前のページと重複するところもありますが、通読していただくことで熱処理の全体像を理解していただけるということで書いていますことをご了承ください。
工具鋼の焼戻しのタイプ
下の図は、プロテリアル（旧：日立金属）さんの刃物用鋼のカタログにあるものです。
下の図で、500℃付近で硬さが上昇しているのが「2次硬化」と呼ばれる再硬化現象です。
工具鋼の焼戻しでの硬さ変化は、大きく分けて、2次硬化をするかしないかで考えるのがいいでしょう。
左は高炭素低合金工具鋼の例で、「青紙1号」は低合金鋼で、焼戻し温度とともに硬さが低下していくタイプです。
また、下の鋼種「銀1」は16％Crの高合金鋼で「2次硬化」する鋼種の例です。
これは、包丁などに使われるステンレス鋼の例で、通常は200℃程度の焼戻しをして、58HRC以上の高い硬さで使用されます。
図では、500℃程度の焼戻しで同じ硬さになる場合が示されています。 しかし、硬さが同じであっても、機械的性質は全く違った状態になります。
高速度工具鋼の多くは、高温側の焼戻し硬さが低温側よりも高く、熱に対する耐熱性が重視されるので、高温焼戻しを利用するのですが、このように、用途と機械的性質を考えて、焼戻しをします。
また、高温焼戻しができる鋼種では、焼戻しと同時に、「矯正作業」をすることもあります。
この2次硬化は、Ｃｒ・Ｗ・Ｍｏ・Ｖなどの炭化物を形成する元素を多く含む合金鋼において、これらが炭化物として記事中に微細に析出し、それが成長する過程として説明されています。 これは「析出硬化」という仕組みです。
２次硬化する鋼種（下に示すSKD11もそうですが）では、同じ硬さでも、焼戻し温度によって性質が変わることから、300℃程度以下を「低温焼戻し」、500℃程度以上を「高温焼戻し」と呼んで区別する場合があります。
また、低温焼戻しを「1次戻し」、高温焼戻しを「2次戻し」 … という人もいます。 しかし、低温焼戻し・高温焼戻しと呼ぶほうが、温度をイメージしやすい感じなので、1次・2次といわない方がわかりやすいでしょう。
もちろん、どんな焼戻しでも、焼戻し温度で、機械的な性質や材料特性も変わってきます。
冷間で用いる工具部品は、通常は200℃前後の焼戻し
多くの冷間で使用する工具部品類では、2次硬化をするかしないにかかわらず、2次硬さは低温焼戻しの硬さより低いものが多いので、200℃前後の焼戻しをして使用する場合がほとんどです。
高速度工具鋼の多くは、高温焼戻しのほうが、低温焼戻しよりも硬さも高くなるので、高温の特性も良い、「高温焼戻し」が一般的です。
しかし、低温焼戻しでは、①高い硬さが得られること ②品物全体の硬さのばらつきが少ないこと と、200℃前後の焼戻しで、シャルピー衝撃値が高い状態になる鋼種が多い … などから、一般的には低温焼戻しが採用されます。
例えば、冷間工具鋼の代表的な鋼種のSKD11では、高温焼戻しの最高硬さが58HRC程度で、その硬さでの衝撃値も低いので、耐熱用途や硬さを58HRC以下に下げる場合を除いては、高温焼戻しをして使用することはほとんどありません。（下のSLDを参照）
しかし、近年、使用量が増した 8％Cr系の冷間工具鋼（大同特殊鋼のDC53や山陽特殊製鋼のQCM8などでは、高温焼戻しすることが増えています。
これによって、高い硬さと、高温特性、耐摩耗性が良好な工具になりますが、用途によっては、低温焼戻しのほうが優れる点もあるので、用途によって焼戻し温度を選びます。
耐摩耗性の大小や強さ（例えば引張強さなど）は硬さと相関があります。
そこで通常は、硬さを基準にして製品の仕様を考えます。
しかし、焼戻し温度によって機械的性質は大きく異なるものが多いので、細かい特性を考えようとすると、技術資料などで確認する必要がありますが、一般的な高炭素鋼の硬さとじん性値の傾向としては下図のようになります。
