ナイフの熱処理とは何ですか？

ナイフの熱処理とは、刃物の特性を変化させ、より良い道具にするための工程です。この工程全体は非常に技術的で、ナイフ愛好家にとっても理解しにくい場合があります。

この記事では、熱処理とは何か、なぜナイフを熱処理するのか、そしてそのプロセスの段階について、重要な詳細を見逃さずにわかりやすく説明します。

ナイフを熱処理する必要がある理由

熱処理は、刃を十分に硬くし、激しい作業のストレスにもびくともせず耐えられるほどの耐久性を持たせるために、ナイフ作りにおいて必要なステップです。 

鋼を鍛冶場に置き、叩いて刃を形作るだけでは、このような結果は得られません。熱処理には、正確な温度、タイミング、そして鋼材特有の技術が必要です。

ナイフ職人は熱処理なしでもナイフを作ることができますが、切れ味は劣ります。刃を鍛造する鋼は、柔らかすぎて刃持ちが悪くなるか、硬すぎて脆くなってしまうかのどちらかです。熱処理はすべてのナイフに必須です。 セラミック製のものでも.

熱処理は、鋼を最適な硬度に仕上げるだけではありません。焼き入れした鋼は脆すぎて刃物に使用できない場合もあります。また、焼き入れ後の焼き戻しのように、硬すぎる鋼を削り落とすことも熱処理に含まれます。 

熱処理の科学

熱処理は、鋼の物理的・化学的特性を劇的に変化させ、私たちにとって有益な効果をもたらす、比較的シンプルなプロセスです。加熱と冷却のサイクルという、それほど複雑なプロセスではありませんが、熱処理の背後にある科学的な背景を理解すれば、より深く理解することができます。

鋼は純粋な金属ではありません。鉄と非金属炭素、そしてクロムやシリコンなどの他の化学元素が混ざった混合物です。複数の元素を扱うには、熱処理中にそれらが鋼にどのような影響を与えるかを個別に検討する必要があります。 

熱処理中の高合金鋼を詳しく調べるには、理解しにくい複雑な要素も絡んでくるため、ここでは最も単純な鋼である鉄と炭素の混合物についてのみ説明します。 

鉄の結晶構造

純鉄は柔らかく安定した金属を形成し、 フェライト体心立方（BCC）結晶構造を持っています。BCCは、各角と中央に炭素原子が1つずつ配置された立方体と考えることができます。これらの結晶構造はそれぞれ特定の方向に変形するため、その方向にのみ移動しようとします。

これはスリップシステムとして知られており、 原子が互いに滑り合う方向 変形が発生したとき。

純鉄を加熱・冷却すると、結晶が成長して粒状になります。各粒は同じすべり系を持ち、変形しようとする方向は同じですが、隣接する粒は同じすべり系を持ちません。 

金属に曲げなどの力を加えると、木目はその方向にしか滑らず変形します。変形を起こすには、隣の木目を押し込むより大きな力を加える必要があります。 

まるで道路で車を運転していて、前に別の車が駐車しているようなものです。不可能ではありませんが、簡単には動きません。力が大きくなると、鋼鉄はより大きな内部応力を蓄積します。内部応力によって、鋼鉄は力を受けると簡単に砕けたり、ひび割れたり、欠けたりします。そこに炭素が加わると、状況は飛躍的に変化します。

炭素の熱処理への影響

炭素が増加すると、鋼はフェライトの形成が少なくなり、 セメンタイト炭化鉄合金。 

1,000℃程度の高温になると、セメンタイトは異なる結晶構造に変化し、 オーステナイトただし、これは炭素含有量が2%未満の鋼で発生します。 

炭素含有量が2%を超えると、金属の結晶構造においてセメンタイトがより多く存在するようになります。セメンタイトが再び形成され始め、鋼は硬くなりますが、脆くなります。そのため、鋼が脆い材料に変化するのを防ぐため、メーカーは2%の炭素含有量の閾値を超えることはほとんどありません。

フェライトとオーステナイトの主な違いは、後者は 面心立方構造この結晶構造はBCCよりも密度が高いですが、熱によって炭素原子が入り込む空間が生まれます。

炭素を溶液中に放出するこのプロセスにより、金属は変形に対してより強くなります。オーステナイトはフェライトよりもはるかに強度が高く、脆くなく、変形しやすいため、金属の靭性と硬度を同時に高めます。

