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技術 表面硬化処理用スラリー及びこれを用いて作製した構造材

出願人 株式会社日立製作所
発明者 小室又洋波東久光佐通祐一
出願日 2018年2月1日 (3年0ヶ月経過) 出願番号 2018-016136
公開日 2019年8月8日 (1年6ヶ月経過) 公開番号 2019-131867
状態 未査定
技術分野 金属質粉又はその懸濁液の製造 金属質材料の表面への固相拡散 粉末冶金
主要キーワード 硬化範囲 炭素欠乏 高電気抵抗材 造形材 投入電圧 レーザ焼き入れ 変形歪 磁気変態点
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重要な関連分野

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図面 (7)

課題

構造材基材となる被処理材に、金属炭化物を含む硬化層を形成する際に、その処理を簡便にするとともに基材の炭素濃度の低下を防止する表面硬化処理スラリーを提供し、これを用いて形成した硬化層により疲労寿命を向上した構造材を得る。

解決手段

表面硬化処理用スラリーは、被処理材の表面に塗布し、被処理材の硬化処理に用いるスラリーであって、金属粉と、炭素及び窒素を含有する化合物である炭化剤と、溶媒と、を含む。構造材は、基材と、硬化層と、を有し、硬化層は、金属と炭素とを構成元素として含む炭化物粒子を含み、硬化層は、基材よりも炭化物の濃度が高く、炭化物の濃度は、硬化層の気相側表面から基材の中央部に向かって単調に減少している。

概要

背景

鉄系素材において機械的性質の向上、耐食性の向上あるいは機能性の向上のための組織制御の手法として表面硬化法がある。

特許文献1には、炭素含有量が表面から内部に向かって低下した、鋼によって形成された基材と、周期律表における第4A族、第5A族又は第6A族の遷移金属元素を含む炭化物からなる膜と、を有する耐摺動部材が記載されている。この炭化物からなる膜は、硬度が高く、従って耐摺動部材の表面を高硬度にできる、という効果が得られることが記載されている。特許文献1においては、浸炭処理が施された基材を高温溶融塩浴剤中に浸漬することにより、基材の表面に膜を形成する。溶融塩浴剤の例としては、ほう砂にFe−Vの金属粉末を添加したものが挙げられている。

特許文献2には、表面硬化層を有する鋼材信頼性を向上させることを目的として、鉄系材料の表面側に粒状の炭素及び窒素を含む鉄化合物を有する表面硬化鋼材が記載されている。この文献には、実施例として、NH3−CH系混合ガスを用いて600℃で鉄板の表面を炭窒化する処理が記載されている。

特許文献3には、熱間圧延用複合ロールにおいて、外層に、Fe基合金金属組織中に、黒鉛と、V等を含有するMC系炭化物と、を分散した構成を有するものが記載されている。この外層は、溶湯を用いて形成するものである。

非特許文献1には、水ガラスグラファイト等を混合したペーストを、鋼等の金属からなる基材に塗布し、プラズマ処理を施すことにより浸炭方法が開示されている。

概要

構造材の基材となる被処理材に、金属炭化物を含む硬化層を形成する際に、その処理を簡便にするとともに基材の炭素濃度の低下を防止する表面硬化処理スラリーを提供し、これを用いて形成した硬化層により疲労寿命を向上した構造材を得る。表面硬化処理用スラリーは、被処理材の表面に塗布し、被処理材の硬化処理に用いるスラリーであって、金属粉と、炭素及び窒素を含有する化合物である炭化剤と、溶媒と、を含む。構造材は、基材と、硬化層と、を有し、硬化層は、金属と炭素とを構成元素として含む炭化物の粒子を含み、硬化層は、基材よりも炭化物の濃度が高く、炭化物の濃度は、硬化層の気相側表面から基材の中央部に向かって単調に減少している。

目的

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

被処理材の表面に塗布し、前記被処理材の硬化処理に用いるスラリーであって、金属粉と、炭素及び窒素を含有する化合物である炭化剤と、溶媒と、を含む、表面硬化処理用スラリー。

請求項2

前記炭化剤は、酸素を含有しない、請求項1記載の表面硬化処理用スラリー。

請求項3

前記金属粉は、Ti、V、Cr、Co、Ni、Cu、Zr、Nb、Mo、Ta、Hf、W及びFeからなる群から選択された1種類以上の金属元素で構成されている金属の粉末である、請求項1記載の表面硬化処理用スラリー。

請求項4

前記金属粉は、Vを含む、請求項1記載の表面硬化処理用スラリー。

請求項5

前記溶媒は、炭素数が6以下の官能基を2個有するケトン及び炭素数が6以下のアルコールから選択される、請求項1記載の表面硬化処理用スラリー。

請求項6

前記溶媒は、2−ブタノン又はメタノールである、請求項5記載の表面硬化処理用スラリー。

請求項7

前記炭化剤は、ベンゾトリアゾールイミダゾール、1,2,4−トリアゾール、3−アミノ−1,2,4−トリアゾール、m3−メルカプト−1,2,4−トリアゾール、3−カルボキサミド−1,2,4−トリアゾール、2−アミノ−1,3,4−チアジアゾール、3−アミノピラゾール及び3−アミノピロリジンからなる群から選択された1種類以上である、請求項1記載の表面硬化処理用スラリー。

請求項8

さらに、炭素粉を含む、請求項1記載の表面硬化処理用スラリー。

請求項9

基材と、硬化層と、を有し、前記硬化層は、金属と炭素とを構成元素として含む炭化物粒子を含み、前記硬化層は、前記基材よりも前記炭化物の濃度が高く、前記炭化物の前記濃度は、前記硬化層の気相側表面から前記基材の中央部に向かって単調に減少している、構造材

請求項10

前記硬化層における前記炭化物の体積率は、1〜30%である、請求項9記載の構造材。

請求項11

前記炭化物は、Ti、V、Cr、Co、Ni、Cu、Zr、Nb、Mo、Ta、Hf、W及びFeからなる群から選択された1種類以上の金属元素を含む、請求項9記載の構造材。

