焼入れ
素早い冷却により、ある程度まで冷却が進むとマルテンサイト変態が開始する。冷却中のマルテンサイト変態開始温度をMs点、マルテンサイト変態終了温度をMf点と呼ぶ。Ms点とMf点の間では、時間によらず瞬間的にマルテンサイト変態が発生するが、冷却が進むことがマルテンサイト変態が進む条件となる。つまり、Ms点を通過しても冷却を一端停止させると変態の進行も停止する。
Ms点は鋼の化学成分とオーステナイト化温度によって決まる。化学成分量から、鋼のMs点を予測する実験式は数多く提案されている。以下に例を示す。
Ms = 538 − 317 × C − 33 × Mn − 28 × Cr − 17 × Ni − 11 × Mo − 11 × W − 11 × Si
Ms = 550 − 350 × C − 40 × Mn − 20 × Cr − 17 × Ni − 10 × Mo − 5 × W − 10 × Cu − 35 × V + 15 × Co + 30 × Al
Ms = 521 − 353 × C − 24 × Mn − 18 × Cr − 17 × Ni − 26 × Mo − 22 × Si − 8 × Cu
ここで各記号は、Ms はMs点温度 (°C)で、C, Mn, V, Cr, Ni, Cu, Mo, W, Co, Al, Si は各元素の質量パーセント濃度 (%) である。
焼入れにより鋼の硬さを増大させることができるが、靭性が低下して非常に脆い状態となる。このため、粘り強さを得るために、焼入れ後には焼戻しを行うのが一般的である。焼入れと焼戻しの一連の熱処理をまとめて焼入焼戻しと呼び、特に、約400°C以上の高温焼戻しでトルースタイトかソルバイト組織を得る焼入焼戻しは調質と呼ばれる。
焼戻しの種類にもよるが、焼戻しによりシャルピー衝撃値などの靱性や伸び・絞りなどの延性は回復するが、硬さや引張強さはある程度低下してしまう。そのため、不完全焼入れにより焼入れ硬さが低いものも、完全焼入れにより焼入れ硬さが高いものも、焼戻し条件を調整すれば、焼戻し後の硬さ及び引張強さを同じにすることができる。しかし、例え焼戻し後硬さが同じだったとしても、降伏点、伸び、絞り、衝撃値、疲労限度の値は完全焼入れされたものの方が良好である。よって、完全焼入れを狙った上で、所定の硬さに焼戻しで調整するのが理想とされる。
この温度では亜共析鋼にはまだフェライトが存在するが、さらに温度を上げてA3線と呼ばれる温度を超えると亜共析鋼もオーステナイトのみの相となる。オーステナイトもフェライトに似て軟らかく粘りのある組織であるが、炭素固溶領域が大きい特徴を持つ。
オーステナイトあるいはオーステナイト+セメンタイトの高温状態から、逆に冷却していくとする。ゆっくり平衡的に冷やしていくと上記で説明した順序を逆にたどって変態が起こるだけだが、冷却速度を上げて冷やすと、パーライトやフェライトに変態する時間が足りず、マルテンサイトと呼ばれる平衡状態図には示されない相が現れる。この変態をマルテンサイト変態と呼ぶ。マルテンサイト組織は、α鉄が過剰に炭素を強制固溶した組織で、非常に硬い性質を持つ。このように、急冷によるマルテンサイト変態を起こして鋼を硬くさせる操作が、一般的な鋼の焼入れである。
日本刀の焼入れなど、焼入れは古来から経験的な鍛冶職人の技術として存在していたが、1888年、ロシアの冶金学者ドミートリー・コンスタンチノヴィッチ・チェルノフ(Dmitry Chernov)により、焼入れが起こる具体的な加熱・冷却条件が発表され、これが鋼の焼入れ、及び熱処理の理論的な嚆矢とされる。
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。
マルテンパ(martemper)は、等温焼入れの一種で、焼入れ温度からの急冷途中にMs点・Mf点間の100 - 200°Cの温度で停止させ、等温変態が完了するまでそのまま温度保持し、再び空冷などのゆっくりとした冷却に切り替えて焼入れを完了させる方法である。得られる組織は、焼戻しマルテンサイトと呼ばれる組織と後述の下部ベイナイトの混合組織で、硬くて靱性がある。マルクエンチ以上にひずみ、焼割れの危険性が小さくなる。
一方で、等温変態が完了するまでの時間がかかり過ぎるという欠点がある。オーダーとして時間 (h) 単位でかかる場合もある。そのため、マルクエンチの方が多用され、等温変態が完了する前に再冷却を開始する方法もある。マルクエンチと同じく熱浴を利用して行われるが、停止温度が低い分油浴が利用しやすい。
前述のマルクエンチと特に呼び分けしない場合も多い。または、上記の等温変態が完了する前に再冷却を開始する方法をマルテンパと呼ぶ場合もある。
焼割れや変形を避けるためにも、加工品全体が均一に降温するように冷却するのが理想的である。そのためには冷却速度を落とすことが1つの方策だが、その他に降温を不均一にする要因としては加工品形状やサイズの影響が大きい。
一般に、表面が最も冷却が早く、内部深くなるに連れて冷却が遅くなる。そのため、表面は100%マルテンサイトが得られるような冷却であっても、中心部ではパーライトしか得られないような冷却速度まで低下してしまうことがある。このように、内部深くになるほど焼きが入りにくくなるので、加工品のサイズが大きくなるほど焼きが入らない領域が大きくなる。また、内部の冷却が遅くなることに起因して、内部だけでなく、表面側も冷却速度が低下して焼きが不十分となることもある。このような加工品の大きさ(=質量)が大きくなるほど焼きが入りづらくなる現象を、質量効果と呼ぶ。焼入れ性が良い材料では深くまで焼きが入りやすいので質量効果を小さくできる。
大きさの他、加工品の形状(形)によって冷却速度は異なる。同じ条件で冷却しても、形状が球、丸棒、平材の違いによる冷却速度比は、大まかに以下のように異なる。
球:丸棒:平材 = 4:3:2
これを形状効果などと呼ぶ。
また、同じ加工品内でも局所的な形状の違いによって冷却速度が異なる。特に、凸部が冷却が早く、凹部が冷却が遅い。これを隅角効果などと呼ぶ。それぞれの冷却速度比は大まかに以下のようになる。
3面角:2面角:平面:凹面角 = 7:3:1:1/3