| 研究課題/領域番号 |
22K04744
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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26040:構造材料および機能材料関連
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| 研究機関 | 仙台高等専門学校 |
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研究代表者 |
熊谷 進 仙台高等専門学校, 総合工学科, 准教授 (30390389)
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| 研究分担者 |
葛原 俊介 仙台高等専門学校, 総合工学科, 准教授 (60604494)
伊東 航 仙台高等専門学校, 総合工学科, 准教授 (30559852)
浅田 格 仙台高等専門学校, 総合工学科, 教授 (20300519)
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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: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円)
2023年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
2022年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円)
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| キーワード | 表面硬化熱処理 / ガス窒化 / 脱炭素化 / 構造材料 / アンモニア / 中圧熱処理 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
本研究は、実用鋼である合金鋼表面の窒化現象解明を目的として、圧力を変化させたガス窒化を実施する。具体的には、高圧対応窒化実験炉を用いることなく、中空試験片に内圧を与えることで安全かつ容易に圧力調整可能な実験方法を考案・採用し、全圧変化に伴い変化する拡散窒素量に対して合金元素とのCrN等の窒素化合物生成の様相の変化を明らかにする。また、全圧を変化させた場合の生成相を推測するための状態図を作成し、圧力制御による窒化層生成技術確立を目指す。このことで、ガス窒化の産業上の環境負荷の課題であった長時間処理、NH3使用量削減を目指す。
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| 研究実績の概要 |
ガス窒化処理は低温処理であるため、ひずみが小さく工程削減が可能であり、CO2削減に寄与する一方で、フレッシュなNH3ガスを流し続ける必要があり、消費量が大きくなるという欠点がある。これを改善するため、NH3ガスを加圧し間欠処理を行うことで使用量削減と窒化効率の向上を期待し、加圧ガス窒化の影響を調査した。
供試材は窒化鋼SACM645の丸棒材を使用し、加圧ガス窒化（0.7 MPa、10分ごとにガス置換）、大気圧窒化（18 ml/min）を550℃でシーケンス制御で72時間まで実施した。窒化処理後の試料は輪切り・縦切りにし、光学顕微鏡およびマイクロスコープで化合物層、拡散層の厚さを測定し、マイクロビッカース硬さ計で硬さ試験を行った。
硬さ試験の結果、加圧窒化試料と大気圧窒化試料を比較すると、大気圧窒化試料の方が長時間では拡散層の硬さが高い結果となった。以前の研究では、6時間まででは加圧した方が高かったが、加圧窒化の場合、窒化時間が長くなると化合物層が成長し、拡散層に届く窒素の量が減少するようである。
本研究の結果、加圧ガス窒化による化合物層と拡散層の形成において、時間と圧力の影響が明確になった。加圧による窒化処理は化合物層の成長を促進する一方で、拡散層への窒素供給を妨げる可能性が示唆された。このため、適切な処理時間と圧力のバランスが重要であることが示された。
このように、加圧ガス窒化の研究は、窒化処理の効率向上とガス使用量削減の両立を目指すものであり、今後の工業プロセスにおける環境負荷軽減に寄与することが期待される。
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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
前年度からの進捗として、シーケンス制御による長時間の間欠ガス窒化が可能になり、産業レベルの長時間窒化における加圧窒化と従来の窒化とを比較することができた。その結果、短時間処理時の比較ではわからなかった化合物層成長と拡散層厚さの関係について新たな知見を得ることができ、おおむね順調に進展している。
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| 今後の研究の推進方策 |
加圧窒化の場合、化合物層の成長が大きくなることが、窒素拡散層の成長を阻害する可能性が明確になったため、加圧した場合の窒化ポテンシャルによる制御のための熱力学的検討を加えてより高効率な窒化処理方法の確立を目指す。
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