化学熱処理：定義、分類、特徴

化学熱処理の定義

化学熱処理とは、金属や合金の加工品を適切な活性媒体中で加熱して絶縁し、1種類以上の元素を表層に浸透させ、化学組成、構造、性能を変化させる処理である。

化学熱処理は、「表面拡散」または「熱拡散」処理としても知られ、以下のような処理を行う。 金属材料 1つまたは複数の化学元素を含む固体、液体、または気体媒体中の部品。

その後、材料を加熱炉で特定の温度に加熱し、金属表面での媒体熱分解物の分解、吸着、固溶体化、複合化反応を通じて、これらの元素が金属表面に入り込むようにする。元素は熱拡散を通じて徐々に金属材料に浸透し、金属表面に1種類以上の合金元素を豊富に含む浸透層を形成する。

化学熱処理技術は、ワークピースに要求される性能を大幅に向上させることができるため、現代産業において重要な役割を果たしている。

硬質な表面と強靭な内面を形成することで、高強度、高硬度、高耐摩耗性、耐焼付性、耐疲労性、耐特殊腐食性など様々な機械的特性を向上させることができる。また、耐高温酸化性など、ワーク表面の物理的・化学的特性を向上させることもできる。

重要なことは、複雑な作業条件下で機械部品の耐久性を向上させるためには、被加工材が本来の塑性と延性の特性を維持しなければならないということである。その結果、化学熱処理は、幅広い産業用途の特定の要件を達成するために広く使用されています。

化学熱処理の主な特徴は以下の通りである：

• 被加工物の表面層の化学組成を変化させるだけでなく、その構造も変化させる固体拡散浸透。
• 浸透層とマトリックスとの間に拡散層が存在することで、単一材料では達成困難な特性を提供したり、加工物の性能をさらに高めたりすることができる。
• 化学熱処理は濃度勾配によって駆動される。
• 化学熱処理によって形成された浸透層の構造は、相図に忠実である。
• その構造は連続的で、冶金的な組み合わせに分類される。

化学熱処理の分類

1.浸透した要素の種類による分類

これは浸炭を含むいくつかの方法に分けられる、 窒化ホウ素化、アルミナイズ、硫化、炭窒化、炭素-クロム複合浸炭など。

2.浸透した要素の種類と順序による分類

1.単一要素浸透

浸炭（単位浸炭）、ホウ素化（単位ホウ素化）など。

2.バイナリー浸透。

2つの要素を同時に浸透させるプロセスは、二重浸透として知られている。

炭素と窒素を同時に浸透させることを炭窒化という。同様に、ホウ素とアルミニウムを同時に浸透させるプロセスは、ホウ素アルミナイズ（略してホウ素アルミナイズとも呼ばれる）と呼ばれる。

3.マルチエレメントの浸透。

複数元素浸透とは、2つ以上の元素が同時に浸透することを指す。

具体的には、炭素、窒素、ホウ素が同時に材料に浸透することを炭窒化と呼ぶ。

4.二成分複合浸透。

2つの要素で材料を浸透させることは、2要素複合浸透と呼ばれる。

例えば、タングステンとカーボンを順次浸透させる場合、そのプロセスはタングステンとカーボンの二元複合浸透として知られている。

5.多要素複合浸透。

多要素複合浸透は、2つ以上の要素を順次浸透させる。

例えば、窒素、炭素、硫黄の三元複合浸透は、多元素複合浸透の一種である。

3.活性媒体浸透要素の状態による分類

1.固体法

粉体充填方式、ペースト（スラリー）方式、電動サイクロン方式など。

2.液体法

塩浴法、電解塩浴法、水溶液電解法など。

3.ガス法

真空法、固体ガス法、間接ガス法、移動イオン炉法など。

4.イオン衝撃法

イオンボンバード浸炭、イオンボンバード窒化、イオンボンバードメタライジングなどが含まれる。

4.表面化学組成の変化特性による分類

拡散浸透は4つのカテゴリーに分類できる：

• 様々な浸透 非金属 要素がある。
• 様々な浸透 金属元素.
• 金属元素と非金属元素の同時浸透。
• 特に不純物元素を除去するための拡散。

5.浸潤元素と鋼中の元素が形成する相構造による分類

鋼の表面改質プロセスには2つのメカニズムがある。第一のメカニズムは、浸透した元素が溶媒元素の格子に溶解して固溶体を形成することである。浸炭、浸炭窒化、および類似のプロセスは、このカテゴリに分類されます。

