焼き入れ（冶金）

焼き戻しは熱処理のプロセスであり、鉄ベースの合金の靭性を高めるために使用されます。焼き戻しは通常、硬化後に過剰な硬度の一部を減らすために行われ、金属を臨界点より低い温度に一定時間加熱し、その後静止空気中で冷却することによって行われます。正確な温度によって硬度の除去量が決まり、合金の特定の組成と完成品に求められる特性の両方に依存します。たとえば、非常に硬い工具は低温で焼き戻しされることが多いのに対し、バネははるかに高い温度で焼き戻しされます。

焼き戻しは、鋼や鋳鉄などの鉄合金に適用される熱処理技術であり、合金の硬度を低下させることで靭性を高めます。硬度の低下は通常、延性の増加を伴い、金属の脆さが減少します。焼き戻しは通常、金属を急速に冷却して最も硬い状態にする焼入れの後に行われます。焼き戻しは、焼入れされたワークピースを「下限臨界温度」未満の温度に制御加熱することで行われます。これは、下限変態温度または下限停止 (A _{1 ) 温度とも呼ばれます。これは、}フェライトとセメンタイトと呼ばれる合金の結晶相が結合して、オーステナイトと呼ばれる単相固溶体を形成し始める温度です。この温度を超えて加熱することは、マルテンサイトと呼ばれる非常に硬い焼入れされた微細構造を破壊しないようにするため、避けられます。^[3]

焼き戻しプロセス中の時間と温度の正確な制御は、望ましい物理的特性のバランスを実現するために極めて重要である。焼き戻し温度が低いと内部応力が緩和されるだけであり、硬度の大部分は維持しながら脆さが減少する。焼き戻し温度が高いほど硬度の低下が大きく、弾性と可塑性を高めるために降伏強度と引張強度がいくらか犠牲になる傾向がある。しかし、クロムやモリブデンなどの他の元素を含む低合金鋼の中には、低温での焼き戻しで硬度が上昇し、高温では硬度が低下するものがある。これらの合金元素を高濃度に含む鋼の多くは、焼入れと焼き戻しの条件下では逆の効果を生み出す析出硬化合金のように振舞い、マルエージング鋼と呼ばれる。^[3]

炭素鋼では、焼き戻しによってマルテンサイト中の炭化物のサイズと分布が変化し、「焼き戻しマルテンサイト」と呼ばれる微細構造が形成される。焼き戻しは、延性、機械加工性、衝撃強度を高めるために、焼戻し鋼や鋳鉄にも行われる。^[3]鋼は通常、「貫通焼き戻し」と呼ばれる均一に焼き戻され、ほぼ均一な硬度が得られるが、時には「差焼き戻し」と呼ばれる不均一に加熱され、硬度にばらつきが生じる。^[4]

焼き戻しは古代の熱処理技術です。焼き戻しされたマルテンサイトの最も古い例は、紀元前 1200 年から 1100 年頃のガリラヤで発見されたつるはしです。 ^[5]このプロセスは、アジアからヨーロッパ、アフリカまで、古代世界全体で使用されていました。古代には、尿、血液、水銀や鉛などの金属での焼き入れなど、焼き入れのためのさまざまな方法や冷却浴が試みられてきましたが、焼き戻しのプロセスは時代を超えてほとんど変わっていません。焼き戻しは焼き入れと混同されることが多く、両方の技術を説明するためにこの用語が使用されることが多かったです。1889 年、ウィリアム チャンドラー ロバーツ オースティン卿は、「著名な権威者の著作でさえ、「焼き戻し」、「焼き戻し」、「硬化」という言葉が依然として非常に混同されているため、これらの古い定義を注意深く覚えておくことをお勧めします。私は、焼き戻しという言葉を軟化と同じ意味で使用します。」と書いています。^[6]

冶金学では、分野内では非常に具体的な意味を持つ用語が数多くありますが、外部から見るとかなり曖昧に感じられるかもしれません。「硬度」、「耐衝撃性」、「靭性」、「強度」などの用語は、さまざまな意味合いを持つため、具体的な意味を見分けるのが難しい場合があります。次のような用語がいくつかあり、その具体的な定義は次のとおりです。

