炭素構造用鋼の焼き戻しの目的は何ですか?
炭素構造用鋼の焼き戻しでは、焼き入れした鋼を Ac1 未満の温度 (通常は 150-650 度、焼き入れマルテンサイトの臨界分解ゾーンを避ける) に再加熱し、その温度を指定期間保持した後、ゆっくりと冷却します。その中心的な機能は、焼入れ後の性能欠陥を修正し、要件に応じて鋼の機械的特性を「カスタマイズ」し、最終的に強度、硬度、靭性、延性のバランスを達成することです。これは、次の 5 つの主要な機能に分類できます。
1. 焼入れ内部応力を除去し、部品の割れや変形を防止します。
焼入れ中の急速冷却プロセスにより、鋼内部に深刻な内部応力が発生する可能性があります。これは主に次の 2 つのソースによるものです。
構造応力: オーステナイトが急速にマルテンサイトに変態すると、その体積が膨張します (マルテンサイトはオーステナイトより体積が大きい)。ただし、部品のさまざまな部分 (厚肉部品の表面と中心部、複雑な形状の部品のエッジや溝など) の冷却速度が不均一であると、非同期の微細構造変態が発生し、内部応力が発生します。
熱応力: 急速冷却中、部品の表面とコアの温度差が大きくなり、表面がコアよりも早く収縮し、引張応力と圧縮応力が発生します。
これらの内部応力が除去されない場合、良くても保管中や加工中に部品の変形（シャフトの曲がりやプレートの反りなど）を引き起こすか、最悪の場合は直接亀裂を引き起こす可能性があります（特に高炭素構造用鋼や-断面の大きな部品の場合）-。焼き戻し中、原子は加熱中にエネルギーを獲得し、拡散と転位の移動によって格子の歪みを緩和し、内部応力を徐々に解放します。
たとえば、焼き入れ後の 45 鋼の内部応力は数百 MPa に達することがあります。 200 度の低温焼戻し後、この応力は 50%-60% 軽減されます。 500 度の高温焼き戻し後の応力除去率は 80% 以上に達し、部品の故障を根本的に防ぎます。
2. 脆性を軽減し、鋼の靭性と可塑性を向上させる
焼入れされた炭素構造用鋼は非常に高い硬度と強度を備えていますが、そのマルテンサイト組織は「過飽和固溶体」であるため、格子歪みが激しく、転位密度が非常に高くなります。その結果、靭性が非常に低くなり、可塑性が低くなります。 （例えば、焼き入れした45鋼が吸収する衝撃エネルギーはわずか5～10Jであり、曲げると脆性破壊を起こしやすく、衝撃荷重に耐えることができません。）このため、完成部品として直接使用するのは事実上不適です。焼き戻しの中心的な機能の 1 つは、脆性を軽減することです。加熱中に、過飽和炭素がマルテンサイトから析出し（セメンタイトなどの炭化物を形成）、マルテンサイトの格子歪みが徐々に緩和され、転位移動に対する抵抗が減少し、靭性と延性が大幅に向上します。
たとえば、45 鋼の場合、焼き入れ後 (焼き戻しなし) の衝撃エネルギー吸収は約 8J です。このエネルギーは、200 度の低温焼戻し後に 15-20J に増加します（-まだ多少脆いですが、低衝撃用途には十分です）。- 550度の高温焼戻し後、衝撃エネルギー吸収量は50J以上に達します（靭性が大幅に向上し、適度な衝撃にも耐えられます）。
高炭素構造用鋼（65 鋼など）の場合、焼き戻し後の塑性向上はさらに顕著で、焼き入れ後の伸びは 1%～2% から 10%～15% に増加し、外力を受けたときに部品が簡単に破損するのを防ぎます。{0}}
3. さまざまな用途要件を満たすために硬度と強度を調整する
焼き入れ後、鋼は最高の硬度と強度に達します（たとえば、45 鋼は焼き入れ後に HRC55 ～ 60 の硬度と 1000 MPa を超える引張強さに達します）。ただし、すべての用途に極端な硬度が必要なわけではありません。部品ごとの性能要件は大きく異なります (たとえば、工具には高硬度が必要、シャフトには強度と靱性のバランスが必要、コネクタには可塑性が必要です)。焼き戻しでは、加熱温度を制御することで硬度と強度を正確に調整できます。
