焼入れの定義と目的
鋼を臨界点Ac3（亜共析鋼）またはAc1（過共析鋼）以上の温度まで加熱し、一定時間保持して完全または部分的にオーステナイト化させた後、臨界焼入れ速度よりも速い速度で冷却する。過冷却オーステナイトをマルテンサイトまたは下部ベイナイトに変化させるこの熱処理工程を焼入れと呼ぶ。
焼入れの目的は、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化させ、マルテンサイトまたは低ベイナイト組織を得ることです。その後、異なる温度での焼き戻しと組み合わせることで、鋼の強度、硬度、耐摩耗性、疲労強度、靭性などを大幅に向上させ、様々な機械部品や工具の多様な使用要件を満たすことができます。また、焼入れは、強磁性や耐食性など、特定の特殊鋼の特殊な物理的および化学的特性を満たすためにも使用できます。
鋼部品を物理状態の変化を伴う焼入れ媒体中で冷却する場合、冷却プロセスは一般的に蒸気膜段階、沸騰段階、対流段階の3つの段階に分けられます。
鋼の焼入れ性
焼入れ性と焼入れ性は、鋼の焼入れ能力を特徴づける2つの性能指標であり、材料の選定と使用における重要な基準となる。
1. 焼入れ性と焼入れ性の概念
焼入れ性とは、鋼が理想的な条件下で焼入れ・焼入れされた際に達成できる最高の硬度のことです。鋼の焼入れ性を決定する主な要因は、鋼の炭素含有量です。より正確には、焼入れおよび加熱中にオーステナイトに溶解する炭素含有量です。炭素含有量が高いほど、鋼の焼入れ性は高くなります。鋼に含まれる合金元素は焼入れ性にほとんど影響を与えませんが、鋼の焼入れ性に大きな影響を与えます。
焼入れ性とは、特定の条件下における鋼の焼入れ深さと硬度分布を決定する特性を指します。つまり、鋼を焼入れした際に、焼入れ層の深さを得る能力のことです。これは鋼固有の性質です。焼入れ性とは、鋼を焼入れした際にオーステナイトがマルテンサイトに変化する容易さを反映したものであり、主に鋼の過冷却オーステナイトの安定性、あるいは鋼の臨界焼入れ冷却速度に関係しています。
また、鋼の焼入れ性と、特定の焼入れ条件下における鋼部品の有効焼入れ深さは区別する必要があることを指摘しておくべきである。鋼の焼入れ性は鋼自体の固有の性質であり、鋼自身の内部要因のみに依存し、外部要因とは無関係である。一方、鋼の有効焼入れ深さは、鋼の焼入れ性だけでなく、使用する材料にも依存する。冷却媒体やワークピースのサイズといった外部要因にも関係する。例えば、同じオーステナイト化条件下において、同じ鋼の焼入れ性は同じであっても、水焼入れの有効焼入れ深さは油焼入れよりも大きく、また、小部品は油焼入れよりも小さく、大部品の有効焼入れ深さは大きい。これは、水焼入れが油焼入れよりも焼入れ性が高いとは言えず、また、小部品が大部品よりも焼入れ性が高いとも言えない。鋼の焼入れ性を評価するには、加工物の形状、サイズ、冷却媒体などの外部要因の影響を排除する必要があることがわかる。
さらに、焼入れ性と焼入れ性は2つの異なる概念であるため、焼入れ後に硬度が高い鋼が必ずしも焼入れ性が高いとは限らず、硬度が低い鋼でも焼入れ性が高い場合がある。
2. 焼入れ性に影響を与える要因
鋼の焼入れ性はオーステナイトの安定性に依存する。過冷却オーステナイトの安定性を向上させ、C曲線を右にシフトさせ、それによって臨界冷却速度を低下させる要因は、高鋼の焼入れ性を向上させることができる。オーステナイトの安定性は主にその化学組成、結晶粒径、組成均一性に依存し、これらは鋼の化学組成と加熱条件に関係する。
3. 焼入れ性の測定方法
鋼の焼入れ性を測定する方法は数多くあるが、最も一般的に用いられるのは、臨界直径測定法と端部焼入れ性試験法である。
（１）臨界直径測定方法
