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水焼き入れと油焼き入れの違い（金属組織と熱伝導の関係）-その違いとは？

30-09-202330-09-2023 Mary Davis

金属の熱処理に欠かせないのが「焼入れ」で、金属を急速に冷やして硬度や強度、靭性などの品質を得る、あるいは変化させることをいいます。

また、金属は塗布方法や媒体によって変質することがあるため、急冷することで高温にさらされる時間を短縮し、キズを防ぐことができます。

空気、油、水、塩水などが代表的な焼き入れ剤です。

焼入れには、金属を大きく変形させることなく熱を素早く伝えることができるオイルが広く使われています。水性の苛性急冷剤はスピードが速いものの、その力によって素材によっては粉々になったり歪んだりすることがあります。

油と水の違いは、記事で説明する最大のポイントです。

クエンチングプロセスとは？

焼入れとは、材料を急速に冷却して硬化させることである。焼入れ速度は、材料のグレード、用途、合金成分の組成に依存し、さらに焼入れ媒体のいくつかの特性も影響する。

焼入れは、理論的には金属やガラスを基準温度以上に加熱した後、急冷してすぐに熱を奪うことで、加熱によって失われた材料の結晶構造上の性質を変化させることができる。

金属やガラスを硬くするために、焼き入れをすることがあります。焼き入れの温度は、再結晶温度以上、融点以下でなければなりません。

クエンチングプロセスの段階

鉄鋼溶解プールの周りで作業する2人

焼入れには、高温の素材が液状の焼入れ剤に近づくと起こる3つの段階があります。これらの段階は、焼入れ剤と素材の特性の変化を規定します。 3つの段階は次のとおりです：

蒸気ステージ
核酸沸騰ステージ
コンベクションステージ

では、それらを深く見直してみましょう。

蒸気ステージ

気化の段階は、部品の高温の表面が液状のクエンチャントと最初に接触するときに現れ、素子の周りに蒸気状のシールドが形成されます。気化の段階でもある程度は伝導が生じます。

しかし、この段階での主な熱輸送手段はベーパーブランケットを介した放射であり、形成されるブランケットは比較的安定している。

除去を早めるには、攪拌するか、別の添加物を加えるしかない。さらに、この段階はできるだけ短くすることが望ましい

その理由は、焼入れ時に発生する軟らかい部分に大きく寄与するため、そのままにしておくと不要なミクロ成分が発生する可能性があるからです。

核酸沸騰ステージ

気相の次の段階であり、材料表面に近い流体が沸騰し始め、気相が崩壊し始めると始まる。部品を冷却する上で最も速い段階である。

加熱された表面からの熱伝達とその後の液体クエンチャントへの吸収により、かなりの熱抽出率が可能です。冷却された液体を表面に定着させることができます。

急冷剤の中には、液体の最大冷却速度を高めるための添加物が含まれているものがあります。沸騰は、部品の表面温度が液体の沸点以下になったときに終了します。

また、歪みやすい部品には、高温の油や塩などの媒体が適していますが、そうでない場合は、材料がもろくなり、すぐに破損してしまう可能性があるので、用途に応じて使い分けてください。

Convective Stage

対流は最終段階で、材料が急冷剤の沸点より低い温度になったときに起こります。対流はバルク流体を介して熱を伝える段階であり、その出発点は伝導です。

対流による熱の排出を制御するには、急冷剤の比熱や熱伝導率など、多くの変数が必要です。

通常、歪みの多くはこの時点で発生します。

上記の3つの焼入れ工程は、ある場所で順番に行われますが、部品の形状や攪拌によって、異なる場所で様々なタイミングで各工程が開始されることになります。

クエンチングプロセスの3つのフェーズ

クエンチングメディウム

焼入れはあらゆる媒体を介して行われるが、以下に4種類の媒体を列挙する。それぞれ、性質、接触要素、時間、熱伝達法則、関係によって長所と短所がある。

空気です： 常温で加熱された素材を冷却する方法
ブラインです： 急冷する場合は、塩と水の溶液が最も早く冷却できる媒体です。
オイルです： 空気に代わる確実で迅速な焼入れを実現します。
水です： 空気や油よりも早く液体を急冷することができる。

