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August/2004■ 技術講座知りたい材料・熱処理 ①「材料を強くする熱処理」
マテリアル事業

Things to Know about Material and Heat Treatment"Material-strengthening Heat Treatment"〈キーワード〉

熱処理、硬さと強さ、焼入れ、焼もどし、時効処理、浸炭・窒化部品事業部／技術一部

浅田 泰弘
監修

開発本部／開発三部

天野 宏地

知りたい材料・熱処理 ①「材料を強くする熱処理」

要旨

1. 熱処理とは

近年、IT化に象徴されるような産業の高度化に人類が自らの身を守る剣や刀を作るために、熱に伴って、材料の要求特性が多様化し、熱処理技術よって鉄を硬くしようとしたところから「熱処理」の歴や表面改質を複合した技術分野の重要性が、ます史が始まったとされています。

ます高くなってきています。

日本では、日本刀の制作が熱処理の起源として

NACHIは、ものづくりの上流（材料・熱処理）か知られています。1919年には東北大学に金属材料までの一連のプロら下流（加工・組立・メンテナンス）研究所が設立され、熱処理に関する研究が盛んになっセスにおいて、商品・技術・サービスを提供して、成てきました。1929年には本多光太郎博士らの指導長してまいりました。の下に、NACHIでハクソーが切削工具として初め本講座によって、材料・熱処理・表面改質の技術て国産化されています。の本質と新たな動向を捉え、今一度理解を深めるこ「熱をかけることによ
熱処理とは、一言でいえば、その足元をしっかり見すえていくことが、ことにより、り材料の特性・組織を変えること」といえますが、古れからの ものづくり に欠かせないテーマであると代からの歴史にも見られるとおり、鉄に求めてきたの自負しています。

は「硬さ」と「粘り強さ」という相反する特性であったといえます。

Abstract
With the recent advancement in industrial
technology signified in IT, the demand for diversified material characteristics has increased. As a result, the technology that combines heat treatment and surface modification
has become increasingly important.
Nachi has been providing our customers withproducts, technology and service from the beginning processes (such as materials and heattreatment) to the completing processes (suchas machining, assembly and maintenance).
We have been growing as we satisfy our customer needs.
In this course, you will learn about the essenceof materials, heat treatment and surface modification technologies and their trends. We
strongly believe that the deeper knowledge on
the essence is essential to manufacturing.

1

日本刀や剣の性能の良しあしは、命にかかわる問
この2つの特性を如何にしてバランス良く題であり、得るかについて、古くから研究・工夫されてきたことが熱処理技術発展の歴史であり、熱処理技術の進歩が近代文明の繁栄を支えてきたといえます。
日進月歩する今日の技ものづくりの企業として、術動向に合わせ、アップデートすべきデータなども取り入れて、講座を始めます。
材料技術者に限らず、広く他の分野の技術者や営業・サービスの人にも、読みものとして理解できるよう、分かり易く解説を行なうことにします。

2. 金属を硬くするとは（硬さとは）（強さとは）「硬い」ということは、いったいどんなことなのか、ここに1本の木の棒があります。この棒が強いのか、少し考えてみましょう。

どうすれば弱いのか、つまり、強さを知ろうとしたら、私たちは日常でも硬い・軟らかいという言葉は当よいのでしょうか。誰でも思いつくのは、ハンマーでたり前のように使っていますが、実は、硬さを示す物たたいてみたり、折り曲げてみたりする。そう、何か理量は存在しないのです。しかし、硬さという概念

その棒に力を加えて、変形したり、壊れたりする様子は非常に便利なものなので、昔から硬さを何とか指を観察することでしょう。

数で表わそうと、さまざまな硬さ測定の（指数への換

金属の場合も同じで、強さを知ろうとする金属のかを削り出たまりから、一定寸法の棒（試験片と呼ぶ）算）方法が考えられてきました。
では私たちが、硬いかどうかを判断する要素は何

その両側をしっかりつかんで引張ってみることして、かというと、押さえてみてへこまないとか、引っかいです（引張試験といいます）。てみて傷がつかないとか、叩いたり物をぶつけたと鋼の中で最も多量に使われている軟鋼棒（SS400）などが考えられるのではないでしょき良く跳ね返る、から試験片を削り出して、引張試験をしてみますと、うか。

