鋼材の焼き入れとは? 熱処理の種類や焼き入れ鋼の被削性を解説

鋼材の焼き入れとは? 熱処理の種類や焼き入れ鋼の被削性を解説

鋼は、熱によって硬くなったり柔らかくなったり、脆くなったり粘り強くなったりする性質を持つ金属で、鋼を熱処理することによって、さまざまな特性を持たせることができます。 この記事では、鋼材に行う熱処理の種類と、それによる性質の変化についてご紹介します。

焼き入れとは?

鋼材は加熱や冷却といった「熱処理」を施し、組織を変化させることで、硬さや粘り強さ、耐衝撃性、耐摩耗性、耐腐食性、被削性などをコントロールできます。焼き入れは、鋼を一定以上に加熱してから冷却する熱処理の一種です。
鋼の組織構造が変化する温度を変態点や変態温度と呼びます。鋼を変態点以上の温度まで加熱したあと、水や油などで急激に冷却して組織構成を変え、強度を高める技法が焼き入れです。英語ではハードニング(Hardening・硬くする)やクエンチング(Quenching・急冷する) などと呼び、JIS記号では「HQ」と記載します。焼き入れを行うことで、鋼材を硬くして摩耗性や耐久性を高めたり、ひび割れなどの破損を防いだりする効果が期待できます。
焼き入れには、ズブ焼き入れ・表面焼き入れ・浸炭焼き入れ・高周波焼き入れ・真空焼き入れ・窒化焼き入れなどの種類があり、加熱時間や方法、上昇温度、冷却媒体、ガス添加などの違いによって、得られる特性が異なります。

焼き入れ時の注意点

素材に適した焼き入れを行わないと、求めている硬さが得られないだけでなく、割れやひずみが生じる可能性があります。焼き入れ時は、以下の2点に注意して作業することが重要です。

・加熱温度

焼き入れの際に加熱する温度が低かったり時間が短すぎたりすると、鋼材の組織が十分に変化せず硬度が上がらない「不完全焼き入れ」が起こる可能性があります。一方で、加熱温度が高すぎたり、加熱が不均等だったりする場合も、割れや変形、焼きムラの原因になりかねません。加熱する際は、適度な温度で加熱し続けることが重要です。
また、加熱後の冷却速度が遅い場合も、鋼材の硬さを得られなくなります。臨界区域と呼ばれる550℃ほどの地点までは急速冷却を行い、それ以下の温度ではゆっくりと冷却を行うのがポイントです。臨界区域以下の温度でも急冷を行うと、表面と内部で組織が変化してしまい、ひずみや割れの原因になります。

・鋼材の焼き入れ性

焼き入れ性とは、焼き入れによって鋼材がどれだけ硬くなるかを表すものです。焼き入れ性は炭素だけでなく、その他の元素によっても左右されます。変化の度合いが高いほど焼き入れ性が良いといわれ、空気や油など、冷却に使う媒体を選びません。一方で、焼き入れ性が悪い鋼材の場合は、水などで急冷しないと目的の硬さにならないため、使える冷却材が限られます。
特に、加工物が大きいと、質量効果と呼ばれる現象により、冷却速度は遅くなる傾向にあります。大きな鋼材は、質量効果を踏まえて焼き入れを行うことが重要です。

焼き入れ以外の熱処理の種類

鋼材の熱処理には、焼き入れ以外にも3つの方法があります。それぞれの特徴や得られる効果は、以下の通りです。

・焼きもどし

焼き入れによって鋼は硬くなりますが、靭性がないため割れやすく、材料として使いにくくなります。そこから再加熱することで、硬さを調節しながら靭性を高め、金属を粘り強くするのが焼きもどしです。英語ではテンパリング(Tempering)と呼ばれ、JIS記号では「HT」となります。
焼き入れだけでは材質としての丈夫さが得られないため、焼き入れのあとには焼きもどしもセットで行うのが基本です。焼きもどしの方法は、150~200℃で行う低温焼きもどし、550~650℃で行う高温焼きもどしの2つに大きく分けられます。

