金属熱処理とは、金属加工物を特定の媒体に入れて適切な温度まで加熱し、この温度で一定時間保持した後、さまざまな速度で冷却する処理方法です。
金属熱処理は機械製造における重要な工程の一つです。他の加工技術と比較すると、熱処理は一般的にワークピースの形状や全体の化学組成を変えることはなく、むしろワークピース内部の微細構造やワークピース表面の化学組成を変えてワークピースの性能を付与または向上させます。その特徴は、一般的に肉眼では見えないワークピースの本質的な品質を向上させることです。
金属ワークピースに必要な機械的性質、物理的性質、化学的性質を持たせるためには、材料の合理的な選択とさまざまな成形プロセスに加えて、熱処理プロセスが不可欠な場合がよくあります。鋼は機械業界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、熱処理によって制御できるため、鋼の熱処理は金属熱処理の主な内容です。また、アルミニウム、銅、マグネシウム、チタンなどとその合金も、熱処理によって機械的、物理的、化学的性質を変えて、さまざまな性能を得ることができます。
石器時代から青銅器時代、鉄器時代へと進む過程で、熱処理の役割は徐々に人々に認識されるようになりました。紀元前770-222年には、中国人は生産の実践において、温度と圧力変形の影響により銅と鉄の特性が変化することを発見していました。白鋳鉄の軟化処理は、農具を作る上で重要なプロセスです。
紀元前6世紀には、鋼鉄製の武器が徐々に採用されるようになり、鋼鉄の硬度を高めるために焼き入れ工程が急速に発展した。中国河北省邇県延下渡で発掘された2本の剣と1本の戟には、微細組織にマルテンサイトが見られ、焼き入れされたことがわかる。
焼入れ技術の発展に伴い、人々は徐々に冷却剤が焼入れ品質に与える影響を発見しました。三国時代の蜀人である普元は、かつて陝西省下鼓で諸葛亮のために3,000本の刀を作りました。彼は焼入れ用の水を得るために成都に人を送ったと言われています。これは、中国が古代に異なる水質の冷却能力に注目し、油や尿の冷却能力にも注目していたことを示しています。中国の西漢時代（紀元前206年-24年）の中山景王の墓から出土した刀は、芯の炭素含有量が0.15-0.4％であるのに対し、表面の炭素含有量は0.6％を超えており、浸炭技術が適用されていたことを示しています。しかし、当時の個人の「職人技」の秘密として伝承されることを望まなかったため、非常にゆっくりと発展しました。
1863年、イギリスの金属学者と地質学者は顕微鏡で鋼鉄の6つの異なる金属組織を示し、鋼鉄を加熱して冷却すると内部構造が変化し、鋼鉄の高温の相は急速に冷却されるとより硬い相に変化することを証明しました。フランス人のオスモンドによって確立された鉄の同素体理論とイギリスのオースティンによって初めて定式化された鉄-炭素状態図は、現代の熱処理技術の理論的基礎を築きました。同時に、人々は金属熱処理の加熱プロセス中の金属の保護方法も研究し、加熱中の金属の酸化と脱炭を防ぎました。
1850 年から 1880 年にかけて、保護加熱用のさまざまなガス (水素、石炭ガス、一酸化炭素など) の応用に関する一連の特許がありました。1889 年から 1890 年にかけて、ブリティッシュ レイクはさまざまな金属の光輝熱処理に関する特許を取得しました。
20世紀以降、金属物理学の発展と他の新技術の移植と応用により、金属の熱処理プロセスはより発展しました。 1901年から1925年にかけて、工業生産におけるガス浸炭用の回転炉の応用は大きな進歩でした。 1930年代に露点電位計が登場したことで、炉内雰囲気の炭素ポテンシャルが制御可能になり、その後、二酸化炭素赤外線機器、酸素プローブなどを使用して炉内雰囲気の炭素ポテンシャルをさらに制御することが研究されました。 1960年代、熱処理技術はプラズマ場の役割を利用してイオン窒化および浸炭プロセスを開発しました。 レーザーおよび電子ビーム技術の応用により、金属は新しい表面熱処理および化学熱処理方法を獲得できるようになりました。
