金属材料における熱処理技術の基礎と適切な熱処理方法の選択

熱処理は金属材料の持っている強度、延性、靭性といった機械的特性をはじめ、耐摩耗性、耐疲労強度、耐熱・耐食性などの特性を目的に応じて最大限に引き出すための技術です。 　したがって、目的に応じた最適な熱処理を金属材料に行うことによって、設備及び部品などの安全性、信頼性、耐久性、耐食性などを満足させることができる極めて重要な技術です。 　またこの熱処理の選択等を間違うと、材料の特性を大きく損ない、重大災害などにつながる可能性もあり、慎重な対応が必要です。 　熱処理の目的と種類、それに伴う材料特性の変化などを含め、且つ、適用事例及び品質、トラブル事例も含めてわかりやすく説明します。 　また熱処理技術の範疇に含まれる表面改質技術の中から、最も広く用いられている、浸炭焼入れ及び窒化処理技術についても紹介し、それらの技術を活用した最近の新たな材料をいくつか紹介します。

1. 熱処理の目的と必要性
   1. 熱処理とは?
   2. 熱処理と材料の組織の関係
   3. 熱処理と材料特性との関係
2. 熱処理の種類と方法
   1. 焼きなまし:組織、成分、応力状況の均質化等
      1. 拡散焼きなまし
      2. 完全焼きなまし
      3. 等温焼きなまし
      4. 球状化焼きなまし
      5. 応力除去焼きなまし
   2. 焼きならし
      • 加工組織の改善
      • 加工硬化による歪の改善
   3. 焼入れ
      • オーステナイト域からの急冷によって組織のマルテンサイト化による高硬度・高強度化
   4. 焼戻し
      • 焼入れマルテンサイト組織に靭性を与える熱処理
   5. 固溶化処理
      • オーステナイトステンレス鋼、Al合金で、鋳込み、加工、溶接などで生じた不均一組織を改善
   6. 時効処理
      • 通常の熱処理後に一定の温度・時間保持することで金属管化合物などの析出物を析出させて高強度化させる熱処理
   7. サブゼロ処理
      • 焼入れ時の残留オーステナイトの析出を防止するための極低温処理
3. 金属材料の用途ごとの最適熱処理の適用と事例
   1. 機械構造用鋼
   2. 工具鋼
   3. 軸受け鋼
   4. ばね鋼
   5. 鋳鋼・鋳鉄
   6. ステンレス鋼
   7. 非鉄金属材料 (アルミ合金など)
4. 熱処理欠陥・トラブルとその対策
   1. 表面欠陥
      • 酸化スケール
      • 肌荒れ
      • 粒界酸化
      • 脱炭
      • 焼きムラなどとその対策
   2. 組織の異常
      • 結晶粒粗大化
      • 焼割れ
      • 強度・硬度不足とその対策
   3. 形状・寸法変化
      • 変形・歪とその対策
5. 熱処理による代表的な表面硬化技術
   1. 材料表面の加熱による硬化技術
      • 高周波焼入れ
      • レーザー焼入れなど
   2. 拡散浸透処理による表面硬化技術
      • 浸炭焼入れ
      • 窒化 など
   3. 表面硬化技術を利用した新しい材料
      • 低温窒化・低温浸炭
      • 窒化・クロマイズ複合処理
• 質疑応答