加えた力（引張力）と試験片の伸び、つまり変形量

まさにこうした事象を定量的に測定し、数値に置き換えたのが硬さ試験で、その代表的な試験方法との間には、図1のような関係が見られます。
図において、A点までの間では引張試験を中断して力をゆるめますと、0→Aを逆にたどって、0点、つまは表1の3つに分けられます。
硬さを指数で示そうとした試みは古くからありましりほぼ元の長さにもどります。このA点までを弾性変こたが、1822年にモースが10種類の鉱石を基準に、たとえばBまで試験を形といいます。A点を越えて、すり合わせたときに傷がつくかどうかを比べることで進めてから、試験を中断して力をゆるめますと、元の尺度とするモース硬さを考え出したのが最初といわ長さ（0点）にもどらずに、B→Dと変化して0→D分だれています。さらに、1900年から1922年頃にかけて

け元の長さより長くなってしまいます。
（元の長さかブリネル硬さ、ショア硬さ、ロックウェル硬さ、ビッカース

ら伸びた分は塑性変形）※1※2※3※4硬さなどの測定方法が考案されています。
これらの硬さはそれぞれ測定方法は違いますが、互いに換算することができる便利な面があります。

試験を中断せずに進めたとしますと、Cで力は最高を示し、試験片はどんどん伸びて、ついには切れてしまいます。

こうした硬さどうしの互換性を利用すれば、被測定A点は塑性変形の始まる点（降伏点という）で、A物にとって最も適正な試験方法を採用できるので、点に相当する力P1を試験片の原断面積で割った値

現場や研究での硬さ試験方法選択の自由度はた（応力）を、降伏強さといいます（軟鋼のような明瞭いへん大きくなります。

な降伏点がない場合には、極めてわずかの塑性変形を与える応力を、耐力としています）。

表1.硬さの種類

C点に相当する力P 3を、元の断面積（引張試験をブリ所定の荷重で押し込ん ビッカース硬さ、押し込み硬さ だときの永久変形の大き ネル硬さ、ロックウェ
ル硬さ、ヌープ硬さ
さや深さを測定

すると、断面積が小さくなります）で割った値を、引張り強さといいます。

ショア硬さ

反発硬さ

物をぶつけたときの跳ね返り高さを測定

こすり硬さ

こすり合わせたときの傷 モース硬さ、マルテのつきやすさを比較
ンス引っかき硬さ

図1．SS400の引張試験結果
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知りたい材料・熱処理 ①「材料を強くする熱処理」（硬さと強さ）
図2から分かるとおり、硬さと引張り強さとの間にはたいへん良い直線関係があります。この関係は鋼種や熱処理の状態を問わないことが特長です。
ある範囲で硬さまた、疲れ強さや圧縮強さなども、と良い直線関係にあることが分かっています。
（変形のしにくさ）を測定
実は硬さは変形の大きさしていますが、このことは引張ったり、圧縮したり、繰あり返し曲げたりしたときの強さといった物性値に、る意味で近い現象を測定しているといってもいいでしょう。
私たちは機械部品などの材料設計をする場合、必要な引張り強さを実際の部品から測定するには、多くの時間や費用がかかります。そのため、硬さとさまざまいうたいへん簡単で便利な指数を使って、な物理特性を代用しているのです。硬さ試験が広く普及している最大の理由は、測定の簡易性と物理特性との良い相関関係だといえます。

図2．炭素鋼および合金鋼の硬さと引張強さおよび平滑材回転曲げ疲れ限度との関係

3. 金属原子の構造と性質（金属原子の並びかた）
話を分かりやすくするために、原子を一番外側の電子の軌道面を球面とするボールと仮定しますと、金属原子の場合にはボール１個の大きさは直径が（a）面心立方形結晶構造（b）稠密六方形結晶構造

１億分の2〜3cm（1億分の1cm＝10−8cm＝0.1nm）くらいです。金属は結晶ですから、このボールが三その並びかた次元にきちんと並んでいるのですが、は図3に示すように面心立方形、稠密六方形、体心立方形の3種類があります。
ここでポイントなのは1つの格子の中の原子の数で、面心立方形では4個ありますが、体心立方形では2個しかありません。このことを考えると、どうも面心立

