焼入れマスターガイド：金属硬化の究極の手引き

焼入れは、金属ワークピースを一定温度まで加熱し、一定期間保持した後、焼入れ媒質に浸漬して急速冷却する金属熱処理プロセスです。焼入れにより金属ワークピースの硬度と耐摩耗性を向上させることができるため、さまざまな工具、金型、測定工具、表面耐摩耗性が要求される部品に広く使用されています。

焼入れとは？

焼入れは、鋼を臨界温度以上まで加熱し、一定時間保持した後、臨界冷却速度より大きい速度で冷却することで、マルテンサイト（または要求に応じてベイナイトや単相オーステナイト）を主体とした非平衡構造を得る熱処理プロセスです。焼入れは鋼の熱処理で最も広く使用されるプロセスです。

鋼の熱処理には4つの基本プロセスがあります：焼鈍、焼ならし、焼入れ、焼き戻し。

焼入れの目的

過冷オーステナイトをマルテンサイトまたはベイナイト変態させ、マルテンサイトまたはベイナイト組織を得て、その後異なる温度で焼き戻しを行うことで、鋼の剛性、硬度、耐摩耗性、疲労強度、靭性を大幅に向上させ、さまざまな機械部品と工具の異なる使用要件を満たします。また、焼入れによって一部の特殊鋼の強磁性や耐食性などの特殊な物理化学的特性を得ることもできます。

金属熱処理プロセスは、金属ワークピースを一定温度まで加熱し一定時間保持した後、焼入れ媒質に浸漬して急速冷却するものです。一般的な焼入れ媒質には食塩水、水、鉱油、空気などがあります。焼入れにより金属ワークピースの硬度と耐摩耗性を向上させることができるため、さまざまな工具、金型、測定工具、表面耐摩耗性が要求される部品（ギア、ローラー、浸炭部品など）に広く使用されています。焼入れと異なる温度での焼き戻しを組み合わせることで、金属の強度、靭性、疲労強度を大幅に向上させ、これらの特性の調和（総合的機械的特性）を得て、さまざまな使用要件を満たすことができます。

さらに、焼入れにより一部の特殊鋼の特殊特性を得ることもできます。例えば、永久磁石鋼の強磁性を高めたり、ステンレス鋼の耐食性を改善したりできます。焼入れプロセスは主に鋼部品に使用されます。一般的な鋼を臨界温度以上まで加熱すると、室温での元の組織が完全またはほぼ完全にオーステナイトに変態します。その後、鋼を水や油に浸漬して急速冷却すると、オーステナイトがマルテンサイトに変態します。鋼のさまざまな組織の中で、マルテンサイトが最も高い硬度を持ちます。焼入れ時の急速冷却はワークピースに内部応力を生じさせ、これが一定程度まで大きくなるとワークピースが歪んだり、ひび割れたりします。したがって、適切な冷却方法を選択する必要があります。冷却方法により、焼入れプロセスは単液焼入れ、二液焼入れ、マルテンサイト段階焼入れ、ベイナイト等温焼入れに分けられます。

焼入れ方法

単液焼入れ

ワークピースを1つの媒質で冷却します。水焼入れ、油焼入れなど。利点は操作が簡単、機械化しやすく、広く適用されます。欠点は水中での焼入れ応力が大きく、ワークピースが変形・割れやすいこと；油中焼入れでは冷却速度が小さく、焼入れ径が小さく、大型ワークピースの焼き入れが困難です。

二液焼入れ

ワークピースを冷却能力の強い媒質で約300℃まで冷却し、次に冷却能力の弱い媒質で冷却します。水焼入れ→油焼入れなど。マルテンサイト変態時の内部応力とワークピースの変形・割れ傾向を効果的に減らせます。複雑な形状と不均一な断面を持つワークピースの焼入れに使用できます。二液焼入れの欠点は、二液転換のタイミングを習得するのが難しいことです。転換が早すぎると焼き入れ不足、遅すぎると割れやすくなります。この欠点を克服するために段階焼入れ法が開発されました。

段階焼入れ（マルテンサイト段階焼入れ）

ワークピースを低温塩浴またはアルカリ浴炉で焼入れします。塩浴またはアルカリ浴の温度はMs点付近です。ワークピースをこの温度で2〜5分保持し、その後取り出して空冷します。この冷却方法を段階焼入れと呼びます。段階冷却の目的は、ワークピース内外の温度をより均一にし、同時にマルテンサイト変態を行わせ、焼入れ応力を大幅に減らし、変形と割れを防止することです。段階温度は以前、Ms点よりわずかに高い点に設定されていました。内外温度が均一になった後、マルテンサイト帯に入ります。Ms点よりわずかに低い温度で段階するよう改良されました。実践ではMs点以下での段階の方が効果が良いことが示されています。例えば、高炭素鋼金型は160℃アルカリ浴で焼入れでき、変形が小さいため広く使用されています。

等温焼入れ（ベイナイト等温焼入れ）

ワークピースを等温塩浴で焼入れし、塩浴温度をベイナイト帯の下部（Ms点よりわずかに高い）に設定します。ワークピースを長時間等温保持し、ベイナイト変態が完了したら取り出して空冷します。等温焼入れは中炭素以上の鋼で下部ベイナイトを得て、強度、硬度、靭性、耐摩耗性を向上させるために使用されます。低炭素鋼では一般的に等温焼入れを採用しません。