焼入れ
焼入応力は焼入れにより内部に生じる応力の総称で、残留応力の一種。不均一な冷却に起因する熱応力と、変態の体積変化に起因する変態応力に分けられる。後述の焼割れなどの原因となり、引張の残留応力が残る場合は強度にも悪影響を及ぼす。
鋼に限らず、物体はその温度に従って熱膨張・熱収縮が発生する。この熱膨張・熱収縮が拘束される場合に物体内に生じる応力を熱応力と呼ぶ。傾向として、焼入れ後には、内部に引張の熱応力、表面側に圧縮の熱応力が発生する。これは表面で冷却が先行することに起因するもので、単純化すると具体的には次のような順序による。
表面側が先行して冷却し、収縮しようとする。中心部はまだ高温なので、収縮しようとはしない。
この体積変化の差により内部応力が発生するが、このとき中心部は高温なので、応力緩和が発生して次第に応力は0になる。
さらに冷却が進み、表面側は冷却が完了した状態、内部は冷却を継続して収縮しようとする状態になる。
この体積変化の差により内部応力が発生する。内部は収縮しようとしているのに固まった表面側により拘束されるので、内部に対しては引張応力が、表面側に対しては圧縮応力が残留する。
マルテンサイト変態により体積変化が発生する(後述の体積変化率なども参照)。このマルテンサイト変態が加工品の場所によって時間差を持って発生することに起因する応力を、変態応力と呼ぶ。熱応力ほど一概には言えないが、傾向として、焼入れ後には、内部に圧縮の変態応力、表面側に引張の変態応力が発生する。これも表面で冷却が先行することに起因するもので、単純化すると具体的には次のような順序による。
表面側が先行して冷却し、マルテンサイト変態が発生して膨張しようとする。中心部はまだ高温なので、マルテンサイト変態はまだ起こらない。
この体積変化の差により内部応力が発生するが、このとき中心部は高温なので、応力緩和が発生して次第に応力は0になる。
さらに冷却が進み、表面側は冷却が完了した状態、内部は冷却を継続してマルテンサイト変態が発生して膨張しようとする状態になる。
この体積変化の差により内部応力が発生する。内部は膨張しようとしているのに固まった表面側により拘束されるので、内部に対しては圧縮応力が、表面側に対しては引張応力が残留する。
実際の現象では、これら熱応力と変態応力が複雑にからみ合い、焼入応力が大きくなったり、小さくなったりする。焼入応力に影響を与える要因としては、冷却方法、加工品炭素量、加熱温度、加工品の大きさ、脱炭、偏析などがある。
マルテンサイト変態や冷却の不均一などを原因として、焼入れにより割れ(き裂)が発生する。焼入れにより発生する割れを分類すると、焼割れ、置割れ、研削割れの種類がある。加工品に割れが発生すると再生が利かずほとんどの場合使用不可になるので、致命的な焼入れ欠陥の一つである。
焼割れとは焼入れの過程で発生する割れのことで、焼入応力を主原因とする。焼入応力が加工品の引張強さを超えると割れが発生する。
焼割れ発生を防止するためには、
冷却を全体で均一になるように、加工品の形状を工夫する。穴が開いている加工品は肉厚が均等になるように穴位置を決める、形状の隅角部はなだらかにする、などである。
Ms点からはゆっくり全体で均一になるよう冷却を行う。そのための方法として、上記の二段焼入れや等温焼入れが有効である。
応力集中部となる、肌荒れや傷などの表面欠陥が無いようにする。
加工品の材質と冷却剤の組み合わせを最適にする。焼入れ性が高い材料を採用して、ゆっくり冷却しても焼きが入るようにする。
鍛造品などは十分な焼なましを事前に行う。
焼入れ温度を上げ過ぎないようにする。
などの対策が挙げられる。
焼入れ完了した加工品に常温放置中に生じる割れを置割れ、あるいは自然割れ、時効割れなどとも呼ぶ。特に、焼入れ後に焼戻ししないで加工品を放置すると発生しやすい。焼入れ後の組織には、マルテンサイトの他に残留オーステナイトも発生する。残留オーステナイトは常温でも時間経過によりマルテンサイトへ変化するので、その際の変態応力の発生で加工品の残留応力のバランスが崩れて割れに至る。これが置割れの原因である。
