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The Present Conditions and the Future of the Heat
熱処理技術の現状と将来 川 嵜 一 博 （一社）日本熱処理技術協会 ／ 高周波熱錬 ㈱ 熱処理技術の重要性は広く認められている。適用対象は主に鉄鋼材料、 非鉄金属材料で、焼入れ、焼戻し、時効、表面硬化処理などがあり、各 処理で異なる性能が得られることが熱処理の 妙" で、以下で熱処理技 術の現状と将来を概説する。 1．はじめに 経済産業省の委託により素形材センターが策定し で、加熱・冷却、すなわち「赤めて、冷やす」の温 た 素 形 材 技 術 戦 略 2008" 及 び 特 定 も の づ く り 度履歴／熱サイクルが重要で、焼入れ、焼戻し、焼 基盤技術高度化指針（改訂版） では「熱処理とは きならし、焼きなまし、時効、表面硬化処理などが 金属材料に加熱、冷却の熱操作を加えることにより、 あり、各処理で得られる性能が異なり、それが熱処 耐久性、耐摩耗性、耐疲労性、さらには耐食性、耐 理の 妙" でもある。 熱性といった特性を付与するものである。自動車、 本特集では、個別熱処理の話題については、各 建設機械、家電、航空機、工作機械、工具など我が 分野の専門家が詳説されるので、本稿では、日本 国を代表する工業領域、工業製品の多くは熱処理工 の熱処理技術の全般的な話題について、日本熱処 程を経て最終製品化されている。このことから、熱 理技術協会（以下、技術協会）策定の「熱処理ロー 処理技術は素形材分野において、ものづくりの重要 ドマップ」1）, 2）を元に 2013 年 6 月 24 日の素形材セ な基盤技術の一つとして位置づけられており、その ンター主催の素形材技術セミナー「ものづくりの 重要性は広く認められている」とされている。熱処 原点−素形材技術−」で報告した内容 3）に添って紹 理の適用対象は主に鉄鋼材料および非鉄金属材料 介する。 2．熱処理技術の現状と将来 熱処理ロードマップ 技術協会では、2010 年に創立 50 周年を迎え、創 関連技術の現状と将来については、熱処理誌・50 周年 立記念行事の中で、5 月 11 日に 熱処理ロードマッ 記念特集 21 世紀熱処理技術の革新" 4）に掲載した。 プ" に関するシンポジウム（委員長：松尾孝／当時、 東京工業大学教授）を開催し、4 つのカテゴリーの ワーキンググループ（WG）「Ⅰ 一般熱処理と表面 の熱処理、改質」「Ⅱ 熱処理素材」「Ⅲ エネルギー 高効率利用と環境調和」「Ⅳ 熱処理企業の今後」に 分かれて、協会会員へのアンケートも実施して協議 し、まとめを報告した 2 SOKEIZAI 。また、個別の各熱処理・ 1）, 2） Vol.55（2014）No.2 2．1 「一般熱処理と表面の熱処理、改質」 ＜奥宮正洋、内田 聡、川嵜一博＞ 本 WG では、著者もメンバーとなり「一般熱処理」 「浸炭（焼入れ）」 「窒化」 「高周波熱処理」 「表面コー ティング他」について整理している。 特集 熱処理技術の最新動向 2．1．1 一般熱処理（本項は文献 1）のみに掲載） め、進化技術である真空浸炭や迅速浸炭技術などの 焼入れ、焼戻し、焼きならし（焼準）、焼きなま 開発が進んでいる。 し（焼鈍）などがある。使用炉で可能な加熱条件範 ２．1．3 窒化 囲や炉内寸法、生産性（部品の送り、搬入搬出機構 窒化層（窒素化合物層、拡散層）の高硬さによる を含む）によって処理対象・仕様は多種多様で、「内 優れた耐摩擦摩耗性と低温処理による低変形（ひず 製」ではまとめて生産する効率の高さが狙いで、 「外 み）が利点である。図 2 にガス窒化の操業条件例と 注」では熱処理専業社の高い適応力が強みとなる。 炉メーカー各社の代表的な装置を示す（詳細は各社 一方で、地球環境問題、長時間処理、炉の大きさな HP を参照願いたい）。