WEBVTT 00:00:02.770 --> 00:00:13.770 こんにちは、かねまるです。 プラントライフは、化学プラントの技術者が、化学を軸に、皆さんの視野を広げていく番組です。 00:00:13.770 --> 00:00:23.490 今回は、熱処理の話をします。 熱をかけて、材料の性質を変える、という内容です。 00:00:23.490 --> 00:00:47.650 以前、温度の単位、硬さと粗さの表現ということで、第56回でお話をしました。 そこに関連して、ひろひろしさんから、焼き入れの話も聞きたい、とコメントいただきましたので、今回はもうちょっと範囲を広げて、熱処理とまとめてお話をしたいと思います。 00:00:47.690 --> 00:00:54.410 熱をかけて、性質を変える。 皆さんは、どんなものが思いつくでしょうか。 00:00:54.410 --> 00:01:08.450 それでは、言ってみましょう。 熱処理と言いますと、一般的には、金属の熱処理を指します。 00:01:08.450 --> 00:01:15.050 特に、鉄ですね。 大きく4種類に分かれています。 00:01:15.050 --> 00:01:21.770 焼き入れ、焼き戻し、焼きなまし、焼きならし。 00:01:21.810 --> 00:01:32.410 似たような言葉ですけど、4種類あります。 この話をする前に、まずは鉄の理解を進めておかないといけません。 00:01:32.410 --> 00:01:49.690 私たちが普段使っている鉄っていうのは、鉄元素100%ではありません。 鉄の中に0.02%から2.1%炭素が入っているものを、鋼と言います。 00:01:49.690 --> 00:01:58.570 この鋼がよく使われるんです。 炭素が入っていると、鉄は強くなります。 00:01:58.570 --> 00:02:07.810 反対に、炭素が入っていない鉄っていうのは、弱くて柔らかい材料なので、用途が限られてきます。 00:02:07.810 --> 00:02:16.170 多くの場合、金属、鉄を使うときって、強度を求める場合が多いんじゃないでしょうか。 00:02:16.250 --> 00:02:27.170 そうじゃなかったら、プラスチックでいいですもんね。 一般に材料っていうのは、硬くなると脆くなります。 00:02:27.170 --> 00:02:37.170 折れたり割れたりしやすくなるっていうことです。 反対に、柔らかいと粘り強くなります。 00:02:37.170 --> 00:02:46.610 人性があるっていう言い方をします。 鉄に炭素を入れることで硬くするんですけど、 00:02:46.610 --> 00:03:04.820 割れやすく脆くならないように絶妙な配合、数パーセントで収めるっていうことです。 こうした原子の素性で作られた鋼を使っていろんなものが作られます。 00:03:04.900 --> 00:03:21.540 鋼はだいたい700度ぐらいまで加熱すると素材が赤くなっていきます。 この赤くなった状態になると、結晶の構造とか性質が変わるようになっていきます。 00:03:21.540 --> 00:03:33.460 金属って中が結晶になってるんですよね。 鉄原子が綺麗に配列して結晶という形になっています。 00:03:33.460 --> 00:03:44.300 その配列が変わっていくんです。 こういった性質の変化っていうのは変態って言ったりします。 00:03:44.300 --> 00:03:58.620 だいたい700度ぐらいの温度を変態温度と呼びます。 つまりこの変態温度まで上げるかどうかっていうのが熱処理の重要なポイントになります。 00:03:58.660 --> 00:04:12.580 先に言っておくと、この加熱した後の冷やし方っていうので種類が変わってきます。 まずはお便りでいただいた焼き入れについて 00:04:12.580 --> 00:04:24.820 鋼を変態点まで加熱して、その後水とか油で急冷します。 一気に冷やすんです。 00:04:24.860 --> 00:04:38.540 赤くなった鉄を水に入れてジュワーッと水蒸気が出るような状態に冷やしていくんです。 なんかこれ見たことないでしょうか。 00:04:38.540 --> 00:04:46.460 日本刀です。 焼き入れをすることで鋼を硬くします。 00:04:46.460 --> 00:04:56.620 ただこうして焼き入れだけを行った場合っていうのは、 ちょっとそのままでは脆くて割れやすい状態なんです。 00:04:56.620 --> 00:05:12.020 ですのでだいたい焼き入れとセットで行われるのが焼き戻しです。 焼き戻しの場合は200度くらい、もしくは600度くらい 00:05:12.060 --> 00:05:22.700 どちらにしても変態点より温度が低い状態まで加熱します。 その後、空冷します。 00:05:22.700 --> 00:05:34.140 水とか油に入れずに空気で冷やすということです。 