焼戻し

焼戻しとは、焼入れあるいは溶体化処理されて不安定な組織を持つ金属を適切な温度に加熱・温度保持することで、組織の変態または析出を進行させて安定な組織に近づけ、所要の性質及び状態を与える熱処理日本工業標準調査会。焼き戻し、焼もどしとも表記する。

狭義には、焼入れされた鋼を対象にしたものを指す、鋼の焼戻しは、焼入れによりマルテンサイトを含み、硬いが脆化して、不安定な組織となった鋼に靱性を回復させて、組織も安定させる処理である。

アルミニウム合金のような非鉄金属やマルエージング鋼のような特殊鋼などへの溶体化処理後に行われる焼戻し処理は時効処理の一種で荘司ほか、人工時効あるいは焼戻し時効、高温時効と呼ばれる。

本記事では焼入れされた鋼の焼戻しについて主に説明する。人工時効については時効 を参照のこと。また、本記事では日本産業規格、学術用語集に準じて、「焼戻し」の表記で統一する日本工業標準調査会。

1. 目的
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硬さと靱性の調整焼入れによって得られた鋼のマルテンサイト組織は、硬いが脆い状態となっている。この焼入れ組織に粘り強さを与えるのが焼戻しの目的の1つである朝倉・橋本。基本的には焼戻し温度と呼ばれる焼戻し時に加熱・保持する温度を変更することで、硬さと靱性のバランスを決定する熱処理技術入門。靱性を重視する場合は比較的高温で焼戻しする高温焼戻しが、硬さを重視する場合は比較的低温で焼戻しする低温焼戻しが適用される朝倉・橋本。残留応力の除去焼入れによって、加工品にはマルテンサイト変態や熱膨張によって内部に応力が発生する不二越熱処理研究会。この応力は焼入れ後にも残り、変形・割れの発生や、機械的性質の悪化を生じさせる不二越熱処理研究会。このような応力を残留応力と呼ぶ。この残留応力を焼戻し処理によって除去あるいは軽減させることができる。加工品の大きさや加熱時間にもよるが、500℃程度の焼戻しで残留応力はほぼ除去でき、200℃程度の焼戻しで半減できる不二越熱処理研究会。寸法と形状の安定化焼入れ後の組織には、残留オーステナイトと呼ばれるマルテンサイト化しきれなかったオーステナイト組織が残っている大和久重雄。残留オーステナイトは常温で放置すると時間が経つに連れて徐々にマルテンサイトに変態する不二越熱処理研究会。残留オーステナイトからマルテンサイトへの変態の際、組織の体積が膨張するので変形や寸法変化を起こしたり、上記の残留応力とも相まって割れが発生する場合がある不二越熱処理研究会。また、マルテンサイトも低炭素マルテンサイトへ時間が経つに連れて徐々に変化していき、その際に縮小を起こす不二越熱処理研究会。焼戻しにより、このような不安定な組織を安定化させて、加工品の寸法変化や割れの発生防止をすることができる日本熱処理技術協会。二次硬化の利用焼戻しによる二次硬化現象を利用するもので合金鋼特有のものである。通常の焼戻しでは延性と硬さが反比例するが、二次硬化により延性と硬さが共に向上する坂本卓。合金工具鋼や高速度工具鋼に適用される日本熱処理技術協会日本熱処理技術協会。

2. 再加熱による組織変化
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焼入れされた鋼は、金属組織的にも内部応力的にも不安定な状態にある藤木榮。焼入れで得られたマルテンサイト組織を再加熱していくと、マルテンサイトから過飽和に固溶されていた炭素や合金元素が吐き出され、安定な組織に近づいていき、機械的性質も変化していく荘司ほか。これが焼戻しの基本原理である荘司ほか。以下、焼入れ後の組織を再加熱していくと、組織にどのような変化が発生していくかを説明する。

2.1. 第1段階
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まず80 - 160℃まで加熱すると、マルテンサイトからε炭化物と呼ばれる炭化物が析出し、マルテンサイトは低炭素マルテンサイトあるいは焼戻しマルテンサイトと呼ばれる組織に変わり、組織は低炭素マルテンサイトとε炭化物で構成されるようになる日本熱処理技術協会。焼入れによる高炭素マルテンサイトはオーステナイトの炭素含有量をそのまま受け継いで炭素を0.8%含有しているのに対し不二越熱処理研究会、低炭素マルテンサイトは0.2 - 0.3%程度の含有量である不二越熱処理研究会。結晶構造は、高炭素マルテンサイトは正方晶であるのに対し、低炭素マルテンサイトは立方晶を取る日本熱処理技術協会。ε炭化物は六方晶の結晶構造を持ち、Fe2 - 2.5CあるいはFe2 - 3Cで表され、標準組織で析出するFe3Cのセメンタイトとは異なる不二越熱処理研究会日本熱処理技術協会。また、このような変化により体積が縮小する不二越熱処理研究会。この変化は高炭素マルテンサイトが存在する場合のみに発生するので、炭素含有量0.3%以下の低炭素鋼では発生しない不二越熱処理研究会。

