サブゼロ処理とは｜熱処理方法と目的

サブゼロ処理とは、鋼における熱処理方法の一種です。

サブゼロのことを零下処理や深冷処理とも呼ばれていますが、サブゼロ処理とは簡単にいえば焼入れを行った鋼材を0℃以下で急速に冷却する処理のことです。

寒剤には、炭酸ガス、ドライアイス、液体窒素などがあり、ドライアイスとアルコールで約－8°C、炭酸ガスで－130°C、液体窒素で－196°Cまで冷却することができます。

－100°Cまでのサブゼロ処理のことを普通サブゼロと呼び、－130°C以下の処理温度を超サブゼロと呼んでいますが、温度が低いほど耐摩耗性の向上が期待できます。

サブゼロ処理の目的

サブゼロ処理の目的には多数あり、材料の硬さを増す、寸法を一定にする、硬度を均一にする、耐摩耗性を高める、着磁性を高める、経年劣化の防止、などがあげられます。

サブゼロ処理は、その処理によって鉄鋼の持つ金属組織をマルテンサイトに変化させることで、鉄鋼の硬度を劇的に向上させます。

サブゼロ熱処理はなぜ必要なのか

残留オーステナイトは経年によって寸法が変化したり、割れや硬さ低下の原因となります。そのため、サブゼロ処理は精密部品や金型でよく利用されています。

硬度の均一化や増加、組織的性質の向上と寸法の安定などを目的として、サブゼロ処理を行います。

鉄鋼を焼入れした際、マルテンサイト化できないまま、残留オーステナイトが残ると、この組織は極めて不安定であり寸法が変わってしまうことがあります。

この現象は高炭素鋼ほど発生しやすく、硬さを重要視した鉄鋼はサブゼロ処理が必要になってきます。

また、金型やブロックゲージなど、寸法を変化させられない用途では、サブゼロ処理が必要です。

マルテンサイトとは、Fe-C系合金を安定したオーステナイトから急激に冷却することで得られる組織のことであり、体心正方格子の鉄の結晶中に炭素が侵入したもので、鉄鋼鋼材の組織中で、最も硬い組織です。

鉄鋼材料をおよそ730℃以上で加熱するとオーステナイトと呼ばれる金属組織に変化しますが、このオーステナイト組織を持つ状態では、比較的柔らかく粘りのある状態であり、焼入れや焼きなましなどの処理を行う際には、このオーステナイトの状態を通過します。

サブゼロ処理が使われるもの

焼入れした際に、残留オーステナイトが残ると、組織は不安定となって寸法が変わることがありますが、高級刃物や包丁など、硬さを重要視した鉄鋼はサブゼロ処理が必要になってきます。
 

サブゼロ処理の方法

サブゼロ処理は、鉄鋼を焼入れ直後に行い、残留オーステナイトをマルテンサイト化させます。

残留オーステナイトとは、熱力学的に不安定な組織であり、長時間かけて他の組織に変化するものです。また、マルテンサイトとは、Fe-C系合金をオーステナイトから急冷することで得られる組織のことです。
 

サブゼロ処理の温度

サブゼロの名称は、焼入れ直後に0℃以下に冷却することから、そう呼ばれるようになりました。

サブゼロ処理は、温度が低くなればなるほど、耐摩耗性が向上するという特徴があります。しかし、実際は焼入れ後に急激に冷却すると、サブゼロクラックと呼ばれるヒビが発生しますから、100℃程度の湯で戻した上で冷やすこともあります。

サブゼロ処理では、一般的に－60℃から－100℃程度の温度まで下がるのが理想とされていますが、それよりも更に低い温度の超サブゼロ処理と呼ばれている処理方法もあります。

その方法では、液体窒素によって－160℃から－200℃前後まで下げる処理方法で、耐摩耗性を大幅に向上させる効果があります。
 

まとめ

今回は、サブゼロ処理とはどんな処理方法なのか、その目的や温度について、使われる素材などを紹介しました。

• サブゼロ処理とは、鉄鋼への熱処理方法の一種で、簡単にいえば焼入れを行った鋼材を0℃以下で急速に冷却する処理のことです。
• サブゼロ処理は、硬度の均一化や増加、組織的性質の向上と寸法の安定などを目的としています。
• サブゼロ処理の方法は、鉄鋼を焼入れ直後に行い、残留オーステナイトをマルテンサイト化させます。
• サブゼロ処理では、一般的に－60℃～－100℃程度の温度まで下がるのが理想とされていますが、それよりも更に低い温度の超サブゼロ処理と呼ばれている処理方法もあります。