低温焼き戻し（150-250 度）: 少量の微細な炭化物のみが析出し、マルテンサイト構造が維持され、硬度と強度の損失が最小限に抑えられます（45 鋼は焼き戻し後に HRC50～55 の硬度と 900 MPa 以上の引張強さに達します）。これは主に、高い硬度とある程度の靭性の両方が必要な用途 (切削工具や耐摩耗ブッシュなど) に使用されます。
中温焼戻し (350-500 度): マルテンサイトは焼戻しトルースタイト (細粒セメンタイト + フェライト) に大幅に分解し、硬度が 100% に低下します。 HRC 35 ～ 45 では、強度は 700 ～ 800 MPa に維持されますが、弾性は大幅に向上します (弾性限界は 300 ～ 400 MPa に達します)。ばねや弾性部品（自動車のショックアブソーバーばねや工作機械のチャックなど）に適しています。
高温焼き戻し（500-650 度）: マルテンサイトは完全に「焼き戻しトルースタイト」（粗粒セメンタイト + フェライト）に分解され、硬度はさらに HRC 25～35 に低下します。- 600～800MPaの強度を維持し、靭性と延性が大幅に向上します。強度と靱性のバランスが必要なコア部品（シャフト、コネクティングロッド、ギアなど）に適しています. 4. 微細構造と寸法を安定させて、部品の長期的な精度と信頼性を確保します。
焼き入れされたマルテンサイトは非平衡構造であり、室温でも自然に分解する傾向があります（炭素がゆっくりと沈殿し、構造が徐々に平衡状態に移行します）。{0}この「経年変化」により、長期間の使用または保管中に次のような問題が発生する可能性があります。-
微細構造の不安定性: マルテンサイトはゆっくりとパーライトまたはセメンタイトに分解し、その結果、特性 (硬度や弾性など) が徐々に低下します。
寸法の不安定性: 微細構造の変化には体積の変化が伴い、部品の寸法に小さいながらも持続的な偏差が生じます (精密ベアリングや測定ツールの寸法精度の低下など)。
焼き戻しは、「積極的な加熱」によってマルテンサイトの分解と炭化物の析出を促進し、組織が比較的安定した状態に早期に達することを可能にします（たとえば、高温-の焼き戻し後に形成された焼き戻しベイナイトは、室温ではそれ以上の微細構造変態をほとんど受けません）。その結果、次のような結果が得られます。
微細構造のロック: その後の使用時の性能の変動を防ぎます。
寸法の修正: 「経年変形」のリスクを排除し、精密部品（工作機械のスピンドルや精密ボルトなど）の寸法精度を長期にわたって確保します。-その後の加工が容易になります（機械加工性が向上します）。
焼き入れされた鋼の硬度は非常に高いです（たとえば、45 鋼は焼き入れ後に HRC 55 ～ 60 に達します）。直接切削加工 (旋削やフライス加工など) は、次の 2 つの大きな問題に直面します。
工具の摩耗が早い: 高硬度鋼-は高速度鋼や超硬の切削工具をすぐに摩耗させるため、加工コストが高くなります。-
低い加工精度: 硬度が高すぎると、部品切断時にチッピングやビビリマークが発生しやすくなり、表面粗さを維持することが困難になります (例: Ra 値 3.2μm 未満の達成)。
焼き入れした鋼を中高温で焼き戻すと、硬度を HRC 25-40（「容易に切断できる」範囲）まで下げることができます。-
この時点で、鋼の微細構造は焼き戻しトルースタイトまたは焼き戻しトルースタイトとなり、適度な硬度が得られます。切削中に工具の力が均一に分散されるため、摩耗が遅くなります。
可塑性の向上により、切りくずの破損が促進され（工具の巻きつきが防止され）、表面仕上げ品質が大幅に向上し（Ra 値を 1.6μm 以下に下げることが可能）、その後の精密加工（ギアやシャフトの仕上げなど）への道が開かれます。