2.2. 第2段階
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次に230 - 280℃まで加熱すると、組織中の残留オーステナイトが下部ベイナイトに変態する日本熱処理技術協会。この変化で体積は膨張する藤木榮。この変化は残留オーステナイトが存在する場合のみに発生する不二越熱処理研究会。生じたベイナイトはやがてフェライトと炭化物に変化する日本熱処理技術協会荘司ほか。

2.3. 第3段階
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さらに300℃以上に加熱すると、ε炭化物は一端母相中に溶け込み日本熱処理技術協会、χ炭化物と呼ばれる別の中間相炭化物の析出を経てセメンタイトを析出するようになる不二越熱処理研究会。低炭素マルテンサイトは炭素をセメンタイトとして析出したことでフェライトに変態していく不二越熱処理研究会。この過程では体積は縮小する藤木榮。

セメンタイトは、初めはフェライト素地中に細かい粒状で分散しているが、さらに温度が上昇していくと、大きな粒子に凝縮していく日本熱処理技術協会。400 - 500℃程度までに加熱された組織は、トルースタイトと呼ばれる組織になり、500 - 650℃程度ではソルバイトと呼ばれる組織になる藤木榮藤木榮。トルースタイトは光学顕微鏡では判別できないレベルで微細化されたセメンタイトと等軸のフェライトから構成され、ソルバイトでは光学顕微鏡約400倍程度で判別できる微細な球状セメンタイトと等軸のフェライトで構成される不二越熱処理研究会日本熱処理技術協会。

2.4. 第4段階
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以上の組織変化に加えて、合金鋼の場合、400 - 450℃以上に加熱すると固溶されていた合金元素も放出され、合金鋼特有の変化が発生するようになる不二越熱処理研究会。この変化を第3段階に続く第4段階に加える場合もある荘司ほか。その合金鋼特有の炭化物が発生するようになり、次のような現象が発生する。

高合金鋼を焼戻しすると、焼戻し前よりも硬さが向上する場合がある藤木榮。このような焼戻しによる硬化を、焼入れによる硬化を一次硬化として、二次硬化、あるいは焼戻し硬化と呼ぶ日本熱処理技術協会不二越熱処理研究会。二次硬化の要因は、残留オーステナイトが焼戻しによりマルテンサイト化することによる硬化と複炭化物の微細析出による硬化の2つである荘司ほか。二次硬化時に残留オーステナイトから変態したマルテンサイトは通常の焼入れ時に発生するマルテンサイトと同じなので、二次硬化を伴った焼戻し後には更にもう1回、2回焼戻しを繰り返すことが必要となる藤木榮。

3. 焼戻し温度と保持時間
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焼戻し温度によって得られる組織が変わるのは上記で説明した通りだが、焼戻し温度に加えて、その温度での保持時間も焼戻しの組織に影響する荘司ほか。焼戻しに伴う炭化物の析出やε炭化物からセメンタイトへの移行も、保持時間の延長と共に必要な焼戻し温度は低くなっていく不二越熱処理研究会。また、焼戻し温度の最高温度としては、原則として730℃のA1変態点温度が限界である大和久重雄。一般には650℃以下の温度が用いられる不二越熱処理研究会。以下、焼戻し温度と保持時間を決定する手法例を説明する。

焼戻し温度と保持時間が焼戻し後の硬さに及ぼす影響を統一して表す指標として、1945年に、ホロモンとジャッフェにより焼戻しパラメータと呼ばれる指標が考案された不二越熱処理研究会。英語では、考案者の名前に因みホロモン・ジャッフェ・パラメータとも呼ぶ。焼戻しパラメータを//P//としたとき次式で表される。

ここで、//T//は焼戻し温度で単位は絶対温度、//t//は焼戻し時間で単位は秒あるいは時間 である。//C//は材料定数である。ラーソン・ミラー・パラメータと同形式だが、こちらはクリープ変形における温度と時間の影響を統一して表す指標である。

焼戻し温度と保持時間の組み合わせが異なる実験結果を、縦軸に焼戻し後の硬さ、横軸に焼戻しパラメータで整理すると、同じ材料であれば1つの曲線上に乗る不二越熱処理研究会。このような曲線を焼戻し母曲線と呼ぶ熱処理技術入門。すなわち、焼き戻し母曲線を作成すれば、設定しようとする焼戻し温度と保持時間から得られる硬さを予測できる。

