焼入れしたのに硬さが足りない――その原因、事前に分かる
「図面通りにHRC55以上って指定したのに、実測したら48しかなかった」。熱処理の現場でこういう経験、一度はあるんじゃないだろうか。鋼種は合っている、温度も手順通り。なのに硬さが出ない。原因は多くの場合、ワーク寸法と冷却条件に対して鋼の焼入性が足りていないこと。表面はカチカチでも、少し内側に入った途端にガクッと硬さが落ちている——Jominy曲線を知っている人なら「ああ、あれか」とピンとくるはず。
この焼入れ硬さ予測シミュレーターは、鋼種を選んでワーク寸法と冷却媒体を指定するだけで、表面硬さ・芯部硬さ・有効硬化深さを即座にシミュレーションできるツール。Jominy端焼入試験データに基づく等価冷却速度法で、断面全体の硬さ分布をグラフ表示する。焼入れ前の「見積もり」として使ってみてほしい。
なぜ焼入れ硬さ予測ツールを作ったのか
きっかけは、ある部品でS45Cのφ40丸棒に水焼入れを指定して、芯部まで焼きが入ると思い込んでいた失敗だ。実測してみると表面はHRC55あるのに、芯部はHRC28程度。S45Cの焼入性では、φ40の芯部まで硬くするのは無理だった。このとき初めて「Jominy曲線と実部品の硬さ分布の対応」を真剣に調べることになった。
既存の情報源にも不満があった。鋼材メーカーの参照表はJominy曲線そのものは載っているけれど、「自分のワーク寸法と冷却条件だとどうなるか」までは教えてくれない。等価Jominy距離の換算を手計算でやるのは面倒だし、ミスも起きやすい。CAEソフトは高価で、ちょっとした見積もりに使うにはハードルが高すぎる。
欲しかったのは、鋼種を選んで寸法と冷却条件を入れたら、即座に硬さ分布のグラフが出てくるシンプルなツール。Jominy試験データさえあれば、Grossmannの等価冷却速度法で十分な精度の予測ができる。それをブラウザ上でサクッと使えるようにしたのがこのシミュレーターだ。7鋼種のJominyデータを内蔵し、丸棒・板の両方に対応。焼割れリスクの簡易判定まで含めた。
焼入れと硬さの基礎 ── マルテンサイト変態からJominy試験まで
焼入れ 硬さ の仕組み ── なぜ鋼は硬くなるのか
鋼を高温（オーステナイト領域、一般に780〜1030°C）に加熱してから急冷すると、炭素原子が鉄の結晶格子から逃げる暇がなくなり、マルテンサイトという非常に硬い組織が形成される。これが焼入れの原理だ。
日常のたとえで言うと、「熱いうちに一気に冷やすと形が固まる」のは飴細工と同じ感覚。飴もゆっくり冷ますと結晶化して脆くなるが、急冷するとガラス状の硬い構造になる。鋼のマルテンサイト変態も本質的には同じで、冷却速度が十分に速いかどうかがすべてを決める。
冷却速度が遅いと、パーライトやベイナイトといった柔らかい組織が先にできてしまい、硬さが出ない。この「十分な冷却速度が得られるかどうか」を定量的に表す指標が**焼入性（hardenability）**だ。
焼入性 とは何か
焼入性とは、「鋼がどれだけ深くまで焼きが入るか」を示す鋼材固有の性質。焼入硬さ（最大硬さ＝主に炭素量で決まる）とは別の概念で、合金元素（Cr、Mo、Ni等）の添加量で大きく変わる。
たとえばS45CとSCM435は最大硬さが近い（HRC58 vs 55）が、焼入性は全然違う。S45Cはφ30の芯部にほとんど焼きが入らないが、SCM435ならφ50でも芯部HRC39を確保できる。合金元素がパーライト変態を遅らせるからだ。
Jominy端焼入試験 ── 焼入性の国際標準試験
焼入性を客観的に評価するJominy端焼入試験（JIS G 0561）は世界中で使われている。φ25×100mmの試験片を加熱し下端に水を噴射。端面からの距離ごとにHRC硬さを測定したグラフがJominy曲線だ。焼入性の低い鋼（S45C）は急激に硬さが落ち、高い鋼（SKD11）はほぼフラットなカーブを描く。
Jominy等価距離法 ── 実部品の硬さ予測
Jominy試験のデータを実部品の硬さ予測に使うのが等価Jominy距離法（Grossmann法）だ。考え方はシンプルで、「実部品のある位置での冷却速度が、Jominy試験片の何mm位置と等価か」を計算する。
丸棒の場合、表面の等価Jominy距離は:
J_surface = D / (8√H + 3)