• 強度– 永久変形および引き裂きに対する耐性。冶金学における強度は、まだかなり曖昧な用語であるため、通常は降伏強度(変形が永久的になる強度)、引張強度(極限の引き裂き強度)、せん断強度(横方向または切断力に対する耐性)、および圧縮強度(負荷下での弾性短縮に対する耐性) に分けられます。
• 靭性–シャルピー試験で測定される破壊に対する抵抗力。曲がる材料は壊れにくいため、強度が低下すると靭性は高くなることが多いです。
• 硬度– 表面の引っかき傷、摩耗、へこみに対する耐性。従来の金属合金では、へこみ硬度と引張強度の間には直線関係があり、後者の測定が容易になります。^[7]
• 脆さ– 脆さは、弾性または塑性により曲がったり変形したりする前に材料が壊れる傾向を表します。脆さは靭性の低下とともに増大しますが、内部応力の影響も大きく受けます。
• 可塑性– 自然に元の形状に戻らない方法で成形、曲げ、変形する能力。これは物質の延性または展性に比例します。
• 弾性- 柔軟性とも呼ばれ、外部からの応力が除去されると変形、曲げ、圧縮、または伸張し、元の形状に戻る能力です。弾性は、材料のヤング率と反比例します。
• 耐衝撃性– 通常は高強度靭性と同義で、最小限の変形で衝撃荷重に耐える能力です。
• 耐摩耗性– 通常は硬度と同義で、侵食、アブレーション、剥離、またはかじりに対する耐性です。
• 構造的完全性- 破損や疲労に抵抗し、曲げやたわみを最小限に抑えながら最大定格荷重に耐え、最大限の耐用年数を実現する能力。

炭素鋼と同じように、または同じ程度に熱処理に反応する金属はほとんどなく、炭素鋼の熱処理挙動は合金元素によって大きく異なります。鋼は、焼鈍処理によって非常に展性のある状態にまで軟化させるか、または焼入れによってガラスのように硬くて脆い状態に硬化させることができます。しかし、硬化した状態の鋼は通常は非常に脆く、ほとんどの用途に使用できるほどの破壊靭性がありません。焼き戻しは、硬度を下げて焼き入れ鋼の延性を高め、金属に弾力性と展性を付与する方法です。これにより、金属は破損する前に曲がることができます。鋼に付与される焼き戻しの程度に応じて、鋼は弾性的に曲がる場合（荷重が除去されると鋼は元の形状に戻ります）、または塑性的に曲がる場合（鋼は元の形状に戻らず、永久変形します）があり、その後破損します。焼き戻しは、せん断強度、降伏強度、硬度、延性、引張強度などの金属の機械的特性を正確にバランスさせ、任意の数の特性の組み合わせを実現するために使用され、鋼をさまざまな用途に役立てることができます。ハンマーやレンチなどの工具には、優れた耐摩耗性、耐衝撃性、耐変形性が求められます。バネにはそれほどの耐摩耗性は求められませんが、破損することなく弾性変形する必要があります。自動車部品は強度がやや劣る傾向がありますが、破損する前に塑性変形する必要があります。

やすりに使用される焼き入れされていない鋼のように、最大​​限の硬度や耐摩耗性が必要とされるまれなケースを除いて、焼き入れされた鋼はほとんどの場合、ある程度焼き入れされます。しかし、鋼は焼きなましと呼ばれるプロセスによって焼きなましされ、部分的にのみ軟化されることがあります。焼き入れは、焼きなましされた鋼をさらに柔らかくし、可鍛性と機械加工性を高めて金属加工を容易にするために行われることがあります。焼き入れは溶接鋼にも使用され、溶接部の周囲の熱影響部で生じる応力と過剰な硬度の一部を緩和するために使用されます。^[3]

