水焼入れ             [m10]

水冷で焼入れ硬化させる方法です。
油冷による焼入れは、油焼入れ、空気中で冷却することを空冷といいます。

近年、工具用の材料(鋼種)は、焼入れ性の良い鋼種が多くなって、水焼入れする鋼種は少なくなってきているのですが、切れ味の良いナイフ(包丁など)には低合金の炭素鋼が用いられることで、この焼入れ法が必須です。   


鋼を焼入れして硬化させる重要なポイントは、すばやく冷却して、非常に硬いマルテンサイトという組織以外の組織が出ないようにすることですが、速く冷やすためには水中に入れて冷やします。

水温は25℃以下で、汲み置きの水を使用するなどが必要で、管理が不十分では、冷却性能が低下します。
古くからある基本の焼入れ法ですが、難しい熱処理といえます。

水は100℃で沸騰しますので、高い焼入れ温度になった品物を水中に入れて冷却すると、伝導と対流によって品物の熱が奪われて温度が低下していくのですが、熱い品物が水に触れると接触した部分で沸騰が起こって蒸気膜ができるために、冷却能力が低下します。

この蒸気膜は、水中で品物を激しく振ったり、高圧水を噴霧するなどで冷却を助けてやると、よく焼きが入るようになります。また、塩水でも同様の効果があります。

しかし、これらによって冷却状態を改善しても、品物の表面を均一に冷却して、焼入れ硬さを均一にするのは難しいことです。

水冷が必要な鋼種は「焼入性が低い」炭素鋼や低合金鋼などですが、刃物などに用いると、刃先だけが硬化して、胴部は焼が甘くなる(硬さが充分に入らない)状態になることで、切れ味が良くて折れない強靭な刃物ができますので、これらの鋼は今日でもたくさん製造されて使用されています。


これはSK85(炭素工具鋼)の丸棒を油冷・水冷した時の表面温度の推移をパソコンでシミュレートしたものです。

ここでは詳しく説明しませんが、この鋼種は水冷して非常に切れ味の良い刃物ができるのですが、約550℃までを約3秒以内に冷やさないと、62HRC以上の硬さが出ません。
5mm以上より太い丸棒では、この条件を満たして冷却するのが難しくなってきますし、5mm径でも、油冷すると、充分な硬さが得られないこともわかります。

ここでは、冷却性能を表現する熱伝達係数hという指標を変えて計算しています。
「cal/sec.mm2.℃」という次元を持つ数値ですが、ファンを使った空冷での冷え方を1とした比では、油冷は8倍、水冷は40倍冷えやすいという数字で、水冷は非常に冷却が早いということがわかリます。

逆に速く冷えすぎることや焼入れ温度から冷却開始までの時間が短ければいけないことから、焼入れ性の良い鋼種には不向きですし、早い焼入れ操作が要求されるために、自動化(装置化)が難しいということもあって、水焼入れの設備を持たない、水焼入れをしない(できない)・・・という熱処理業者も多くなっています。

さらに、このようなシミュレーションであっても、実際に水冷で焼入れした鋼の硬さを測定すると、少し肉厚部分では、先の蒸気膜の影響で、非常にムラがある状態になります。

これはしかたがないことで、もちろんその状態でも、刃先はしっかり硬化しており、日本刀や高級料理包丁のように切れ味が抜群の刃物になるのですが、現在のように、硬さ計で測定して、その数値で製品の良否を判定すると、変な評価になってしまって具合がわるいことになってしまいます。

これらの鋼種では、硬さ判定で熱処理の良否を決めるのには無理があるのですが、反面、これらの焼入れ性の悪い鋼種には、工業的熱処理とは違った面白い世界があると言えます。



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(来歴)H30.12 文章見直し、グラフ追加。

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