一方、低生産性の改善（処 どに課題があり、非調質鋼使用による一般熱処理の 理時間短縮、バッチ処理での大量処理化）が課題 省略や機械加工技術の向上に伴う球状化の省略など で、確立しているガス窒化、ガス軟窒化や塩浴軟窒 が進み、今後は必要機能とコストを見合いながら、 化では処理環境の改善と適用拡大が課題で、広い適 雰囲気処理、真空処理などを含めて存在価値を維持、 用性を有するプラズマ窒化では量産性向上が必要で 向上していく必要がある。 ある。最近では、高耐摩擦摩耗性で注目される DLC ２．1．2 浸炭焼入れ 膜の密着性向上のための下地処理としても検討され 高い疲労強度、耐摩擦摩耗性を有しており、性能 るなど、窒化そのものの進化だけでなく、他の表面 向上、コスト低減のために多様な浸炭用鋼や真空浸 処理との複合を含めた新機能の発現や拡大を目指し 炭などの新技術も開発実用化され、汎用技術として た開発も進められている。 確立・定着している。図 1 にガス浸炭の操業条件例 窒化には機械部品業界の関心が高く、技術協会が と炉メーカー各社の代表的な装置を示す（詳細は各 2012 年 2 月 16、17 日に東京工大で開催した熱処理 社 HP を参照願いたい）。ガス浸炭が最も広く実施 技術セミナー「ドイツと日本の窒化・軟窒化 最前線」 されているが、反応上、CO2 が排出されることから では、ドイツ／ IWT（ブレーメン大学・材料研究所） その排出量削減をはじめとする地球環境問題への対 から Dr. H. Klümper-Westkamp と Stange 社を招い 応、処理時間の短縮、処理製品の性能・品質安定化 て特別講演いただき、これを機会に、同年 9 月 16 ∼ への努力がなお一層必要と指摘されている。そのた 26 日に IWT はじめ ALD 社（真空炉）、HEESS 社 930℃ 850℃ 油焼入れ 昇温 3h 2h 浸炭 拡散 0.5h 焼入加熱 キャリアガス エンリッチガス CO3制御 0.15% 露点制御 －5℃ CO2制御 0.25～0.30% 露点制御 2～5℃ 図 1 ガス浸炭の操業条件例と炉メーカー各社の代表的な装置 Vol.55（2014）No.2 SOKEIZAI 3 図 2 ガス窒化の操業条件例と炉メーカー各社の代表的な装置 （プレスクエンチ）などドイツ圏の浸炭・窒化関連 2．1．5 表面コーティング の研究機関、表面処理メーカーへの視察団を派遣し PVD、CVD、DLC、ショットピーニングなどが て最新の開発実用化情報の収集と同時に国際交流を あり、機能重視で各処理法の個性により枝分かれす 深めている。また 2014 年 5 月 13、14 日に開催され る。図 5 に代表的な PVD と CVD の特徴と主な処理 る 21st IFHTSE（Munich ／ München 大 会 ） に 合 技術を示す。今後は、各部品での要求機能を実現す わせて視察団も派遣する予定である（詳細は、技術 べく個々の技術課題の解決が必要で、基本課題とし 協会 HP を参照願いたい）。 て、設備コスト、環境対応（処理ガス、ショット球）、 2．1．4 高周波熱処理 生産性などの改善による量産性向上、コスト低減が 微細組織による高強度高靱性、高圧縮残留応力に 必要である。 よる高疲労強度、高転動疲労強度などの機械的性質 の特長が定着し、CO2 排出量少でクリーン、1 個流 4 2．2 「 熱処理素材 」 し（インライン）処理で品質安定、高生産性などが ＜古君 修、小林一博、越智達朗、土山聡宏、宮本吾郎＞ 今後も活かされ適用拡大すると期待される。図 3 に 本 WG では ､ 鉄鋼材料を主体に①省資源、②省エ 高周波熱錬 ㈱ での高周波熱処理状況の例を示す（詳 ネルギー、③高強度化･長寿命化、④強度−延靱性 細は高周波熱錬 ㈱ および高周波熱処理各社の HP を バランス（バルク組織制御）に分けて将来の革新材 参照願いたい）。