さて、冶金学の知識は多少必要になりますが、熱処理中に鋼鉄内部で何が起こるかについては、ある程度理解できたはずです。 

ナイフを作るときに鋼が受ける熱処理の段階を見てみましょう。

正規化

製造業者が鋼鉄を出荷準備のために鍛造すると、ブロックまたは棒に加工する場合でも、材料に内部応力が生じ、結晶粒度が不均一になります。 

焼きならしは、その名の通り、鋼のリセットボタンのようなもので、内部応力を緩和し、結晶粒度を均一にします。焼きならしによって鋼の強度が高まり、ナイフ作りの次の工程に備えることができます。

プロセス

焼準工程は非常に簡単です。鋼は通常、管内で直火から離れた場所で均一に加熱され、遷移温度に達します。鋼の種類によって、焼準に必要な遷移温度は異なり、800～950℃で、臨界オーステナイト生成温度よりわずかに高い温度です。この焼準工程の最初のステップが回復段階です。

鋼が再結晶温度以上、融点未満の臨界温度に達した後、厚さ25mmあたり約1時間、その温度に保持されます。この温度で再結晶が起こり、結晶粒径が均一になります。つまり、これが焼ならし処理における再結晶段階です。

このプロセス中に、いくつかの鋼鉄型が パーライトセメンタイトとフェライトが交互に重なる層。炭化物（一部の鋼種ではパーライトも）が溶液中に存在すると、鋼の結晶粒径は均一になり、焼ならしの目的が達成されます。 

次に、鋼材を自然冷却して室温に戻します。この焼ならしの最後の段階は、結晶粒成長段階です。これにより、より延性が高く、作業しやすく、反りや割れのない鋼材が得られます。

正規化プロセスの要約

1. 鋼をオーステナイト形成温度よりわずかに高い温度に加熱します。
2. 厚さ25mmあたり約1時間保持します。 
3. 鋼を室温まで自然冷却します。

焼きならしが完了すると、鋼は非常に延性を持つようになります。まだ柔らかいため、ナイフの刃を作るのに理想的な素材とは言えません。次の熱処理工程では、鋼の硬度を引き出します。

焼入れ

焼入れは焼ならしと似ていますが、重要な違いが1つあります。鋼を加熱して空気中で冷却するのではなく、急速冷却を行います。 

この急速な冷却 マルテンサイト形成を促進する鉄に含まれる炭素は、硬くも脆い微細組織で、鋼を硬化させます。焼入れは共析点をほぼ通過し、オーステナイトが不安定になる温度まで進み、溶存炭素が逃げ出す可能性があります。

焼入れは、空気、水、油、塩水など、様々な媒体を用いて行うことができます。ここでは、鋼の焼入れプロセスと、使用される焼入れ媒体の違いについて説明します。

プロセス

焼きならし工程と同様に、鋼は再結晶温度以上、かつ融点以下の温度で加熱されます。鋼によっては、材料を浸漬するために、この温度に一定時間保持する必要があります。つまり、溶液中ですべての材料を混合するということです。 

そこから、鋼は空冷されるか、以下のいずれかの焼入れ媒体を満たしたタンクに浸漬されることによって急速に冷却されます。 

焼入れ媒体

• 空気空気焼入れは、何も必要としないため費用対効果が高いことから好まれていますが、すべての鋼種に有効というわけではありません。空気焼入れでは、鋼の冷却速度が遅すぎて特性に影響を与えないことがよくあります。それでも、D2工具鋼など、適用可能な鋼種が限られている場合は、費用対効果の高い焼入れ方法です。 
• 水水は鋼を冷却するのに速効性のある焼入れ媒体です。室温まで素早く冷却できます。しかし、水焼入れはほとんどのナイフ鋼にひび割れを引き起こす傾向があります。そのため、空気焼入れのようにすべての鋼に効果があるわけではありません。この焼入れ媒体は1050および W2鋼.
• 油多くの鋼材は油焼入れを必要とするため、油は最も一般的な焼入れ媒体です。油焼入れは水焼入れほど速くはありませんが、それでも空冷よりははるかに速くなります。専用の焼入れ油もあります。油焼入れの欠点の一つは可燃性です。刃物職人は、使用する媒体に関わらず、適切な安全装置を用いて鋼材を焼入れすることが不可欠です。  
• 塩水水と塩（ブライン）の混合物は、鋼を冷却する最も速い方法です。塩水は通常の水のように気泡を発生しないため、最も速く冷却されます。表面全体が液体で覆われるため、最も速く冷却されます。ただし、この方法では鋼にとって冷却速度が速すぎて、ひび割れが発生する可能性があります。 