図3．結晶構造の種類

表2．
主な金属の結晶構造
結晶構造

主な金属

面心立方形

Au, Ag, Cu, Al, Fe
（γ）
, Ni

もちろん格子定数（格子の辺の長さ）と想像できます。

稠密六方形

Zn, Ti（α）, Mg, Coや他の状態とも関係します。

体心立方形

Cr, Fe（α）, Na, Mo, V

方形の方が、結晶構造としては硬い（変形しにくい）

表2は、主な金属の結晶構造を示したものです。

3（c）体心立方形結晶構造

（金属は格子欠陥のある不完全結晶）（侵入形の固溶と置換形の固溶）

日常的に目にする金属は多結晶体であるといいほとんどの金属は、不純物元素を含んでいて、純その1つ1つは原子がそれぞれの結晶構ましたが、金属を得ることは非常に困難です。逆に、1つの金造にしたがって整然と並んでいるのでしょうか。これ属にほかの元素を積極的に添加することによって、も残念ながら特別のものを除いては、欠陥だらけのたいへん多くの、いろいろな性質をもつ合金が得らものなのです。不完全な結晶、つまり、格子欠陥のれます。
たとえば、鉄−鉛合金のように、単なる混合物である結晶なのです。
図4のように、線状に欠陥のある場合は、線状欠それぞれ別に結晶を作って混ざり合っているものも陥あるいは転位といい、刃状転位とらせん転位の2あります。また、完全に溶け合っていわゆる固溶体原子面の重なりかたが狂っつの種類があります。また、になって結晶を作っているものもあります。さらに、ている箇所ができたとき、これを面欠陥あるいは積特定の割合で混ざり合って、比較的複雑な結晶構層欠陥といいます。

造を示す化合物も存在します。

（転位と塑性変形）
転位は、金属の性質に特に大きな影響を及ぼすもう少しくわしく説明しておきましょう。 金属のので、図5のように変形をします。ちょ結晶に力を加えますと、うどトランプのカードを積み重ねておいて、指で押したときと同じようなかっこうになります。このような変形のしくみを塑性変形といいます。

（加工硬化）

図4．転位の種類

ところで、実際の金属の塑性変形に要する力を測っ
トランプのカードを指で押すときのように、てみますと、原子のきちんと並んだ面をいっせいに動かすのに要する力よりずっと小さい力で変形が起こるのです。
（理論値の1/500〜1/1000）
これにはなにか仕組みがあるに違いありません。
その仕組みは、図6に示したように、転位が尺取り虫が動くように移動していく方式であることがわかりました。また、塑性変形は転位の運動によって起こるのですが、一方では塑性変形によって転位が著し丸い形をした結晶粒に矢印の方向に応力をかける

その結晶粒のもつすべり面でずれて回る結果、伸びる

図5．結晶粒の塑性変形の仕組み

く増殖すること、塑性変形が進むと増殖した転位がもつれ合ったり、からみ合ったりして移動しにくくな（加工硬化）などがわかってきました。
ること
また、図4に見るように、刃状転位の部分はすき間
ここに炭素や窒素など、侵入形が大きくなっていて、の固溶原子が入り込みやすくなっています。一度入り込むと抜け出しにくくなり、転位が移動するのを妨げ、金属を強化する効果を発揮したりします。
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図6．転位によるすべり機構（テイラーによる）4知りたい材料・熱処理 ①「材料を強くする熱処理」（温度と金属原子）
固溶体には図7に示すように侵入形と置換形があります。

温度による金属原子の動きについて、考えてみましょう。

侵入形とは、元となる金属（溶媒原子）の結晶の先ほど炭素原子は鉄の結晶格子間に侵入形固すき間に、溶け込む原子（溶質原子）がもぐり込む溶すると説明しましたが、鉄の原子は2.5Å（オング形で固溶体を作るものです。ですから溶質原子はストローム）で炭素の原子は1.5Åですから、常温に小さなものに限られて、たとえば鉄の場合ですと、鉄おいては炭素はほとんど固溶することができません。

