技術報告

Simulation Technology for Low Pressure Carburizing
武藤康政*

MUTO Yasumasa

1.‌はじめにCOを含む余剰ガスは、安全面から燃焼処理されるため、多量のCO2が発生する3)。

地球温暖化への対応としてカーボンニュートラルを目指

一方で減圧浸炭は、減圧環境下にてアセチレンす動きが世界的に加速しており、自動車部品、産業機械部（C2H2）・プロパンといった炭化水素系の浸炭ガスを直品等の製造工程においても、よりCO2排出量の少ない熱処接導入し、鋼材表面からCを侵入させる「浸炭期」と、浸理プロセスの選択が進められている。ギヤ・シャフトなど炭ガスを導入せずに鋼材表面から内部へCを拡散させ、表の駆動系部品の製造では、高い疲労強度や耐摩耗性を部品面C濃度を低下させる「拡散期」から構成される浸炭処理に付与するために、表面硬化処理として浸炭焼入れが施さである。この浸炭期における反応機構は、浸炭ガスの分解れている。浸炭処理方法としては、CO/CO2雰囲気を緻密により生成した黒鉛（グラファイト）と鋼材表面の平衡反に制御して浸炭するガス浸炭が主流であるが、近年では、応によると考えられている2)。この機構から、浸炭反応のCO2排出量削減や処理時間短縮の観点から、メリットのあ過程でCO2は基本的に発生しない。また、減圧浸炭における減圧（真空）浸炭（LPC: Low Pressure Carburizing）

る浸炭ガスは、反応効率（供給量に対して実際に浸炭に寄が注目されている。

与するCの割合）が高く、適時適量導入すればよいため、1、2)を示す。ガス浸余剰ガスは殆ど発生せず、燃焼排気によるCO2発生は殆ど

炭は、プロパン（C3H8）、ブタン（C4H10）などの炭化水ない1、3-5)。このように、減圧浸炭は、ガス浸炭とは異な素系ガスと大気中の酸素を高温で反応させて生成したキャる浸炭機構を有しており、ガス浸炭よりもCO2排出量を削

リアガス中のCOから、次に示す平衡反応によって炭素減できる方法となっている。

図1に、ガス浸炭と減圧浸炭の特徴

しかしながら、減圧浸炭は、浸炭品質（C濃度分布と炭（C）が鋼材中に侵入する浸炭機構となっている。
2CO⇔[C]+CO2化物析出状態）の制御が難しく、ガス浸炭から切替えをす

そのためガス浸炭では、炉内のCO/CO 2ガス組成を均る上での課題となっている。ガス浸炭では、炉内CO/CO2一にして安定した浸炭品質（表面C濃度など）を得るため濃度と鋼材表面の平衡反応に基づき、炉内の浸炭能力を示に、多量のキャリアガスをオーバーフローさせた状態ですカーボンポテンシャルを制御することで、最表面のC濃3)炉を稼働させている 。通常、浸炭反応に作用しなかった

圧力

ガス浸炭
大気圧浸炭機構

2CO ⇒[C]+CO₂COO₂度が調整されている。また、表面C濃度を固溶限以下とす

減圧浸炭
10kPa 以下
C2H2⇒2CGraphite+H2CGraphite⇒[C]

C₂H₂CO₂Graphite(C)

反応図

[C]
図１
*研究・開発センター

基盤研究室H₂[C]

ガス浸炭と減圧浸炭の特徴1,2)

予測研究グループ

100μm
粗大θ

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特集 カーボンニュートラルに寄与する特殊鋼研究

減圧浸炭シミュレーション技術

減圧浸炭シミュレーション技術

特集 カーボンニュートラルに寄与する特殊鋼研究

圧力
圧力
炭機構
炭機構

反応図
反応図

ることで、炭化物（セメンタイト、θ）の形成を回避した

当社でも、カーボンニュートラルを背景にした減圧浸炭処理が可能である。対して、減圧浸炭では、反応機構 2)の活用ニーズに応えるべく、C濃度分布やθ状態を予測可上、浸炭期の表面は高C濃度となるため、鋼種・処理温度能な減圧浸炭シミュレーションモデルを開発した。本報でによっては、C濃度が固溶限を超えることで図2のようなは、当社の減圧浸炭シミュレーションモデルの概略を示すネット状粗大θを形成する。特にギヤ歯先などの部品エッとともに、実際の解析を通して、その有効性を確認した結ジ部においては、図3に示す減圧浸炭におけるエッジ部の果も紹介する。

