焼入れ
物質は、組成、温度、圧力の条件により、液体や固体などに代表される相と呼ばれる物質の形態が変化する。組成、温度、圧力などを縦軸や横軸として変化させて、どの相が存在するか示した図を状態図、平衡状態図、あるいは相図と呼ぶ。合金の場合は、圧力一定として温度変化と組成変化で状態図を示す場合が一般である。また、合金の場合は、固体として存在する間でも種々の相に変化するのが特徴である。このような相の変化を変態と呼ぶ。
ある1つの金属元素に別の1つの元素を加えたものを二元合金と呼ぶ。鉄と炭素から成る二元合金について、横軸に炭素の質量パーセント濃度、縦軸に温度を取り、相の変化を示した図を鉄-炭素系二元合金平衡状態図、あるいは鉄-炭素系平衡状態図などと呼ぶ。ここで「平衡」とは、非常にゆっくり冷却・加熱したときの変化を表している。鉄-炭素系二元合金平衡状態図は純鉄と純炭素のみを原料とした合金に基づくものであるが、一般的な鋼は、不純物として、あるいは性質改善のために、炭素以外の成分も含んでおり、これらの他の成分により状態図が多少変化するので注意が必要である。
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)。
表面相だけを焼入れして内部は軟らかいままにしておく焼入れが表面焼入れで、使用する熱源別に、高周波焼入れ、炎焼入れ、レーザー焼入れ、電子ビーム焼入れなどがある。鋼表面の化学成分を変化させる方法を合わせたものとしては、浸炭焼入れ、浸炭窒化焼入れなどもある。
加工品全体ではなく表面の硬化を狙った熱処理を表面硬化処理(surface hardening treatment)と呼ぶ。表面硬化処理には、鋼表面の化学成分を変化させる化学的表面硬化法と、化学成分を特に変化させずに行う物理的表面硬化法がある。浸炭焼入れ、浸炭窒化焼入れが化学的表面硬化法に相当し、表面焼入れは物理的表面硬化法に相当する。
上記で説明したような理想的な冷やし方を実現するため、冷却剤と加工品の温度が平衡になるまで放置せず、降温途中のMs点前で、水冷などの急冷から空冷などのゆっくりとした冷却に切り替える方法が取られる。このような冷却を二段冷却などと呼び、焼入れを二段焼入れ、あるいは引上げ焼入れ、中断焼入れ、階段焼入れ、などと呼ぶ。また、二段焼入れを、水や油などの冷却剤へ漬けた瞬間からの時間を数えて引き上げる方法で実現する方法を、時間焼入れと呼ぶ。時間焼入れの場合の目安としては、水焼入れは肉厚3mm当たり1秒、油焼入れは同肉厚当たり3秒で引き上げるのが良いとされる。時間に拠らない場合の目安としては、加工品の振動や水鳴が止んだときに引き上げるのが良いとされる。ただし冷却時間を誤ると、極端に短いときは全く焼きが入らない、短いときは表面は焼きが入るが中心部との温度差で中間部が変態膨張して後述の焼割れが起こる、長すぎると危険区域を通過して同じく焼割れが起こるなどの難しさがある。
二段焼入れに対して、Ms点を通過して常温まで冷却する方法を連続冷却と呼び、焼入れを普通焼入れと呼ぶ。また、冷却の途中で一定時間等温に保ち、その後また冷却する方法を等温冷却と呼び、焼入れを等温焼入れ、恒温焼入れなどと呼び、後述のマルテンパやオーステンパなどで利用される。