一方、設備・加熱コイルの汎用性 料開発に向けた展望・期待を整理している。 拡大、条件出しなどの生産効率向上、複雑形状部品 2．2．1 省資源 への適用拡大、短時間加熱ゆえの熱処理前（素材） TRIP 鋼、パーライト微細分散鋼、DP（Dual Phase） 組織制約の抑制（＝高周波焼入性と機械加工性との 鋼、超微細析出物強化（ナノハイテン）鋼など鉄鋼 両立）などの課題もあり、迅速表面処理化の要望が 材料の進化はめざましいが、大半は合金元素添加、 ますます強くなる中で、短時間加熱・表面加熱・部 加工と熱処理の組合せで実現しており省資源・低コ 分加熱を活かした他の表面処理（浸炭、窒化など） ストとは必ずしも両立しない。そのため炭素鋼ベー との複合処理の開発も進みつつある。図 4 にロード スの高周波熱処理拡大のために水焼入技術、B 鋼再 マップ例も兼ねて、著者がまとめた「高周波熱処理 評価・活用や Cr、Mo レス化技術が開発されており のロードマップ」を示す。 熱処理技術との並列進化を期待したい。 SOKEIZAI Vol.55（2014）No.2 特集 熱処理技術の最新動向 被加熱物 （ワーク） 焼入状況 加熱コイル （誘導子） ＜高周波焼入装置＞80kHz, 200kw 一発焼入れ 移動焼入れ 高周波 電 流 交番磁束 加熱コイル うず電流 図 3 高周波熱処理状況の例（高周波熱錬 ㈱） 図 4 高周波熱処理のロードマップ 材料組織学的には、たとえば「強度・靱性」に関 却や精密圧延技術の導入が進み世界の製鋼技術をリー しては、粒子分散強化について炭化物･窒化物析出 ドするとともに、新しい鋼材の開発実用化も進み、非 が、結晶粒微細化強化について B 添加による焼入性 調質鋼が自動車部品に広く使用されるなど成果も大き 向上の活用、加工熱処理、変態点（A1）を挟んだく く、今後も着実な進化が期待される。 「熱処理と鋼材 り返し熱処理が、固溶強化について窒素･炭素の活 開発の協働」に関しては、迅速浸炭化を含む真空浸炭 用が期待される。 用の高温浸炭鋼や、高周波焼入用で冷間加工性と高焼 2．2．2 省エネルギー 入性を両立した鋼や浸炭同等以上の高強度用鋼が実用 「省エネルギー型鋼材、素形材製造プロセス」に関 化されており、今後はさらに低コスト化、グローバル しては、20 世紀後半に連続鋳造化、制御圧延・制御冷 スタンダード化（調達性の向上）が期待される。 Vol.55（2014）No.2 SOKEIZAI 5 図 5 代表的な PVD と CVD の特徴と主な処理技術 2．2．3 高強度化・長寿命化（表面硬化鋼） 疲労強度が 3 m 辺りで頭打ちになることや均一延 図 6 のロードマップに示すように、「浸炭代替高 びが低下し始めることが示されており、微細化コス 強度高周波焼入用鋼・超微細結晶粒高強度高周波焼 トを含めた実用的な強度−延靱性バランスの確保に 入用鋼」「高靱性窒化鋼」「耐ピッチング用鋼（浸炭 向けた開発が必要である。「析出強化」については、 用鋼）」 「大型介在物低減鋼、水素環境下長寿命鋼（軸 古くから合金工具鋼や高速度工具鋼で Cr、Mo、V、 受用途鋼）」の開発が期待される。 W などの炭化物を二次析出させ室温硬さや高温強度 2．2．4 強度−延靱性バランス（バルク組織制御） の向上が図られているが、近年は、炭化物の析出形 高強度を目指した鋼材を開発実用化するには、高 態（寸法、分散状態）を制御したり、より微細分散 強度化だけでなく、加工性や靱性の確保も必要で、 させる組織制御技術の開発が進んでいる。これから バランス特性改善のための組織制御が必要である。 は、加工熱処理技術、析出現象解析のさらなる活用 「結晶粒微細化強化」については、制御圧延により 粒径 5 m 程度までの微細化が可能で優れた強度＋ によりナノスケールでの組織制御が進めばより一層 の機能性能向上が期待できる。 