焼入れで鋼(はがね)が硬くなるのはなぜ? 炭素が逃げ遅れるしくみ
焼入れは、鋼(はがね)を赤く光るほど(多くの鋼で800〜950 ℃ほど)熱してから、水や油で一気に冷やす処理です。熱した鋼の中では、鉄の原子の並び方が変わって大きめのすき間ができ、そこに炭素が溶け込んでいます。急に冷やすと、炭素は外へ出る時間がないまま狭いすき間に閉じ込められ、結晶をゆがめます。このゆがみが、金属が曲がるときの原子のずれの動きを止めるので、鋼はとても硬くなります。
この記事でわかること
- 鉄と鋼の違いが、わずかな炭素の量にあること
- 熱すると鉄の原子の並び方が変わり、炭素の入り方が変わること
- 急に冷やすと炭素が逃げられず、硬いマルテンサイトになるしくみ
- 焼入れのままではもろく、焼戻しが必要な理由
- 包丁・日本刀・機械の部品・ばねでの使われ方と、炭素の少ない鉄が硬くならない理由
前提知識: 物は原子が集まってできている、という中学の理科の知識があれば読めます。
身近なところでは
刀鍛冶が、赤く光る刀を水に入れる場面を見たことがあるかもしれません。ジュッと音がして、湯気が上がります。これが焼入れです。日本刀では、約800 ℃に熱した刀身を、一気に水に入れて冷やします。
包丁、はさみ、のみ、かんなの刃にも、焼入れした鋼が使われています。工場では、ベアリング(軸受)や歯車など、すり減っては困る機械の部品も焼入れします。
不思議なのは、何も付け足していないことです。熱して冷やすだけで、同じ鋼が刃物に使えるほど硬くなります。後で見るように、刃物用の鋼では硬さが4倍以上になります。中で何が起きているのでしょうか。
鉄と鋼の違いは、炭素の量
答えの鍵は、鉄に混ざっているわずかな炭素です。鉄に炭素が少し入ったものを、鋼(はがね、こう)と呼びます。世界大百科事典では、炭素の量で次のように分けています。炭素がおよそ0.02 %以下で、ほぼ鉄だけの結晶にできるものが「鉄」です。2 %ほどまで含むものが鋼、それより多いものが鋳鉄(ちゅうてつ)です。ここでの%は、重さの割合です。
ふだんは鋼もまとめて「鉄」と呼びますが、この記事では材料を「鋼」、原子を「鉄」と書き分けます。
炭素はわずかでも、鋼の性質を大きく変えます。炭素が多いほど硬く強くなり、その代わり伸びにくく、もろくなります。硬さが要る刃物には、炭素の多い鋼が使われます。例えば、刃物や工具に使う炭素工具鋼のSK85は、炭素を約0.85 %含みます。
焼入れで硬くなるかどうかも、この炭素の量で決まります。その理由は、鉄の原子の並び方から見えてきます。
しくみ1: 熱すると、鉄の原子の並び方が変わる
金属の中では、原子が規則正しく並んでいます。これを結晶と呼びます。並び方は、小さな立方体の箱がすき間なく積み重なった形で表せます。
室温の鉄は、箱の8つの角と、箱の真ん中に原子がある並び方です。これを体心立方格子と呼びます。純粋な鉄を912 ℃より高く熱すると、箱の角と、6つの面の真ん中に原子がある並び方に変わります。これが面心立方格子です。さらに高い温度でまた体心立方に戻る変化は、焼入れに関係しないので省きます。
大事なのは、原子と原子のすき間です。炭素の原子は鉄の原子よりずっと小さく、鉄の原子のすき間に入り込みます。面心立方には、鉄の原子の直径の約40 %の球が入る、大きめのすき間があります。体心立方で炭素が入るすき間は平たくつぶれた形で、厚さは直径の約15 %しかありません。
固体のままでも、炭素の原子が鉄のすき間に入り込んで散らばることを、「溶け込む」と言います。すき間の大きい面心立方の鉄は、炭素を多く溶かし込めます(最も多いときで約2 %)。体心立方の鉄には、最も多いときでも約0.02 %しか溶け込めません。約100倍の差です。
