焼入れと焼戻しの違い:目的・温度・組織・硬さと靭性を比較
焼入れは、鋼をオーステナイト域まで加熱して急冷し、硬いマルテンサイトにする処理です。焼戻しは、焼入れした鋼をA1点(727℃)より低い温度に再加熱して、硬さを下げる代わりに靭性を回復させ、内部応力を減らす処理です。焼入れままの鋼はもろく割れやすいので、2つは「焼入れ焼戻し」として組み合わせて行い、焼戻しの温度で硬さと靭性の配分を決めます。刃物や軸受は約150〜200℃の低温焼戻しで硬さを残し、軸や歯車は約550〜650℃の高温焼戻し(調質)で粘り強さを得ます。
| 項目 | 焼入れ | 焼戻し |
|---|---|---|
| 目的 | 鋼を硬く強くする。拡散を伴わない変態でマルテンサイトを得る | 焼入れでもろくなった鋼の靭性を回復させ、内部応力を減らす。焼戻しの温度で、硬さと靭性のバランスを用途に合わせる |
| 処理する前の鋼 | 圧延・焼ならし・焼なましの状態の鋼(フェライトとパーライトなど) | ふつうは焼入れしたあとの鋼(マルテンサイトと残留オーステナイト)。大型の鍛鋼品では、焼ならしのあとに焼き戻すこともある |
| 加熱温度 | オーステナイト域。目安は、亜共析鋼でA3点より約30〜50℃高く、過共析鋼でA1点より約30〜50℃高い温度。S45Cでは820〜870℃ | A1点(727℃)より低い温度。低温焼戻しは約150〜200℃、高温焼戻しは約550〜650℃ |
| 冷却 | 水や油などで、臨界冷却速度より速く急冷する。水冷は速く硬くなるが、ひずみや焼割れが起こりやすい | 保持したあと空冷するのが基本。高温焼戻し脆性を起こしやすい鋼では、焼戻しのあとに急冷する |
| 組織の変化 | オーステナイトが、せん断型の変態で、炭素を過飽和に含む体心正方晶のマルテンサイトになる | 過飽和の炭素が微細な炭化物として析出し、焼戻しマルテンサイトになる。約250℃以上ではセメンタイトができ、母相はフェライトに近づく |
| 硬さを決めるもの | 主に炭素量(焼入れ硬さ)。合金元素は硬さそのものより、焼きの入る深さ(焼入れ性)を高める | 焼戻しの温度と時間。温度が高いほど、時間が長いほど軟らかくなる。Mo・V・Wを含む鋼では、500℃以上で二次硬化が起こることがある |
| 靭性と内部応力 | 非常に硬いが、もろい。急冷の温度差と変態の体積膨張で、大きな内部応力が残る | 内部応力が下がり、靭性が回復する。焼戻しの温度が高いほど靭性は上がる(焼戻し脆性の温度域を除く) |
| 起こりやすい不具合 | 焼割れ・焼入れひずみ。太い部品では中心まで焼きが入らない(質量効果)。焼入れのまま放置すると置き割れを起こすことがある | 約250〜400℃で焼き戻したときの低温焼戻し脆性。Ni-Cr鋼などを約375〜575℃でゆっくり冷やしたときの高温焼戻し脆性 |
| S45Cの機械的性質(技術資料の参考値) | 焼入れままでは使わないのがふつうで、参考値も焼入れ焼戻しの状態で示されている | 焼入れ焼戻しの状態で、引張強さ690 N/mm²以上、降伏点490 N/mm²以上、硬さHB 201〜269。焼ならしの状態(引張強さ570 N/mm²以上、HB 167〜229)より強い。どれも保証値ではなく、鋼材の太さで変わる |
数値は代表的な目安で、世代や製品によって異なります。