熱力学計算を利用した真空浸炭材の炭素濃度分布予測および合金設計
石.

は じめに.

倉亮平

真空浸炭中の炭素侵入機構

浸炭焼入れは代表的な鋼の表面処理方法として，自動車用

真空浸炭では，炭化水素ガス雰囲気中に保持し炭素を侵入の歯車やシャフト等，高い疲労強度・耐摩耗性が必要とされさせる浸炭期と，真空にして炭素を鋼材内部へ拡散させる拡る動力伝達部品に幅広く適用されている．近年，環境対策，散期に分かれる．そのため，真空浸炭中の炭素侵入機構を理コスト削減，高性能化等を目的として，従来の変成ガスを用

 浸炭中の鋼材表面の反応と◯
 炭素の鋼材解するためには，◯い，ブードア平衡反応を利用して鋼中に炭素を侵入させる，内部の拡散について，処理温度や鋼材成分・組織の影響を考いわゆるガス浸炭法に代わり， 500～ 2000 Pa 程度の炭化水慮して検討する必要がある．本章では，真空浸炭中の炭素侵素ガスを炭素の供給源とする真空浸炭法の実用化が加速して入機構をはじめ，熱力学計算を活用して確立した炭素濃度分いる．真空浸炭の長所として，操業中の CO2 排出量が少な布の予測に関する研究成果について述べる．

い，浸炭時間が短くランニングコストが安い，粒界酸化がなく高強度な品質を得ることができる等が挙げられる(1)(4)．



浸炭期の表面炭素濃度と炭化物量

一方，真空浸炭には以下 2 点の短所があったため，真空 浸炭中の鋼材表面の反応について述べる．
まず，上述の◯浸炭普及への障壁となっていた．1 点目として，これまで真前章にも述べたとおり，真空浸炭後の鋼材の表面炭素濃度や空浸炭の浸炭機構が不明(5)(7) であったことから，真空浸炭

析出炭化物ついては種々の説(5)(7)があり，処理温度や鋼材の条件は経験や勘に基づいて行われることが多く，鋼材成分成分の影響も不明であったため，真空浸炭中の鋼材の表面炭や部品形状が変化した場合にはあらためて条件を見直す必要素濃度を予測することが困難であった．しかし，当社の研があった．2 点目として，実部品において真空浸炭では表面究(9)(10) により， Si, Cr を変化させた鋼種で浸炭層表面を模

炭素濃度が形状の影響を受け，歯車の歯端などのエッジ部の擬するために用いた厚さ 0.1 mm の薄板による実験と熱力学

表面炭素濃度は平面部と比べて高くなることが知られてお計算の結果から真空浸炭の浸炭期における表面の炭素濃度とり(8)，過度な残留オーステナイトの生成，粒界への網目状炭炭化物量を決定する機構を以下のとおり解明している．

化物の析出(以後，エッジ部の過剰浸炭の生成と称す)により疲労強度が低下するという問題があった．

図に熱力学計算ソフト ThermoCalc を用い，データベースとして SGTE Solution Database ver.2 を用いて計算しこれらの真空浸炭の本格的な普及への課題を解決するためた各成分の Fe C 系状態図(図中の●は各温度での黒鉛が析には，真空浸炭中の鋼材表面の状態と炭素濃度侵入の機構お出する炭素濃度の計算値を，△は浸炭を行った薄板の実測値

よびエッジ部の過剰浸炭生成機構の解明が必要不可欠である．

を表す)を，図に厚さ 0.1 mm の薄板への真空浸炭処理材

本稿では，当社において解明した真空浸炭機構の概要につおよび黒鉛を密着させた状態での真空熱処理材の組織観察いて説明するとともに，真空浸炭の機構と熱力学計算に基づ(写真右下の数字は炭化物面積率の実測値)を示す．図 1， 2

いて構築した真空浸炭材の炭素濃度分布予測技術ならびに真のとおり，黒鉛との平衡を仮定した熱力学計算による表面炭空浸炭材の合金設計について解説する．

素濃度の値と実測値はほぼ一致しており，真空浸炭材の組織と黒鉛と接触させた状態での真空熱処理材の組織も一致している．このことから，鋼材表面は浸炭ガス(炭化水素)の分解により生成した黒鉛との局所平衡が成立していると結論づけ

