熱処理加工とは
熱処理加工とは金属材料に加熱と冷却を加えて、形そのものを変えるのではなく性質を向上させる加工方法のことをいいます。基本的には熱を加えて硬くすることが目的とされることが多いですが、加工しやすいように軟らかくしたり表面だけを均一化したりとさまざまな目的に用いられます。
熱処理は鋼に含まれる炭素量を操って目的の製品の材質に変化させていきます。金属の種類や熱処理の方法は多種多様となっているため、一般的に用いられる熱処理の種類をご紹介します。
一般熱処理
熱処理の基本となるのは、「焼入れ」「焼きもどし」「焼きなまし」「焼きならし」の4つの方法です。
焼入れ
鋼を組織の構造が変わる「変態点」以上の温度まで上昇させ、一定時間放置後急激に冷却することを焼入れといいます。主に鋼を強くすることが目的で、鋼の中に含まれる炭素の量で硬度が決まります。
また、炭素だけでなくさまざまな合金元素によっても硬さや効果の深さが変わり、変化の度合いが高い鋼ほど焼入れ性が良いとなります。焼入れ性が良いと空気や油などの冷却媒体を選びませんが、反対に焼入れ性が悪いと水などで急激に冷却しなければいけません。
焼きもどし
焼入れによって鋼の組織は硬くなりますが、そのままでは割れやすい性質のため、さらに再加熱して硬さを調整しながら鋼に粘りや強靭性を高めることを焼きもどしといいます。また、焼き戻しは150～200℃で1時間ほど保持する「低温焼きもどし」と、550～650℃の高温で1時間ほど加熱した後空気で急冷する「高温焼きもどし」があります。
焼きなまし
製品に加工するためには製作過程で切削が容易でないといけませんので、鋼を柔らかくする処理も欠かせません。そこでゆっくり冷やして溶け込んでいる炭素を鉄の結晶から逃げ出させる焼きなましという熱処理をおこないます。
焼きなましは組織を均一化する働きもあるため、処理が非十分だと鋼材の硬さを均一にすることができず曲りや反りが発生して精度を出しにくくなります。一方で目的に合わせた温度で焼きなましができると、さまざまな性質改善が実現できます。
焼きならし
鋼の材料となる鋼材は加工によって生じた歪みによって組織が不均一となりますので、機械的性質は不十分ではありません。そこで組織を均一化して微細化する焼きならしをおこないます。
焼きならしは変態点よりも高めの温度で再加熱した後に空気で冷却していきます。そうすることで結晶粒が微細化するので強靭性などの性質が向上し、残留応力もなくすことができます。
表面熱処理
内部組織はそのままで素材表面のみを変態させることをいい、高い硬さが得られ、耐摩耗性や耐疲労性も向上します。
浸炭焼入れ
鋼を硬化させるために必要な炭素がなければ焼入硬化が望めません。そのため炭素含有量の少ない鋼を浸炭剤中で900～1,000℃に加熱し、炭素を増加させる処理を浸炭焼入れといいます。浸炭処理した鋼を焼入れすると内部は硬化せず浸炭層が硬化するため、耐摩耗性を持ちながらじん性は維持されます。
窒化
鋼に窒素を拡散侵入させ表面を硬く仕上げる処理です。処理温度や時間、ガスの種類によりさまざまな特性を得ることができ、金属そのものを化合させるため寸法の変化が少なく元となる金属の重量が増加しないという特徴があります。また、加熱温度も焼入れに比べて低くなるため金属の変化量も少なくすることができます。
ショットピーニング
無数の鉄あるいは非鉄金属の粒を高速で金属表面に当てることで、金属材料を強くすることができます。金属に球を衝突させるようにするため、ショットという言葉が使われます。一般的にはショットされる金属の方が軟らかいため材料表面が凹まされ、くぼみで覆われたような模様になります。
主に耐摩耗性の向上、耐応力腐食割れ特性の向上、放熱性の向上、流体抵抗の減少などの効果があります。
熱処理された製品例
熱処理によって作られる製品は製造現場で使用される丈夫なものを想像するのではないでしょうか。しかし日常生活で使っているものでも熱処理がおこなわれている製品はたくさんあります。
例えばリビングで使うソファやテレビ台などは内部に使用されているバネや回転部の部品の軸受は強度が必要であるため、焼入れ処理がおこなわれています。また、ザルやボウルなどのステンレス鋼を使用しているキッチン用品は防錆能力を最大限に発揮できるように熱処理がおこなわれています。
さらにドライバーやレンチなどの手工具は大きな荷重に耐える強度と作業物と接触しても減らない耐摩耗性が必要とされますので、もちろん焼入れなどの熱処理がされています。
自動車部品も見てみると、エンジンはもちろんトランスミッションのギアやプロペラシャフトなど大きな負荷がかかる部品には必ずといっていいほど熱処理された金属が採用されています。熱処理は強度を上げる働きや防錆、軽量化と、自動車に欠かすことができない要素が詰まっているともいえるでしょう。
