焼入れ
オースフォーミング(ausforming)は、塑性加工と熱処理を組み合わせた加工熱処理(thermo-mechanical treatment:TMT)の一種。焼入れ温度からの急冷途中に鋼の再結晶温度以下Ms点以上の温度で停止させ、準安定オーステナイト領域で圧延、鍛造、押出しなどの塑性加工を加えて、再冷却して焼入れを完了させる方法である。通常、オースフォーミング後は焼戻しも必要とされる。オースフォーミング後の機械的性質は、強度向上が大きく、靱性はほとんど低下しないという長所を持つ。
焼入れは、一般的に加工品の加熱、温度保持、冷却という順序で行われ、冷却途中でマルテンサイト変態が発生する。また、通常は焼入れ後に焼戻しを行う。以下に順を追って説明する。
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。
水による冷却は、冷却剤の中でも冷却速度が大きく、コストが安く、どこでも手に入りやすいという利点がある。しかし、Ms点を過ぎた危険区域温度でも急冷してしまうので、焼割れや変形の不具合の可能性が高い。
水温が30°Cを超えると冷却能が大きく低下するので、30°C以下に保った使用が推奨される。冷た過ぎても冷却効果が悪くなるので、焼入れを開始するときの水温は、15°C程度が適当とされる。約60°Cくらいでは油と同程度の冷却速度となるので、油焼入れの代わりに使用される場合もある。
等温焼入れを利用したものや表面相のみ焼入れするものなど、特別な名称が与えられたような焼入れの種類を以下に説明する。
焼入れ(やきいれ、英語: quenching)とは、金属を所定の高温状態から急冷させる熱処理である。焼き入れとも表記する。
広義には、金属全般を所定の高温状態から急冷させる操作を行う処理を指し、狭義には、鉄鋼材料(特に鋼)を金属組織がオーステナイト組織になるまで加熱した後、急冷してマルテンサイト組織を得る熱処理を指す。本記事では、狭義の方の鋼の焼入れについて主に説明する。
焼入れを行うことにより、鉄鋼材を硬くして、耐摩耗性や引張強さ、疲労強度などの強度を向上させることができる。焼入れ性がよい材料ほど、材料内部深くまで焼きを入れる(マルテンサイト化させる)ことができる。焼入れしたままでは硬いが脆くなるため、靭性を回復させて粘り強い材料にするために焼戻しを焼入れ後に行うのが一般的である。焼入れ処理にともなって割れやひずみなどの欠陥が起きる可能性があり、冷却方法などに工夫が行われる。
硬さ以外の機械的性質としては、引張強さ、降伏比(降伏点/引張強さの比)も焼入れにより向上する。しかし、硬いが非常に脆い性質になっており、また、後述の焼入れ応力により強度に悪影響を及ぼす残留応力も発生している。この残留応力は耐摩耗性にも悪影響し、焼入れし放しのものは硬さの割に摩耗に弱くなる。
低炭素構造用鋼による結果を例として、熱処理の種類による機械的性質の違いを以下に示す。
焼入れ後の最高硬さは、ほぼ炭素含有量によって決定され、他の合金元素の影響は少ない。概算式として、マルテンサイトの含有率に応じた硬さの計算式を示す。
90%マルテンサイト焼入れ硬さ
H R C = 30 + 50 C {\displaystyle HRC=30+50C}
50%マルテンサイト焼入れ硬さ
H R C = 20 + 50 C {\displaystyle HRC=20+50C}
微細パーライト焼入れ硬さ(0%マルテンサイト)
H R C = 10 + 50 C {\displaystyle HRC=10+50C}
ここで、HRC はロックウェル硬さ、C は炭素質量パーセント濃度 (%) である。ただし、炭素量がある程度以上になると硬さの上昇は飽和して変化しなくなり、上記の概算式は成立しなくなる。炭素量が約0.6%を超えると焼入れ硬さが大体一定となる。
最高硬さは炭素含有量によって決まるが、どれだけ加工品の内部深くまで硬くなるかは加工品材料の焼入れ性によって大きく影響され、炭素以外のモリブデンなどの合金元素の影響もある。