基本的に、鋼が熱処理によって硬化できるかどうかは、その炭素含有量によって決まります。 炭素が不足している鋼、または他の合金元素によって結晶構造が安定化されている鋼は、一般的な焼入れ焼戻しプロセスによって意味のある硬化をすることはできません。硬化できない鋼の主なカテゴリーは、低炭素鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、フェライト系ステンレス鋼です。
鋼が硬化する能力は、すべての鋼に固有の特性ではありません。それは、急冷時にマルテンサイトと呼ばれる硬くて脆い微細構造を形成するのに十分な炭素があることの直接的な結果です。十分な炭素がなければ、この変態は不可能です。
原理：なぜ炭素が焼入れ性を支配するのか
なぜ一部の鋼が熱処理できないのかを理解するには、まず硬化の仕組みを理解する必要があります。鋼を硬化させるのは熱そのものではなく、それが可能にする構造変態です。
マルテンサイト形成の役割
従来の硬化プロセスでは、鋼を結晶構造がオーステナイトと呼ばれる相に変化するまで加熱します。この状態では、炭素原子が鉄の格子に溶け込みます。
その後、鋼が急速に冷却（焼入れ）されると、炭素原子が閉じ込められます。これにより、鉄の格子は新しい、非常にひずんだ、非常に硬い構造であるマルテンサイトへと強制的に変化します。
最小炭素閾値
このマルテンサイトへの変態は、臨界量の炭素がなければ単純に起こり得ません。一般的に、鋼は有意な硬化を示すために少なくとも0.30%の炭素を含んでいる必要があります。
この閾値以下の鋼は、実質的なマルテンサイトを形成するために必要な内部ひずみを生み出すのに十分な溶存炭素を持っていません。
硬化できない鋼のカテゴリー
この原理に基づいて、従来の硬化に適さないいくつかの主要な鋼のクラスを特定できます。
低炭素（軟鋼）鋼
これが最も一般的なカテゴリーです。低炭素鋼は、軟鋼と呼ばれることもあり、通常0.30%以下の低い炭素含有量によって定義されます。
A36構造用鋼、1018、1020鋼のような例は、その延性、溶接性、低コストで高く評価されていますが、焼入れ硬化に必要な炭素が不足しています。これらを焼入れしても、硬度への影響はごくわずかです。
オーステナイト系ステンレス鋼
非常に一般的な304および316グレードを含むこのグループは、硬化できない理由が異なります。ニッケルとクロムを多く含むその化学組成は、極低温から融点まで、結晶構造を常にオーステナイト系にします。
オーステナイト相から決して離れないため、マルテンサイトへの変態は焼入れによって引き起こすことができません。これらの鋼は非磁性であり、熱処理ではなく機械的手段（加工硬化）によって硬化されます。
フェライト系ステンレス鋼
オーステナイト系グレードと同様に、430グレードのようなフェライト系ステンレス鋼は安定した結晶構造を持っています。それはフェライトと呼ばれ、純鉄が室温で存在するのと同じ相です。
これらの鋼は炭素含有量が非常に少なく、加熱しても必要な相変態を起こさないため、熱処理による硬化はできません。
ニュアンスと例外を理解する
「熱処理できない」という記述には重要な注意点があります。これらの鋼は焼入れによって焼入れ硬化することはできませんが、他の熱プロセスによって特性を改質することは可能です。
表面硬化：表面を変える、内部は変えない
低炭素鋼でも、硬くて耐摩耗性のある表面を与えることができます。浸炭や窒化のようなプロセスは、鋼の表面に炭素原子や窒素原子を拡散させる熱化学処理です。
これにより、部品の表面に薄い高炭素（または高窒素）の「ケース」が形成されます。このケースはその後焼入れされてマルテンサイトを形成し、硬い外側と、延性のある低炭素の内部は柔らかく靭性のある状態を保ちます。
加工硬化：機械的な代替手段
オーステナイト系ステンレス鋼で述べたように、加工硬化（またはひずみ硬化）は、硬化できない合金の硬度と強度を高める主要な方法です。
低温で金属を曲げたり、圧延したり、引き抜いたりすることで、結晶構造に転位が導入され、さらなる変形に対する抵抗力が増します。このようにして、柔らかいステンレス鋼板が強いバネや耐久性のある流し台になります。
析出硬化：異なる熱プロセス
17-4 PHのような一部の特殊ステンレス鋼は、全く異なるメカニズムで硬化されます。これは2段階の熱処理です。まず、固溶化処理によって合金元素が溶解し、次に低温の「時効」処理によって、金属マトリックス内に微細な硬い粒子が析出します。
これは熱処理の一種ですが、炭素鋼や合金鋼の硬化について語られる際に一般的に言及されるマルテンサイト変態とは異なります。
目標に合った適切な選択をする
適切な材料を選択するには、これらの違いを理解し、鋼の特性を用途の要求に合わせる必要があります。
- 加工性、溶接性、低コストが主な焦点の場合： 低炭素鋼がデフォルトの選択肢ですが、二次的な表面処理なしでは刃持ちが悪く、耐摩耗性がないことを理解してください。
- 耐食性と成形性が主な焦点の場合： オーステナイト系ステンレス鋼が理想的ですが、最終的な硬度は熱硬化ではなく機械加工によって決まることを知っておいてください。
- 高強度と耐摩耗性が主な焦点の場合： 焼入れ焼戻しによって硬化するように特別に設計された中炭素鋼から高炭素鋼、または工具鋼を選択する必要があります。
炭素、結晶構造、熱処理の関係を理解することで、用途が要求する正確な材料を選択する力を得ることができます。
要約表：
| 鋼のカテゴリー | 例 | 硬化できない主な理由 |
|---|---|---|
| 低炭素（軟鋼）鋼 | A36、1018、1020 | 炭素含有量が約0.30%未満で、マルテンサイト形成には不十分 |
| オーステナイト系ステンレス鋼 | 304、316 | すべての温度で安定したオーステナイト結晶構造 |
| フェライト系ステンレス鋼 | 430 | 安定したフェライト結晶構造、非常に低い炭素含有量 |
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