焼入油・熱処理液とは、焼入れ、焼き戻し、その他の熱処理工程において鋼やその他の金属の急速冷却や制御冷却を目的として設計されたものです。 焼入れ油の主な機能は2つあります。
オイルは、その高い沸騰範囲により、水よりも大きな利点を持っています。 典型的なオイルの沸点は、230℃から480℃の間です。 このため、対流冷却の開始が遅くなり、水による急冷の大きな問題である変態応力の解放が可能になる。
焼入れプロセス
熱処理液が金属の焼入れに使用される場合、冷却は 3 つの異なる段階、すなわち膜沸騰、核沸騰、対流熱伝達で起こります。
膜沸騰
「蒸気ブランケット」段階としても知られる膜沸騰は、最初の浸漬で起こります。 高温の金属表面と焼入れ剤の接触により、熱の供給が持ち去られる量より多いため、蒸気の層が形成されます (ライデンフロスト現象として知られています)。 蒸気層の安定性、ひいては油が鋼を硬化させる能力は、金属表面の凹凸、存在する酸化物、表面を濡らす添加物（濡れを促進し層を不安定にする）、急冷剤の分子組成（揮発性の油分解副産物の存在を含む）などに左右される。
核沸騰
部品が冷却するにつれて、ベーパー ブランケットは点で崩壊し、核沸騰 (急冷剤の激しい沸騰) が発生します。 熱伝達はこの段階で最も速く、熱伝達係数は、主に気化熱により、フィルム沸騰のときよりも 2 桁以上高くなることがあります。 急冷剤の沸点がこの段階の終了を決定する。
対流熱伝達
部品が冷却剤の沸点以下に冷却されると、対流と伝導によってゆっくりと冷却されます (「液体」ステージとも呼ばれます)。 この段階での冷却速度は遅く、油の粘度に指数関数的に依存し、油の分解の度合いによって変化する。
図1 – 新型オイルの典型的な冷却曲線と冷却速度曲線。 Image credit: Vac Aero International Inc.
理想的な冷却剤は、蒸気段階がほとんど、あるいはまったくなく、核沸騰段階が速く、対流冷却の間に遅い速度を示すものです。 高い初期冷却速度は、いわゆる臨界変態速度よりも速く急冷し、その後、金属が冷え続けるにつれて遅い速度で冷却することによって、完全な硬度を開発することを可能にします。 これにより、応力の均一化が可能となり、ワークの歪みや割れを低減することができる。
この動画では、合金鋼のオイル焼入れを紹介しています。
Video credit: groves28
オイル選択
焼入れオイルを選ぶとき、工業購買者はアプリケーションに必要となる化学、特性、流体の機能を考慮しなければならないでしょう。
化学
焼入れ媒体の化学は、アプリケーションに最適な流体を選択する際に最も考慮すべきことです。
- ストレート オイルは、原液の状態で機械加工作業に使用する非乳化性製品です。 鉱物油や石油油をベースとし、油脂、植物油、エステルなどの極性潤滑剤や、塩素、硫黄、リンなどの極圧添加剤を含むことがよくあります。 ストレートオイルは、焼入れ油の中で最も潤滑性が高く、冷却性は最も悪い。
- 水溶性およびエマルジョン油は、高水分含有油（HWCF）とも呼ばれる、高度に希釈された油です。 水溶性油剤は、水と混合するとエマルジョンを形成する。 濃縮液は、ベースとなる鉱油と、安定したエマルジョンを作るための乳化剤で構成されています。 これらのオイルは、3%から10%の濃度で希釈して使用され、良好な潤滑性能と熱伝導性能を発揮する。 産業界で広く使用されており、焼入れ液の中では最も安価である。 水溶性流体は、水-油エマルジョン、油-水エマルジョンとして使用される。 油中水型エマルションは、油の連続相を持ち、潤滑性、摩擦低減性（金属成形、絞り加工など）に優れる。
- 合成または半合成の液体またはグリースは、シリコーン、ポリグリコール、エステル、ジエステル、フロン、および合成流体と水の混合物などの合成化合物をベースにしています。 石油や鉱物油をベースとせず、有機・無機のアルカリ化合物に腐食防止用の添加剤を加えたもので、耐火性やコスト面で最も優れている。 一般的には3～10％程度に希釈して使用される。 熱処理油剤の中では最も冷却性能が高いことが多い。 リン酸エステルのような合成油の中には、塗料、配管用ネジコンパウンド、電気絶縁材などに反応したり、溶解したりするものがあります。 半合成油は、基本的に合成油と可溶性の石油または鉱物油の組み合わせである。
- マイクロディスパージョンオイルは、鉱物油、石油油、合成油をベースに、PTFE（テフロン®）、グラファイト、二硫化モリブデン、窒化ホウ素などの固体潤滑粒子を分散させたもので、その特性、コスト、熱伝達性は合成油と溶剤の中間に相当する。
特性
熱処理流体を記述するための特性は、一次か二次に分類できます。
一次
一次特性は、流体の性能を記述するものです。
- 冷却速度 / 急冷速度 – 急冷剤が工作物を冷却できる速度。 この仕様は、水との比率、または GM クエンチオメーター試験に基づく数値として与えられます。 The GM test (also called the “nickel ball” test) measures how long it takes for a nickel ball to be cooled to the point at which it becomes magnetic. The figure below gives an example of the setup for such a test.
