焼入れ性と鋼の焼入れ性
- 焼入れ性
焼入れ性とは、特定の条件下で焼入れを行った際に、鋼材が硬化層（マルテンサイト層）の深さを得る固有の特性を指します。
鋼材が完全に焼入れられるかどうかは、焼入れ中の鋼の臨界冷却速度（vk）に関連しています。
測定指標: 特定の条件下で標準試験片を焼入れした際に達成可能な有効硬化層深さで表現されます。
硬化層の深さ: 鋼材の表面から、マルテンサイト組織が内部で50％を占める位置までの距離を指します。硬化層の深さが大きいほど焼入れ性は高く、硬化層の深さが中心部に達すると、ワークピースは完全に焼入れられます。
2. 焼入れ性が鋼の機械的性質に及ぼす影響
焼入れ性は、鋼の機械的性質に大きな影響を与えます。ワークピースが完全に焼入れられると、その表面特性は均一で一貫性があり、鋼の機械的性質の潜在能力を最大限に発揮できます。完全に焼入れられない場合、表面特性に差異が生じます。特に高温焼戻し後、心部の靭性は表面層よりも低くなります。
同じ焼入れ条件の下では、同じ種類の鋼の焼入れ性は同一です。
硬化層の深さについては、水焼入れ > 油焼入れ; 小さなワークピース > 大きなワークピース。
3. 焼入れ性に影響を与える要因
焼入れ性は鋼の固有の特性であり、鋼の外部条件（形状、サイズ、表面積、冷却媒体など）とは無関係ですが、その臨界冷却速度と密接に関連しています。臨界冷却速度が小さいほど、鋼の焼入れ性は高くなります。
臨界冷却速度（またはCカーブの位置）に影響を与えるすべての要因（化学組成、焼入れ温度、保持時間など）は、焼入れ性に影響を与えます。
1）化学組成
- 炭素含有量：亜共析鋼、共析鋼、過共析鋼の中で、共析鋼は最も小さい臨界冷却速度を持ち、炭素鋼の中で最も高い焼入れ性を持っています。亜共析鋼の焼入れ性は、炭素含有量の増加とともに増加します。通常の焼入れ加熱温度範囲内では、過共析鋼の焼入れ性は、炭素含有量の増加とともに減少します。
- 合金元素：コバルトを除くすべての合金元素は、Cカーブを右にシフトさせ、臨界冷却速度を低下させ、焼入れ性を向上させます。
2）焼入れ温度と保持時間
加熱温度を上げ、保持時間を長くすると、鋼の焼入れ性を適切に向上させることができます。ただし、この方法は結晶粒粗大化を引き起こすため、一般的には採用されません。
4. 焼入れ性の決定：エンドクエンチ試験（ジョミニーエンドクエンチ試験）
5. 焼入れ性の応用
1）硬化層の深さの推定
部品設計中に、既知の焼入れ性曲線を使用して、部品の有効硬化層深さを推定できます。
2）硬化層の深さに基づく材料選択
有効硬化層の深さは、ワークピースの機械的性質に大きな影響を与えます。
ワークピースが完全に焼入れられると、焼戻し後に断面全体に均一に分布した組織が得られ、その機械的性質も一貫性があります。
完全に焼入れられない場合、ワークピースの心部の機械的性質は、表面硬化層よりも低くなります。
ワークピースの応力が断面に沿って均一に分布し、断面の機械的性質が一貫している場合は、高い焼入れ性を持つ鋼を選択する必要があります。
曲げまたはねじり荷重を受ける部品（シャフトなど）の場合、表面応力が最も高く、心部応力は非常に低いため、焼入れ性の低い鋼を選択する必要があります。
同じ焼入れ条件の下では、同じ種類の鋼の焼入れ性は同一です。
*焼入れ後の硬度（最大硬度に対する焼入れ性）
通常の焼入れ条件下では、マルテンサイト組織を得ることによって達成可能な最大硬度を指します。その主な影響要因はマルテンサイト中の炭素含有量に依存し、合金元素とはほとんど関係ありません。炭素含有量が高いほど、焼入れ後の硬度も高くなります。
たとえば、低炭素合金鋼は非常に優れた焼入れ性を持っていますが、焼入れ後の硬度は低いです。もう一つの例は、高炭素工具鋼で、焼入れ性は低いですが、焼入れ後の硬度は高いです。
一般的に、中炭素合金鋼40Crと炭素鋼45が比較に使用されます。前者は合金元素クロムを含んでいるため、焼入れ性は後者よりも高くなります。ただし、炭素含有量は後者よりも低いため、焼入れ後の硬度はわずかに低くなります。
注：高い焼入れ性を持つ鋼が必ずしも焼入れ後の硬度が高いとは限らず、その逆も同様です。
