寸法変化
寸法変化とは、金属部品が熱処理・加工・使用環境などの影響を受けて、その形状や寸法が当初の設計値から変動する現象である。鉄鋼材料では焼入れや浸炭などの熱処理工程において組織変態・温度勾配・残留応力が複合的に作用し、膨張・収縮・歪みの形で寸法変化が顕在化する。精密機械部品や金型では許容される寸法変化がμmオーダーにとどまる場合も多く、変化の要因を正確に把握して設計・工程・後処理に反映させることが製品品質の鍵となる。
寸法変化の主な要因
寸法変化をもたらす要因は大別して「組織変態による体積変化」「温度勾配に起因する熱応力」「残留応力の解放」の3つである。鉄鋼の熱処理では、オーステナイトからマルテンサイトへの変態時に約4%の体積膨張が生じる。これは格子定数の変化（面心立方→体心正方）に由来するもので、変態が均一に進行しない場合は部位ごとに異なる膨張量が内部応力を生み、反りや楕円化として現れる。一方、残留応力は機械加工・溶接・鋳造時にすでに蓄積されており、加熱による応力緩和が起こると解放変形につながる。
マルテンサイト変態と体積膨張
焼き戻しを施す前の焼入れ直後材は、マルテンサイトの格子ひずみと高い転位密度のため寸法が不安定な状態にある。炭素量が高いほど正方度（c/a比）が大きくなり、体積膨張量も増す。また、急冷による表面と心部の温度差が大きいほど変態のタイミングがずれ、不均一な体積変化が歪みを拡大させる。焼戻しによってε炭化物やセメンタイトが析出すると、マルテンサイト格子のひずみが緩和されて体積はわずかに収縮し、寸法が安定化する。これが「寸法安定化焼戻し」として精密部品に適用される理由である。
残留オーステナイトの影響
焼入れ後の鋼には変態しきれなかった残留オーステナイトが残存することがある。残留オーステナイトは面心立方構造であり、マルテンサイトより比容積が小さい。経時的または機械的負荷によってマルテンサイトへの二次変態が起きると、局所的な体積膨張が生じてその後の寸法変化（経年変化）として現れる。高炭素・高合金鋼では残留オーステナイト量が特に多く、ゲージブロックや精密軸受のような寸法精度を重視する部品ではサブゼロ処理（深冷処理）によって残留オーステナイトをマルテンサイトへ変態させる対策が行われる。
サブゼロ処理の位置づけ
サブゼロ処理は焼入れ直後に−70〜−196℃まで冷却し、Ms点（マルテンサイト変態開始温度）を十分に下回ることで残留オーステナイトを強制変態させる処理である。処理後は寸法変化が抑制されるが、残留応力の増加や割れリスクも高まるため、必ず焼戻しと組み合わせる。
表面処理と寸法変化
窒化処理は鋼表面に窒素を拡散・浸透させる工程であり、処理温度が500〜570℃と比較的低い上に焼入れを必要としないため、寸法変化が他の表面硬化法に比べて著しく小さいという特長がある。一方、浸炭焼入れは高温オーステナイト化を伴うため変形量が大きく、歯車の歯形精度を維持するためにはリング焼入れ治具や矯正焼入れが必要になることが多い。処理後に研削仕上げで寸法を修正する場合は、研削取り代を熱処理前の段階から設計に組み込んでおく必要がある。
残留応力と弾性的寸法変化
残留応力が存在する部品は、その後の切削・研削などの材料除去工程において応力バランスが崩れて弾性的な寸法変化（スプリングバック状変形）を起こす。引張残留応力が主体の部品は材料除去後に膨張傾向を示し、圧縮残留応力が主体の部品は収縮傾向を示す。応力除去焼鈍（500〜700℃保持→徐冷）は残留応力を低減して後工程での寸法変化を抑える有効な手段であり、精密加工を複数工程にわたって行う際には中間焼鈍として組み込まれることがある。
熱膨張と使用環境での寸法変化
製品として使用される段階においても、温度変化に伴う熱膨張・収縮によって寸法変化は継続的に生じる。線膨張係数αは材料によって異なり、炭素鋼では約11〜13×10−6/℃、ステンレス鋼では約16〜17×10−6/℃、インバー合金では約1.5×10−6/℃である。異種材料を組み合わせた部品では熱膨張係数の差に起因する熱応力が界面剥離や締結力変化をもたらすことがある。精密測定機器では低膨張材料の選定や温度管理環境（20℃基準）での使用が規定されている。
寸法変化の測定と管理
熱処理前後の寸法変化量は三次元測定機（CMM）やエアゲージ、真円度測定機などで定量化される。歯車では歯形・歯筋誤差、軸受リングでは真円度・内外径変化、金型ではキャビティ形状の歪みが主な管理項目となる。量産工程では工程能力指数（Cp・Cpk）を用いた統計的管理が行われ、変化量の平均値とばらつきの両方を許容公差内に収めることが求められる。変化のトレンドを継続的に把握することで、窒化炉の温度や焼戻し条件の最適化にフィードバックできる。
設計・工程面での対策
寸法変化を製品精度の許容範囲内に収めるための対策は複数存在する。設計面では変化量を見越した仕上げ代（取り代）の設定、対称形状による歪みの均一化、材料選定（低変形鋼の採用）が基本である。工程面では冷却速度の制御（均一急冷・プレス焼入れ）、治具焼入れによる拘束、焼入れ後の矯正プレス、複数回に分けた応力除去焼鈍などが有効である。また、仕上げ加工を熱処理後に行う場合は研削焼けを防ぎつつ残留応力を管理することが求められる。
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