ほとんどすべての標準的なケースで、答えはノーです。焼鈍し、焼き入れ、焼き戻しなどの従来の熱処理プロセスは、合金の基本的なバルク化学組成を変えるのではなく、内部の微細構造を変えることによって、硬度や延性などの金属の物理的および機械的特性を変化させるように設計されています。合金の元素構成要素は、その中心部全体で同じままです。
理解すべき核となる原則は、熱処理は錬金術的なプロセスではなく、建築的なプロセスであるということです。それは、材料の性能を変化させるために既存の原子を異なる結晶構造に再配置しますが、原子そのものを変化させるわけではありません。
熱処理が実際に変化させるもの：微細構造
熱処理の真の目的は、材料の内部構造をミクロレベルで操作することです。この構造の変化が、最終部品の動作に劇的な変化をもたらします。
材料から内部構造へ
化学組成を、ケーキの材料リスト（小麦粉、砂糖、卵）と考えてください。これらは、鋼中の鉄や炭素のような合金中の元素です。
熱処理はベーキングプロセスです。温度と時間を制御することにより、ケーキの最終的な食感、つまり軽いふんわりか、密で硬いかを決定します。材料は変化していませんが、その配置は変化しています。
結晶格子（クリスタルラティス）の役割
金属は結晶性固体であり、その原子が結晶格子と呼ばれる繰り返しの整然としたパターンで配置されていることを意味します。
熱を加えることで、これらの原子は移動して異なる格子構造に再配置されるエネルギーを得ます。鋼の場合、加熱すると鉄と炭素がオーステナイトと呼ばれる構造を形成することができます。
冷却速度の影響
金属がこの高温状態からどのように冷却されるか（焼き入れ）が、特定の構造を所定の位置に「固定」します。
急冷は炭素原子を閉じ込め、マルテンサイトと呼ばれる硬く脆い構造を形成します。ゆっくりとした冷却は、原子がフェライトやパーライトのようなより柔らかく、より延性のある構造に再配置されることを可能にします。このようにして、同じ鋼片が化学式を変えることなく、極端に硬くしたり、比較的柔らかくしたりすることができます。
例外：表面化学が変化する場合
バルク（塊状）の化学組成は一定のままですが、熱化学処理として知られる特定の専門的なプロセスは、材料の表面の化学組成を意図的に変更するように設計されています。
表面硬化（浸炭）
浸炭（Carburizing）は、鋼部品を炭素が豊富な雰囲気（一酸化炭素ガスなど）で加熱する一般的な表面硬化の形態です。
このプロセスは、意図的に炭素原子を鋼の表面に拡散させ、外層の炭素濃度を大幅に増加させます。その結果、硬く耐摩耗性のある「ケース（表層）」と、より柔らかく靭性のある「コア（芯部）」を持つ部品が得られます。
窒化および炭窒化
浸炭と同様に、窒化（Nitriding）は鋼の表面に窒素原子を導入し、炭窒化（Carbonitriding）は炭素と窒素の両方を導入します。
これらのプロセスは、浸炭後の急冷を必要とせずに極めて硬い表面層を作成し、歪みのリスクを低減します。
重要な区別：バルクと表面
これらの熱化学処理では、表面の化学組成のみが変更されることを覚えておくことが重要です。材料の芯部は元の化学組成を維持します。この二重特性こそが、まさに工学的な目標なのです。
避けるべき意図しない化学変化
熱処理中に、望ましくない化学変化が発生することがあります。これらは通常、高温での炉内雰囲気との材料の反応の結果です。
脱炭のリスク
脱炭（Decarburization）は、鋼の表面から炭素が失われることです。炉内雰囲気に酸素が含まれている場合、それが表面の炭素と反応して除去される可能性があります。
これにより、ギアやベアリングのように表面硬度に依存する部品にとっては壊滅的な、柔らかく弱くなった外層が残ります。
酸化とスケール（被膜）の形成
高温では、金属表面が酸素と直接反応し、スケールとして知られる黒く剥がれやすい金属酸化物の層を形成することがあります。
このスケールは母材の損失を表し、表面仕上げの悪化や寸法の不正確さにつながります。
雰囲気制御の重要性
これらの望ましくない化学反応を防ぐために、最新の熱処理は、部品の表面を保護し、望ましい微細構造の変化のみが発生するように、制御された雰囲気（窒素やアルゴンなど）または真空中で行われることがよくあります。
目標に応じた適切な選択
適切なプロセスを選択することは、部品全体を均一に変更したいのか、それとも特殊な表面を作成したいのかによって完全に異なります。
- 全体的な強度、靭性、延性などのバルク特性の変更が主な焦点である場合： 焼鈍し、正規化、焼き入れ、焼き戻しなどの標準的な熱処理が必要です。これらのプロセスは材料の核となる化学組成を変更しません。
- 靭性の高いコアを維持しながら、硬く耐摩耗性のある表面を作成することが主な焦点である場合： 浸炭、窒化、または炭窒化などの熱化学処理が必要であり、これらは表面の化学組成を意図的に変更します。
- 材料の完全性と寸法の精度を確保することが主な焦点である場合： 脱炭や酸化などの意図しない有害な化学反応を防ぐために、正確な雰囲気制御または真空制御を含むプロセスが必要です。
最終的に、内部構造の再配置と表面化学の変更との間のこの区別を理解することが、熱処理による材料特性の習得の鍵となります。
要約表：
| プロセスタイプ | 主な目的 | 化学組成への影響 | 主な結果 |
|---|---|---|---|
| 標準（例：焼鈍し、焼き戻し） | バルク特性の変更 | バルクも表面も変化なし | 制御された硬度と延性 |
| 熱化学的（例：浸炭） | 表面特性の変更 | 表面化学組成を変更 | 硬い表面、靭性のある芯部 |
| 制御雰囲気/真空 | 欠陥の防止 | 望ましくない変化を防ぐ | 維持された材料の完全性 |
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