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焼入れ時の変態「マルテンサイト変態」

【キーワード】金属組織・臨界冷却速度・半冷曲線・Mｓ・セメンタイト・質量効果・
　　　　　　　　2次硬化・
鋼を焼入れした時に非常に硬くなります。その金属組織をみると、針状で細かい組織になっていて、非常に腐食しにくく、それを200℃程度に加熱すると、少し腐食しやすくなります。
こ れを、ドイツ人のマルテンスさんが「マルテンサイト」と名付けたようですが、腐食しにくいほうを「αマルテンサイト」、少し温度を上げて腐食しやすくなっ た組織を「βマルテンサイト（焼戻しマルテンサイト）」と区別しています。　焼入れしてから焼戻し（250℃程度以下）までの変化を、「マルテンサイトが 焼戻しマルテンサイトになることでねばさが増す」と覚えておいてください。（厳密な話はここでは取り上げませんが、以下に少しだけ専門的な話をします。）
焼入れ温度に加熱した状態は、面心立方晶ですが、αマルテンサイトは体心正方晶、βマルテンサイトは体心立方晶になっているようです。　（正方晶は、立方晶が伸びた[平たく言えば結晶の最小単位の形が正方形が長方形になった］ものと思ってください。）
結晶構造については、別図（解説も）でイメージだけを感じてください。
焼入れ温度に加熱した時には面心立方晶の「オーステナイト」が体心立方（正方）晶のマルテンサイトに変わると、体積が膨張し、硬さが非常に高くなります。
焼入れの際の冷却材は、（冷却能力の高い順から）水・油・ソルト・窒素ガス、空気などが用いられます。
鋼材の表面で焼が十分に入る最低の冷却速度を「臨界冷却速度」といい、硬化の深度と硬さの関係を「焼入れ性」として表現します。
焼 入れ性は鋼の化学成分や結晶粒度によってきまる性質で、ある成分の鋼をいろいろな冷却速度で冷却して、その時の組織と硬さの関係を示した「S曲線」や 「CCT曲線」と言われる線図から推定できますが、日立金属（株）では、実際の品物を焼入れをする場合の質量効果（mass effect マスエフェクト）との関係が実感されやすいように、「半冷曲線」という独自の表を作成して、中心まで硬さが得られる場合の直径などが視覚化できるように工夫されています。
マルテンサイトを焼戻し（一般には１６０℃～２５０℃程度）すると焼戻しマルテンサイトになって、硬さが若干低下し、ねばさ（強靭性）が増加します。　高硬度で使うナイフや工具などはこの状態で使用します。
もっと焼戻し温度を上げていくと次第に硬さが低下しますが、組織をみると、炭化物が析出する「共析反応」が進んでいると説明されます。焼入れ時の冷却速度が遅い場合の組織は、見た目は違いますが、同様の混合組織になっています。
ということで、焼入れの際にマルテンサイトに変わる速度より遅い速度で冷却されるとどうなるか・・・について考えます。
ここは、おおざっぱな説明となりますが、焼入れ性や炭化物を生成に関係する合金元素の量がどうかによって説明される内容が変わります。
合金元素が少ない場合には、冷却が遅いと冷却途中で炭化物が析出することで素地中の炭素量が減少して焼入れ硬さが低下します。　このために、一般には硬さや機械的性質も変化します。（つまり、冷却が遅いと性能が悪くなる場合が多いので、早く冷却するほうが良いと言えます）
合金量が多い場合でも、炭化物の生成を抑制することが必要なために、その温度域を早く冷やす必要がありますので、基本的には冷却速度が遅いのはダメといえます。　
し かし、問題は単純ではありません。　冷却過程では各部位の温度が異なっており、そこでいろいろな共析反応が連続的に起こっているのですから、残留オーステ ナイトが増減したり、炭化物組成が変わったり、曲がりが生じたり・・・というのを一義的に説明できません。　そしてまた、マルテンサイト量の増加は焼入れ 中の品物の温度が低下するにつれて増加するという「温度依存性」という性質があります。（焼きが入る温度以下に温度が下がっていくにしたがって「硬く」な る・・・というイメージでいいでしょう）　このようなことが「熱処理の難しさ」「ノウハウ」「熱処理技術」につながっており、ただ連続的に冷却するだけで はダメだ…という話になっていくのですが、ここではこれ以上の詳しい説明はしません。
鋼を焼入れする場合には、マルテンサイト変態は温度の低下とともに進みます。それが生成し始める温度をＭｓ（えむえす：スタートのＳ）温度といい、その生成が完了する温度をＭｆ（えむえふ：フィニッシュのｆ)温度と言います。
も ちろんＭｆ温度が常温以下の鋼も多いために、常温ではマルテンサイトにはならないオーステナイトが残ります。これを「残留オーステナイト」と言います。　 オーステナイト系ステンレスと呼ばれるものには、Msてんが常温以下となって、マルテンサイト化しないために、それがひとつの特徴となって別の用途に用い られる鋼種もあります。
残留オーステナイトについては次項で説明しています。
また、ＣｒやＭｏなどの炭化物をつくる元素が多いと、500℃以上の温度で再び硬くなります。これを２次硬化と言いますが、これらは、焼戻しの項で説明します。
（炭素工具鋼ではセメンタイト（Ｆｅ3Cの組成の炭化物）とフェライトと呼ばれる純鉄との混合組織に変化するのですが、ナイフなど、工具の熱処理には組織分類はあまり重要でありませんので、この程度にとどめます）
マ ルテンサイト変態は、先に説明したＭｓ、Ｍｆのような「温度依存」と、長時間Ｍｓ以下の温度にあれば変態する「時間依存」と、形状記憶合金などで「加工誘 起マルテンサイトの生成」で説明される「応力依存」などがあります。（ここではそれらには触れません。・・・・ちょっとしんどかったですか？）

なぜ硬くなる？

別図（解説も）をご覧ください。
そ こにある説明のほかに、マルテンサイトの結晶粒は針状となっていて、オーステナイト状態または、加熱前の状態よりも結晶粒径が小さいために「結晶粒微細 化」によっての強化が加わって硬さが上昇することや、無理やり体積変化を強いられるために「転位」などの格子欠陥ができることで「転位強化」が生じること のほか、さらに合金鋼であれば合金元素が固溶体として溶け込むことで「固溶強化」が働くし、拡散速度の大きい侵入型固溶元素である炭素やその他の元素が室 温以上のＭｓ温度では、Ｍｓから室温までの冷却中に炭素の再配列や場合によっては炭化物の析出などが起こる（セルフテンパー：自己焼戻し）などによる「析 出強化」が働くとされています。

つまり　①固溶強化　②転位強化　③細粒強化　④析出強化の４つの強化で硬くなると説明されていますが、一般には別図にある程度のおおまかなイメージだけでいいような感じがします。

炭 素鋼についてはいろいろな研究があるようですが、現在、広く用いられる工具鋼などの高合金鋼材については硬化理論を詳しく説明しているものをあまり見ませ ん。　しかし、超強力鋼などについては上記の硬化理論をもとに常に研究されていますので、興味のある方は別に学ばれるといいでしょう。

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