焼入れ・焼戻しとは？硬さと靭性の関係から、設計者が押さえたい条件設定のポイントまで解説

図面に「焼入れ焼戻し」と硬さを指示したのに、組立時や使用中に欠けや割れが出た。硬さは規格内に収まっているのに、熱処理後の歪みやスケールのせいで研削やショットブラストの手間が増えている。これらは、設計者の方が抱えやすい悩みです。

焼入れ・焼戻しは最も基本的な熱処理ですが、仕上がりは硬さと靭性の関係、材質、形状、炉の雰囲気によって大きく変わります。こうした仕組みを押さえておかないと、図面の指示と実際の品質がずれやすくなります。

本記事では、焼入れ・焼戻しの定義から、硬さと靭性のトレードオフ、図面を書く段階で押さえたい条件設定のポイントまでを解説します。後半では、熱処理炉メーカーである日本テクノが、炉の雰囲気と冷却を制御して脱炭や歪みを抑えている事例もご紹介します。

焼入れ・焼戻しとは？

【定義】焼入れは、鋼を変態点以上に加熱してから急冷し、硬くする熱処理です。焼戻しは、焼入れした鋼を再び加熱し、粘り（靭性）を取り戻す熱処理です。

焼入れと焼戻しは、別々に使い分ける処理ではありません。硬さをつくる工程と、その硬さを使える状態に整える工程として、原則セットで行います。

焼入れの定義と目的

焼入れでは、鋼をオーステナイトという組織になる温度（変態点以上）まで加熱して保持し、水や油などで急冷します。目的は、硬さ、強さ、耐摩耗性を高めることです。

焼入れでどこまで硬くなるか、どの深さまで硬くなるかは、鋼に含まれる炭素量や合金元素、部品の大きさによって変わります（参考：IPROS 焼入れ・焼戻し）。つまり、同じ「焼入れ」でも、材質と形状が変われば結果も変わります。

焼戻しの定義と目的

焼入れした直後の鋼は、硬い反面もろく、内部に大きな応力を抱えた状態です。そのため、再び加熱して硬さを調整し、内部応力をやわらげ、靭性を高める必要があります。この工程が焼戻しです。

焼戻しの温度は、一般に150〜650℃程度の範囲から目的に応じて選びます（参考：ウエストヒル）。なお、JISの加工記号では、焼入れを「HQ」、焼戻しを「HT」と表します。

焼入れ・焼戻しと調質の違い

調質は、焼入れと焼戻しを組み合わせた処理を指す言葉です。特に、500℃以上の高温で焼戻しを行い、強さと粘りを両立させる処理を「調質」と呼ぶことが多くあります（参考：IPROS）。

図面に「調質」とだけ書くと、どの硬さを狙っているのかが熱処理側に伝わりません。用語だけでなく、硬さの範囲もあわせて指示しておくと、条件の解釈違いを防げます。

焼なまし・焼ならしとの違い

鋼の代表的な熱処理には、焼入れと焼戻しのほかに、焼なましと焼ならしがあります。4つは目的と冷やし方が異なります。

処理	主な目的	冷やし方	処理後の状態
焼入れ	硬く、強くする	水・油などで急冷	硬いが、もろい
焼戻し	靭性を取り戻し、内部応力をやわらげる	再加熱した後に冷却	硬さと靭性のバランスがとれる
焼なまし	軟らかくする、ひずみを除く	炉の中でゆっくり冷やす	加工しやすい
焼ならし	組織を均一に整える	空気中で冷やす	ばらつきの少ない標準的な状態

（参考：熱処理の4種類の違い）

>>焼鈍とは？光輝焼鈍・応力除去の種類と選び方

焼入れと焼戻しで鋼の組織はどう変わるのか

焼入れで硬くなるのは、急冷によって「マルテンサイト」という硬い組織ができるためです。一方でマルテンサイトはもろいため、焼戻しで組織を安定させる必要があります。

焼入れで起きる変化（オーステナイトからマルテンサイトへ）

鋼を変態点以上に加熱すると、組織はオーステナイトに変わり、炭素が鉄の中に均一に溶け込みます。この状態からゆっくり冷やすと、炭素が抜け出して軟らかい組織に戻ります。

