熱処理

熱処理（または熱処理）は、材料の物理的、場合によっては化学的特性を変更するために使用される工業的、熱的、および金属加工プロセスのグループです。最も一般的な用途は冶金です。熱処理は、ガラスなど他の多くの材料の製造にも使用されます。熱処理では、通常、極端な温度まで加熱または冷却して、材料の硬化または軟化などの目的の結果を達成します。熱処理技術には、焼鈍、表面硬化、析出強化、焼き戻し、浸炭、焼準化、および焼入れが含まれます。熱処理という用語は、特性を意図的に変更するという特定の目的で加熱と冷却が行われるプロセスにのみ適用されますが、加熱と冷却は、熱間成形や溶接などの他の製造プロセス中に偶発的に発生することがよくあります。

金属材料は、「粒子」または微結晶と呼ばれる小さな結晶の微細構造で構成されています。粒子の性質（つまり、粒子のサイズと組成）は、金属の全体的な機械的挙動を決定する最も効果的な要因の 1 つです。熱処理は、微細構造内の拡散速度と冷却速度を制御することで、金属の特性を操作する効率的な方法を提供します。熱処理は、金属合金の機械的特性を変更し、硬度、強度、靭性、延性、弾性などの特性を操作するためによく使用されます。^[1]

熱処理中に合金の特性が変化するメカニズムは2つあります。マルテンサイトの形成により結晶が本質的に変形し、拡散メカニズムにより合金の均質性が変化します。^[2]

結晶構造は、格子と呼ばれる非常に特殊な配列でグループ化された原子で構成されています。ほとんどの元素では、この順序は温度や圧力などの条件に応じて再配置されます。この再配置は同素体または多形性と呼ばれ、特定の金属ではさまざまな温度で複数回発生する可能性があります。合金では、この再配置により、通常はベース金属に溶解しない元素が突然溶解する可能性があります。一方、同素体の逆転により、元素は部分的または完全に不溶性になります。^[3]

溶解状態にある場合、拡散のプロセスにより溶解した元素の原子が広がり、ベース金属の結晶内に均一な分布を形成しようとします。合金が不溶性状態まで冷却されると、溶解した成分（溶質）の原子が溶液から移動する可能性があります。このタイプの拡散は沈殿と呼ばれ、移動する原子が粒界で一緒に集まる核生成につながります。これにより、通常2つ以上の異なる相からなる微細構造が形成されます。^[4]たとえば、オーステナイト化温度（炭素含有量に応じて赤からオレンジの熱、または約1,500 °F（820 °C）から1,600 °F（870 °C））以上に加熱され、その後ゆっくりと冷却された鋼は、フェライトとセメンタイトの交互の層からなる積層構造を形成し、柔らかいパーライトになります。^[5] 鋼をオーステナイト相まで加熱し、その後水中で急冷すると、微細組織はマルテンサイト相になります。これは、鋼が急冷後にオーステナイト相からマルテンサイト相に変化するためです。急冷により鋼全体が急速に冷却されなかった場合、パーライトまたはフェライトがいくらか存在する可能性があります。^[4]

鉄系合金とは異なり、熱処理可能な合金のほとんどはフェライト変態を起こしません。これらの合金では、粒界での核生成により結晶マトリックスの構造が強化されることがよくあります。これらの金属は析出によって硬化します。通常、温度に応じてゆっくりと進行するプロセスで、これは「時効硬化」と呼ばれることがよくあります。^[6]

多くの金属および非金属は、急速に冷却されると（油、ポリマー、水などの外部媒体を使用して）、マルテンサイト変態を示す。金属が非常に急速に冷却されると、不溶性原子は時間内に溶液から移動できない可能性がある。これは「拡散なしの変態」と呼ばれる。結晶マトリックスが低温配置に変化すると、溶質の原子は格子内に閉じ込められる。閉じ込められた原子は、結晶マトリックスが完全に低温同素体に変化するのを防ぎ、格子内にせん断応力を生み出す。鋼などの一部の合金は急速に冷却されると、マルテンサイト変態によって金属が硬化するが、アルミニウムなどの他の合金では合金が柔らかくなる。^{[7] [8]}

