焼入れシミュレーションでは何を計算しますか？

高温（オーステナイト域）から冷却剤で冷やすときの部品内部の温度の履歴を伝熱解析で求め、それと鋼の変態の特性（連続冷却変態図など）から硬さや組織の分布を予測します。さらに、温度差と変態による膨張から残留応力やひずみを求めます。熱・組織・応力が互いに影響する連成解析です。

太い部品の中心まで焼きが入らないのはなぜですか？

表面は冷却剤で急に冷えても、中心の熱は鋼の中を伝わって出ていくしかないからです（質量効果）。計算例では800→500 ℃の冷却時間が、直径25 mmの中心で水5.1秒に対し、直径100 mmでは50秒かかりました。表面は2.3秒です。中心まで硬くするには、焼入れ性の高い合金鋼を選ぶ必要があります。

冷却剤はどう選べばいいですか？

水は冷却が速い反面、表面と中心の温度差が大きく、ひずみや焼割れが起きやすくなります。例では直径100 mmの水冷で最大618 K、油冷で365 Kの温度差でした。ポリマー水溶液はその中間で、濃度で冷却の速さを調整できます。必要な冷却速度と、許容できるひずみの兼ね合いで選びます。

焼入れの熱処理シミュレーション

カテゴリ: 工業熱処理 | 2026-10-01 改稿

CAE visualization for heat treatment quench theory - technical simulation diagram

熱処理（焼入れ）シミュレーション

理論：冷え方が組織を決める

概要

🙋

直径80 mmのシャフトを水で焼入れしたら、表面は硬いのに中心が柔らかいままでした。どうしてですか？

🎓

焼入れで硬くなるのは、高温のオーステナイトの状態から、変態が起きる前に急いで冷やしてマルテンサイトにするからだ。表面は冷却剤に触れてすぐ冷えるけれど、中心の熱は鋼の中を伝わって表面まで出てこないといけない。太いほど時間がかかって、中心はゆっくり冷え、柔らかい組織になってしまう。これが質量効果だ。焼入れのシミュレーションは、まず部品の中の温度の履歴を伝熱解析で求めるところから始まるんだよ。

丸棒の伝熱

$$ \rho c_p\frac{\partial T}{\partial t} = \frac{1}{r}\frac{\partial}{\partial r}\left(k\,r\frac{\partial T}{\partial r}\right), \qquad -k\left.\frac{\partial T}{\partial r}\right|_{R} = h\,(T_s - T_q) $$

半径方向の非定常の熱伝導と、表面での冷却剤への熱伝達。実際の熱伝達率 $h$ は、蒸気膜が張る段階、激しく沸騰する段階、対流の段階で大きく変わるが、ここでは一定とした。

$$ Bi = \frac{hR}{k}, \qquad t_{8/5} = t(500\,^\circ\mathrm{C}) - t(800\,^\circ\mathrm{C}) $$

ビオ数が1を超えると、表面と中心の温度差が大きくなる。$t_{8/5}$ は800 ℃から500 ℃までの冷却時間で、焼きが入るかどうかの目安に使う。必要な値は鋼種で大きく違うので、連続冷却変態図で確かめる。

Coffee Break よもやま話

刀鍛冶の水と油

焼入れは古くから刀や刃物の製作で使われてきた。日本刀では、刃の部分だけに薄く、峰の部分に厚く焼刃土（やきばつち）を塗ってから水に入れる。刃は急に冷えて硬くなり、峰はゆっくり冷えて粘りが残る。さらに、刃が膨張するマルテンサイト変態によって、刀に特有の反りが生まれる。冷やし方を場所ごとに変えて、組織と形を同時に作り込む技術で、今の焼入れシミュレーションが扱う熱・組織・応力の連成そのものだ。

計算例：丸棒を焼入れする

850 ℃の鋼の丸棒を50 ℃の冷却剤に入れる。熱伝導率30 W/mK、体積熱容量4.6 MJ/m³K、熱伝達率は水5,000、ポリマー水溶液2,500、油1,200 W/m²K（一定）とした。800→500 ℃の冷却時間（秒）：

直径	水・中心	水・表面	ポリマー・中心	油・中心	油・表面
10 mm	1.5	1.0	2.6	5.1	5.0
25 mm	5.1	1.6	7.9	14.0	11.9
50 mm	15.2	1.9	20.6	32.5	19.9
100 mm	50.0	2.3	60.7	84.1	27.2

🙋

直径100 mmだと、水で冷やしても中心は50秒かかるんですね。

🎓

そう。水は表面を2.3秒で冷やすけれど、中心の熱は鋼の熱伝導でしか出てこない。冷却剤を強くしても、中心の冷え方はあまり速くならないんだ。直径100 mmで水から油に変えても、中心は50秒から84秒と1.7倍にしか延びない。一方、太い部品を中心まで硬くしたいなら、ゆっくり冷えても硬くなる焼入れ性の高い合金鋼を選ぶことになる。どの鋼なら何秒でよいかは、連続冷却変態図やジョミニー試験で確かめる。

例2：表面と中心の温度差

直径	水	ポリマー	油
10 mm	213 K	126 K	68 K
25 mm	373 K	248 K	146 K
50 mm	506 K	373 K	241 K
100 mm	618 K	506 K	365 K

温度差が大きいほど熱応力が大きく、変態のタイミングも表面と中心でずれるので、ひずみや焼割れが起きやすい。水冷の速さと油冷の穏やかさの中間として、ポリマー水溶液がよく使われる。

解析の進め方

冷却剤の熱伝達率を、表面温度の関数として試験（冷却曲線の測定）から求める。
温度に依存する熱伝導率・比熱と、変態の潜熱を入れて伝熱解析をする。
連続冷却変態図や変態の速さのモデルから、組織と硬さの分布を求める。
温度差と変態の膨張から残留応力とひずみを求める。
硬さの測定や切断面の組織観察、ひずみの測定と比べる。

Coffee Break よもやま話

「同じ条件なのに毎回ひずみが違う」

歯車を油で焼入れしたところ、ロットごとにひずみの大きさがばらついた——という例がある。調べると、部品を油に入れる向きと速さが作業者ごとに違い、蒸気膜が破れるタイミングが部品の面ごとにずれていた。蒸気膜の段階は熱伝達率が小さく、膜が破れると急に大きくなるので、破れる順番が違うと冷え方の偏りが生じる。入れ方を治具で統一し、油をかくはんして膜を早く破るようにしたら、ひずみのばらつきは小さくなった。焼入れの解析では、熱伝達率を一定とせず、表面の場所と時間で変わるものとして扱うことが大事だ。

よくある間違い

間違いと対策

間違い	起きること	対策
熱伝達率を一定に	蒸気膜の段階を見落とす	表面温度の関数に
冷却剤で中心を速く冷やそうとする	割れ・ひずみが増える	焼入れ性の高い鋼を選ぶ
変態の潜熱を無視	冷却曲線がずれる	潜熱を入れる
かくはん・入れ方を考えない	ひずみのばらつき	工程条件を解析に入れる
温度だけで硬さを判断	組織を見誤る	変態のモデルと組み合わせる

🙋

関連する計算を試したいです。

🎓

ジョミニー試験と焼入れ性、集中定数での冷却計算、熱処理のシミュレーター、ビオ数の計算で試せるよ。関連する工程は焼戻し、高周波焼入れ、加熱炉の解析が参考になる。