急冷した場合は、炭素が抜け出す時間がありません。炭素を無理に閉じ込めたまま組織が変わるため、ひずみの大きい硬い組織、つまりマルテンサイトになります。

だからこそ、焼入れでは冷却速度が重要になります。冷却が足りない部分は、狙った硬さになりません。

焼戻しで起きる変化

焼戻しでは、マルテンサイトに閉じ込められていた炭素が微細な炭化物として少しずつ析出し、組織が安定していきます。同時に、焼入れでたまった内部応力もやわらぎます。

この変化は、焼戻し温度が高いほど大きく進みます。その結果、硬さは下がり、靭性は上がります。

ただし、例外もあります。高速度工具鋼のように、550℃付近で焼戻すと硬さが再び上がる「二次硬化」を示す鋼種もあります（参考：モノタロウ 工具の熱処理・表面処理基礎講座）。鋼種ごとの焼戻し特性は、材料メーカーの資料で確認してください。

焼戻しをしないと何が起きるのか

焼入れのまま放置すると、何も力を加えていないのに割れが生じることがあります。急冷時にマルテンサイトにならずに残ったオーステナイト（残留オーステナイト）が、時間の経過や気温の変化によって後からマルテンサイトに変わり、内部応力のバランスが崩れるためです。この現象は「置き割れ」と呼ばれます（参考：金属技研）。

焼入れした部品は、そのまま置いておかず、焼戻しまでを一連の工程として計画しておく必要があります。

硬さと靭性はなぜトレードオフになるのか

硬さと靭性は、焼戻し温度によって一方が上がればもう一方が下がる関係にあります。どちらを優先するかは、部品が摩耗、衝撃、疲労のどの負荷に耐える必要があるかで決まります。

焼戻し温度と硬さ・靭性の関係

焼戻し温度を上げるほど、硬さは下がり、粘りは増えます。低い温度で焼戻せば硬さを多く残せますが、靭性はあまり回復しません（参考：熱処理の4種類の違い）。

実際の条件は、焼戻し温度と保持時間の組み合わせで、狙いの硬さに合わせて決めます。図面の硬さ指示は、そのまま焼戻し温度を決める条件になります。

低温焼戻しと高温焼戻しの使い分け

焼戻しは、大きく低温焼戻しと高温焼戻しに分けられます。

項目	低温焼戻し	高温焼戻し（調質）
温度の目安	200℃以下程度	500℃以上程度
狙い	高い硬さを残しながら、内部応力ともろさをやわらげる	硬さを下げる代わりに、強さと粘りを両立させる
向いている部品の例	工具、軸受、耐摩耗部品など	シャフト、ボルト、構造用部品など

（温度の目安の出典：IPROS）

耐摩耗性を優先する部品は低温焼戻し、衝撃や繰り返し荷重を受ける部品は高温焼戻しが基本の考え方です。ただし、表面は硬く内部は粘り強くしたい部品では、焼戻し温度だけで両立させるのは難しくなります。その場合は、浸炭などの表面硬化処理も選択肢に入ります。

>>浸炭焼入れの原理と種類

注意したい焼戻し脆性

焼戻し温度は「高いほど粘り強くなる」と単純に決められるものではありません。温度帯によっては、かえってもろくなる「焼戻し脆性」が起きるためです。

• 低温焼戻し脆性：合金鋼では、300〜350℃付近で焼戻すと、切欠き部の強さや靭性が大きく低下することが報告されています（参考：鉄と鋼（J-STAGE））。
• 高温焼戻し脆性：鋼種によっては、300〜600℃の温度域で保持したり、この温度域をゆっくり冷却したりすると、延性が低下します。この現象はニッケルクロム鋼でよく見られ、モリブデンを0.2〜0.3%添加することで抑えられるとされています（参考：Bodycote）。

つまり、硬さの指示値だけから中間の温度を選ぶと、この温度帯に入ってしまうおそれがあります。硬さの範囲を決めるときは、鋼種、焼戻し温度、焼戻し後の冷却方法をあわせて熱処理業者と確認しておくと安心です。

設計者が押さえたい焼入れ・焼戻しの条件設定のポイント

焼入れ・焼戻しの品質は、図面に書く硬さの値だけでは決まりません。材質、部品の大きさ、硬さを測る位置、外観や歪みの許容範囲まで伝えておくと、熱処理側が条件を検討しやすくなり、手戻りが減ります。

