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表面硬化または浸炭処理は、低炭素鉄、またはより一般的には低炭素鋼の物体の表面に炭素を導入して表面を 硬化させるプロセスです。
炭素含有量が約 0.02% を超える鉄は鋼として知られています。炭素含有量が約 0.25% を超える鋼は、約 600°C に加熱し、その後、多くの場合は水または油に浸して急速に冷却する、いわゆる焼き入れによって直接硬化させることができます。金属部品では、硬化により強度と耐摩耗性が向上するため望ましいのですが、その代償として、硬化した鋼は一般に、柔らかい状態よりも脆く、展性が低くなります。
炭素含有量が約 0.2% 未満の鋼に硬い表皮を作るには、粉末炭や炭化水素ガスなどの炭素を多く含む物質を鋼に添加して加熱することで、鋼の表面に炭素を導入します。これにより、鋼の表面に炭素が拡散します。この高炭素層の深さは、露出時間によって異なりますが、0.5 mm が標準的な硬化深さです。この処理が完了したら、鋼を加熱して急冷し、この高炭素の「表皮」を硬化させます。この表皮の下では、炭素含有量が低いため、鋼の芯は柔らかいままです。[引用が必要]
歴史
初期の鉄の 製錬では、鉄鉱石を木炭や木材を燃やす炉で加熱して金属鉄に変換する塊鉄炉が使用されていました。この方法で達成できる温度は一般に鉄の融点より低いため、鉄は真に精錬されたわけではなく、スポンジ状の金属鉄/スラグマトリックスに変換されました。このマトリックスは、その後、工具などに鍛造できる低炭素の可鍛性錬鉄を生成するために、再加熱とハンマーで叩いてスラグをできるだけ多く抽出する必要がありました。炭素含有量が低いため、錬鉄は非常に柔らかく、ナイフの刃のようなものはあまり鋭く保てず、すぐに鈍くなり、簡単に曲がってしまいます。[引用が必要]
製錬技術が進歩するにつれ、鉄を完全に溶かすのに十分な高温の炉を実現できるようになりました。しかし、その過程で、鉄は加熱に使用された木炭やコークスから炭素を吸収します。その結果、炭素含有量が約 3% の溶融鉄が生成され、鋳鉄と呼ばれます。この溶融鉄は複雑な形状に鋳造できますが、炭素含有量が高いため非常に脆く、全く展性がなく、ナイフの刃のようなものにはまったく適していませんでした。鋳鉄から余分な炭素を取り除き、展性のある錬鉄を作るには、さらに処理する必要がありました(この究極の開発がベッセマー転炉とシーメンス法です)。
鋳鉄からほぼすべての炭素を除去すると、非常に展性と延性があるものの、硬度がそれほど高くなく、加熱や焼き入れによって硬化することもできない金属ができました。これが表面硬化の導入につながりました。結果として得られる表面硬化製品は、低炭素鋼コアの展性と靭性の多くと、高炭素鋼外皮の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従来の方法は、粉砕した骨と木炭、または革、蹄、塩、尿を組み合わせた炭素を豊富に含む材料の混合物に鉄を詰め、すべて密閉された箱 (「ケース」) に入れます。この浸炭パッケージは、鉄の融点よりも低い温度に加熱され、その温度で長時間放置されます。パッケージを高温に保持する時間が長いほど、炭素は表面のより深いところに浸透します。目的に応じて、異なる深さの硬化が望まれます。鋭利な工具は、柔らかい芯を露出させずに研ぎ直しができるように深い硬化が必要ですが、ギアなどの機械部品は、耐摩耗性を高めるために浅い硬化で十分です。
上述のように炭素材料に有機物が混入している場合、結果として生じる表面硬化部品は、表面がはっきりと変色することがあります。鋼は著しく黒くなり、骨と木炭の不純物から形成されたさまざまな化合物によって黒、青、紫のまだら模様になります。この酸化物表面はブルーイングと同様の働きをし、ある程度の耐腐食性と美しい仕上がりを実現します。ケースカラーリングはこの模様を指し、銃器の装飾仕上げとしてよく見られます。
焼き入れ鋼は、極めて高い硬度と極めて高い靭性を兼ね備えています。均質合金では、硬くて均質な鋼は脆くなる傾向があり、特に硬度が炭素含有量のみに依存する鋼では脆くなる傾向があるため、この特性は容易には実現できません。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、伸びの値を持つことができますが、低炭素コアの焼き入れ鋼よりもコストが高くなります。
化学
