焼入に関する基礎知識

1. 熱処理での最高硬さ

鋼（はがね）の熱処理は加熱冷却中の「変態」を利用する操作です。　変態とは、熱処理によって原子の配列が変わるなどによって、違った性質のものになるということです。
ここでは、品物を『何度にした後に水に入れて急冷して硬くする』というように、「温度」「時間（速さ）」を操作することを「熱処理」といっています。

鋼は鉄（Fe)と炭素（C)を基本とした合金をいいます（これを「炭素鋼」といいます）が、この炭素含有量が、最も熱処理硬さに影響します。　そして、製鋼時に、硬くする鼻薬（たとえばクロム（Cr)のような元素）を添加すると、大きな品物でも焼入れしたときの表面硬さが高くなりますし、内部の硬さ低下が小さくなります。
このように、大きな品物でも焼入れしたときに硬くなりやすくなったり、内部まで硬くなる「なりやすさ」を『焼入れ性』が良いといいます。

特殊な用途に用いるために、炭素鋼に合金を添加したものを「合金鋼」「特殊鋼」といいます。合金を添加する目的は「硬くする」だけではなく、また、そのバランスでメリットにもデメリットにもなるので、加えれば良いというものではありません。　

近年は、合金元素の含有量を高めた「高合金鋼」が多く使用され、JISでは「工具鋼」と呼ばれる部類の鋼が多く使用されています。市販されている鋼種では、高合金鋼になるほど高価ですが長所も増えます。このために、均一な硬さに仕上がって高性能な製品ができると考える方も多いのですが、加工のやりやすさや切れ味などのデメリットや考えなければならない要素もあることを記憶にとどめておいてください。

鋼は、炭素鋼中の炭素量が多いほど熱処理によって『硬く』なりますが、拡大して言うと、炭化物を含む高合金鋼では、炭化物を除いた「素地（マトリックス）の炭素量と硬さの関係」も同様に考えていいでしょう。
　
0.5％程度まではC量が高くなるにつれて「焼入れ（水冷）」によって硬化する硬さ値が上昇しますが、それ以上添加しても最高の硬さは変わりません。

（すこし専門的な言い方ですが、CがＦｅ中に固溶した時、焼入れしたマルテンサイト状態の最高硬さは0.5％程度を越えても変わらないと言えます。マルテンサイトについては、変態によって硬くなる組織名ですが、これは別に説明しています）

図表：炭素量と硬さの関係

炭素鋼を焼入れすると、小さな品物では最高65ＨＲＣ程度の硬さになりますが、普通の使い方は、そのままの状態で使うのではなく、それを焼戻して、粘さを付与して製品化します。

しかし、急冷される度合いが低いと（たとえば水冷ではなく油冷をすると）マルテンサイトの生成量が少なくなって、十分な硬さになりません。　
（このグラフはそれを表しています。ここでは、難しい内容は、聞き流す程度で読んでください）

「焼の入りやすさ」には、どのくらいの最高硬さになるかということと、どれくらいの深さまでその硬さが確保されているか・・・という指標がありますが、後者を「焼入れ性」と言います。

「焼入れ性」は、古くは「ジョミニ一端焼入れ性試験」などで評価されていましたが、焼入れ性の高い鋼種については、例えば、丸棒を焼入れした時に表面と同等の硬さになる最大直径などで評価されます。「焼入れ」のところで詳しく説明していますが、焼入れ温度からすばやく冷却するとマルテンサイトに変態して硬化しますが、鋼材が大きくなると、硬さが出にくくなります。（質量効果といいます）　冷却速度が遅くなると硬化しにくくなりますが、ここに、Mn（マンガン）やCr（クロム）などの焼入れ性を増す元素を加えると、少し大きな鋼材でも硬化するようになります。（ここの図1・8を参考に）

