表面硬化処理

表面硬化または浸炭とは、低炭素鉄、あるいはより一般的には低炭素鋼の表面に炭素を導入して表面を硬化させる工程のことである。

炭素含有量が約0.02%を超える鉄は鋼と呼ばれます。炭素含有量が約0.25%を超える鋼は、約600 ℃（1,112 °F）まで加熱し、その後、水や油に浸して急速冷却することで直接焼入れすることができます。この冷却方法は焼入れと呼ばれます。金属部品にとって焼入れは、強度と耐摩耗性を向上させるため望ましい処理ですが、その代償として、焼入れされた鋼は一般的に、軟らかい状態よりも脆く、展延性が低下します。  

炭素含有量が約0.2%未満の鋼に硬い表面層を形成するには、粉末状の木炭や炭化水素ガスなどの炭素を豊富に含む物質の存在下で鋼を加熱することにより、表面に炭素を導入することができる。これにより、炭素が鋼の表面に拡散する。この高炭素層の厚さは曝露時間によって異なるが、0.5mmが一般的な厚さである。この処理が完了したら、鋼を加熱して急冷し、この高炭素層を硬化させる必要がある。この層の下の鋼の中心部は、炭素含有量が低いため軟らかいままである。

初期の製鉄では、鉄鉱石を木材や木炭を燃やす炉で加熱して金属鉄に変換するブルームリーが用いられていました。この方法で達成できる温度は一般的に鉄の融点よりも低かったため、厳密には製鉄ではなく、スポンジ状の金属鉄／スラグのマトリックスに変化しました。このマトリックスは、スラグをできるだけ多く除去するために再加熱とハンマーによる鍛造が必要でした。こうして、低炭素で展性のある錬鉄が作られ、工具などに鍛造されました。錬鉄は炭素含有量が少ないため非常に柔らかく、ナイフの刃などは鋭利に保つことができず、すぐに鈍くなり、簡単に曲がってしまいました。

製錬技術の向上に伴い、鉄を完全に溶かすのに十分な高温の炉が実現可能になった。しかし、その過程で鉄は加熱に使用した木炭やコークスから炭素を取り込んだ。その結果、炭素含有量が約3%の溶融鉄が得られ、これを鋳鉄と呼んだ。この溶融鉄は複雑な形状に鋳造できたが、炭素含有量が高いため非常に脆く、展延性に乏しく、ナイフの刃などには全く不向きであった。鋳鉄から余分な炭素を除去し、展延性のある錬鉄を作るには、さらなる加工が必要であった（この最終段階の発展形がベッセマー転炉とシーメンス法である）。

鋳鉄からほぼすべての炭素を除去した後、得られた金属は非常に展延性に優れていましたが、硬度は低く、加熱焼入れによる硬化もできませんでした。そこで、表面硬化処理が導入されました。表面硬化処理を施した製品は、低炭素鋼の芯材が持つ展延性と靭性、そして外側の高炭素鋼の皮膜が持つ硬度と弾力性を兼ね備えています。

鉄の表面に炭素を塗布する伝統的な方法は、鉄を粉砕した骨や木炭などの炭素を豊富に含む材料、あるいは革、蹄、塩、尿の混合物で包み、密閉された箱（「ケース」）に入れるというものでした。この浸炭処理されたパッケージを高温（ただし鉄の融点以下）に加熱し、その温度で一定時間放置します。パッケージを高温に保つ時間が長いほど、炭素は表面に深く浸透します。用途によって望ましい焼き入れの深さは異なります。鋭利な工具は、柔らかい芯を露出させることなく研削や再研磨ができるように、深く焼き入れする必要がありますが、歯車などの機械部品は、耐摩耗性を高めるために浅く焼き入れするだけで十分な場合があります。

炭素材料が上記のように混合有機物である場合、結果として生じる表面硬化部分は、顕著な表面変色を示すことがあります。鋼は著しく黒ずみ、骨や木炭中の不純物から形成される様々な化合物によって、黒、青、紫の斑模様が現れます。この酸化表面はブルーイングと同様の働きをし、ある程度の耐食性と魅力的な仕上がりをもたらします。ケースカラーリングとはこの模様を指し、銃器の装飾仕上げとしてよく見られます。

表面硬化鋼は、極めて高い硬度と極めて高い靭性を兼ね備えていますが、均質合金鋼では容易には実現できません。なぜなら、特に炭素含有量のみに硬度が依存する鋼は、脆い傾向があるからです。ニッケル、クロム、モリブデンを含む合金鋼は、非常に高い硬度、強度、伸び値を示すことができますが、低炭素鋼を芯材とする表面硬化鋼よりも高価になります。