焼き戻しは、ほとんどの場合、鋼をその上限臨界温度 (A ₃ )以上に加熱し、その後、水、油、または強制空気に熱い鋼を浸すなどの方法を使用して急冷する、いわゆる焼入れと呼ばれるプロセスで行われます。 焼入れされた鋼は、可能な限り最も硬い状態またはその状態に非常に近い状態にされ、その後、目的の用途により適した点まで硬度を徐々に下げるように焼き戻されます。 焼入れされた鋼の硬度は、冷却速度と合金の組成の両方に依存します。 炭素含有量が多い鋼は、炭素含有量の少ない鋼よりもはるかに硬い状態になります。 同様に、高炭素鋼を特定の温度まで焼き戻すと、同じ温度で焼き戻された低炭素鋼よりもかなり硬い鋼が生成されます。 焼き戻し温度で保持する時間も影響します。 わずかに高い温度で短時間焼き戻すと、より低い温度で長時間焼き戻した場合と同じ効果が得られる場合があります。焼き戻し時間は、鋼の炭素含有量、サイズ、および目的の用途によって異なりますが、通常は数分から数時間の範囲です。

焼入れ鋼を 66 ～ 148 °C (151 ～ 298 °F) の非常に低い温度で焼き入れしても、内部応力の一部がわずかに緩和され、脆さが減少する以外には、通常は大きな効果はありません。148 ～ 205 °C (298 ～ 401 °F) の高温で焼き入れすると、硬度がわずかに低下しますが、主に内部応力の大部分が緩和されます。合金含有量の少ない一部の鋼では、260 ～ 340 °C (500 ～ 644 °F) の範囲で焼き入れすると、延性が低下し、脆さが増加するため、「焼き戻しマルテンサイト脆化」(TME) 範囲と呼ばれます。鍛冶の場合を除き、この範囲は通常は避けられます。工具などのように、靭性よりも強度が求められる鋼は、通常 205 °C (401 °F) を超える温度では焼き戻しされません。その代わり、硬度の変化は通常、焼き戻し時間のみを変化させることによって生じます。強度を犠牲にして靭性を高めたい場合、370 ～ 540 °C (698 ～ 1,004 °F) のより高い焼き戻し温度が使用されます。さらに高い温度、540 ～ 600 °C (1,004 ～ 1,112 °F) で焼き戻しを行うと、優れた靭性が得られますが、強度と硬度が大幅に低下します。600 °C (1,112 °F) では、鋼は「焼き戻し脆化」(TE) と呼ばれる別の脆化段階を経験する可能性があります。これは、鋼が焼き戻し脆化の温度範囲内に長時間保持された場合に発生します。この温度以上に加熱すると、通常、鋼は長時間保持されず、焼戻し脆化を避けるために急速に冷却されます。^[3]

上限臨界温度以上に加熱され、その後、空気中で冷却された鋼は、焼ならし鋼と呼ばれます。焼ならし鋼は、パーライト、マルテンサイト、および場合によってはベイナイトの粒子がミクロ組織内で混合された構造です。これにより、完全焼鈍鋼よりもはるかに強度が高く、焼戻し焼入れ鋼よりもはるかに靭性の高い鋼が生成されます。ただし、強度が低下しても靭性を高める必要がある場合があります。焼戻しは、鋼の硬度を慎重に下げる方法を提供し、それによって靭性をより望ましいレベルまで高めます。鋳鋼は、発生する可能性のある歪みの量を減らすために、焼鈍ではなく焼ならし処理されることがよくあります。焼戻しにより、硬度がさらに低下し、焼鈍鋼に近いレベルまで延性を高めることができます。^[8]焼戻しは炭素鋼にもよく使用され、ほぼ同じ結果が得られます。「焼ならしと焼戻し」と呼ばれるこのプロセスは、1045 炭素鋼などの鋼、または 0.35 ～ 0.55% の炭素を含むほとんどの他の鋼に頻繁に使用されます。これらの鋼は通常、焼戻し処理後に靭性を高め、内部応力を緩和するために焼戻し処理されます。これにより、金属は本来の用途に適したものとなり、機械加工も容易になります。^[9]

