浸炭と表面硬化：基礎

考え方

一部の部品には、矛盾する二つの性質が必要です。摩耗と接触疲労に耐える表面と、割れることなく衝撃を吸収する芯部です。浸炭は、低炭素鋼の一つの部材からその両方をもたらします。部品は炭素を豊富に含む雰囲気中でおおよそ 880–950 °C に保持されます。炭素が表面へ拡散し、続く焼入れによって、その濃化した層、すなわちケースだけが硬化し、低炭素の芯部は比較的軟らかく靭性のある状態にとどまります。

ケース深さ

ケース深さは、硬さが規定されたレベルまで低下する深さとして指定されます。ヨーロッパの慣行では通常 550 HV です（CHD、浸炭硬化層深さ）。重要な深さは二つあります。

• 有効ケース深さ（550 HV まで）：歯車や軸では通常約 0.3–2.5 mm であり、歯車の接触応力とモジュールに合わせます。
• 全ケース深さ：拡散ゾーン全体であり、常に有効深さよりも深くなります。

より深いケースには不釣り合いに長い炉内時間が必要です。拡散深さは時間の平方根とともに成長するため、深さを二倍にするにはおおよそ四倍の時間がかかります。

炭素ポテンシャル

炉内雰囲気は炭素ポテンシャルに制御されます。これは、その温度において雰囲気が純鉄に生じさせる表面炭素レベルです。通常は共析から飽和までの領域よりやや低いか、その近傍で運転され、ブースト段階では表面で約 0.8–1.0% C となることが多くなります。ポテンシャルが高すぎると、すす、炭化物ネットワーク、過剰な残留オーステナイトが形成されます。低すぎると、浅く軟らかいケースとなります。生産サイクルでは多くの場合、ブースト–ディフューズのパターンが使われます。まず高いポテンシャルで炭素を速く送り込み、次に低いポテンシャルの段階で最終的な表面炭素と勾配を設定します。

焼入れ後の芯部とケースの対比

浸炭の後、部品は焼入れされ（直接、または結晶粒微細化のための再加熱を経て）、おおよそ 150–200 °C で低温焼戻しされます。高炭素のケースは硬いマルテンサイトへ変態し、表面では通常約 58–62 HRC となります。芯部は、依然として炭素量が約 0.15–0.25% しかないため、その焼入性が許す範囲までしか硬化せず、はるかに軟らかいままとなり、部品が設計の前提とする靭性を提供します。

浸炭用に設計された鋼

表面硬化用鋼は設計上低炭素であり、芯部の強度と焼入性のために合金化されています。

• 8620（AISI）：汎用の北米向け歯車鋼であり、Ni-Cr-Mo の芯部を持ちます。
• 20CrMnTi（GB）：中国の標準的な歯車鋼です。チタンが、長い浸炭サイクルの間、結晶粒を固定します。
• 16MnCr5（EN 1.7131）：小型および中型歯車向けのヨーロッパの主力鋼種です。
• より高負荷向けの派生鋼種では、大断面での芯部強度が重要となる箇所にニッケルが加えられます（例：18CrNiMo7-6）。

浸炭部品を指定するとは、ケース深さ、表面硬さ、芯部硬さを一緒に指定することです。いずれか一つだけでは不完全な要求となります。

ガス、固体、低圧の各方式

固体炭素化合物の中での伝統的な箱浸炭は、今ではほぼ歴史的なものとなっています。現代の生産では、炭素ポテンシャルを連続的に測定・制御する雰囲気炉でのガス浸炭、あるいは炭化水素ガスのパルスを真空炉内で行う低圧（真空）浸炭が使われます。後者は、複雑な歯車形状に対して表面酸化のない非常に均一なケースを与え、通常はその後に高圧ガス焼入れが続きます。設計者が指定する金属学は三つすべてで同じです。変わるのは、均一性、清浄度、サイクルの経済性、そして歯車仕上げが吸収しなければならない変形挙動です。