焼入れ
出典: フリー百科事典『ウィキペディア(Wikipedia)』 (2024/02/04 03:55 UTC 版)
冷却剤
加熱保持後に冷却するために冷却剤が必要になる[92]。焼入れに用いられる冷却剤としては、
などがある[93]。慣習として、使用する冷却剤の名前を冠して○○焼入れなどと呼ぶ。例えば水中で冷却する焼入れは水焼入れ、油中で冷却する焼入れは油焼入れなどと呼ぶ[1]。また、冷却液に浸漬させて焼入れする方法をズブ焼入れ、冷却液を吹きつけて焼入れする方法をスプレー焼入れ、噴射焼入れ、霧状の冷却液中で行う焼入れを噴霧焼入れなどと呼ぶ[94][95]。
冷却剤の種類の他に、流体の場合は撹拌の程度が冷却の強さに大きく影響する[96]。これは、加工品を水や油の冷却液につけると、すぐに加工品表面に蒸気膜が発生・覆い、冷却がゆるやかとなるためである[97]。一般に、実際に冷却剤を使用する上で必要な管理項目は、温度、撹拌、異物混入防止、冷却剤の品質・寿命が挙げられる[92]。
冷却剤の冷却の強さを表す指標を冷却能と呼び、次式で示すH値が使用される[96]。
ここで、α は加工品から冷却剤への熱伝達率、λ は熱伝導率である。H は (m−1) の単位を持つ。
撹拌 | 空気 | 油 | 水 | 食塩水 | 塩浴(204℃) |
---|---|---|---|---|---|
静止 | 0.008 | 0.098 - 0.118 | 0.354 - 0.394 | 0.79 | 0.197 - 0.315 |
わずかに撹拌 | - | 0.118 - 0.138 | 0.394 - 0.433 | 0.79 - 0.87 | - |
ゆるやかに撹拌 | - | 0.138 - 0.157 | 0.472 - 0.512 | - | - |
中程度の撹拌 | - | 0.157 - 0.197 | 0.551 - 0.591 | - | - |
強い撹拌 | 0.020 | 0.197 - 0.315 | 0.630 - 0.787 | - | - |
強烈な撹拌 | - | 0.315 - 0.433 | 1.58 | 1.97 | - |
ジョミニー試験 | - | - | 2.17 | - | - |
水
水による冷却は、冷却剤の中でも冷却速度が大きく[99]、コストが安く、どこでも手に入りやすいという利点がある[92]。しかし、Ms点を過ぎた危険区域温度でも急冷してしまうので、焼割れや変形の不具合の可能性が高い[99]。
水温が30℃を超えると冷却能が大きく低下するので、30℃以下に保った使用が推奨される[100]。冷た過ぎても冷却効果が悪くなるので、焼入れを開始するときの水温は、15℃程度が適当とされる[92]。約60℃くらいでは油と同程度の冷却速度となるので、油焼入れの代わりに使用される場合もある[101]。
油
油による冷却は、均一な冷却ができ、危険区域でもゆっくり冷却できるので焼割れや変形の危険が少ないという利点がある[102]。一方、冷却速度が水の約1/3遅く、臨界区域での冷却が遅い点、火災や環境汚染に注意する必要がある点などの欠点がある[103][102]。焼入れ用に調整された油を焼入油と呼び、鉱油が広く使用されている[104]。
油の場合は、油温を上げると粘度が小さくなり、結果として冷却が早くなる[103]。そのため油の冷却能は60 - 80℃で最も大きくなる[100]。加工品によって冷却油自身も温度上昇することを考えて、焼入れを開始するときの油温は、50 - 70℃程度が適当とされる[92]。さらに温度を上げて後述のマルテンパなどにも使用される。
水溶液
水溶性の物質を水に溶かして冷却剤として使用するもの。苛性ソーダ、炭酸ソーダ、食塩などは、蒸気幕が発生している時間を短縮できるので水の冷却能を高めることができる[99]。
近年では、ポリマーを利用したポリマー焼入液が実用化されている[102]。ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、ポリアクリル酸ナトリウム、ポリアルキレングリコールなどを利用したものがある[105]。液濃度に応じて冷却能が変わり、高濃度では油寄り、低濃度では水寄りになる[102]。油のように危険区域での冷却速度を落とすことができ、水のように火災の恐れが無いという利点がある[106]。
塩浴
塩浴、あるいはソルトバスは、塩類を浴に満たして加熱して液体化したもの。熱処理塩浴剤をソルトと総称する。150 - 500℃に加熱して使用する[106][107]。後述のマルテンパ、オーステンパに使用される。150℃程度の塩浴は、50℃程度の油と同程度の冷却能となる[108]。
塩類としては、塩化カリウム、食塩、硝酸ナトリウム、亜硝酸ナトリウムなどが使用される[108]。均一な冷却ができ、焼むらや焼割れが少ないなど利点がある一方、塩浴のコストが掛るなどの欠点がある[109]。
加圧ガス
水素ガスや窒素ガス、ヘリウムガスなどを加圧して吹きつけ、焼入れの冷却剤として利用する[97]。 真空加熱炉と併用して、表面を酸化させない光輝焼入れに利用される[95]。
0.1 - 0.6 MPa程度の加圧ガスで、焼入れ性の良い高合金鋼に対して行われるのが一般的である[108]。0.5 - 4 MPaまで加圧して低合金鋼へ適用する例もある[108]。ただし、日本国内では1 MPa以上では高圧ガス保安法で規制されるため採用が難しく、ガスを高速循環させて冷却速度を向上させる方法などが開発されている[110]。ガス焼入れの欠点としては、設備にコストがかかることなどである[111]。
空気
通常、空冷は焼ならしに使用される。冷却速度が遅いので普通は焼入れには使用しないが、冷間加工用工具鋼は、焼入れ性が大きいこともあり、変形を嫌う場合は空冷で焼入れする場合もある[112]。
注釈
- ^ 本記事では、日本工業規格[1]、学術用語集[3]に準じて「焼入れ」の表記で統一する
- ^ 加工品全体が焼入れ温度に達してから冷却するまでの時間を保持時間と呼ぶ場合もある[40]。
- ^ a b TTT図は、ある温度まで非常に急冷させた後に一定温度に保持し、変態の開始、進行割合、終了の時間とその一定温度の関係を示したもの[49]。CCT図は、一定速度で冷却させて、変態の開始、進行割合、終了の時間と温度の関係を示したもの[49]。実際の冷却はある速度を持っているので、CCT図の方が実際に近い[50]。ただし、等温焼入れを行う場合は、TTT図が条件設定に利用される[51]。また、連続冷却の場合でも実際の冷却は一定速度にはならないので、CCT図も実際の冷却とは異なっている[51]。このように、TTT図もCCT図も、実際の現象と離れた点を含む注意点がある。
- ^ 冷却方法ではなく、高周波焼入れのような表面焼入れなどと区別して普通焼入れとも呼ぶ
- ^ あるいは、ソルバイト組織を得る焼入焼戻しに限って調質と呼ぶ場合もある[77][79]。
- ^ 日本刀の特徴である刀身の反りは、この焼曲りによるものである[147]
出典
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