焼戻し

焼戻し：鋼の性質を最適化する熱処理

焼戻しは、焼入れによって硬くなった鋼材の脆さを軽減し、目的とする硬さと靱性のバランスを実現する熱処理です。焼入れされた鋼は、マルテンサイト組織という硬いが脆い状態になっており、焼戻しによってこの組織を安定化させ、より実用的な特性を持たせることができます。

焼戻しの目的

焼戻しの主な目的は以下の通りです。

硬さと靱性の調整: 焼入れ後の硬さと脆さのバランスを調整し、用途に合わせた最適な機械的特性を得ます。高温焼戻しは靱性を、低温焼戻しは硬さを重視します。
残留応力の除去: 焼入れによって鋼材内部に発生する残留応力を軽減・除去することで、変形や割れを防ぎ、機械的性質の向上に繋がります。
寸法と形状の安定化: 焼入れ後に残る不安定な組織（残留オーステナイトなど）の変態による寸法変化や割れを防止します。
二次硬化の利用: 特定の合金鋼では、焼戻しによって硬さが向上する二次硬化現象を利用し、硬さと靱性を同時に向上させることができます。

焼戻しの原理：再加熱による組織変化

焼戻しは、焼入れによって生じた不安定なマルテンサイト組織を再加熱することで、組織を安定化させる処理です。加熱温度によって組織変化の段階が異なり、それぞれの温度域で異なる組織が生成されます。

第1段階 (80-160℃): マルテンサイトからε炭化物が析出し、低炭素マルテンサイトへ変化します。体積は縮小します。
第2段階 (230-280℃): 残留オーステナイトが下部ベイナイトに変態します。体積は膨張します。
第3段階 (300℃以上): ε炭化物がセメンタイトへと変化し、低炭素マルテンサイトはフェライトへ変態します。体積は縮小します。温度上昇に伴い、セメンタイトは微細化から粗大化していきます。400-500℃でトルースタイト、500-650℃でソルバイトと呼ばれる組織が形成されます。
第4段階 (400-450℃以上、合金鋼): 合金元素が析出し、二次硬化が生じる場合があります。これは、残留オーステナイトのマルテンサイト化と複炭化物の微細析出によるものです。

焼戻し温度と保持時間

焼戻しの結果に影響する要因として、温度と保持時間が挙げられます。焼戻し温度が高いほど、また保持時間が長いほど、組織の変化が進みます。これらの関係性を統一的に表す指標として、焼戻しパラメータが用いられます。焼戻しパラメータを用いることで、目標とする硬さに対して必要な焼戻し温度と時間を予測できます。

焼戻しの種類と方法

焼戻しは、焼戻し温度によって低温焼戻し(150-250℃)と高温焼戻し(400-680℃)に大別されます。

低温焼戻し: 硬さを維持しつつ、残留応力を低減し、寸法安定性を向上させます。工具鋼、金型などに用いられます。
高温焼戻し: 靱性を向上させ、衝撃強度を高めます。ばね、機械部品などに用いられます。高温焼戻しで得られるトルースタイト組織とソルバイト組織は、それぞれ硬さと靱性のバランスが異なります。特にソルバイト組織は高い靱性を有します。

その他の重要な事項

焼戻し軟化抵抗: 合金元素の種類や量によって、焼戻し温度上昇に対する硬さの低下割合が異なります。
焼戻し脆性: 低温焼戻し脆性(250-350℃)と高温焼戻し脆性(450-550℃)があり、これらの温度域での焼戻しには注意が必要です。原因となる不純物の含有量を減らすこと、適切な冷却速度を選択することが重要です。

まとめ

焼戻しは、焼入れ鋼の性質を最適化するための重要な熱処理です。目的とする機械的特性に応じて、焼戻し温度、保持時間、冷却速度を適切に選択することが重要です。本記事で解説した内容を参考に、焼戻し処理に関する理解を深めてください。

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