浸炭とは 表面硬化と熱処理の定義・工程・方法・用途をやさしく解説

浸炭（しばしばケースハードニングとも呼ばれる）は、金属に炭素を導入して表面の組成を変え、表面を硬くして耐摩耗性を高めるために行われる熱処理です。処理時間や温度、雰囲気（炭素の供給源）によって、表面から内部への炭素濃度分布（ケース深さ）が決まります。

昔は炭を直接金属に詰めて加熱する「パック浸炭」が行われましたが、現代では炭素を含む気体（二酸化炭素、メタンなど）やプラズマを用いる方法が一般的です。浸炭は特に低合金鋼や炭素鋼の表面硬化に用いられ、内部（コア）は比較的軟らかく靭性を保つ設計が可能です。

表面の炭素濃度が過剰になると脆化や加工不良を招くため、必要に応じて脱炭（表面の炭素低下）を避ける管理や、処理後の焼き戻し（テンパリング）で脆さを抑えることが重要です。

浸炭の目的と効果

• 表面硬度の向上：焼入れによって硬いマルテンサイト組織を得られ、摩耗寿命が延びる。
• 疲労強度の向上：硬い表面と靭性のあるコアの組み合わせにより、曲げ疲労などに強くなる。
• 摺動特性の改善：摩耗抵抗や耐かじり性が向上する。

代表的な工程・方法

• ガス浸炭（気相浸炭）：炭化水素ガス（メタンなど）や一酸化炭素を含むガス雰囲気で加熱し、拡散によって炭素を導入する。制御が容易で量産向き。
• パック浸炭：固体の炭化物源（木炭や有機物）と一緒に密閉容器で加熱する古典的な方法。小ロットや修理で使われることがある。
• 液体（塩浴）浸炭：溶融塩（炭素供給塩）中で処理する。短時間で高い炭素供給が可能だが、環境・安全面の取扱いが必要。
• プラズマ（イオン）浸炭：低圧プラズマ中でイオン化した炭素を金属表面に注入する。低温でも可能で、歪みや変形が小さい。

熱処理と後処理

浸炭は拡散支配のプロセスで、処理温度は一般に約850〜950℃の範囲が多い（材料や方法により変わる）。表面近傍に炭素が導入された後、目的に応じて急冷（焼入れ）を行い表面をマルテンサイト化して硬さを出します。その後、焼き戻し（テンパリング）を行い過度の脆化を抑え、靭性を回復させます。コアは浸炭前の低炭素状態のまま残るため、全体の靭性を保てます。

制御項目と評価方法

• ケース深さ（表面からの炭素濃度や硬さが所定値を満たす深さ）：一般に0.2〜3mm程度の設計が多いが用途で大きく変わる。
• 表面炭素濃度：典型的には0.6〜1.2wt%程度を目標にすることがある（材料・用途に依存）。
• 硬さ測定：マイクロビッカースやロックウェルなどで硬さ分布を評価。
• 組織観察：エッチング後の光学顕微鏡やSEMでケースとコアの組織（マルテンサイト、保持オーステナイトなど）を確認。
• 炭素ポテンシャルやガス成分の管理：ガス浸炭では表面炭素濃度を決める「炭素ポテンシャル」を制御する。

用途例

• ギア、シャフト、カム、ピンなどの機械部品（摩耗と疲労が問題になる箇所）
• ベアリング部品、締結部品（ボルト・ナットなど）
• 自動車部品（クランクシャフトの一部、トランスミッション部品）

注意点・欠点

• 過度の炭素導入は表面の脆化や割れを招くため、炭素量とケース深さの設計が重要。
• 熱処理による歪み・変形が発生することがあるため、加熱・冷却や焼戻し条件を最適化する必要がある。
• ガスや塩浴を使う場合は環境・安全対策（有害ガス、廃液処理など）が必要。
• 脱炭（表面の炭素が失われる現象）を避けるため、雰囲気管理や保護処理が行われる。

まとめ

浸炭は、金属部品の表面に炭素を導入して硬度や耐摩耗性を高める有効な表面熱処理です。方法としてはガス、パック、塩浴、プラズマなどがあり、目的に応じて温度・時間・雰囲気を制御します。適切に設計・管理すれば、表面耐久性の向上とコアの靭性保持を両立できるため、機械部品の長寿命化に広く用いられています。

質問と回答

Q: 浸炭とは何ですか?

Q: なぜ浸炭するのですか?

Q: 浸炭処理はどのように行われるのですか?

Q: 浸炭にはどのような近代技術が使われていますか?

Q: 浸炭の時間や温度による影響は?

Q: 浸炭に使用される金属の種類は?

Q:浸炭中に炭素濃度が高くなりすぎるとどうなりますか?

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