合金システムの特定の組成は、通常、熱処理の結果に大きな影響を与えます。各成分の割合がちょうど良い場合、合金は冷却時に単一の連続した微細構造を形成します。このような混合物は共析と呼ばれます。ただし、溶質の割合が共析混合物と異なる場合は、通常、2つ以上の異なる微細構造が同時に形成されます。低共析溶液には共析混合物よりも少ない溶質が含まれており、過共析溶液にはより多くの溶質が含まれています。^[9]

共析（共晶のような）合金は、共晶合金と似た性質を持ちます。共晶合金は、単一の融点を持つという特徴があります。この融点はどの成分よりも低く、混合物に変化があっても融点がそれ以上下がることはありません。溶融した共晶合金を冷却すると、すべての成分が同じ温度でそれぞれの相に結晶化します。

共析合金も同様ですが、相変化は液体からではなく固溶体から起こります。共析合金を溶解温度から冷却すると、成分が異なる結晶相に分離し、単一の微細構造を形成します。たとえば、共析鋼には 0.77% の炭素が含まれています。ゆっくり冷却すると、鉄と炭素の溶解物(オーステナイトと呼ばれる単一の相) は、フェライト相とセメンタイト相の小板に分離します。これにより、パーライトと呼ばれる層状の微細構造が形成されます。

パーライトは鉄よりも硬いため、達成可能な柔らかさの程度は通常パーライトによって生成される程度に制限されます。同様に、硬化性は急速に冷却されたときに形成される連続的なマルテンサイト微細構造によって制限されます。^[10]

亜共晶合金には 2 つの融点があります。どちらもシステムの共晶融点より高く、システムを構成する成分の融点より低くなっています。この 2 つの融点の間では、合金は部分的に固体、部分的に液体として存在します。融点の高い成分が最初に固化します。完全に固化すると、亜共晶合金は固溶体になることがよくあります。

同様に、亜共析合金には「アレスト」と呼ばれる 2 つの臨界温度があります。この 2 つの温度の間では、合金は部分的には溶液として存在し、部分的には「プロ共析相」と呼ばれる別の結晶相として存在します。この 2 つの温度は、上部 (A ₃ ) および下部 (A ₁ ) の変態温度と呼ばれます。溶液が上部変態温度から不溶性状態に向かって冷却されると、余分なベース メタルが「結晶化」してプロ共析相になることがよくあります。これは、残りの溶質の濃度が共析レベルに達するまで発生し、その後、別の微細構造として結晶化します。

例えば、亜共析鋼には 0.77% 未満の炭素が含まれています。亜共析鋼をオーステナイト変態温度から冷却すると、初析フェライトの小さな島が形成されます。これらは成長を続け、炭素は鋼の残りの部分の共析濃度に達するまで後退します。この共析混合物はその後、パーライトの微細構造として結晶化します。フェライトはパーライトよりも柔らかいため、2 つの微細構造が組み合わさって合金の延性が向上します。その結果、合金の硬化性が低下します。^[11]

過共晶合金にも異なる融点があります。ただし、これらの点の間では、融点の高い成分が固体になります。同様に、過共晶合金には 2 つの臨界温度があります。過共晶合金を上限変態温度から冷却すると、通常は最初に過剰な溶質が結晶化して、前共晶を形成します。これは、残りの合金の濃度が共晶になるまで続き、その後別の微細構造に結晶化します。

過共析鋼には0.77%以上の炭素が含まれています。過共析鋼をゆっくり冷却すると、最初にセメンタイトが結晶化し始めます。残りの鋼が共析組成になると、パーライトに結晶化します。セメンタイトはパーライトよりもはるかに硬いため、合金は延性を犠牲にして硬化性を高めます。^{[9] [11]}