アーク溶接、ガス溶接、または鍛造溶接以外の方法で溶接された鋼は、局所的に溶接工程による熱の影響を受けます。この局所領域は熱影響部(HAZ) と呼ばれ、焼き入れ鋼と同程度の硬さを持つ鋼から、この熱影響部の端に近い鋼まで、硬度がかなり異なる鋼で構成されています。加熱、凝固、冷却が不均一なために熱収縮し、溶接部内と溶接部周辺の両方で金属に内部応力が発生します。応力緩和(物体全体を A ₁温度よりわずかに低い温度まで均一に加熱および冷却する)の代わりに焼き戻しが使用されることがあります。これは、内部応力を軽減し、溶接部周辺の脆さを減少させるためです。構造が大きすぎたり、複雑すぎたり、物体全体を均一に加熱するのが不便な場合に、溶接部で局所的な焼き戻しがよく使用されます。この目的のための焼き戻し温度は、一般的に205℃（401℉）から343℃（649℉）程度である。^[10]

強度 500 MPa の最新の鉄筋は、高価なマイクロアロイ鋼から、または焼入れおよびセルフテンパー (QST) プロセスによって製造できます。最終圧延​​パスで最終形状が付与された後、鉄筋に水が吹き付けられ、鉄筋の外側の表面が焼入れされます。鉄筋の速度と水の量は、鉄筋の中心部が焼入れされないよう慎重に制御されます。その後、熱い中心部がすでに焼入れされた外側部分を焼戻し、強度が高く、ある程度の延性も備えた鉄筋が完成します。

焼き入れはもともと、鍛冶屋 (鉄の鍛造者) が使用し、開発したプロセスです。このプロセスは、紀元前 12 世紀または 11 世紀にアナトリア(現在のトルコ)のヒッタイト人によって開発されたと考えられます。冶金学の知識がなかったため、焼き入れは当初、試行錯誤の方法で考案されました。

近代まで温度を正確に測定する方法はほとんど存在しなかったため、温度は通常、金属の焼き入れ色を見て判断されていました。焼き入れは、木炭や石炭の炉の上、または火で加熱することが多く、作品を正確な温度で正確な時間保つことは通常不可能でした。焼き入れは通常、金属をゆっくりと均一に過熱し、色で判断した後、すぐに空気中または水に浸して冷却することで行われました。これにより、適切な温度で適切な時間加熱するのとほぼ同じ効果が得られ、短時間で焼き入れすることで脆化を回避しました。しかし、焼き入れ色のガイドは存在するものの、この焼き入れ法を完璧にするにはかなりの練習が必要である。なぜなら、最終的な結果は、鋼の成分、加熱速度、熱源の種類（酸化または浸炭）、冷却速度、表面の油膜または不純物、その他多くの要因によって左右されるからであり、これらは鍛冶屋ごと、あるいは仕事ごとに異なる。鋼の厚さも役割を果たす。厚い製品であれば、熱が浸透する前に表面だけを適切な温度に加熱することが容易になる。しかし、非常に厚い製品は、焼き入れ中に完全に硬化できない可能性がある。^[11]

鋼が新しく研磨、やすりがけ、または磨かれた場合、加熱されると表面に酸化層が形成されます。鋼の温度が上昇すると、酸化鉄の厚さも増加します。酸化鉄は通常は透明ではありませんが、このような薄い層は光を透過し、層の上部と下部の両方の表面で反射します。これにより、薄膜干渉と呼ばれる現象が発生し、表面に色が生成されます。この層の厚さが温度とともに増加すると、色が非常に薄い黄色から茶色、紫、そして青へと変化します。これらの色は非常に正確な温度で現れ、鍛冶屋が温度を測定するための非常に正確なゲージを提供します。さまざまな色、対応する温度、およびそれらの用途は次のとおりです。

