焼入れとは何ですか？鋼にどのような影響を与えますか？

刃物は研磨され製品として仕上げられるまで、多くの工程を経ます。ナイフの製造には多くの工程がありますが、主に熱処理工程に該当します。 

鍛冶屋は鋼を叩いたり切ったりして刃の形を整え、熱処理が始まります。最も一般的な熱処理技術の一つは焼き入れです。これは、鍛冶屋が高温の金属を液体の混合物に浸す方法です。

焼入れは、冷却手段として油や水を用いることが多い、単純な作業です。焼入れとは、単に熱い鋼をこれらの液体に浸して冷やすだけです。一見単純なように聞こえますが、これは刃の物理的特性と化学的特性の両方を変化させる有害なプロセスです。

鋼に焼き入れを施すことの意味を知るために、鍛冶屋学校に行く必要はありません。この記事では、焼き入れについて知っておくべきことをすべて分かりやすく解説します。

鋼の熱処理とは何ですか？

焼入れについて詳しく説明する前に、熱処理とは何かを説明しましょう。熱処理の目的を理解することで、焼入れ全体をより深く理解することができます。

熱処理とは、金属の物理的・化学的性質を様々な温度で変化させることで、その特性を人間にとって有益なものに変えることです。鋼は扱いやすい金属であり、鍛冶屋は用途に合わせてその特性を調整することができます。

焼入れは熱処理方法の一つに過ぎません。鋼の特性を変える熱処理技術は他にもあります。それらについては、詳細な記事で解説しています。続きを読む 熱処理について知っておくべきことすべて.

焼入れの目的

鋼をオーステナイト温度まで加熱すると、炭素が溶液中に放出されます。鋼をゆっくりと冷却すると、フェライト相が形成され始め、硬化に悪影響を及ぼします。徐々に冷却することで、炭素は溶液から抜け出します。これは、鋼の焼き入れ（焼鈍）や焼鈍処理の際に役立ちます。 

ここで焼入れが役に立ちます。鋼を急速に冷却することで炭素が溶液中に残り、 マルテンサイトこの結晶構造は非常に硬く、それが鋼の特性を生み出しています。

鋼の特性はどのように変化するのでしょうか?

鋼を焼き入れすると硬度が増し、他の特性も変化します。硬度は確かにナイフにとって非常に重要な特性ですが、硬度が高すぎると問題が発生する可能性があります。

マルテンサイトは非常に硬い結晶構造です。マルテンサイトによって硬度が増すと、鋼の脆さも増します。刃先は鋭い切れ味を維持するために硬くする必要がありますが、硬すぎて欠けやすくなってしまうのは避けたいものです。 

さらに、焼入れは鋼の微細組織に大きな内部応力を生み出します。そのため、ナイフ職人は焼戻しと呼ばれる別の熱処理方法を採用しています。この工程は、焼入れによって生じた内部応力を緩和することで、鋼の硬度を低下させます。

鋼の焼入れ工程

焼入れは、鋼を再結晶温度まで加熱することから始まります。鋼の種類によって、化学組成に応じた温度要件があります。鋼の種類に関わらず、この温度以上かつ融点未満でなければなりません。

鋼材をソーキング処理するために、再結晶温度で一定時間保持する必要がある場合もあります。ソーキングとは、鋼材を必要な温度に保ち、望ましい内部構造の変化が起こるまで保持することを指します。 

この内部変化が起こると、鍛冶屋は鋼を急速に冷却する必要があります。これにはいくつかの方法があります。鋼を室温まで冷却するために、様々な焼入れ媒体が使用されます。繰り返しますが、焼入れ媒体も鋼によって異なります。

焼入れ媒体 

鋼鉄やその他の類似金属には、主に以下の3つの焼入れ媒体が存在します。

• 水
• 油
• 空気

ここでは、これら 3 つの異なる媒体が焼入れプロセス中にどのように鋼を冷却するかを示します。 

水焼入れ

水は手頃な価格の焼入れ媒体です。鋼を非常に速く冷却し、最高の硬度に到達するのに役立ちます。また、水焼入れは不燃性であるため、油焼入れよりも安全です。 

ただし、これらには欠点もあります。水焼き入れはほとんどの鋼材には効果がなく、ひび割れや反りの原因となる可能性があります。鍛冶屋が焼き入れ済みの鋼材に水を使用すると、鋼材が台無しになり、使い物にならない金属片になってしまう可能性があります。同様の結果は、他のあらゆる焼き入れ媒体にもある程度当てはまります。

