金属のジム！熱処理で部品をより硬く、より安定に、そしてよりタフに
精密部品の製造工程において、「熱処理」は表面処理と並ぶ重要なプロセスです。その目的は単に材料を「硬くする」ことではなく、金属内部の構造をより安定させ、機械的性能を向上させ、寿命を延ばし、
さらに後工程の加工や組立てにおいて精度を維持することにあります。CNC加工において、熱処理は部品内部に隠れた品質の基盤――これがなければ、どんなに高精度に加工しても長期的な安定性は得られません。
🌡️ なぜ熱処理が必要なのか？
金属は鋳造、鍛造、または切削加工の後、内部に高温による「残留応力」を抱えています。
この応力を解放しないまま使用すると、次のような問題が発生する可能性があります：
加工後の変形や寸法のずれ
表面の亀裂や疲労破壊
硬度不足による早期摩耗
長期使用による強度低下
熱処理を行うことで、金属の結晶粒構造や炭素原子の分布を変化させ、硬度、靭性、安定性の理想的なバランスを実現します。
つまり、熱処理とは金属内部で行われる「構造のリセット」であり、材料を内側からより信頼性の高い状態へと進化させる工程なのです。
⚙️ 代表的な熱処理方法とその特徴
| 処理方法 | 温度範囲 | 主な目的 | 特徴・用途 |
| 焼入れ | 約800～900°C → 急冷 | 硬度・強度の向上 | 炭素鋼・合金鋼に適用、焼戻し併用で脆性を低減 |
| 焼戻し | 約150～650°C | 脆性の低減、応力の安定化 | 硬度と靭性のバランスを取り、寿命を延ばす |
| 浸炭 | 約900～950°C | 表面硬度の向上と内部靭性の維持 | ギヤ、シャフトなどに多用される |
| 窒化 | 約500～550°C | 表面硬度・耐食性の向上 | 焼入れ不要、変形が少なく精密部品に適す |
| 真空熱処理 | 無酸素環境で加熱 | 酸化防止・変色防止・寸法制御 | ステンレス鋼、金型鋼、航空宇宙材料に適用 |
🧩 熱処理が寸法に与える影響
熱処理は強度や硬度を改善しますが、同時に体積や形状の変化を引き起こします。
特に「焼入れ」工程では冷却速度が極めて速く、内外温度差によって応力が不均一になり、変形や亀裂が生じやすくなります。
そのため、エンジニアは設計段階から次の3つの対策を講じます。
加工代の確保
熱処理前に寸法をゆとりをもって設定（例：外径＋0.02～0.05mm）し、後工程で研磨修正を行う。治具による形状固定
長軸や薄肉部品が応力解放で歪まないように固定。段階的な熱処理プロセス
例えば焼なましで応力を除去してから焼入れ・焼戻しを行い、変形を抑える。
🧠 材料別の熱処理戦略
材料ごとに最適な熱処理条件があり、方法を誤ると脆化や強度低下を招きます。
炭素鋼（S45C、SCM440） → 焼入れ＋焼戻しで硬度と靭性を両立。
ステンレス鋼（SUS420、SUS440C） → 真空熱処理で酸化防止と光沢維持。
工具鋼（SKD11、SKH51） → 高温焼戻しで高硬度と耐摩耗性を確保。
アルミ合金（A6061、A7075） → T6処理により析出硬化で強度と延性を向上。
エンジニアは部品の用途や公差、使用環境に応じて最適な温度曲線を設計し、硬度試験や金属組織分析を通して材料特性の安定性を確認します。
🔍 実例紹介
高強度ピンシャフトを例に取ると、熱処理を行わない場合、引張強度は約80kgf/mm²にとどまり、長期使用で摩耗や破損が発生します。
「浸炭＋焼戻し」を施すことで、表面硬度はHRC58に達し、内部は靭性を保ちながら耐摩耗寿命が約3倍に向上。
また、寸法変化を防ぐために加工代を確保し、熱処理後に研磨加工を行って±0.005mm以内の精度を維持します。
このようにして、部品は高荷重下でも安定した性能を発揮します。
|