材質と炭素量で到達できる硬さが決まる

焼入れで得られる最高硬さは、主に炭素量で決まります。合金元素は、主に部品の内部まで硬くなるかどうか（焼入れ性）に関わります（参考：IPROS）。

設計段階では、指示しようとしている硬さが、その材質で到達できる値かどうかを確認しておくことが第一歩です。炭素量の少ない鋼で表面だけ高い硬さが必要な場合は、ずぶ焼入れ（部品全体の焼入れ）ではなく、浸炭焼入れなどを検討します。

部品の大きさと質量効果を考える

部品が大きくなるほど、内部の冷却は遅れます。その結果、表面は硬くなっても、内部までは十分に硬くならないことがあります。この現象を「質量効果」と呼びます（参考：製造タイムズ）。

太い軸や厚肉の部品では、焼入れ性の高い合金鋼を選ぶ、硬さを測る位置（表面か、断面のどこか）を図面に明記する、といった配慮が必要です。

図面の硬さ指示から焼戻し条件を考える

熱処理側は、硬さの指示範囲を手がかりに焼戻し温度を決めます。範囲が狭すぎると条件の余裕がなくなり、材料のロットの違いや部品の置き位置による差を吸収しにくくなります。

逆に、部品の機能上どこまでの範囲なら許容できるかが分かれば、条件の選択肢が広がります。図面や仕様書では、次の項目を整理しておくと相談がスムーズです。

項目	図面・仕様で伝えたいこと	伝える理由
材質	鋼種名	到達できる硬さと、焼戻し温度の目安が決まるため
硬さ	指示範囲と測定位置	表面と内部で硬さが異なるため
用途・負荷	摩耗、衝撃、疲労のどれが主な負荷か	硬さと靭性のどちらを優先するかを決めるため
寸法・形状	最大肉厚、薄肉部、穴や角の有無	質量効果、歪み、割れのリスクを判断するため
外観・後工程	スケールの可否、研削代の有無	加熱雰囲気と冷却方法を選ぶため
数量	試作か量産か、ロットの数量	使う炉と処理方法を選ぶため

加熱時の雰囲気と冷却方法で品質が変わる

同じ材質と同じ温度条件でも、加熱するときの雰囲気と冷やし方が違えば、仕上がりは変わります。設計者にとって身近な不具合である脱炭・スケールと、焼割れ・歪みは、いずれもこの2つが原因として深く関わります。

脱炭・スケールが起きる理由

加熱時の雰囲気に空気などの酸化性ガスが含まれていると、材料表層の炭素が抜けて硬さが落ち（脱炭）、表面にはスケールが付きます。一般的な対策は、ごく薄い浸炭性の雰囲気で処理して硬さの低下を防ぐ方法ですが、この方法でもスケールの付着による面荒れは避けにくいとされています（参考：熱処理技術ナビ ブレーキ部品の焼入れ）。

スケールを除去する工程を減らしたい場合は、光輝焼入れや真空熱処理が選択肢になります。

>>光輝焼入れとは？仕組み・メリット・適用材質をわかりやすく解説

>>真空熱処理とは？仕組みと種類、雰囲気炉との違いまで解説！

焼割れ・歪みが起きる理由

急冷するときに表面と内部の温度差が大きいと、冷え方の違いから変形や割れが生じます。冷却の強さを抑えたり、表面と内部の温度差を小さくしたりする冷却方法を選ぶことで、こうした不具合のリスクを下げられます。

設計の側では、急な肉厚差や鋭い角を避けることも、割れと歪みの予防につながります。

熱処理炉メーカーだからできる、日本テクノの焼入れ技術の特徴

【ポイント】焼入れの品質を左右する雰囲気と冷却を、炉の設計から制御できることが当社の強みです。

前の章で触れた脱炭・スケール、焼割れ・歪みは、どれも炉の中の雰囲気と冷却の条件によって起きる不具合です。当社は、熱処理炉の設計・製造・施工を一貫して手がけてきた炉メーカーです。なぜ炉メーカーであることが品質に効くのか。炉の構造とガスの制御を自分たちで設計しているため、部品に合わせて「どの雰囲気で加熱し、どう冷やすか」を炉の側から検討できるからです。

雰囲気を制御した焼入れで脱炭・スケールを抑える

一般的な炉で行うずぶ焼入れでは、雰囲気に含まれる酸化性ガスによる脱炭を防ぐため、ごく薄い浸炭性の雰囲気で処理する方法がとられます。しかし、この方法でもスケールの付着は避けにくいのが実情です。