請求項12

前記炭化物は、Vを含む、請求項9記載の構造材。

請求項13

前記炭化物は、窒素を含む、請求項9記載の構造材。

技術分野

0001

本発明は、表面硬化処理スラリー及びこれを用いて作製した構造材に関する。

背景技術

0002

鉄系素材において機械的性質の向上、耐食性の向上あるいは機能性の向上のための組織制御の手法として表面硬化法がある。

0003

特許文献1には、炭素含有量が表面から内部に向かって低下した、鋼によって形成された基材と、周期律表における第4A族、第5A族又は第6A族の遷移金属元素を含む炭化物からなる膜と、を有する耐摺動部材が記載されている。この炭化物からなる膜は、硬度が高く、従って耐摺動部材の表面を高硬度にできる、という効果が得られることが記載されている。特許文献1においては、浸炭処理が施された基材を高温溶融塩浴剤中に浸漬することにより、基材の表面に膜を形成する。溶融塩浴剤の例としては、ほう砂にFe−Vの金属粉末を添加したものが挙げられている。

0004

特許文献2には、表面硬化層を有する鋼材信頼性を向上させることを目的として、鉄系材料の表面側に粒状の炭素及び窒素を含む鉄化合物を有する表面硬化鋼材が記載されている。この文献には、実施例として、NH3−CH系混合ガスを用いて600℃で鉄板の表面を炭窒化する処理が記載されている。

0005

特許文献3には、熱間圧延用複合ロールにおいて、外層に、Fe基合金金属組織中に、黒鉛と、V等を含有するMC系炭化物と、を分散した構成を有するものが記載されている。この外層は、溶湯を用いて形成するものである。

0006

非特許文献1には、水ガラスグラファイト等を混合したペーストを、鋼等の金属からなる基材に塗布し、プラズマ処理を施すことにより浸炭方法が開示されている。

0007

特開2016−041830号公報
特開2015−206061号公報
特開2004−009063号公報

先行技術

0008

Balanovskii et al.: IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science 87 (2017) 092003

発明が解決しようとする課題

0009

特許文献1に記載の耐摺動部材に形成されるバナジウム炭化物の膜については、バナジウムが溶融塩浴剤から供給されるのに対し、炭素は浸炭処理を施した基材から供給される。このため、バナジウム炭化物の膜と基材側との境界部分には、炭素濃度が低下した領域が生じ、構造材としての機械特性に変動が生じるおそれがある。

0010

特許文献2に記載の表面硬化鋼材は、ガスを用いて炭窒化するため、その際に用いる炉を密閉する等、処理装置が大掛かりになるおそれがある点で改善の余地が残っている。

0011

特許文献3に記載の熱間圧延用複合ロールの外層は、溶湯を用いて形成するため、処理装置が大掛かりになるおそれがある点で改善の余地が残っている。

0012

非特許文献1に記載の浸炭方法は、窒素成分を添加する考え方を含むものではない。

0013

構造材の表面に金属炭化物の層(MC層)を形成する手法において、構造材の表面に連続したMC層は、構造材との密着性や信頼性の観点からの望ましくない場合もある。このため、当該手法は、金属炭化物(MC)が連続せずに分散した構造を有していることが望ましい場合にも対応できることが望ましい。また、金属元素Mや炭素Cを構造材の表面に拡散する工程において酸化をできるだけ防止する必要がある。

0014

本発明の目的は、構造材の基材となる被処理材に、金属炭化物を含む硬化層を形成する際に、その処理を簡便にするとともに基材の炭素濃度の低下を防止する表面硬化処理用スラリーを提供し、これを用いて形成した硬化層により疲労寿命を向上した構造材を得ることにある。

課題を解決するための手段

0015

本発明の表面硬化処理用スラリーは、被処理材の表面に塗布し、被処理材の硬化処理に用いるスラリーであって、金属粉と、炭素及び窒素を含有する化合物である炭化剤と、溶媒と、を含む。

0016

本発明の構造材は、基材と、硬化層と、を有し、硬化層は、金属と炭素とを構成元素として含む炭化物の粒子を含み、硬化層は、基材よりも炭化物の濃度が高く、炭化物の濃度は、硬化層の気相側表面から基材の中央部に向かって単調に減少している。

発明の効果

0017

本発明によれば、構造材の基材となる被処理材に金属炭化物を含む硬化層を形成する際に、その処理を簡便にするとともに基材の炭素濃度の低下を防止することができ、構造材の疲労寿命を向上することができる。

図面の簡単な説明

0018

実施例1の構造材に形成された硬化層の組織を示す模式図である。
実施例2の構造材に形成された硬化層の組織を示す模式図である。
構造材の硬化層における硬さの分布の一例を示すグラフである。
構造材の硬化層における炭素濃度の分布の一例を示すグラフである。
構造材の硬化層におけるバナジウム濃度の分布の一例を示すグラフである。
本発明の構造材の例を示す模式断面図である。

0019

本発明は、低合金鋼等の疲労強度を向上するための表面改質に使用するスラリー及びこれを用いて作製した構造材に関する。

0020

図6は、本発明の構造材であって硬化層を有するものを示す模式断面図である。

0021

本図に示すように、構造材50は、基材52(被処理材)の表面に硬化層54(炭化層)を形成したものである。

0022

基材52に硬化層54(以下「金属炭化物層」ともいう。)を形成する際に、基材52の炭素濃度の低下を防止するためには、基材52よりも高炭素濃度の材料を使用して基材52の外部から炭素を供給することが有効である。このような方法により作製された構造材50においては、硬化層54は、炭素等の元素比率に分布を有する組成傾斜層となる。

0023

ここで、硬化層54を形成する前の被処理材は、鋼であって、炭素濃度が0.6質量%未満であることが望ましい。

0024

例えば、被処理材がS45Cの場合、被処理材の外側に炭素濃度0.45質量%を超える材料を接触させ、加熱することにより、被処理材の外部から炭素の濃度勾配を利用して炭素を供給することが可能である。

0025

金属炭化物層(以下、金属炭化物を「MC」ともいう。)の連続性と信頼性に関しては、MCが層状ではなく、粒子状で被処理材に分散していることが望ましい。したがって、MCが加熱時に被処理材に溶解または固溶をする材料系であることが望まれる。MCが被処理材に溶解可能な工程を経れば、MCが層状で残留しにくくなる。このような元素Mとしては、バナジウム(V)が最適である。Vは、鉄鋼材料を加熱して生じるγ−Fe中にMC形成元素として最も固溶する元素だからである。

