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材料科学において、焼入れとは、特定の材料特性を得るために、加工物を水、ガス、油、ポリマー、空気、またはその他の流体中で急速に冷却する処理のことです。熱処理の一種である焼入れは、相転移などの望ましくない低温プロセスが発生するのを防ぎます。これは、これらの望ましくない反応が熱力学的に有利かつ速度論的に起こりやすい時間範囲を短縮することによって実現されます。例えば、焼入れは金属材料とプラスチック材料の両方の結晶粒径を小さくし、硬度を高めることができます。
冶金学では、焼入れはマルテンサイト変態を誘発して鋼を硬化させる ために最も一般的に使用されます。この場合、鋼は共析点、つまりオーステナイトが不安定になる温度を超えて急速に冷却する必要があります。急速冷却によりセメンタイト構造の形成が防止され、代わりにフェライト格子中の炭素原子が強制的に溶解されます。[ 1 ] [ 2 ]ニッケルやマンガンなどの金属で合金化された鋼では、共析温度ははるかに低くなりますが、相変態の速度論的障壁は同じままです。これにより、焼入れをより低い温度で開始できるため、プロセスがはるかに容易になります。高速度鋼にはタングステンも添加されており、これは速度論的障壁を高める役割を果たし、他の効果の中でも、ワークピースが実際よりも急速に冷却されたかのような材料特性（硬度と耐摩耗性）を与えます。このような合金を空気中でゆっくり冷却するだけでも、焼入れの望ましい効果のほとんどが得られます。高速度鋼は、高速切削による熱サイクルによる弱化がはるかに少ない。[ 3 ]
極めて急速な冷却は、あらゆる結晶構造の形成を阻害し、結果として非晶質金属、すなわち「金属ガラス」を生み出す可能性がある。
焼入れ硬化は、鋼や鋳鉄合金を強化し硬化させる機械的プロセスです。これらの金属は鉄系金属および合金から構成されます。このプロセスは、材料の種類に応じて一定の温度まで加熱することによって行われます。これにより、材料の冷却速度に応じて、表面硬化または内部硬化のいずれかによって、より硬い材料が得られます。その後、焼入れ硬化プロセスによって増加する可能性のある脆性を低減するために、材料はしばしば焼き戻しされます。焼入れの対象となるものには、歯車、シャフト、摩耗ブロックなどがあります。
焼入れ前の鋳鋼や鋳鉄は、均一で層状のパーライト粒構造をしています。これは、鋼や鋳鉄が製造され、ゆっくりと冷却されるときに形成されるフェライトとセメンタイトの混合物です。パーライトは非常に柔らかいため、鋼合金の多くの一般的な用途には理想的な材料ではありません。パーライトを共析転移温度である727 ℃以上に加熱し、その後急速に冷却することで、材料の結晶構造の一部がマルテンサイトと呼ばれるはるかに硬い構造に変化します。このマルテンサイト構造を持つ鋼は、刃の刃先など、ワークピースが変形に対して高い耐性を必要とする用途によく使用されます。これは非常に効率的です。
焼入れ工程は、試料の加熱から始まる一連のプロセスです。ほとんどの材料は815～900 ℃（1,499～1,652 °F）まで加熱されますが、ワークピース全体の温度を均一に保つよう細心の注意が払われます。加熱ムラや過熱を最小限に抑えることが、望ましい材料特性を得るための鍵となります。
焼入れ工程の2番目のステップは、保持です。ワークピースは、空気（空気炉）、液体浴、または真空中で保持できます。塩浴または鉛浴での推奨保持時間は最大6分です。真空中では、保持時間はもう少し長くなる場合があります。加熱工程と同様に、保持中はサンプル全体の温度が可能な限り均一に保たれることが重要です。
ワークピースの浸漬が完了すると、冷却工程に移ります。この工程では、ワークピースは何らかの焼入れ液に浸されます。焼入れ液の種類によって、焼入れ後のワークピースの最終的な特性が大きく変わることがあります。水は、最大の硬度が求められる場合に最も効率的な焼入れ媒体の一つですが、歪みや微細な亀裂が生じる可能性がわずかにあります。硬度を犠牲にできる場合は、鉱物油がよく使用されます。これらの油性流体は、焼入れ中に酸化してスラッジを形成することが多く、結果としてプロセスの効率が低下します。油の冷却速度は水よりもはるかに遅いです。水と油の中間の速度は、専用の焼入れ剤を使用することで得られます。この焼入れ剤は、逆溶解性を持つ物質で、対象物に付着して冷却速度を遅くします。
