これまで、熱処理の中の「焼き入れ」と「焼き戻し」を見てきました。焼き入れと焼き戻しはワンセットで、いずれも素材に熱を加えて硬さや強靭さや粘りなどを整える作業でした。硬くて丈夫な鋼材にするために、焼き入れと焼き戻しは大変重要な作業です。
熱処理と呼ばれるものは、これらの「焼き入れ」と「焼き戻し」以外にも「焼なまし」「焼ならし」という工程もあります。焼き入れや焼き戻しが素材に熱を加えて急に冷やす一方で、焼なまし、焼ならしは素材をゆっくり冷やして素材に軟らかさと粘りを加える作業です。今回は、この中の「焼なまし」についてご説明いたします。
焼なましは、「焼鈍（しょうどん）」ともよばれます。硬くて丈夫な鋼材は製品としては理想ですが、加工がしにくいのが欠点です。鋼材を加工するためには、切削が容易にできて曲げたりしやすいことが求められます。つまり鋼材の加工では軟らかさが求められます。焼きなましは、鋼材を柔らかくする工程です。
鋼材を炉の中でゆっくり冷やします。ゆっくり冷やすと鋼材の中の結晶粒が少しだけ大きくなり、鋼材の中の結晶構造が整います。つまり、結晶のひずみなどが取り除かれ、綺麗な結晶構造の鋼材になります。結晶構造が不完全な鋼材は、硬さのバラつきや加工のムラが生じる恐れがあるため、結晶構造を整えることは大変重要なことなのです。
焼なましは、その目的によって「完全焼なまし」、「応力除去焼なまし」、「球状化焼なまし」、「拡散焼なまし」の４つに分類することができます。大きく違うのは加熱温度です。それぞれを簡単にご説明します。
鋼材の原子は室温ではフェライト結晶と呼ばれる構造(体心立方格子)で存在します。おおよそ約850から1050℃以上に熱することでオーステナイト結晶と呼ばれる構造(面心立方格子)に変化します。オーステナイト結晶化する温度で加熱することを完全焼なましといいます。通常「焼なまし」というと、この完全焼なましを指します。鋼材の内部の結晶粒度をそろえて、均質に整えることができるため、鋼材を柔らかくするために行う焼なましです。
鋼材などの金属は、熱や外力が加わると、外部と内部の冷却速度の差により金属の内部に応力が残留することがあります。内部応力または残留応力ともいいます。内部応力は鋼材の割れの原因になります。この内部応力を除去するのに用いられるのが応力除去焼なましです。鋼材をおよそ約500から600℃で加熱します。
鉄の炭化物であるセメンタイトなどといった炭化物の粒子を、球状の状態にする焼なましです。およそ約650から800度で長く加熱します。この焼なましを行うことで安定化し、延びがあり加工性に優れた状態になります。高炭素鋼の工具鋼には焼入れする前に必ずこの焼なましが行われます。
素材内の元素を均質化するために行われる焼なましです。素材が溶ける手前の温度であるおおよそ約1050から1200度の高温で加熱します。内部元素の「かたより（偏析）」を拡散して均質化します。
