熱処理は、特定の金属の機械的特性を変更する一般的な方法です。 金属を特定の環境や用途の要件に適合させる最良の方法の 1 つは、化学組成を大きく変えることなく、強度、靭性、硬度を変更できるようにすることです。 金属はさまざまな方法で熱処理できますが、焼き入れは最も広く使用されている技術の 1 つです。
焼き入れとは何ですか?
焼入れは多くの熱処理プロセスにおけるステップであり、部品を必要な温度まで加熱し、急冷媒体に浸漬して急速に冷却します。 多くの場合、所望の結果を達成するために、時効、焼き戻し、またはアニーリングなどの他の熱処理プロセスが焼入れの後に行われます。 金属を急速に冷却することで、鋼鉄内部のさまざまな微細構造の形成を防止または促進して、目的の用途に必要な特性を実現できます。
さまざまなタイプの結晶微細構造には次のものがあります。
・オーステナイト：金属加工時に鉄を加熱するとオーステナイトが生成します。 強靭でありながら成形可能な微細構造であり、溶接に優れています。 オーステナイト鋼にはさまざまな用途がありますが、多くの場合、さらに加工されてマルテンサイト鋼が作成されます。
・マルテンサイト: マルテンサイト変態は、加熱された金属を急速に冷却すると起こる現象です。 マルテンサイト鋼は硬い一方で、非常に脆い性質もあります。 焼き入れ後に金属を加工すると、延性が回復し、内部応力が緩和されます。
・フェライト: フェライトは、オーステナイトに変態する前に形成される、柔らかく熱力学的に安定した微細構造です。 主に低炭素鋼で発生します。
・セメンタイト: セメンタイトは、鉄と炭素を含む熱力学的に不安定な微細構造です。 その硬質な微細構造により、非常に硬いが脆い金属が生成されます。
・パーライト: ゆっくりと冷却すると、フェライトとセメンタイトの交互層で構成されるパーライト微細構造が形成されます。 この構造は強度があり、軽量であり、高い耐摩耗性を備えています。
・ベイナイト: ベイナイトは、鋼部品がパーライトの冷却速度より速く、マルテンサイトよりは遅い冷却速度で冷却されたときに形成される硬くて脆い微細構造です。
急冷媒体の種類
急冷プロセスは、さまざまな急冷媒体を使用して実行できます。 すべての媒体には、それぞれ独自の特別な焼入れ特性があります。 冷却速度、冷却環境の問題、冷却媒体の交換、および冷却媒体のコストは、媒体の使用の種類を決定する際に考慮すべき要素です。冷却媒体の主な種類は次のとおりです。
空気
空気は、金属を冷却して焼き入れするために使用される一般的な焼き入れ媒体です。 航空便の主な利点の 1 つは、手頃な価格であることです。 その手頃な価格は、地球上に豊富に存在する結果です。 実際、加熱した後、単に放置して室温まで冷却した材料は、空気焼入れされたものとみなされます。 空気焼入れは、焼入れ中の金属の周囲に空気を圧縮して押し付けることにより、より意図的に実行されます。 これにより、静止空気よりも部品が急速に冷却されますが、圧縮空気であっても、機械的特性を変えるには冷却が遅すぎる可能性があります。
水
水は、加熱された金属を急速に急冷することもできます。 鋼は水中で急冷することで急速に冷却されるため、用途によっては可能な限り最高の硬度を達成するのに最適です。 ただし、内部の張力が高まるため、冷却速度が速くなり、歪みや亀裂が発生する可能性があります。 したがって、コンポーネントを完成させるには追加の冶金手順が必要になります。
水は、多くのガスと同様、簡単に入手でき、環境に影響を与えないため、持続可能な焼入れ媒体となります。 蒸気ポケットは水による焼き入れのプロセスを妨げる可能性があります。 これが起こった場合、鍛冶屋は湿った空気ポケットが形成されて汚染物質が混入するのを防ぐために、媒体内でコンポーネントを旋回させる必要があります。
油
オイルは、圧縮空気よりもはるかに速く、加熱された金属を急冷することができます。 加熱された素子を油の入ったタンクに落として焼き入れします。 この部品はオイルで洗い流すこともできます。 オイルの種類が異なれば冷却速度や引火点も異なるため、さまざまな用途に使用されることがよくあります。
塩水
ブライン、つまり塩水は、急速冷却のための優れた冷却媒体となります。 空気、水、油よりも早く冷えます。 これは、塩と水の混合物が熱い金属に触れると、気球の生成が妨げられるためです。 その結果、液体は気泡よりも金属表面のより大きな部分を覆うことになります。
焼入れ鋼
鋼は、その機械的特性が焼入れの影響を非常に受けやすいため、焼入れプロセスについて議論する際に特別に言及する価値があります。 焼き入れ硬化として知られる焼き入れプロセスを通じて、鋼は再結晶温度を超える温度まで上昇し、焼き入れプロセスによって急速に冷却されます。 急速焼入れは、ゆっくりと冷却する場合と比較して、鋼の結晶構造を変化させます。 鋼の炭素含有量と合金元素によっては、焼き入れ硬化プロセスを受けると、マルテンサイトやベイナイトなどのより硬くて脆い微細構造が残ることがあります。 これらの微細構造により、鋼の強度と硬度が向上します。 ただし、鋼が亀裂を生じやすくなり、延性が大幅に低下します。 このため、一部の鋼は焼入れ硬化プロセスの後に焼きなましまたは焼きならしが行われます。
