熱処理が金属部品を強化する仕組み：強度、応力除去、被削性向上

熱処理の役割は、材料の機械的性質を改善し、残留応力を除去し、金属の被削性を向上させることです。熱処理の目的に応じて、熱処理プロセスは予備熱処理と最終熱処理の2大類に分けられます。

予備熱処理

予備熱処理の目的は、加工性能の向上、内部応力の除去、最終熱処理に向けた良好な金属組織の準備です。熱処理プロセスには焼鈍、正火、時効、調質があります。

(1) 焼鈍と正火

焼鈍と正火は熱間加工ブランクに用いられます。炭素含有量0.5%以上の炭素鋼・合金鋼は、硬度を下げて切削しやすくするため焼鈍をよく用います。炭素含有量0.5%未満の炭素鋼・合金鋼は、硬度が低すぎると工具に溶着しやすいため、代わりに正火を用います。焼鈍と正火は結晶粒を微細化し組織を均一化し、後続熱処理の準備となります。ブランク製造後、荒加工前に実施するのが一般的です。

(2) 時効処理

時効処理は、ブランク製造と加工で生じた内部応力を除去する主目的で用いられます。

過度な搬送作業を避けるため、一般精度部品には仕上げ加工前に1回の時効処理を配置できます。しかし高精度要求部品（座標ボーリング盤の箱体など）には、2回または複数回の時効処理工程を配置すべきです。シンプルな部品は一般的に時効処理を行いません。

鋳物以外にも、剛性の低い精密部品（精密リードスクリューなど）では、加工中に生じる内部応力を除去し加工精度を安定させるため、荒加工と半仕上げ加工の間に複数回の時効処理を配置することが多々あります。一部軸部品は矯正工程後に時効処理を行います。

(3) 調質処理

調質は焼入れ後の高温焼き戻し処理です。均一で微細な焼き戻しソルバイト組織を得て、後続の表面焼入れと窒化処理の変形を減らすための準備となり、調質も予備熱処理として用いられます。

調質後の部品は優れた総合機械的性質を持つため、高硬度・耐摩耗性を要求しない一部部品では、最終熱処理プロセスとしても使用できます。

2. 最終熱処理

最終熱処理の目的は、硬度、耐摩耗性、強度などの機械的性質を向上させることです。

(1) 焼入れ

焼入れには表面焼入れと全体焼入れがあります。其中、表面焼入れは変形、酸化、脱炭が小さいため広く用いられます。表面焼入れは表面に高い強度と良好な耐摩耗性を与えながら、内部に良好な靭性と強い衝撃耐性を維持できる利点があります。表面焼入れ部品の機械的性質を向上させるため、予備熱処理として調質や正火が必要とされることが多いです。一般的な工程ルートは：ブランク→鍛造→正火（焼鈍）→荒加工→調質→半仕上げ→表面焼入れ→仕上げ。

(2) 浸炭焼入れ

浸炭焼入れは低炭素鋼と低合金鋼に適しています。まず部品表面層の炭素濃度を高め、焼入れ後に表面層が高硬度を得る一方、芯部は一定の強度と高い靭性・延性を維持します。浸炭には全面浸炭と部分浸炭があります。部分浸炭の場合、非浸炭部には防浸措置（銅メッキや防浸材メッキ）を講じる必要があります。浸炭焼入れは変形が大きく、浸炭層深さは一般的に0.5〜2mmのため、浸炭工程は一般的に半仕上げと仕上げの間に配置されます。

工程ルートは一般的に：ブランク→鍛造→正火→荒・半仕上げ→浸炭焼入れ→仕上げ。

部分浸炭部品で、非浸炭部の余分な浸炭層を代増しして除去する工程計画を採用する場合、余分な浸炭層除去工程は浸炭後、焼入れ前に配置すべきです。

(3) 窒化処理

窒化は窒素原子を金属表面に浸透させ、窒化物層を形成する処理法です。窒化層は部品の表面硬度、耐摩耗性、疲労強度、耐食性を向上させます。窒化処理温度が低く変形が小さく、窒化層が薄い（一般的に0.6〜0.7mm以下）ため、窒化工程はできるだけ後工程に配置すべきです。窒化時の変形を減らすため、一般的に切削加工後に応力除去高温焼き戻しを行うことが要求されます。