• 淡黄色 – 176 °C (349 °F) – 彫刻刀、カミソリ、スクレーパー
• ライトストロー – 205 °C (401 °F) – 削岩機、リーマー、金属切断鋸
• ダークストロー – 226 °C (439 °F) – スクライバー、プレーナーブレード
• 茶色 – 260 °C (500 °F) – タップ、ダイス、ドリルビット、ハンマー、冷間チゼル
• 紫色 – 282 °C (540 °F) – 外科用器具、パンチ、石彫刻用具
• ダークブルー – 310 °C (590 °F) – ドライバー、レンチ
• ライトブルー – 337 °C (639 °F) – バネ、木材切断用鋸
• 灰青色 – 371 °C (700 °F) 以上 – 構造用鋼

炭素鋼の場合、灰青色を超えると酸化鉄は透明度を失い、この方法で温度を判断することはできなくなりますが、ステンレス鋼などの他の合金では、金色、青緑色、マゼンタ色など、はるかに広い範囲の色を生成する場合があります。この層は時間の経過とともに厚くなるため、過熱してすぐに冷却する必要があるもう1つの理由です。長時間205°C（401°F）に保たれた焼き戻し炉内の鋼は、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くても、茶色、紫色、または青色に変わり始めます。酸化または浸炭熱源も最終結果に影響を与える可能性があります。鉄酸化物層は、錆とは異なり、不動態化によって鋼を腐食から保護します。^[12]

差別焼戻しとは、鋼のさまざまな部分に異なる量の焼戻しを施す方法です。この方法は、ナイフや刀を作る刃物職人の技でよく使用され、刃の背や中心を柔らかくしながら非常に硬い刃先を提供します。これにより、非常に硬く、鋭く、耐衝撃性のある刃先を維持しながら靭性が向上し、破損を防ぐのに役立ちます。この技法は、日本刀鍛冶などのアジアでより一般的な差別焼戻し技法とは対照的に、ヨーロッパでより多く見られました。

差別焼き入れは、刃の一部、通常は刃の背、または両刃の刃の中央のみに熱を加える方法です。片刃の刃の場合、熱は多くの場合炎または赤熱した棒の形で刃の背にのみ加えられます。次に、焼き入れ色が形成され、ゆっくりと刃先に向かって広がる様子を刃が注意深く見守ります。次に、淡い麦わら色が刃先に達する前に熱を取り除きます。熱が取り除かれた後も、色はしばらく刃先に向かって移動し続けるため、鍛冶屋は通常、少し早めに熱を取り除き、淡い黄色がちょうど刃先に達し、それ以上進まないようにしています。同様の方法が両刃の刃にも使用されますが、熱源は刃の中央に適用され、色が各刃先に向かって広がるようにします。^[13]

中断焼入れ法は、伝統的な焼戻しとはプロセスが大きく異なりますが、しばしば焼戻しと呼ばれます。これらの方法は、マルテンサイト開始温度 (M _s ) より高い特定の温度に焼入れし、その後その温度で長時間保持します。温度と時間に応じて、純粋なベイナイトが形成されるか、または内部応力の多くが緩和されるまでマルテンサイトの形成が抑制されます。これらの方法は、オーステンパリングおよびマルテンパリングとして知られています。^[14]

オーステンパリングは、パーライトとマルテンサイトの間に見られる遷移微細構造である純粋なベイナイトを形成するために使用される技術です。焼きならし処理では、通常、上部ベイナイトと下部ベイナイトの両方がパーライトと混ざっています。パーライトまたはマルテンサイトの形成を避けるために、鋼は溶融金属または塩の浴槽で急冷されます。これにより、鋼はパーライトが形成できる温度を超えてベイナイト形成温度まで急速に冷却されます。次に、鋼は、温度が平衡に達する温度を超えてベイナイト形成温度に保持され、ベイナイトが完全に形成されます。次に、鋼は浴槽から取り出され、パーライトもマルテンサイトも形成せずに空冷されます。