芯部は:
J_core = D / (2√H + 2)
ここでDは直径（mm）、HはGrossmannの冷却剤H因子（水=1.0、油=0.35、ポリマー=0.6、空冷=0.08）。H因子が大きいほど冷却が速く、等価Jominy距離が短くなる（＝硬さが高い）。
このJominy距離をJominy曲線に照合すれば、その位置のHRC硬さが分かる。実にエレガントな手法だ。
熱処理の硬さ予測が設計品質を左右する理由
硬さ不足がもたらす実害
焼入れ硬さの予測を怠ると、どんな問題が起きるか。最も深刻なのは使用中の摩耗や疲労破壊だ。歯車の歯面硬さがHRC55を想定していたのにHRC45しかなければ、ピッチング摩耗の寿命は設計値の半分以下になりうる。軸受の転走面が硬さ不足なら、早期のフレーキングにつながる。
JIS B 6912（歯車の曲げ強さ計算）では、許容応力の算出に表面硬さが直接関わる。想定硬さと実際の硬さにHRC5以上のギャップがあれば、強度計算そのものがやり直しになる。
焼割れのコスト
逆に、硬さを確保しようとして冷却を強くしすぎると焼割れが発生する。高炭素鋼（C≧0.5%）の水焼入れは特にリスクが高い。φ20以下の小径ワークにSK85を水焼入れすると、マルテンサイト変態の体積膨張で内部に引張残留応力が生じ、割れに至ることがある。
熱処理後の焼割れは検査で見つかれば廃棄、見逃せば市場でのクレームや事故につながる。焼割れのリスクを事前に把握し、必要に応じて油焼入れやポリマー液への切り替えを検討することが、廃棄コストの低減と安全確保の両面で重要だ。
鋼種選定への影響
「焼入性が足りない」ことが後工程で判明すると、鋼種変更という手戻りが発生する。S45Cで設計した部品がφ50で芯部硬さを要求されるなら、SCM435やSNCM439への変更が必要。材料費は上がり、加工条件も変わり、場合によっては図面改訂から承認のやり直し。設計段階で焼入れ後の硬さ分布を予測しておけば、こうした手戻りを未然に防げる。
焼入れ硬さ予測が威力を発揮するシーン
鋼種選定の初期検討
部品設計の初期段階で「この鋼種・この寸法で要求硬さを満たせるか」を即座に確認できる。S45Cでは足りないからSCM435に、それでも芯部が不足ならSNCM439に——といった鋼種のステップアップ判断を数値で裏付けられる。
冷却条件の最適化
水焼入れで焼割れリスクが高い場合、油やポリマー液に変えたときの硬さ低下がどの程度かを事前に把握できる。「油焼入れでも表面HRC50を確保できるなら、焼割れリスクを下げたほうが得策」といった判断が即座にできる。
受入検査の判定基準
熱処理後の硬さ検査で「この値は妥当か」を判断するための参照値として使える。実測値と予測値に大きな乖離があれば、加熱温度や冷却の不均一など、工程上の問題を疑うきっかけになる。
材料工学の学習
Jominy曲線・焼入性・冷却速度の関係を直感的に理解するための教育ツールとしても有効。鋼種や冷却条件を変えたときに硬さ分布がどう変化するか、グラフで即座に確認できる。
焼入れ硬さ予測シミュレーターの使い方（3ステップ）
ステップ1: 鋼種を選ぶ
ドロップダウンから鋼種を選択する。S45C、SCM435、SCr420、SUJ2、SK85、SKD11、SNCM439の7鋼種がプリセットされている。選択するとJominy曲線データが自動でロードされ、理想臨界直径やオーステナイト化温度も表示される。
ステップ2: ワーク条件を入力する
「丸棒」か「板」をセグメントボタンで切り替え、寸法（直径 or 板厚）をmm単位で入力。続いて冷却媒体を水・油・ポリマー・空冷から選ぶ。板の場合は内部で等価直径（板厚×1.3）に自動換算される。
ステップ3: 硬さ分布を確認する
入力と同時に結果が表示される。表面硬さ・芯部硬さ・有効硬化深さの数値に加え、断面の硬さ分布グラフで表面から芯部への硬さ低下を視覚的に確認できる。焼割れリスクの判定（低/中/高）も表示されるので、冷却条件の妥当性もチェックできる。
焼入れ硬さ予測の使用例 ── 6つの鋼種×条件パターン
ケース1: S45C 丸棒φ30 水焼入れ（汎用調質鋼の基本パターン）
入力: 鋼種=S45C、形状=丸棒、直径=30mm、冷却=水
結果: 表面硬さ=HRC 55.5、芯部硬さ=HRC 30.0、有効硬化深さ=5.0mm、焼割れリスク=中