6)

C拡散挙動の概略図 の通り、拡散場の重なりが存在する

2.‌シミュレーションソフトウェアの選択ことでC濃度が高くなり、粗大θの形成が促進される6)。
このような粗大θは、部品の疲労強度を低下させる懸念がある6)ため、形成抑制が必要となっている。加えて、減圧シミュレーションモデルを構築する上で当社は、扱い易

浸炭では、ガス浸炭で行われるようなカーボンポテンシャ
ガス浸炭
減圧浸炭

さを考慮し、市販のシミュレーションソフトウェアを活用

減圧浸炭における浸炭品質（C濃度分布・θ状態）制御可能なソフトウェアとして、DICTRA（DIffusion Control

ガス浸炭
減圧浸炭
ルを指標とした表面C濃度の制御は困難であることから、大気圧10kPa 以下 した。減圧浸炭下の代表的なC拡散挙動の解析モデルであ大気圧10kPa 以下
トライ＆エラーを繰り返して浸炭条件を決定する必要があC2H2⇒2CGraphite+Hる局所平衡モデル（θ形成・固溶の挙動を熱力学計算によC2H2⇒2CGraphite+H222CO ⇒[C]+CO₂7)。
2CO ⇒[C]+CO₂り、実用化の際の課題となっていた
CGraphite⇒[C] り考慮した拡散解析モデル）により、多成分系での解析がCGraphite⇒[C]

C₂H₂H₂COCO₂C₂H₂H₂TRAnsformations） が市販されている。当社では先ず、の課題に対して、近年では適切な浸炭条件の導出を容易にCO
CO₂O₂DICTRAを用いて、部品平坦部などを対象とした一次元解するため、浸炭状態を予測する減圧浸炭シミュレーション
O₂の実用化も進められており、解析モデルも報告されていGraphite(C) 析が可能なシミュレーションモデルの構築に取組んだ。
Graphite(C)9)

る2、8)。代表的な解析モデルとしては、減圧浸炭の浸炭期

一方で、DICTRAは機能上、角材の平坦部、円筒・球体[C]において表面はグラファイトと平衡、拡散期において雰囲[C][C]
気とのCのやり取りはないとし、θの存在を熱力学的平衡の平滑部で起きるような、表面から法線方向の一次元のC計算により考慮した拡散解析モデル（局所平衡モデル）がに問題となるエッジ部断面で起きる二次元のC拡散挙動の[C]挙げられる

拡散挙動の解析は可能9)であるが、減圧浸炭で粗大θが特2、8)。

解析はできない。加えて、減圧浸炭を実際の部品に施す場
合、同一浸炭条件であっても、部品内の歯先、歯底など形

100μm
100μm

粗大θ
粗大θ

状により浸炭後のC濃度分布は異なるため、精度の良い解析を行うには、部品形状をモデルに反映する必要がある。
また、部品の形状は、昨今の小型・軽量化や一体化ニーズへの対応から、今後さらに複雑化していくと考えられ、解析においても、より複雑な形状のモデリングが必要となる可能性がある。これら課題に対応するため、当社では、前述のDICTRAを用いたモデル構築の後に、その知見を活かして、二次元は勿論、三次元の解析も可能であり、加えて、CADデータの活用や、自動メッシュ作成機能・図２ツールの普及により、解析対象の形状複雑化ニーズにも減圧浸炭で形成したエッジ部粗大θの例

対応10)している汎用の有限要素法（FEM: Finite ElementMethod）ソフトウェアを用いて、シミュレーションモデルの構築を行った。

C₂H₂
C₂H₂3.‌平坦部を対象にした一次元解析

[C]
[C]

