サブゼロ処理とは、鉄鋼材料に対して行われる熱処理で、材料の寸法安定化や硬度の均一化などを目的とした処理です。
焼入れをした鋼をドライアイスなどで0℃以下(一般的に-60℃～-100℃程度)に急冷することによって、焼入れで発生した残留オーステナイト組織をマルテンサイト化することができます。
処理のタイミングとしては「焼入れ→サブゼロ処理→焼戻し」が一般的です。
マルテンサイトとは？
マルテンサイトは、鉄鋼が焼入れ→急冷によって得る組織です。
炭素を含む鉄鋼は焼入れすることによって硬度を上げる事ができますが、これは鉄鋼の組織がマルテンサイト変態することによって起こっています。
鉄は常温においてフェライトという組織でできておりますが、このフェライトは焼入れすることでオーステナイトという組織になり、その後急冷することによってマルテンサイトという組織に変態します。
このマルテンサイト組織は炭素を閉じ込めており、非常に緻密で硬い組織ですが、同時に脆いため通常は焼戻しによって靭性を復活させます。
残留オーステナイトとは？残っているとどうなる？
上記のオーステナイト→マルテンサイトという組織の変化において、マルテンサイト化しなかった組織を「残留オーステナイト」と言います。残留オーステナイトの特徴は以下の通りです。
- 経年変化がでやすい
オーステナイト組織は長い時間をかけて徐々に他の組織に変化する＝体積がかわるため、寸法がわずかに変化したり硬度が低下することがあります。 - 着磁力が低下する
- 適度な残留オーステナイトは靭性を向上
デメリットだけでなくメリットもあります。適度に残留オーステナイトがあると靭性を向上させ、焼き割れなどを防止します。
どんな材料に施す？
サブゼロ処理は、金型やゲージなど寸法変化を嫌う部品、炭素量の多い材料に施すのが効果的だといえます。
先ほど、焼入れ後の急冷によってマルテンサイト組織を得るという話をしましたが、Ms点(マルテンサイト変態開始温度)とMf点(マルテンサイト変態開始温度)は鉄鋼の炭素量によって変わります。Ms点およびMf点は炭素量が多いほど低くなります。
約0.6％以上炭素(C)がある鋼ではＭf点が常温以下になるため、常温までの冷却では残留オーステナイトが多くなってしまいます。