水とか油を使って急冷した状態の鋼っていうのは 00:05:34.180 --> 00:05:50.940 内部の組織がまだ整っていなくて変な方向に力がかかっています。 残留応力って言ったりするんですけど、その組織の中に残った応力を取り除くために 00:05:50.940 --> 00:06:02.260 焼き戻しという操作が行われています。 焼き戻しで変態点以下のある程度の温度まで上げて 00:06:02.300 --> 00:06:14.260 じわじわと組織を整えながら冷やしていきます。 そうするときれいな組織になって残留応力もなくなって 00:06:14.260 --> 00:06:28.020 強い鋼となります。 ちなみに日本刀は焼き入れの前に焼き刃土と呼ばれる泥のようなものを刀に塗っています。 00:06:28.020 --> 00:06:44.580 この焼き刃土自体は断熱剤としての役割もありまして、 刀の刃の部分には薄く塗って、その他胴体に当たる部分っていうのは厚めに塗っています。 00:06:44.580 --> 00:06:57.140 こうすることで刀の刃の部分のとこだけ熱の上下が激しくなります。 急に加熱して急に冷える。 00:06:57.220 --> 00:07:12.980 反対に胴の部分というのはゆっくり加熱されてゆっくり冷えていくことになります。 やっぱり刃の部分というのはよく切れる方がいいので硬さが求められます。 00:07:12.980 --> 00:07:27.660 かといって反対に胴の部分が硬くても脆かったらポキッと折れてしまいますよね。 だから日本刀っていうのは全体的に強靭で折れにくい 00:07:27.660 --> 00:07:37.180 ボディを持っていながら刃の部分っていうのはよく切れる硬さも兼ね備えているっていう状態なんです。 00:07:37.180 --> 00:07:49.260 1本の刀の中に2種類の結晶の状態があるっていうことなんですけど、 そうなると結晶の密度が変わります。 00:07:49.260 --> 00:07:59.820 つまり体積が変わるんです。 その結果刀に生じる現象っていうのは反りです。 00:07:59.820 --> 00:08:15.060 日本刀はまっすぐした形じゃなくて若干反ったような形をしています。 いつか機会があったら見てみてください。 00:08:15.060 --> 00:08:29.420 焼き入れ、焼き戻しの他にあと2種類の熱処理があります。 まずは鋼を柔らかくする焼きなましという操作です。 00:08:29.420 --> 00:08:39.420 金属を削って加工するとき、もちろん鋼は柔らかい方がいいですよね。 削りやすいですから。 00:08:39.420 --> 00:08:48.740 そのために焼きなましという熱処理を加えることで、 金属を加工しやすい素性に変えていきます。 00:08:48.740 --> 00:08:57.500 実際にどんな操作をするかというと、 変態点以上、つまり700度以上まで温度を上げて、 00:08:57.500 --> 00:09:03.460 その後にゆっくりゆっくり冷やしていきます。 00:09:03.500 --> 00:09:12.300 この冷やす操作を水とか油を使って急に冷やしたら、 焼き入れという操作でしたね。 00:09:12.300 --> 00:09:20.860 焼きなましは冷やし方が違います。 ゆっくり冷やす方法がちょっと特殊でして、 00:09:20.860 --> 00:09:31.220 炉冷という言い方をします。 加熱する炉の中に入れて、ゆっくり冷やしていきます。 00:09:31.220 --> 00:09:43.540 水とか風に触れさせると急に冷えてしまいますので、 加熱した鋼を熱い部屋の中に入れて徐々に冷やしていくんです。 00:09:43.540 --> 00:09:52.100 これだけゆっくり冷やすことで、金属の組織というのはものすごく綺麗に整っていきます。 00:09:52.140 --> 00:10:01.460 組織が整って均一性があると、加工のムラがなくなって綺麗に削ることができます。 00:10:01.460 --> 00:10:11.580 このゆっくり冷やして組織を整える操作っていうのは、 プラスチックとかセラミックスとかガラスとか 00:10:11.580 --> 00:10:22.890 様々な材料で行われています。 最後に紹介するのが焼きならしです。 00:10:22.930 --> 00:10:34.330 金属を加工するときは、削る以外にも型に流し込んで形を作ったり、叩いて形を作ったり、 00:10:34.330 --> 00:10:47.690 圧力をかけて押し出したり、いろんな方法があります。 どの加工を行っても、作ってすぐっていうのは加工に伴う力が残っていて、 00:10:47.690 --> 00:10:58.890 若干歪みが発生しています。 その鋼の組織を均一にしてあげるのが焼きならしです。 