DICTRAを用いて構築した解析モデルによる平坦部を対象にしたシミュレーションの実施例を紹介する。同一の

H₂H₂

図３

浸炭条件で減圧浸炭後のθ残存程度が異なる2鋼種（θ残[C][C]
Graphite(C)Graphite(C)
C₂H₂
C₂H₂

存の程度：Steel A > Steel B）を対象にし、C濃度分布のEPMA（Electron Probe Micro Analyzer）による実測とシミュレーションによる解析を行った。図4は対象2鋼種

H₂H₂の減圧浸炭後の平坦部ミクロ組織であり、Steel Bでは粗大θは存在せず、Steel Aでは表面から100μm程度の範6)

減圧浸炭でのエッジ部C拡散挙動の概略図

64Sanyo Technical Report Vol.31 (2024) No.1

減圧浸炭シミュレーション技術致しており、精度良くC濃度分布の解析ができている。

図5に、平坦部断面のC濃度分布（解析値及び実測値）を示す。実測値（図5中の□プロット）に関して、Steel A

DICTRAを用いたシミュレーションでは、材料組織・元では表面から100μm程度まで、C濃度が著しく高くなっ素拡散の連成解析がソフトウェアのプログラム内で自動にている範囲が確認された。一方でSteel Bには同様の高C実施されているため、解析に他のソフトウェアを必要とし範囲は確認されなかった。Steel A 表面近傍の高C範囲ない。そのため、後述するFEMソフトウェアを用いて構は、図4で示した粗大θの存在する範囲と対応している。

築したシミュレーションに比べて、モデル作成（計算条件C濃度の実測値に対して、DICTRAでモデル構築・計算実の設定）の手間が少なく、迅速・簡便にシミュレーション行した局所平衡モデルによる解析値（図5中の灰色実線）を実施できるというメリットがある。

は、粗大θがない範囲においてはよく一致しており、解析4. エッジ部を対象にした二次元解析精度は良好である。しかしながら、粗大θが存在する範囲のC濃度は、解析値と実測値で乖離しており、局所平衡モデルでは、θ析出部の再現や予測は難しいことが分かる。

θの形成・固溶を伴った減圧浸炭下の二次元C拡散挙

上記の局所平衡モデルで生じた乖離は、同モデルのθ析動のシミュレーションを実施可能とすべく、FEMソフト

出・固溶など組織変化に必要な時間を無視するという仮定ウェアを用いてモデル構築を行った。前述した局所平衡モに起因していると推察した。そこで当社は、局所平衡モデ

デルに基づき、他の熱力学計算ソフトウェアによる組織状ルに対して、組織変化に必要な時間の影響を考慮させる改態の計算結果を活用してθと母相の複合組織を含んだ鋼材良を加え、独自の解析モデルを開発した。この開発モデル

中の拡散係数を計算するユーザーサブルーチンを独自に開に基づいたシミュレーションは、DICTRAを用いて実施可発し、解析モデルに組込んだ。
FEMソフトウェアを用いた解析モデルによる、エッジ能である。図5の黒破線で示す通り、開発モデルによるシSteel A
Steel A

100μm100μm

図４

炭素濃度
炭素濃度(mass%)(mass%)

1.0
1.00.50.50.00.00.00.0

局所平衡モデル
局所平衡モデル
実測値
実測値

1.5
1.5
1.0
1.00.5
0.5
0.0
0.0

0.5
1.0
1.5
0.5
1.0(ｍｍ) 1.5
表面からの距離
表面からの距離 (ｍｍ)図５Steel B
Steel B

2.02.0局所平衡モデル
局所平衡モデル
開発モデル
開発モデル
実測値
実測値

1.5
1.5

100μm
100μm

減圧浸炭後の平坦部ミクロ組織

Steel A
Steel A

2.0
2.0
炭素濃度
炭素濃度(mass%)(mass%)

Steel B
Steel B

0.0
0.00.51.0
1.5
0.5
1.0(ｍｍ) 1.5
表面からの距離
表面からの距離 (ｍｍ)

減圧浸炭後の平坦部C濃度分布

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Sanyo Technical Report Vol.31 (2024) No.1

