焼入れ
このような、何らかの原因によりマルテンサイトのみの組織が得られなかった焼入れを不完全焼入れ、甘焼きと呼ぶ。これに対して、100%マルテンサイト組織が得られた焼入れを完全焼入れと呼ぶ。ただし、100%のマルテンサイトを得ることは現実的には困難なので、およそ90%程度で実用上は完全焼入れと見なされる。逆に焼入れ温度が高過ぎると、結晶粒が粗大化して焼入れ後の機械的性質が劣るようになる。また、後述の焼割れや変形の原因にもなる。
過共析鋼の場合、A1線を超えて Acm線以上まで加熱すれば全ての組織がオーステナイト化されるが、この温度から焼入れしても焼割れや残留オーステナイトの増加などが発生して上手く焼入れできない。これは鉄中への炭素の固溶濃度が大きくなり過ぎることが原因で、このため焼入れ温度を A1線直上に設定するのが一般である。ただし、後述の通り高合金鋼使用の場合は、Acm線以上で焼入れ温度を設定する場合もある。
通常、空冷は焼ならしに使用される。冷却速度が遅いので普通は焼入れには使用しないが、冷間加工用工具鋼は、焼入れ性が大きいこともあり、変形を嫌う場合は空冷で焼入れする場合もある。
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。
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°C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°C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。
鋼の組織がオーステナイトになるまで加工物を炉などで加熱する。熱処理用の炉の種類には、熱源の種類別に、電気炉、重油炉、ガス炉、塩浴炉などがある。加熱前の前処理として、焼入れ不良の原因となるため、加工品に汚れや錆がある場合は洗浄やショットブラストで取り除く。
加熱は、一般に、亜共析鋼ではA3線から30 - 50°C高い温度まで昇温させ、共析鋼・過共析鋼ではA1線から30 - 50°C高い温度まで昇温させて、温度を保持する。前述の通り、A3線・A1線を超えるとオーステナイト化されるが、それよりも30 - 50°C高く設定する理由は十分均一なオーステナイトを得る確実性を上げるためである。このような焼入れのための最高加熱温度を焼入れ温度あるいはオーステナイト化温度と呼ぶ。上記の一般的な焼入れ温度は、焼なましの一種である完全焼なましとほぼ同じ加熱温度でもある。
亜共析鋼の場合、もし焼入れ温度がA3線より低い場合は、A3線以下ではフェライトが既に析出しているので、焼入れ後組織にもフェライトが含まれるようになり十分な硬度が得られない。