クエンチングの基本：知っておくべきこと

クエンチングとは何か？

焼入れは、金属や合金の機械的特性を向上させるために、冶金学や材料科学で広く使用されている重要な熱処理プロセスです。鋼の場合、焼入れは正確に制御された熱サイクルを伴います：

1. 加熱：鋼は臨界点以上の温度、具体的にはAc3（低共析鋼の場合）またはAc1（高共析鋼の場合）以上の温度に加熱される。この温度は、鋼の成分にもよるが、通常815℃から870℃（1500°Fから1600°F）の範囲である。
2. オーステナイト化：鋼材を所定の時間この高温に保ち、オーステナイト組織への完全または部分的変態を可能にする。この時間は鋼種、断面厚さ、要求される特性などによって異なる。
3. 急速冷却：鋼材を臨界冷却速度を超える速度で急冷する。これは通常、水、油、ポリマー溶液などの急冷剤に浸漬することで達成される。冷却速度は拡散制御変態を抑制し、マルテンサイトの形成を促進するのに十分でなければならない。

鋼の焼入れの主な目的は、体心正方晶(BCT)結晶構造を持つ鉄中の炭素の過飽和固溶体であるマルテンサイトを形成することである。その結果、硬度と強度が著しく向上する。場合によっては、マルテンサイト開始温度 (Ms)付近での等温処理により、ベイナイトを生成するように焼入れを設計することもある。

焼入れは鉄合金に限定されないことに注意することが重要です。この用語は、他の材料の熱処理プロセスも含みます：

• アルミニウム合金：溶体化熱処理後、急冷して過飽和固溶体を得る。
• 銅合金：高温相の保持、または時効硬化のための過飽和の誘発に使用される。
• チタン合金：微細構造の制御と機械的特性の最適化に使用。
• 強化ガラス：ガラス転移温度以上から急冷することで圧縮表面応力を発生させ、強度と安全性を高める。

加熱温度、保持時間、冷却速度、急冷剤の選択など、具体的な急冷パラメータは、材料組成と望ましい最終特性に合わせて慎重に調整されます。最新の焼入れプロセスでは、性能を最適化し、歪みを最小限に抑えるために、コンピューター制御のシステムと高度な焼入れ剤を利用することが多い。

熱処理工程における焼入れ方法

焼入れとは、鋼を臨界温度以上に加熱し、一定時間保持した後、臨界冷却速度以上の速度で冷却し、マルテンサイト主体のアンバランス組織（ただし、必要に応じてベイナイトや単相オーステナイトが得られる場合もある）を得る熱処理方法である。

焼入れは、鋼の熱処理工程で最も広く適用されている方法である。

鋼の熱処理には、大まかに4つの基本工程がある： アニール焼きなまし、焼き入れ、焼き戻し。

アニーリング

これは、被加工物を適切な温度まで加熱し、材料と被加工物のサイズに依存する時間保持した後、ゆっくりと冷却することを含む（最も遅い冷却速度）。その目的は、金属の内部構造を平衡またはそれに近い状態にし、良好な加工性能と使用性能を達成すること、またはさらなる焼入れのために構造を準備することである。

ノーマライゼーション

ワークを適切な温度まで加熱した後、空気中で冷却する。ノーマライジングの効果は アニールが、より微細な組織を生成する。一般的に材料の切削性能を向上させるために使用され、要求の厳しくない部品の最終熱処理として使用されることもある。

焼き戻し

鋼片のもろさを軽減するため、焼入れされた鋼片は冷却前に室温より高く710℃以下の温度に長時間維持される。この工程を焼戻しという。

焼き入れ

被加工材を加熱してオーステナイト化した後、適切な方法で冷却してマルテンサイトまたはベイナイト組織を得る熱処理プロセスである。一般的な方法には水冷がある、 油焼き入れそして空気焼き入れ。

焼きなまし、焼きならし、焼き入れ、焼き戻しは、一体型熱処理における「4つの火」である。 焼き入れと焼き戻し は密接な関係にあり、しばしば併用され、どちらも欠かせない。