・焼きなまし

適切な温度で熱したあと、長時間かけて冷却するのが焼きなまし(焼鈍・しょうどん)です。英語ではアニーリング(Annealing)、JIS記号では「HA」となります。
鋼材の成分や組織を均質化する、炭化物偏在や加工硬化を改善して加工性・切削性を得る、応力を取り除き割れを防ぐなどを目的として行います。 どのような効果を得たいかによって、拡散焼きなまし・完全焼きなまし・球状化焼きなまし・等温変態焼きなまし・応力除去焼きなましなど、焼きなましの方法は異なります。

・焼きならし

鋼材は鋳造や鍛造、圧延といった方法で作られますが、そのままでは組織が不均一で、十分な強度がありません。焼きならし(焼準・しょうじゅん)は、金属の組織を均一化し、機械的性質を高める目的で行う熱処理です。英語ではノーマライジング(Normalizing)、JIS記号では「HNR」と表記されます。
変態点より30~50℃高い温度まで加熱したあと、空中放冷により冷やすことで、加工時の影響を取り除きます。 このとき、常温まで空中で放冷する方法を普通焼きならし、熱した鋼材を火色が消失する温度まで空中放冷してから、容器内でさらにゆっくり冷却する方法を二段焼きならしと呼びます。材料が大きい場合、表面と内部で温度差が出るため、二段焼きならしを行うのが一般的です。

焼き入れ鋼の被削性

焼き入れを行うことで、鋼の内部では組織に変化が起こり、元素や化合物同士の結びつき方が変わります。この組織の変化により硬さや粘り強さが変質するため、被削性にも大きく影響します。

・焼き入れによって起こる組織の変化

常温において、鋼の金属組織にはフェライトと呼ばれる柔らかい純鉄部分と、セメンタイトと呼ばれる硬い炭化物部分の結晶が不均一に存在しています。 この状態の鋼を800~900℃に加熱すると、フェライトとセメンタイトは結晶が分解されて混ざり合います。この状態はオーステナイトと呼ばれる金属組織で、炭素が均等に分布しているのが特徴です。 加熱された状態のオーステナイトをゆっくり冷ますと再び炭素の分布は不均一になりますが、急冷することで炭素が均一化し、マルテンサイトと呼ばれる硬い金属組織に変化します。 オーステナイトを急冷し、マルテンサイトにする工程が焼き入れですが、このままでは靭性に乏しく、材料としての強度が足りません。そこで再加熱することでマルテンサイトを分解し、さらに緻密な組織へと作り変えるのが焼きもどしです。 このようにして、焼き入れ鋼は硬さと粘り強さのバランスを取っています。

・被削性を改善する熱処理

鋼の強度を高める目的で行われる焼き入れですが、鋼の硬さは被削性に大きく影響します。切削加工の際には障害になることもあるため、程よい被削性を得るために熱処理を行ったうえで加工する場合もあります。 炭素量が0.4%以下の場合は母材が柔らかく、溶着や切り屑処理が課題です。そのため、焼きならしにより硬度を増すことで改善します。 炭素量0.4~0.6%の場合、母材が硬いため焼きなましを行い、硬度を落とすことで、切削速度を上げ工具寿命を延ばすことができます。 炭素量が0.6%を超える場合は、炭化物の組織形状を球状化させることで被削性の向上を狙います。このとき行う熱処理が球状化焼きなましです。

焼き入れ鋼を加工する際の工具選定のポイント

焼き入れ鋼(高硬度鋼)を切削する際は工具摩耗が激しいため、工具の選定が切削効率を向上させるうえでのポイントです。 切削速度と送り速度を高める一方、切り込み量を少なくする加工法を採用し、剛性の高いホルダを使い突き出し量を短くすることで、安定した精度の高い加工が行えます。 工具断面積を大きく確保できる多刃で、ネガティブすくい角のものは、刃先とボディの強度が高く焼き入れ鋼の切削に適しています。刃先のネガランド処理など、強度が向上する処理が施されているものも有効です。 高温特性・耐熱性などに優れたコーティングがある超硬工具や、高硬度鋼加工専用のCBN(立方晶窒化硼素)を用いた工具を選定することで、工具寿命を向上させることができます。

焼き入れ鋼の硬度に応じた作業や工具の選定が重要

鋼は焼き入れや焼きもどしなどの熱処理によって性質を変えることができ、硬さや粘り強さを調節することも可能です。しかし、硬さを得ることで被削性は下がります。硬度の高い鋼の場合は特に注意し、適切な加工法と工具を選定しましょう。