低合金鋼では、焼戻し温度が高くなるにつれて衝撃値が上がってくる傾向になります。しかし、一般的には、硬さとじん性値は逆の関係になるのですが、高合金鋼では、残留オーステナイトのショックアブソーバーの効果があって、②の部分のように、低温焼戻しでじん性に優れる鋼種も多いようです。
①は高合金鋼の2次硬化の最高硬さですが、④のように、最高硬さ付近では衝撃値が低下しています。
そのために、高合金鋼（②）も低合金鋼（③）も、焼戻しをして、200℃前後の衝撃値の上昇がある硬さで使用するのが良いとされます。
このような一般的な傾向で、冷間工具用には、一般的には200℃前後の焼戻しをして、高い硬さの状態で用いられることが多いのですが、使用中の外力や摩擦による残留オーステナイトの分解による影響や高温特性に優れること … などの特殊な用途や理由で、硬さや衝撃値が低くても、高温焼戻しをして使われる場合もあります。
ダイス鋼では、高温焼戻しをして得られる硬さは、低温焼戻しに比べて低い鋼種が多いですし、高温焼戻しでは、少しの温度の違いで、硬さが大きく変わるなどの熱処理の難しさがあるので、通常は、耐熱用途を考えない場合は、低温焼戻しをすることで考えておけばいいでしょう。
高炭素高合金鋼の低温焼戻しは、できるだけ2回行う
少し専門的な内容ですが、高炭素鋼合金鋼などでは、本来は、1回の焼戻しで問題ない … とされています。
しかし、教科書的なことではなく、実際の熱処理では、鋼種によって、2回の焼戻しをしないといけない場合が出てくる … とおぼえておきましょう。
これは、随所で書いていますが、熱処理現場では、焼割れや強度の変形を避けるために、焼入れ冷却で、品物の温度が100℃を切らない時点で、焼戻しに入る場合が多いために、教科書通りの熱処理にはなっていないためです。
この焼入れのやり方は教科書にはありません。つまり、実情に沿って、焼戻し時の配慮が必要になります。
カタログや教科書にあるよううな、小さな品物では、焼入れ後に、完全に常温（概ね20℃程度）まで冷却すれば、焼戻しは1回で問題ありません。
多くの品物は、完全に常温まで冷やすと、変形や割れの懸念があるために、常温まで冷やさないので、焼入れが十分に完了していないために、2回の焼戻しが必要になる … ということです。
単純な形状の品物や、熱処理試験片のような小さな品物では、「低温焼戻しは1回」で問題はありませんし、550℃以上の温度でに焼戻しする構造用鋼や、0.5％程度以下の低合金鋼で、ほとんど、焼入れ時に残留オーステナイトが生成しない鋼種は、焼戻しは1回で、ほとんど問題はありません。
問題になるのは、少し大きな品物や複雑な型材などでの焼入れ冷却中には、表面と内部では「冷え方」が違うので、焼入れ変態（マルテンサイト変態）を始めてからの温度差が生じています。
そこで、変形や焼割れの原因にならないように、その対策として、油からの引き上げを早めたり、風量を調節するなどで冷却速度を遅くして、各部の温度を均一化をするなどの対策をするのですが、さらに、大きな変形や、焼割れが出ないように、室温まで冷却しないで、100℃～150℃程度で焼戻し作業に入るのが通常の熱処理作業です。
このような作業をすることで問題になるのが、①焼入れ状態での残留オーステナイト量が増えること と、②マルテンサイト変態の完了温度のMf点以上の温度から、焼戻し工程に移ってしまうことです。
これは、教科書で言うと、正しい熱処理ではありません。 しかし、割れや極端な変形を避けるために、通常行われている熱処理のやり方です。
このような作業で問題になりそうな鋼種は、焼入れしたときの残留オーステナイトが多く、Mf点が低い、SKDなどに分類される高Cr鋼や高合金鋼です。
これらは特に、高い硬さを必要とするために、200℃程度の焼戻しで使用する鋼種が多いのですが、不完全な焼入れ状態ですから、きっちりと焼戻しをする必要があります。
