残留オーステナイトと深冷処理：サブゼロ処理が割に合う場合

残留オーステナイトとは

焼入れは、マルテンサイト生成開始温度（Ms）とマルテンサイト生成終了温度（Mf）の間で、オーステナイトをマルテンサイトへ変態させます。普通の低炭素鋼では Mf は室温より高く、変態は完了します。高炭素鋼や高合金鋼、すなわち工具鋼、浸炭用鋼種、軸受鋼では、炭素と合金の含有量が Ms と Mf を低下させ、オーステナイトの一部はまったく変態しません。これが残留オーステナイトであり、硬化した組織の中に混ざった軟らかい相です。

その量は、鋼種とオーステナイト化の実務によって大きく異なります。温度範囲の上限から硬化された高合金工具鋼では、数パーセントからおおよそ 20–30% までの値が報告されています。

なぜ重要か

• 硬さと摩耗： 残留オーステナイトはマルテンサイトよりも軟らかいため、過剰な量は硬さと接触疲労性能を犠牲にします（軸受鋼がこの理由で厳しく規定されています）。
• 寸法安定性： 残留オーステナイトは準安定です。後に、応力、研削熱、温度変化のもとで変態することがあり、その変態は部品を膨張させます。使用中に公差から外れてずれていくゲージ、精密金型、軸受部品が、その古典的な症状です。
• すべて悪いわけではない： 少量の制御された量は、靭性と転がり接触挙動に有益となることがあり、焼戻しだけでもその多くが変換されます（以下を参照）。

順序に沿った対処法

1. 焼戻し。 適切に選ばれた焼戻し（そして工具鋼では二回目の焼戻し）によって、残留オーステナイトが分解され、結果として生じる新しいマルテンサイトが焼戻しされます。多くの工具ではこれで十分であり、低温処理は必要ありません。
2. サブゼロ処理 — 焼入れしたばかりの部品を約 −70 から −85 °C まで冷却し（ドライアイスまたは機械冷凍の範囲）、短時間保持することで、変態を Mf により近づけます。軸受部品や浸炭部品に広く使われます。
3. 深冷処理 — 液体窒素温度、約 −196 °C まで冷却し、ゆっくりと制御された冷却と加温を行い、通常は長時間保持し、常にその後に焼戻しを行います。オーステナイト変態を完了させることに加えて、深冷処理は工具鋼において非常に微細な炭化物の析出を促進すると言われています。寸法安定性の利点は十分に確立されていますが、耐摩耗寿命の利点の大きさは鋼種と研究によって異なります。

成功を決める順序の規則

• 焼入れの直後に速やかに処理します。遅れた部品ではオーステナイトが安定化することがあり、応力を受けた部品は焼入れまま放置されると割れることがあります。
• 冷却と加温は徐々に行います。薄い断面や複雑な金型は、どちらの方向の熱衝撃にも割れやすい性質があります。
• その後は必ず焼戻しを行います。 低温で形成された新しいマルテンサイトは未焼戻しで脆く、焼戻しなしに室温で終わる深冷サイクルは、部品をより悪くしています。

割に合う場合

サブゼロ処理や深冷処理がそのコストに見合うのは、精密ゲージとマスター、高級な切削・成形工具、残留オーステナイトの制限が厳しい軸受部品、そして使用中の成長を公差が吸収できない金型です。一般機械部品の中炭素鋼については、そもそも保持するオーステナイトが少ないため、それに見合う機構なしにコストだけが加わります。