SK**と呼ばれる炭素工具鋼のような鋼種は、たとえばφ20の丸棒を焼き入れによって60HRCの表面硬さにしようとすると「水冷」しなくてはなりませんが、1％程度のMnやCrを含有すると油冷却でも同様の硬さが出るようになります。（SKS**　のように、別の鋼種が販売されています）

このように、「水焼入れ」用の材料より「油焼入れ用」の材料のほうが「焼入れ性が良い」と言い、表面硬さだけでなく内部の硬さも同様に低下度合いが少なくなりますし、大径のものでも表面硬さが確保できることになります。もちろん一般的には鋼材価格は高くなります。

MnやCrのような焼入れ性を高める元素を増加しますと、空気のような冷却能力が低い冷媒で冷却しても硬化するようになります。　このように空気中でも焼が入る鋼は「空気焼入れ鋼」と呼ばれますが、たとえばCrが12％程度入ったような高合金工具鋼と呼ばれるものは、φ100程度の太いものでも空冷で中心まで同等の硬さになりますので、これらは非常に焼入れ性が良い鋼種と言えます。

焼入れ性の判断のしかた

1.　焼入れ性
客観的評価として、機械構造用鋼（たとえばS45CやSCM435）など、あまり焼入れ性が良くない鋼種は一端焼入れ性試験方法（＝ジョミニー試験）などでその硬化状態を調べますが、現在ナイフ材などの工具鋼として紹介されている鋼は空気焼入れ鋼の部類に属するものが多く、その方法では比較できないために、日立金属（株）では「半冷曲線」として焼入れ性を比較しています。これは、焼入れ温度と室温の中間温度まで冷やした時間と硬さから、鋼材ごとに大きな棒径に対応させた硬さとの関係を示したもので、大きな鋼材の表面硬さや内部硬さの推定が出来るように工夫されています。　

やや専門的になりますので詳しい説明は省略しますが、通常カスタムナイフなどの薄い品物であれば油焼入れやソルト焼入れで目標の硬さは得られますので、水焼入れ鋼などの極端に焼入れ性の低い鋼種を除いては焼入れ性の問題は考えなくていいのですが、稀には小さい品物を自動化された加熱炉などで焼入れしようとする場合に、加熱して冷却過程に入るまでに時間が経過して品物が徐冷され「焼きが甘くなる」ケースがあります。　特に混載で熱処理するときには重量差を考えて装入位置などをきめるなど、周りの品物からの影響を受けないようにすることが大切です。（これは、熱処理作業上の問題ですが、小口の熱処理を依頼する場合は、懸念される問題です）

焼入れ性の良い順に　「空気（または空冷）」→「油（油冷）」→「水（水冷）」となります。それ以外の冷却方法として、ソルトバスを使用した場合は「油（油冷）より少し冷却が遅い」程度、真空炉のガス冷却の場合は「衝風空冷（扇風機を用いた空冷）と油冷の間」の冷却速度と考えます。

先にも触れましたが、一般的には焼入れした鋼材の表面から内部に行くにつれて、硬さは低下します。特に、焼入れ性の低い鋼種（たとえば　日立金属の「白紙」など「紙」のつくもの）の表面は指定の焼入れによって指定の表面硬さは出ますが、少し内部になると硬さが低下しているということです。（これを質量効果による硬さ低下」と表現されます）

焼入れ性の低い鋼種は品物の角部で硬さが高くても、厚くなるに従って（あるいは広い面の中央に行くにしたがって）硬さが低下しますが、このことによって逆に「ねばさ」が増加しますので、これが薄い刃物では使用中に折れたり割れたりしにくくなるなどの長所になります。

焼入れ性のいいもの（刃物用鋼種で言うと、たとえば日立金属の「銀*」、ATS34、大同特殊鋼のカウリXなど）は空冷や真空炉のガス冷却でも全体的に十分な硬さが出ますが、当社では、品物が薄いものについても、冷却速度を高めて安定した品質を得るために、ソルトバスによるソルト冷却をおすすめしています。

