焼き戻しは、焼き入れされたワークピースを A1 以下の温度まで再加熱し、一定時間保持した後、室温まで冷却する熱処理プロセスです。焼き入れ鋼は直接使用しないでください。焼き戻しを行う必要があります。焼き戻しは鋼の微細構造と特性を決定するものであり、重要な熱処理ステップです。
3.1 テンパリングの目的
望ましい機械的特性を達成するには
焼入れ後のワークピースは硬度は高くなりますが、延性と靭性は低くなります。さまざまな部品のさまざまな性能要件を満たすために、焼き戻しを使用して焼入れ後の微細構造を変更し、硬度を調整し、脆性を軽減します。これにより、ワークピースに望ましい機械的特性が得られます。
ワーク寸法を安定させるには
焼入れ中に形成されるマルテンサイトと残留オーステナイトは不安定な構造であり、時間の経過とともに分解し、寸法や形状の変化を引き起こす可能性があります。焼き戻しにより、焼入れされた微細組織が安定した組織に変化し、使用中のワークピースの寸法と形状が確実に維持されます。
焼入れによる内部応力を軽減または排除するには
焼入れにより大きな内部応力が生じます。焼き戻しによってこれらの応力をすぐに軽減しないと、ワークピースが変形したり、さらには亀裂が発生したりする可能性があります。
3.2 焼入れ鋼の焼戻し時の変態
焼入れマルテンサイトと残留オーステナイトは準安定相であり、室温から A1 未満まで焼き戻されるとフェライトと炭化物に分解します。特定の変態は焼き戻し温度によって異なります。
マルテンサイトの分解（200度以下）
80 度未満で焼き戻した場合、マルテンサイト内の炭素原子のクラスター化を除いて、重大な微細構造の変化は発生しません。 80 度から 200 度の間で、マルテンサイトは分解し始め、炭素原子がε炭化物 (Fe2.4C) として析出し、マルテンサイトの炭素過飽和が減少し、正方晶性が減少します。焼き戻し温度が低いと、過剰な炭素の一部だけが析出し、マルテンサイトが -Fe 中の炭素の過飽和固溶体として残ります。微細なε炭化物は、過飽和固溶体の界面に沿って分散し、一貫した関係（相境界の原子が 2 つの結晶格子によって共有される）を維持します。過飽和度の低い固溶体とε炭化物からなるこの微細構造は、焼き戻しマルテンサイトと呼ばれます。 ε 炭化物は細かく高度に分散しているため、200 度以下で焼き戻しても鋼の硬度は大幅に低下しません。ただし、ε-炭化物の析出により格子歪みが減少し、焼入れ応力が低下し、鋼の可塑性と靭性がわずかに増加します。
残留オーステナイトの分解（200度～300度）
残留オーステナイトは過冷却オーステナイトに似ているため、同様の温度条件下では焼戻し変態生成物は過冷却オーステナイトの生成物と同じになり、温度に応じてマルテンサイト、ベイナイト、またはパーライトを形成します。
鋼が 200 度から 300 度の間で焼き戻されると、マルテンサイトは分解し続け、残留オーステナイトは下部ベイナイトに変態し始めます (200 度〜 300 度は下部ベイナイト変態範囲です)。この温度域では焼入れ応力はさらに低下しますが、硬度は大きく低下しません。
炭化物の変態（250度～450度）
250 度以上で焼き戻されると、炭素原子の拡散能力が増大し、ε-炭化物が徐々に安定したセメンタイトに変化します。 450 度までに、すべてのε-炭化物は高度に分散したセメンタイトに変わります。炭素の継続的な析出により、固溶体中の炭素含有量が平衡レベルまで低下し、形状は針状のままですが、フェライトに変わります。この組織は針状フェライトと高度に分散したセメンタイトから構成され、焼き戻しトルースタイトと呼ばれます。 45 鋼の焼き戻しトルースタイト組織を下の図に示します。この時点で、鋼の硬度は低下し、焼入れ応力がほぼなくなり、靭性と塑性がさらに増加します。
セメンタイトの凝集・成長とフェライトの再結晶（450度～700度）