油焼入れ

油は、いくつかの理由から、おそらく最も人気のある焼入れ媒体です。工具鋼にとって必須の油は、深刻な歪みを引き起こすことなく鋼を十分に速く冷却します。唯一の欠点は、それに伴うコストです。 

とはいえ、焼入れ油は非常に調整可能です。最良の結果をもたらす選択肢は数多くあります。工業用であれ食品用であれ、最も適切な焼入れ油を使用することで、幅広い材料を十分に硬化させることができます。 ナイフ鋼.

空気焼入れ

一般的な刃物鋼には効果がありませんが、空気は最も簡単な焼入れ媒体です。熱くなった刃を放置して室温に戻すには、少しの忍耐が必要です。 

この焼入れ媒体に続いて鋼を冷却するより速い方法は、金属の周囲の空気を強制的に圧縮することです。圧縮空気は静止空気よりも速く刃を冷却します。しかしながら、空気焼入れは通常、鋼の特性を最適化するには遅すぎます。 

ボーナス：塩水焼入れ

さらに、塩水焼入れという方法もあります。塩水は水と塩の混合物です。この焼入れ媒体は最も速い冷却効果を発揮します。塩水は通常の水のように気泡を発生しないため、鋼材が常に液体と接触した状態を保ちます。

最適な焼入れ媒体は何ですか?

この記事全体で述べてきたように、鋼材はそれぞれ異なります。そのため、冷却速度も常に同じではありません。特定の鋼材を入力すると、最適な焼入れ媒体を見つけやすくなります。

例えば、W2鋼には水焼入れが最適ですが、 日本のVG-10.

その他の熱処理方法

前述の通り、焼入れは数ある熱処理方法の一つに過ぎません。ここでは、鋼の特性を変えるための他の熱処理方法についてまとめます。

アニーリング

焼鈍は、焼入れと同様に、鋼を再結晶温度まで加熱することから始まります。ただし、鋼は急速に冷却されるのではなく、所定の速度でゆっくりと冷却されます。焼鈍により、鋼は最も延性の高い状態になります。その目的は、圧延などの冷間加工における被削性を向上させることです。

正規化

熱処理の違いによって、鋼はナイフ作りやその他の用途において、次の工程で扱いにくくなることがあります。幸いなことに、鋼にはリセットボタンのようなものがあります。 

焼準処理は、鋼の微細組織における結晶粒径を均一化します。これは、鋼を再結晶温度まで加熱し、室温まで空冷することで行われます。ある意味では、焼準処理には空気焼入れが必要です。焼準処理の結果、鋼はより延性が高くなり、硬化しやすい状態になります。

焼き戻し

この熱処理工程は焼入れ後に行われます。前述の通り、焼入れは鋼の微細組織に内部応力を発生させます。また、鋼を過度に硬化させる可能性もあります。これにより鋼は脆くなり、割れや破損が生じやすくなるため、過剰な硬度を低減する必要があります。 

焼き戻しは内部応力を軽減し、マルテンサイト組織を軟化させることで鋼の強度を高めます。焼き戻しは、鋼を250℃程度の非常に低い温度に加熱することから始まります。鋼は所定の温度で一定時間保持され、その後、制御された速度で空冷されます。 

結論

焼入れは、鋼の硬度を高めるための重要な熱処理方法です。焼入れを行わないと、鋼が柔らかすぎて、望ましい切れ味が得られない場合があります。鋼が硬いほど、刃先の鋭さは長持ちします。 

しかし、ナイフ作りに関わるあらゆることと同様に、それは鋼材に依存します。硬度と強度の最適な範囲を決定するには、熟練した職人技が必要です。 

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