熱処理工程における焼入れには10種類の方法がある：

• シングルミディアム焼入れ（水、油、空気を使用）；
• 中断クエンチ；
• マルテンパリング
• 下のマーテンパー ポイント;
• ベイナイト等温焼入れ；
• 複合クエンチング；
• 予冷等温焼入れ；
• 遅延冷却急冷；
• 焼き入れ自己焼き戻し；
• ジェット急冷。

1.単一媒体（水、油、空気）焼入れ

このプロセスでは、ワークを焼入れ温度まで加熱し、焼入れ媒体に浸漬して急冷する。これは最も単純な焼入れ方法で、単純な形状の炭素鋼や 合金鋼 ワークピース。焼入れ媒体の選択は、部品の熱伝達率、焼入れ性、サイズ、形状などの要因に基づいて行われる。

図1 単一媒体（水、油、空気）焼き入れ

2.中断クエンチ

熱処理工程では、焼入れ温度に加熱された加工材は、強い冷却媒体中でマルテンサイト開始点（MS）に近い点まで急速に冷却される。その後、ゆっくりとした冷却媒体で室温まで冷却され、さまざまな焼入れ温度と理想的な冷却速度が生み出される。

この方法は 複雑な形状 高炭素鋼、合金鋼、炭素工具鋼製の大型ワークピース。一般的な冷却媒体には、水-油、水-硝酸塩、水-空気、油-空気がある。水は通常、急速冷却媒体として使用され、油または空気は緩慢な冷却媒体として使用される。空気の使用頻度は低い。

3.マルテンパリング

鋼をオーステナイト化した後、鋼の上部マルテンサイト点よりわずかに高いか低い温度の液体媒体（塩浴またはアルカリ浴）に一定時間浸漬する。その後、鋼材を取り出して空冷し、過冷却状態の鋼材を冷却する。 オーステナイト はゆっくりとマルテンサイトに変化する。

この方法は一般的に、複雑な形状や厳しい変形が要求される小さなワークに使用される。高速度鋼や高合金鋼の工具や金型も、この方法で焼入れされるのが一般的です。

4.Ms点以下の傾斜マルテンサイト焼入れ法

浴温がMS(マルテンサイト開始)点より低く、MF(マルテンサイト終 了)点より高い場合、ワークは浴中で急速に冷却される。これは、より大きな浴サイズを使用するのと同じ結果となる。

この方法は、サイズの大きな低硬度鋼のワークによく使われる。

5.ベイナイトの等温焼入れ

被加工材は、等温処理のためにベイナイト温度の低い浴槽に急冷され、下部ベイナイトが形成される。この処理は、通常、加工材を浴中に30～60分間保持することによって行われる。

ベイナイトの等温焼入れプロセスは、3つのステップからなる：

• オーステナイト化処理
• オーステナイト化後の冷却処理
• ベイナイト焼入れ

この方法は、合金鋼や高炭素鋼、ダクタイル鋼の小型部品によく使われる。 鋳鉄品.

6.複合クエンチング

体積分率10%から30%のマルテンサイトは、MS点以下でワークを急冷した後、下部ベイナイト領域で等温処理を行うことで得られる。

この方法は、合金工具鋼のワークピースによく使用される。

7.予冷等温クエンチング

この急冷法は、ステップアップ焼入れとも呼ばれる。このプロセスでは、まず低い温度（MS以上）の浴槽で部品を冷却し、次に高い温度の浴槽に移し、以下の等温変態を行う。 オーステナイト.

この方法は、焼入れ性の低い鋼部品やサイズの大きい鋼部品、またオーステンパ処理が必要なワークピースに適している。

8.冷却急冷

予冷等温焼入れ工程では、部品を空気、温水、塩浴を用いてAr3またはAr1より少し高い温度まで予冷する。その後、単一媒体焼入れを行う。

この方法は、形状が複雑で、厚みに大きな差があり、変形が最小限の部品によく使われる。

9.焼入れ焼戻し

焼入れ・自己焼戻し工程では、すべてのワークピースを加熱するが、焼入れ時に冷却するために焼入れ液に浸漬するのは、硬化させる部品（通常は作業部品）のみである。

未浸漬部の輝きが消えたら、直ちに急冷を解除して空冷する。

この方法は、中心から表面に熱を伝えて焼き戻すもので、ノミ、パンチ、ハンマーなど衝撃に耐えなければならない工具によく使われる。

10.ジェット急冷

ワークピースに水を噴射する焼入れ方法は、所望の焼入れ深さに応じて水流を調整することができる。ジェット焼入れでは、ワーク表面に水蒸気膜が形成されることがないため、通常の焼入れに比べてより深い硬化層が得られます。 水冷.