鋼を特定の媒体で焼入れした後、中心部が全マルテンサイト組織または50%マルテンサイト組織になったときの最大直径を臨界直径と呼び、Dcで表します。臨界直径の測定方法は、直径の異なる一連の丸棒を作成し、焼入れ後、各サンプル断面の直径に沿って分布する硬度U曲線を測定し、中心に半マルテンサイト組織を持つ丸棒の直径を見つけます。これが臨界直径です。臨界直径が大きいほど、鋼の焼入れ性は高くなります。
（２）端面焼入れ試験方法
端面焼入れ試験法では、標準サイズの端面焼入れ試験片（Φ25mm×100mm）を使用します。オーステナイト化後、試験片の一端に専用装置で水を噴霧して冷却します。冷却後、水冷した端から軸方向に沿って硬度を測定します。距離関係曲線の試験方法。端面焼入れ試験法は、鋼の焼入れ性を決定する方法の1つです。その利点は、操作が簡単で適用範囲が広いことです。
4. 焼入れ応力、変形、および亀裂
（１）焼入れ中の工作物の内部応力
ワークピースが焼入れ媒体中で急速に冷却される際、ワークピースには一定のサイズがあり、熱伝導率も一定の値であるため、冷却過程においてワークピース内部に沿って一定の温度勾配が生じます。表面温度は低く、中心部の温度は高く、表面温度と中心部の温度差が生じます。ワークピースの冷却過程においては、2つの物理現象も発生します。1つは熱膨張で、温度が低下するとワークピースの線長が収縮します。もう1つは、温度がマルテンサイト変態点まで低下した際にオーステナイトからマルテンサイトに変態し、比体積が増加することです。冷却過程における温度差により、ワークピースの断面に沿って異なる部分で熱膨張量が異なり、ワークピースの異なる部分に内部応力が発生します。ワークピース内部に温度差が存在するため、マルテンサイト変態点よりも温度低下が速い部分も存在する可能性があります。相変態によって体積が膨張し、高温部分は依然としてその点よりも温度が高く、オーステナイト状態のままです。これらの異なる部分は、比体積変化の違いにより内部応力も発生します。したがって、焼入れ冷却過程では、熱応力と組織応力の2種類の内部応力が発生する可能性があります。
内部応力の存在時間特性に基づいて、瞬間応力と残留応力に分類することもできます。冷却過程のある時点で工作物に発生する内部応力を瞬間応力と呼び、工作物が冷却された後に工作物内部に残る応力を残留応力と呼びます。
熱応力とは、加工対象物が加熱（または冷却）された際に、異なる部分の温度差によって生じる不均一な熱膨張（または冷間収縮）によって発生する応力のことである。
中実円筒を例にとり、冷却過程における内部応力の形成と変化の法則を説明します。ここでは軸方向応力のみを扱います。冷却開始時、表面は急速に冷却されるため温度が低く、収縮が大きくなります。一方、中心部は冷却されるため温度が高く、収縮は小さくなります。その結果、表面と内部は互いに拘束され、表面には引張応力が、中心部には圧縮応力が発生します。冷却が進むにつれて、内外の温度差が大きくなり、それに伴って内部応力も増加します。この温度で応力が降伏強度を超えると、塑性変形が発生します。中心部の厚さは表面よりも厚いため、中心部は常に最初に軸方向に収縮します。塑性変形の結果、内部応力はそれ以上増加しなくなります。一定時間冷却が進むと、表面温度の低下は徐々に緩やかになり、収縮も徐々に減少します。この時点では、コアはまだ収縮しているため、表面の引張応力とコアの圧縮応力は徐々に減少し、やがて消滅します。しかし、冷却が進むにつれて表面の湿度はどんどん低下し、収縮量もどんどん少なくなり、あるいは収縮が止まります。コア内部の温度はまだ高いため、収縮は続き、最終的にワークピースの表面には圧縮応力が発生し、コアには引張応力が発生します。しかし、温度が低いため塑性変形は起こりにくく、この応力は冷却が進むにつれて増加し続けます。そして、最終的に残留応力としてワークピース内部に残ります。
冷却過程における熱応力によって、最初は表面層が引き伸ばされ、中心部が圧縮されることがわかる。そして、残留応力は表面層が圧縮され、中心部が引き伸ばされる状態である。
