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浸炭処理は、木炭や一酸化炭素などの炭素含有物質の存在下で金属を加熱し、鉄や鋼が炭素を吸収する熱処理プロセスです。金属をより硬く、耐摩耗性を高めることが目的です。 [1]時間と温度に応じて、影響を受ける領域の炭素含有量が異なります。通常、浸炭時間が長く、温度が高いほど、炭素拡散の深さが深くなります。鉄や鋼が急冷されると、炭素含有量が多い外面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の微細構造として柔らかく強靭なままです。[2]
この製造プロセスは、次の主要な点によって特徴付けられます。低炭素ワークピースに適用され、ワークピースは高炭素ガス、液体、または固体と接触し、硬いワークピース表面が生成され、ワークピースコアは靭性と延性をほぼ維持し、最大 0.25 インチ (6.4 mm) のケース硬度深さが生成されます。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救済策として機能します。
方法
鋼の浸炭処理は、炭素源を用いて金属表面を熱処理する処理である。[3]浸炭処理は、低炭素鋼の表面硬度を高めるために使用することができる。[3]
初期の浸炭処理では、処理するサンプルの周りに木炭を直接詰めていましたが（当初は表面硬化と呼ばれていました）、現代の技術では炭素含有ガスまたはプラズマ（二酸化炭素やメタンなど）を使用しています。このプロセスは主に周囲のガス組成と炉の温度に依存しますが、熱は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、これらは注意深く制御する必要があります。ガス組成を厳密に制御する必要がある用途では、真空チャンバー内で非常に低い圧力下で浸炭が行われることがあります。
プラズマ浸炭は、ステンレス鋼をはじめとするさまざまな金属の表面特性（摩耗、耐腐食性、硬度、耐荷重性、品質に基づく変数など）を改善するためにますます使用されています。このプロセスは環境に優しいです（ガス浸炭や固体浸炭と比較して）。また、複雑な形状の部品を均一に処理できるため（プラズマは穴や狭い隙間に浸透できます）、部品処理の点で非常に柔軟です。
浸炭のプロセスは、炭素原子が金属の表面層に拡散することによって機能します。金属は金属結晶格子にしっかりと結合した原子で構成されているため、炭素原子は金属の結晶構造に拡散し、溶解したままになるか（金属の結晶マトリックス内に溶解します。これは通常、低温で発生します）、ホスト金属内の元素と反応して炭化物を形成します（ホスト金属の原子の移動度が高いため、通常は高温で発生します）。炭素が固溶体のままの場合は、鋼を熱処理して硬化させます。これらのメカニズムは両方とも金属の表面を強化します。前者はパーライトまたはマルテンサイトを形成し、後者は炭化物の形成によって強化されます。これらの材料は両方とも硬く、摩耗に耐性があります。
ガス浸炭は通常、900 ～ 950 °C の範囲内の温度で行われます。
酸素アセチレン溶接では、浸炭炎は酸素の少ない炎で、煤けた低温の炎を生成します。これは、溶接プロセス中に金属をより展性と柔軟性のあるものにするために、金属 を焼きなますためによく使用されます。
浸炭加工品を製造する際の主な目標は、加工品の表面と炭素を多く含む要素との接触を最大限にすることです。ガス浸炭および液体浸炭では、加工品はメッシュ バスケットで支えられるか、ワイヤーで吊り下げられることがよくあります。パック浸炭では、加工品と炭素が容器に収められ、接触が可能な限り広い表面積で維持されます。パック浸炭容器は通常、アルミニウムまたは耐熱ニッケルクロム合金でコーティングされた炭素鋼で作られ、すべての開口部が耐火粘土で密閉されています。
浸炭は、従来型炉（雰囲気炉）または低圧浸炭炉（LPC）のいずれかで行うことができます。[4]
- 従来型炉（雰囲気炉）：従来型浸炭は、炭素ポテンシャルを制御しながら雰囲気を制御するプロセスです。
- 低圧浸炭炉 (LPC): 低圧浸炭は酸素を使用せず、浸炭ガス (アセチレンなど) を注入して実行されます。
硬化剤
このプロセスを実行するために使用できるさまざまな種類の要素または材料がありますが、これらは主に炭素含有量の高い材料で構成されています。一般的な硬化剤としては、一酸化炭素ガス (CO)、シアン化ナトリウム、炭酸バリウム、または広葉樹木炭などがあります。ガス浸炭では、炭素はプロパンまたは天然ガスから放出されます。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 (BaCl 2 ) で構成され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木炭から放出されます。
幾何学的可能性
炭化できるワークピースにはさまざまな種類があり、炭化できる材料の形状にはほぼ無限の可能性があります。ただし、不均一な断面や非対称な断面を含む材料については慎重に検討する必要があります。断面が異なると冷却速度が異なり、材料に過度の応力が生じて破損につながる可能性があります。[5]
寸法の変化
加工品を浸炭処理すると、寸法変化を起こさずに済むことは事実上不可能です。寸法変化の程度は、使用される材料の種類、材料が受ける浸炭処理、加工品の元のサイズと形状によって異なります。しかし、熱処理に比べると変化は小さいです。[5]
ワーク材質
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す。ワークピースの表面には、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ことが必要です。これらはワークピース表面への炭素の拡散を妨げたり、阻害したりするからです。[5]
さまざまな方法を比較する
一般的に、パック浸炭装置は液体浸炭装置や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、液体浸炭法やガス浸炭法の方が高速で、機械化された材料処理に適しています。また、浸炭窒化法よりも浸炭の利点は、ケースの深さが大きい（ケースの深さは0.3インチ以上も可能）、歪みが少ない、衝撃強度が優れていることです。これにより、高強度および耐摩耗用途（ハサミや剣など）に最適です。欠点は、追加費用、作業温度の上昇、および時間の増加です。[5]
装備の選択
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および小型部品の一括個別処理に使用できます。真空浸炭（低圧浸炭またはLPC）は、ベース材料内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と、さまざまな部品に適用できます。[5]
参照
参考文献
- ^ 「鋼の炭化」。The Free Dictionary、Farlex著。2011年8月31日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2012年5月25日閲覧。
- ^ Oberg, E., Jones, F., Ryffel, H. (1989) 『機械ハンドブック第23版』ニューヨーク: Industrial Press Inc.
- ^ ab 「低炭素鋼」。efunda 。 2012年5月25日閲覧。
- ^ 「低圧浸炭 vs. 大気炉技術」ECM USA 真空炉システムメーカー。 2024年8月19日閲覧。
- ^ abcdef Robert H. Todd、Dell K. Allen、Leo Alting製造プロセスリファレンスガイド。Industrial Press Inc.、1994 年。pp. 421–426
さらに読む
- ジェフリー・パリッシュ、「炭化：微細構造と特性」、ASMインターナショナル、1999年、11ページ
- ECM USA、従来の大気圧浸炭炉システムと低圧浸炭炉システムの比較。https://www.ecm-usa.com/resources/lpc-comparison
外部リンク
- 「MIL-S-6090A、軍事仕様：航空機の浸炭および窒化に使用される鋼のプロセス」。米国国防総省。1971年6月7日。 2019年8月29日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。 2012年6月19日閲覧。