前回は、ステンレス鋼の熱処理について解説しました。今回は連載の最終回です。「表面熱処理」について解説します。
第7回「表面熱処理の種類」を解説していきます。
第7回もくじ
1. 表面硬化を目的とした表面熱処理の種類
表面熱処理の概略は、連載の第1 回で紹介しました。その目的の多くは表面硬化です。鋼材に表面熱処理を施すことで高い硬さが得られ（図1）、これにより耐摩耗性や耐疲労性も向上します。「表面焼入れ」（図1 の高周波焼入れ、浸炭焼入れ）や、「非金属元素の拡散浸透処理」の中でも窒化・軟窒化処理によって得られる硬さは1,000HV 程度です。これに対し、「ボロナイジング（浸ホウ・ホウ化処理）」や「炭化物被覆」では1,500HV 以上の硬さが得られます。
鉄鋼材料の種類や期待できる効果によって、適用される表面熱処理の種類は異なります。以下に、工業的によく使われている鉄鋼材料と、適用されている主な表面熱処理を示します（表 1）。表中の「○」は適用例が比較的多く、「×」は適用例が全くないか、あっても極めてまれなことを意味します。例えば、炭素C を0.4% 以上含有する鋼種の場合、「浸炭焼入れ」の適用事例はほとんどありません。また、「窒化処理」および「軟窒化処理」は全ての鋼種に適用されています。
2. 高周波焼入れ
「高周波焼入れ」は、表面焼入れを代表する表面硬化法です。機械構造用鋼に適用され、シャフトや歯車などさまざまな機械部品に使われています。処理方法は次の通りです。まず、高周波コイル（加熱コイル）の誘導加熱によって、鋼材を変態点以上（オーステナイト領域）まで急速に加熱します。そして内部温度が上昇する前に急速に冷却します。これにより、鋼材の表面だけが硬化（マルテンサイト領域）します（図2）。
さらに詳しく見てみましょう。鋼材に近接した高周波コイルに高周波電流を流すと、鋼材表面には「渦電流」が流れます。渦電流と鋼材の電気抵抗による「ジュール熱」によって、鋼材は急速に加熱します。渦電流の浸透深さは、高周波の周波数が高いほど浅くなり、低いほど深くなります。そのため硬化層深さを浅くしたい場合や、対象物が小さい場合には高い周波数を用います。逆に内部まで硬化させたい場合には、低い周波数を用います。
焼入硬化層は、通常の焼入組織と同様のマルテンサイトです。焼入硬化層の深さには、「有効硬化層深さ」と「全硬化層深さ」があり、これらの測定方法は「JIS G 0559」で規定されています（図3）。
・有効硬化層深さ：硬化層の表面から限界硬さの位置までの距離
・全硬化層深さ：硬化層と生地の硬さ、または顕微鏡組織の差異が区別できない位置までの距離
3. 浸炭焼入れ
4. 窒化・軟窒化処理
全7回で下記の内容を解説しています。
- 第1回 新たな特性を引き出す熱処理の種類
- 第2回 鉄鋼材料の種類と性質
- 第3回 焼なましと焼ならし
- 第4回 機械構造用鋼の焼入れ・焼戻し
- 第5回 工具鋼の焼入れ・焼戻し
- 第6回 ステンレス鋼の熱処理
- 第7回 表面熱処理の種類
