レーザビーム照射による浸炭技術

レーザビーム照射による浸炭技術

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浸炭技術について

浸炭手法として、固体浸炭、ガス浸炭、液体浸炭、真空浸炭(真空ガス浸炭)、プラズマ浸炭(イオン浸炭)などがある。

固体浸炭

木炭を炭素源とする。加工する金属を炭素と共に密閉し同時に加熱することによって発生する一酸化炭素が炭素源となる。
簡易であるが、加工品質のばらつきが生ずるために現在では廃れている。

液体浸炭

シアン化ナトリウムを主成分とする無機塩を、高温で溶融させた塩浴によって浸炭を行う。

ガス浸炭

二酸化炭素・水素・メタン・水蒸気などを主成分とするガスによって浸炭を行う。現在ではこの方法が主流である。

真空浸炭(真空ガス浸炭)

真空引きした後、浸炭用のガスを注入して加熱する方法。

プラズマ浸炭(イオン浸炭)

真空引きした後、浸炭用のガスを注入した後に高電圧をかけ、グロー放電によってガスをプラズマ化して浸炭を行う方法。

レーザビーム照射による浸炭技術

弊社と九州工業大学の共同研究によって、レーザビーム照射部への浸炭技術を開発した。

レーザビーム照射による浸炭技術

 1.脱脂等、処理表面のクリーニング
 2.浸炭剤の塗布
 3.レーザビーム照射
 4.浸炭部酸化被膜除去

S25C レーザ焼入れ結果

断面写真 焼入層が0.5mm形成しており、浸炭焼入に成功している。そして最表面0.1mmの部分に、硬化皮膜層が新たに形成している。
硬度 硬化皮膜層:HRC66~64
マルテンサイト層(混):HRC54~46
備考 硬化皮膜層と焼入層が形成されている。

硬化皮膜層のX線回折

最表層0.1mmに形成される、硬化皮膜層の結晶構造を特定するため、X線回折分析を行った。
なお、比較対象を容易にするため、S25Cのレーザ浸炭焼入層の分析も行った。

◎材料 S25Cレーザ浸炭硬化皮膜層(表層0.1mm) 及び S25Cレーザ浸炭焼入層(0.2~0.5mm)
◎分析方法 X線回折

S25Cレーザ浸炭硬化皮膜層と焼入層 X線回折結果

(赤:焼入層の主な結晶構造)
マルテンサイト、フェライト、オーステナイトなど

(青:硬化皮膜層の主な結晶構造)
セメンタイト(Fe3C)、マルテンサイト、フェライト、マグネタイト(Fe3O4)、ヘマタイト(Fe2O3)

レーザ浸炭部 硬化皮膜層、X線回折の分析結果

通常の焼入層のピークとは大きく異なり、結晶構造もセメンタイト(Fe3C)やマグネタイト(Fe3O4)、ヘマタイト(Fe2O3)などのピークが高くみられた。
前項のX線定性分析でCとOが多く検出されたが、それに比例しFe-C、Fe-O化合物が多い。
硬化皮膜層となる理由は、硬い結晶であるセメンタイト(Fe3C)の割合が高いからだと考えられる。

備考

低炭素鋼やフェライト割合が高い材料に、レーザ浸炭焼入れを可能にした。
レーザ浸炭焼入れを行うと、マルテンサイト層とは別に最表面に硬化皮膜層が生成する。
硬化皮膜層が最も硬く、マルテンサイトのような「針状」ではなく「層状・粒状」の組織である。
硬化皮膜層は、主にC(炭素)とO(酸素)とFe(鉄)から構成されている皮膜である。
硬化皮膜層となる理由は、硬い結晶であるセメンタイト(Fe3C)の割合が高いからである。

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