この考え方には、専門家でも異論を持つ方もいます。 しかし、私の会社では、先輩から、残留オーステナイトの安定化と焼戻しによる強さ上昇のために、低温焼戻しであっても、2回の焼戻しをずっとやり通してきましたし、それが標準熱処理だとして熱処理作業をおこなってきました。
しかし、「2回は不要、熱処理価格を下げろ … 」という要求をするお客さんもいます。
そのお客さんには、「1回の焼戻し」で出荷していたのですが、結果のほどはわかりません。
例えば、SKD11を例にすると、完全に常温まで焼入れ冷却をしても、25％以上の残留オーステナイトがあるのですから、少なくとも「残留オーステナイトの安定化」のために、1回よりも2回 … と、確実に焼戻ししたほうがいいと考えていますが、どうでしょうか。
さらに、残留オーステナイトの分解がしにくい鋼種では、鋼材メーカーの指示で「3度の焼戻しが必要だ」という鋼種もあります。
焼戻しに関係する「低温焼戻し脆性」
300－400℃の焼戻しをすると、「低温焼戻し脆性（ぜいせい）」と呼ばれる現象が見られる鋼種があります。
（参考）別の用語で、低温脆性という熱処理用語があります。これは、鉄鋼が常温以下の低温で衝撃値が減少するもので、これとは全く違う内容なので注意しましょう。（後のページで説明しています）
焼戻し脆性とは、ある温度域で焼戻しすると、耐衝撃性（シャルピー衝撃値など）が急激に低下する現象ですが、磨いた鋼を、空気中で250℃から350℃に加熱すると青色などに着色するので、「青熱脆性」ともいいます。
この温度で焼戻しすると、衝撃値が低下してもろくなる鋼種が多くあったことから、この温度域で生ずる衝撃値の低下することを「低温焼戻し脆性」と呼んでいます。
この脆性への熱処理での対処は、一般的にはこの温度帯（300-400℃付近での焼戻しを避けることと、さらに、焼戻しの冷却は、その温度区間は急冷することなど … が推奨されています。
脆性は「じん性値の低下」などで判断できますが、工具鋼の場合は、300～350℃程度で焼戻しすることは少ないですし、シャルピー試験データを見ても、それが現れる鋼種もないという理由から、現実的には、青熱温度域を避けたり、そこを急冷するなどの処置はとることはほとんどありません。
また、低温焼戻し脆性のもう一つの温度域として、2次硬化する高合金鋼では300～500℃で残留オーステナイトの分解、炭化物の析出段階の温度域についても、焼戻しを避けるのが良いとされます。
ただ、脆性域以上の（脆化しない）温度域で焼戻ししたものでは、再度、脆性温度帯で焼戻ししても、衝撃値が低くなることはないことが報告されています。
低温焼戻しによって脆化する原因は、残留オーステナイトが分解してベーナイトなどに変化したことによる … とされていますから、2回の焼戻しをすることは有効でしょう。
工具鋼などの工具類は、これらの脆性温度域で焼戻しすることはほとんどないこともあって、近年は、焼戻しをする際でも、この脆性のことを意識しない場合が多くなっています。
さらにいえば、これら脆性の研究報告は昭和40年代のものが多く、当時と違って、近年の鋼材は、脱ガスなどの優れた製鋼技術が採用されていることもあって、昭和当時の鋼材に比べると、偏析や介在物の品位などの鋼材品質は格段に良くなっていますので、現状は、脆性については、あるのかどうなのかも、はっきりわかりません。
でも、「危うきは避ける」ほうが良いので、「300～400℃の焼戻しはしない。また、その間の温度は急冷する」 … ということで考えておくのが無難でしょう。
ただ、工具鋼については、この温度域のじん性低下について、あまり論じられていないことも確かです。
脆性温度が心配になるのであれば、カタログなどの衝撃値の推移を見て、じん性が低下する「温度－硬さ域」があれば、その温度を避けることで対処するとよいでしょう。
変形の矯正について
矯正とは、熱処理中に発生した曲がりや変形をプレスなどで修正する操作です。
