| 研究課題/領域番号 |
22K04716
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分26030:複合材料および界面関連
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| 研究機関 | 久留米工業高等専門学校 |
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研究代表者 |
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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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2024年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2023年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2022年度: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円)
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| キーワード | 低炭素鋼 / 鉄粉 / グラファイト粉 / 真空 / 浸炭 / 拡散 / 鉄鋼材料 / グラファイト / 真空雰囲気 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
鋼の浸炭は，その表面の炭素濃度を高めた後に焼入れ・焼戻しを行うことによって耐摩耗性や耐疲労性を向上させる技術である。炭素を鋼表面から拡散浸透させる際には二酸化炭素の発生を伴うため，2050年のカーボンニュートラル実現に向けて，プロセスの改良は必須である。我々は，鉄粉とグラファイト粉から成る混合粉に鋼片を埋め込み，真空中で加熱することで，二酸化炭素のような気相を介することなく，混合粉から鋼片へ直接的に炭素を拡散させることに成功した。本研究は，このような炭素の固相拡散による新規の浸炭技術を提案するとともに，それを応用して，微小領域に選択的に炭素を拡散させる「局所浸炭」についても検討する。
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| 研究実績の概要 |
浸炭は，鉄鋼材料に対する代表的な表面硬化法である。工業的には炭化水素系ガスを原料とした雰囲気中で鋼材を加熱・保持し，炭素を拡散浸透させている。しかし，この工程では二酸化炭素の発生を伴うため，2050年のカーボンニュートラル実現に向けて改善策が検討されている。ところで，我々は，カーボニル鉄粉を添加したグラファイト粉に鋼材を埋め込み，大気中で1173 K付近に加熱・保持するだけで，鋼中へ炭素を拡散できることを見出した。「鉄粉浸炭」と名付けたこの処理法では，炭素源である鉄・グラファイト混合粉から鋼材への炭素の供給経路として，[I]気相を介した炭素拡散と[II]混合粉からの直接的な炭素拡散，の2つが存在する。従来の浸炭は[I]を利用しているが，鉄粉浸炭では真空加熱することで[II]が優先的に起こる。この点に注目して，「炭素の固相拡散による新規の浸炭技術」ならびに微小領域に選択的に炭素を拡散させる「局部浸炭技術」について検討を始めた。
低炭素鋼板（0.04 mass% C）を市販のカーボニル鉄粉とグラファイト粉から成る粉末に埋め込み，真空中，1173 K，3.6 ks保持した後に炉冷する操作により，鋼中への炭素拡散によって生じるパーライトの面積割合と鉄・グラファイト混合比の関係を調査した。今回は，前年度に得られた結果の再現性を含めて，より詳細に検討した。鉄粉とグラファイト粉を体積比で5：5とした場合に最もパーライトが生じ，それよりグラファイト粉の割合を変化させても増加することはなかった。また，加熱温度を1273 Kに変更した結果，パーライト面積のさらなる増加が認められたが，鋼表面に接して鉄粉が凝集した。これは，グラファイトを構成する炭素が鋼側へ拡散したことで，鉄粉同士の結合が促進されたことが原因と考えられる。このため，凝集した鉄粉と鋼板を切り離すことが次の課題として提起された。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本研究は，①基礎データの収集，②鋼材と粉末の密着促進と焼付き回避，③局部浸炭技術への展開，の3つを柱としている。2023年度はこれら全てに取り組み，真空中での鉄粉浸炭にしても局部浸炭にしても，“鋼材と粉末の密着・分離”という問題を解決することが必須であることを強く認識した。
②に関連した前年度の結果に基づき，耐熱坩堝への鉄・グラファイト混合粉の充填方法を見直した。これを踏まえた上で，鉄・グラファイト混合粉に低炭素鋼板（0.04 mass% C）を埋め込み，真空雰囲気で鉄粉浸炭を行った。混合粉における鉄粉とグラファイト粉の割合は体積比で7：3から0：10まで変化させ，またロータリーポンプで約1 Paまで真空度を下げた後に昇温を開始した。1173 Kに3.6 ks保持した後に炉冷し，得られた試料の複数個所でパーライトの面積を評価した。この場合，上記①を勘案して，試料数を2個以上とした。さらに，一部の混合粉を使って1273 Kで鉄粉浸炭を施し，パーライト面積の著しい増加を確認した。このようにして得られた結果を大気中で鉄粉浸炭した場合と比較し，「研究実績の概要」に記した“気相を介した炭素拡散”と“混合粉からの直接的な炭素拡散”のそれぞれの寄与度を定量評価することも試みた。
一方，③の局部浸炭については，鉄・グラファイト混合粉の上に鋼板を置いてから，真空中で加熱・保持する手法を採用した。これは，混合粉の使用量を低減できるといったメリットがある。混合粉と接触した鋼表面で炭素拡散が生じた一方で，外気と接する，その反対側の表面では浸炭が妨げられ，局部浸炭が実現可能であることがわかった。しかし，浸炭された表面には混合粉が焼き付いていたため，両者を切り離す工夫が今後必要になる。
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| 今後の研究の推進方策 |
本研究における3つの項目，すなわち①基礎データの収集，②鋼材と粉末の密着促進と焼付き回避，③局部浸炭技術への展開，において，引き続きデータ収集に取り組む。特に②については，③の局部浸炭技術と組み合わせて検討し，課題解決に努める。
2023年度において，低炭素鋼板（0.04 mass% C）に対して真空中，1173 K，3.6 ksの条件で鉄粉浸炭を施し，鋼中に形成されるパーライトの生成量に及ぼす鉄・グラファイト混合比の影響を調査した。2024年度は，これを1273 Kの温度域でも同様に評価する。これによってパーライト生成量，加熱温度，鉄・グラファイト混合比の関係が明らかになる。さらに，大気中で鉄粉浸炭した場合についてもデータを揃え，両者の結果を比較することで，“気相を介した炭素拡散”と“混合粉からの直接的な炭素拡散”に及ぼす加熱温度や鉄・グラファイト混合比の影響に関する定量的な知見が得られる。これらのデータは，新規の固体浸炭法である「鉄粉浸炭」を理解する上で，とても貴重な情報になる。
一方，局部浸炭技術については，2023年度と同様，鉄・グラファイト混合粉の上に鋼板を置いてから，真空中で加熱・保持する手法を採用する。この場合，加熱温度を1273 K，保持時間3.6 ksに固定し，[1]鋼板と混合粉の密着方法，[2]熱処理後の鋼板と混合粉の分離方法，[3]マスキング材として「紙」を使った場合の浸炭面積の最小化，の3点について調査する。課題[2]については，2023年度に何度か試行しており，そのときに得られた知見を生かしながら検討を進める。
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