この方法は主に局所的な表面焼き入れに用いられる。

クエンチングの目的

焼入れの主な目的は、鋼の相変態を誘発し、過冷却オーステナイトをマルテンサイトまたはベイナイトに変態させることである。この変態により、材料の機械的特性を著しく向上させる微細組織が得られます。焼入れの後、特定の温度で制御された焼戻しを行うことで、硬度、耐摩耗性、疲労強度、靭性の向上など、鋼の特性を正確に調整することができます。この多用途性により、メーカー各社は様々な産業分野の機械部品や工具の多様な要件を満たすことができます。

焼入れは、金属加工品を特定のオーステナイト化温度まで加熱し、完全な相変態を確実にするために所定の時間保持した後、焼入れ媒体中で急冷する重要な熱処理プロセスである。塩水、水、ポリマー溶液、鉱油、あるいは強制空気など、焼入れ媒体の選択は、所望の冷却速度と特定の合金組成に依存する。それぞれの媒体は、異なる冷却特性を提供し、冶金学者は、微細構造の進化と結果として生じる特性を制御することができます。

焼入れ時の急冷により過飽和固溶体が生成され、炭素原子が鉄格子内に捕捉され、準安定マルテンサイト相が形成される。このマルテンサイト組織は、非常に高い硬度と耐摩耗性を特徴とするが、脆くなりやすい。強度、靭性、延性のバランスを最適化し、特定の用途の要件に合わせて材料特性を調整するために、その後の焼戻し工程がしばしば採用される。

機械的特性の向上だけでなく、焼入れは特殊鋼の特定の物理的・化学的特性を開発する上で重要な役割を果たしている。例えば、永久磁石鋼の強磁性特性を大幅に向上させたり、ステンレス鋼の耐食性を高めたり、変圧器コアに使用されるケイ素鋼の電気特性を変更したりすることができる。

鋼は同素体であり、冷却速度に応じて様々なミクロ組織を形成できるため、焼入れプロセスは特に重要である。鋼が臨界温度（組成にもよるが、通常723～912℃の範囲）を超えて加熱されると、室温の組織がオーステナイトに変化する。その後の急冷により、拡散に依存したフェライトやパーライトの形成が妨げられ、代わりに面心立方(FCC)オーステナイトが拡散のないせん断メカニズムにより体心正方(BCT)マルテンサイトに変態する。

しかし、焼入れ特有の急冷は、加工品に大きな熱応力をもたらす。これらの応力は、適切に管理されない場合、部品の歪み、反り、あるいは割れにつながる可能性があります。こうしたリスクを軽減するため、冶金学者は、断続焼入れ、選択焼入れ、冷却特性を制御した特殊焼入れ剤の使用など、さまざまな手法を採用している。

急冷プロセスは、採用された冷却方法によって大別される：

1. 一液クエンチング: 冷却プロセスを通じて単一のクエンチャントを使用。
2. 二媒体焼入れ: 異なる温度範囲で最適な冷却速度を達成するため、ワークを2つの異なる焼入れ剤の間で移動させる。
3. マルテンサイト傾斜焼入れ: 冷却速度を制御し、部品内の特定のマルテンサイト組織勾配を達成する。
4. ベイナイト等温焼入れ：マルテンサイト開始温度 以上まで急冷し、その後ベイナイト形成を促進す るために等温保持する。

適切な急冷プロセスとパラメーターの選択は、急冷に関連する欠陥のリスクを最小限に抑えながら、望ましい微細構造と特性を達成するために極めて重要である。集中焼入れや極低温処理などの高度な焼入れ技術は進化を続けており、要求の厳しい用途において材料性能を向上させる新たな可能性を提供しています。