要約すると、焼入れ冷却中に発生する熱応力は、冷却過程における断面温度差によって引き起こされます。冷却速度が速く、断面温度差が大きいほど、発生する熱応力は大きくなります。同じ冷却媒体条件下では、ワークピースの加熱温度が高く、サイズが大きく、鋼の熱伝導率が小さく、ワークピース内部の温度差が大きいほど、熱応力は大きくなります。ワークピースが高温で不均一に冷却されると、歪みや変形が生じます。ワークピースの冷却過程中に発生する瞬間的な引張応力が材料の引張強度を超えると、焼入れ割れが発生します。
相変態応力とは、熱処理工程中にワークピースの様々な部分で相変態のタイミングが異なることによって生じる応力のことで、組織応力とも呼ばれる。
焼入れと急速冷却の過程で、表面層がMs点まで冷却されると、マルテンサイト変態が起こり、体積膨張が生じます。しかし、まだ変態していないコアの障害により、表面層には圧縮応力が発生し、コアには引張応力が発生します。応力が十分に大きくなると、変形が生じます。コアがMs点まで冷却されると、コアもマルテンサイト変態を起こし、体積膨張します。しかし、塑性が低く強度が高い変態した表面層の制約により、最終的な残留応力は表面張力の形になり、コアは圧力下に置かれます。このように、相変態応力の変化と最終状態は、熱応力とは正反対であることがわかります。さらに、相変化応力は低温で塑性が低い状態で発生するため、この段階では変形が起こりにくく、相変化応力はワークピースの割れを引き起こしやすくなります。
相変態応力の大きさに影響を与える要因は数多くあります。マルテンサイト変態温度範囲における鋼の冷却速度が速いほど、鋼片のサイズが大きいほど、鋼の熱伝導率が悪いほど、マルテンサイトの比体積が大きいほど、相変態応力は大きくなります。さらに、相変態応力は鋼の組成や焼入れ性にも関係します。例えば、高炭素高合金鋼は炭素含有量が高いためマルテンサイトの比体積が大きくなり、鋼の相変態応力が増加するはずです。しかし、炭素含有量が増加するとMs点が低下し、焼入れ後に残留オーステナイトが多く残ります。その体積膨張は減少し、残留応力は低くなります。
（２）焼入れ中のワークピースの変形
焼入れ中、加工物には主に2種類の変形が生じます。1つは、焼入れ応力によって引き起こされる、加工物の幾何学的形状の変化で、サイズや形状の変化として現れ、しばしば反り変形と呼ばれます。もう1つは、相変化中の比体積の変化によって引き起こされる、加工物の体積の比例的な膨張または収縮として現れる体積変形です。
反り変形には、形状変形とねじれ変形が含まれます。ねじれ変形は主に、加熱中の炉内におけるワークピースの不適切な配置、焼入れ前の変形補正後の成形処理の不足、またはワークピース冷却時の各部の冷却ムラによって発生します。この変形は、特定の状況に応じて分析および解決することができます。以下では、主に体積変形と形状変形について説明します。
1) 焼入れ変形の原因とその変化法則
構造変化による体積変形 焼入れ前のワークピースの構造状態は一般的にパーライト、すなわちフェライトとセメンタイトの混合構造であり、焼入れ後はマルテンサイト構造になります。これらの組織の比体積の違いにより、焼入れ前後で体積変化が生じ、変形が発生します。ただし、この変形はワークピースを比例的に膨張・収縮させるだけであり、ワークピースの形状は変化しません。
さらに、熱処理後の組織中のマルテンサイト量が多いほど、あるいはマルテンサイト中の炭素含有量が多いほど、体積膨張は大きくなり、残留オーステナイト量が多いほど、体積膨張は小さくなる。したがって、熱処理中のマルテンサイトと残留マルテンサイトの相対的な含有量を制御することで、体積変化を制御できる。適切に制御すれば、体積は膨張も収縮もしない。