0026

当該工程中の酸化防止には、後述のとおり、金属元素MとしてVを選択した場合に酸化防止に有効な添加元素を利用することが望ましい。

0027

上記の場合に、被処理材の外部に用いる材料は、炭素とバナジウムとを含有し、その材料の炭素濃度が被処理材の炭素濃度よりも高いことが必要となる。ここで、炭素(C)とバナジウム(V)とを含有する材料については、Vが複数種類の炭化物VxCy(x及びyは正数)に変化するため、x及びyの違いによって変化するそれぞれの炭化物の性質を考慮する必要がある。バナジウム炭化物系において炭素濃度が最も低い炭化物は、V2Cである。このV2Cが液相と平衡となる温度は、約1630℃である。このため、V2Cは、MCを形成可能な金属元素の中で低温度で液相と共存可能である。V2C(11−14質量%炭素)は、被処理材の炭素濃度よりも高い炭素濃度を有し、かつ、被処理材を加熱してγ相が形成されれば、V及びCはγ相に固溶し易いことから、V2Cを利用することが望ましい。

0028

V2Cを形成するためには、V2O3などの酸化物の形成を抑制する必要がある。V粉末を使用する場合、表面の酸化を抑制しながら被処理材の表面から炭素を供給し、V2Cを含む粉体低コストで製造し、これを被処理材の表面に塗布し、又は密着させ、加熱する。これにより、V及びCを被処理材の表面から拡散させることが可能である。

0029

上記低コストの製造プロセスを提供するためには、特別な設備ができるだけ不要で、かつ、短時間で処理する工程を採用する必要がある。このためには、炭素源となる物質と、V粉末とを混合し、塗布可能なスラリーとし、かつ、酸化防止のために窒素を含有する物質もスラリーに混合することが有効である。更に具体的には、スラリーにアルコールケトン等を用い、V粉末とともにベンゾトリアゾールイミダゾールなどのC及びN(窒素)を含む添加物を添加する。このようなC及びNを含有しO(酸素)を含まない添加剤を用いることが望ましい。これは、V粉末の表面に、Vと結合した被膜が形成され、酸化が防止されるからである。

0030

なお、ベンゾトリアゾールは、金属粉の腐食防止及び炭化を兼ねている。

0031

上記のような課題に対する対策を量産工程で採用すると、以下のようになる。

0032

被処理材は、加熱によりγ相が形成される材料であり、低合金鋼や工具鋼などはいずれも処理可能である。処理に使用するスラリーは、2−ブタノンメタノールエタノールを含む。MCを被処理材に分散成長させるために選択される元素Mは、バナジウムが望ましい。V粉末を粉砕し、ベンゾトリアゾールやイミダゾールを添加し、アルコール、ケトン等と混合し、スラリーとする。

0033

スラリーの被処理材への塗布性を確保するために、結着剤としてエポキシ樹脂アクリル酸を添加する。このようなスラリーを被処理材の表面に塗布した後、乾燥させ、溶媒を除去し、加熱して被処理材にγ相が形成する温度範囲で保持する。ベンゾトリアゾールやイミダゾール中の炭素の一部がバナジウムへの炭素供給源となり、V粉表面の一部または全面がγ相形成温度に昇温する前にV2Cとなる。このようなバナジウム炭化物の一部が被処理材のγ相中に固溶し、拡散する。固溶及び拡散が進行する温度から温度を低下させると、固溶したVやCがVCとなって析出する。このVC系析出物は、硬さ(ビッカース硬さ)が1500Hv以上であり、耐摩耗性向上、疲労強度向上及び摩擦係数低減に寄与する。

0034

このようにしてバナジウム等の金属と炭素とが被処理材に拡散により供給されるため、作製された構造材の当該金属及び炭素の濃度はともに、ばらつきを除けば、金属炭化物層の気相側表面から基材の中央部(バルク)に向かって実質上単調に減少する。言い換えると、金属炭化物の濃度が単調に減少する。

0035

なお、本明細書においては、金属炭化物の炭素の一部が窒素で置換された炭窒化物である場合等、金属炭化物に構成元素として窒素が含まれる場合も含め、「金属炭化物」又は「炭化物」と総称する。

0036

次に、製造工程の中の主要パラメータについて説明する。

0037

スラリーに使用するバナジウム粉(V粉)の粒径は、最大100μmであり、平均粒径は1〜50μmが望ましい。粒径が100μmを超えると、被処理材との接触面積が小さいために、拡散するV及びCの量が低下し、被処理材表面の硬さ上昇効果が小さくなってしまう。一方、粒径が1μm未満では、粉砕時間が長時間となるだけでなく、局所酸化が進行しやすく、粉砕により粒形状が不均一となりやすい。このため、VやCの供給量が不均一になりやすい。

0038

ベンゾトリアゾールやイミダゾールの添加量は、溶媒100体積部に対して1〜20体積部である。添加量が1体積部未満では、V粉の表面にV2O3など酸化物が成長し、V2Cが形成されにくくなる。添加量が20体積部を超えると、スラリーの粘度が増加する傾向があり、塗布性が低下する。

0039

塗布乾燥後塗布膜厚は、10〜200μmであることが望ましい。V粉の塗布膜厚が平均で10μm未満では、被処理材中に拡散析出するVCの体積率が低く、疲労寿命向上効果が小さい。塗布膜厚が200μmを超えると、処理後のV粉が未拡散のまま残留し、Vの利用効率が低くなる。

0040

以下、製造工程の熱処理の主要なパラメータについて説明する。

0041

VCによる疲労強度向上効果は、マルテンサイト及び残留オーステナイトの母地にVCが分散していることが望ましい。分散するVCの粒子寸法は、10nmから10μmまでの範囲内である。ここで、VCは、V8C7、V6C5、V4C3、V3C2、V2Cなど、VxCy(x及びyは正数)を含んでいる。本明細書においては、これらを「VC系化合物」又は「VC系炭化物」と呼ぶ。

0042

気相側の表面から深さ50μmまでの領域におけるVC系化合物の体積率は、1〜30%が望ましい。体積率が1%未満では、疲労強度の上昇効果は小さい。体積率が30%を超えると、VC系化合物の粒子同士が繋がりやすくなり、き裂の起点となりやすく、疲労強度が低下する傾向がある。

0043

このようなVC系化合物は、γ相に固溶したV及びCが固溶させた温度よりも低い温度に保持または冷却することで、γ相への固溶限低下によって析出する。固溶させる温度が1100℃であれば、900℃に保持することで、VC系化合物が析出する。さらに、900℃から急冷することで、母地をマルテンサイト及び残留オーステナイトとすることが可能であり、マルテンサイトのブロック寸法がVC系化合物によって小さくすることが可能である。また、他の添加元素により、VC系化合物に添加元素を混入させることもできる。これにより、M3CやM7C3、M23C6、M5C2などの炭化物が形成される場合もある。炭素源は、スラリーから成長するV2Cであり、アセチレンなどの浸炭ガスを使用しなくともVC系化合物を被処理材に形成できる。

