等温変態曲線を利用した熱処理は等温熱処理とよばれ、同等の金属組織が得られる通常の熱処理よりも、短時間処理が可能なこと、熱処理にともなう変形が少ないこと、機械的性質の優れたものが得られることなど、多くの利点がある熱処理法です。等温熱処理には等温焼なまし、オーステンパーおよびマルテンパーがあり、それぞれ冷却操作法と熱処理の目的が異なります。図1および図２に等温熱処理個々の冷却操作法を示します。

図１　機械構造用鋼の等温変態を利用した熱処理の冷却操作法

この処理は、図1の(A)および(B)に示したように、オーステナイト化温度からTTT曲線のノーズ付近(550～650℃)まで急冷した後、変態終了まで等温保持する焼なまし法です。通常の完全焼なましよりも大幅に処理時間が短縮されるため、機械構造用合金鋼や高合金鋼にはよく利用されています。なお、変態終了後は空冷すればよく、得られる金属組織は完全焼なましと同様にフェライト+炭化物です。等温保持する温度は低いほど高い硬さが得られ、550℃位の場合には焼ならしと同等の金属組織になります。

この処理は、オーステナイト化温度は通常の焼入温度と同じで、具体的な冷却操作を図1の(C)および(D)に示します。Ms点以上の所定の温度に保った熱浴中に焼入れし、等温保持によって過冷オーステナイトが変態を完了した後引き上げて冷却します。冷却は空冷しても問題ありませんが、工業的には塩浴の洗浄も兼ねて水冷(浸漬、シャワー)します。得られる金属組織はベイナイトですから、別名ベイナイト焼入れとも呼ばれています。

熱浴の温度は300～500℃の範囲で400℃前後の例が多く、低いほど高い硬さが得られます。第１章の1-7で紹介したように、500℃位の比較的高い温度で得られるベイナイト組織は羽毛状を呈しており、上部ベイナイトと呼ばれています。また、Ms点近くの温度で得られるベイナイト組織はマルテンサイトに似た針状を呈しており、下部ベイナイトと呼ばれています。なお、通常の焼入品には必須の焼戻しは不要です。

オーステンパー処理を施したものは、同じ硬さになるように通常の焼入れ焼戻しによって調整したものよりも、衝撃値や絞りが優れ、粘り強い性質を呈するため、ばねの熱処理法としてよく利用されている。ただし、熱浴中で所定の温度に冷却されるまではオーステナイト組織を維持する必要があるため、適用鋼種はTTT曲線ができるだけ長時間側に位置するものほど有利です。しかもあまり肉厚品には適用できません。

図２　マルテンパ(マルクエンチ)の冷却操作法

この処理は、図２に冷却操作法を示したように、通常の焼入温度からMs点直上または直下の温度に保った熱浴中に焼入れし、処理品の表面と中心部が同一温度になるまで等温保持した後、ベイナイト変態する前に引き上げて空冷します。この操作を行うと、過冷オーステナイトからマルテンサイトへの変態が徐々に進行し、しかも処理品全体が均一に冷却されますから、焼割れや焼入変形を生じにくくなります。

冷却過程ではフェライトの析出やパーライト変態を避けなければなりませんから、等温保持温度までは急冷する必要があり、しかも適用鋼種は焼入性の良いものに限られます。　得られる金属組織は通常の焼入れマルテンサイトですから、処理後の焼戻しは必須です。そのため、この処理は別名マルクエンチ(marquenching)とも呼ばれており、冷却操作としては階段焼入れ(step quenching)や時間焼入れ(time quenching)です。

また、類似の処理法として、焼入冷却を途中で中断する引上げ焼入れ(中断焼入れ)がありますが、この焼入れ法は冷却剤の温度まで冷却するのではなくて、水など低温の冷却剤を使用し、処理物がその温度に到達する前の適当な温度(Ms点近傍)で引上げて、冷却を中断するものです。この目的は、焼割れや焼入変形を防止もしくは軽減することです。

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