上式は、焼戻しの進行が熱活性過程に従うとして、以下のように求まる。熱活性過程に従う場合、その材料の拡散速度//v//は、

で書き下せる熱処理技術入門。ここで、//A//は定数、//e//はネイピア数、//Q//は焼戻し過程の活性化エネルギー、//R//は気体定数、//T//は絶対温度である。ある硬さ//H//に達するまでの時間//t//は速度//v//に反比例すると考えられるので、

と表せる熱処理技術入門。ここで//B//は新たな定数である。上式の常用対数を取ると、

となる。ここで0.4342は自然対数から常用対数への換算係数である。さらに変形すると以下の形式で書き下せる。

ホロモンらの実験によると、活性化エネルギ//Q//と得られる硬さ//H//の値は一対一で対応する熱処理技術入門。よって、上式左辺は係数が掛かっているが焼戻しパラメータ//P//と同等である。ここで、

と置けば最初の焼戻しパラメータの式が得られる。

材料定数//C//は、マルテンサイト中の炭素含有量//C//%の変数として以下のような推定式がある不二越熱処理研究会。

//t//が秒単位のとき
//t//が時間単位のときあるいは、同じ焼戻し硬さが得られる2組の//T//、//t//を実験などから得ることができれば、それぞれの組み合わせを//T//1、//t//1と//T//2、//t//2として、以下のように//C//の値に得られる熱処理技術入門。

以上のように理論的には焼戻しパラメータによって得たい機械的性質に対する任意の温度と時間を選べる。ただし実際には、保持時間は1 - 2時間を目安として、得たい機械的性質によって焼戻し温度を選択する場合が一般的である不二越熱処理研究会。

4. 種類と方法
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4.1. 低温焼戻し
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比較的低温域で焼戻しすることで、焼入れ後の硬さをあまり減少させず、残留応力の低減と性状の安定化を行うことができる日本熱処理技術協会。このような焼戻し処理を低温焼戻しと呼ぶ日本熱処理技術協会。焼戻し温度は目安として150 - 250℃の範囲である日本熱処理技術協会。低温焼戻しによって生じる鋼組織は、上記で説明した低炭素マルテンサイトで朝倉・橋本、ビッカース硬さは約800HVとなっている日本熱処理技術協会。

硬さや耐摩耗性を必要とする材料に低温焼戻しが適用される朝倉・橋本。鋼種としては、炭素含有量が0.77%超える過共析鋼が主となっている日本熱処理技術協会。工具鋼の例としては、二次硬化特性を持たない炭素工具鋼や冷間加工用の合金工具鋼などに適用される日本熱処理技術協会日本熱処理技術協会。実際の製品としては、ナイフや包丁といった切削工具、ゲージやノギスといった計測器具、自動車車体のプレス金型、軸受などで適用される坂本卓大和久重雄。また、低温焼戻しは高周波焼入れ後や浸炭焼入れ後の標準的な焼戻しでもある大和久重雄。

加熱装置には油浴が最適とされる日本熱処理技術協会。100℃に沸騰させたお湯に漬す焼戻しでも残留応力を25%程度減少でき、耐摩耗性向上の効果があるので、本来の低温焼戻し温度が不可能な場合などに推奨される大和久重雄。高温焼戻しの場合は焼戻し脆性を避けるために水冷などを用いた急冷が推奨されるが日本熱処理技術協会、焼戻し脆性温度を避けている低温焼戻しの場合は空冷などのややゆっくりした冷却が推奨される大和久重雄。これは、ひずみや割れを防ぐためである不二越熱処理研究会。

4.2. 高温焼戻し
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低温焼戻しに対して比較的高温域で焼戻しすることで、靱性を高める焼戻しを高温焼戻しと呼ぶ藤木榮。焼戻し温度は目安として温度400 - 680 ℃の範囲で行われる日本熱処理技術協会大和久重雄。加熱装置には塩浴や燃焼炉、電気炉が用いられる朝倉・橋本。

前述で説明した通り、焼戻し温度によって得られる組織が異なる。高温焼戻しと呼ばれる焼戻し温度域の中でも、400 - 500℃から焼き戻すとトルースタイトと呼ばれる組織が得られる藤木榮。トルースタイトのビッカース硬さは約400HVで日本熱処理技術協会、硬さを残しつつ靱性もある程度高い組織が得られる大和久重雄。ただし、トルースタイトは錆びやすいのが欠点の1つである大和久重雄。実際の製品としては高級刃物やばね類などに適用される大和久重雄熱処理ガイドブック。