ナイフのような比較的薄いものは内部まで同一硬さになりますので、硬い物を切ったりすると折れる危険があります。　この場合は刃厚を厚くして強さを増したり、硬さを若干下げてじん性（ねばさ）をあげる必要があるということになりますが、焼入れ性の高い鋼種を全体焼入れの場合には、熱処理方法によって表面と内部の硬さを変えることは無理ですが、焼入れ性が低い鋼種では、内部の硬さが自然に低下するために、日本刀のように、内部が粘くて折れにくい品物になります。しかし、このような用途に応じた焼入操作を正確に行うには「神がかり的なワザ」が必要です。ここでは、それは説明せず、工業的に扱う内容のみを対象として説明しています。


2.　質量効果

製鋼の際に焼入れ性を高める元素（Mn・Crなど）が加えられると、油冷でも充分に硬化するようになりますが、少し大きい品物になると、焼入れの時には鋼材の内部は表面に比べて冷却速度が遅くなるので、焼入れ性を高める合金元素の量が少ないと、内部に行くに従って硬さが低下します。　これを、鋼材の「質量効果」といって、断面が大きくなるほど焼が入りにくくなリます。（表面も、内部もその影響を受けます）

焼入れ性を高める合金元素をもっとたくさん(たとえばＣｒ量を5％程度に)加えると、かなり大きな品物であっても、空気中で冷やす程度でも、中心部まで同じ硬さになります。（「空気焼入れ鋼」とか「高合金鋼」と呼ばれています）


3.　変態

別紙に鋼の熱処理に使用する温度を含めた「状態図」や合金元素の特性について示します。

そこに見られるように、鋼は温度を変化させた時に結晶構造や磁気的な性質などが大きく変わります。これを「変態」といい、変態が起こる温度を「変態点」と言います。

その様子を図にあらわしたものを「状態図（鉄炭素2元系平衡状態図）」といい、熱処理を考える基礎となります。（・・・ですが、説明の都合であげているので、このあたりの内容は聞き流す程度でいいと思います)

一般には鉄と炭素など2元素での2元系の状態図を示して説明されている事が多く、これに、合金元素（Ｃｒ・Ｍｎなど）が加わりますと、多次元的になり、その状態が複雑になります。　1元素が加わりますと次元（座標軸）が1つ増えることになって、3次元の立体以上の表現は困難です。　また、あまり研究されていないこともあって、実用鋼の状態図はほとんどつくられていないという状況です。　
ここではこれ以上は触れません。

鋼の結晶は常温では体心立方格子になっており、加熱されると面心立方格子に変態します。
ごくゆっくりと加熱または冷却すると「体心立方←→面心立方」に変態します。しかし、その速度が速くなるにつれて変態点も変化しますが、冷却時の速度が早くなってくると、全く違った性質を持つものに変わります。熱処理でいう「焼入れ」は、この変態を利用して機械的性質を変化させることです。

鋼は結晶ですので、おおよそ規則正しく結晶が並んでいます。焼なましされた状態やそれを焼入れする高温になった状態では面心立方構造となっていますが、徐冷しないで急冷する「焼入れ」をすると、体心立方構造に変化（変態）します。それが熱処理の根幹です。

この、焼入れする状態に加熱された面心立方構造のものを「オーステナイト」と言い、変態によって生じた組織を「マルテンサイト組織」といいます。

鋼の「オーステナイト」はやわらかく展延性に富みますが、「マルテンサイト」は非常に硬くてもろいものです。（ＳＵＳ316などのオーステナイト系ステンレスと呼ばれる鋼種はＣｒやＮiなどを多量に含むことで、常温でもオーステナイト状態になっています。）

焼入れされて生成した「マルテンサイト」は非常に硬く、その生成量は焼入れ冷却時の温度に依存します。（温度が低下するに従って、マルテンサイトの量が増えます）
マルテンサイトに変態させるために、焼入れの過程では、高温状態からマルテンサイトが生成する温度域までを、早く冷却するということを覚えておいてください。（冷却過程でマルテンサイトが出現する温度をMs点（エムエステン）といいます）

