炭素から窒素と炭素が生成され、表面に拡散して表面を硬化させます。その後、部品を浴から取り出し、水または油で焼入れします。

6.3 シアン化の用途

• ギア、ブッシュ、ネジ、ピン、小型手工具など、薄く硬い耐摩耗表面を必要とする小物品に適用されます。

7. 浸炭

浸炭：このプロセスでは、炭素雰囲気中で鋼を加熱します。これにより炭素原子が金属表面に堆積し、硬化させます。

8. ケースハードニング（表面硬化）

このプロセスの主な目的は、鋼の外部表面のみを硬くし、内部コアを軟らかく保つことです。これは浸炭プロセス、すなわち鋼の表面層を炭素で飽和させること、またはケースを硬化させコアを軟らかく保つ他のプロセスによって行われます。

8.1 ケースハードニングの目的

• 機械部品に硬く耐摩耗性のある表面を得る。
• ケースハードニングにより、靭性のあるコアを得る。
• コアにおいてより高い疲労限度と高い機械的特性を得る。

鋼の熱処理の目的

以下は熱処理の目的です。

• 引張強さ、硬度、延性、衝撃抵抗、耐食性などの機械的特性を改善する。
• 切削性を改善する。
• 冷間または熱間加工中に誘発される金属の内部応力を除去する。
• 結晶粒サイズを変更または微細化する。
• 磁気的および電気的特性を改善する。
• 耐摩耗性と耐食性を向上させる。
• 表面硬度を増加させる。

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結論

これで、熱処理プロセスについての疑問がすべて解消されたことを願っています。まだ熱処理プロセスまたは方法、種類、用途について疑問がある場合は、コメントで質問してください。

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