レーザ照射条件の最適化による高速浸炭処理技術の開発
大阪産業技術研究所 和泉センター主任研究員 平田 智丈（平成 29 年度 一般研究開発助成 AF-2017216）
キーワード：浸炭，レーザ，熱処理

１．研究の目的と背景

一方，レーザは，透明の物体を透過する特徴を有するため，鉄鋼材料への浸炭焼入処理は，靭性を損なうことなく疲使用する容器が透明であれば，熱源となるレーザ装置を必

労強度等の機械的性質を改善できる，古くから利用されるずしも容器内に設置する必要はない．また，一般的な浸炭熱処理技術である．浸炭処理は，多くの機械部品においては，炉材の選定や金属組織の熱的安定性に起因して 900～採用されているが，工業的にはガス浸炭と真空浸炭の二つ1100℃で処理されることが多いが，処理温度が 1200℃をの手法が多く用いられる．

超えると，理論上は浸炭時間を大幅に短縮できることが予

ガス浸炭は，搬送ガスに少量の炭化水素ガスを添加した測される．さらに，レーザが処理品のみを瞬間的に加熱す

雰囲気中で，所定の温度で適当な時間保持することで行わるだけならば，雰囲気制御用の容器には，高価な耐熱材料れる．炭化水素ガスの添加量により，簡単に表面の炭素濃は必要ないと考えられる．そこで本研究では，雰囲気制御度を調節できるが，処理に長時間を要し，多量の余剰ガス用の容器にはプラスチック材料を使用し，レーザを外部かも発生する．通常，余剰ガスは燃焼して処理されるため，ら照射できるよう，一部に石英ガラス製の小窓を設けたも多量の温暖化ガスが発生し，熱処理業界では大きな課題とのを準備した．

なっている．

容器には，浸炭処理に要する炭化水素ガスの封入や容器

一方，真空浸炭は，高温・減圧下で処理品と炭化水素ガ内の排気を目的に，複数のバルブを設けた．また，容器内スを分解接触させることにより浸炭させる手法である．真の炭化水素ガスの濃度を制御するために，真空計を装備し空浸炭は，使用ガス量が少なく，酸化性ガスを含まないこた．レーザ照射部の温度は，放射温度計を用いてガラス窓とから粒界酸化が生じない．さらに，ガス浸炭よりも高温越しに測定した．ただし，放射温度計で金属材料の表面をで処理できるため，浸炭時間を短縮できる．しかしながら，測定する場合，放射率の違いによる測定誤差が生じる恐れ

既存の設備では 1100℃以上で処理することは難しく，処があるため，本研究では波長の異なる二つの赤外線を利用理時間の短縮には限りがあるため，省エネ化や高効率化がした二色モードで温度を測定した．

実現できる新たな技術開発が期待されている．
レーザプロセスは，微細加工や溶接を目的に利用されることが多いが，瞬間的な加熱と冷却を利用した熱処理技術としても注目されている．レーザ照射による加熱は，局所的かつ瞬間的であり，処理品の周囲の物体を著しく加熱することがないため，既存の熱処理設備では実現不可能な高温域まで処理品を加熱することも可能である．したがって，レーザプロセスを浸炭処理に応用展開できれば，浸炭処理技術の省エネ化や高効率化も期待できる．そこで本研究では，浸炭雰囲気制御下でのレーザ照射条件の最適化により，
図 1 実験装置模式図

既存の手法よりも大幅に処理時間を短縮させ，環境負荷軽減に大きく貢献できる先駆的浸炭処理技術を確立することを目指した．

2・2

実験条件

浸炭に使用した材料は，SCM415 である．直径 50 mm の２．実験方法
2・1

実験装置の考案

棒材を厚さ約 3 mm に切断し，さらに外周の一部を切断後，表裏を研削して 3mm 厚の小判状の試験片を準備した．使用

本研究では，混合ガスではなく，少量の炭化水素ガスのしたレーザ装置は，光源は半導体レーザ，波長は 940 nm，みを使用した浸炭を目指した．使用する実験装置は，M.

照射スポットは約 5 mm×約 5 mm 四方で，レーザ出力を 6001)

Grenier ら がチタン表面への硬化層形成を試みた実験方法を参考にし，真空浸炭を模擬した装置を考案した．

～800 W の範囲で変化させた．
試験片は，透明な容器内に設置し，容器内を排気した後，図 1 に，本研究で作製した実験装置の模式図を示す．浸C3H8 ガス（プロパンガス）を封入し，浸炭雰囲気に制御し炭は，雰囲気を制御するための炉（容器）が必要となる．

た．その後，容器外からレーザを試験片に照射し，レーザを 0.5 mm/s で走査して，長さ約 20 mm の領域を浸炭した．
浸炭処理の効果を確認するために，照射部の断面組織観察および炭素濃度分布測定を行った．