解釈: S45Cは焼入性が低く、φ30でも芯部までマルテンサイトにはならない。有効硬化深さ5mmは表面近くの薄い層だけが硬い状態。芯部まで硬さが必要ならSCM435以上への変更を検討すべき。
ケース2: SCM435 丸棒φ50 油焼入れ（合金鋼の標準処理）
入力: 鋼種=SCM435、形状=丸棒、直径=50mm、冷却=油
結果: 表面硬さ=HRC 51.4、芯部硬さ=HRC 39.1、有効硬化深さ=8.4mm、焼割れリスク=低
解釈: Cr-Mo合金の効果で油焼入れでもφ50表面にHRC51を確保。芯部もHRC39と、S45C水焼入れ（φ30でHRC30）より遥かに良い。油焼入れで焼割れリスクも低く、実務で最も多いパターン。
ケース3: SKD11 丸棒φ80 空冷（高焼入性鋼の空冷硬化）
入力: 鋼種=SKD11、形状=丸棒、直径=80mm、冷却=空冷
結果: 表面硬さ=HRC 59.0、芯部硬さ=HRC 54.5、有効硬化深さ=40.0mm（完全焼入れ）、焼割れリスク=低
解釈: Cr12%系の高合金で焼入性が極めて高く、φ80空冷で断面全体が完全焼入れ。Jominy曲線がほぼフラットなため冷却速度による硬さ差がない。金型に多用される理由がこの結果に凝縮されている。
ケース4: SUJ2 丸棒φ20 水焼入れ（軸受鋼の小径ワーク）
入力: 鋼種=SUJ2、形状=丸棒、直径=20mm、冷却=水
結果: 表面硬さ=HRC 64.8、芯部硬さ=HRC 62.0、有効硬化深さ=10.0mm（完全焼入れ）、焼割れリスク=高
解釈: C=1.0%の高炭素クロム鋼で、φ20なら完全焼入れ。ただし水焼入れ×小径は焼割れリスク「高」。実務ではSUJ2は油焼入れが基本。「硬さは出るが焼割れする」という典型例。
ケース5: SK85 板厚6mm 水焼入れ（炭素工具鋼の薄板）
入力: 鋼種=SK85、形状=板、板厚=6mm、冷却=水
結果: 表面硬さ=HRC 65.0、芯部硬さ=HRC 64.4、有効硬化深さ=3.0mm（完全焼入れ）、焼割れリスク=高
解釈: 焼入性の低いSK85でも板厚6mm（等価直径7.8mm）なら全断面硬化。ただし高炭素×水×薄板は焼割れリスクが非常に高く、即座の焼戻しが必須。「薄ければ全断面硬化するが焼割れしやすい」というトレードオフの典型。
ケース6: SNCM439 丸棒φ60 油焼入れ（大型部品向け高焼入性鋼）
入力: 鋼種=SNCM439、形状=丸棒、直径=60mm、冷却=油
結果: 表面硬さ=HRC 52.8、芯部硬さ=HRC 45.4、有効硬化深さ=18.5mm、焼割れリスク=低
解釈: Ni-Cr-Mo系で最高レベルの焼入性。φ60油焼入れでも芯部HRC45を維持し、SCM435（φ50で8.4mm）を大きく上回る有効硬化深さ。大断面で芯部強度が必要なクランクシャフトや大型ボルトに最適。
焼入れ硬さ予測の仕組み ── Jominy等価冷却速度法のアルゴリズム
候補手法の比較
焼入れ後の硬さ分布を予測する手法は大きく3つある。
| 手法 | 精度 | コスト | 適用範囲 |
|---|---|---|---|
| FEM熱伝導解析+CCT図 | 高 | 高（専用ソフト必要） | 複雑形状・任意条件 |
| Jominy等価距離法（Grossmann法） | 中〜高 | 低（データと計算式のみ） | 単純形状（丸棒・板） |
| 経験式・参照表 | 低〜中 | 最低 | 特定鋼種・特定条件のみ |
本ツールではJominy等価距離法を採用。ASTM A255準拠のJominy試験データに基づき、単純な計算式で実用的な精度の予測ができる。プリセット鋼種のデータ内蔵で、鋼種を選ぶだけで計算可能。
計算フロー
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ワーク寸法の等価処理 丸棒 → D = 入力直径 板 → D = 板厚 × 1.3（Grossmannの等価直径）
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等価Jominy距離の算出 表面: J_s = D / (8√H + 3) 芯部: J_c = D / (2√H + 2) 中間: J(f) = J_s + (J_c - J_s) × f² f = 2d/D（d: 表面からの距離）