0044

Vが被処理材の表面から約100μmまで拡散することにより、被処理材のγ結晶粒成長を抑制することができる。また、粒界及び粒内にVを含有する炭化物が成長し、マルテンサイトのラスパケット微細化に寄与するとともに、き裂伝搬を抑制することができる。

0045

本発明においては、構造材の最外表面(気相側の表面)から内部に向かって層構成が次のように変化する。

0046

表面から深さ方向にV及びCの濃度が減少する。このため、VC系化合物の体積率は、表面から深さ方向に減少する。表面側からマルテンサイト及び残留オーステナイト母地にVC系化合物が成長した組織、マルテンサイト及び残留オーステナイトにVC系化合物及びM3C系化合物が成長した組織、マルテンサイト及び残留オーステナイトにM3C系化合物が成長した組織、フェライト及びパーライト混合組織となる。

0047

上記のVC系化合物形成により、摺動部品寿命を大幅に改善できる。

0048

以下、処理方法の異なる実施例について説明する。

0049

実施例1は、被処理材にスラリーを塗布した後、加熱拡散処理を行うことにより構造材を作製した例である。

0050

被処理材は、炭素鋼S45C(Fe−0.2Cr−0.45C合金)である。

0051

この被処理材をアセトン洗浄し、表面の油脂成分を除去した。

0052

塗布するスラリーは、溶媒である2−ブタノン100質量部に、平均粒径10μmのバナジウム粉(V粉)を20質量部、炭化剤であるベンゾトリアゾールを20質量部混合したものを用いた。

0053

粉砕によりV粉の最大粒径を50μm以下とするために、上記のスラリーあるいは混合液ボールミルにより処理した。この処理においては、0.5mm径ジルコニアボールを使用した。処理条件は、600rpmで10時間とした。この処理により粉砕したスラリーを遠心分離した。これにより、酸化物などの不純物分離除去した。この混合液にエポキシ樹脂を5質量部添加し、被処理材に塗布可能な粘度に調整した。

0054

塗布方式は、浸漬方式とした。粘度調整した上記スラリー中に被処理材を浸漬し、一定速度で引き上げることにより、スラリーを被処理材の表面に塗布した。塗布膜厚は、約200μmであった。

0055

スラリーを塗布した被処理材を乾燥し、溶媒を蒸発させた後、Arガス雰囲気で加熱した。加熱条件は、昇温速度10℃/分、1100℃に達した後2時間保持した。保持後、A1変態温度以下に冷却し、再度加熱した。加熱保持温度及び時間は、850℃、1時間とした。この加熱保持後油焼入れをすることにより、硬化層を形成し、試験片とした。

0056

180℃、2時間の焼き戻しをした後、試験片の疲労寿命を評価した。寿命試験には、二円筒疲労試験を用いて、ピッチング面積の比率から寿命を求めた。

0057

上記の条件で作製した試験片について、EPMA分析により、VC系化合物の体積率を測定した。その結果、表面から深さ50μmまでの領域におけるVC系化合物の体積率は、20%であった。また、同様に、表面から深さ50μmまでの領域における硬さを測定した結果、900Hvであった。ここで、EPMA分析とは、電子プローブマイクロアナライザー(Electron Probe Micro Analyzer)による分析をいう。EPMA分析によれば、微小領域における硬さ、炭素濃度、バナジウム濃度等を測定することができる。

0058

疲労寿命は、バナジウムを使用しない表面の炭素濃度を約0.6質量%とした浸炭材の場合を1とした相対値を求めた結果、10倍であることを確認した。

0059

上述のように疲労寿命10倍とするためのプロセス条件について、以下に説明する。

0060

寿命向上は、マルテンサイト及び残留オーステナイトの母地にVC系炭化物の粒子が分散することにより、母地の結晶粒径を0.2〜10μmの範囲で微細化し、マルテンサイトのブロックやパケットも微細化することにより達成される。さらに、高硬度のVC系炭化物によって、き裂の進展を抑制することができる。VC系化合物は、マルテンサイトに析出している1〜100nmの粒子、及び粒界などに析出している0.2〜2μmの粒子がある。前者がマルテンサイトの強化、後者がマルテンサイトの微細化に寄与している。

0061

本実施例のようなVC系化合物を分散成長させるためには、外部からの炭素供給源が必要である。スラリーに添加された、炭素供給源となるベンゾトリアゾールは、高価な浸炭炉を使用せず、スラリーからの拡散によりVC系化合物を構造材の内部に形成するものであり、酸化防止効果も有する。

0062

表1は、本実施例に係るバナジウム粉を含むスラリーの仕様及び当該スラリーを用いて作製した構造材(試験片)の評価結果を示したものである。

0063

0064

本表において、サンプル1−1は、上記の方法で作製した構造材の原材料である被処理材及びスラリーの仕様、得られた構造材の物性等を示したものである。

0065

サンプル1−2、1−3及び1−4は、ベンゾトリアゾールの添加量を減少させたものである。

0066

本表から、サンプル1−2、1−3及び1−4の場合、硬化処理後に形成されるVC系化合物の体積率が減少していることがわかる。特に、無添加の比較例であるサンプル1−4の場合には、疲労寿命向上効果が認められない。このことから、ベンゾトリアゾールの添加量は、5質量部以上必要であることがわかる。

0067

また、本表には示していないが、ベンゾトリアゾールの添加量が30質量部を超えると、炭素が過剰となり、被処理材の表面に片状の炭化物が成長する。この場合、疲労寿命の相対比は1未満となる。

0068

したがって、ベンゾトリアゾールの添加量の望ましい範囲は、5質量部以上30質量部未満である。

0069

サンプル1−5、1−6、1−7、1−8、1−9は、ベンゾトリアゾールに代えて、イミダゾールを用いた場合である。なお、サンプル1−9は、無添加の比較例である。

0070

イミダゾールの場合も、無添加では疲労寿命向上効果が得られないことから、炭素及び窒素を含有する炭化剤がVC系化合物の形成には有効であり、構造材の疲労寿命を2倍以上に増加させることが可能であることがわかった。