焼き入れプロセス

焼入れプロセスには、加熱、保持、冷却の3段階がある。ここでは、鋼の焼入れを例に、これら3段階のプロセスパラメーターの選択原理を紹介する。

焼入れ加熱温度

鋼の相変態の臨界点に基づき、焼入れ中の加熱は、微細で均一なオーステナイト粒を形成し、焼入れ後に微細なマルテンサイト組織を得ることを目的としている。

炭素鋼の焼入れ加熱温度範囲を図「焼入れ加熱温度」に示す。この図に示す焼入れ温度選択の原則は、ほとんどの合金鋼、特に低合金鋼にも適用される。低共析鋼の加熱温度はAc3温度より30～50℃高い。

焼入れ加熱温度」の図から、高温での鋼の状態がオーステナイト（A）単相領域であることがわかるので、完全焼入れと呼ばれる。もし次亜共析鋼の加熱温度がAc1より高くAc3より低ければ、それまで存在していた 共析フェライト は高温ではオーステナイトに完全には変化せず、不完全（または亜臨界）焼入れとなる。過共析鋼の焼入れ温度はAc1温度より30～50℃高く、この温度範囲はオーステナイトとセメンタイト（A+C）の二相域である。

従って、過共析鋼の通常の焼入れはまだ不完全焼入れに属し、焼入れ後に得られる組織はセメンタイト母相上に分布するマルテンサイトである。この組織は高硬度で耐摩耗性が高い。超共析鋼の場合、加熱温度が高すぎると、プロユーテクトイドセメンタイトが溶解しすぎ、完全に溶解してしまう。 の炭素含有量 オーステナイトも増加する。

焼入れ後、大きなマルテンサイト組織は、焼入れ鋼の微小領域の内部応力を増加させ、微小亀裂の数を増加させ、部品の変形および亀裂の傾向を増加させる。オーステナイト中の炭素濃度が高いため、マルテンサイト点が低下し、保持オーステナイト量が増加し、加工品の硬度と耐摩耗性が低下する。一般に使用される鋼の焼入れ温度を図「焼入れ加熱温度」に、一般に使用される鋼の焼入れ加熱温度を表に示す。

実際の生産では、加熱温度の選択は特定の条件に応じて調整する必要がある。例えば、次亜共析鋼の炭素含有量が下限値である場合、炉装入量が多い場合、急冷硬化層の深さを深くしたい場合は上限温度を選択し、ワーク形状が複雑で変形要求が厳しい場合は下限温度を採用する。

急冷ホールディング

焼入れ保持時間は、設備加熱モード、部品サイズ、鋼組成、炉装入 量、設備動力などの様々な要因によって決定される。貫通焼入れの場合、保持の目的はワークの内部温度を均一に収束させることである。

あらゆる種類の焼入れにおいて、保持時間は最終的に必要な焼入れ領域で良好な焼入れ加熱構造を得ることに依存する。加熱と保持は焼入れの質を左右する重要なステップである。オーステナイト化によって得られる組織状態は、焼入れ後の性能に直接影響する。一般鋼部品のオーステナイト粒径は5～8レベルに制御される。

焼入れ冷却

鋼中の高温相であるオーステナイトを冷却中に低温準安定相であるマルテンサイトに変態させるには、冷却速度が鋼の臨界冷却速度以上でなければならない。ワークピースの冷却過程では、表面と芯部の冷却速度に一定の差が生じます。この差が十分大きいと、冷却速度が鋼の臨界冷却速度より大きい部品が生じる可能性がある。 臨界冷却速度 一方、臨界冷却速度未満のコアはマルテンサイトに変態することができない。

断面全体を確実にマルテンサイトに変態させるためには、十分な冷却能力を持つ焼入れ媒体を選択し、ワークの中心部の冷却速度を十分に速くする必要がある。しかし、冷却速度が大きいと、ワーク内部の不均一な熱膨張・収縮による内部応力によって、ワークが変形したり割れたりする恐れがある。したがって、上記2つの相反する要因を考慮し、焼入れ媒体と冷却方法を合理的に選択することが重要である。

冷却段階は、部品の合理的な構造を得ること、要求される性能を達成することだけでなく、部品のサイズと形状の精度を維持することでもある。焼入れ工程における重要なリンクである。