適切な熱処理には、温度、特定の温度での保持時間、冷却速度の正確な制御が必要です。^[12]

応力緩和、焼き戻し、時効処理を除き、ほとんどの熱処理は、合金を特定の変態温度、または停止温度 (A) 以上に加熱することから始まります。この温度は、A 温度で金属がヒステリシス期間を経験するため、「停止」と呼ばれます。この時点で、すべての熱エネルギーが結晶変化を引き起こすために使用されるため、温度は短時間上昇を停止し (停止)、その後、変化が完了すると上昇を続けます。^[13]したがって、変態を起こすには、合金を臨界温度以上に加熱する必要があります。合金は通常、熱が合金に完全に浸透して完全な固溶体になるまで、この温度に長時間保持されます。たとえば、鉄には炭素含有量に応じて 4 つの臨界温度があります。アルファ (室温) 状態の純粋な鉄は、A ₂温度で非磁性のガンマ鉄に、 A _4温度で溶接可能なデルタ鉄に変化します。しかし、炭素が追加されて鋼になると、A ₂温度は、オーステナイト化温度とも呼ばれるA ₃温度(すべての相がガンマ鉄と炭素の溶液であるオーステナイトになる) と A ₁温度 (オーステナイトが冷却時にパーライトに変化する) に分かれます。これらの上限温度と下限温度の間で、冷却時に初析相が形成されます。

通常、粒径が小さいほど靭性、せん断強度、引張強度などの機械的特性が向上するため、これらの金属は、溶解粒子が大きくなりすぎないように、上限臨界温度よりわずかに高い温度に加熱されることが多い。たとえば、鋼を上限臨界温度以上に加熱すると、小さなオーステナイト粒子が形成される。これらは温度が上昇するにつれて大きくなる。マルテンサイト変態中に急速に冷却されると、オーステナイト粒子サイズがマルテンサイト粒子サイズに直接影響する。粒子が大きいと粒界が大きく、これが構造の弱点となる。通常、粒子サイズは破損の可能性を減らすために制御される。^[14]

拡散変態は時間依存性が強い。金属を冷却すると、析出ははるかに低い温度まで抑制されるのが普通である。例えば、オーステナイトは通常、上臨界温度より上でしか存在しない。しかし、オーステナイトが十分速く冷却されると、変態は下臨界温度より数百度低い温度まで抑制される。このようなオーステナイトは非常に不安定で、十分な時間があれば、フェライトやセメンタイトの様々な微細組織に析出する。冷却速度は、結晶粒の成長速度を制御するために使用したり、部分的にマルテンサイト化した微細組織を生成するために使用したりすることができる。^[15]しかし、マルテンサイト変態は時間に依存しない。他の微細組織が完全に形成される前に合金がマルテンサイト変態 (M _s ) 温度まで冷却されると、変態は通常、音速よりわずかに低い速度で起こる。^[16]

オーステナイトを冷却するが、マルテンサイト変態が起こらないようにマルテンサイト開始温度 Ms 以上に保持すると、オーステナイトの粒径が核形成速度に影響しますが、一般的には温度と冷却速度が粒径と微細構造を制御します。オーステナイトを非常にゆっくりと冷却すると、球状のセメンタイト介在物で満たされた大きなフェライト結晶が形成されます。この微細構造は「球状化物」と呼ばれます。もう少し速く冷却すると、粗いパーライトが形成されます。さらに速く冷却すると、細かいパーライトが形成されます。さらに速く冷却すると、ベイナイトが形成され、マルテンサイト開始 Ms 以上に保持された時間に応じて、より完全なベイナイト変態が起こります。同様に、特定の温度に冷却し、一定時間保持すると、これらの微細構造も形成されます。^[17]