大同特殊鋼株式会社 技術開発研究所 構造材料第一研究室室長(〒4578545 名古屋市南区大同町 230)Prediction of Carbon Profiles and Alloy Design in Vacuum Carburizing Steels Based on Thermodynamic Calculation; Ryohei Ishikura(Automotive Steel Research Sect. No.1, Corporate Research & Development Center, Daido Steel Co., Ltd., Nagoya)
Keywords: low alloy steels, case hardening steels, vacuumcarburizing, carburizing mechanism, prediction of carbon profiles, edge over carburizing, fatigue strength
2018年 5 月 7 日受理[doi:10.2320/materia.57.439]

ま て り あ 第57巻 第 9 号(2018)Materia Japan図1

FeC 系状態図による表面炭素濃度の計算値と実測値．



炭素濃度分布の予測

 炭素の鋼材内部の拡散について述べる．
次に，上述の◯
 節で紹介した知見を応用し，浸炭・拡散後の炭素濃度2 ･分布に与える浸炭条件および鋼材成分の影響について検討することで，炭素濃度分布を予測するシミュレーションを確立している(9)(11)．
炭素濃度分布に及ぼす鋼材成分の影響は，浸炭期の鋼材表面の炭化物生成量を変化させ，拡散期での炭化物の溶解に伴う炭素供給量を変化させることによるものである．つまり，浸炭期に生成した炭化物は拡散後の炭素濃度分布に影響を与
図2

各鋼種の黒鉛に接触させた状態の真空熱処理材と真空浸炭材の組織比較．

えることを意味する．このことから，炭素濃度分布は，浸炭期の表面が黒鉛と平衡する状態にあるものとし，炭化物の存在を考慮して拡散方程式を解くことで精度よく予測できることを明らかにした(図)．詳しい計算方法とその過程についられる．また，鋼材成分によって表面の炭化物量は 0 ～約ては参考文献(9)をお読みいただきたい．

100まで変化することから，表面炭素濃度や炭化物量は鋼以上のことから，鋼材成分，浸炭条件(処理温度，浸炭時材成分の影響を受けることを意味し，炭化物生成元素である間，拡散時間)および次章で解説する部品形状の情報があれ

Cr，Mo の添加とともに上昇し，炭化物生成阻害元素である

ば，平面ならびにエッジ部の炭素濃度分布を精度よく予測可Si，Ni の添加とともに減少する．

能であり，この予測シミュレーション手法を用いることで客これらの成果により，浸炭期の鋼材表面が黒鉛と平衡する状態にあるものとすることで，表面炭素濃度や炭化物量は鋼先の要求に対して鋼材成分や処理条件の設計提案が容易になった．

材成分と浸炭温度から熱力学的に求めることが可能となった．

図3




複数の浸炭条件による SCr420の炭素濃度分布の計算値と実測値の比較．

ミ ニ 特 集.

エッジ部過剰浸炭の生成機構

図にシミュレーションを用いて求めた真空浸炭材のエッジ先端の炭素濃度の時間変化を示す．浸炭期の表面炭素濃度

本章では，真空浸炭のもう一つの短所であるエッジ部の過は形状が平面での機構と同様に黒鉛と平衡する値となり，エ剰浸炭に関して述べる．第 2 章で紹介した真空浸炭におけッジ角に対する依存性は小さい．しかし，拡散期にはエッジる平面に対する炭素濃度分布予測手法を応用し，エッジを有角度が鋭くなるに従い炭素濃度の低下が遅く，拡散期終了時する試験片を用いた実験結果と比較することで真空浸炭時のの炭素濃度が高くなっているのが分かる．このエッジ部過剰エッジ部過剰浸炭の原因を解明している(12)．

浸炭は，図の概略図に示されるように，真空浸炭に必須な拡散期においてエッジ部では両辺からの炭素拡散場の重なりが発生し，表面炭素濃度の低下が平面部よりも遅くなっているため起こっている．一方，ガス浸炭では表面炭素濃度が雰囲気との平衡から決定されるために起こらない．

.

真空浸炭材の合金設計

真空浸炭時のエッジ部の過剰浸炭を克服するための対策として，浸炭条件を最適化(例えば平面部の表面炭素濃度を低下させる方向に変更)が挙げられる(13)が，歯車の平面部である歯面部においては強度低下が懸念されるため，本方策には限界がある．本章では，エッジ部過剰浸炭とその疲労強度に及ぼす合金元素の影響に関する研究事例(14) をはじめ，エッジ部の過剰浸炭を克服する合金設計ついて紹介する．
図4

