焼入れは鋼の強度と硬度を高めることができるため、熱処理において重要な役割を果たします。焼入れと異なる温度での焼戻しを組み合わせることで、様々な用途に合わせて強度、可塑性、靭性の様々な組み合わせを実現できます。
焼入れの概要
焼入れは 熱処理 鋼を臨界点Ac3（亜共析鋼の場合）またはAc1（過共析鋼の場合）を超える温度に加熱し、一定時間保持することで、完全または部分的なオーステナイト化を達成するプロセス。その後、材料を臨界焼入れ速度を超える速度で冷却し、過冷却オーステナイトをマルテンサイトまたは下部ベイナイト組織に変態させる。
焼入れの目的は、過冷却オーステナイトからマルテンサイトまたはベイナイトへの変態を促進し、特定の微細組織を得ることである。 テンパリング この熱処理は、様々な温度において鋼の強度、硬度、耐摩耗性、疲労強度、靭性を向上させ、機械部品の動作要件を満たします。また、焼入れは、特定の鋼における強磁性や耐食性など、特定の物理的または化学的要件を満たすためにも使用されます。
焼入れの原理
焼入れプロセスの基本原理は、金属ワークピースを特定の温度まで急速に加熱し、内部組織をオーステナイト相に変態させるまで保持した後、焼入れ媒体に急速に浸漬することです。この急速冷却により、マルテンサイトやベイナイトなどの硬化相が生成され、金属の硬度、強度、耐摩耗性が向上します。
1. オーステナイト化
温度条件
鋼は、亜共析鋼または過共析鋼の臨界点を超える温度まで加熱されます。この温度範囲では、結晶構造が変化し、室温で存在するフェライトとセメンタイトが徐々にオーステナイトへと変態します。オーステナイトは、面心立方構造を有するガンマ鉄中の炭素の侵入型固溶体であり、炭素の溶解度が高く、強度が低く、可塑性が高いという特徴があります。
保温
温度を保持する目的は、ワークピースの内部温度を均一化し、部品全体が完全にオーステナイト化されて、その後の急速冷却と構造変化に備えることです。
2. 冷却と微細構造変化
冷却速度
冷却は、臨界冷却速度よりも厳密に速い速度で行われます。臨界冷却速度とは、焼入れ中に鋼がマルテンサイト組織を獲得するために必要な最小冷却速度と定義されます。冷却速度がこの臨界速度より遅い場合、鋼は冷却過程でパーライトまたはベイナイトを形成し、目的とする硬度と強度を達成できない可能性があります。
変換プロセス
急速冷却中、オーステナイト組織は不安定になり、相変化を起こします。過冷却オーステナイトは、マルテンサイトやベイナイトなどの硬化相に変態します。マルテンサイトは、α-Fe中の炭素の過飽和固溶体であり、体心正方晶構造を有し、非常に高い硬度と強度を特徴とします。
パフォーマンス強化
焼入れによって得られるマルテンサイト組織またはベイナイト組織は、金属加工物の硬度、強度、耐摩耗性を大幅に向上させます。例えば、 焼入れ鋼部品 表面硬度が大幅に向上し、耐摩耗性、耐変形性に優れています。
焼入れ媒体
時間-温度-変態（TTT）曲線が示すように、焼入れ速度が異なると結果も異なります。金属の種類によって、割れを生じずに許容できる焼入れ速度は異なります。金属の種類によって適切な方法が必要ですが、焼入れは主に冷却速度に依存します。
一般的に、冷却速度を制御する主な方法は、焼入れ媒体の選択です。媒体の温度は理論的には変化させることができますが、冷却速度を決定する決定的な要因は、その比熱と沸点です。最も一般的な焼入れ媒体には、水、塩水、油、液体窒素、空気などがあり、それぞれに長所と短所があります。
水
水は、入手しやすく急速な焼入れを誘発する能力があるため、最も一般的な媒体の一つです。水は不燃性で、高い比熱と蒸発潜熱を有します。しかし、沸騰すると気泡が発生し、熱伝導率が低下します（ライデンフロスト効果）。これにより、最終的に焼入れ速度が低下します。
塩水
塩水は、単に塩を加えた水です。塩は水の沸点を上昇させ、沸騰中の泡の発生を抑え、焼入れ速度を速めます。ただし、塩は特定の合金を腐食させたり、化学反応を起こしたりするという欠点があります。
血で刀を焼入れるという伝説について：血には溶解した電解質（塩類）が含まれているため、焼入れの観点からは薄い塩水と同様の作用があります。また、血液には凝固して刀身に付着する可能性のある有機化合物も含まれており、ライデンフロスト効果を弱める可能性があります。さらに、血液中の炭素分子が反応して表面に微細な炭化物を形成することもあります。
石油
油は中速焼入れ剤として効果的で、ひび割れの発生を軽減します。ただし、油面が火災の危険性をはらんでいるという大きな欠点があり、作業中は細心の注意が必要です。
液体窒素
液体窒素は、窒素が瞬時にガス化し（熱伝導率の低い層を形成する）、熱容量と蒸発熱が低いため、水焼入れよりも初期の焼入れ速度が遅くなります。しかし、液体窒素は最終的に材料の温度をはるかに低く抑えます。これは、特定の合金（特定のステンレス鋼など）がマルテンサイトを析出させるのに不可欠です。
Air
空気冷却は、通常、サンプルに冷風を急速に吹き付けることによって行われます。コストが低く、風速を調整することで製品のさまざまな部位の冷却速度を制御できるため、産業現場で広く採用されています。一般的に最も冷却速度の遅い媒体ですが、一部の合金では静止空気中で冷却しても急冷された微細組織が得られます。
焼入れ手順
合金は臨界温度より30～50℃高い温度まで加熱されます。結晶粒の成長を防ぐため、この温度に長時間さらされることは避けてください。
酸化に敏感な合金の場合、加熱は真空中で行う必要があります。あるいは、合金を真空にしたり、アルゴンなどの不活性ガスを充填した石英管に封入することもできます。
合金は急速冷却を必要とし、その冷却は主に焼入れ媒体によって制御されます。一般的に、塩水が最も速い冷却媒体ですが、液体窒素は冷却速度が比較的遅いです。
合金の冷却が速すぎると割れが生じる可能性があり、遅すぎると準安定相が形成されない可能性があります。最適な焼入れ速度は、時間-温度-変態（TTT）チャートを用いて決定する必要があります。