特集 カーボンニュートラルに寄与する特殊鋼研究

ミュレーション結果は、θ析出部を含めて実測値と良く一囲に粗大θが存在していることが確認できる。

減圧浸炭シミュレーション技術である。実測値（図7中の□プロット）に関して、Steel A

前章（平坦部の解析）と同じ2鋼種を対象にし、二次元断では頂点から350μm程度まで、C濃度が著しく高くなっ面において、C濃度分布のシミュレーションによる解析とている範囲が確認され、一方でSteel Bには同様の高C範EPMAによる実測を行った。図6は対象材の減圧浸炭後の囲は確認されない。図6との比較にて、Steel A頂点近傍の60°エッジ部ミクロ組織であり、Steel Bでは粗大θが殆

高C範囲は、C濃度分布を得た角の二等分線上にて粗大θど存在せず、Steel Aでは頂点近傍に粗大θが多量に存在が多く存在する範囲と対応している。C濃度の実測値に対していることが確認できる。

して、FEMソフトウェアでモデル構築・計算実行した局

図7に、エッジ部断面のC濃度分布（解析値及び実測

所平衡モデルによる解析値（図7中の灰色実線）は、前章値）を示す。C濃度分布は、60°エッジ部断面においの一次元解析と同様に、多量の粗大θが存在する高C範囲て、角の二等分線上に沿って、解析値・実測値を得たもの
Steel Aを除いて良く一致するが、高C範囲に関しては乖離が生じ
Steel B

350μm

350μm

Steel A

Steel B

350μm

350μm

低倍
低倍

100μm
100μm
高倍
高倍

図６

減圧浸炭後の60°エッジ部ミクロ組織

Steel A

2.0
1.5
1.5
1.0
1.00.50.5

Steel B

Steel A局所平衡モデル
開発モデル
実測値
局所平衡モデル
開発モデル
実測値

0.00.51.01.560°エッジ頂点からの距離 (ｍｍ)
図７1.02.0炭素濃度(mass%)(mass%)
炭素濃度

2.0

炭素濃度
(mass%)(mass%)
炭素濃度

特集 カーボンニュートラルに寄与する特殊鋼研究部を対象にしたシミュレーションの実施例を紹介する。

Steel 局所平衡モデル
B

2.01.5実測値
局所平衡モデル

1.51.0

実測値

1.00.50.5

0.00.51.0
1.5
60°エッジ頂点からの距離 (ｍｍ)

減圧浸炭後の60°エッジ部C濃度分布0.01.50.00.560°エッジ頂点からの距離 (ｍｍ)

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0.5
1.0
1.5
60°エッジ頂点からの距離 (ｍｍ)Sanyo Technical Report Vol.31 (2024) No.1

減圧浸炭シミュレーション技術

特集 カーボンニュートラルに寄与する特殊鋼研究た。このように、局所平衡モデルでは、エッジ部断面を対象とした二次元解析でも、θ析出部の解析精度は低いことが分かる。
この解析精度の課題に対して、前章の平坦部を対象とした研究で得た知見を踏まえ、鋼材中の拡散係数を計算するユーザーサブルーチンに改良を加え、独自の開発モデルに基づくシミュレーションをFEMソフトウェアにて実施可能にした。図7の黒破線で示す通り、開発モデルによるシミュレーション結果は、θ析出部を含めて実測値と良く一致しており、精度良くC濃度分布の解析ができている。
開発したFEMソフトウェアを用いたシミュレーションは、今後、その汎用性、形状モデル化の容易さから、他の二次元断面形状や、より複雑な実部品形状を反映させた三次元形状など、解析対象の拡大が可能であり、あらゆる部品形状に対して、適切な浸炭条件を導出するためのツールとして活用できると考える。

5. おわりにカーボンニュートラル実現に向けた、自動車・産業機械の部品製造における熱処理プロセスの変革の一つとして、CO2排出量削減の観点で優れた方法である減圧（真空）浸炭の活用が進められている。本稿では、当社で開発した減圧浸炭シミュレーション技術について報告した。本シミュ
レーションは、減圧浸炭における浸炭品質（表面C濃度・粗大θ）制御に活用できる。今後も、本技術の更なる活用、発展を進め、当社顧客のカーボンニュートラル実現に向けた取組みに貢献していく。

参考文献
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