冶金学において、すべての熱処理は、高温からの冷却速度に基づいて2つの主要な分類に分けられます。これらは、徐冷プロセス（焼なましなど）と急冷プロセス（焼入れとして知られる）です。最初のカテゴリは、金属の内部構造が安定した低エネルギー状態で形成されることを可能にすることで、軟らかく延性のある材料を作成することを目的としています。2番目のカテゴリは、最大の硬度と強度を達成するために、構造を意図的に不安定な高エネルギー状態で固定します。
核心原理は単純です。処理を定義するのは加熱ではなく、冷却です。徐冷は原子が安定した軟らかい配置に移動することを可能にし、急速冷却は原子を応力のかかった硬い構成に閉じ込めます。これら2つの経路の選択が、金属の強度と延性の最終的なバランスを決定します。
基礎：なぜ金属を熱処理するのか
熱処理とは、金属の特性を操作するために、金属を制御された方法で加熱および冷却することです。これは化学組成を変えることではなく、内部結晶構造、つまり微細構造を再配置することです。
重要な第一歩：オーステナイト化
鋼のほとんどすべての硬化および軟化熱処理は、同じステップから始まります。それは、金属をオーステナイト相に加熱することです。オーステナイトは、かなりの量の炭素を溶解できる鉄の特定の結晶構造です。これにより、均一な固溶体が作成され、冷却中に発生する変態の準備が整います。
鉄-炭素状態図の役割
この図は、鋼の熱処理のロードマップです。異なる温度と炭素濃度でどの微細構造（フェライト、パーライト、オーステナイトなど）が安定しているかを示します。このマップを理解することは、金属が特定の熱サイクルにどのように反応するかを予測するための鍵となります。
分類1：徐冷（平衡）プロセス
このカテゴリには、原子が拡散して最も安定した低エネルギーの微細構造に再配列するのに十分なほどゆっくりと金属を冷却することが含まれます。これらのプロセスは、結果として得られる構造が状態図が徐冷に対して予測するものに近いことから、「平衡」処理と呼ばれることもあります。
目標：軟らかさ、延性、被削性
徐冷の主な目的は、金属をできるだけ軟らかく延性のあるものにすることです。これにより、内部応力が緩和され、被削性が向上し、曲げ加工やプレス加工などのその後の成形作業のために材料が準備されます。
メカニズム：拡散と相変態
オーステナイト鋼がゆっくりと冷却されると、炭素原子は鉄の結晶格子から移動するのに十分な時間を得ます。この制御された拡散により、フェライト（純鉄）やパーライト（フェライトと炭化鉄の層状構造）などの軟らかい微細構造が形成されます。
一般的な例：焼なましと焼ならし
焼なましは典型的な徐冷プロセスであり、部品を炉内で冷却して可能な限り軟らかい状態にします。焼ならしは、静止空気中で部品をわずかに速く冷却するもので、結晶粒を微細化し、わずかに強く、しかし依然として延性のある材料を生成します。
分類2：急冷（非平衡）プロセス
このカテゴリには、原子が好ましい安定状態に再配列する時間がないほど急速に金属を冷却することが含まれます。これは、標準的な状態図には現れない微細構造を作成するため、「非平衡」プロセスです。
目標：最大の硬度と強度
急冷、または焼入れの唯一の目的は、鋼の硬度と強度を劇的に高めることです。これは、歯車、ベアリング、切削工具など、高い耐摩耗性と耐荷重能力を必要とする用途に不可欠です。
メカニズム：炭素を閉じ込めてマルテンサイトを形成する
急速な焼入れ（水、油、または空気中）中、溶解した炭素原子は鉄の結晶格子内に閉じ込められます。それらは拡散する時間がありません。これにより、構造は非常にひずんだ針状の微細構造であるマルテンサイトに変態します。マルテンサイトを非常に硬く強くするが、非常に脆くもするのは、この途方もない内部ひずみです。
トレードオフの理解
熱処理の選択は、「最高の」特性を得ることではなく、特定の用途に適したバランスを達成することです。
硬度と脆性のジレンマ
焼入れによるマルテンサイトの形成は、極端な硬度を生み出しますが、大きな代償を伴います。それは脆性です。完全に硬化された焼入れままの鋼部品は、実用には脆すぎることが多く、衝撃を受けるとガラスのように粉々になることがあります。
焼き戻しがほぼ常に必要とされる理由
この脆性を克服するために、焼入れされた部品はほとんど常に焼き戻しと呼ばれる二次熱処理を受けます。これには、部品をより低い温度に再加熱することが含まれ、これにより内部応力の一部が緩和され、マルテンサイトがわずかに変態し、硬度をわずかに犠牲にするだけで、重要な量の靭性と延性を回復します。
合金元素の影響
マルテンサイトを形成するために必要な特定の冷却速度は、鋼の合金含有量に依存します。普通炭素鋼は非常に速い焼入れを必要としますが、クロムやモリブデンなどの合金（合金鋼）を含む鋼は、空気中でもはるかに遅い冷却速度で硬化できます。これは鋼の焼入れ性として知られています。
目標に合った適切な選択をする
熱処理分類の選択は、部品の望ましい最終状態特性によって完全に決定されます。
- 被削性または成形性が主な焦点である場合：最も軟らかく、最も延性のある状態を達成するために、完全焼なましのような徐冷プロセスが必要です。
- 耐摩耗性、高強度部品の作成が主な焦点である場合：マルテンサイトを作成するために急冷プロセス（焼入れ）を使用し、靭性を回復するために直ちに焼き戻しを行う必要があります。
- 結晶粒の微細化と以前の加工による応力除去が主な焦点である場合：強度と延性の良好なバランスを提供する焼ならしプロセスを使用する必要があります。
これら2つの基本的な冷却経路を理解することで、材料の最終的な微細構造と性能を直接制御できます。
要約表：
| 分類 | 目標 | 主要プロセス | 結果として得られる微細構造 |
|---|---|---|---|
| 徐冷 | 軟らかさ、延性、被削性 | 焼なまし、焼ならし | フェライト、パーライト |
| 急冷（焼入れ） | 最大の硬度、強度 | 焼入れ（その後に焼き戻し） | マルテンサイト |
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