熱応力による形状変形 熱応力による変形は、鋼材の降伏強度が低く、塑性が高く、表面が急速に冷却され、ワークピースの内外の温度差が最大となる高温領域で発生します。このとき、瞬間的な熱応力は表面引張応力と中心部圧縮応力です。このとき中心部の温度が高いため、降伏強度は表面よりもはるかに低く、多方向圧縮応力の作用による変形、つまり立方体が球状になる方向の変形として現れます。結果として、大きい方が縮み、小さい方が膨張します。例えば、長い円筒は長さ方向に縮み、直径方向に膨張します。
組織応力による形状変形 組織応力による変形は、組織応力が最大となる初期段階でも発生します。このとき、断面温度差が大きく、中心部の温度が高く、まだオーステナイト状態であり、塑性は良好ですが、降伏強度は低くなります。瞬間的な組織応力は、表面圧縮応力と中心部引張応力です。したがって、変形は、多方向引張応力の作用による中心部の伸長として現れます。結果として、組織応力の作用により、ワークピースの長い側が伸び、短い側が縮みます。例えば、長い円筒における組織応力による変形は、長さの伸長と直径の減少です。
表5.3は、様々な代表的な鋼部品の焼入れ変形規則を示している。
2) 焼入れ変形に影響を与える要因
焼入れ変形に影響を与える要因は、主に鋼の化学組成、元の構造、部品の形状、および熱処理プロセスである。
3) 焼き入れ割れ
部品の亀裂は主に焼入れ冷却の最終段階、すなわちマルテンサイト変態がほぼ完了した後、または冷却が完了した後に発生します。これは、部品内の引張応力が鋼の破壊強度を超えるため、脆性破壊が生じるためです。亀裂は通常、最大引張変形方向に対して垂直に発生するため、部品の亀裂の形状は主に応力分布状態に依存します。
一般的な焼入れ割れの種類：縦割れ（軸方向割れ）は、接線方向の引張応力が材料の破壊強度を超えた場合に主に発生します。横割れは、部品の内面に発生する大きな軸方向引張応力が材料の破壊強度を超えた場合に形成されます。網目割れは、表面の二次元引張応力の作用によって形成されます。剥離割れは、非常に薄い硬化層で発生し、応力が急激に変化し、過剰な引張応力が半径方向に作用した場合に発生する可能性があります。
縦方向の亀裂は、軸方向の亀裂とも呼ばれます。亀裂は、部品表面付近の最大引張応力が発生する箇所で発生し、中心に向かって一定の深さを持ちます。亀裂の方向は一般的に軸に平行ですが、部品内部に応力集中が生じたり、内部構造に欠陥が生じたりすると、方向が変化することもあります。
ワークピースが完全に焼入れされた後、縦方向の亀裂が発生しやすくなります。これは、焼入れされたワークピースの表面に大きな接線方向の引張応力がかかることに関係しています。鋼の炭素含有量が増加するにつれて、縦方向の亀裂が発生する傾向が高まります。低炭素鋼はマルテンサイトの比体積が小さく、熱応力が強いため、表面に大きな残留圧縮応力が残り、焼入れが困難です。炭素含有量が増加すると、表面の圧縮応力が減少し、構造応力が増加します。同時に、最大引張応力が表面層に向かって移動します。したがって、高炭素鋼は過熱時に縦方向の焼入れ亀裂が発生しやすくなります。
部品のサイズは残留応力の大きさや分布に直接影響し、焼入れ割れの発生傾向も異なります。危険な断面サイズ範囲内では、焼入れによって縦割れが発生しやすくなります。また、鋼材の詰まりも縦割れの原因となることがよくあります。鋼部品の多くは圧延によって製造されるため、鋼中の非金介在物、炭化物などが変形方向に沿って分布し、鋼が異方性になります。例えば、工具鋼が帯状構造を持つ場合、焼入れ後の横方向の破壊強度は縦方向の破壊強度よりも30～50%小さくなります。鋼中に非金介在物などの応力集中を引き起こす要因があると、接線方向の応力が軸方向の応力よりも大きくても、低応力条件下で縦割れが発生しやすくなります。このため、鋼中の非金属介在物や糖類のレベルを厳密に管理することが、焼入れ割れ防止の重要な要素となります。
横割れと円弧割れの内部応力分布特性は、表面に圧縮応力がかかり、表面から一定距離離れると、圧縮応力が大きな引張応力に変化するというものである。亀裂は引張応力領域で発生し、その後、内部応力が再分布するか、鋼の脆性がさらに増大した場合にのみ、部品の表面に伝播する。
