焼戻しとは、焼入れしたワークを適切な温度まで再加熱し、臨界温度Ac₁以下その温度で一定時間保持した後、特定の速度で冷却して材料の靭性を向上させる熱処理プロセスです。これは、鋼のミクロ組織と特性をその使用状態で決定する重要なプロセスです。
焼入れ鋼（マルテンサイト組織の鋼など）は非常に高い硬度と耐摩耗性を示しますが、2つの重要な問題があります。1つ目は、残留焼入れ内部応力が大量に残存し、鋼部品にひび割れや変形が生じやすいことです。2つ目は、靭性が非常に低く、脆性が高いため、衝撃や複雑な負荷に耐えられないことです。加熱温度と保持時間を調整することにより、焼戻しはこれらの問題に特に対処し、次の具体的な目的があります。
- 内部応力の除去: 加熱により、鋼原子に一定の移動性が与えられ、焼入れ中の急速なミクロ組織変化（オーステナイトからマルテンサイトへの急速冷却など）によって生じる内部応力が緩和され、鋼部品の後続の加工または使用中のひび割れのリスクが軽減されます。
- 機械的特性の調整: 要件に応じて鋼の特性を「カスタマイズ」します。高い硬度が必要な用途（切削工具、金型など）には、焼入れ硬度の大部分を維持するために低温焼戻しを選択できます。高い靭性が必要な用途（シャフト、ギアなど）には、ある程度の硬度を低下させながら靭性を大幅に向上させるために高温焼戻しを使用できます。
- ミクロ組織と寸法の安定化: 不安定な焼入れミクロ組織（マルテンサイト、残留オーステナイトなど）をより安定したミクロ組織（焼戻しマルテンサイト、ソルバイトなど）に変換し、長期的な使用中の継続的なミクロ組織変化によって生じる寸法の変動を防ぎ、精度を確保します。
- 被削性の向上: 焼入れ鋼の硬度を下げて、切削や研削などの後続の機械加工を容易にします（工具鋼は焼戻し後に研削しやすくなります）。
- 鋼部品は焼入れ後すぐに使用することはできませんそして、速やかに焼戻しを行う必要があります。
- ワークの硬度、強度、可塑性、靭性を調整して、使用性能の要件を満たします。焼入れ鋼は一般的に高い硬度と脆性を持ち、焼戻しはその硬度と靭性を調整できます。
- 焼入れ中に発生した残留内部応力を除去または低減して、変形やひび割れを防ぎます。
- ミクロ組織と寸法を安定させて精度を確保します。焼入れ鋼のミクロ組織は、焼入れマルテンサイトと残留オーステナイトで構成されており、どちらも準安定であり、安定した構造（つまり、自発的にフェライトとセメンタイトに変化する）に変化する傾向があります。この変化は、ワークのサイズと形状の変化を引き起こす可能性があります。焼戻しは、焼入れマルテンサイトと残留オーステナイトをより安定したミクロ組織に変換し、使用中のサイズや形状の変化を確実に防ぎます。
焼戻しプロセスには、マルテンサイトの分解、炭化物の析出、変態、凝集、成長、フェライトの回復と再結晶、残留オーステナイトの分解の4種類の反応が含まれます。
焼入れ鋼を200℃以下に加熱すると、微細なε-炭化物（Fe₂₄C）がマルテンサイトから析出し始め、マルテンサイトの過飽和を減らし、内部応力を部分的に除去します。これらの超微細なε-炭化物と低飽和α-固溶体で構成されるミクロ組織は、焼戻しマルテンサイト（Mₜₘ）。
焼入れマルテンサイトが焼戻しマルテンサイトに変化した後、その体積が収縮し、残留オーステナイトへの圧力が軽減されます。この時点で、残留オーステナイトは分解してベイナイト組織を形成します。
この変態は、中炭素鋼および高炭素鋼で比較的顕著です。炭素含有量が0.4％未満の炭素鋼および低合金鋼の場合、残留オーステナイトの量は非常に少ないため、この変態は本質的に無視できます。したがって、焼戻しミクロ組織は200～300℃で焼戻しマルテンサイトのままです。
温度が250℃を超えると、マルテンサイトの分解が完了し、その正方晶性が消失します。ε-炭化物は微細で安定したセメンタイト（Fe₃C）に変化し、焼入れ内部応力の大部分が除去されます。300～500℃での焼戻しは、フェライトマトリックスと多数の微細に分散した粒状セメンタイトで構成される混合ミクロ組織を生成し、焼戻しトルースタイト（Tₜₘ）。
焼戻し温度が400℃を超えると、層状フェライトが多角化し、微細な粒状Fe₃Cが球状化して凝集して成長します。焼入れ内部応力は完全に除去されます。500～650℃での焼戻しは、多角形フェライトマトリックスと、その中に比較的大きな粒状セメンタイトが分布するミクロ組織をもたらし、焼戻しソルバイト（Sₜₘ）。
焼戻しは、温度範囲に基づいて、低温焼戻し、中温焼戻し、高温焼戻しに分類されます。
- 焼戻し温度: 150～250℃
- ミクロ組織: 焼戻しマルテンサイト（Mₜₘ）—超微細ε-炭化物と低飽和α-固溶体の混合物。光学顕微鏡下では、焼戻しマルテンサイトは黒く、残留オーステナイトは白く見えます。