ただ、高い硬さの品物の矯正（曲がり取り）を、冷間で行うのは危険です。
矯正の方法としては、プレスなどで押圧したり、タガネやハンマリングで、反りを与える方法があり、加熱しながらや、焼戻しを利用して行いますが、時間と費用と、熟練がいる作業です。
経験的にいうと、350HB（50HS）程度以上になると、冷間で外力を加える矯正では、品物が折損する危険性があるので、冷間で、プレスなどで矯正できる品物の硬さは、350HB以下の硬さに限定されます。
そのために、硬さの高いものを矯正するのは、焼入れ冷却時の、鋼が硬化していない時点（Ms点以上の温度）に行うか、または、焼入れ後の1回目の焼戻し時の加熱時を利用して、治具などを用いて矯正します。
高い硬さが必要な冷間用工具では、180℃程度の焼戻しの品物も多いので、これでは矯正できる可能性も低いので、硬さを犠牲にして、温度を上げて矯正しなくてはならない場合も出てきます。
低温焼戻しの高硬さの品物では、量産品であれば、変形する傾向が掴めていれば、専用の矯正装置を設置して、焼入れ硬化前のMs点にかかる前の温度で行うことが行われていますが、少量品や単品では、それは無理なので、矯正ができるタイミングは、焼入れ中ではなく、1回目の焼戻し時に行うか、焼戻し完了後に行うことになります。
焼戻し時の矯正では、焼戻しに伴う温度による、硬さや組織変化を利用して、プレスや金型で徐々に力を加えて拘束するのですが、治具に品物をセットして、温度を上げながらボルトで絞め上げて外力を加える方法が多くおこなわれています。
さらに、場合によっては、それらのプレスや治具の矯正中に、バーナーを用いて、部分的に熱を加えたり、そこを急冷して、熱応力を利用した矯正なども行うことがあります。
しかし、低温焼戻しの高い硬さの品物は、硬さを低下させないで矯正できることは難しい事に加えて、後工程の研磨作業中に変形が再現することもあって、熱処理時の変形による問題は、昔から今にかけても、なくなっていません。
「歪の少ない熱処理」というPRをされていることもあります。
（→こちらの変形の記事にも紹介していますが）本来は、熱処理で硬化させれば、熱と変態によって、当然、変形しますので、変形対策によって、熱処理品質に影響しそうであれば、「どちらを優先させるのか」は考えておかないといけません。
もちろん、リピート品や量産品では、その対策は考えやすいのですが、単発品では、変形対策としては、研磨時の仕上げしろを増やすなどの対策しかないのが実情です。
余談ですが、私の勤めていた第一鋼業では、昭和年代には、せん断刃物の長尺品を、焼入硬化させる冷却過程の300－400℃でプレス矯正をする方法が通常行われていました。
この温度では、品物は簡単にプレスをつかって矯正することができます。
しかし、このような矯正作業は熟練仕事ですし、安全第一もあって、次第に行われなくなりました。
現状では、1回目の焼戻し時に、治具を用いて締め付けて焼戻しをするという矯正方法に変わっています。
ただ、硬さの高い品物の矯正作業は、いずれのやり方でも非常に危険ですし、特殊な工程で作業しなくてはならないので、矯正作業を含む熱処理依頼は敬遠されがちです。
焼割れ・焼ひずみの対策
焼入れで生じるマルテンサイトは、オーステナイトに比べて比体積が大きいので、変形が生じるのは当然です。 焼入れをして変形しないほうが特殊です。
さらに、焼入れすると体積膨張して「焼き割れ」「焼曲り」などが発生しやすくなります。
このために、焼き入れたままで長時間放置しないようにして、焼入作業に引き続いて、焼戻し作業に入らなければなりません。
焼入れ時に生じたマルテンサイトなどの焼入れ組織は、温度的に不安定な状態で、品物の内部は不均一な応力が加わっている状態になっていますから、（何回も書いているように）焼入れしてから、室温中に放置しないで、できるだけ早く「焼戻し」作業に入る必要があります。