横方向の亀裂は、ローラー、タービンローター、その他のシャフト部品などの大きなシャフト部品によく発生します。この亀裂の特徴は、軸方向に垂直で、内側から外側に向かって破断することです。多くの場合、焼入れ前に形成され、熱応力によって引き起こされます。大きな鍛造品には、気孔、介在物、鍛造亀裂、白斑などの冶金学的欠陥があることがよくあります。これらの欠陥は、軸方向の引張応力の作用下で破壊の起点となり、破断します。円弧状の亀裂は熱応力によって引き起こされ、部品の形状が変化する部分で円弧状に分布することが多いです。これは主にワークピースの内部または鋭利なエッジ、溝、穴の近くで発生し、円弧状に分布します。直径または厚さが 80 ～ 100 mm 以上の高炭素鋼部品が焼入れされていない場合、表面には圧縮応力が、中心部には引張応力が発生します。応力に関しては、硬化層から非硬化層への遷移領域で最大引張応力が発生し、これらの領域でアーク割れが発生します。また、鋭利なエッジやコーナーでは冷却速度が速く、すべて急冷されます。柔らかい部分、つまり非硬化領域に移行すると、ここに最大引張応力領域が現れるため、アーク割れが発生しやすくなります。ワークピースのピン穴、溝、または中心穴付近では冷却速度が遅く、対応する硬化層が薄いため、硬化遷移領域付近の引張応力によってアーク割れが発生しやすくなります。
網状亀裂は、表面亀裂とも呼ばれ、表面に発生する亀裂の一種です。亀裂の深さは浅く、一般的に0.01～1.5mm程度です。この種の亀裂の主な特徴は、亀裂の方向が部品の形状とは無関係に任意であることです。多数の亀裂が互いに連結して網目状になり、広範囲に分布しています。亀裂の深さが1mm以上になると、網目状の特徴は消失し、ランダムな方向または縦方向に分布した亀裂になります。網目状亀裂は、表面における二次元引張応力の状態と関連しています。
表面に脱炭層を有する高炭素鋼または浸炭鋼部品は、焼入れ時に網目状の亀裂が発生しやすい。これは、表面層の炭素含有量がマルテンサイトの内部層よりも低く、比容積が小さいためである。焼入れ中、炭化物の表面層には引張応力がかかる。機械加工中に脱リン層が完全に除去されていない部品も、高周波焼入れや火炎表面焼入れ中に網目状の亀裂が発生する。このような亀裂を避けるには、部品の表面品質を厳密に管理し、熱処理中に酸化溶着を防止する必要がある。また、鍛造金型を一定期間使用した後、キャビティ内に帯状または網状に発生する熱疲労亀裂や、焼入れ部品の研削工程で発生する亀裂も、この形態に属する。
剥離亀裂は、表面層の非常に狭い領域で発生します。圧縮応力は軸方向と接線方向に作用し、引張応力は半径方向に発生します。亀裂は部品の表面に平行です。表面焼入れおよび浸炭処理された部品が冷却された後の硬化層の剥離は、このような亀裂に属します。その発生は、硬化層の不均一な構造に関連しています。たとえば、合金浸炭鋼を一定の速度で冷却した後、浸炭層の構造は、外層が極微細パーライト＋炭化物、下層がマルテンサイト＋残留オーステナイト、内層が微細パーライトまたは極微細パーライト構造となります。サブレイヤーマルテンサイトの形成比体積が最大であるため、体積膨張の結果、軸方向および接線方向には表面層に圧縮応力が作用し、半径方向には引張応力が発生し、内部に向かって応力変化が生じ、圧縮応力状態に移行し、応力が急激に変化する極めて薄い領域で剥離亀裂が発生します。一般的に、亀裂は表面に平行に内部に潜んでおり、深刻な場合には表面剥離を引き起こす可能性があります。浸炭部品の冷却速度を加速または減速すると、浸炭層に均一なマルテンサイト組織または超微細パーライト組織が得られ、このような亀裂の発生を防ぐことができます。さらに、高周波または火炎表面焼入れ中、表面はしばしば過熱され、硬化層に沿った構造的不均一性により、このような表面亀裂が容易に形成されます。