焼入れしても、鋼種によっては常温でも完全にマルテンサイトに変態せず、未変態のままのオーステナイトが残ります。（これを「残留オーステナイト」といい、しばしば出てきますので、記憶しておいてください。また、ステンレスと呼ばれる鋼の中に、Ms点が常温以下で、全体がオーステナイト状態のために高い不銹性が特徴のものもあります：オーステナイト系ステンレス）

このように焼入れ直後ではマルテンサイトや未変態のオーステナイトがあるので鋼が不安定な状態であり、焼入れされた品物は放置すると「焼割れ」を起こすなどの不具合が生じますので、時間を置かずに「焼戻し」する必要があります。

焼戻しは、ナイフ類では160℃〜250℃程度の比較的低い温度で実施されますが、これによって焼入れ時に生じたマルテンサイトは「焼戻しマルテンサイト」と呼ばれる「ねばさ・強さ」を持った組織に変化します。（高速度鋼など高温の強度が必要のものは550℃程度以上の焼戻しで高い硬さが出るようになっており、これを高温焼戻しと言い、250℃程度の焼戻しを「低温焼戻し」と呼んで区別する場合もあります）

マルテンサイトはオーステナイトに比べて比体積が大きいことで、焼入れすると体積膨張して「焼き割れ」「焼曲り」などが発生しやすいために、この焼入れ温度から常温までの温度と時間の管理が最も重要になります。

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Ｆｅ（鉄）に炭素やその他の元素が溶け込んでているものを「固溶体」と言います。温度が上がって面心立方に変態した状態を「オーステナイト」と呼んでいますが、この状態では、鋼は柔らかくなっているものの、固体の状態です。高温の固体の状態から冷却する過程で、組織や結晶構造などが熱を媒体として変化しています。

オーステナイト状態にある鋼を、その温度からゆっくり冷却すると、パーライト、ソルバイト、トルースタイトなどと呼ばれる混合組織になります。　（このような名前があるという認識程度でいいでしょう）

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余談ですが、一般的には「マルテンサイト＝硬い」ではありませんし、近年「形状記憶合金」や「加工誘起マルテンサイト」などというニュースでマルテンサイトという言葉が出てくることもあるようですが、今説明しているものと別の説明をする必要があります。
形状記憶合金（ニッケル-チタン合金が有名）は、焼入のような操作でマルテンサイト化した状態では柔らかく、力を加えて変形をさせた後に、焼戻しするように温度を上げてやると、加工を加える前の形状に戻るという優れものです。
加工誘起マルテンサイトとは、加工変形で未変態のオーステナイトがマルテンサイトに変態するという現象を言い、品物の破壊現象などで問題にされる場合がありますが、このHPでは、鋼を焼入れした時に硬くなるマルテンサイトだけを取り上げます。

焼入れして生じた状態のマルテンサイトは不安定で、冷却速度や温度、また鋼材の成分によってその変態量が異なります。　また、冷却部位によって冷却速度は変わりますので、品物の部分ごとにマルテンサイト生成量に差異が生じて、それが内部応力を発生させ、熱処理の不具合の原因になることがあります。

このために、焼入れして室温になった品物は放置しないで、できるだけ早く「焼戻し」することが大切です。(放置すると、変態による応力によって、品物が変形したり割れたりすることがあるので、焼入れから初回の焼戻しまでを連続して行う必要があります。）

焼戻しは、高硬度を必要とするナイフや工具の場合は160〜250℃程度で行いますが、これによって、ねばくて強い「焼戻しマルテンサイト」と呼ばれるものになり、通常はその組織の状態で使用されることになります。

詳しくは「焼戻し」の項で説明しますが、焼入れの際に、オーステナイトはマルテンサイトとそれ以外のパーライト、ソルバイト、トルースタイトと呼ばれる組織のほか、ベイナイトや未変態のオーステナイトの状態で常温で存在することになります。

