浸炭焼き入れとは？処理と方法

浸炭焼き入れとは？

浸炭とは、鋼の表面に炭素を拡散して浸透させることをいい、浸炭焼き入れは耐摩耗性を向上させるために行います。

ネジ関連部品において表面だけを硬く丈夫にさせるための表面処理を、表面硬化法といいますが、浸炭焼き入れはその表面硬化法の一種です。

浸炭焼き入れは、一般的に浸炭だけでなく、浸炭を行ったあとに焼入れを行います。また、浸炭を行ったあとは、硬さに影響する炭素が表面近くに多くありますから、通常の焼入れでは得られない表面の硬さにすることができます。

浸炭焼き入れは、主に低炭素の肌焼き鋼と呼ばれるものを使用します。この肌焼き鋼は、表層部は硬く内部は柔らかい状態にして、耐摩耗性と靭性の両方を兼ね備えています。

種類としては、液体浸炭、ガス浸炭、個体浸炭などがありますが、一般的にはガス浸炭が多く使われています。最近では真空技術による真空浸炭などもあります。

低炭素鋼での温度と処理時間は、910℃～950℃で2時間ほどです。また、浸炭焼き入れは、通常の焼入れと同様に、焼戻しを行います。

浸炭焼き入れは、表面焼き入れと違って形状の制限を受けず、複雑な形状の小型の部品の大量施工ができるというメリットがあります。

また、作業標準に則っていれば熟練を必要とせずに量産でき、表面焼き入れの場合に起きやすい硬化層直下の熱影響の問題もありません。
 

焼入れ処理の効果

焼き入れの主な効果は、鋼を硬くすることがあげられます。焼入れは、鋼を変態点（組織が変化するポイント）以上の温度に上昇させ、一定時間置いたあと、急速に冷却することで鋼を硬くすることができます。硬化の程度は、鋼に含まれる炭素量で決まりますが、炭素だけでなく様々な合金元素でも最高の硬さや、硬化の度合いが変化します。

また、その変化の度合いが高い鋼は「焼入れ性が良い」といわれます。焼入れ性の良い鋼だと、空気や油といった冷却媒体を選びませんが、逆に焼入れ性が悪い鋼では、水などで急速に冷却しないと、理想的な硬さを得ることができません。
 

浸炭焼き入れを行う方法

浸炭焼き入れを行う方法は、通常のままでは焼入れできない低炭素鋼などの表面に炭素をしみこませて、高炭素にした後、焼入れと焼戻しを行います。

浸炭焼き入れを行うことで、表面は硬く耐摩耗性に優れ、内部は低炭素鋼のままの柔らかい状態で靭性の高い鋼にすることが可能です。
 

浸炭焼き入れが使われるもの

浸炭焼き入れは主に自動車部品や機械部品に用いられています。

浸炭焼き入れの種類

浸炭焼き入れの種類には、下記の固体浸炭、液体浸炭、滴下式浸炭、真空浸炭、ガス浸炭、プラズマ浸炭の7種類がありますが、それぞれについて以下に解説します。

固体浸炭

固体浸炭とは、浸炭箱に処理品と木炭を主な成分とした浸炭剤をつめ、その上に蓋をして密閉して行う処理のことをいいます。

この方法は各浸炭法の中では最も古くからある方法で、炉の設備や作業も簡単ですが、品質を一定に保つのが難しいのと、作業環境も悪いことなどもあって、現在ではあまり使われなくなりました。
 

液体浸炭

液体浸炭は、青酸カリ、青酸ソーダなどの青化物を主成分とした液体を用いて、約900℃に加熱した液体に処理品を浸炭します。浸炭は処理時間と温度によってコントロールし、低温で短時間なら薄い浸炭層が生成され、高温で長時間なら厚い浸炭層が生成されます。

しかし、シアン公害の問題もあって最近では使用されなくなったため、シアンを含まない液体浸炭が開発されています。
 

滴下式浸炭

浸炭ガスの製法が天然ガスや石油ガスを原料とし、空気と混合して加熱分解するのに対し、滴下式浸炭は、アルコール類や、酢酸メチル、グリセリンなどの有機液体を直接浸炭炉に滴下し、熱分解した時に発生するガスで浸炭する方法です。

真空浸炭

真空浸炭は、炉内の気圧を10kpa以下まで減圧し、浸炭ガスとしてエチレン、プロパン、アセチレン、メタン、などの炭化水素系ガスを直接炉内装入し、ガスを鋼の表面に接触し分解させて浸炭する方法です。

真空浸炭の炭化水素系ガスの炭素供給は、メタン、プロパンからの直接的分解炭素ではなくその処理温度で分解、生成した不飽和の炭化水素からの炭素によります。

ガス浸炭

ガス浸炭は、プロパン、天然ガス、都市ガス、ブタンガスなどの変成した浸炭性のガスや液体を滴下し、発生した浸炭性ガスの中で処理品を加熱し浸炭を行う方法です。

主に部材の耐摩耗性と疲労強度を強くするために行われます。
 

プラズマ浸炭

プラズマ浸炭は、熱エネルギーとともに、直流グロー放電によりプラズマの電気化学作用を利用して、金属材料に炭化物を生成させ、強度を増強させることを目的にした方法です。

産業界では、省エネルギー、省資源、エレクトロニクス化などの技術革新によって、工業部品の品質は、これまで以上に高機能、高品質な熱処理への需要が高まっています。

そんな中、プラズマ浸炭はクリーンな作業環境で、高効率かつ高精度の浸炭が可能となりました。また、従来での浸炭では不可能だった高濃度浸炭や、難浸炭材への浸炭が可能となり、幅広い実用化が期待されています。
 

scm435に浸炭焼き入れできる？

浸炭焼き入れの材質で代表的なものは、SCM415や、SCM420ですが、SCM435には浸炭焼き入れはできないのでしょうか？

SCM435への浸炭焼き入れができるのかを調べてみましたが、一般的にはできないようです。SCM415やSCM420では炭素の含有量が低いため、浸炭焼き入れの目的である表面を硬くし、中心部を粘り強くさせるという理想に合っています。

しかし、SCM435やS45Cでは浸炭焼き入れしても、表面も中心部も共に硬くなってしまい、浸炭焼き入れの目的を叶えることができません。
 

まとめ

今回は、浸炭焼き入れとはどんな焼入れ方法なのか、どんな効果があるのか、また浸炭焼き入れの種類や使い方についてまとめました。 

• 浸炭焼き入れは、硬さに影響する炭素が表面近くに多くありますから、通常の焼入れでは得られない表面の硬さを得ることができます。

• 浸炭焼き入れは、主に低炭素の肌焼き鋼と呼ばれるものを使用し、この肌焼き鋼を表層部は硬く、内部は柔らかい状態にして耐摩耗性と靭性の両方を兼ね備えています。

• 浸炭焼き入れの種類には、液体浸炭、固体浸炭、滴下式浸炭、ガス浸炭、真空浸炭、プラズマ浸炭の7種類があります。