焼入れ
加工品の加熱・保持後に冷却を行う。焼入れに必要な冷却速度は大体160°C/秒以上とされる。冷却速度を下げていくと、マルテンサイト変態の前にパーライト変態、ベイナイト変態、フェライト変態が発生するようになり、冷却後の組織にマルテンサイト以外の組織が混入し始める。この他の組織が発生するようになる限界の冷却速度を上部臨界冷却速度、あるいは単に臨界冷却速度と呼び、完全焼入れになる限界速度でもある。上部臨界冷却速度からさらに冷却速度を下げていくと、他の変態が多くなりマルテンサイト変態の比率が下がっていき、遂にはマルテンサイト変態が発生しなくなる。この限界の冷却速度を下部臨界冷却速度と呼び、不完全焼入れになる下限速度となる。さらに冷却速度を遅くすると(亜共析鋼の場合は)焼ならしに、もっと遅くすると完全焼なましに該当するような熱処理操作となる。
このような冷却速度と変態の関係を、亜共析鋼を例にしてCCT図(連続冷却変態曲線)で見ていくと 、上部臨界冷却速度でパーライト変態開始線にかかり出す。上部臨界冷却速度と下部臨界冷却速度の間では、100%パーライト変態する前にパーライト変態領域を抜けて残りはマルテンサイト変態領域に入る。
下部臨界冷却速度で100%パーライト変態線にかかり出し、これ以上になると全てパーライト変態となる。
また、降温中の焼入れ温度から約550°Cまでの範囲を臨界区域と呼ぶ。これはTTT図(恒温変態曲線)で見ると、オーステナイトからパーライトあるいはベイナイトへの変態開始曲線の左に張り出した鼻のような部分がこの約550°Cに相当する。この鼻の部分を通り過ぎるときに、パーライトあるいはベイナイトへの変態が起きやすい。急冷させて鼻の部分を避けるところまで降温させれば、変態開始曲線はC形になっているためベイナイトへの変態開始点は長時間側へ逃げていき、冷却速度を落とせる余裕が生まれる。つまり、臨界区域を抜ける温度まで、できるだけ早く冷却することが完全焼入れを行うために重要となる。
一般的に理想的な冷却の仕方は、焼入れ温度から臨界区域を過ぎて後述のマルテンサイト変態開始温度(Ms点)手前まで出来るだけ早く均一に冷やし、Ms点以下の危険区域はゆっくり冷やすとされる。焼入れ温度からMs点までの急冷は、上記のようなマルテンサイト変態以外が発生する不完全焼入れを避けるためで、Ms点に到達した後は急冷の必要は無くなり、後述の焼割れや変形などの欠陥を避けるため冷却速度をゆっくりにする。
焼入れ完了後に、加工品に割れや変形、硬さ不足などの不具合が発生する場合がある。割れ、変形の原因となる焼入応力と合わせて以下に説明する。
水溶性の物質を水に溶かして冷却剤として使用するもの。苛性ソーダ、炭酸ソーダ、食塩などは、蒸気幕が発生している時間を短縮できるので水の冷却能を高めることができる。
近年では、ポリマーを利用したポリマー焼入液が実用化されている。ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、ポリアクリル酸ナトリウム、ポリアルキレングリコールなどを利用したものがある。液濃度に応じて冷却能が変わり、高濃度では油寄り、低濃度では水寄りになる。油のように危険区域での冷却速度を落とすことができ、水のように火災の恐れが無いという利点がある。