2. 金属熱処理工程
熱処理プロセスには通常、加熱、断熱、冷却の 3 つのプロセスが含まれますが、加熱と冷却の 2 つのプロセスのみが含まれる場合もあります。これらのプロセスは相互に接続されており、中断することはできません。
加熱は熱処理における重要なステップの 1 つです。金属の熱処理には多くの加熱方法があります。初期のものは木炭や石炭を熱源として使用し、その後液体燃料やガス燃料が使用されるようになりました。電気を使用すると、加熱の制御が容易になり、環境にも優しくなります。これらの熱源は直接加熱することも、溶融塩や金属、さらには浮遊粒子を介して間接的に加熱することもできます。
金属を加熱すると、ワークピースが空気にさらされ、酸化と脱炭化が頻繁に発生し（つまり、鋼部品の表面の炭素含有量が減少）、熱処理後の部品の表面特性に非常に悪影響を及ぼします。そのため、金属は通常、制御された雰囲気または保護雰囲気、溶融塩、真空中で加熱する必要があり、コーティングまたは包装方法によって保護および加熱することもできます。
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。加熱温度の選択と制御は、熱処理の品質を確保するための主な問題です。加熱温度は、処理される金属材料と熱処理の目的によって異なりますが、必要な構造を得るためには、一般的に相変化温度以上に加熱されます。また、変態には一定の時間が必要です。したがって、金属ワークピース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て微細構造の変態を完了するために、この温度で一定時間保持する必要があります。この時間を保持時間と呼びます。高エネルギー密度加熱と表面熱処理を使用する場合、加熱速度は非常に速く、通常、保持時間はないか、保持時間が非常に短いですが、化学熱処理の保持時間はより長くなることがよくあります。
冷却も熱処理工程に欠かせないステップです。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するためです。一般的に、焼鈍は最も冷却速度が遅く、焼ならしはより速い冷却速度、焼入れはさらに速い冷却速度です。ただし、鋼の種類によって要件は異なります。たとえば、空気焼入れ鋼は焼ならしと同じ冷却速度で硬化できます。
金属の熱処理プロセスは、大まかに全体熱処理、表面熱処理、局所熱処理、化学熱処理に分けられます。加熱媒体、加熱温度、冷却方法の違いにより、各主要カテゴリはいくつかの異なる熱処理プロセスに分けられます。同じ金属でも、異なる熱処理プロセスを使用することで異なる構造が得られ、異なる特性が得られます。鋼は業界で最も広く使用されている金属であり、その微細構造も最も複雑であるため、鋼の熱処理プロセスには多くの種類があります。
全体熱処理は、ワークピース全体を加熱し、その後適切な速度で冷却して全体的な機械的特性を変える金属熱処理プロセスです。鋼の全体熱処理には、焼鈍、焼ならし、焼入れ、焼戻しの 4 つの基本的なプロセスがあります。
焼鈍とは、ワークピースを適切な温度に加熱し、材質やワークピースのサイズに応じて異なる保持時間を使用してから、ゆっくりと冷却することです。その目的は、金属の内部構造を平衡状態に到達または近づけ、良好なプロセス性能と使用性能を得ること、またはさらなる焼入れのために構造を準備することです。焼鈍とは、ワークピースを適切な温度に加熱してから空気中で冷却することです。焼鈍の効果は焼鈍と似ていますが、得られる組織はより細かくなります。材料の切削性能を向上させるためによく使用され、要求の低い一部の部品の最終熱処理として使用されることもあります。
焼入れとは、加工物を加熱して保温し、水、油などの無機塩、有機水溶液などの焼入れ媒体で急速に冷却することです。焼入れ後、鋼は硬くなりますが、脆くなります。鋼部品の脆さを軽減するために、焼入れした鋼部品を室温以上710度以下の適切な温度で長時間保温し、その後冷却します。このプロセスを焼戻しといいます。焼鈍、焼ならし、焼入れ、焼戻しは、熱処理全体の「4つの火」です。その中で、焼入れと焼戻しは密接に関連しており、組み合わせて使用されることが多く、不可欠です。
