熱処理とは、金属などの材料を加熱または冷却して、その特性 (微細構造) を変化させ、目的の特性を得るプロセスを指します。鍛冶屋が真っ赤に熱した鋼を水に浸すシーンをテレビで見たことがありますか?これは焼き入れであり、鋼の特性を強化するために使用されるプロセスであり、熱処理プロセスの一種でもあります。ここでは熱処理について紹介します。
一般的に使用される熱処理は 4 つあります。炉を使用してコンポーネント全体を加熱または冷却するため、「一体熱処理」とも呼ばれます。
焼入れ
焼き入れとは、鋼を800度から850度の温度で真っ赤な色に加熱し、水または油に一定時間置き、急速に冷却するプロセスです。 JIS記号はHQで表します。この工程により鋼は非常に硬くなりますが、同時に脆くなるという問題もあります。そのため、焼き入れ後には「焼き戻し」も必要となります。焼入れおよび冷却中は、構造の膨張と収縮により部品に亀裂や歪みが発生する可能性に注意する必要があります。また、焼き入れはワークを非常に硬くするため、通常は切削などの加工が完了した後の最終工程近くで行われます。
テンパリング
焼き戻しは、焼き入れした部品を再加熱して冷却するプロセスです。 JIS記号はHTと表します。焼き戻しにより部品の硬度はわずかに低下しますが、脆性は解消され、硬度と靱性を同時に与えることができます。また、焼入れ時の急冷によって発生する内部応力（不均一な収縮などにより部品内部に発生する力）を除去することもできます。焼戻しには低温焼戻しと高温焼戻しの2種類があります。低温焼戻しは、150度～200度の温度で約1時間保持した後、空冷することにより行われます。高温焼戻しでは、550度～650度に加熱し、約1時間保持した後、急冷します。
焼き入れと焼き戻しは、工具などの硬度が必要な製品によく使用されます。
アニーリング
焼き入れとは対照的に、焼きなましは鋼を柔らかくして加工性能を向上させたり、機械加工やその他の影響で硬化した構造を柔らかくしたりするために使用されます。加熱により部品の内部構造を均質化したり、鋭利な組織を滑らかにしたりできます。焼鈍にはさまざまな種類があり、鋼の種類や組織に応じて必要な温度は550度程度から950度近くまであります。ただし、どのタイプも1時間程度加熱して温度を維持した後、炉の中でゆっくりと冷却する必要があります。これは、金型などの部品を切削する前に、部品の残留応力を除去したり、鋼板素材を柔らかくしたりして、加工性を向上させることが目的です。
正規化
焼きならしとは、主に鋼材の製造段階で発生する不均一な鉄組織を均一にし、その後の切断やプレス加工に適した状態にすることを目的としています。 JIS記号はHNRと表記します。鋼を800度～900度程度に加熱し、空冷する工程を指します。
基本的な熱処理では、部品全体を加熱し、長時間保持する必要があります。これには大型の炉や水（油）冷却設備が必要となり、コストがかかります。しかし歯車など、部品全体の強度は必要なく、歯の部分の強度だけが必要な場合も多くあります。この場合、表面焼入れまたは浸炭焼入れを用いることができる。高周波焼き入れは最も一般的に使用される表面焼き入れ方法で、電磁誘導によってコイルを部品に近づけ、部品の表面のみを加熱します。通常、歯車の歯面硬度を上げて寿命を延ばすために使用されます。
熱処理は、金属材料を強くしたり柔らかくして機械加工に適した状態にするなど、幅広い用途に使われています。特に焼き入れと焼き戻しは、金属の強度を高め、部品の耐疲労性を向上させるためによく使用される方法なので、これらのプロセスとその効果を覚えておくことをお勧めします。