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Jominy曲線からの硬さ内挿 Jominyデータは1.5mm刻み（index 0 = 1.5mm） index = (J / 1.5) - 1 → 前後の値で線形内挿
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有効硬化深さの判定 HRC50基準で、硬さ分布から線形内挿で深さ算出 全断面がHRC50以上なら「完全焼入れ」（depth = R）
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焼割れリスクの判定 C≧0.5% × 水 × φ<20 → 高リスク C≧0.4% × 水 → 中リスク その他 → 低リスク
計算例: S45C φ30 水焼入れ
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条件: S45C、丸棒φ30mm、水焼入れ（H=1.0）
① J_surface = 30/(8×1.0+3) = 2.73mm → S45C Jominy内挿 → HRC 55.5
② J_core = 30/(2×1.0+2) = 7.50mm → S45C index 4 → HRC 30.0
③ HRC50基準で有効硬化深さ → J≈3.75mmを逆算 → 約5.0mm
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この計算を表面から芯部まで12点で実行し、硬さ分布グラフを生成している。H因子の詳細はGrossmannの焼入性理論を参照。
焼入れ硬さ予測シミュレーターは何が違うのか
「焼入れ 硬さ 予測」で検索すると、メーカーの技術資料やJominy曲線の画像がヒットする。だが、それらは特定鋼種の参考データであって、手元のワーク寸法と冷却条件を入れて「この部品は表面何HRC、芯部何HRCになるか」を即座に返してくれるものではない。
鋼種DB内蔵で選ぶだけ
7鋼種のJominy曲線データをプリセット。選択するだけで炭素量・Di・オーステナイト化温度が自動ロードされる。カスタムモードならプリセットにない鋼種にも対応可能。
硬さ分布グラフで「見える」
表面と芯部の2点だけでなく、10点以上の硬さプロファイルを折れ線グラフで描画。HRC50基準線と有効硬化深さマーカーで「どこまで硬さが入っているか」が一目瞭然。
焼割れリスクの自動判定
炭素量・冷却媒体・ワーク寸法の組み合わせから、焼割れリスクを低・中・高の3段階で自動判定する。高炭素鋼の水焼入れなど、現場で見落としがちな危険な組み合わせを即座に警告してくれるのは、単なる硬さ計算ツールにはない機能だ。
Excel自作シートでJominy換算している技術者も多いだろうが、鋼種追加のたびにデータ手入力＋グラフ更新＋焼割れ判断は経験頼み、という運用からはそろそろ卒業してもいい。
焼入れと鋼の硬さにまつわる豆知識
Jominy試験の誕生 ― 1938年、たった1本の試験片から
Jominy端焼入試験は、1938年にアメリカの冶金学者Walter Jominyが考案した。25mmφ×100mmの丸棒試験片をオーステナイト化温度に加熱し、下端に水を噴射して冷却する。たったこれだけの試験で、鋼材の焼入性を定量的に評価できるようになった。
この試験が画期的だったのは、1本の試験片の中に「急冷（水噴射端）」から「徐冷（反対端）」までの連続的な冷却速度勾配が再現される点だ。試験片の側面を1.5mm間隔で硬さ測定すれば、冷却速度と硬さの関係が1回の試験で得られる。現在もJIS G 0561やASTM A255として国際的に使われ続けている、材料試験の古典にして現役の手法だ。
日本刀の「焼入れ」と現代技術の接点
日本刀の刃紋（はもん）は焼入れ硬さ分布の可視化そのもの。刃先に薄く、棟側に厚く焼刃土を塗って水に入れることで、刃先だけ急冷しHRC60以上の高硬度にする。「部位ごとに冷却速度を変えて硬さを制御する」発想は現代の高周波焼入れと同じ。参考: 日本刀の焼入れ - 刀剣ワールド
理想臨界直径（Di）の「理想」とは