- 目的: 焼入れワークの高い硬度（通常58～64 HRC）と耐摩耗性を維持しながら、残留焼入れ応力と脆性を低減します。
- 用途: 主に、高炭素鋼工具、切削工具、測定工具、金型、転がり軸受、浸炭部品、および表面焼入れ部品の熱処理に使用されます。
- 焼戻し温度: 350～500℃
- ミクロ組織: 焼戻しトルースタイト（Tₜₘ）—マルテンサイトの形態を保持するフェライトマトリックス上に微細な粒状セメンタイトが分布するミクロ組織。
- 目的: 高い弾性限界、降伏強度、およびある程度の靭性を達成します。ほとんどの内部応力が除去され、硬度は35～45 HRCです。
- 用途: 主に、ばね、ぜんまい、鍛造金型、および衝撃工具の熱処理に使用されます。
- 焼戻し温度: 500～650℃
- ミクロ組織: 焼戻しソルバイト（Sₜₘ）—多角形フェライトマトリックス上に粒状Fe₃Cが分布するミクロ組織。
- 目的: 優れた総合的な機械的特性（バランスの取れた強度、可塑性、靭性）を得ます。内部応力は完全に除去され、硬度は25～35 HRCです。焼戻しソルバイトは優れた総合的な機械的特性を持っているため、「焼入れ+高温焼戻し」の組み合わせは一般的に焼入れ焼き戻し（QT）と呼ばれ、広義には単に「焼戻し」と呼ばれます。
- 用途: 焼入れ焼き戻しは、さまざまな重要な構造部品（交互負荷や高い疲労強度要件を受けるコネクティングロッド、シャフト、ギアなど）の最終熱処理として主に使用されます。また、表面焼入れ部品、窒化部品、精密切削工具、測定工具、金型の予熱処理としてもよく使用されます。
上記の焼戻しプロセスの温度範囲は、炭素鋼および低合金鋼に適用され、適用されません高合金元素含有量の高い中合金鋼および高合金鋼には。
焼入れ鋼の衝撃靭性は、焼戻し温度とともに変化します。焼戻し温度が上昇すると、鋼の硬度は低下する傾向があり、靭性は一般的に向上します。ただし、250～400℃および450～650℃の温度範囲に2つの最小値が現れます。この現象は、焼戻し脆性と呼ばれ、低温焼戻し脆性と高温焼戻し脆性に分けられます。
これは、250～400℃で焼戻しされた場合の焼入れ鋼が示す脆性を指します。一度形成された脆性は再加熱によって除去できないため、不可逆焼戻し脆性とも呼ばれます。主な原因は、この温度範囲での焼戻し中に、マルテンサイトが分解し、セメンタイトが粒界に析出し、粒界破壊強度を低下させ、マトリックスの連続性を破壊することです。ほぼすべての鋼がこのタイプの焼戻し脆性を示し、現在、それを完全に除去する効果的な方法はありません。したがって、焼入れ鋼は一般的に250～350℃の範囲では焼戻しされません。
これは、450～650℃の範囲で焼戻し後に徐冷された場合の焼入れ鋼が示す脆性を指します。鋼を600℃以上に再加熱して急冷すると靭性を回復できるため、可逆焼戻し脆性。
このタイプの脆性は、Cr、Ni、Si、Mnなどの合金元素を含む構造用鋼で主に発生します。重要な特徴は、焼戻し後の急冷（油冷）では脆性が生じないのに対し、徐冷（空冷）では脆性が生じることです。これらの鋼を高温で焼戻しする必要がある場合は、通常、600℃以上に加熱して急冷します。もちろん、この温度からの急冷では、オーステナイト化が発生しないため、硬化は起こりません。
一般的に、優れた総合的な機械的特性を得るために、合金構造用鋼は、超高強度鋼（約200～300℃）、ばね鋼（約460℃）、焼入れ焼き戻し鋼（550～650℃）の3つの異なる温度範囲で焼戻しされることがよくあります。高い硬度と強度を必要とする炭素鋼および合金工具鋼は、一般的に200℃以下の温度で焼戻しされます。合金構造用鋼、金型鋼、および高速度鋼はすべて、500～650℃の範囲で焼戻しされます。
- 焼戻しは、未処理の焼入れ鋼には意味がありません。したがって、焼入れと組み合わせて最終熱処理プロセスとして使用されます。
- 焼入れ部品の保管中の変形やひび割れを防ぐために、鋼部品は焼入れ後速やかに焼戻しを行う必要があります。
- 焼戻しが不十分な場合は、追加の適切な焼戻しプロセスで補うことができます。ただし、過焼戻しが発生した場合は、これまでのすべての努力が無駄になり、部品を再度焼入れする必要があります。
- 焼戻しは、硬化方法ではありません。それどころか、熱処理された硬化鋼を再加熱して応力を緩和し、材料を軟化させ、可塑性を向上させることを含みます。
- 焼戻しによって生じるミクロ組織の変化と特性の変更は、鋼を再加熱する温度に依存します。温度が高いほど、効果はより顕著になります。したがって、温度の選択は通常、可塑性と靭性を得るために硬度と強度がどの程度犠牲になるかによって異なります。
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