焼入れは、窒素や希ガスなどの不活性ガスを用いて行うこともできます。窒素は一般的に大気圧よりも高い圧力、最大20バール絶対圧で使用されます。ヘリウムも窒素よりも熱容量が大きいため使用されます。アルゴンも使用できますが、密度が高いため移動させるのにかなりのエネルギーが必要となり、熱容量も他のガスより小さくなります。ワークピースの歪みを最小限に抑えるため、長い円筒形のワークピースは垂直に焼入れし、平らなワークピースは端面から焼入れし、厚みのある部分は最初に浴槽に入れます。蒸気泡の発生を防ぐため、浴槽は攪拌されます。
鉄や鋼の合金は、焼入れ後、マルテンサイトが過剰に生成されるため、過度に硬く脆くなることがよくあります。このような場合、焼入れした材料に焼き戻しと呼ばれる別の熱処理を施し、鉄系合金の靭性を向上させます。焼き戻しは通常、焼入れ後に行われ、過剰な硬度を低減するために、金属を臨界点以下の温度で一定時間加熱し、その後静止空気中で冷却することによって行われます。
熱は3つの特定の段階で除去されます。
ステージA：金属表面に蒸気泡が形成され、冷却が始まる
この段階では、ライデンフロスト効果により、物体は完全に蒸気に囲まれ、液体の残りの部分から隔離されます。
ステージB：蒸気輸送冷却
温度が十分に下がると、蒸気層が不安定になり、液体が物体に完全に接触できるようになり、熱がより速やかに除去される。
ステージC：液冷
この段階は、物体の温度が液体の沸点よりも低い場合に発生します。
鉄器時代の中期まで遡る鍛冶屋による焼入れ工程の使用の証拠は存在するが、これらの技術の発展や初期の鍛冶屋が用いた手順に関する詳細な情報はほとんどない。[ 4 ]初期の鉄工職人は、冷却工程が鉄の強度と脆さに影響を与える可能性があることにすぐに気づいたに違いなく、鋼の熱処理は紀元前2千年紀後半から旧世界で知られていたと主張できるが、[ 5 ]考古学的に意図的な焼入れの使用を特定することは難しい。さらに、少なくともヨーロッパでは、「焼入れと焼き戻しを別々に行うことが一般的になったのは15世紀になってからと思われる」。鋼の「完全焼入れ」は、焼入れが非常に速く、マルテンサイトのみが形成されるのに対し、「緩い焼入れ」は、焼入れが遅いか中断されるため、パーライトも形成され、脆さの少ない製品になる。[ 6 ]
焼き入れ鋼の最古の例は古代メソポタミアに由来する可能性があり、トルコのアル・ミナで発見された紀元前4世紀の焼き入れ硬化鑿は比較的確実な例である。[ 7 ]ホメロスの『オデュッセイア』第9巻389-394行は、焼き入れに関する初期の、おそらく最初の記述として広く引用されている。[ 4 ] [ 8 ]
鍛冶屋が、鋼鉄を強くするために、轟音を立てる巨大な斧の刃や手斧を冷水に浸して焼き入れをするように、キュクロプスの目もオリーブの木の光線の周りでギラギラと光った。
しかし、この記述が単なる冷却ではなく、意図的な焼き入れ硬化について述べていることは疑いの余地がない。[ 9 ]同様に、マハーバーラタが鉄の矢じりの油焼き入れについて言及している可能性もあるが、証拠は問題が多い。[ 10 ]
大プリニウスは、さまざまな川の水を区別して、焼き入れ剤の話題を取り上げました。[ 11 ] 12世紀のテオフィロス・プレスビテルの『De diversis artis』の第18章から第21章では焼き入れについて言及し、とりわけ「道具は普通の水よりも、赤毛の小さな男の子の尿でより硬く焼き入れされる」ことを推奨しています。[ 4 ]焼き入れに関する初期の詳細な議論の1つは、1532年に出版された西洋初の冶金に関する印刷本である『Von Stahel und Eysen』であり、これは中世後期の技術論文の特徴を示しています。
消光に関する近代的な科学的研究は17世紀から本格的に進展し始め、その大きな一歩はジャンバッティスタ・デッラ・ポルタが1558年に著した『Magia Naturalis』における観察に基づく議論であった。[ 12 ]
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