鋼の場合は、炭素が入っているおかげで、純粋な鉄より低い温度で面心立方に変わります。鋼は727 ℃を超えると面心立方に変わりはじめます。焼入れでは、炭素の量に応じて、これより高い温度(多くの鋼で800〜950 ℃ほど)まで熱します。温度は鋼の種類によって違います。この記事に出てくる例では、刃物用の鋼SK85は775 ℃以上、ステンレスのSUS440Cは1050 ℃ほどで、よく硬くなります。こうして炭素を鉄の中に溶け込ませた高温の状態を、オーステナイトと呼びます。
しくみ2: ゆっくり冷やすと、炭素は外へ出ていく
熱した鋼を炉の中でゆっくり冷やす場合から考えます。727 ℃を下回ると、面心立方だった部分は、残らず体心立方の並びに戻ろうとします。なお、炭素の少ない鋼では、それより高い温度から一部が戻りはじめます。ところが、体心立方の鉄には炭素がほとんど入りません。溶けていた炭素は、どこかへ移らなければなりません。
炭素の原子は、鉄の原子のすき間を次々に跳び移って動きます。このような原子の移動を拡散と呼びます。移った炭素は、鉄と炭素の化合物(セメンタイト。重さの約6.7 %が炭素)の薄い板に集まります。残りは、炭素のほとんどない体心立方の鉄(フェライト)になります。
こうしてできるのが、フェライトとセメンタイトの薄い層が交互に重なったパーライトです。顕微鏡で見える結晶の種類や形の組み合わせを「組織」と呼びます。パーライトは、硬すぎず、ほどよく割れにくい(粘りのある)組織です。
しくみ3: 急に冷やすと、炭素は逃げられない
炭素が集まってパーライトができるには、時間がかかります。炭素が約0.8 %の鋼を600 ℃まで急に冷やしてその温度に保つと、パーライトができはじめるのは2〜3秒後です。いちばん早くできはじめる温度は540 ℃前後です。焼入れでは、このあたりの温度を一気に通り過ぎます。
もっと低い温度まで下がると、炭素はほとんど動けなくなります。それでも鉄の原子は、面心立方のままではいられません。そこで鉄の原子は、隣どうしで一斉に少しずつずれて、並び方を一気に変えます。この変化は、鋼の中を伝わる音の速さに近い速さで進みます。
このとき炭素は、すき間に閉じ込められたままです。本来は入りきらない量の炭素を抱えた鉄は、体心立方の箱を一つの向きに引き伸ばした形(体心正方晶)になります。こうしてできる組織を、マルテンサイトと呼びます。
しくみ4: マルテンサイトはなぜ硬いのか
金属は、割れずに曲げられます。曲げるとき、結晶の中では、原子の並びのずれ(線のような乱れ)が少しずつ動いています。このずれを転位と呼びます。転位が動きやすいほど、金属は軟らかく、曲がりやすくなります。
マルテンサイトでは、閉じ込められた炭素が、周りの結晶を大きくゆがめています。このゆがみが、転位の通り道のあちこちで転位を引き止めます。さらに、並び方が一気に変わるときに、結晶の中に転位がたくさんでき、互いにからみ合います。転位がほとんど動けないので、マルテンサイトはとても硬いのです。
溶け込んだ原子のゆがみで金属を強くするしくみを、固溶強化と呼びます。マルテンサイトは、本来溶け込める量よりはるかに多い炭素を抱えているので、この効果がとても大きく現れます。
硬さを決めるのは炭素の量
マルテンサイトの硬さは、主に炭素の量で決まります。炭素が多いほど硬くなり、0.8〜1.0 %で最高の硬さに届きます。ロックウェル硬さ(HRC、硬さを表す目盛りの一つ)で66です。それより増やしても、硬くはなりません。炭素が多いと、冷やしても面心立方のまま残る部分(残留オーステナイト)が増え、そこが軟らかいからです。
炭素の少ない鉄は、焼入れしても硬くならない
逆に、炭素の少ない鉄は、焼入れしてもあまり硬くなりません。結晶をゆがめる炭素がほとんどないからです。ケンブリッジ大学の講義資料にも、炭素のないマルテンサイトは強くない、と書かれています。