３．実験結果3・1

レーザ照射条件の影響

図 2 に，異なる出力のレーザを照射し，浸炭を試みたサンプルの外観を示す．いずれのサンプルも，レーザ照射部は試料のほぼ中央付近で，写真の左から右に向かってレーザを走査した．600 W のレーザ光を照射したサンプルでは，(a) 640 W

表面の変色はほとんど認められず，サンプルを十分に加熱できていないことが示唆される．一方，640 W および 700 Wのサンプルでは，レーザ照射部は明らかに変色しており，ガラス窓越しでのレーザ照射であっても，サンプルが十分に加熱されていると考えられる．800 W のサンプルでは，レーザ照射部は変色しているが，640 W や 700 W のサンプルと比べて，全体的に金属光沢が認められた．なお，レー
ザ照射後は，いずれの条件においてもプラスチック容器が溶けることはなかった．
次に，レーザ照射後に表面の変色が認められ，その特徴が異なる 640 W および 800 W のサンプルにおいて，レーザ(b) 800 W照射部を拡大し観察した．それぞれのサンプル表面の SEM
写真を図 3 に示す．640 W のサンプルにおいては，表面研削時の加工跡が認められることから，サンプル表面が溶融

図3

レーザ照射後のサンプル表面拡大写真する温度域までは加熱されていないことがわかる．一方，(a)600 W(b)640 W(c)700 W(d)800 W

図2

レーザ照射後 のサンプル外観

800 W のサンプルでは，表面が溶融し，研削痕が認められも優位と考えられる．特に，本手法では処理品が固相状態ない．すなわち，レーザの出力が大き過ぎるため，固液共であっても浸炭することが可能であるので，品質において存域以上に加熱されたことが示唆される．

は特に良好であることが示唆される．

液相の有無は浸炭速度に影響し，液相が存在するほうが次に，640 W でレーザを照射したサンプルにおいて，照炭素の拡散は促進されるため，より浸炭されやすいことが射部の温度を放射温度計にて測定した結果を図 5 に示す．

予想される．しかしながら，金属材料は一度溶融すると，レーザ照射部は，10 秒程度ではあるが，既存の熱処理設一般的にはそれ以前の特性が消失するため，通常の熱処理備では実現不可能な 1200℃以上の温度域に到達している

では材料の溶融は好ましくない．したがって，本研究におことがわかる．石神ら 3)は，プロパンガスを使用した真空いても，サンプルへの浸炭が可能であれば，より出力の小浸炭において，炭素流入速度の定量的な解析を行っている．

さい 640 W のレーザ照射条件のほうが，浸炭条件としてはその報告では，1040℃までの炭素流入速度を解析しているより好ましいと考えられる．

が，さらに高温域においても解析結果が成立する場合，1200℃以上で数十秒加熱すれば，内部への浸炭が期待でき

3・2

レーザ照射による浸炭状態る．本研究で得られた結果は，その予測の妥当性を証明す

640 W および 800 W のサンプルにおいて，表面状態に差るものであり，浸炭雰囲気に置かれたサンプルを，レーザ異が認められたため，それらの浸炭状態を確認するために，により瞬間的に超高温域に加熱することができれば，極短炭素濃度分布を測定した．図 4 に，両サンプルの表面から時間であっても十分に浸炭できることがわかった．石神ら

内部への炭素濃度分布を示す．測定箇所は，レーザの走査は，ガス濃度によって炭素流入速度が変化することも報告部の中央付近である．いずれのサンプルも，表面炭素濃度しているが，本研究ではガス濃度の依存性は調査しておらの上昇が認められ，レーザ照射により浸炭できていることず，それは今後の課題である．なお，800 W のサンプルにがわかる．炭素濃度は，内部に向かって緩やかに減少しておいて，同様の手法で温度測定を行ったところ，最高到達おり，この傾向は通常の浸炭処理材においても認められる温度は約 1500℃であった．

ことから，炭素は拡散により内部に侵入していると考えら

最後に，レーザ照射により浸炭処理したサンプルの断れる．表面の炭素濃度は，800 W のサンプルのほうが高い

面組織観察結果を示す．写真はレーザ出力640 Wのサンプ値を示しているが，これは加熱温度が高く，かつ表面が溶ルのもので，図6(a)はマクロ写真，図6(b)は照射部の表面融していたことから，炭素が固溶・溶解しやすい状態であ中央付近をやや拡大した写真，図6(c)は表面中央付近をさったことが要因と考えられる．

らに拡大した写真である．マクロ写真では，レーザ照射に

小野ら 2)は，本研究と同様に，炭化水素ガスを供給しなよる熱影響部がお椀型状に広がっていることがわかる．中がらレーザを照射し，鋼中への浸炭を試みている．ただし，心付近は板厚の約半分である1.5 mm程度の深さまで熱影