「4つの火」は、加熱温度と冷却方法が異なるさまざまな熱処理プロセスに発展しました。一定の強度と靭性を得るために、焼入れと高温焼戻しを組み合わせたプロセスを焼入れ焼戻しと呼びます。一部の合金は、焼入れして過飽和固溶体を形成した後に、常温またはわずかに高い適切な温度で長時間保持して、合金の硬度、強度、または電気磁気特性を向上させます。このような熱処理プロセスは時効処理と呼ばれます。圧力処理の変形と熱処理を効果的かつ密接に組み合わせて、ワークピースに強度と靭性の優れた組み合わせを得る方法は、変形熱処理と呼ばれます。負圧雰囲気または真空での熱処理は真空熱処理と呼ばれ、ワークピースの酸化と脱炭を防ぎ、処理後のワークピースの表面を滑らかに保ち、ワークピースの性能を向上させるだけでなく、化学熱処理用の浸透剤を通過させることもできます。
表面熱処理は、ワークピースの表面のみを加熱して表面の機械的特性を変える金属熱処理プロセスです。ワークピースの内部に熱が伝わりすぎずに表面のみを加熱するには、使用する熱源のエネルギー密度が高くなければなりません。つまり、ワークピースの単位面積あたりに大量の熱エネルギーを与えて、ワークピースの表面または局所部分を短時間または瞬間的に高温にする必要があります。表面熱処理の主な方法は、レーザー熱処理、火炎焼入れ、誘導加熱熱処理です。一般的に使用される熱源には、酸素アセチレンやオキシプロパンなどの炎、誘導電流、レーザー、電子ビームなどがあります。
化学熱処理は、ワークピースの表面の化学組成、組織、および特性を変更する金属熱処理プロセスです。化学熱処理と表面熱処理の違いは、後者がワークピースの表面の化学組成を変更することです。化学熱処理は、炭素、窒素、またはその他の合金元素を含む媒体（気体、液体、固体）でワークピースを加熱し、長時間保温することで、ワークピースの表面に炭素、窒素、ホウ素、クロムなどの元素を浸透させます。元素が浸透した後、焼き入れや焼き戻しなどの他の熱処理プロセスが必要になる場合があります。化学熱処理の主な方法は、浸炭、窒化、メタライジング、複合浸透です。
熱処理は、機械部品や工具、金型の製造工程における重要な工程の一つです。一般的に、熱処理はワークピースの耐摩耗性や耐腐食性などのさまざまな特性を保証および向上させることができます。また、ブランクの組織や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。
例えば、白鋳鉄は長期間の焼鈍処理によって可鍛鋳鉄が得られ、可塑性が向上します。歯車は適切な熱処理プロセスで使用できます。耐用年数は、熱処理されていない歯車の2倍または数十倍長くなります。さらに、安価な炭素鋼は、特定の合金元素を浸透させることにより、一部の耐熱鋼やステンレス鋼を置き換えることができる高価な合金鋼の特性を備えています。ほとんどすべてのツールと金型は、使用前に熱処理する必要があります。
3. 鋼の分類
鋼は鉄と炭素を主成分とする合金であり、炭素含有量は一般に2.11％未満です。鋼は経済建設において極めて重要な金属材料です。鋼は化学組成によって炭素鋼（略して炭素鋼）と合金鋼の2つのカテゴリに分けられます。炭素鋼は銑鉄を製錬して得られる合金です。鉄と炭素を主成分とするほか、マンガン、シリコン、硫黄、リンなどの不純物も少量含まれています。炭素鋼は一定の機械的性質、良好な加工性能、低価格を有しています。そのため、炭素鋼は広く使用されています。しかし、現代の産業と科学技術の急速な発展に伴い、炭素鋼の性能はもはやニーズを十分に満たすことができなくなり、人々はさまざまな合金鋼を開発してきました。合金鋼は、炭素鋼に特定の元素（合金元素と呼ばれる）を意図的に添加して得られる多元素合金です。炭素鋼と比較して、合金鋼の性能は大幅に向上しており、その用途はますます広範になっています。