目安として、炭素が0.1 %前後までの鋼は、焼入れしてもあまり硬くなりません(世界大百科事典)。0.3 %以上あれば、実用的な硬さが得られます(新潟県工業技術総合研究所)。炭素の少ない鋼を熱して水に入れても、刃物のようには硬くならないのです。
炭素の少ない鋼でも、表面だけを硬くする方法はあります。高い温度で、表面から炭素をしみ込ませてから焼入れします。これを浸炭と呼び、歯車などに使われます。中は炭素が少ないままなので、割れにくい粘りが残ります。
数字で見る: 刃物用の鋼の硬さ
炭素工具鋼SK85(炭素約0.85 %)の例を見てみましょう。新潟県工業技術総合研究所が、焼入れの温度を変えて硬さを測った結果です。硬さは、ダイヤモンドの角を押しつけたへこみの大きさから求めるビッカース硬さ(HV)で表します。数字が大きいほど硬いことを表します。
- 熱処理前は約HV165です。775 ℃以上から焼入れすると、HV760以上になります。4倍以上の硬さです。
- 750 ℃からの焼入れでは、HV300以下にとどまりました。熱し方が足りず、面心立方に変わりきらない部分が残ったと考えられます。よく似た刃物鋼の白紙2号の試験では、750 ℃で軟らかいフェライトが残っていました。わずか25 ℃の差で、硬さが2倍以上違います。
- 熱しすぎもよくありません。温度が高すぎると、針のような粗い組織や残留オーステナイトが増え、刃が欠けたり割れたりしやすくなります。
部品の太さも効きます。炭素だけを加えた鋼(炭素鋼)では、直径が20 mmを超えると、水で冷やしても必要な速さで冷えなくなります。そのため焼きが入りにくく(焼入れで硬くなりにくく)なります。部品は外側から冷えるので、太いほど内側の冷え方が遅れるからです。
そこで太い部品には、クロムやマンガンなどを混ぜ、ゆっくり冷えてもマルテンサイトになりやすくした鋼を使います。この「焼きの入りやすさ」を焼入れ性と呼びます。焼入れ性を高めると硬くなる深さが増えますが、最高の硬さはあまり変わりません。最高の硬さは、あくまで炭素の量で決まります。
焼入れのままではもろい: 焼戻し
マルテンサイトは硬い代わりに、とてももろい組織です。ゆがんだ結晶の中に大きな力がたまっていて、ぶつけたときに欠けたり割れたりしやすいのです。そのため、焼入れのままでは機械の部品には使えません。
そこで、焼入れの後にもう一度、727 ℃より低い温度に熱します。これが焼戻しです。閉じ込められていた炭素の一部が、鉄と炭素の化合物(炭化物)のごく細かい粒として出てきます。すると、結晶のゆがみと中にたまった力がやわらぎます。硬さは下がりますが、割れにくさ(粘り強さ)が大きく戻ります。
焼戻しの温度を変えると、硬さと粘りのつり合いを選べます。刃物や工具のように硬さが大事なものは、150〜200 ℃ほどの低い温度で焼き戻します。ボルトや軸のように粘り強さが大事なものは、もっと高い温度で焼き戻します(日本製鉄の解説の例では650〜700 ℃)。
焼入れした鋼を、あとから高い温度に熱した場合も、同じ変化が進んで軟らかくなります。上のSK85では、200 ℃までの焼戻しならHV700以上を保ちました。400 ℃に1時間保つと、HV400ほどまで下がりました。
使われているところ
包丁・はさみ・のみ・かんな
刃物の刃には、炭素を多く含む刃物鋼を使い、焼入れで硬くしてから低い温度で焼き戻します。高級な刃物鋼として知られる、ヤスキハガネ(鋼の銘柄)の「白紙」もその一つです。白紙2号を775 ℃以上から水で焼入れし、180 ℃で焼き戻すと、HV800以上になります。