エッジ部表面炭素濃度の時間変化予測．

図に SiCr 変化させた 3 鋼種の FeC 系状態図を，図にエッジ部の炭素濃度分布計算結果を，図には代表としてエッジ角度60°を有する試験片の組織観察結果を示す．ちなみに，浸炭処理は平面部の表面炭素濃度が0.75となるように鋼材成分に応じて条件を変化させている． JISSCr420 相当材である低 Si 高 Cr 鋼では，エッジ角度が鋭くなるに従い表面炭素濃度が高くなり，鋭角部では炭素の過剰導入により炭化物が生成している．一方，高 Si 低 Cr 鋼では，表面炭素濃度のエッジ角度依存性が小さく，鋭角部においても炭化物が生成しないことが分かる．図に示すように，SCr420 の場合，エッジ角度の鋭角化に伴い，炭素の過剰導入により生成した炭化物量が多くなるため強度低下を招く．
したがって，エッジ部においても高強度を得るためには，エッジ部の炭化物生成量を減少させること，すなわち， FeC系状態図上で浸炭期の導入される炭素量が少ない，高 Si低図5

エッジ部の過剰浸炭生成機構の概略図．

図6

ま て り あ 第57巻 第 9 号(2018)Materia Japan

Cr 系の合金設計が有効である．

各鋼種の FeC 系計算状態図．



図7

各鋼種のエッジ部の炭素濃度分布予測．

チ生産，在庫低減，インライン化などのさらなる生産性の向上を志向したスリムバッチ真空浸炭炉(17)の実用化が加速しており，熱処理設備の革新も同時に進んでいる．
これらを背景に，今後，真空浸炭の普及はますます拡大するものと予想される．そのため，材料技術，生産技術，熱処理設備技術の連携はもちろんのこと，今回紹介したような熱図8

エッジ角度60°の組織比較．

力学計算を活用した鋼材設計や組織予測は，材料開発の効率化の観点からも大変重要になると考えられる．そして，真空浸炭を活用した革新的な技術・商品が産み出されていくことを大いに期待する．

文

図9

疲労強度とエッジ部角度の関係．

.

お わりに真空浸炭の基礎として，真空浸炭中の炭素侵入機構ならびにエッジ過剰浸炭生成機構の概要をはじめ，熱力学計算を利( 1 ) 杉山道生熱処理，37(1997), 154.
( 2 ) 町 哲司熱処理，45(2005), 80.
( 3 ) 下里吉計工業加熱，39(2002), 21.
( 4 ) 門野 徹工業加熱，39(2002), 29.
( 5 ) 奥宮正洋，新美 格，恒川芳樹，門谷政幸第 31 回日本熱処理技術協会講演大会講演概要集，(1990), 29.
( 6 ) 井上洋介，井上吉弘第 58 回日本熱処理技術協会講演大会講演概要集，(2004), 1.
( 7 ) 河田一喜熱処理，44(2004), 289.
( 8 ) K. D. Jones and G. Krauss: Heat Treat., 79(1980), 188.
( 9 ) 森田敏之，羽生田智紀鉄と鋼，92(2006), 268273.
(10) 森田敏之，井上幸一郎，羽生田智紀電気製鋼，77(2006), 5
9.
(11) 電気製鋼，79(2008), 91
93.
(12) 森田敏之，松村康志，梅本 実電気製鋼，79(2008), 1523.
(13) 森田敏之，梅本 実鉄と鋼，96(2010), 400405.
(14) 森田敏之，松村康志電気製鋼，81(2010), 109116.
(15) 電気製鋼，79(2008), 8385.
(16) 笠井大介，大林巧治，岡田一晃熱処理，57(2017), 116119.
(17) 電気製鋼，84(2013), 61
66.
★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

用した炭素濃度分布予測技術と真空浸炭材の合金設計につい2005 年

福井大学大学院工学研究科機械工学専攻修士課程修了
2005年 4 月大同特殊鋼株式会社入社
2017年 4 月現職
専門分野材料強度，表面処理技術◎自動車構造用鋼の開発と応用に従事．トランスミッ
ション部品用の鋼材・熱処理・表面処理技術開発を中心に活動．て解説した．これらの研究成果により，真空浸炭シミュレー
ションの実用化(浸炭くん)(11)ならびにエッジ過剰浸炭抑制
鋼の開発(DEG シリーズ)(15)をはじめ，高濃度浸炭やマイルド浸炭(16) ，真空浸炭窒化などの応用開発も盛んに行われ，真空浸炭を活用した技術開発が活発化してきている．
また，近年，高温浸炭が容易な浸炭炉をはじめ，超小バッ
献石倉亮平★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

ミ ニ 特 集