金属熱処理の基礎知識まとめ

金属の熱処理は機械製造における重要なプロセスの 1 つです。他の加工プロセスと比較して、熱処理は一般に鋼製品の形状や全体的な化学組成を変化させませんが、製品内部の微細構造を変化させたり、表面の化学組成を変化させたりして、製品の性能を付与または向上させます。金属熱処理の目的は、金属本来の品質を向上させ、必要な機械的特性、物理的特性、化学的特性を持たせることです。材料とさまざまな成形プロセスの合理的な選択に加えて、多くの場合、熱処理プロセスが不可欠です。鋼は機械産業で最も広く使用されている材料です。鋼の微細構造は複雑であり、熱処理によって制御できます。したがって、金属熱処理は鋼の熱処理が主な内容となります。

熱処理工程

熱処理工程は一般的に「加熱」「絶縁」「冷却」の3つの工程から構成されます。場合によっては、加熱と冷却の 2 つのプロセスしかない場合もあります。これらのプロセスは相互接続されており、中断することはできません。加熱は熱処理の重要な工程の一つです。金属の熱処理にはさまざまな加熱方法があります。当初は木炭や石炭が熱源として使用され、最近では液体燃料や気体燃料が使用されるようになりました。電気を利用するため加熱制御が容易で、環境汚染もありません。これらの熱源は、直接加熱だけでなく、溶融塩や金属、さらには浮遊粒子を介した間接加熱にも使用できます。

加熱温度は、熱処理プロセスの重要なプロセスパラメータの 1 つです。熱処理の品質を確保するには、加熱温度の選択と制御が重要な問題となります。加熱温度は加工する金属材料や熱処理の目的によって異なりますが、高温組織を得るために相変態温度以上に加熱するのが一般的です。また、変換にはある程度の時間がかかります。したがって、金属の表面が必要な加熱温度に達したら、内部と外部の温度を一定にし、微細構造の変態を完了させるために、一定時間この温度に維持する必要があります。この期間を絶縁期間といいます。高エネルギー密度加熱や表面熱処理の場合は加熱速度が速く、一般に保温時間はありませんが、化学的熱処理の場合は保温時間が長くなる場合が多いです。

熱処理工程では冷却も欠かせない工程です。冷却方法は工程によって異なりますが、主に冷却速度を制御します。一般に、焼きなましの冷却速度は最も遅く、焼きならしの方が冷却速度が速く、焼き入れの冷却速度は焼きならしよりも速いです。ただし、鋼の種類が異なるため、要件も異なります。

表面熱処理 は、金属の表面層のみを加熱して表面層の機械的特性を変化させる金属熱処理プロセスです。金属の内部にあまり熱を伝えずに表面のみを加熱するためには、使用する熱源のエネルギー密度が高く、つまり単位面積当たりに多くの熱エネルギーを金属に与え、金属の表面または一部が短時間で高温に達する必要があります。表面熱処理の主な方法としては、焼入れ熱処理と高周波加熱熱処理が挙げられます。一般的に使用される熱源には、酸素アセチレン、酸素プロパン、誘導電流、レーザー、電子ビームなどがあります。

化学熱処理 金属の表面の化学組成、構造、特性を変化させる金属熱処理プロセスです。化学熱処理とは、炭素、塩媒体、その他の合金元素を含む媒体（気体、液体、固体）中で金属を加熱し、長時間保温して、金属の表面に炭素、窒素、ホウ素、クロムなどの元素を浸透させることです。元素を溶浸した後、焼き入れや焼き戻しなどの他の熱処理プロセスが実行される場合があります。化学熱処理の主な方法には浸炭処理、窒化処理、メタライズ処理などがあります。

金属の熱処理は、機械部品や工具、金型の製造工程において重要な工程の一つです。耐摩耗性、耐食性など、金属のさまざまな特性を確保および向上させることができます。また、ブランクの構造と応力状態を改善して、さまざまな冷間および熱間加工を容易にすることもできます。