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はじめに
熱処理は金属材料の性質を変化させるために行われる重要な加工技術です。硬さ、靭性、耐摩耗性など、用途に応じた特性を引き出すことが可能です。本記事では、熱処理による性質の変化について詳しく解説します。
熱処理による性質の変化とは？
金属の熱処理を行うことで、材料の内部組織が変化し、機械的性質や耐久性が向上します。主に以下のような変化が生じます。
- 硬度の向上：焼入れを施すことで、金属の表面硬度が上がり、耐摩耗性が向上する。
- 靭性の向上：焼戻しや焼鈍を行うことで、割れにくく柔軟な性質を持たせることができる。
- 耐食性の向上：ステンレス鋼などでは固溶化処理を行うことで、耐食性を高めることが可能。
- 寸法安定性の確保：焼鈍や時効処理を施すことで、長期間にわたる寸法変化を抑える。
硬さの変化
熱処理による硬さの変化は、材料の用途を決定する重要な要素です。
焼入れと焼戻し
焼入れは金属を高温に加熱し急冷することで、硬度を上げる処理方法です。ただし、焼入れ後のままでは脆くなるため、適切に焼戻しを行い、強度と靭性のバランスを調整する必要があります。
焼鈍による軟化
金属を適切な温度で加熱し、徐冷することで、硬度を下げ、加工性を向上させます。これは、金属の内部応力を除去し、機械加工やプレス加工を容易にするために用いられます。
靭性の変化
靭性とは、材料が衝撃に対してどれだけ耐えられるかを示す性質です。
焼戻しによる靭性向上
焼入れ後に焼戻しを行うことで、材料の硬さを適度に落としながら、割れにくい性質を持たせることができます。特に、衝撃を受ける部品では適切な焼戻しが重要です。
サブゼロ処理
極低温処理（サブゼロ処理）を行うことで、残留オーステナイトを減少させ、靭性を向上させることが可能です。
耐摩耗性の変化
耐摩耗性とは、金属表面が摩擦や衝撃に対してどれだけ耐えられるかを示す性質です。
高周波焼入れ
金属表面のみを急速加熱し、急冷することで表面硬度を向上させます。これにより、内部は靭性を保ちながら、表面のみ高硬度にすることが可能です。
浸炭処理
低炭素鋼の表面に炭素を浸透させ、焼入れを行うことで、耐摩耗性を向上させる方法です。
耐食性の向上
熱処理は、金属の耐食性を向上させる目的でも使用されます。
固溶化処理
ステンレス鋼では、固溶化熱処理を行うことで、炭化物の析出を防ぎ、耐食性を向上させることができます。
窒化処理
窒素を材料表面に浸透させることで、耐食性と硬度を同時に向上させることが可能です。
寸法変化と内部応力の影響
熱処理を施すことで、材料内部に発生する応力が変化し、寸法の変化が生じることがあります。
焼鈍による応力除去
焼鈍を行うことで、加工時に発生した内部応力を低減し、寸法の安定性を確保できます。
時効処理
長期間にわたり寸法精度が求められる部品には、時効処理を施し、経年変化による変寸を抑える対策が必要です。
まとめ
熱処理を適切に行うことで、金属の硬度、靭性、耐摩耗性、耐食性、寸法安定性などの特性を大きく向上させることができます。用途に応じた熱処理方法を選定することで、材料の性能を最大限に引き出し、最適な製品設計が可能になります。熱処理の基礎を理解し、適切な処理を施すことで、製品の品質向上やコスト削減につなげることができるでしょう。
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