炭素自体は、表面硬化温度では固体であるため、動かない。鋼の表面への輸送は、炭化化合物の分解によって生成された一酸化炭素ガスと密閉された箱に詰められた酸素として行われる。これは純粋な炭素で起こるが、処理するには遅すぎる。このプロセスには酸素が必要であるが、CO サイクルを通じて再循環されるため、密閉された箱 (「ケース」) 内で実行できる。CO が漏れ出したり、過剰な外気によって CO 2に酸化されたりするのを防ぐために、密閉が必要である。
炭酸バリウムなどの分解しやすい炭酸塩「活性化剤」を加えると、 BaO + CO 2に分解され、次の反応が促進されます。
- C（ドナーから）+ CO 2 <—> 2 CO
COの総量と炭化化合物の活性を増加させる。[1]
表面硬化は骨で行われたというのはよく知られた誤解ですが、これは誤解を招きます。骨が使われていたとはいえ、主な炭素供給源は蹄と角でした。骨には炭酸塩が含まれていますが、主にリン酸カルシウム（ヒドロキシアパタイト）です。これには CO 生成を促進するという有益な効果はなく、また、鋼合金にリンを不純物として導入する可能性もあります。
現代の使用
炭素鋼と合金鋼はどちらも表面硬化に適しています。一般的には、炭素含有量の低い、通常は 0.3% 未満の軟鋼が使用されます (詳細については普通炭素鋼を参照)。これらの軟鋼は炭素量が少ないため通常は硬化できません。そのため、鋼の表面を化学的に変化させて硬化性を高めます。表面硬化鋼は、炭素 (浸炭)、窒素(窒化)、またはホウ素(ホウ化) を高温で鋼の外層に拡散させ、表面層を熱処理して目的の硬度にすることで形成されます。
表面硬化という用語は、本質的には古代のプロセスと同じである浸炭処理自体の実用性から派生したものです。鋼のワークピースは、炭素ベースの表面硬化化合物がぎっしり詰まったケース内に置かれます。これは総称して浸炭パックと呼ばれます。パックは、さまざまな時間、熱い炉内に置かれます。時間と温度によって、表面のどこまで硬化が進むかが決まります。ただし、硬化の深さは、炭素が固体鋼に深く浸透できないために最終的に制限され、この方法での表面硬化の一般的な深さは最大 1.5 mm です。現代の浸炭処理では、炭素を多く含む雰囲気での加熱など、他の技術も使用されています。小型のアイテムは、トーチで繰り返し加熱し、市販のKasenit / Caseniteまたは「チェリー レッド」などの炭素を多く含む媒体で急冷することで、表面硬化できます。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合物が含まれていますが、チェリー レッドなどの最近のタイプには含まれていません。[2] [3]
プロセス
火炎または高周波焼入れ
炎焼入れまたは誘導焼入れは、鋼の表面を非常に急速に高温に加熱し (酸素ガス炎を直接当てるか、誘導加熱によって)、その後、通常は水を使用して急速に冷却するプロセスです。これにより、表面にマルテンサイトの「ケース」が作成されます。このタイプの硬化には、0.3～0.6 wt% C の炭素含有量が必要です。他の方法とは異なり、炎焼入れまたは誘導焼入れでは材料の化学組成は変化しません。これは単に局所的な熱処理プロセスであるため、通常は焼入れ硬化に十分に反応する高炭素鋼にのみ有効です。
一般的な用途は、外層を硬化させてヤスリ耐性を持たせるロックのシャックルや、長い耐用年数を維持するために硬いギア メッシュ表面が必要で、耐久性と壊滅的な故障に対する耐性を維持するために強靭性が必要な機械ギアです。炎硬化では、酸素ガス炎を特定の表面領域に直接当てます。硬化プロセスの結果は、次の 4 つの要因によって制御されます。
- 炎頭のデザイン
- 加熱時間
- 到達すべき目標温度
- 処理される金属の組成
浸炭
浸炭処理は、炭素含有量が 0.1 ～ 0.3 wt% C の鋼の表面硬化に使用されるプロセスです。このプロセスでは、鉄を高温の炭素を多く含む環境に一定時間置き、その後、炭素が構造内に閉じ込められるように急冷します。最も簡単な手順の 1 つは、燃料を多く含む炎を設定したアセチレントーチで部品を繰り返し加熱し、油などの炭素を多く含む流体で急冷することです。
浸炭は拡散制御プロセスであるため、鋼が炭素を多く含む環境に長く置かれるほど、炭素の浸透が大きくなり、炭素含有量が高くなります。浸炭された部分の炭素含有量は十分に高くなるため、炎または高周波焼入れによって再度硬化することができます。
部品の残りの部分を銅メッキなどのプロセスで保護するか、部品の一部にのみ浸炭媒体を塗布することにより、部品の一部のみを浸炭することが可能です。