非鉄合金の大半も、溶解するために加熱される。ほとんどの場合、これらはその後急速に冷却されてマルテンサイト変態を起こし、溶解を過飽和状態にする。合金ははるかに柔らかい状態にあるため、冷間加工されることがある。これにより加工硬化が起こり、合金の強度と硬度が増加する。さらに、塑性変形によって生じた欠陥は析出を加速させ、合金の通常の硬度を超えて硬度を増加させる傾向がある。冷間加工されなくても、これらの合金の溶質は通常析出するが、そのプロセスにははるかに長い時間がかかることがある。これらの金属は、析出を加速するために、再結晶化を防ぐため、下限臨界温度 (A ₁ ) 未満の温度に加熱されることがある。^{[18] [19] [20]}

複雑な熱処理スケジュール、つまり「サイクル」は、合金の機械的特性を最適化するために冶金学者によって考案されることが多い。航空宇宙産業では、超合金は、望ましい特性を得るために 5 つ以上の異なる熱処理操作を受けることがある。^[要出典]これは、炉の温度制御とタイマーの精度に応じて、品質の問題につながる可能性がある。これらの操作は通常、いくつかの基本的な手法に分けられる。

焼きなましは、金属を特定の温度に加熱し、その後、成分を完全にまたは部分的に分離して、洗練された微細構造を生成する速度で冷却することです。冷却速度は一般に低速です。焼きなましは、冷間加工用に金属を軟化させたり、機械加工性を改善したり、電気伝導性などの特性を強化したりする場合に最もよく使用されます。

鉄合金では、アニーリングは通常、金属を上限臨界温度以上に加熱し、その後非常にゆっくり冷却してパーライトを形成することによって行われます。純金属と熱処理ができない多くの合金の両方で、アニーリングは冷間加工によって生じた硬度を取り除くために使用されます。金属は再結晶化が起こる温度まで加熱され、それによって塑性変形によって生じた欠陥を修復します。これらの金属では、冷却速度は通常ほとんど影響しません。熱処理可能なほとんどの非鉄合金も、冷間加工による硬度を取り除くためにアニーリングされます。これらはゆっくり冷却されて成分が完全に沈殿し、洗練された微細構造が形成される場合があります。

鉄合金は通常、「完全焼鈍」または「プロセス焼鈍」のいずれかで処理されます。完全焼鈍では、粗いパーライトを形成するために、非常に遅い冷却速度が必要です。プロセス焼鈍では、冷却速度が速くなる場合があり、正規化まで行われます。プロセス焼鈍の主な目的は、均一な微細構造を生成することです。非鉄合金は、「再結晶焼鈍」、「部分焼鈍」、「完全焼鈍」、「最終焼鈍」など、さまざまな焼鈍技術にかけられることがよくあります。すべての焼鈍技術が、応力緩和などの再結晶を伴うわけではありません。^[21]

焼準は、合金全体の粒径と組成（等軸結晶）を均一にするために使用される技術です。この用語は、オーステナイト化されてから大気中で冷却された鉄合金によく使用されます。^[21]焼準により、パーライトだけでなくマルテンサイトや場合によってはベイナイトも生成されます。これにより、同じ組成で完全焼鈍よりも硬くて強い鋼が得られますが、延性は低くなります。

焼きならし工程では、鋼は臨界温度上限より約 40 度高い温度まで加熱され、この温度でしばらく保持された後、空気中で冷却されます。

応力緩和は、金属に生じる内部応力を除去または軽減する技術です。これらの応力は、冷間加工から不均一な冷却まで、さまざまな原因で発生します。応力緩和は通常、金属を下限臨界温度以下に加熱し、均一に冷却することで実現します。^[21]応力緩和は、空気タンク、ボイラー、その他の圧力容器などのアイテムで、溶接プロセス中に発生する応力の一部を除去するためによく使用されます。^[22]

一部の金属は、析出硬化金属に分類されます。析出硬化合金を急冷すると、合金元素が溶液に閉じ込められ、柔らかい金属になります。「溶解」した金属を時効処理すると、合金元素が微細構造に拡散して金属間粒子を形成します。これらの金属間粒子は核形成して溶液から脱落し、強化相として機能して、合金の強度を高めます。合金は「自然に」時効処理され、析出物が室温で形成される場合もあれば、「人工的に」時効処理され、析出物が高温でのみ形成される場合もあります。一部の用途では、自然に時効処理される合金は、次の操作 (たとえば、リベットの組み立て) が完了するまで硬化を防ぐために冷凍庫に保管される場合があります。部品が柔らかい方が作業が簡単になります。

