2020 Fiscal Year Research-status Report
鋼に対する新しい浸炭現象の発見と実用プロセスへの展開
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19K05045
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| Research Institution | Kurume National College of Technology |
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Principal Investigator |
森園 靖浩 久留米工業高等専門学校, 材料システム工学科, 教授 (70274694)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 鉄鋼材料 / 浸炭 / 鉄粉 / グラファイト / 拡散 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
耐摩耗性が要求される歯車などの鋼製の機械部品においては，炭素を鋼表面から拡散浸透させて表面付近を硬化させる，「浸炭」と呼ばれる熱処理操作が通常行われる。工業的には高炭素含有の浸炭性ガスの中で加熱・保持する「ガス浸炭」が主流であり，また品質向上を目的に「真空浸炭」や「プラズマ浸炭」といった比較的新しい手法も採用されている。一方，鋼片と浸炭剤（木炭＋炭酸バリウムなどの促進剤）を容器に入れて密封し，鋼のオーステナイト域に加熱・保持する「固体浸炭」は，最も古くかつ簡単な浸炭法であるが，量産品に対してはほとんど利用されなくなった。
ところで，本研究課題で扱う浸炭法は，鉄粉と炭素粉（グラファイト粉）から成る混合粉の中に鋼片または純鉄片を埋め込み，大気中で加熱・保持するものである。固体浸炭の一種であるが，①容器を密封する必要はない，②促進剤を添加しなくてよい，などの特徴があり，これまでに報告例がない，新規の浸炭法である。なお，グラファイト粉のみで熱処理した場合には被処理材が酸化され，浸炭現象は観察されない。このため，グラファイト粉への“鉄粉の添加”が重要であることは確かである。本研究では，この浸炭法を「鉄粉浸炭」と名付け，【炭素の輸送経路の解明】・【鉄粉の働きの明確化】・【新・浸炭システムの構築】の3つの観点から研究に取り組んでいる。
2019年度において，グラファイト粉を起源とする炭素の被処理材中への拡散は，一酸化炭素のような気相を介した経路だけではなく，固相状態でも直接的に行われることが示された。そこで，鉄・グラファイト混合粉と被処理材の間に“鉄粉を含まない，炭素を主体とした領域”を設けることを考えた。もし気相を介した炭素拡散が支配的であれば，炭素の拡散量に対してその影響はほとんどないことになる。2020年度は，このような視点から主に調査を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
「科学研究費助成事業 交付申請書」には，2019・2020年度の研究実施計画として【炭素の輸送経路の解明】と【鉄粉の働きの明確化】の2つに重点を置いて取り組むことを明記している。また，2020年度からは【新・浸炭システムの構築】についても検討を開始するとしている。
「研究実績の概要」でも述べたように，炭素源となる鉄・グラファイト混合粉（体積比1：1，1回の熱処理につき計約8 mLを使用）と被処理材（ここでは純鉄片）の間に“紙を原料とする，鉄粉を含まない領域”（以下，鉄粉フリー領域）を設けて，大気中，1073 Kまたは1173 Kの温度域に3.6 ks保持する熱処理を行った。鉄粉フリー領域は，純鉄片の表面に所定の大きさの紙を複数枚糊付けしたものとし，十分に乾燥させた状態でその厚さを測定した（最大厚さは約3 mm）。熱処理後，純鉄中に形成されるパーライトの面積割合と鉄粉フリー領域の厚さの関係を調べ，混合粉からの炭素の拡散が鉄粉フリー領域の存在によって阻害されることを確認した。これは，一酸化炭素のような気相を介した炭素拡散が支配的に起こっているわけではないことを意味する。また，積層した紙の特定の場所に鉄粉を挟み込み，同様に熱処理した結果，純鉄表面に生じたパーライトの面積割合が鉄粉フリー領域を導入した場合に比べて増加することがわかった。すなわち，鉄粉には炭素拡散を促進する触媒的な作用があると考えられる。
ところで，「鉄粉浸炭」には，熱処理に伴って鉄・グラファイト混合粉が焼き固まり，被処理材の取り出しに時間を要するといった問題がある。上記の結果に基づき，熱処理によって焼き固まらない程度の鉄・グラファイト混合粉を被処理材の周囲（鉄粉フリー領域の位置）に設ければ，浸炭能力を十分に確保した上で試料の回収作業が改善できることになる。
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| Strategy for Future Research Activity |
2021年度は，【新・浸炭システムの構築】を主たるテーマとして取り組む予定にしている。しかし，大気中で加熱した鉄・グラファイト混合粉中で起こる浸炭現象を理解するには至っていないことから，【炭素の輸送経路の解明】や【鉄粉の働きの明確化】についても引き続き調査する。特に，鉄粉の働きについては，「高温下で鉄粉とグラファイト粉が接触することで，なぜ浸炭現象が発現するのか？」という根本的なところが未だ明らかになっていない。これまでと同様，炭素量・粒径・形状の異なる6種類の鉄粉を準備し，それぞれ所定量を添加したグラファイト粉を使って，純鉄片に対する浸炭を試みる。現時点では，炭素の拡散量に対しては鉄粉の炭素量や形状よりも粒径の影響が大きいことを突き止めているが，その理由はわかっていない。大気中で加熱した鉄・グラファイト混合粉の焼結状態との関連も含めて調査を続ける必要がある。
また，【新・浸炭システムの構築】に向けたアプローチとして，熱処理した後の試料の回収作業の改善についてさらに検討する。この解決策として，2020年度において，熱処理によって焼き固まらない程度の鉄・グラファイト混合粉で被処理材を覆うことが提案された。その一方で，鉄・グラファイト混合粉中にアルミナ粉を添加することも有効と考えられる。アルミナ粉は焼結防止に役立つことは古くから知られている。そこで，鉄・グラファイト混合粉へのアルミナ添加量と浸炭に伴う純鉄中でのパーライト生成量の関係について調査を実施し，浸炭能力の維持と試料回収の手軽さの両立を図る。
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| Causes of Carryover |
2020年度の残額は8,871円であった。研究実施のための備品・消耗品を十分に購入できたため，残額を次年度の消耗品・旅費として使用することが適切と考えた。
2021年度の研究費は『消耗品費』・『国内旅費』・『その他』として使用する。『消耗品費』では，鉄粉や鋼片などの「金属素材」をはじめ，試料の切断・研磨作業に用いる「ダイヤモンド砥石」や「ダイヤモンド研磨剤」，研磨後のエッチング等に用いる「化学薬品」，熱処理に要する「ルツボ」などが主たる購入物品である。また『国内旅費』については，日本金属学会の講演大会（年2回開催）に参加にするための経費などを予定している。しかしながら，新型コロナウィルスの影響でWEBでの開催の可能性がある。この場合には，旅費は消耗品の購入費用に充てることを考えている。『その他』の項目からは，論文誌に発表するための「研究成果投稿料」を支出する。
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[Journal Article] Interfacial Characterization of Dissimilar-Metals Bonding between Vanadium Alloy and Hastelloy X Alloy by Explosive Welding2020
Author(s)
S. Jiang, J. Shen, T. Nagasaka, T. Muroga, A. Sagara, S. Ohnuki, K. Hokamoto, S. Tanaka, D. Inao, Y. Morizono, R. Kasada and P. Zheng
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Journal Title
Journal of Nuclear Materials
Volume: 539
Pages: 152322
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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