対策として、焼入れ後は間を置かずに焼戻しを実行して、材質を安定化させることが望ましい。必要に応じてサブゼロ処理も組み合わせる。
焼入れ完了した加工品に研削加工する際に発生する割れを、研削割れ、あるいは研磨割れと呼ぶ。研削時の加熱が研削割れの原因で、約100℃まで加工品表面が昇温することにより発生する第1種研削割れと約300℃まで昇温することにより発生する第2種研削割れがあり、第1種研削割れは研削方向に直角に割れが走り、第2種研削割れは研削方向に直角と平行に割れが走る特徴がある。これは、再加熱で100℃付近でε炭化物が析出し、300℃付近でセメンタイトが析出するのが原因で、組織変化により体積変化が起こり、置割れと同じように加工品の残留応力のバランスが崩れて割れに至る。研削中ではなく、研削終了後に発生する傾向を持つ。
第1種研削割れには100 - 120℃焼戻しが、第2種研削割れには300℃焼戻しが有効とされる。焼戻しを行わない場合は、できるだけ残留オーステナイトを少なくして、かつ研削による昇温を小さくする。
割れと同様にマルテンサイト変態や冷却の不均一などを原因として、焼入れ完了後に加工品の寸法変化や形状変化が発生する。このような寸法変化・形状変化を焼入変形、焼ひずみ、焼入れひずみなどと呼ぶ。形状を相似に保ったまま寸法が変化することを変寸、
曲がり変形やねじり変形のような形状の変化を変形と呼び分ける。特に、加工品が変形して反ってしまうことを焼曲りと呼ぶ。
変寸の原因は、焼入れによる組織変化によるもので、マルテンサイト変態による膨張、残留オーステナイト変態による収縮の合算の結果による。変寸はマルテンサイトの発生量に影響されるが、焼入れがマルテンサイト変態を利用して加工品を硬化させる方法である以上、変寸を避けることはできない。炭素量が多くなるほど膨張量は大きくなる。例として、炭素鋼の焼入れ焼戻しによる、それぞれの組織変化に従って発生する体積変化率を以下に示す。
曲がりなどの変形を起こす原因は、焼割れと同様、焼入れ応力が主原因である。時効変形、置狂いなどと呼ばれる、置割れと同じく残留オーステナイトを原因とした経年経過による変形もある。
変形を防止するための対策も焼割れ、置割れの場合とほぼ同じだが、他には、
機械加工などで塑性変形して残留ひずみが発生している場合、これに焼入れひずみが加わり、変形が大きくなる。このため焼入れ前に応力除去焼なましを行う。
加熱炉内で加工品が自重によって変形しないよう、加工品の支え方を工夫する。
組織の結晶粒が大きいと変形も大きくなる傾向がある。そのため結晶粒が粗大化している鍛造品などに対しては、焼入れ実施前に結晶粒を微細化する焼ならしを行うことで焼入れ後の変形を少なくできる。
などの対策が挙げられる。
変形が発生してしまった場合は、プレスなどで荷重をかけるなどして変形矯正する方法があり、ひずみ取りと呼ばれる。特に、焼曲りを矯正することを、曲がり取り、曲がり直しなどと呼ぶ。常温でプレスしても矯正できるが、使用中の温度上昇によって再び曲がりが発生したり、残留応力が発生して置狂いの原因になったりするので、ある程度加熱して温間矯正が望ましいとされる。あるいは、焼が入らない程度まで局所加熱を行い、変形と逆向きに熱ひずみを与えて矯正する方法もある。
焼入れ後の加工品で、部分的に柔らかく硬さが不均一な場合がある。このような不具合を焼むら、あるいは軟点と呼ぶ。部分的に焼きが十分入らなかったことが原因で、加熱不均一、冷却不均一、スケールの付着、脱炭層の存在などが部分的な不完全焼入れの原因である。
焼むらに対して、全体的に所定の硬さが得られないことを硬さ不足と呼ぶ。原因は焼むらとほぼ同じである。その他の原因としては、そもそもの材質の焼入れ性が冷却方法に対して十分でなく焼きが入らないことが挙げられる。