本研究のような真空浸炭を模擬した手法とは異なり，密閉響部が認められるが，それよりも深い裏面側は大きな変化

型の容器は用いず大気圧下で鋼を溶融域まで加熱し，浸炭は認められない．すなわち，レーザ照射部は1200℃以上にを試みている．その手法では，浸炭と同時に酸化も懸念さ加熱されるが，そのときの熱は瞬時に周囲に逃げていくこれ，さらに炭化水素ガスを大気中で使用するため，その取とがわかる．そのため，プラスチック容器であっても，溶扱いにも注意が必要となる．一方，本研究で用いた手法で融することなく浸炭できたと考えられる．次に図6(b)に注

は，酸化が生じることもなく，炭化水素ガスの取扱いも容目すると，表面から極浅い箇所では組織変化が認められる易なことから，処理品の品質面や，設備の安全面においてが，それより深い箇所では顕著な組織変化は認められない．
これは，レーザによる加熱領域と，浸炭された領域とは一致しないため，浸炭された領域だけ焼入れ組織に変化したためと考えられる．さらに表面部分を拡大した図6(c)では，組織変化の範囲は表面から0.1 mm弱であることがわかる．

図4

レーザ照射したサンプルの炭素濃度分布

図5640 W のレーザ照射時における温度測定結果

この結果は，図 4 で示した炭素濃度分布の結果と良い一致には適さない．また，サンプルを浸炭炉に入れれば，サンを示しており，浸炭が認められる領域のみ組織が変化してプルは全体的に高温に加熱されることになるため，製品にいることがわかる．ただし，表面から 30 m 以上深い箇所

よっては熱処理歪みが問題になることも想定される．近年

ではマルテンサイト組織が認められるが，それよりも浅いは，物の付加価値を高めるがゆえに，いわゆる一点物に近箇所には残留オーステナイトが認められる．これは，表面い製品の需要が高まる傾向にある．このように，多品種少付近は炭素濃度が高いためで，このままでは高い硬度は得量生産が求められる状況においては，既存の浸炭処理設備られないが，サブゼロ処理などを施せばマルテンサイト変では対応が難しいことも多く，本開発技術は，世の中のニ態が起こり，十分な硬さが得られると考えられる．

ーズに弾力的に対応することができる．

ところで，本技術の特長は，処理時間の大幅な短縮だけ

本研究のような浸炭処理の超高速化あるいは多品種少でなく，それにともない少量のサンプルにも柔軟に対応で量生産への対応に注目した研究開発は，国内外共に非常にき，また局所的な表面硬化にも適している点である．すな

少ないが，国内においては高周波加熱を利用した高速浸炭

わち，既存のガス浸炭や真空浸炭用の設備は，処理に長時に関する報告がある4)．その報告によれば，不活性ガスと間を要するため，一度の処理で多くのサンプルを処理でき炭化水素ガスの混合ガス雰囲気下において，高周波加熱にるよう大型の設備であることが多い．そのため，処理量により1200℃程度まで加熱すれば，大幅に処理時間を短縮化依らず多くのガスやエネルギーを消費するため，少量生産することが可能となる．
高周波やレーザを利用した高速浸炭は，浸炭のメカニズムは基本的に同様と考えられるが，高周波加熱の強みは，一度に比較的広い範囲を浸炭できることである．しかしながら，高周波ではコイルを近付けにくい箇所は浸炭されにくい．疲労特性の向上は，浸炭処理の目的の一つであるが，疲労破壊は窪み部等の応力集中しやすい箇所から始まることが多い．つまり，高周波加熱では，疲労き裂が発生し(a)マクロ写真やすい箇所は浸炭しにくいことも想定される．一方，レーザであれば，窪み部等の微細領域も照射でき，問題なく浸炭できることが予想される．このように，お互いの利点を活かせるよう適用分野によって両技術を使い分け，熱処理業界が抱える課題解決の一助となれることを期待する．

４．結論(b)表面部やや拡大写真

本研究では，容器内にサンプルを置き，容器を密閉して浸炭雰囲気に制御し，容器外からレーザを照射して，容器内のサンプルの浸炭を試みた．レーザ照射条件の最適化により，処理速度を著しく高速化できる浸炭技術の礎を確立することができた．今後は，この技術をさらに高度化し，より実用的なレベルへと発展させ，環境負荷軽減に大きく貢献できる浸炭技術の構築を目指す．

謝辞本研究は公益財団法人天田財団からの一般研究開発助成（AF-2017216）によって実施されました．ここに深く感謝の意を表します．

参考文献
1)M. Grenier, D. Dubé, A. Adnot, M. Fiset：Wear, 210(1997) 127.
2)小野守章，海津享，真保幸雄，樺澤真事，佐藤章仁，戸塚和弘，中村真一郎，玉田健二：溶接学会論文集, 14, 4(1996) 660.
(C)表面部拡大写真

3)石神逸男, 横山雄二郎, 三浦健一, 浦谷文博, 星野英
光：材料，49 (2000) 1235.

図6640 W で照射したサンプルの断面組織写真

4)戸田一寿,Mech. Surface Tech., 6 (2018) 32.