延靱性バランスが得られるが、あまり微細化しても 図 6 熱処理素材（鋼材）の高強度化・長寿命化のロードマップ 6 SOKEIZAI Vol.55（2014）No.2 特集 熱処理技術の最新動向 2．3 「 エネルギー高効率利用と環境調和 」 2．3．2 シミュレーションによるプロセス改善 ＜渡邊陽一、奈良崎道治、下里吉計、河田一喜＞ 従来、 勘、コツ で対応することが多かった熱処 本 WG では、① プロセス（ハード）改善、②シ 理プロセスの最適化、安定化と熱処理品質予測によ ミュレーションによるプロセス改善、③ 熱処理設備 る試作工数削減のために、加熱冷却における温度変 について整理している。図 7 にロードマップを示す。 化とそれに伴う熱膨張・収縮、組織変化と変態膨張・ 2．3．1 プロセス（ハード）改善 収縮、および発生する応力とひずみを連成解析する 地球環境問題への対応と急速なグローバル化によ 熱処理シミュレーション技術の開発が急速に進んで り、たとえば自動車部品の小型軽量化、低コスト化 いる。今後、より高精度化するためには、計算ソフ への要求はますます厳しくなり、熱処理技術に対し トの改良改善、ハードの計算速度の向上はもちろん、 ても CO2 排出量低減、省エネ・省資源、低コスト、 加熱冷却中の各温度での各種材料物性値の実測デー グローバル生産適応性、安全性、より安定した高品 タや冷却曲線が必要となるが、部品の材質、形状、 質、高強度、高機能などが求められている。熱処理 寸法、焼入姿勢、表面性状が影響することからデー プロセスについても、今までの延長での改善改良は タ収集は容易ではなく、日本材料学会や技術協会の もとより、さらに大きな変革が必要で、浸炭を例に 研究部会（現在のテーマは「焼入冷却と変形シミュ とれば、今後は、現プロセスに加えて、すでに開発 レーション」）などで地道なデータ採取が継続され が進められている真空高温浸炭、加圧ガス焼入れ、 ている。 プラズマ浸炭などの進化や、浸炭用鋼材の製鋼プロセ 2．3．3 熱処理設備の改善 ス−粗材（素材）熱処理（一般熱処理）−鍛造−機械 日本の熱処理設備は、自動車や建設機械メーカー 加工−浸炭（他の表面熱処理でも同様）までを工程 などのユーザーからの品質、コスト、省エネなど スルーで最適化することが必要である。浸炭と他の に関する厳しい要求に応えることで大きく進化発展 表面熱処理（高周波焼入れ、ショットピーニング、 し、今や世界のトップレベルと言っても過言ではな ハードコーティングなど）の複合処理、さらに加圧 い。ところが地球環境問題のクローズアップとグ ガス焼入れ（欧米では開発実用化が活発ながら、日 ローバル化が急激に進んだため、品質では、「均一 本では圧力容器に関する高圧ガス保安法によりガス 加熱、高温保持、冷却」「冷却速度曲線の安定再現」 圧 1MPa 以下に規制され開発が進みにくい）などの 冷却手法の開発が期待される。 「炭素や窒素ポテンシャルなど炉内雰囲気ガスの精 密制御」などがより必要となっている。省エネでは、 図 7 エネルギー高効率利用と環境調和のロードマップ Vol.55（2014）No.2 SOKEIZAI 7 断熱強化や排熱回収などの対症対策だけでなく、発 なお、④ 項の人財育成と教育の必要性については、 想の転換を含めて、雰囲気処理の活用、真空浸炭の もちろん、今までの各 WG 共通の課題でもあるし、 拡大、浸炭･窒化ともに加熱処理時間の短縮、雰囲 本 WG では企業経営（特に専業社）の永続性・発展 気ガスの改良・高効率制御、排ガス排熱の低公害処 性確保の観点から 強い意識" というより 厳しい 理、精密制御用の温度･ガスセンサーの開発などの 危機感" を持っており、次のようにまとめられている。 