原子よりもずっと小さい酸素、水素、窒素、炭素など

金属原子は最外殻の電子を共有し、互いに結合の元素が侵入形の固溶をします。

※5の手で結ばれています。ところが、温度が上がりまところが、原子の直径の差が±15%以下の金属どすと原子の熱エネルギーは運動エネルギーに変わり、うしになりますと、固溶の形態はお互いの位置を交原子どうしの結合を振りほどこうと振動し、結合の手換しあう置換形となります。鉄に対してクロムやニッがバネのように伸びるとともに結びつきの力が弱まケルなどは、このタイプの固溶体を作ります。

ります。
（図9）
つまり温度上昇により、金属は、①膨張し、結合の力（硬さ）が低下する。
②格子間の距離が長くなるため、固溶が容易になり、（a）侵入形（b）置換形

図7．固溶体中への溶質原子の入りかた（鋼の中の炭素の拡散）鋼の基本成分は鉄−炭素です。鋼の中に炭素常温では固溶できない量の元素を固溶させることができる。
③原子が自由に動きやすくなり、歪みを持った結晶の再配列が起こり、残留応力の開放や再結晶による組織の調整が進む。などの現象が起きるのです。

は浸入形で固溶すると述べましたが、この炭素原子は常温ではほとんど動きません。ところが、温度が高くなると、炭素原子は比較的自由に鉄の結晶中を動き回ります。こうした炭素原子が鉄の結晶格子中を移動することを拡散といいます。
拡散は金属原子どうしでも起こりますが、やはり、大きな金属原子どうしの拡散は、原子と原子が置き換わる置換形の拡散となります。
（図8）（a）拡散前（b）拡散後図8．めっきの境界の原子配列5

図9

4. 熱処理の種類と目的
さて、これまで説明してきた硬さ（強さ）や、もう一（焼なまし・焼ならし）つの特性である「粘り強さ」を必要に応じてコントロー

焼鈍ともいいますが、材料を加工し易くするため、ルする主な熱処理の種類とその目的について整理

加熱することにより、残留応力が無く、軟らかい状態してみましょう。にすることを焼なましといいます。
また、焼なましの一種である焼ならしは、通常の焼（焼入れ）

なまし温度より高い温度から徐冷し、偏析の軽減や鋼を加熱（約800〜1200℃）した後、急冷することミクロ組織の均一化、結晶粒の微細化をはかる処

により、硬い組織に変化させることが焼入れで、その組織をマルテンサイトと呼んでいます。
この際の加熱温度や冷却速度の微妙な違いは、もちろん鋼鋼の特性（硬さ）に大きく影響しますし、の成分の違いによっても影響します。

理です。

（時効処理）

焼入れによる強化以外に、時効処理と呼ばれる析出硬化による強化方法があります。
析出硬化型ステンレスは加熱後に急冷（溶体化

刀鍛冶が玉鋼を槌で叩いて延ばし、真っ赤な状処理）し、添加元素を固溶させ、その後一定温度に態で水の中にジュッと入れるのが焼入れで、加熱や加熱・保持をする時効処理を行ないます。時効処

冷却する水の温度も熟練と秘伝の技で、愛弟子に理によって、添加されているニッケルは他のアルミも簡単には教えなかったといわれています。

ニウム、チタン、ニオブ、モリブデンなどと金属間化合（焼もどし）
焼入れした後、基本的には必ず焼もどしを行ないます。焼入れした状態は急冷による熱応力が残っており、またミクロ組織も安定していません。
この残留応力（歪み）は耐衝撃性などの機械的物を形成・析出し、硬化します。

（浸炭・窒化）
浸炭や窒化は鋼の表面に炭素または窒素を拡散浸透させる熱処理方法で、その後焼入れ焼もどしをすることにより、高い表面硬さが得られます。

性質を低下させるので、焼入れだけでは、硬いけれ炭素も窒素も鋼の内部には侵入型で拡散しますが、ど脆い状態なのです。この残留応力を除去し、ミク炭素の方が原子量が小さいので比較的簡単に深くロ組織を均一安定な状態にするために、100℃から窒素は原子量が大きい分、入り込むことができますが、650℃に加熱することを焼もどしといいます。