0071

次に、被処理材がSCM420の場合について説明する。

0072

サンプル1−10、1−11、1−12、1−13は、溶媒にメタノールを用いた場合である。塗布厚さは、150μmである。なお、サンプル1−13は、無添加の比較例である。

0073

この場合、ベンゾトリアゾールが5質量部以上20質量部以下の範囲で、VC系化合物の体積率が7〜18%となり、疲労寿命が3〜12倍となる。

0074

また、サンプル1−14、1−15、1−16、1−17、1−18は、V粉の平均粒径を5μmとし、炭化剤にイミダゾールを用いた場合である。なお、サンプル1−18は、無添加の比較例である。

0075

この場合、イミダゾールが5質量部以上20質量部以下の範囲で、VC系化合物の体積率が9〜25%となり、疲労寿命が3〜17倍となる。

0076

以上のように、ベンゾトリアゾールやイミダゾールが炭化剤として作用することが明らかになった。スラリーが炭化剤を含有することから、本実施例のスラリーを塗布し加熱することにより、バナジウム粉が炭化され、V2Cが成長する。すなわち、スラリーを加熱することにより、スラリーに含まれるバナジウムが炭化し、VC系化合物になる。このVC系化合物由来のV及びCが被処理材の内部に拡散供給されることにより、被処理材の内部にVC系化合物が成長する。

0077

V2Cは、被処理材にV及びCとして拡散する前に成長することで、被処理材の表面の硬化処理に必要な成分となる。1100℃の保持温度に達する前にV2Cが成長し、1100℃保持中にVとCが被処理材に拡散する。拡散したV及びCは、γ相に固溶し、固溶限に達すると析出し始める。850℃では、固溶したV及びCの一部が析出する。析出したVC系化合物は、球状で粒界や粒内に分散している。このVC系化合物には、被処理材に添加されているCrやMoが一部含まれている。

0078

図1は、本実施例で作製した硬化層の典型的な組織を模式的に示したものである。

0079

本図において、母地13は、マルテンサイトや残留オーステナイトである。VC系炭化物11は、粒子状で分散して分布し、粒界12及び母地13の粒内に成長する。マルテンサイトの一部は、VC系炭化物11により分断されるため、マルテンサイトの組織自体が細かくなる。図示していないが、VC系炭化物11以外の炭化物としてM3C系炭化物も存在する。マルテンサイト内には、VC系炭化物11及びそれ以外の炭化物も認められる。最も体積率が多い炭化物は、VC系炭化物11である。このVC系炭化物11は、V2Cよりも高炭素濃度で高硬度のVC、V8C7、V4C3及びV3C2の体積率が多く、このような高炭素濃度VC系化合物が分散して成長することにより、疲労寿命が向上する。

0080

なお、VC系炭化物11のVの一部があらかじめ添加されている金属元素(Cr、Mo、Ni、Cu、Alなど)で置換され、炭素の一部が窒素やホウ素によって置換されていても、硬度が保持され、分散状態が維持されていれば、寿命向上効果に大きな影響はなく、問題ない。

0081

実施例2は、被処理材にスラリーを塗布した後、レーザ加熱処理を行うことにより構造材を作製した例である。

0082

被処理材は、S45C(Fe−0.2Cr−0.45C合金)である。

0083

この被処理材を、アセトンを用いて超音波洗浄をし、表面の油脂成分を除去した。

0084

塗布するスラリーは、溶媒である2−ブタノン100質量部に平均粒径10μmのバナジウム粉(V粉)を20質量部、平均粒径10μmのチタン粉Ti粉)を5質量部、炭化剤であるベンゾトリアゾールを10質量部混合したものを用いた。

0085

粉砕によりV粉及びTi粉の最大粒径を30μm以下とするために、上記のスラリーあるいは混合液をビーズミルにより処理した。この処理においては、0.5mm径のジルコニアボールを使用した。処理条件は、600rpmで10時間とした。この処理により粉砕したスラリーを遠心分離した。これにより、酸化物などの不純物を分離除去した。この混合液に粒径2μmの炭素粉末を5質量部、エポキシ樹脂を5質量部添加し、被処理材に塗布可能な粘度に調整した。

0086

塗布方式は、浸漬方式とした。粘度調整した上記スラリー中に被処理材を浸漬し、一定速度で引き上げることにより、スラリーを被処理材の表面に塗布した。塗布膜厚は、約200μmであった。

0087

スラリーを塗布した被処理材を乾燥し、溶媒を蒸発させた後、Arガス雰囲気でレーザ加熱により局所溶解させた(レーザ溶解焼入れ)。加熱条件は、800W、レーザビーム径1.5mm、送り速度5mm/秒とした。

0088

このようにして作製したものを試験片とした。

0089

本実施例の試験片についても、実施例1と同様にして、EPMA分析により、VC系化合物の体積率を測定した。その結果、表面から深さ50μmまでの領域におけるVC系化合物の体積率は、20%であった。また、表面から深さ50μmまでの領域における硬さは、1020Hvであった。また、疲労寿命は、実施例1と同様の基準で、20倍であった。

0090

上述のように疲労寿命を20倍とするためのプロセス条件について、以下に説明する。

0091

寿命向上は、マルテンサイト及び残留オーステナイトの母地にVC系炭化物の粒子が分散することにより、母地の結晶粒径を0.2〜10μmの範囲で微細化し、VC系化合物粒子及びTiC粒子によりマルテンサイトのブロックやパケットも微細化することにより達成される。さらに、高硬度のTiC及びVC系化合物によって、き裂の進展を抑制することができる。TiC及びVC系化合物の粒子は、マルテンサイトに析出している1〜100nmの粒子、及び粒界などに析出している0.2〜2μmの粒子がある。前者がマルテンサイトの強化、後者がマルテンサイトの微細化に寄与している。

0092

本実施例のようなMC系化合物(Mは、複数のMC系化合物形成元素である。)を分散成長させるためには、外部からの炭素供給源が必要である。スラリーに添加された、炭素供給源となるベンゾトリアゾールは、高価な浸炭炉を使用せず、スラリーからの拡散によりVC系化合物を構造材の内部に分散するものであり、酸化防止効果も有する。