析出硬化合金の例としては、2000シリーズ、6000シリーズ、7000シリーズのアルミニウム合金、一部の超合金、一部のステンレス鋼などがある。時効硬化する鋼は、通常、「マルテンサイト時効」という用語を組み合わせてマルエージング鋼と呼ばれる。 ^[21]

焼入れとは、金属を急速に冷却するプロセスです。これは、マルテンサイト変態を起こすために最もよく行われます。鉄合金では、これによりより硬い金属が生成されることが多く、非鉄合金では通常より柔らかくなります。

焼入れによって硬化するには、金属（通常は鋼または鋳鉄）を上部臨界温度（鋼：815〜900℃以上^[23]）以上に加熱し、その後急速に冷却する必要があります。合金やその他の考慮事項（最大硬度と亀裂や歪みに対する懸念など）に応じて、冷却は強制空気または他のガス（窒素など）で行われます。油、水、水に溶解したポリマー、塩水など、熱伝導率が優れているため、液体を使用することもできます。急速に冷却すると、オーステナイトの一部（合金の組成に依存）がマルテンサイト（硬くて脆い結晶構造）に変化します。金属の焼入れ後の硬度は、その化学組成と焼入れ方法によって異なります。冷却速度は、最も速いものから最も遅いものの順に、塩水、ポリマー（水とグリコールポリマーの混合物）、淡水、油、強制空気の順になります。ただし、特定の鋼を急速焼き入れすると割れが生じる可能性があるため、AISI 4140 などの高張力鋼は油で焼き入れし、ISO 1.2767や H13 熱間工具鋼などの工具鋼は強制空気で焼き入れし、XK1320 や AISI 1040 などの低合金鋼や中張力鋼は塩水で焼き入れする必要があります。

ベータチタンベースの合金の中には、急速冷却によって強度が増加するという同様の傾向を示すものもあります。^{[24]しかし、}銅、アルミニウム、ニッケルの合金などのほとんどの非鉄金属や、オーステナイト系ステンレス鋼（304、316）などの一部の高合金鋼は、焼入れすると逆の効果が生じ、軟化します。オーステナイト系ステンレス鋼は加工硬化が著しいため、完全な耐食性を得るには焼入れが必要です。^[21]

焼き入れされていないマルテンサイト鋼は非常に硬いものの、脆すぎるため、ほとんどの用途には適していません。この問題を軽減する方法は、焼き入れと呼ばれます。ほとんどの用途では、焼き入れされた部品を焼き入れする必要があります。焼き入れとは、鋼を下限臨界温度 (多くの場合、望ましい結果に応じて 400˚F ～ 1105˚F または 205˚C ～ 595˚C) 未満に加熱して、ある程度の靭性を付与することです。より高い焼き入れ温度 (合金と用途に応じて最大 1,300˚F または 700˚C) は、降伏強度がいくらか失われるものの、延性をさらに付与するために使用されることがあります。

焼き戻しは焼きならし鋼にも行われる。焼き戻しの他の方法としては、マルテンサイト開始温度以上の特定の温度まで焼入れし、純粋なベイナイトが形成されるか内部応力が緩和されるまでその温度を維持する方法がある。これにはオーステンパリングとマルテンパリングがある。^[21]

新しく研磨された鋼は、加熱されると酸化層を形成します。特定の温度では、酸化鉄は特定の厚さの層を形成し、薄膜干渉を引き起こします。これにより、鋼の表面に色が現れます。温度が上昇すると、酸化鉄層の厚さが増し、色が変わります。^[25]これらの色は焼き入れ色と呼ばれ、何世紀にもわたって金属の温度を測るために使用されてきました。^[26]