当社が量産で行っている焼入れは、気密性の高い炉で窒素だけを使って焼入れする工法です。素材表面の脱炭や酸化が起きないため、処理後も金属色の外観を保ち、お客様の後工程の負担軽減にもつながっています。

減圧焼入れで歪みを抑える

一般的な調質では、大気圧の下で急冷するのが通常です。当社が採用している減圧焼入れは、一定の負圧の環境で油冷却を行います。表面と内部の温度差が小さいまま冷却が進むため、変形が起こりにくく、歪みを小さく抑えられます。

あわせて、鋼材表面の酸化や脱炭も防げるため、金属光沢を保った光輝な外観で仕上がります。減圧焼入れは、浸炭や当社の「N-ハード(H)」と組み合わせることで、小型の部品や薄物の不完全焼入れを防ぎ、寸法精度の確保にも役立っています。

熱処理炉の設計から試作・量産まで一貫して相談できる

当社は本社の隣に熱処理設備を保有し、自社で熱処理の受託加工も行っています。共同開発や、試作・小ロットの熱処理にも対応しています。

最適な熱処理条件を一緒に検討した後は、量産の熱処理加工から熱処理設備の導入まで、一つの窓口でご相談いただけます。「まず数個で条件を確かめたい」という段階からのご相談にも対応しています。

>>熱処理加工センターについて

焼入れの加工事例

ここからは、前の章でご紹介した雰囲気制御と減圧焼入れを、実際の部品に適用した事例をご紹介します。

ブレーキ部品（SUJ2）の焼入れ

自動車のブレーキを油圧で制御する機構に使われる部品（材質SUJ2、Φ5×20）の焼入れ事例です。人命に関わる「止まる」機能を担う部品のため、高い精度で加工されたうえで、熱処理によって強さと耐摩耗性を高める必要がありました。

従来の普通焼入れでは脱炭による硬さの低下を防ぐ処理が必要で、スケールによる面荒れも課題になります。当社は、気密性の高い炉で窒素だけを使う焼入れを量産で行っています。表面の脱炭や酸化を起こさずに金属色のまま仕上がるため、お客様の後工程の負担軽減につながっています。

>>ブレーキ部品の焼入れ（加工事例）

クランクシャフト（SCM440等）の低歪み焼入れ

クランクシャフト（材質SCM440等、Φ80×500）の調質工程に、減圧焼入れを適用した事例です。クランクシャフトは、寸法や振れに配慮しながら加工精度を最大限に高め、耐久性も確保する必要がある部品です。

負圧の環境で油冷却する減圧焼入れでは、表面と内部の温度差が小さいまま冷却が進みます。そのため変形が起こりにくく、歪みが小さく抑えられています。酸化と脱炭も防げるため、光輝な外観で仕上がっています。

>>クランクシャフトへの低歪み焼入れ（加工事例）

>>軸受けの光輝焼入れ（加工事例）

よくある質問

Q. 焼戻しは1回行えば十分ですか？
A. 鋼種や目的によります。残留オーステナイトが多くなりやすい高合金鋼などでは、焼戻しを複数回行う場合があります。

Q. 焼入れしたのに硬くならないのはなぜですか？
A. 主な原因は、材料の炭素量不足、質量効果による冷却不足、加熱時の脱炭などです。材質と処理の雰囲気を確認してください。

Q. ステンレスも焼入れできますか？
A. マルテンサイト系（SUS440Cなど）は焼入れで硬化しますが、オーステナイト系（SUS304など）は焼入れでは硬化しません。

焼入れ・焼戻しの条件でお悩みなら日本テクノへご相談ください

焼入れ・焼戻しは基本的な熱処理ですが、材質、部品の大きさ、加熱雰囲気、冷却方法の組み合わせで仕上がりが大きく変わります。「指示した硬さは出ているのに割れる」「脱炭やスケールで後工程の手間が増えている」「熱処理後の歪みで寸法が安定しない」といったお悩みは、炉の雰囲気と冷却の条件を見直すことで改善できる場合があります。

日本テクノでは、熱処理炉メーカーとしての知見をもとに、材質や図面に合わせた焼入れ条件の検討から、試作・小ロットの熱処理、量産のご相談まで対応しています。図面、材質、硬さの指示、数量が分かる資料をお送りいただければ、検討がスムーズに進みます。

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