焼き入れは硬度を高めますが、鋼を脆くすることもあります。マルテンサイトが多いほど、鋼は脆くなります。脆さはナイフにとって好ましい特性ではないため、マルテンサイトの硬度を下げるために焼き戻しが行われます。

焼き戻し

焼戻しとは、焼入れ硬化による脆さを軽減する熱処理工程です。マルテンサイトに閉じ込められた炭素を放出し、内部張力を解放することで、鋼の硬度と靭性のバランスを保ちます。 

その結果、より柔らかく、かつはるかに強度の高い鋼が生まれ、ひび割れることなく変形に耐えるようになります。

プロセス

他の熱処理方法と同様に、焼き戻しは鋼を加熱することから始まります。今回は温度が異なります。焼き戻しは、刃物鋼の種類にもよりますが、125～400℃程度の非常に低い温度で行われます。 

鋼が焼き戻し温度に達すると、一定時間保持されます。保持時間も鋼によって異なります。その後、鋼の温度は一定の速度で冷却されるまで下げられます。例えば、250℃で1時間、175℃で1時間、125℃で30分、そして室温まで下げます。 

焼き戻し後は鋼がより強固になり、永久的な損傷を与えることなく衝撃を吸収できるようになります。

焼き戻し工程のまとめ

1. 鋼を焼き戻し温度まで加熱します。
2. 鋼をこの温度で一定時間保持します。
3. 鋼を所定の速度で冷却し、内部応力を軽減して過剰な硬度を減らします。

ほとんどの鋼にとって、焼入れ後の焼き戻しは不可欠です。適切に焼き戻しが行われていない場合、鋼を焼き戻し焼き戻しする必要がある可能性があります。刃物職人は、以前の熱処理工程を無駄にしないよう、鋼を注意深く、正確に焼き戻しなければなりません。

焼き入れ後、刃は研削加工され、完璧な形状と磨きが施されます。熱処理工程が複雑すぎる場合は、異なる熱処理を施した鋼の違いを簡単に説明します。

焼入れ鋼、焼戻し鋼、焼戻し鋼の違い

焼き入れ鋼は、ナイフに期待される特性に対して通常柔らかすぎます。簡単に曲がり、切れ味も良くありません。

焼入れ鋼は非常に硬いですが、同時に非常に脆い性質を持っています。焼戻し前の焼入れ鋼に衝撃を与えると、内部応力が過剰に蓄積され、割れが生じる可能性があります。

焼き入れ鋼は、熱処理された鋼種の中で最高の硬度と靭性の比を備えています。十分な硬さを持ちながら、衝撃を吸収するのに十分な柔らかさも備えています。ナイフの素材として、刃先が欠けにくく、十分な切れ味を保ちます。

アニーリング

焼きなましという熱処理方法もありますが、これはナイフにはあまり適用されません。焼きなましの目的は、機械加工、研磨、切断などの冷間加工に備えて鋼を準備することです。この熱処理方法は、鋼やその他の金属を最も柔らかい状態にし、上記の工程で変形しないようにします。 

焼きなましは焼き戻しと似たプロセスですが、はるかに高い温度と非常に遅い冷却速度が必要です。当然のことながら、鋼の焼きなましには焼き戻しよりも時間がかかります。 

最後に

刃の耐久性を高め、長く切れ味を保つためには、ほとんどの場合、熱処理が必要です。これは長時間にわたる精密な工程です。適切な熱処理を施せば、どんな鋼でも十分に切れ味の良い刃を作ることができます。 

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