ワーク硬度

焼入れワークピースの硬度は、焼入れの効果に影響する。焼入れワークピースの硬度は、一般にロックウェル硬度計で測定したHRC値によって決定される。HRA値は、薄い硬鋼板や表面焼入れワークピースでは測定できるが、厚さ0.8mm未満の焼入れ鋼板、浅い層を持つ表面焼入れワークピース、および焼入れワークピースでは測定できない。 棒鋼 直径が5mm未満であれば、表面ロックウェル硬度計でHRC値を測定することができる。

いつ 炭素鋼溶接 や特定の合金鋼では、熱影響部で焼き入れが起こり硬くなることがあり、冷間割れが発生しやすくなる。これは 溶接工程.

焼入れ後の金属は硬く脆いため、発生する残留表面応力によって、次のような問題が生じる。 ひび割れ.焼戻しは、硬度に影響を与えずに冷間亀裂を除去する方法の一つとして使用できる。

焼入れは、厚みや直径の小さな部品に適している。大きな部品では焼入れの深さが足りず、浸炭でも同じ問題がある。このとき、強度を高めるためにクロムなどの合金を鋼に加えることを検討する。

焼入れは鉄鋼材料を強化する基本的な手段の一つである。鋼中のマルテンサイトは鉄系固溶体組織の中で最も硬い相であるため、鋼部品は焼入れによって高硬度と高強度を得ることができる。しかし、マルテンサイトは非常に脆く、焼入れ後の鋼材内部には大きな焼入れ内部応力が存在するため、直接の適用には適さず、焼戻しを行う必要がある。

各種クエンチング法

シングルミディアムクエンチング： ワークピースは水や油などの1つの媒体で冷却される。長所は、操作が簡単で機械化が容易であり、適用範囲が広いことである。欠点は、水での急冷は応力が大きく、ワークが変形したり割れたりしやすいこと、油での急冷は冷却速度が遅く、急冷直径が小さく、大きなワークの急冷が難しいことです。

ダブル・ミディアム・クエンチング： ワークピースは、まず冷却能力の強い媒体中で約300℃まで冷却され、次に冷却能力の弱い媒体中で冷却される。この方法は、マルテンサイト変態による内部応力を効果的に減少させ、ワークの変形や割れの傾向を減少させることができる。

段階的焼入れ： ワークピースは低温の塩浴またはアルカリ浴で急冷され、その温度はMs点に近い。ワークはこの温度で2～5分間保持され、その後空冷される。

等温クエンチング： ワークピースは等温塩浴中で急冷され、塩浴温度はベイナイト帯の下部（Msよりわずかに高い）である。ワークピースは、ベイナイト変態が完了するまで長時間同じ温度に留まり、その後空冷される。

表面焼き入れ： 表面焼入れとは、鋼片の表面層をある深さまで部分的に焼入れし、中心部は焼入れしない方法である。

高周波焼入れ： 誘導加熱は、電磁誘導を利用して被加工物に渦電流を発生させ加熱する。

低温クエンチング： これは、急冷媒体として氷水溶液の強い冷却能力に浸すことを含む。

部分焼入れ： これは、ワークピースの焼き入れが必要な部分のみを焼入れするものである。

ガス冷却焼入れ：具体的には、真空中で加熱し、高速循環する負圧、常圧、または高圧の中性不活性ガス中で焼入れすることを指す。

空冷クエンチング： これは、焼入れのための冷却媒体として、強制流動空気または圧縮空気を使用するものである。

塩水焼き入れ： これは、冷却媒体として塩水溶液を使用して焼き入れを行うものである。

有機溶液クエンチング： これは、冷却媒体として有機ポリマーの水溶液を使用して急冷するものである。

スプレー冷却： これは、急冷のための冷却媒体としてジェット液流を使用するものである。

熱い風呂の冷却： これは、溶融塩、溶融アルカリ、溶融金属、高温油などの高温浴中でワークを急冷することを含む。

二液クエンチング： 被加工材を加熱してオーステナイトを形成させた後、まず冷却能力の強い媒体に浸漬し、組織がマルテンサイト変態を起こしそうになったら、直ちに冷却能力の弱い媒体に移して冷却する。