（そのオーステナイトを「残留オーステナイト」といい、、これは鋼の性質に関係していますので、しばしば説明に出てきます。：このあたりは、聞き流してください）


組織と硬さ

通常、材料屋さんから購入する材料は「焼なまし」されて機械加工できるように柔らかい状態で販売されています。　焼なましは、（先の別紙の状態図に示した）変態する温度の直上まで加熱した後に炉の中などで「徐冷」する操作をいい、鋼が最もやわらかくなるようにする処理と考えると良いでしょう。（これをその他の焼なましと区別して「完全焼きなまし」あるいは「完全焼鈍：かんぜんしょうどん）」といいます）

【余談ですが、このように熱処理用語は同じ内容でもいろいろ存在しています。その不便さをなくすためにJIS規格などで用語を統一しているのですが、現場では使われているのに用語辞典には載っていないものもありますので、ここでも最新の用語でない表現もあることを了解しておいてください。】

炭素や合金量の多い鋼種では、しばしば炭化物（FeとCの炭化物以外に、他の合金成分とCの化合物があります）　を粒状に分散させて、機械加工しやすい状態にする焼なましがあり、これを「球状化焼なまし」と言います。　ナイフに用いられる鋼の多くは、この状態の焼なましが行われています。

組織を構成する「炭化物」は、「耐摩耗性」や「じん性」などの強度に影響を及ぼしますが、炭化物には「焼入れ」や「焼なまし」で素地（マトリックスと言います）に溶け込むものと解け込まないものがあります。

これらは、もちろん先程の別紙の2元系状態図では表現されていません。

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「不完全」に焼なましされた鋼材は、硬さが不ぞろいで、加工中に曲りが生じたり、加工がしにくい上に、あと工程の「焼入れ」の際にも硬さのばらつきや曲りの原因になります。

経験的には、通常販売されている鋼材では焼きなまし不良はほとんどないと考えていいのですが、高合金鋼の中には、焼なまし硬さを低く出来ないために、機械加工がやりにくいという鋼種もあります。（加工性の項を参照ください）

（以下にも、「組織」という言い方が多く出てきますが、そこで説明しますが、普通は、金属顕微鏡で観察される組織を指すと考えてください。）

遷移温度：低温では鋼がもろくなる

衝撃試験をする温度（試験片の温度）を下げていくと、一般的には衝撃値が低くなっていきます。これは、低温脆性と言われます。

　

衝撃試験をした時の脆性破面率などで定義されますが、詳しいことはさておき、この衝撃値が激減する温度を遷移温度と言い、低温で使用される低炭素の材料などでは成分などの影響が研究されています。（ここを参照）　−２０℃や−３０℃になると衝撃値が数分の一になるような研究例が多いようですが、鋼材の成分などで遷移温度が変化します。　特に炭素（C)の影響が大きく、工具などに使われる鋼はほとんどはＣ量が高いためにこの影響を避けることはできません。常温でも衝撃値の減少が始まっている鋼も多いと考えられます。寒冷地で使う工具などは、影響を受けます。　

・・・・・ですが、工具鋼を何℃以下では使わないように…などを示したデータはほとんどありません。
ただ、常温での衝撃値はほとんどの鋼についてのデータがありますので、遷移温度というのはわかっていなくても、常温以下では低温になるに従ってもろくなる・・・という意識だけは持っておくのがいいと思います。
たとえば、冷凍庫の中で作業する場合や山中や極寒地域での使用では、常温では何もなかったものが、折れたり破壊しやすくなるものと考えておいてください。　

この対策としては、一般的には「断面を大きくする」「Ｃが少なくＮｉやＭｎの多い材料を使用する」ということは考えられますが、そうなるとほかの性質が変わってきますし、本来の性質を持った適材もなくなってしまいますので、特殊な環境の場合は別に考えるという程度でいいと思います。


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