炭素は固体、液体、または気体から発生します。固体から発生する場合、このプロセスはパック炭化と呼ばれます。低炭素鋼部品を炭素質材料でパックし、しばらく加熱すると、炭素が外層に拡散します。数時間の加熱で、厚さ約 1 ミリメートルの高炭素層が形成される場合があります。
液体浸炭処理では、溶融炭素含有材料（多くの場合、金属シアン化物）の浴槽に部品を入れます。ガス浸炭処理では、内部がメタンで満たされた炉に部品を入れます。
窒化
窒化処理では、鋼部品をアンモニアガスと分解アンモニアの雰囲気中で 482～621 °C (900～1,150 °F) に加熱します。部品がこの環境に置かれている時間によって、表面硬化の深さが決まります。硬度は窒化物の形成によって得られます。この方法が機能するには、窒化物形成元素が存在していなければなりません。これらの元素には、クロム、モリブデン、アルミニウムなどがあります。この処理の利点は、歪みがほとんど発生しないことです。そのため、部品は焼き入れ、焼き戻し、機械加工の後で表面硬化できます。窒化処理後に焼き入れは行われません。
シアン化
シアン化処理は、高速かつ効率的な表面硬化処理で、主に低炭素鋼に使用されます。部品はシアン化ナトリウムの浴槽で 871～954 °C (1,600～1,749 °F) に加熱され、その後、水または油で急冷および洗浄されて、残留シアン化物が除去されます。
- 2NaCN + O 2 → 2NaCNO
- 2NaCNO + O 2 → Na 2 CO 3 + CO + N 2
- 2CO → CO 2 + C
この処理では、薄くて硬い殻（0.25～0.75 mm、0.0098～0.0295 インチ）が生成されます。これは浸炭処理で生成される殻よりも硬く、数時間かかる処理を 20～30 分で完了できるため、部品が変形する可能性が低くなります。この処理は、ボルト、ナット、ネジ、小型ギアなどの小型部品によく使用されます。シアン化処理の主な欠点は、シアン化塩が有毒であることです。
炭窒化処理
炭窒化処理はシアン化処理に似ていますが、シアン化ナトリウムの代わりにアンモニアと炭化水素のガス雰囲気が使用されます。部品を急冷する場合は、775～885 °C (1,427～1,625 °F) に加熱します。急冷しない場合は、部品を 649～788 °C (1,200～1,450 °F) に加熱します。
フェライト窒化
フェライト窒化処理では、臨界温度（約 650 °C (1,202 °F)）以下のワークピースの内部に主に窒素と一部の炭素が拡散します。臨界温度以下では、ワークピースの微細構造はオーステナイト相に変換されず、フェライト相のままであるため、フェライト窒化処理と呼ばれます。
アプリケーション
高圧や鋭い衝撃を受ける部品は、今でも一般的に表面硬化処理されています。例としては、撃針やライフルのボルト面、エンジンのカムシャフトなどがあります。これらの場合、硬度を必要とする表面が選択的に硬化され、部品の大部分は元の強靭な状態のままになります。
銃器は、低炭素合金で処理するのに適した精密機械加工が必要であったが、高炭素合金の硬度と耐摩耗性も必要であったため、過去にはケース硬化が一般的でした。古い銃器、特にシングルアクションリボルバーの現代のレプリカの多くは、今でもケース硬化フレーム、または伝統的な木炭と骨のケース硬化によって残るまだら模様を模倣した ケースカラーリングで作られています。
表面硬化のもう 1 つの一般的な用途は、ネジ、特にセルフ ドリリング ネジです。ネジが鋼鉄などの他の材料に穴を開けたり、切断したり、タップ立てしたりできるようにするには、ドリル ポイントと形成ねじが、穴あけする材料よりも硬くなければなりません。ただし、ネジ全体が均一に硬いと、非常に脆くなり、簡単に破損してしまいます。この問題は、表面のみを硬化し、中心部は比較的柔らかく、脆くならないようにすることで克服できます。ネジと留め具の場合、表面硬化は、加熱してから急冷する単純な熱処理で実現されます。
盗難防止のため、ロックシャックルやチェーンは切断に耐えられるように焼き入れされることが多く、衝撃に耐えられるように内部の脆さを少なくしています。焼き入れされた部品は機械加工が難しいため、通常は焼き入れ前に成形されます。
参照
参考文献
外部リンク
- ケース硬化
- 鋼の表面硬化
- 表面硬化鋼と金属
- 「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20日閲覧。