保持温度に応じて、オーステンパ処理により上部ベイナイトまたは下部ベイナイトが生成される。上部ベイナイトは、通常 350 °C (662 °F) を超える温度で形成される積層構造で、非常に強靭な微細構造である。下部ベイナイトは針状の構造で、350 °C 未満の温度で生成され、強度は高いが、はるかに脆い。^[15]いずれの場合も、オーステンパ処理により、冷却速度ではなく組成によって決まる一定の硬度に対して強度と靭性が向上し、破損につながる可能性のある内部応力が低減する。これにより、耐衝撃性に優れた鋼が生成される。現代のパンチやノミは、多くの場合オーステンパ処理されている。オーステンパ処理ではマルテンサイトが生成されないため、鋼をさらに焼き戻す必要はない。^[14]

マルテンパーは、鋼を溶融金属または塩の浴で急冷し、パーライト形成温度域を超えて急速に冷却するという点でオーステンパーに似ています。しかし、マルテンパーでは、ベイナイトではなくマルテンサイトを生成することが目標です。鋼は、オーステンパーで使用される温度よりもはるかに低い温度、つまりマルテンサイト開始温度よりわずかに高い温度で急冷されます。その後、金属は、鋼の温度が平衡に達するまでこの温度に保持されます。その後、ベイナイトが形成される前に鋼を浴から取り出し、空冷してマルテンサイトに変えます。冷却を中断することで、マルテンサイトが形成される前に内部応力の多くを緩和することができ、鋼の脆さが減少します。しかし、マルテンパーされた鋼は通常、硬度と靭性を調整するためにさらに焼戻しを行う必要があります。ただし、最大の硬度は必要だがそれに伴う脆さは必要ない場合のまれなケースを除きます。現代のやすりは、多くの場合マルテンパーされています。^[14]

焼戻しは 3 段階のプロセスで、不安定なマルテンサイトがフェライトと不安定な炭化物に分解し、最終的に安定したセメンタイトになり、焼戻しマルテンサイトと呼ばれるさまざまな段階の微細構造を形成します。マルテンサイトは通常、ラス (帯状) または板状で構成され、針状 (ニードル状) またはレンズ状 (レンズ状) になることもあります。炭素含有量に応じて、一定量の「残留オーステナイト」も含まれます。残留オーステナイトは、マルテンサイト終了温度 (M _f ) 未満で焼入れした後でも、マルテンサイトに変化することができない結晶です。合金剤または炭素含有量の増加は、残留オーステナイトの増加を引き起こします。オーステナイトは、マルテンサイトやパーライトよりもはるかに高い積層欠陥エネルギーを持っているため、耐摩耗性が低下し、かじりの可能性が高くなりますが、残留オーステナイトの一部または大部分は、焼戻し前の 冷間および極低温処理によってマルテンサイトに変化させることができます。

マルテンサイトは拡散なしの変態中に形成されます。この変態は、析出中に起こる化学変化ではなく、結晶格子に生じるせん断応力によって起こります。せん断応力によって結晶間に多くの欠陥、つまり「転位」が生じ、炭素原子が再配置できる応力の少ない領域ができます。加熱すると、炭素原子はまずこれらの欠陥に移動し、次に不安定な炭化物を形成し始めます。これにより、マルテンサイトの一部がフェライトに変化して、マルテンサイトの総量が減ります。さらに加熱すると、マルテンサイトはさらに減少し、不安定な炭化物が安定したセメンタイトに変化します。

焼き戻しの第一段階は室温から200℃（392℉）の間で起こる。第一段階では、炭素がε炭素（Fe2.4C _）に析出する。第二段階は150℃（302℉）から300℃（572℉）の間で起こり、残留オーステナイトはセメンタイト（昔は「トルースタイト」と呼ばれていた）ではなくε炭素を含む下部ベイナイトに変化する。^{[16] [17]}第三段階は200℃（392℉）以上で起こる。第三段階では、ε炭素がセメンタイトに析出し、マルテンサイト中の炭素含有量が減少する。 650℃（1,202℉）から700℃（1,292℉）の高温で焼戻し、または長時間焼戻しすると、マルテンサイトは完全にフェライト化し、セメンタイトはより粗く、またはより球状になることがあります。球状化鋼では、セメンタイトネットワークが分解して棒状または球状の小球に後退し、鋼は焼鈍鋼よりも柔らかくなります。純鉄とほぼ同じくらい柔らかくなり、成形や機械加工が非常に容易になります。^[18]