炭素ほど深くは侵入しませんが、結晶に大きな歪み焼もどし温度を上げることにより、残留応力（縦軸を与えるため、高い硬さが得られるのが特長といえます。

プラスが引張応力、マイナスが圧縮応力）がどのように除去されるかを図10で示します。温度を高くすることにより、残留応力は徐々に除去され、500℃×1hrの焼もどしにより、残留応力はほぼ完全に除去されているのが判ります。焼入れ後に焼もどしをすることにより、「硬さ」と「粘り強さ」を兼ね備えた鋼になります。

図10．焼入れしたとき残留応力分布に及ぼす焼もどし温度の影響
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65. ｢知りたい材料・熱処理｣講座のはじまり
これまで熱処理を理解するための基本的な話を熱処理の理論といえば、何かと敬遠されがちでしてきましたが、この後は何回かにわたって、もっとすが、できるだけ分かり易く、具体的な事例をまじえ具体的に熱処理についての解説をしていきます。

ながら解説を進めていきます。

その例としてはどんなことがおきているのか
・焼入れ焼もどしで、・焼入れ焼もどし時のトラブル事例とその対策・使用目的を考えた熱処理の選びかた
・使用目的と熱処理を考えた材料の選びかた
・表面硬化処理（浸炭・窒化）の目的と方法などについて解説します。

用語解説

一口メモ

※1 ブリネル硬さ
鋼球又は超硬合金球の圧子を用い、試験面に球分のくぼみを付けたときの試験荷重とくぼみの表面積から求めた硬さ。他の硬さ試験に比べて、また、くぼみも大きい。試料の平均的硬さを求めるのに試験荷重が大きく、適している。素材、圧延材、鍛造品、鋳物などの硬さ試験に用いられる。
HBで表示。
※2 ショア硬さ
ショア硬さは、ダイヤモンドハンマを一定の高さから落下させ、その跳ね上がり高さに比例する値として得られる。小型軽量で、操作が極めて簡単だから、非常に短時間で硬さ値が得られる。他の試験機ではできないようなくぼみも小さく完成品の硬さ測定に適している。
大型試料でも試験ができ、ＨＳで表示。
※3 ロックウェル硬さ
3段階の試験荷重とダイヤモンド、鋼球圧子の組合せによって広い範囲
しかも圧痕がの硬さ測定に利用される。個人誤差や測定誤差が少なく、比較的小さく、熱処理した仕上げ品の硬さ測定に適している。
ＨＲＡ、ＨＲＢ、ＨＲＣなどで表示。
※4 ビッカース硬さ
正四角錐のダイヤモンド圧子を用い、試験面にくぼみを付けたときの試験荷重とくぼみの表面積から求めた硬さ。小さい試料や薄い試料、脱炭層、または浸炭層、窒化層など残留オーステナイトなどの非常に微小な部分、表面からの硬さ分布など、微小試料の検査に適している。
ＨＶで表示。さらに、荷重の小さいマイクロビッカース硬さも用いられる。
※5 Å（オングストローム）
1億分の1cm。10-8cm。
原子1個の半径の大きさに相当。

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August / 2004

硬さ測定の基準片について、矢野宏著「単位の世界をさぐる」（講談社）に、次のような記述があります。
「当時国内では、硬さ基準値片のメーカーは二社あり、さらにベアリンと不二越が自社内で使うグメーカーとして東洋ベアリング（現ＮＴＮ）ロックウェル硬さ基準片を作っていました。ベアリングメーカーが自社製のを使ったというのは、外部のものが信用できないということと、自社のベアリングの熱処理技術への自信からだと思います。
特に、不二越の場合は、製鋼（材料製造）の技術も自社内にあったということが、このような試みにつながったと思います」
硬さの基準に関してはかなり長い間、計量研硬さ、東大硬さ、不二越硬さなどがありましたが、1955年頃から工業技術院計量研究所が、数十年の年月をかけて、精度の向上と基準の統一を進めてきて現在に至っています。
皆さんにたいへん身近な「硬さ」ではありますが、その基準に関しては国際的にも未だに完全に解決されたとは断言できない問題といえるのは、少し不思議です。

〈注記〉
本稿は、不二越熱処理研究会著｢新・知りたい熱処理｣ジャパンマシニスト社を引用しています。

〈発行〉 2004年8月10日
株式会社 不二越 開発本部 開発企画部
富山市不二越本町1-1-1 〒930-8511
Tel.076-423-5118 Fax.076-493-5213