0093

表2は、本実施例に係るバナジウム粉及びバナジウム以外の金属粉を含むスラリーの仕様及び当該スラリーを用いて作製した構造材(試験片)の評価結果を示したものである。

0094

0095

本表において、サンプル2−1は、上記の方法で作製した構造材の原材料である被処理材及びスラリーの仕様、得られた構造材の物性等を示したものである。

0096

サンプル2−2〜2−9はそれぞれ、Tiの代わりに、元素MとしてNb、Ta、W、Zr、Mo、Cr、Ni、Coを用いた場合を示したものである。元素Mの供給方法としては、Ti粉の代わりに、元素Mの金属粉をスラリーに混合し、サンプル2−1と同様の方法により構造材を作製した。この場合、第二のMC系化合物が形成され、又はVC系化合物のVの一部が置換される。

0097

本表に示すように、サンプル2−1〜2−9のうち、サンプル2−1の疲労寿命が最も高くなっている。したがって、Tiを用いた場合に、寿命向上効果が最も高いことがわかる。

0098

また、サンプル2−10は、Tiを用いた場合であって、V粉及び金属粉(Ti粉)の比率を変えたものである。溶媒は、メタノールに変更した。塗布厚さは、150μmとした。

0099

この場合、本表に示すように、硬さは、1050Hvであり、サンプル2−1よりも若干高くなっている。一方、疲労寿命は、18倍であり、サンプル2−1よりも低くなっている。

0100

サンプル2−11は、サンプル2−1よりも炭素粉の比率を増加させたものである。溶媒は、メタノールとした。塗布厚さは、150μmとした。

0101

この場合、本表に示すように、硬さは、1030Hvであり、サンプル2−1よりも若干高くなっている。一方、疲労寿命は、8倍であり、サンプル2−1よりも低くなっている。

0102

サンプル2−12は、炭化剤(ベンゾトリアゾール)を使用しない場合を示す比較例である。溶媒は、メタノールとした。サンプル2−12は、炭素粉を混合したスラリーを混合しているため、表1のサンプル1−4等と比べて疲労寿命が高くなっている。しかし、疲労寿命の向上効果は小さく、十分とは言えない。これは、VやTi粉末表面の一部が酸化し、酸素の一部が溶融合金に混入し、一部が溶融合金の中で気泡となるためであると推定している。

0103

サンプル2−13〜2−18は、Tiを用いた場合であって、炭化剤をイミダゾールとし、塗布厚さを30〜300μmの範囲で変化させた場合である。これらの結果から、塗布厚さを厚くすると、MC系化合物の体積率が増加することがわかった。MC系化合物の体積率は、2〜22%の範囲で寿命向上が確認できた。特に、疲労寿命が10倍以上となるMC系炭化物の体積率は、10〜19%であることがわかった。なお、サンプル2−18のように、塗布厚さを300μmとした場合、MC系炭化物の体積率は高いが、疲労寿命が5倍となることがわかった。

0104

サンプル2−13〜2−18の結果から、MC系炭化物の体積率が10〜19%の場合、構造材の軽量化に特に有効である。

0105

レーザ溶解を連続させることやパルスで不連続に施工するかは、要求される変形歪や変形量に関する仕様に合わせて選択可能である。また、レーザ溶解の後、冷却し、その後、高周波焼入れを行うことにより、構造材の表面のMC系粒子の形態を変えずに、硬化深さを1〜2.5mmと深くすることが可能である。

0106

図2は、本実施例で作製した硬化層の典型的な組織を模式的に示したものである。

0107

本図において、母地23は、マルテンサイトや残留オーステナイトである。MC系炭化物21は、粒子状で分散して分布し、粒界22及び母地23の粒内に成長する。VC系炭化物24は、粒子状で分散して分布し、粒界22よりも粒内に成長する。マルテンサイトの一部は、VC系炭化物24あるいはMC系炭化物21により分断されるため、マルテンサイトの組織自体が細かくなる。粒径は、MC系炭化物21の方がVC系炭化物24よりも大きく、粒界22にも多く成長する。VC系及びMC系の化合物以外の炭化物としてM3C系炭化物やマルテンサイト内にMC系とそれ以外の炭化物も認められるが、最も体積率が多い炭化物は、MC系炭化物21である。

0108

VC系炭化物24は、V2Cよりも高炭素濃度で高硬度のVC、V8C7、V4C3、V3C2化合物の体積率が多く、このような高炭素濃度のVC系化合物及びTiCなど高濃度炭素含有MC系化合物が分散して成長することにより、疲労寿命が向上する。尚、VC系炭化物24あるいはMC系炭化物21のVあるいはMの一部があらかじめ添加されている金属元素(Cr、Mo、Ni、Cu、Alなど)で置換され、炭素の一部が窒素やホウ素によって置換されていても硬度が保持され、分散状態が維持されていれば、寿命向上効果に大きな影響はなく問題ない。

0109

つぎに、硬化層における組織に関する他の特徴について説明する。

0110

Vは、VC系化合物としてV2Cよりも炭素濃度が高い複数の炭化物として成長する。その結晶構造は、立方晶斜方晶六方晶である。これらの複数の炭化物は、炭素欠陥があるため、VC(V:C=1:1)よりも炭素濃度が低く、種々の格子定数を有する。このため、母地と整合界面あるいは非整合界面を有する。

0111

これに対し、Tiは、TiCあるいはTiCN系炭窒化化合物として一部炭素や窒素の欠陥が認められるが、VC系化合物よりも炭素欠陥は少ない。TiC系の方がVC系化合物よりも炭素濃度(窒素も含む値)が高い。また、Tiは、γ相に固溶しにくい。Vよりも固溶しないTiの方が析出物として大きく成長しやすい。VCの一部は、γ相中に固溶するためである。

0112

したがって、Vは、マルテンサイトや残留オーステナイト中にも含有する。焼き戻し温度の適正化により、マルテンサイト中のVの一部は、炭素を伴ってVC系化合物を形成し、マルテンサイトの強化に寄与する。Tiは、粒成長抑止とマルテンサイトのパケット微細化とに寄与する。TiC系化合物が成長し、γ中の炭素が欠乏しやすくなるが、Vがγ中に炭素を伴って固溶しているため、炭素濃度は、V周辺部において高くなる。炭素を伴って固溶しているVは、TiCへの炭素供給源となるため、炭素欠乏が抑制される。このため、炭化物のγ相に対する固溶限が異なる元素を複数選択して拡散または溶解することで、炭素欠乏の抑制、粒界に沿った片状炭化物成長の抑制、及び高疲労寿命と高疲労強度化のための炭化物組織制御が可能となる。

