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浸炭処理とは、鉄や鋼を炭素含有物質（木炭や一酸化炭素など）の存在下で加熱し、炭素を吸収させる熱処理プロセスです。目的は、金属をより硬く、耐摩耗性を高めることです。[ 1 ]時間と温度によって、影響を受ける領域の炭素含有量は異なります。浸炭時間が長く、温度が高いほど、炭素拡散の深さは一般的に大きくなります。鉄や鋼を急冷すると、外表面の炭素含有量が高い部分はオーステナイトからマルテンサイトへの変態により硬くなりますが、中心部はフェライトやパーライト組織として柔らかく、靭性を保ちます。[ 2 ]
この製造プロセスは、以下の重要な特徴を備えています。低炭素ワークピースに適用され、ワークピースは高炭素の気体、液体、または固体と接触し、ワークピース表面を硬化させ、ワークピースのコアは靭性と延性をほぼ維持し、最大0.25インチ（6.4 mm）の表面硬化層を形成します。場合によっては、製造プロセスの初期段階で発生した望ましくない脱炭の対策としても機能します。
鋼の浸炭処理は、炭素源を用いて金属表面を熱処理するものである。[ 3 ]浸炭処理は、低炭素鋼の表面硬度を高めるために使用できる。[ 3 ]
初期の浸炭処理では、処理対象試料の周囲に木炭を直接塗布する方法が用いられていました（当初は表面硬化と呼ばれていました）。しかし、現代の技術では、炭素含有ガスやプラズマ（二酸化炭素やメタンなど）が使用されます。この処理は、主に周囲のガス組成と炉の温度に依存しており、熱が材料の残りの部分の微細構造にも影響を与える可能性があるため、これらを慎重に制御する必要があります。ガス組成を厳密に制御したい用途では、真空チャンバー内で非常に低い圧力下で浸炭処理を行うこともあります。
プラズマ浸炭は、ステンレス鋼をはじめとする様々な金属の表面特性（耐摩耗性、耐食性、硬度、耐荷重性、品質特性など）を向上させるために、ますます広く利用されています。このプロセスは（気体浸炭や固体浸炭と比較して）環境に優しく、複雑な形状の部品にも均一な処理が可能であるため（プラズマは穴や狭い隙間にも浸透できる）、部品処理の面で非常に柔軟性があります。
浸炭処理は、炭素原子が金属の表面層に拡散することによって行われます。金属は原子が金属結晶格子にしっかりと結合してできているため、炭素原子は金属の結晶構造に拡散し、固溶体（金属結晶マトリックス内に溶解した状態。これは通常、低温で起こります）として残るか、母材金属中の元素と反応して炭化物を形成します（これは通常、母材金属の原子の移動度が高いため、高温で起こります）。炭素が固溶体として残る場合、鋼は熱処理によって硬化されます。これらのメカニズムはいずれも金属の表面を強化し、前者はパーライトまたはマルテンサイトの形成によって、後者は炭化物の形成によって強化されます。これらの材料はどちらも硬く、耐摩耗性に優れています。
ガス浸炭処理は通常、900～950 ℃の温度範囲で行われる。
酸素アセチレン溶接において、浸炭炎とは酸素濃度が低い炎のことで、煤が多く、温度が低い炎です。これは金属を焼きなまし、溶接工程中に金属の展延性と柔軟性を高めるためによく用いられます。
浸炭処理されたワークピースを製造する際の主な目的は、ワークピース表面と炭素を豊富に含む元素との接触を最大限に確保することです。気相浸炭や液相浸炭では、ワークピースはメッシュバスケットで支えられたり、ワイヤーで吊り下げられたりすることがよくあります。パック浸炭では、ワークピースと炭素が容器内に密閉され、可能な限り広い表面積で接触が維持されるようにします。パック浸炭用の容器は通常、炭素鋼にアルミニウムまたは耐熱ニッケルクロム合金をコーティングし、すべての開口部を耐火粘土で密閉して作られます。
浸炭は、従来型炉（雰囲気炉）または低圧浸炭炉（LPC）のいずれでも行うことができる。[ 4 ]
このプロセスを実行するために使用できる元素または材料にはさまざまな種類がありますが、これらは主に高炭素含有量の材料で構成されています。代表的な硬化剤には、一酸化炭素ガス（CO）、シアン化ナトリウム、炭酸バリウム、または広葉樹炭などがあります。ガス浸炭では、炭素はプロパンまたは天然ガスから発生します。液体浸炭では、炭素は主にシアン化ナトリウム（NaCN）と塩化バリウム（ BaCl₂ ）からなる溶融塩から得られます。パック浸炭では、一酸化炭素はコークスまたは広葉樹炭から発生します。
浸炭できるワークピースは多種多様であり、浸炭できる材料の形状はほぼ無限の可能性を秘めている。ただし、不均一または非対称な断面を持つ材料については、慎重な検討が必要である。断面が異なると冷却速度が異なり、材料に過度の応力が発生して破損につながる可能性がある。[ 5 ]
ワークピースに浸炭処理を施すと、寸法変化が全く生じないことは事実上不可能です。これらの変化の程度は、使用される材料の種類、材料が受ける浸炭処理、およびワークピースの元のサイズと形状によって異なります。ただし、変化は熱処理操作に比べると小さいです。[ 5 ]
一般的に炭化される材料は、初期炭素含有量が0.2～0.3%の低炭素鋼および合金鋼である。加工物の表面には、炭素が加工物表面に拡散するのを妨げたり阻害したりする油、酸化物、アルカリ溶液などの汚染物質が付着していない必要がある。[ 5 ]
一般的に、パック浸炭装置は液体またはガス浸炭装置よりも大きなワークピースに対応できますが、液体またはガス浸炭法はより高速で、機械化された材料ハンドリングに適しています。また、炭窒化に対する浸炭の利点は、浸炭深さが大きいこと（0.3 インチを超える浸炭深さが可能）、歪みが少ないこと、および耐衝撃性が高いことです。そのため、高強度で耐摩耗性に優れた用途（ハサミや剣など）に最適です。欠点としては、コストの増加、作業温度の上昇、および時間の増加が挙げられます。[ 5 ]
一般的に、ガス浸炭は大型部品に使用されます。液体浸炭は小型および中型部品に使用され、パック浸炭は大型部品や小型部品のバルクでの個別処理に使用できます。真空浸炭（低圧浸炭またはLPC）は、基材中の合金元素に応じて、油または高圧ガス焼入れ（HPGQ）と組み合わせて使用することで、幅広い部品に適用できます。[ 5 ]