500 - 650℃から焼き戻すとソルバイトと呼ばれる組織が得られる藤木榮。ソルバイトのビッカース硬さは約280HVで日本熱処理技術協会、鋼の組織の中では最も靱性が高いのが特徴となっている大和久重雄。適度の強さと高い靱性を得られることから機械構造用鋼に適しており日本熱処理技術協会、実際の製品としても、トルースタイトと同じくばね類も含め、機械部品全般で広く採用される大和久重雄。

日本工業規格によれば、高温焼戻しでトルースタイトかソルバイト組織を得る焼入焼戻しを、特に調質と呼ぶ日本工業標準調査会。または、ソルバイト組織を得る焼入焼戻しに限って調質と呼ぶ場合もある日本熱処理技術協会。高温焼戻しが適用される製品としては、上記で述べたもの以外では、軸、高強度ボルト、軽中荷重用歯車などがある大和久重雄大和久重雄。

5. 焼戻し軟化抵抗
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焼戻しでは基本的に焼戻し温度に比例して硬さが低下するが、炭素鋼や合金鋼の低合金鋼などの鋼種に対して、中合金鋼、高合金鋼などの鋼種では、焼戻し温度上昇に対する硬さの低下割合が低くなる熱処理技術入門。このように、鋼中の合金元素によっては、同じ焼戻し温度でも焼戻し後硬さが異なる性質を焼戻し軟化抵抗や焼戻し軟化抵抗性と呼ぶ不二越熱処理研究会坂本卓、クロム、モリブデン、タングステン、バナジウムなどの炭化物形成元素が添加されていると、焼戻し軟化抵抗を大きくするように働く不二越熱処理研究会。

6. 焼戻し脆性
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焼戻しは加工品の靱性を向上させる処理だが、焼戻し温度によっては逆に脆化する場合がある藤木榮。これを焼戻し脆性と呼び、低温焼戻し脆性と高温焼戻し脆性がある。藤木榮。焼戻し特有の欠陥で、焼戻し処理時には焼戻し脆性が発生する温度域には注意を要する荘司ほか。

6.1. 低温焼戻し脆性
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250 - 350℃からの焼戻しで発生する脆化を低温焼戻し脆性と呼ぶ日本熱処理技術協会。低温焼戻し脆性は、焼戻しの冷却速度と鋼種を問わずに発生する藤木榮。一端高温で焼戻しすれば、この条件で焼戻ししても低温焼戻し脆性は発生しなくなるのが特徴である不二越熱処理研究会。

低温焼戻し脆性の原因は、リン、窒素などの不純物が旧オーステナイト結晶粒界に析出すること、300℃以上で析出する初期セメンタイトが薄板状のため粒界に析出すること、残留オーステナイトから炭化物が析出して不安定になり、荷重負荷時にマルテンサイト変態して脆くなること、などが挙げられる不二越熱処理研究会。そのため、リン、窒素などの不純物を減らすことも脆化を軽減する対策の1つである不二越熱処理研究会。

防止策としては、この温度域からの焼戻しを避けることが第一で藤木榮、珪素を添加も有効である不二越熱処理研究会。珪素の働きでε炭化物を安定させて、セメンタイトの析出と成長を抑え、脆化発生領域を高温域に移動させることができる不二越熱処理研究会。

6.2. 高温焼戻し脆性
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450 - 550℃からの焼戻しで発生する脆化を高温焼戻し脆性と呼ぶ不二越熱処理研究会。さらに、この温度域を避けて550 - 650℃から焼戻ししても500℃付近を徐冷すると同様に高温焼戻し脆性が発生してしまう日本熱処理技術協会。そのため、高温焼戻し脆性を避けて550 - 650℃から焼戻しする時には急冷が推奨される不二越熱処理研究会。脆化を避ける冷却速度は空冷以上が望ましいとされる大和久重雄。

高温焼戻し脆性の原因は、リン、アンチモンなどの不純物が旧オーステナイト結晶粒界に析出するためで、モリブデンの添加が析出を遅らせるのに有効である藤木榮。一方で、クロム、ニッケル、マンガンなどは析出を促進させるので藤木榮、ニッケルクロム鋼、クロム鋼、ニッケルマンガン鋼、マンガン鋼などで発生しやすい不二越熱処理研究会。

低温焼戻し脆性と異なり可逆性を持つのが特徴で、適切な他の条件で焼戻ししても、その後にこの条件で焼戻しすると高温焼戻し脆性が発生する不二越熱処理研究会。逆に、高温焼戻し脆化された加工品でも再度急冷で焼き戻し直せば使えるようになる藤木榮。

7. 脚注
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8. 参考文献
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和書

9. 関連項目
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焼入れ
焼なまし
焼ならし
テンパリング