• 350˚F (176˚C)、淡黄色
• 400˚F (204˚C)、ライトストロー
• 440˚F (226˚C)、濃い麦わら色
• 500˚F (260˚C)、茶色
• 540˚F (282˚C)、紫
• 590˚F (310˚C)、濃い青
• 640˚F（337˚C）、ライトブルー^[26]

焼き入れ色は、焼き入れ鋼の最終的な特性を判断するのに使用できます。非常に硬い工具は、淡い麦わら色から濃い麦わら色の範囲で焼き入れされることが多いのに対し、バネは青に焼き入れされることが多いです。ただし、焼き入れ鋼の最終的な硬さは、鋼の成分によって異なります。炭素含有量の高い工具鋼は、同じ温度で焼き入れした場合、バネ鋼（炭素含有量がわずかに少ない）よりも焼き入れ後もはるかに硬いままです。また、酸化皮膜の厚さも時間の経過とともに増加します。したがって、非常に長い間 400˚F に保たれた鋼は、淡い麦わら色を生成するために必要な温度を超えていないにもかかわらず、茶色または紫色に変わることがあります。最終的な結果に影響を与える他の要因としては、表面の油膜と使用される熱源の種類があります。^[26]

物体の一部の特性を変えるために、多くの熱処理方法が開発されてきました。これらの方法は、合金の異なる部分を異なる速度で冷却するか、局所的な部分を急速に加熱してから急冷するか、熱化学拡散によって急冷するか、または示差焼戻しのように物体の異なる部分を異なる温度で焼戻しするかのいずれかです。^[要出典]

いくつかの技術では、単一の物体の異なる領域に異なる熱処理を施すことができます。これは差別硬化と呼ばれます。これは高品質のナイフや刀でよく見られます。中国の剣は、この最も古い例の 1 つであり、日本の刀はおそらく最も広く知られています。ネパールのククリも別の例です。この技術では、粘土の層のような絶縁層を使用して、柔らかくしておく領域を覆います。硬化させる領域は露出したままにしておくため、焼入れ時に鋼の特定の部分だけが完全に硬化します。^{[引用が必要]}

炎焼入れは、金属の一部のみを硬化させるために使用されます。全体を加熱し、その後異なる速度で冷却する差焼入れとは異なり、炎焼入れでは、金属の一部のみを加熱してから急冷します。これは通常、差焼入れよりも簡単ですが、この熱影響部の端の冷却が非常に速いため、加熱された金属と加熱されていない金属の間に非常に脆い領域が生じることがよくあります。^{[引用が必要]}

高周波焼入れは、非接触誘導加熱法を用いて金属の表面を急速に加熱する表面硬化技術である。合金はその後急冷され、下層の金属は変化せずに表面にマルテンサイト変態を起こす。これにより、物体の大部分で適切な靭性を維持しながら、非常に硬く耐摩耗性のある表面が形成される。クランクシャフトジャーナルは、高周波焼入れされた表面の良い例である。^[27]

表面硬化は、合金元素（最も一般的には炭素または窒素）がモノリシック金属の表面に拡散する熱化学拡散プロセスです。結果として生じる格子間固溶体はベース材料よりも硬くなり、靭性を犠牲にすることなく耐摩耗性が向上します。^[21]

レーザー表面工学は、汎用性、選択性が高く、新しい特性を持つ表面処理です。レーザー処理では冷却速度が非常に速いため、この方法によって準安定な金属ガラスも得られます。

鋼を焼入れするとオーステナイトがマルテンサイトに変態しますが、通常はすべてのオーステナイトが変態するわけではありません。マルテンサイト仕上げ (M _f ) 温度以下に焼入れした後でも、一部のオーステナイト結晶は変化しません。金属をゆっくりと極低温に冷却すると、オーステナイトからマルテンサイトへのさらなる変態を誘発できます。冷間処理では通常、鋼を約 -115˚F (-81˚C) に冷却しますが、オーステナイトがすべて除去されるわけではありません。極低温処理では通常、はるかに低い温度 (多くの場合 -315˚F (-192˚C) の範囲) に冷却して、ほとんどのオーステナイトをマルテンサイトに変態させます。