Figure 2 – GM quenchometer test apparatus. Image credit: Machinery Lubrication
This property does not give any information about the cooling pathway, however (as demonstrated in figure 3); it merely gives the time required to cool to a certain temperature.
Figure 3 – Cooling curves for 3 different quenching oils with the same GM results. Image Credit: Machinery Lubrication
- Thermal conductivity – the measure of a fluid’s ability to transfer heat.
- 粘度 – 一般にセンチストークス (cSt) で測定される流体の厚さです。 対流段階での熱伝達は、油の粘度に指数関数的に依存し、油の分解の度合いによって変化する。 油の分解（スラッジやワニスの形成）により、最初は油の粘度が低下し、その後、分解が進むにつれて粘度が上昇する。 熱伝達率は、粘度が低いほど高くなり、粘度が高くなると低くなる。 図4は粘度の経時変化です。
図3 – 焼成油の粘度の経時変化。 Image Credit: Machinery Lubrication
- 水分量 – 焼入れ液に含まれる水の量です。 水は油と相容れず、粘度や沸点などの物性が異なるため、熱勾配の増大を招き、加工物にソフトスポットや硬度ムラ、シミを発生させることがある。 水分が混入した油を加熱すると、パチパチと音がすることがあり、これが焼き入れ油中の水分の現場定性試験の基本である。
選択のヒント: 焼入れ油には通常、0.1%未満の含水率が必要です。
- スラッジ含有量 – 熱および酸化劣化の結果、急冷剤に含まれるスラッジおよびワニスの量です。 これらの副産物は通常、急冷される際に金属表面に均一に吸着せず、不均一な熱伝達、熱勾配の増加、割れ、歪みを生じます。 また、スラッジはフィルターを詰まらせたり、熱交換器の表面を汚したりして、過熱、過度の発泡、火災を引き起こすこともある。 焼入れ油中のスラッジの相対的な量は、沈殿数で定量化することができる。
これらの画像は、新しいオイルと劣化したオイルの分析スペクトルの違いを示しています
Figure 4A – 新しいオイルと適度に劣化した冷却油の IR スペクトル。 Image credit: Machinery Lubrication
Figure 4B – 新品 vs. 高度に劣化した焼き入れ油の IR スペクトラム。 Image credit: Machinery Lubrication
二次特性
二次特性とは、流体の動作パラメーターを記述するものです。
- 動作温度 – 流体が設計されている通常の温度範囲、または流体が安全または効果的に冷却できる材料の最高温度
- 注入点 – 液体またはオイルが流れる最低温度です。
- 引火点 – 表面近くの空気中で発火性の混合物を形成するのに十分な蒸気を発生させる温度。 引火点が低いほど、材料を発火させるのが容易である。
選択のヒント: 通常の動作条件下でのオイルの最低引火点は、使用するオイル温度より 90°C (160°F) 高いはずです。
特徴
焼入れオイルや熱処理液には、多様性と機能性を付加する多くの機能があります。
- 生分解性 – 環境に放出されたときに、分解または無害な化学物質に分解されるように設計された、または適した液体です。
- 低発泡性 – 液体は泡を発生させないか、少量の泡しか発生させません。 非発泡特性は、巻き込まれた空気を取り除く添加剤の使用によって達成されます。 システムに空気を導入する漏れは、キャビテーションによるポンプの損傷を引き起こす可能性があります。
- 水置換 – 液体には、濡れ性または表面エネルギーの特性に基づいて、表面から水を置換する能力があります。 水と比較して表面エネルギーまたは界面張力が低い流体は、表面の水や湿気の下に流れます。