焼入れ

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で急速に冷却することです。焼入れは熱処理の一種で、相転移などの望ましくない低温プロセスの発生を防ぎます。これは、これらの望ましくない反応が熱力学的に有利で、かつ運動学的に起こりやすい時間枠を減らすことによって行われます。たとえば、焼入れにより、金属材料とプラスチック材料の両方の結晶粒度を小さくし、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。マルテンサイト変態では、鋼を共析点、つまりオーステナイトが不安定になる温度まで急速に冷却する必要があります。急速冷却はセメンタイト構造の形成を防ぎ、代わりにフェライト格子内の炭素原子を強制的に溶解します。^[1]ニッケルやマンガンなどの金属と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、相変態に対する運動障壁は同じままです。これにより、より低い温度で焼入れを開始できるため、プロセスがはるかに簡単になります。高速度鋼にはタングステンも添加されており、これが運動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に材料特性（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と冷却するだけでも、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です。^[2]

極端に急速に冷却すると、すべての結晶構造の形成が妨げられ、非晶質金属または「金属ガラス」が生成されます。

焼入れ硬化は、鋼鉄や鋳鉄合金を強化して硬化させる機械的プロセスです。これらの金属は、鉄系金属と合金で構成されています。これは、材料に応じて、材料を特定の温度に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完全硬化のいずれかによって、より硬い材料が生成されます。その後、材料は焼戻しされ、焼入れ硬化プロセスによって増加する可能性のある脆さを軽減します。焼入れされる可能性のあるアイテムには、ギア、シャフト、摩耗ブロックなどがあります。

硬化前の鋳鋼と鉄は、均一で層状のパーライト結晶構造をしています。これは、鋼または鋳鉄を製造し、低速で冷却した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、多くの一般的な鋼合金の用途には理想的な材料ではありません。パーライトを共析遷移温度の 727 °C を超えて加熱し、その後急速に冷却すると、材料の結晶構造の一部がマルテンサイトと呼ばれる非常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持つ必要がある用途でよく使用されます。これは非常に効率的です。^{[なぜ? ]}

焼入れのプロセスは、サンプルの加熱から始まる連続したプロセスです。ほとんどの材料は、ワークピース全体の温度を均一に保つよう細心の注意を払いながら、815 ～ 900 °C (1,499 ～ 1,652 °F) に加熱されます。不均一な加熱や過熱を最小限に抑えることが、望ましい材料特性を与える鍵となります。

焼入れプロセスの 2 番目のステップは浸漬です。ワークピースは、空気 (空気炉)、液体浴、または真空に浸漬できます。塩浴または鉛浴での推奨時間配分は最大 6 分です。真空内では浸漬時間が少し長くなることがあります。加熱ステップと同様に、浸漬中はサンプル全体の温度が可能な限り均一であることが重要です。

ワークピースの浸漬が終了すると、冷却ステップに進みます。このステップでは、部品を何らかの焼入れ液に浸します。焼入れ液の種類によって、焼入れ部品の最終的な特性が大きく異なります。水は、最大の硬度が必要な場合に最も効率的な焼入れ媒体の 1 つですが、歪みや小さ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、その結果、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くなります。水と油の中間の速度は、目的に合わせて配合された焼入れ剤で実現できます。焼入れ剤は溶解度が逆であるため、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使用して行うこともできます。窒素は、通常、絶対圧 20 bar までの大気圧より高い圧力で使用されます。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。代わりにアルゴンを使用することもできますが、密度が高いため移動にかなり多くのエネルギーが必要であり、熱容量は他のガスよりも小さくなります。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から焼入れし、厚い部分を最初に浴槽に入れます。蒸気の泡を防ぐために浴槽を撹拌します。

多くの場合、焼入れ後、鉄または鋼合金はマルテンサイトが過剰に生成するため、過度に硬く脆くなります。このような場合、焼入れした材料に対して焼き戻しと呼ばれる別の熱処理技術を実行し、鉄ベースの合金の靭性を高めます。焼き戻しは通常、焼入れ後に過剰な硬度の一部を減らすために実行され、金属を臨界点より低い温度に一定時間加熱し、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: 金属上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、物体は蒸気に完全に囲まれ、残りの液体から遮断されます。

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、熱がより速く除去されます。

ステージC: 液体冷却

この段階は、物体の温度が液体の沸点を下回ったときに発生します。

鉄器時代中期にまで遡る鍛冶屋による焼入れプロセスの使用の証拠があるが、これらの技術の発達と初期の鍛冶屋が採用した手順に関する詳細な情報はほとんど存在しない。^[3]初期の鉄工は、冷却プロセス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付いたに違いなく、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することができるが、^[4]考古学的に焼入れの意図的な使用を特定することは困難である。さらに、少なくともヨーロッパでは、「焼入れと焼戻しが別々に一般的になったのは15世紀までではなかったようだ」ようである。鋼の「完全焼入れ」と「緩い焼入れ」を区別することは有益である。「完全焼入れ」で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が、焼入れが遅いか中断され、パーライトも形成され、結果として脆くない製品となる。^[5]

焼き入れ鋼の最も古い例は古代メソポタミアに由来すると考えられ、トルコのアルミナから紀元前4世紀の焼き入れ硬化ノミが比較的確実に発見されている。^[6]ホメロスの『オデュッセイア』第9巻389-94行目は、焼き入れに関する初期の、おそらく最初の書面による言及として広く引用されている。^{[3] [7]}

鍛冶屋が悲鳴をあげる大斧や手斧の刃を冷水に浸して焼き入れするのと同じように、鋼鉄はこのようにして強くなるのだが、まさにそのように、キュクロプスの目はオリーブの木の梁の周りで焼けるように熱くなった。

しかし、この一節が単なる冷却ではなく、意図的な焼入れ硬化について述べていることは疑いの余地がないわけではない。^{[8]同様に、}マハーバーラタが鉄の矢じりを油で焼入れすることを言及している可能性もあるが、その証拠には問題がある。^[9]

大プリニウスは焼入れ剤について論じ、異なる川の水を区別している。^[10] 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章では焼入れについて触れており、とりわけ「道具は普通の水よりも小さな赤毛の少年の尿でより強く焼き入れされる」ことを推奨している。^[3]焼入れに関する初期のより詳しい議論の1つは、1532年に出版された西洋初の冶金学に関する印刷本『Von Stahel und Eysen』であり、これは中世後期の技術論文の特徴である。

焼入れに関する近代科学的研究は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『博物学』の中で観察に基づいた議論が行われたことである。^[11]

• クエンチプレス
• 焼き入れ
• マルテンパー
• オーステンパリング
• 硬化（冶金）

無料辞書『ウィクショナリー』で「quenching」を調べてください。

• ウィキメディア・コモンズの焼入れに関連するメディア