焼入れ・焼戻し

加熱

まずは炉で金属を加熱します。亜共析鋼ではA3線よりも30～50℃高い温度まで、析鋼・過共析鋼ではA1線よりも30～50℃高い温度まで熱して保持します。一般的にA3、A1線を超えた温度でオーステナイト化が始まりますが、それよりも高温に加熱することで、均一性をより高めることが可能です。

温度が高すぎると結晶粒が粗大になって靭性が低下してしまいます。逆に低すぎるとオーステナイト化が十分にできず強度が低くなってしまうので、材質や炭素含有量に合わせて焼入れ温度を正確に設定することが重要です。また、保持時間も材質や加工品の大きさ、加熱前の組織状態によって変わります。

冷却

加熱をした後は160℃/秒以上という急速な冷却速度で冷やします。他の熱処理ではこれほど早い冷却速度が求められないので空冷が採用されることが多いのですが、焼入れの場合は空冷では間に合いません。一般的に水を噴霧した後に風を当てる、水もしくは油が入った槽に浸すような技術を用いて急冷します。

冷却が遅れてしまうと、十分な強度を得られることができないため、製品を炉から出してなるべく早く冷却の工程に移すことが求められます。こうして急速に冷やすことで、均一な組織を保ったままマルテンサイト化させ、はじめて焼入れの効果が発揮されるのです。

調質

加熱と冷却を行うことで硬度がアップしますが、一方で脆くなってしまい、衝撃などが加わると割れてしまったり表面にヒビが入ったりする可能性があります。そこで、調質（焼戻し）を行って靭性をもたせます。焼入れよりも低い温度で金属を再度加熱し、組織構造を均一化。耐摩耗性と耐衝撃性のバランスがとれた製品となります。以下の項目でさらに詳しく紹介します。

高温焼戻し

550～600℃の高い温度まで加熱して1時間程度保持した後に空冷します。この過程によって焼入れで残っていたオーステナイトがマルテンサイト化しますので、もう1回焼戻しを行います。これによって鋼の組織がソルバイト化（フェライトとセメンタイトの組織が微細化した状態）し、粘り強さが出てくるのです。硬度は若干低くなりますが、靭性を高くしたい場合に用いられる方法で、シャフトや歯車、ボルトなどの部品を造る際に行われます。

低温焼戻し

150～200℃まで加熱して1時間ほど保持した後に空気で冷却します。低炭素マルテンサイトを構成させることができ、焼入れで生じた内部応力も除去さるので、強度はそのままに、強靭性を与えることが可能となります。靭性は高温焼戻しよりも低いですが、摩耗や経年変化に強く、硬さが求められる刃物や工具類、ゲージ類、プレス金型など幅広い製品で選択されます。