冷間および極低温処理は、通常、焼入れ直後、焼戻し前に行われ、硬度、耐摩耗性を高め、金属の内部応力を軽減しますが、実際には焼入れプロセスの延長であるため、処理中に割れが発生する可能性が高くなります。このプロセスは、耐摩耗性が求められる工具、ベアリング、その他のアイテムによく使用されます。ただし、通常は、焼入れ後に10％を超えるオーステナイトが保持される高炭素鋼または高合金鋼にのみ有効です。^{[28] [29]}

鋼の加熱は、炭素含有量を変える方法として時々使用されます。鋼が酸化環境で加熱されると、酸素が鉄と結合して酸化鉄層が形成され、鋼を脱炭から保護します。しかし、鋼がオーステナイトに変わると、酸素は鉄と結合してスラグを形成し、脱炭に対する保護は提供されません。スラグとスケールの形成は、実際には脱炭を促進します。これは、鋼が炉の石炭などの酸素のない環境に移動された後でも、酸化鉄が酸素を脱炭ゾーンと接触させ続けるためです。したがって、炭素原子は周囲のスケールとスラグと結合し始め、一酸化炭素と二酸化炭素の両方を形成し、空気中に放出されます。

鋼には比較的少量の炭素が含まれており、ガンマ鉄内で自由に移動できます。オーステナイト化された鋼を長時間空気にさらすと、鋼の炭素含有量が減少する可能性があります。これは、鋼を還元環境で加熱した場合、炭素が金属内にゆっくりと拡散するのとは逆の現象です。酸化環境では、炭素は容易に外側に拡散するため、オーステナイト化された鋼は脱炭化の影響を受けやすいです。これは、鋳造には高い炭素含有量が必要ですが、完成品では低い炭素含有量が望まれる鋳鋼によく使用されます。これは、鋳鉄で可鍛鋳鉄を製造するためによく使用され、「白焼き入れ」と呼ばれるプロセスです。この脱炭化の傾向は、鍛冶などの他の作業で問題になることが多く、過度の脱炭化を防ぐために、鋼をオーステナイト化する時間をできるだけ短くすることが望まれます。^[30]

通常、熱処理で使用されるプロセスではなく、終了条件が指定されます。^[31]

ケース硬化は「硬度」と「ケース深さ」によって指定されます。ケース深さは、総ケース深さまたは有効ケース深さの 2 つの方法で指定できます。総ケース深さは、ケースの真の深さです。ほとんどの合金では、有効ケース深さは、HRC50 に相当する硬度を持つケースの深さです。ただし、一部の合金では、有効ケース深さで異なる硬度 (40-60 HRC) が指定されています。これは、Tukon マイクロ硬度計で確認されます。この値は、総ケース深さの 65% として大まかに概算できますが、化学組成と硬化性によってこの近似値が変わる場合があります。どちらのケース深さも指定されていない場合は、総ケース深さが想定されます。^[31]

ケース硬化部品の仕様では、少なくとも±0.005インチ（0.13 mm）の許容差が必要です。部品を熱処理後に研磨する場合は、ケースの深さは研磨後のものとみなされます。^[31]

仕様に使用されるロックウェル硬度スケールは、以下の表に示すように、ケース全体の深さによって異なります。通常、硬度はロックウェル「C」スケールで測定されますが、ケースが0.030インチ（0.76 mm）未満の場合は、スケールで使用される荷重がケースを貫通します。より薄いケースにロックウェル「C」を使用すると、誤った読み取りが発生します。^[31]

厚さが0.015インチ（0.38 mm）未満のケースでは、ロックウェルスケールは確実に使用できないため、代わりにファイルハードが指定されます。^[31]ファイルハードは58 HRCにほぼ相当します。^[32]

硬度を指定する場合は、範囲を指定するか、最小硬度を指定する必要があります。範囲を指定する場合は、少なくとも5ポイントを指定する必要があります。^[31]

完全硬化の場合、硬度のみが記載されます。通常はHRCの形式で、少なくとも5ポイントの範囲で表されます。^[31]

焼鈍処理の硬度は、通常、HRBスケールの最大値として記載されます。^[31]これは、粒径を微細化し、強度を向上させ、残留応力を除去し、電磁気特性に影響を与えるプロセスです...

