【熱処理の基礎知識】種類や目的をわかりやすく解説

材料・処理の知識

【熱処理の基礎知識】種類や目的をわかりやすく解説

熱処理は金属材料に対して頻繁に施される処理であり、機械技術者にとっては必須ともいえる知識です。

今回は熱処理の種類や目的を出来る限りわかりやすく説明していきます。

熱処理とは?

熱処理は加熱と冷却による性質変化

熱処理は、その名の通り熱による処理です。

加熱温度や加熱時間、冷却温度や冷却時間などを変えることで、金属材料の性質を様々に変化させます。

熱処理の主な目的

熱処理は前述の通り、金属材料の性質を変化させることを目的としています。

主に下記のような性質変化を目的として使用されることが多いです。

  • 強度の向上
    圧縮や引張などの外力による変形や破損を防ぐ。
  • 硬度の向上
    金属を硬くすることで傷が付きづらくする。
  • 耐衝撃性の向上
    外部から受けた衝撃による破損を防ぐ。
  • 耐摩耗性の向上
    摩擦や研磨による表面の傷つきを防ぐ。
  • 靭性の向上
    粘り強さを高めることで脆性破壊を防ぐ。
  • 耐食性の向上
    腐食の進行を抑制する。
  • 加工性の向上
    柔らかくしたり、表面を均一化することで加工しやすくする。
  • 残留応力の除去
    残留応力を除去して強度や耐久性を高める。
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熱処理の種類

全体熱処理

全体熱処理は材料全体の性質を変化させることを目的とした熱処理です。

焼き入れ(Quenching)

焼き入れは主に金属の硬度を高めることを目的とした熱処理です。

金属を一定温度まで加熱し、そのあと急冷させます。

焼き入れは硬度を高める一方で脆くなってしまうため、焼き入れの後に後述する焼き戻しを行って靭性を高めるのが一般的です。

焼き戻し(Tempering)

焼き戻しは主に金属の靭性を高めることを目的とした熱処理です。

焼き入れを行った金属を再加熱することで硬度や靭性を調整します。

これによって、焼き入れによって硬いが脆くなった金属をより壊れにくい材質に変化させます。

焼きなまし(Annealing)

焼きなまし(アニール処理)は主に加工による生じた残留応力を除去することを目的とした熱処理です。

金属を一定温度まで加熱し、そのあとゆっくり冷却させます。

焼き入れは急冷なのに対して、焼きなましはゆっくり冷却することがポイントです。

焼きならし(Normalizing)

焼きならしは加工や熱処理によって不均一な組織を均一化にして安定させることを目的とした熱処理です。

金属を一定温度まで加熱し、空冷によってゆっくり冷却させます。

「焼き入れは急冷」
「焼きなましは炉内でゆっくり冷却」
「焼きならしは空冷で焼きなましより早く冷却」
という違いがあります。

表面熱処理

表面熱処理は材料表面の性質を変化させることを目的とした熱処理です。
内部の靭性を保ったまま、表面の性質のみを変化させることができるのが特徴です。

高周波焼入れ(Induction hardening)

まず、金属に銅線を巻き付けてコイル状にします。
コイルに高周波の交流を流すことで、金属表面のみ加熱されます。

原理上、高周波焼入れは自動化しやすいので大量生産部品に向いています。

加熱される原理の詳細はこちら

浸炭焼入れ(Carburizing and quenching)

金属表面に炭素を添付させて焼き入れすることで金属表面の性質を変化させます。

これによって、通常の焼き入れ以上の硬度や耐摩耗性を得ることができます。

窒化処理(Nitridization)

金属を窒素を含んだ空間に置き加熱する。
これにより金属表面に窒素が浸透して硬化させることができる。

浸炭焼入れと比較すると寸法変化が極めて少ないことが特徴です。

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