つ目のメカニズムは反応拡散で、これには2つのサブタイプがある。

第一のサブタイプは、浸透した元素が鋼中に存在する元素と反応し、金属化合物としても知られる秩序相を形成することである。一般的に窒化と呼ばれる窒化は、このサブタイプの一例である。

第二のサブタイプは、溶媒元素格子への浸潤元素の溶解度が非常に低い場合に発生する。この場合、浸潤元素は鋼中に存在する元素と反応して複合相を形成する。ホウ素化はこのサブタイプの一例である。

6.鋼部品の表面特性に及ぼす浸透要素の効果・目的による分類

• 硬度、強度を高める、 疲労強度また、浸炭、窒化、浸炭窒化などの技術を用いることで、ワークピース表面の耐摩耗性を向上させることができる。
• ホウ素化、バナダイジング、ニオブ化などの方法で、ワークピース表面の硬度と耐摩耗性を高める。
• 硫化処理、酸窒化処理、硫黄-窒素浸透処理などの技術を利用することで、摩擦係数を下げ、ワークピース表面の耐焼付き性と耐スクラッチ性を向上させる。
• シリコナイジング、クロマイジング、窒化などの技法を用いて、ワークピース表面の耐食性を向上させる。
• アルミナイズ、クロマイジング、シリコナイジングなどの方法で、ワークピース表面の耐高温酸化性を高める。

7.化学熱処理中の鋼の組織状態による分類

表1 鋼材の組織状態による分類表

表1に示すように、フェライト状態の鋼の化学熱処理温度は一般に600℃以下であり、低温化学熱処理と呼ばれる。

一方、オーステナイト状態の鋼の化学熱処理温度は通常600℃以上で、高温化学熱処理と呼ばれる。

低温化学熱処理プロセスには、処理温度の低下、エネルギー効率、ワークピースの歪みの最小化、耐食性と焼き付き防止特性の向上、硬度の向上、摩耗と摩擦防止性能の向上など、いくつかの利点がある。

さらに、表1に見られるように、鋼の化学熱処理は、浸炭、窒化、浸炭窒化などのように、異なる元素の浸透にちなんで一般的に命名される。

化学熱処理の特徴

と比べると 表面硬化法 表面焼入れや表面変形強化など、次のような特徴を示す。

• 異なる元素を導入することで、ワークピース表面の化学組成と構造を効果的に変更し、多様な表面特性を実現することができる。
• 一般的な化学熱処理における浸炭層の深さは、ワークの技術仕様に基づいて調整することができ、浸炭層の組成、構造、性能は表面から内部に向かって徐々に変化する。浸炭層と母材は冶金的に結合しているため、強固な結合が得られ、表層の剥離を防止することができます。
• 化学熱処理は通常、ワークピースの幾何学的形状に制限されない。形状に関係なく、シェルと内部キャビティは必要な浸透層または局部浸透層を得ることができる。対照的に、表面硬化、圧延、冷間プレス、冷間圧延、その他の冷間加工硬化処理は、ワークピースの形状によって制限される。
• 化学熱処理の大部分は、加工物の変形が小さく、精度が高く、寸法安定性が良いなどの利点がある。窒化処理、軟窒化処理、イオン窒化処理などのプロセスは、ワークピースの高精度、低寸法安定性を維持することができます。 表面粗さ寸法安定性も良好だ。
• 化学熱処理は、ワークピースの表面特性を総合的に向上させることができる。ほとんどの化学熱処理は、表面の機械的特性を向上させながら、ワークピース表面層の耐食性、耐酸化性、摩擦低減、耐焼付き性、耐食性などの特性を向上させることができます。
• 一般的な化学熱処理は、機械製品の品質を向上させ、材料の潜在能力を引き出し、耐用年数を延ばす上で、より大きな効果があります。そのため、貴金属材料を節約し、経費を削減し、経済的利益を高めることができます。
• ほとんどの化学熱処理は、複雑な物理的、化学的、冶金的プロセスである。特定の活性媒体中で、界面での物理的・化学的反応と、外部から内部への冶金的拡散を通して加熱しなければならない。その結果、プロセスは複雑で、処理サイクルも長く、設備要件も高い。

結論

この記事では、主に化学熱処理の定義、分類、特徴に焦点を当てる。

こうした基本的な情報を提供することで、読者の理解が深まることを期待している。