450 度を超えると、高度に分散したセメンタイトは徐々に球状化して細かい粒子になり、温度が上昇するにつれてこれらの粒子は成長します。同時に、フェライトは 500 度から 600 度の間で再結晶化し始め、ラスまたは針状の形状から多角形の粒子に変化します。
ポリゴナルフェライト母材上に粒状セメンタイトが分散したこの組織は、焼き戻しソルバイトと呼ばれます。 45 鋼の焼き戻しソルバイト構造を下の図に示します。さらに温度が 650 度 –A1 まで上昇すると、粒状セメンタイトが粗大化し、焼戻しパーライトとして知られるポリゴナル フェライトとより大きな粒状セメンタイトの微細構造が形成されます。
焼き入れ中の鋼の変態は、さまざまな温度範囲で発生します。同じ焼き戻し温度であっても、複数の種類の変態が発生する可能性があります。焼き戻し鋼の特性はこれらの微細構造の変化に依存し、それが機械的性能に影響を与えます。一般に、焼き戻し温度が上昇すると、強度と硬度は低下しますが、延性と靱性は向上します。これらの変化は温度が高くなるほど顕著になります。
3.3 テンパリングの種類と用途
鋼の微細構造と特性を決定する主な要因は焼き戻し温度です。焼き戻しは、温度とその結果生じる微細構造に基づいて 3 つのタイプに分類されます。
低温焼戻し（150度～250度）
低温焼戻しにより焼戻しマルテンサイトが生成されます。その目的は、焼入れ鋼の高い硬度と耐摩耗性を維持しながら、内部応力と脆性を軽減し、延性と靭性を向上させることです。この方法は主に、切削工具、測定工具、冷間プレス金型、転がり軸受、浸炭部品、表面焼き入れ部品などの高炭素鋼および合金鋼に使用されます。焼き戻し後の硬度は通常 58 ～ 64 HRC です。
中温焼戻し（350度～500度）
この方法により、焼き戻されたトルースタイトが得られます。その目的は、高い降伏強度、弾性限界、および優れた靭性を達成することです。中温焼戻しは主に各種弾性部品や熱間加工金型に使用されます。焼き戻し後の硬度は通常 35 ～ 50 HRC の範囲です。
高温焼戻し（500度～650度）
この方法により、焼き戻されたソルバイトが生成されます。目標は、強度、硬度、延性、靭性のバランスを達成することです。焼き入れと高温焼き戻しを組み合わせる場合、このプロセスは一般に「焼き入れ焼き戻し」と呼ばれます。自動車、トラクター、工作機械の製造における重要な構造部品 (コネクティング ロッド、スタッド、ギア、トランスミッション シャフトなど) に広く使用されています。焼き戻し後の硬度は通常 200 ～ 330 HBW の範囲です。
焼きならしと焼き入れ焼き戻し後の鋼の硬度値は非常に似ていますが、生産における重要な構造部品は通常、焼きならしではなく焼き入れ焼き戻しを受けます。これは、焼戻しソルバイトの微細構造が粒状セメンタイトであるのに対し、焼きならしで得られたソルバイトは層状セメンタイトであるためです。したがって、焼入れおよび焼き戻しされた鋼は、焼ならし状態と比較して、より高い強度を示すだけでなく、より優れた延性および靭性も備えます。
焼入れ焼戻しは、最終熱処理工程として、あるいは表面硬化や化学熱処理の前の前処理として行うことができます。焼き入れ鋼は硬度が高くないため、加工が容易で、表面粗さの値も低く抑えられます。
これら 3 つの一般的な焼き戻し方法に加えて、一部の高合金鋼では、球状化焼鈍の代替として、A1 より 20 ～ 40 度低い温度で高温軟化焼き戻しが行われ、焼き戻しパーライトが得られます。
焼き戻し中に微細構造の完全な変態を確実に行うには、材料、温度、厚さ、荷重、および加熱方法に応じて、ワークピースを十分な時間（通常は 1 ～ 3 時間）焼き戻し温度に保持する必要があります。焼き戻し後の冷却方法は炭素鋼の性能にはほとんど影響しませんが、新たな応力の発生を避けるため、焼き戻し後は空冷で徐冷するのが一般的です。