0113

図3は、表2のサンプル2−1の硬さ分布を示したものである。横軸には構造材の硬化層の表面(気相側)からの深さを、縦軸にはそれぞれの深さにおける硬さをとっている。

0114

本図に示すように、気相側の表面においては、硬さが1000Hvであり、硬化層の内部に向かって緩やかに硬さが低下している。表面から深さ2mmの位置においては、硬さが600Hvとなっている。

0115

図4は、サンプル2−1の炭素濃度分布を示したものである。横軸には構造材の硬化層の表面(気相側)からの深さを、縦軸にはそれぞれの深さにおける炭素濃度をとっている。

0116

本図に示すように、気相側の表面においては、炭素濃度が1.4質量%であり、硬化層の内部に向かって炭素濃度が低下している。表面から深さ0.5mmまでの表層部においては、炭素濃度が1質量%以上となっている。

0117

図5は、サンプル2−1のバナジウム濃度分布を示したものである。横軸には構造材の硬化層の表面(気相側)からの深さを、縦軸にはそれぞれの深さにおけるV濃度をとっている。

0118

本図に示すように、気相側の表面においては、V濃度が8質量%であり、硬化層の内部に向かってV濃度が低下している。表面から深さ0.5mmまでの表層部においては、V濃度が5質量%以上となっている。

0119

実施例3は、スラリーを注入しながらレーザ加熱処理を行うことにより構造材を作製した例である。

0120

被処理材はS45C(Fe−0.2Cr−0.45C合金)である。

0121

この被処理材を、アセトンを用いて超音波洗浄をし、表面の油脂成分を除去した。

0122

レーザ加熱処理のレーザ照射時において加熱部に注入するスラリーは、溶媒である2−ブタノン100質量部に平均粒径5μmのバナジウム粉(V粉)を20質量部、平均粒径5μmのチタン粉(Ti粉)を5質量部、炭化剤であるベンゾトリアゾールを10質量部混合したものを用いた。

0123

粉砕によりV粉及びTi粉の最大粒径を10μm以下とするために、上記のスラリーあるいは混合液をビーズミルにより処理した。この処理においては、1.0mm径のジルコニアボールを使用した。処理条件は、600rpmで10時間とした。この処理により粉砕したスラリーを遠心分離した。これにより、酸化物などの不純物を分離除去した。

0124

被処理材の加熱部に上記のスラリーを注入すると同時に、Arガス雰囲気でレーザ加熱処理を行うことにより、局所溶解させた(レーザ溶解焼入れ)。加熱条件は、800W、レーザビーム径1.5mm、送り速度10mm/秒とした。

0125

このようにして作製したものを試験片とした。

0126

本実施例の試験片についても、実施例1と同様にして、EPMA分析により、VC系化合物の体積率を測定した。その結果、表面から深さ50μmまでの領域におけるMC系化合物の体積率は、15%であった。また、表面から深さ50μmまでの領域における硬さは、1100Hvであった。また、疲労寿命は、実施例1と同様の基準で、20倍であった。

0127

なお、疲労寿命を20倍とするためのプロセス条件については、実施例2と同様である。

0128

実施例4は、被処理材にスラリーを塗布した後、加熱拡散処理を行うことにより構造材を作製した例である。本実施例においては、実施例1とは異なり、バナジウム粉(V粉)の代わりに、チタン粉(Ti粉)を用いたものを代表例として説明する。

0129

被処理材は、S45C(Fe−0.2Cr−0.45C合金)である。

0130

この被処理材をアセトンで洗浄し、表面の油脂成分を除去した。

0131

塗布するスラリーは、溶媒である2−ブタノン100質量部に、平均粒径20μmのチタン粉(Ti粉)を20質量部、炭化剤であるベンゾトリアゾールを10質量部混合したものを用いた。本実施例においては、Ti粉等の金属粉は、表1及び2に示すものとは異なり、平均粒径20μm又は50μmのものを用いた。

0132

粉砕によりTi粉の最大粒径を50μm以下とするために、上記のスラリーあるいは混合液をボールミルにより処理した。この処理においては、0.5mm径のジルコニアボールを使用した。処理条件は、600rpmで1時間とした。この処理により粉砕したスラリーを遠心分離した。これにより、酸化物などの不純物を分離除去した。この混合液にエポキシ樹脂を5質量部添加し、被処理材に塗布可能な粘度に調整した。

0133

塗布方式は、浸漬方式とした。粘度調整した上記スラリー中に被処理材を浸漬し、一定速度で引き上げることにより、スラリーを被処理材の表面に塗布した。塗布膜厚は、約100μmであった。

0134

スラリーを塗布した被処理材を乾燥し、溶媒を蒸発させた後、Arガス雰囲気で加熱した。加熱条件は、昇温速度10℃/分、1150℃に達した後2時間保持した。保持後A1変態温度以下に冷却し、再度加熱した。加熱保持温度及び時間は850℃、1時間とした。この加熱保持後、油焼入れをすることにより、硬化層を形成し、試験片とした。

0135

180℃、2時間の焼き戻しをした後、試験片の疲労寿命を評価した。寿命試験には、二円筒疲労試験を用いて、ピッチング面積の比率から寿命を求めた。

0136

本実施例の試験片についても、EPMA分析により、TiC化合物の体積率を測定した。その結果、表面から深さ50μmまでの領域におけるTiC化合物の体積率は、20%であった。また、表面から深さ50μmまでの領域における硬さは、900Hvであった。疲労寿命は、10倍であった。

0137

表3は、上記の条件及び結果をまとめて示したものである。

0138

0139

本表において、サンプル3−1は、上記の方法で作製した構造材の原材料である被処理材及びスラリーの仕様、得られた構造材の物性等を示したものである。

0140

本表には、金属粉として、Ti、V、W、Zr、Ta、Nb若しくはHf又はこれらの金属元素を含む合金の粉末を用いた場合について記載している。本表から、これらの元素を含む炭化物を含む構造材は、炭化物を含まない構造材に比べ、寿命が飛躍的に向上することがわかる。

0141

なお、本表においては、炭化剤としてベンゾトリアゾールを用いたが、炭化剤としては、これの代わりに、イミダゾール、1,2,4−トリアゾール(124T)、3−アミノ−1,2,4−トリアゾール(3AT)、m3−メルカプト−1,2,4−トリアゾール(3MT)、3−カルボキサミド−1,2,4−トリアゾール(3CT)、2−アミノ−1,3,4−チアジアゾール(2ATZ)、3−アミノピラゾール(3APZ)、3−アミノピロリジン(3AP)を用いることができる。炭化剤としては、酸素を含有しない物質が好適である。