マイクロクラックは、前述の4種類の亀裂とは異なり、微小応力によって引き起こされます。高炭素工具鋼や浸炭処理されたワークピースの焼入れ、過熱、研削後に発生する粒界亀裂、および焼入れ部品の焼き戻しが不十分なために発生する亀裂はすべて、鋼材中のマイクロクラックの存在とその後の拡大に関連しています。
微小亀裂は顕微鏡で観察する必要があります。通常、微小亀裂は元のオーステナイト粒界またはマルテンサイトシートの接合部に発生します。一部の亀裂はマルテンサイトシートを貫通します。研究によると、微小亀裂は薄片状双晶マルテンサイトでより多く発生します。その理由は、薄片状マルテンサイトが高速で成長する際に互いに衝突し、高い応力が発生するためです。しかし、双晶マルテンサイト自体は脆く、塑性変形によって応力を緩和することができず、微小亀裂が発生しやすくなります。オーステナイト粒は粗大で、微小亀裂に対する感受性が高まります。鋼に微小亀裂が存在すると、焼入れ部品の強度と塑性が著しく低下し、部品の早期損傷（破壊）につながります。
高炭素鋼部品の微小亀裂を回避するためには、焼入れ加熱温度を下げる、微細なマルテンサイト組織を得る、マルテンサイト中の炭素含有量を減らすなどの対策が講じられる。さらに、焼入れ後の適時焼戻しは、内部応力を低減する効果的な方法である。試験では、200℃以上の十分な焼戻しを行うことで、亀裂部に析出した炭化物が亀裂を「溶接」する効果を発揮し、微小亀裂の危険性を大幅に低減できることが実証されている。
上記は、亀裂の分布パターンに基づいた亀裂の原因と予防方法に関する考察である。実際の生産においては、鋼材の品質、部品の形状、熱間・冷間加工技術などの要因により、亀裂の分布は変化する。熱処理前に既に亀裂が存在し、焼入れ工程中にさらに拡大する場合もあれば、同一部品に複数の形態の亀裂が同時に発生する場合もある。このような場合、亀裂の形態的特徴、破断面のマクロ分析、金属組織学的検査、必要に応じて化学分析などの方法を用いて、材料の品質、組織構造から熱処理応力の原因に至るまで総合的に分析を行い、亀裂の主な原因を特定し、効果的な予防策を決定する必要がある。
亀裂の破壊解析は、亀裂発生の原因を分析する上で重要な手法である。あらゆる破壊には亀裂の発生点が存在する。焼入れ亀裂は通常、放射状亀裂の収束点から発生する。
亀裂の発生源が部品の表面にある場合、それは表面にかかる過剰な引張応力によって亀裂が発生したことを意味します。表面に介在物などの構造欠陥がない場合でも、ナイフ痕、酸化スケール、鋼部品の鋭利な角、構造的な変形部品など、応力集中要因が存在すると亀裂が発生する可能性があります。
亀裂の発生源が部品内部にある場合、それは材料の欠陥または過剰な内部残留引張応力に関連しています。正常な焼入れの破断面は灰色で、きめ細かい磁器状です。破断面が濃い灰色で粗い場合は、過熱または元の組織が厚いことが原因です。
一般的に、焼入れ割れのガラス部分には酸化による変色は見られず、割れの周囲にも脱炭は見られません。割れの周囲に脱炭が見られたり、割れ部分に酸化による変色が見られる場合は、焼入れ前に既に割れが発生しており、熱処理応力の影響で元の割れが拡大したことを示しています。割れの近くに偏析した炭化物や介在物が見られる場合は、原材料中の炭化物の偏析が激しいか、介在物の存在が原因で割れが発生したことを意味します。上記のような現象が見られず、割れが部品の鋭角部や形状変化部にのみ発生している場合は、部品の構造設計が不適切であったり、割れ防止対策が不十分であったり、熱処理応力が過剰であったりすることが原因と考えられます。
さらに、化学熱処理や表面焼入れを施した部品では、亀裂は主に硬化層付近に発生する。硬化層の構造を改善し、熱処理応力を低減することは、表面亀裂の発生を防ぐための重要な方法である。
投稿日時：2024年5月22日