脆化は、焼戻し中に、特定の温度範囲で鋼の硬度が増加し、延性が低下する場合に発生します。これは、この範囲の両側で通常発生する硬度の低下とは対照的です。最初のタイプは、焼戻しマルテンサイト脆化 (TME) または 1 段階脆化と呼ばれます。2 番目は、焼戻し脆化 (TE) または 2 段階脆化と呼ばれます。

ワンステップ脆化は、通常、炭素鋼において 230 °C (446 °F) から 290 °C (554 °F) の間の温度で発生し、歴史的には「500 度 [華氏] 脆化」と呼ばれていました。この脆化は、マルテンサイトのラス間境界にセメンタイトでできたウィドマンシュテッテン針状または板状が析出することによって発生します。リンなどの不純物、またはマンガンなどの合金化剤は、脆化を助長したり、脆化の発生温度を変えたりすることがあります。このタイプの脆化は永久的なものであり、上限臨界温度以上に加熱してから再度急冷することによってのみ緩和できます。ただし、これらの微細構造は通常、形成に 1 時間以上かかるため、鍛冶屋の焼き戻し方法では問題になりません。

二段階脆化は、通常、金属を臨界温度範囲内で老化させるか、その範囲内でゆっくり冷却することによって発生します。炭素鋼の場合、これは通常 370 °C (698 °F) から 560 °C (1,040 °F) の間ですが、リンや硫黄などの不純物によって影響が劇的に増加します。これは通常、不純物が粒界に移動して構造に弱い部分を作ることができるために発生します。脆化は、多くの場合、焼戻し後に金属を急速に冷却することで回避できます。ただし、二段階脆化は可逆的です。鋼を 600 °C (1,112 °F) 以上に加熱してから急速に冷却することで脆化を解消できます。^[19]

多くの元素が鋼と合金化されることがよくあります。ほとんどの元素を鋼と合金化する主な目的は、硬化性を高め、温度による軟化を減らすことです。たとえば、工具鋼には、レンチやドライバーなどに必要な靭性と強度を高めるために、クロムやバナジウムなどの元素が添加される場合があります。一方、ドリルビットや回転やすりは、高温でも硬度を維持する必要があります。コバルトやモリブデンを加えると、鋼は赤熱した温度でも硬度を維持でき、高速度鋼が形成されます。多くの場合、望ましい特性を与えるために、1 つまたは 2 つの元素だけでなく、多くの異なる元素を少量ずつ鋼に添加します。

ほとんどの合金元素 (溶質) には、硬度を高めるだけでなく、マルテンサイトの開始温度とオーステナイトがフェライトとセメンタイトに変化する温度の両方を下げるという利点があります。これにより、焼入れ時に冷却速度が遅くなり、断面が厚いアイテムを普通の炭素鋼よりも深くまで硬化させることができ、強度の均一性が向上します。

合金鋼の焼き戻し方法は、添加される元素の種類と量によって大きく異なります。一般に、マンガン、ニッケル、シリコン、アルミニウムなどの元素は焼き戻し中にフェライトに溶解したまま残り、炭素は沈殿します。焼入れすると、これらの溶質は通常、同じ炭素含有量の普通の炭素鋼よりも硬度が高くなります。これらの元素を適度に含む硬化合金鋼を焼き戻すと、合金は通常、炭素鋼に比例していくらか柔らかくなります。

しかし、焼き戻しの際には、クロム、バナジウム、モリブデンなどの元素が炭素とともに沈殿します。鋼に含まれるこれらの元素の濃度がかなり低い場合、炭素鋼の焼き戻しに必要な温度よりもはるかに高い温度に達するまで、鋼の軟化を遅らせることができます。これにより、鋼は高温または高摩擦の用途でも硬度を維持できます。ただし、硬度を下げるには、焼き戻し中に非常に高い温度も必要になります。鋼にこれらの元素が大量に含まれている場合、特定の温度に達するまで焼き戻しによって硬度が上昇することがありますが、その温度を超えると硬度が低下し始めます。^{[20] [21]}たとえば、モリブデン鋼は通常、約 315 °C (599 °F) で最高の硬度に達しますが、バナジウム鋼は約 371 °C (700 °F) に焼き戻すと完全に硬化します。非常に大量の溶質が添加されると、合金鋼は析出硬化合金のように挙動し、焼戻し中に全く軟化しないことがある。^[22]