理想臨界直径という名前の「理想」は、「理想的に急速な冷却」を意味する。具体的には、表面の熱伝達係数が無限大（H=∞）、つまり表面温度が瞬時に冷却剤の温度になるという仮定だ。現実にはそんな冷却は存在しないが、この理想条件での臨界直径を基準にすることで、異なる冷却条件間の比較が可能になる。Grossmannが1940年代に導入したこの概念は、焼入性の評価基準として今も広く使われている。
焼入れ硬さ予測を使いこなすTips
1. 理想臨界直径（Di）で鋼種の焼入性を比較する
Diが大きいほど焼入性が高い。本ツールのプリセットで比較すると、SK85（Di=12mm）< S45C（Di=18mm）< SUJ2（Di=30mm）< SCr420（Di=40mm）< SCM435（Di=65mm）< SNCM439（Di=90mm）< SKD11（Di=120mm）という序列になる。大きな部品に芯部まで焼きを入れたいなら、Diの大きな合金鋼を選ぶのが鉄則。
2. 板と丸棒の等価直径を意識する
板（厚さt）と丸棒（直径D）では冷却速度が異なる。本ツールではGrossmannの経験式で板厚に1.3を掛けて等価直径に変換している。つまり板厚20mmの板は、直径26mm相当の丸棒と同じ焼入れ挙動を示す。板物の硬さを丸棒データから推定するときは、この換算を忘れずに。
3. ポリマー焼入れ液は「調整できる」のが強み
水焼入れ（H=1.0）と油焼入れ（H=0.35）の間を埋めるのがポリマー焼入れ液（H=0.6）。濃度を変えることでH因子を0.2〜0.8程度の範囲で調整できるため、「水では焼割れるが油では硬さが足りない」という鋼種・寸法の組み合わせに最適な冷却条件を探れる。シミュレーターで水・油・ポリマーを切り替えて結果を比較してみて。
4. 焼割れリスクが「高」と出たら冷却媒体を見直す
高炭素鋼（C≧0.5%）の水焼入れ、特に小径ワークでは焼割れリスクが高い。ツールが「高リスク」と判定したら、油焼入れやポリマー液への変更を検討しよう。SKD11のような高合金鋼なら空冷でも十分な硬さが得られる場合がある。
よくある質問（焼入れ硬さ予測シミュレーター）
焼戻し後の硬さも予測できる？
現バージョンでは焼入れままの硬さのみ。焼戻し後の硬さは温度・時間に依存し、鋼種ごとの軟化曲線データが必要。実務では「200℃焼戻しでHRC2〜3低下」と経験的に見積もることが多い。
浸炭焼入れの硬さも計算できる？
浸炭焼入れでは表面の炭素濃度が母材より高くなるため、単純なJominy曲線の適用ができない。SCr420など浸炭用鋼のプリセットは搭載しているが、これは母材炭素量（0.20%）でのJominy曲線であり、浸炭後の表面炭素量（0.7〜0.9%程度）の硬さは反映していない。浸炭部品の表面硬さ予測には、浸炭後の炭素濃度分布を考慮した専用モデルが必要だ。
実測値とどの程度一致する？
一般的にHRC±3〜5程度の精度。加熱条件・冷却均一性・表面状態などが影響するため、設計段階の目安として使い、重要部品は必ず実測で検証してほしい。Jominyデータのロット間バラつき（Hバンド）も考慮が必要。
入力した寸法や条件のデータはサーバーに送信される？
すべての計算はブラウザ内のJavaScriptで完結しており、サーバーへのデータ送信は一切行っていない。入力した鋼種・寸法・冷却条件のデータはブラウザを閉じた時点で消える。安心して社内データの検討に使ってほしい。
カスタム鋼種で入力する「理想臨界直径」はどこで調べる？
鋼材メーカーのカタログやJIS G 4051〜G 4053の附属書にDi値が記載されていることが多い。化学成分からDiを推定する経験式（Grossmann式）も広く使われており、成分表があれば概算可能。
まとめ ― 焼入れ設計の第一歩をシミュレーターで
鋼種を選んで寸法と冷却条件を入れるだけで、表面硬さ・芯部硬さ・有効硬化深さ・焼割れリスクが即座にわかる。Jominy等価冷却速度法に基づく予測で、熱処理設計の検討初期段階を大幅に効率化できる。
硬さの単位換算が必要になったら硬さ換算ツールを、焼入れ時の熱伝達や冷却時間の検討には伝熱計算ツールをあわせて活用してみて。
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