加圧クエンチング： 被加工材を加熱してオーステナイトを形成させた後、特定の固定具の下で急冷する。 締め付け焼入れ冷却の歪みを減らすことを目的としている。

スルーハードニング： これは、ワークピースを表面から中心部まで完全に焼き入れすることである。

等温クエンチング： 加工材は、オーステナイトを形成するための加熱後、等温性を維持するためにベイナイト変態温度間隔まで急速に冷却され、オーステナイトがベイナイトになる。

段階的焼入れ： 被加工物を加熱してオーステナイトを形成させた後、M1点よりやや高いか低い温度のアルカリ浴または塩浴に一定時間浸漬し、被加工物全体が中温に達した後に取り出して空冷し、マルテンサイトを得る。

亜温度焼入れ： ハイポエテクトイド鋼ワークは、マルテンサイトとフェライト組織を得るために、Ac1-Ac3の温度範囲でオーステナイト化された後、急冷される。

直接焼入れ： これは、浸炭処理後にワークを直接焼入れするものである。

ダブル・クエンチング： ワークピースを浸炭した後、まずAc3より高い温度でオーステナイト化し、次に焼入れして芯組織を微細化する。その後、Ac3よりやや高い温度でオーステナイト化し、浸炭層組織を微細化する。

自己冷却クエンチング： ワークピースを素早く加熱して局所的または表面的にオーステナイト化させた後、加熱部からの熱が勝手に非加熱部に広がり、オーステナイト化した部分が急速に冷却される。

クエンチング・アプリケーション

焼入れは、現代の機械製造において広く採用されている重要な熱処理工程である。特に自動車、航空機、航空宇宙用途で使用される鋼部品など、機械に使用される重要な部品は、その機械的特性を向上させるために焼入れを行います。様々な部品の多様な技術要件を満たすために、数多くの特殊な焼入れプロセスが開発されてきました。

クエンチング法は、いくつかの要因に基づいて分類することができる：

1.治療エリア：

• 完全焼き入れ
• 部分焼入れ
• 表面焼き入れ

2.加熱中の相変態：

• 完全な焼き入れ
• 不完全焼入れ (低共析鋼の亜臨界焼入れとしても知られる)

3.冷却中の相変態：

• 段階的焼入れ
• 等温クエンチング
• 中断急冷

各焼入れ方法には固有の特性と制限があり、特定の用途に適している。その中でも、誘導加熱による表面急冷と火炎急冷が最も広く利用されている。レーザービームや電子ビーム加熱のような新しい高エネルギー密度加熱急冷法は、そのユニークな能力と精密制御により急速に注目を集めている。

表面焼き入れは、中炭素調質鋼またはダクタイル鋳鉄から製造される機械部品に広く適用されます。この工程は、優れた表面硬度 (>HRC 50)と耐摩耗性を達成しながら、コアの全体的な機械的特性を高く維持できるため、中炭素調質鋼に特に効果的です。一般的な用途としては、工作機械のスピンドル、ギア、ディーゼルエンジンのクランクシャフト、カムシャフトなどがある。

表面焼き入れの原理は、中炭素鋼に似た組成を持つさまざまな鉄系材料にも適用できる：

• パーライト-フェライト系ねずみ鋳鉄
• ダクタイル鋳鉄
• 可鍛鋳鉄
• 合金鋳鉄

これらの中で、ダクタイル鋳鉄は最高の加工性能と高い機械的特性を示し、表面焼入れ用途に最も広く使用されている材料である。

高炭素鋼の場合、表面焼入れは表面硬度と耐摩耗性を著しく向上させる。しかし、コアの塑性と靭性は比較的低いままである。そのため、高炭素鋼の表面焼入れは、主に工具、測定器、衝撃や交番荷重が少ない高冷間焼入れロールに使用されます。

一方、低炭素鋼は、表面焼入れ後の強化効果が最小限であるため、この処理が施されることはほとんどない。

適切な焼入れ方法と材料の選択は、機械的特性、耐摩耗性、使用条件など、特定の部品要件によって異なります。焼入れ技術の進歩は、様々な産業用途において材料特性を向上させる可能性を広げ続けています。