00:10:58.890 --> 00:11:09.090 なんか似たような操作、すでに説明しましたね。 焼き戻しという操作に役割が似てるんですけど、 00:11:09.130 --> 00:11:18.250 温度が違います。 加熱して、休冷して残った残留応力を取り除くために、 00:11:18.250 --> 00:11:34.210 変態点以下の温度にして空冷する。それが焼き戻しでした。 それに対して今回お話しする焼きならしは、変態点以上の温度に上げます。 00:11:34.210 --> 00:11:45.570 空冷するのは同じです。 変態点以上の温度まで上げるので、結晶の状態の根本的な部分をまず1回変えます。 00:11:45.570 --> 00:11:58.050 その後にある程度ゆっくり冷やすことで、組織をかなり均一化してくれます。 英語ではノーマライジングというらしくて、 00:11:58.290 --> 00:12:15.730 一旦リセットする感じがありますね。 焼き入れ、焼き戻し、焼きなまし、焼きならし、4種類の熱処理を紹介してきました。 00:12:15.730 --> 00:12:22.890 もう1回おさらいをします。 基準は変態点以上に温度を上げるか、 00:12:22.930 --> 00:12:36.410 冷やす速さがどうなのか、という2種類の見分け方です。 変態点以上まで温度を上げて、一気に冷やすのが最初に話した焼き入れ。 00:12:36.410 --> 00:12:47.370 その焼き入れの後に行うのが焼き戻しです。 変態点より下の温度まで加熱して、空冷します。 00:12:47.410 --> 00:12:59.650 ある程度ゆっくり冷やすというイメージです。 今回説明した操作の中で、変態点以下の温度にするのは焼き戻しだけです。 00:12:59.650 --> 00:13:10.250 3つ目に紹介したのが焼きなまし。 変態点以上まで温度を上げて、炉の中でゆっくり冷やします。 00:13:10.330 --> 00:13:19.330 金属加工がしやすくなります。 そして最後に紹介したのが焼きならし。 00:13:19.330 --> 00:13:31.930 変態点以上まで温度を上げて、空冷させます。 胃がたに入れたり叩いて加工した金属を最後整えるような操作です。 00:13:31.970 --> 00:13:44.290 こうしてみると、熱のかけ方でいろんな状態に変わるんですね。 この熱のかけ方っていうのは熱履歴と言ったりします。 00:13:44.290 --> 00:13:52.210 高い温度なのか、低い温度なのか、 時間をかけてなのか、ゆっくりなのか。 00:13:52.250 --> 00:14:07.290 熱履歴によって材料の挙動が変わるっていうのは覚えておくといいと思います。 ちなみに金属と同様に特に熱履歴の影響が大きいのがプラスチックです。 00:14:07.290 --> 00:14:18.610 プラスチックも内部が結晶性を持つ部分もありますので、 熱履歴によって機械的物性や熱的物性が変わります。 00:14:18.610 --> 00:14:29.330 プラスチックを目的の形に加工する、 つまり成形するときは温度や冷却の速さっていうのがかなり影響します。 00:14:29.330 --> 00:14:41.090 プラスチックの再利用するときもそうです。 過去に与えられた熱とか再利用するときにかけられた熱っていうのが影響を及ぼします。 00:14:41.090 --> 00:14:49.690 熱履歴によって変わる材料物性、ぜひ覚えておいてください。 今回はここまでです。 00:14:49.690 --> 00:14:59.610 プラントライフでは化学や工場に関するトピックを扱っています。 毎週水曜日と日曜日の朝6時に定期配信をしています。 00:14:59.610 --> 00:15:09.330 番組へのお便りは概要欄にあるお便りフォームから投稿ください。 そしてこのプラントライフがいいなと思っていただけたら、 00:15:09.330 --> 00:15:17.370 番組のフォローや各ポッドキャストアプリから評価をお願いします。 Xで発信していただける場合は、ハッシュタグ 00:15:17.370 --> 00:15:25.370 プラントライフをつけてください。 最後に、この度ノートにメンバーシップを開設しています。 00:15:25.370 --> 00:15:37.770 かねまるのここだけの話というタイトルで、言いたいけど、残しておきたいけど、オープンにはしたくない、 そんな話を公開するメンバーシップです。 00:15:37.770 --> 00:15:46.810 専門性を生かした発信活動の試行錯誤とか、 技術者としてのリアルなキャリアとか、私の本性とか、 00:15:46.810 --> 00:15:57.210 もし気になる方がいらっしゃれば入っていただけると嬉しいです。 それではお聞きいただきありがとうございました。