炭素を含む鉄は、炭素含有量により、0.02%以下のものが鉄(純鉄)、0.02 - 2%のものが鋼、2%以上のものが鋳鉄と分類される。焼入れは、一部鋳鉄に対しても行われるが、主に鋼に対して行われる。鋼は、炭素を主として含む炭素鋼と、性質改善のため炭素以外の元素も特別に加えられた合金鋼に分けられる。
炭素鋼のうち、炭素含有量が0.25%以下を低炭素鋼、0.25 - 0.6%を中炭素鋼、0.6%以上を高炭素鋼などと呼ぶ。焼入れの対象となるのは0.3%以上の中炭素鋼からで、低炭素鋼を焼入れする場合は浸炭焼入れの適用となる。
また、一般に炭素鋼は、炭素含有量0.6%以下のものを構造用鋼として、0.6%以上のものを工具鋼として使用される。日本では、構造用鋼は一般構造用と機械構造用に分けられ、日本工業規格(JIS)の一般構造用圧延鋼材と機械構造用炭素鋼鋼材がそれぞれに対応する。一般構造用圧延鋼材は特に熱処理せずにそのまま使用されることを前提としており、機械構造用炭素鋼鋼材は焼入れを含めた熱処理をされることを前提としている。
工具用鋼は、炭素含有量0.6 -1.5%の炭素工具鋼、炭素工具鋼に合金元素を加えた合金工具鋼、タングステンなどさらに多くの合金元素を加えた高速度鋼の大きく3つに分類される。工具鋼の場合は、高い硬さを利用するために、焼戻しする場合も組織はマルテンサイトのままにして利用される。また、変形や割れなどを避けるため、組織の炭化物が球状化した状態で焼入れする必要がある。そのため焼入れ前には球状化焼なましが行われる。
合金鋼は、合金元素の総量が5%以下のものを低合金鋼、5 - 10%のものを中合金鋼、10%以上のものを高合金鋼と呼ぶ。また、用途別に見ると、構造用合金鋼、合金工具鋼、特殊用途用合金鋼に大別される。焼きを深くまで入れたいときなどに焼入れ性の良い合金鋼が使用される。
前述の通り、A3線あるいはA1線から30 - 50℃高い温度を焼入れ温度とするのが普通だが、高合金鋼使用の場合はさらに高く焼入れ温度を設定する。これは、クロムやモリブデン、タングステン、バナジウムといった合金元素を十分にオーステナイトに固溶させるためで、このような高合金化したオーステナイトの焼入れ焼戻しにより、耐熱性の高く硬い組織が得られる。高速度鋼などでは鋼の溶融温度に近いような1200 - 1300℃を焼入れ温度にする。
鋳鉄は、熱処理せずにそのまま使用するか、応力除去焼なましをして使用する場合が多い。ただし、球状黒鉛鋳鉄のFCD450にオーステンパ処理したものは良好な機械的性質が得られる。オーステンパ処理した球状黒鉛鋳鉄をオーステンパ球状黒鉛鋳鉄と呼び、JISでも規定されている。普通焼入れや表面焼入れなども限定された用途だが適用される。また、鋼を鋳物とした鋳鋼では、内部応力の除去や組織の微細化などの前処理が必要だが、基本的には一般的な鋼材と同様に熱処理がされ、合金鋼鋳鋼などは調質して使用される。
耐摩耗性が要求される軸受や工具、強度と靱性の両立が要求される機械構造用部品や搬送用部品などに焼入れが適用される。実際の製品の例として、以下のような部品や製品で焼入れ処理が施されている。
自動車のエンジン、パワーステアリング、トランスミッションの部品
農業機械の刈刃、
スパナ、ドライバーなどの手工具
エンドミル、ドリル、バイトなどの切削工具
経済規模は、日本金属熱処理工業会の統計によると、2013年の焼入焼戻しの年間加工金額総計は約280億円で、2010年から2013年までの金額の推移をみると、約250億円から約280億円の間で推移している。
焼入れした刃(は)を「焼き刃(やきば)」と呼ぶ。この「焼き刃」から転じて「刃(やいば)」と呼ぶ。
俗語として、人に制裁を加える、日焼けをすることなどの意味で「焼きを入れる」と言う。
アジアでは、中国の戦国時代中期から焼入れの技術が確認される(渡邉義浩『春秋戦国』洋泉社、2018年、p. 97)。