さびにくいステンレスの包丁には、マルテンサイト系と呼ばれるステンレス鋼が使われます。例えばSUS440Cは、炭素を約1 %、さびを防ぐクロムを約17 %含みます。新潟県工業技術総合研究所の試験では、空気中で冷やすだけで焼入れし、1050 ℃から冷やしたときに最も硬くなりました。クロムを多く含むため焼入れ性が高く、水に入れなくてもマルテンサイトになるのです。
日本刀
日本刀は、炭素の少ない軟らかい鋼を芯にして、その外側に炭素の多い硬い鋼を張って作ります。焼入れの前には、粘土に炭や砥石の粉を混ぜた土(焼刃土)を刀身に塗ります。刃になる部分には薄く、それ以外には厚く塗ります。
土を厚く塗ったところは冷え方が遅くなり、パーライトになります。土の薄い刃の側は急に冷えて、マルテンサイトになります。こうして、硬い刃と硬すぎない峰(刃の反対側の背)を1本の刀に作り分けます。焼入れでできた模様が、刃文(はもん)です。
刀の反り(ゆるやかな曲がり)も、焼入れで生まれます。刃の側だけがマルテンサイトになって体積が増える(ふくらむ)ことが、反りに関わっています。
土は「冷やさない」ためだけのものではありません。京都大学の研究(1995年)では、試験用の銀の円柱に土を塗って、熱の伝わり方を測りました。薄く塗った土は、高温のあいだ、何も塗らないときより熱をよく伝えました。
機械の部品
ベアリングや歯車も、焼入れで硬くした鋼です。全体を硬くすると割れやすい部品では、浸炭や、表面だけを電気で急に熱して冷やす高周波焼入れで、表面だけをマルテンサイトにします。
ばね
自動車のエンジンの弁ばねや、サスペンションのばねには、焼入れと焼戻しをした鋼線(オイルテンパー線)が使われます。ばねには、強く曲げても元に戻る強さと、何度曲げられても折れない粘りが必要です。その両方を、焼入れと焼戻しの組み合わせで作ります。
ただし、ばねがすべて焼入れで作られているわけではありません。ピアノ線は、熱処理で細かいパーライトにした後、細く引き伸ばして強くした線です。焼入れでマルテンサイトにする処理はしていません。
よくある誤解
誤解: 水で冷やすほど、速く冷やすほど、よく焼きが入る
実際に必要なのは、パーライトができはじめる前に、その温度の範囲を通り抜けられる速さです。それより速く冷やしても、硬さはほとんど増えません。最高の硬さは炭素の量で決まるからです。
速く冷やしすぎると、外側と内側で冷えるタイミングがずれます。マルテンサイトはできるときにふくらむので、ずれた分だけ部品が曲がったり、割れたり(焼割れ)します。そのため、焼入れ性の高い鋼は油や空気で冷やします。油は沸点が高く、焼きむらが少ない冷却剤です。水も、いつも速く冷やせるとは限りません。熱い鋼を水に入れた直後は、表面が湯気の膜に包まれ、水に直接触れるときより熱が伝わりにくくなります。また、炭素鋼を水で焼入れした実験では、水温が60〜70 ℃を超えると、焼入れの効果が大きく落ちました。
鍛冶の場面で、水に入れる瞬間が強く印象に残るために生まれやすい誤解です。
誤解: 焼入れは、表面に何かを塗って硬くする処理
実際は、鋼の中の原子の並び方を変える処理です。外から何かを付けるわけではなく、めっきや塗装とは別物です。冷やす速さが足りていれば、表面だけでなく中まで硬くなります。
日本刀で土を塗る場面がよく紹介されるので、誤解されやすいのかもしれません。あの土は、硬くするためではなく、場所ごとに冷える速さを変えるためのものです。浸炭は表面から炭素をしみ込ませますが、炭素は鋼の中に溶け込みます。硬くするのは、その後の焼入れです。
誤解: 鉄でできたものなら、何でも焼入れで硬くなる
炭素の少ない鋼は、焼入れしてもほとんど硬くなりません。また、SUS304の仲間のオーステナイト系ステンレス鋼は、冷やしても並び方が面心立方のまま変わらず、熱処理では硬くできません。高い温度から急に冷やすと、むしろ最も軟らかい状態になります。
「鉄」という言葉が、成分の違う多くの材料をまとめて指すために生まれる誤解です。