進化と IT 活用による生産工程の合理化、CAE によ （1）大学でじっくり金属（や熱処理）を学んだ人 る開発･試作効率の向上が期待される。 財が少ないため採用が難しい。 （2）ほとんどの熱処理企業では研究開発予算が皆 2．4 「 熱処理企業の今後 」 無に近く就職先としての魅力が乏しい。 ＜喜多正吉、野村博郎、横瀬敬二＞ 本ロードマップ策定時期が、2008 年後半からのリー （3）技能の伝承方法が確立しないうちに先人が退 職を迎えてしまっている。 マンショックにより熱処理企業各社が大きな痛手を （4）自動化、省力化により熱処理技術を含めた知 被ったものの経営環境激変への適応力・修復力を発揮 識を知らずして操作や作業をしている。 して立ち直った頃だったことから、本 WG のアンケー （5）若手の横並び指向は結果として自己研鑽の成 ト結果には各企業の切実な思いが反映されている。 就不足となっている。 熱処理企業（主に専業社）の今後の展望に関する 熱処理に携わる企業（部門）は、専業社だけでな まとめとしては、 く、大手の総合機械や部品メーカーなどにも熱処理 ① 熱処理特性を極めた高付加価値を追及し、適切 「内製」部門として存在し（専業社よりはるかに大規 模と推察）、上記の「困り事」は、著者の知る狭い範 な利益のある企業経営 ② グローバルな時代にフレキシブルに対応する生 囲ではあるが、 「当たらずとも遠からず」と拝察する。 人財育成は日本のものづくりを支える熱処理（業） 産システム ③ 省資源、省エネで地球環境との共生を希求する 全体の大問題で、技術協会では、同様の危機感を 持つ日本金属熱処理工業会（以下、工業会）、日本 熱処理企業 ④ 人財の育成と確保ならびに技術、技能の伝承 鉄鋼協会、日本工業炉協会、表面技術協会など関 （人の財産、人は財産、と考えれば“人財”） 連諸団体とも協力して種々のセミナーを企画開催 している（詳しくは各団体の HP を参照願いたい）。 を挙げている。 3．おわりに 日本熱処理技術協会の創立 50 周年記念シンポジ 参考文献 ウム“熱処理ロードマップ”を元に、浅学ながら 1 ）日本熱処理技術協会主催：創立 50 周年記念シンポジ 日本の熱処理技術の現状と将来について概説した。 熱処理関連の学会・業界団体、熱処理・その関連 プロセスに携わる技術者・技能者の皆さん共通の「熱 処理はものづくり産業を支える大事な技術で、研究 開発も生産技術・設備開発もさらに進めて、今後も、 世界の熱処理技術を牽引し続けたい」との思いを少 しでもご理解いただければ光栄である。 なお、「熱処理企業（主に専業社）の現状と課題」 については、工業会が経済産業省からの委託により、 2006（H18）年に「金属熱処理業ビジョン− 10 年後 のあるべき姿−」を、2011（H23）年に「追補版」を 5） 詳細かつ精力的にまとめている （資料は経済産業 省または工業会 HP から入手可能）。 ウム 熱処理ロードマップ"（2010-5-11）. 2 ）日本熱処理技術協会編：熱処理／ 50 周年記念特集， 熱 処理ロードマップ"，50，2（2010）. 3 ）素形材センター主催：素形材技術セミナー「ものづく りの原点−素形材技術−」 （2013. 6）. 4 ）日本熱処理技術協会編：熱処理／ 50 周年記念特集， 21 世紀熱処理技術の革新"，50，4（2010）. 5 ）日 本 金 属 熱 処 理 工 業 会： 金 属 熱 処 理 業 ビ ジ ョ ン " （2006-11）．同 追補版"（2011-3）. 熱処理関連団体 HP ・（一社）日本熱処理技術協会：http://www.jsht.or.jp/ E-mail：[email protected] ・日本金属熱処理工業会：http://www.netsushori.jp/ ・（一社）日本工業炉協会：http://www.jifma.or.jp/ 8 SOKEIZAI Vol.55（2014）No.2