炭素自体は浸炭温度では固体であるため、移動しません。鋼の表面への輸送は、浸炭化合物と密閉容器内に充填された酸素の分解によって生成された気体状の一酸化炭素として行われます。これは純粋な炭素でも起こりますが、作業するには遅すぎます。このプロセスには酸素が必要ですが、COサイクルを通じて再循環されるため、密閉容器（「ケース」）内で実行できます。密閉は、COが漏れ出したり、過剰な外気によって_{CO₂に酸化されたりするのを防ぐために必要です。}

炭酸バリウムのような分解しやすい炭酸塩「活性剤」を加えると、 BaO + CO ₂に分解し、次の反応が促進される。

C（ドナー由来）+ CO₂ <—> ₂ CO

COの全体的な存在量と浸炭化合物の活性を増加させる。^{[ 1 ]}

表面硬化処理に骨が使われていたというのはよくある誤解ですが、これは間違いです。骨も使われていましたが、主な炭素源は蹄と角でした。骨には炭酸塩が含まれていますが、主成分はリン酸カルシウム（ヒドロキシアパタイト）です。そのため、CO2の生成を促進する効果はなく、鋼合金にリンが不純物として混入する可能性もあります。

浸炭処理には炭素鋼と合金鋼の両方が適していますが、一般的には炭素含有量の少ない軟鋼（通常0.3%未満）が使用されます（詳細については普通炭素鋼の項を参照）。これらの軟鋼は炭素含有量が少ないため、通常は焼入れが困難です。そのため、鋼の表面を化学的に改質して焼入れ性を向上させます。浸炭処理によって炭素（浸炭）、窒素（窒化）、またはホウ素（ホウ化）を鋼の外層に高温で拡散させ、その後、表面層を所望の硬度に熱処理することで、浸炭鋼が形成されます。

表面硬化という用語は、浸炭処理そのものの実際的な性質に由来しており、本質的には古代のプロセスと同じです。鋼のワークピースは、炭素ベースの表面硬化剤でしっかりと詰められたケースの中に入れられます。これはまとめて浸炭パックと呼ばれます。パックは、さまざまな時間、高温の炉に入れられます。時間と温度によって、硬化が表面のどの深さまで及ぶかが決まります。しかし、硬化の深さは、炭素が固体鋼の奥深くまで拡散できないことによって最終的に制限され、この方法による表面硬化の典型的な深さは最大 1.5 mm です。現代の浸炭では、炭素が豊富な雰囲気での加熱など、他の技術も使用されています。小さなアイテムは、トーチで繰り返し加熱し、カセニット/カセナイト や「チェリーレッド」などの炭素が豊富な媒体で急冷することによって表面硬化することができます。これらの化合物の古い配合には、潜在的に有毒なシアン化物化合物が含まれていますが、チェリーレッドなどの新しいタイプには含まれていません。^{[ 2 ] [ 3 ]}

高圧や強い衝撃を受ける部品は、現在でも一般的に表面硬化処理が施されています。例えば、撃針やライフル銃のボルト面、エンジンのカムシャフトなどが挙げられます。このような場合、硬度が必要な表面のみを選択的に硬化処理し、部品の大部分は元の強靭な状態のまま残すことが可能です。

かつて銃器は、精密な機械加工が低炭素合金で最適に行われる一方で、高炭素合金の硬度と耐摩耗性も必要とされたため、表面硬化処理を施すのが一般的でした。現代の古い銃器のレプリカ、特にシングルアクションリボルバーの多くは、今でも表面硬化処理されたフレーム、あるいは伝統的な木炭や骨による表面硬化処理で生じる斑点模様を再現したケースカラーリングで作られています。

表面硬化処理のもう一つの一般的な用途は、ねじ、特にセルフドリリングねじです。ねじが鋼鉄などの他の材料に穴を開け、切削し、ねじ切りを行うためには、ドリル先端と形成ねじ山が、穴を開ける材料よりも硬くなければなりません。しかし、ねじ全体が均一に硬いと、非常に脆くなり、簡単に折れてしまいます。この問題は、表面のみを硬化させ、芯部を比較的柔らかく保つことで解決されます。ねじや締結具の場合、表面硬化は、加熱と焼き入れからなる簡単な熱処理によって実現されます。

盗難防止のため、錠前やチェーンは切断されにくいように表面を硬化処理することが多い一方、内部は衝撃に耐えられるよう脆さを抑えた構造になっている。表面硬化処理された部品は加工が難しいため、通常は硬化処理前に成形される。

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• 「MIL-S-6090A、軍事規格：航空機用浸炭および窒化処理に使用される鋼材のプロセス」。米国国防総省。1971年6月7日。 2019年8月29日にオリジナル（PDF）からアーカイブ。 2012年6月20日取得。