鋳鉄には、炭素含有量に応じて多くの種類があります。ただし、炭化物の形状に応じて、通常はねずみ鋳鉄と白鋳鉄に分けられます。ねずみ鋳鉄では、炭素は主にグラファイトの形状ですが、白鋳鉄では、炭素は通常セメンタイトの形状です。ねずみ鋳鉄は、主にパーライトと呼ばれる微細構造で構成され、グラファイトとフェライトが混ざる場合があります。ねずみ鋳鉄は通常、鋳物として使用され、その特性はその組成によって決まります。

白鋳鉄は、主にレデブライトと呼ばれる微細組織とパーライトの混合体から構成されています。レデブライトは非常に硬いため、鋳鉄は非常に脆くなります。白鋳鉄が亜共晶組成の場合、通常は焼戻しされて可鍛鋳鉄または延性鋳鉄になります。焼戻しには、「白焼戻し」と「黒焼戻し」と呼ばれる2つの方法が使用されます。両方の焼戻し方法の目的は、レデブライト内のセメンタイトを分解させ、延性を高めることです。^[23]

可鍛性（多孔質）鋳鉄は、白焼き入れによって製造されます。白焼き入れは、酸化環境で長時間加熱することで余分な炭素を燃焼させるために使用されます。鋳鉄は通常、1,000 °C（1,830 °F）の温度で60時間も保持されます。加熱の後は、1時間あたり約10 °C（18 °F）の速度でゆっくりと冷却されます。全体のプロセスは160時間以上かかる場合があります。これにより、セメンタイトがレデブライトから分解され、炭素が金属の表面から燃え尽き、鋳鉄の可鍛性が向上します。^[23]

延性（非多孔性）鋳鉄（「黒鉄」と呼ばれることが多い）は、黒焼き入れによって生産される。白焼き入れとは異なり、黒焼き入れは不活性ガス環境で行われるため、分解する炭素は燃え尽きない。その代わりに、分解する炭素は「焼き入れ黒鉛」または「薄片状黒鉛」と呼ばれる一種の黒鉛に変わり、金属の可鍛性を高める。焼き入れは通常、950 °C（1,740 °F）の高温で最大20時間行われる。焼き入れの後は、50時間から100時間以上にわたって、下限臨界温度までゆっくりと冷却される。^[23]

析出硬化合金は、1900 年代初期に初めて使用されるようになりました。熱処理可能な合金のほとんどは、アルミニウム、マグネシウム、チタン、ニッケルの合金を含む析出硬化合金のカテゴリに分類されます。いくつかの高合金鋼も析出硬化合金です。これらの合金は、急冷すると通常よりも柔らかくなり、その後、時間の経過とともに硬化します。このため、析出硬化は「老化」と呼ばれることがよくあります。

析出硬化合金のほとんどは室温で硬化しますが、高温でのみ硬化するものや、高温で時効処理することで硬化を早めることができるものもあります。室温よりも高い温度で時効処理することを「人工時効」といいます。この方法は焼き戻しに似ていますが、物理的プロセス (過飽和合金からの金属間相の析出など)、望ましい結果 (軟化ではなく強化など)、および特定の温度で保持する時間が炭素鋼で使用される焼き戻しと大きく異なるため、「焼き戻し」という用語は通常、人工時効を説明するために使用されません。

• 焼鈍（冶金）
• オーステンパリング
• 沈殿強化
• 強化ガラス

• Robert H. Todd、Dell K. Allen、Leo Alting 著「製造プロセス リファレンス ガイド」410 ページ

• 焼き入れプロセスに関する徹底的な議論
• 加熱グローと焼き戻し色を示すウェブページ