文献には上記の媒体に関する膨大な情報が記載されていますが、ここでは2大媒体である「油」と「水」について探ってみましょう。

ウォータークエンチング

水は油や空気よりも早く素材を冷やす性質がある。だから、水による焼き入れは速いスピードで行われる。

ブライン焼入れは、冷却時の反応が他の方法と比較して著しく厳しく、サージングウォーターが最も効果的な方法です。
この工程を行う前に、水を常温または任意の温度にし、その後、加熱された素材を冷却水に入れると、段階に応じて位相を変化させます。
水焼入れは、結果が出るのが早い。また、急冷する方法なので、お金も時間も一番かからないというメリットもある。しかし、もちろん、結果が早い分、デメリットも大きい。
また、焼き入れされた素材は、音質が良いとも悪いとも言われる。
鉄鋼の焼入れには、水による冷却が有効です。炭化した鉄鋼は、再結晶化温度以上に加熱されるため、水による冷却が可能だからです。
水焼入れは、鋼材をすぐに冷却することで、止めなければ溶けてしまうこの段階での鋼材の溶融を防ぐことができます。したがって、水焼入れは他の媒体に比べて鋼材に適しているのです。

オイルクエンチング

金属焼入れの分野で最もポピュラーな焼入れ技術のひとつが油焼入れです。金属合金の焼入れに最適な方法で、工程中に硬くもろくなることなく、必要な硬度とパワーを与えます。

油焼入れにはいくつかの長所がありますが、最大の長所は、他の焼入れ媒体に比べてゆっくりと温まり、長い時間冷却されるため、加熱された材料に安定性と硬化時間を与えることができることです。

また、焼き入れ後の素材が過度にもろくなることもなく、持ちも良いので、水や空気、塩水などの方法よりも、焼き入れ後の金属体が歪んだり割れたりする可能性が低く、好まれます。

焼き入れとは、急冷すること

水冷と油冷の違い

水と油は異なる媒体であり、焼入れ時の挙動にも違いがあります。下表は、両媒体の違いの概要をまとめたものです。

特徴	ウォータークエンチング	オイルクエンチング
熱伝導率	水の熱伝導率が高いため、冷却が早く、高硬度化しやすいのです。	油の熱伝導率は水より低いので、冷却・硬化の過程が水より遅いのです。
比熱	水の比熱は油よりも高く、水の温度を上げたり下げたりするのに必要なエネルギーが大きいことを意味します。	油の比熱は水の約50％であり、同じだけ冷やすには、より少ない熱量で冷やす必要があります。
粘度	水は油より粘度が低く、温度差でわずかに粘度が変化する。	オイルは水よりも粘度が高い。これらは調整可能であり、添加剤はその特性を非常によく変更することができます。
密度	水の密度は、油よりも高いです。	オイルは水より密度が低い。
クエンチングレート	より早く焼き入れをしたい場合は、水焼き入れが有効です。	オイルは金属を大きく歪ませることなく、素早く熱を伝えます。
最終製品	水焼入れの方が短時間でできますが、最終製品はやや脆くなります。	オイルクエンチは少し時間がかかりますが、その分、優れた製品が得られることが多いです。

水冷式と油冷式の比較

結論

鋼材の種類や用途、合金成分組成によって、焼入れ速度が異なりますが、焼入れと呼ばれる急速冷却を行うことで、材料は硬化します。
また、物質が冷える速度は、急冷剤の特性にも左右されます。今回は、油媒体と水媒体を取り上げましたが、どちらも用途によって特徴があります。
焼入れに適しているのは、金属を変化させずに素早く熱を伝える油です。水系の苛性急冷剤は短時間で処理できますが、その威力は素材によっては破壊や歪みを起こす可能性があります。