熱処理に使用される炉は、バッチ炉と連続炉の2つの大きなカテゴリに分けられます。バッチ炉は通常、手動で材料の積み込みと積み下ろしを行いますが、連続炉には炉室内に一定の材料を供給するための自動搬送システムが備わっています。^[33]

バッチシステムは通常、鋼鉄製のシェルを備えた断熱チャンバー、加熱システム、およびチャンバーへのアクセスドアで構成されています。^[33]

多くの基本的な箱型炉は、統合された急冷タンクと徐冷チャンバーを追加することで、半連続バッチ炉にアップグレードされています。これらのアップグレードされた炉は、熱処理に非常に一般的に使用されている装置です。^[33]

台車炉とも呼ばれるこの炉は、極めて大型のバッチ炉です。炉床は断熱された可動式の台車として作られており、炉内への積み込みや積み下ろしのために移動されます。台車は通常、所定の位置にあるときに砂シールまたは固体シールを使用して密閉されます。十分な密閉を得るのが難しいため、台車炉は通常、非大気プロセスに使用されます。^[要出典]

エレベーター炉は、車両炉とタイプが似ていますが、車両と炉床が炉の下に転がされ、モーター駆動機構によって持ち上げられる点が異なります。エレベーター炉は、大きな重い荷物を扱うことができ、多くの場合、外部のクレーンや移動機構を必要としません。^[33]

ベル炉にはベルと呼ばれる取り外し可能なカバーがあり、クレーンで炉床と積荷の上に降ろされる。内側のベルは炉床の上に置かれ、保護雰囲気を供給するために密閉される。外側のベルは熱を供給するために降ろされる。^[33]

ピット内に建設され、床面またはわずかに上まで伸びる炉はピット炉と呼ばれます。ワークピースは固定具から吊り下げたり、バスケットに入れたり、炉内のベースに置いたりすることができます。ピット炉は、長いチューブ、シャフト、ロッドを垂直に保持して加熱するのに適しています。この積載方法により、歪みが最小限に抑えられます。^[33]

塩浴は、中性硬化、液体浸炭、液体窒化、オーステンパ、マルテンパ、焼き戻しなど、さまざまな熱処理プロセスで使用されます。

部品は溶融塩の入った鍋に入れられ、伝導によって加熱されるため、非常に簡単に利用できる熱源となります。部品の中心温度は、塩浴中の部品の表面温度とほぼ同じ速度で上昇します。^[33]

塩浴は熱処理にさまざまな塩を使用しますが、最も広く使用されているのはシアン化塩です。関連する職業上の健康と安全、環境への影響による廃棄物管理と処分のコストへの懸念から、近年、塩浴の使用は魅力的ではなくなりました。その結果、多くの塩浴は、より環境に優しい流動床炉に置き換えられています。^[34]

流動床は、砂のような酸化アルミニウム粒子が充填された高温合金製の円筒形レトルトで構成されています。ガス（空気または窒素）が酸化物に吹き込まれ、砂が流体のような挙動を示すように動くため、流動化と呼ばれます。酸化物の固体同士の接触により、非常に高い熱伝導率と炉全体の優れた温度均一性が得られ、塩浴に匹敵します。^[33]

• 炭素鋼
• 炭化
• 拡散硬化
• 高周波焼入れ
• 逆行熱処理
• 窒化

• 英語版国際熱処理雑誌
• リードヒル、ロバート (1994)。『物理冶金学の原理』（第 3 版）。ボストン: PWS 出版。

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