焼入れ
加熱保持後に冷却するために冷却剤が必要になる。焼入れに用いられる冷却剤としては、
水
油
水溶液
塩浴
加圧ガス
空気
などがある。慣習として、使用する冷却剤の名前を冠して○○焼入れなどと呼ぶ。例えば水中で冷却する焼入れは水焼入れ、油中で冷却する焼入れは油焼入れなどと呼ぶ。また、冷却液に浸漬させて焼入れする方法をズブ焼入れ、冷却液を吹きつけて焼入れする方法をスプレー焼入れ、噴射焼入れ、霧状の冷却液中で行う焼入れを噴霧焼入れなどと呼ぶ。
冷却剤の種類の他に、流体の場合は撹拌の程度が冷却の強さに大きく影響する。これは、加工品を水や油の冷却液につけると、すぐに加工品表面に蒸気膜が発生・覆い、冷却がゆるやかとなるためである。一般に、実際に冷却剤を使用する上で必要な管理項目は、温度、撹拌、異物混入防止、冷却剤の品質・寿命が挙げられる。
冷却剤の冷却の強さを表す指標を冷却能と呼び、次式で示すH値が使用される。
H = α 2 λ {\displaystyle H={\frac {\alpha }{2\lambda }}}
ここで、α は加工品から冷却剤への熱伝達率、λ は熱伝導率である。H は (m) の単位を持つ。
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。
合金鋼の場合で、横軸:炭素濃度、縦軸:温度の状態図で比較すると、合金元素の総量が5%以下の低合金鋼では鉄-炭素二元合金とほぼ同形だが、総量10%以上の高合金鋼になると大きく異なってくる。以下では簡単のために鉄-炭素系二元合金平衡状態図を用いて鋼の相変化を説明する。
純鉄と呼ばれる炭素質量パーセント濃度が0.022%以下の領域を除いて、鉄-炭素系二元合金平衡状態図を見ていく(右図を参照)。室温では、鋼の相はフェライト相およびセメンタイトで構成される。詳しく見ると、炭素濃度0.77%未満ではフェライト+パーライトで、0.77%丁度ではパーライトのみで、0.77%超過ではパーライト+セメンタイトで構成される。この0.77%の点を共析点と呼び、共析点未満の炭素濃度の鋼を亜共析鋼、共析点丁度を共析鋼、共析点超過を過共析鋼と呼ぶ。硬さに注目すると、フェライトは軟らかく粘りのある組織で、パーライトも比較的柔らかい組織で、セメンタイトは非常に硬いが脆い組織となっている。
高温域を見ていくと、A1線と呼ばれる727°Cの温度を超えた領域では、亜共析鋼はフェライト+オーステナイトに、共析鋼はオーステナイトのみに、過共析鋼はオーステナイト+セメンタイトになる。
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°C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°C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°C付近でε炭化物が析出し、300°C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°C焼戻しが、第2種研削割れには300°C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。
共析鋼の場合で、Ms点は約260°C程度となる。
Ms点が高くなるとMf点も高くなり、低くなる場合も同様に低くなる傾向を持つ。炭素鋼の場合で、Ms点からMf点までは200 - 300°C程度の温度幅である。上式にも示されるように炭素濃度が上がるとMs点は低くなるので、高炭素鋼の場合はMf点は室温よりも低くなる。そのため、室温まで冷却が完了してもオーステナイトが変態しきれず、焼入れ後組織中に残留オーステナイトとして残ることになる。残留オーステナイトは放置しておくと、室温でも時間が経過するに連れて自然にマルテンサイト変態を起こす。このマルテンサイト変態による体積膨張で、最終製品の寸法変化が生じてしまう。これを避けるために、高炭素鋼を用いた製品、特に寸法の経年変化を嫌う精密部品では、焼入れ後直ちに0°C以下に冷却するサブゼロ処理を実施して、残留オーステナイトをマルテンサイト化させる。
Ms点以下になるとマルテンサイトが発生し始めるが、オーステナイトからマルテンサイトへ変態すると大きな体積膨張が起こる。Ms点以下になるとき、温度が不均一だと、上記の膨張発生と冷却による体積縮小の部分的ばらつきにより内部応力が発生して、内部応力が引張強さを超えると割れが発生する。そのためMs点以下の温度域を危険区域と呼び、ゆっくり均一に冷やすことが良いとされる。このため、上記で説明した二段焼入れや等温焼入れなどの手法がある。