0142

このような寿命向上効果は、炭素を0.15%含むSCM415や、炭素を0.5%含むS50Cでも顕著であり、被処理材の母地が0.1〜0.8%の炭素濃度であれば、寿命が向上することがわかった。母地の炭素濃度が0.8%を超えると、炭素がスラリー塗布側に拡散し、層状炭化物が成長しやすくなり、傾斜層が薄くなる傾向がある。この場合、寿命向上効果は2〜5倍となる。

0143

なお、実施例1〜4においては、スラリーの溶媒として2−ブタノン又はメタノールを用いたが、本発明は、これに限定されるものではなく、スラリーの溶媒として、炭素数が6以下の官能基を2個有するケトン及び炭素数が6以下のアルコールから選択されるものを用いることができる。

0144

実施例5は、プラズマを用いる方法の例である。

0145

被処理材は、S45C(Fe−0.2Cr−0.45C合金)である。

0146

この被処理材をアセトンで洗浄し、表面の油脂成分を除去した。

0147

この被処理材に、粒径5μmの炭素粉100質量部に対して、エポキシ樹脂を5質量部混合し、これを被処理材の表面に塗布した。塗布厚さは、約100μmであった。

0148

さらに、ケイ酸ナトリウムケイ酸塩)などを含む水ガラスを主成分とする材料を塗布した。水ガラスの層の厚さは、約100μmであった。水ガラスと炭素粉とは、局所的に混合していた。

0149

大気中で乾燥した後、Ar及びN2の混合ガスを流し、高電圧パルス印加して、プラズマを発生させた。プラズマトーチの送り速度は、50〜200mm/秒とした。

0150

プラズマ照射により、被処理材の表面が急速に加熱され、急冷される。急速加熱により、炭素が表面から供給され、被処理材の表面の炭素濃度は、0.7〜1.5質量%の範囲にすることが可能である。

0151

組成分析の結果から、被処理材の表面から深さ1000μmまでの領域において過共析の炭素濃度であることを確認した。

0152

このような被処理材の表面層の状態について、更に説明する。

0153

気相中のN2の一部は、プラズマ照射により、分解し、被処理材の表面から拡散する。これにより、炭素よりも拡散深さが小さい範囲で、表面層に窒素が供給される。このような炭素及び窒素の拡散供給により、残留オーステナイト及びマルテンサイトが生成する。

0154

また、プラズマにより、炭化水素分子又は炭素の一部がラジカル又はイオンに変化する。そして、電界により、ラジカル又はイオンの拡散が加速する。

0155

これらに関する条件は、プラズマトーチと被処理材との距離、誘電体(ケイ酸塩)の厚さ、ケイ酸塩及び炭素粉の比誘電率ガス圧力などを制御することにより設定することができる。これにより、浸炭、浸窒、あるいは添加する金属元素の被処理材への供給量が設計できる。

0156

供給された炭素は、大気中プラズマ処理後の加熱により、炭化物に変化する。この炭化物を球状化した後、焼入れすることにより、深さ100μm付近の残留オーステナイトの体積率を10〜30%の範囲に低減することができる。この構造材は、深さ100μmにおける硬さが750〜850Hvである。

0157

上記の処理(プラズマ浸炭窒処理)は、処理前の真空排気を必要とせず、プラズマ照射部が部分加熱であり、短時間で炭素及び窒素を供給可能であること、ガス種を選択することで種々の元素を拡散させることが可能であることなどの利点がある。ガス種としては、Ar及びN2の混合ガス(Ar+N2)、Ar+NH3、Ar+CO2+N2、Ar+CO2+NH3、Ar+NH3+H2、アセチレン等のCH基含有ガスとNを含有するガスとの混合ガス、Heと上記ガス種との混合ガス等を使用することができる。

0158

塗布材料としては、炭素粉に種々の金属元素(Ti、V、Cr、Co、Ni、Cu、Zr、Nb、Mo、Ta、Hf、W等)を添加して用いることにより、炭素とともに拡散させることが可能である。表面層に拡散した上記金属元素の一部は、M3C、M7C3、M4C3、M8C7、MCなどの炭化物(Mは、Ti、V、Cr、Co、Ni、Cu、Zr、Nb、Mo、Ta、Hf、W及びFeのうちの少なくとも一種)となる。

0159

さらに、上記炭化物の炭素の一部が窒素で置換された炭窒化物も生成可能である。このような炭化物や炭窒化物の形成により、硬度上昇摩擦係数低下磨耗量低減、軟化抵抗の増加が確認できる。また、疲労強度や曲げ強度が増加する。これらの元素は、プラズマ照射時の被処理材への酸素の拡散を抑制する。TiO2やCr2O3など種々の酸化物を形成することにより、酸素と結合し、被処理材への酸素の浸入を抑制することができる。また、Naなどの不純物が被処理材の内部に拡散することを防止する効果も確認している。

0160

炭素粉には、活性炭素カーボンブラックカーボンナノファイバカーボンナノツイストグラフェンフラーレンダイヤモンドライクカーボン(DLC)などを使用可能である。また、炭素粉に代えて、BNなどの窒素化合物を用いることにより、被処理材に窒素を浸入・拡散させることが可能である。

0161

本プラズマ浸炭浸窒化処理の後、硬化範囲あるいは処理範囲が大きなレーザ焼入れや高周波焼入れとの組み合わせにより、硬化深さあるいは硬化幅をより広範囲で調整可能である。また、広範囲の浸炭処理や浸窒素処理、レーザ合金化高周波浸炭、高周波浸窒などとの併用も可能である。被処理材は、S45C以外の低炭素鋼高炭素鋼、浸炭専用鋼ステンレス鋼耐熱鋼などの鋼種に適用できる。

0162

本手法は、短時間で浸炭処理や浸窒処理が可能であり、真空排気設備が不要であるため、設備費用の面でも通常の浸炭・浸窒処理設備よりも低価格である。よって、摺動材料等の構造材の表面処理に適用可能である。

0163

本手法のような大気圧放電現象を利用した短時間表面処理は、摺動材料のみならず、機能材料の表面改質に応用できる。具体的には、軟磁性材の粒界への浸炭・浸窒による高磁束化や、圧粉鉄などの粒界の絶縁性向上、電磁鋼板の高磁化化、永久磁石材料への表面処理として、FeCo系材やNiFe系材への適用による保磁力増大磁気変態点上昇効果、NdFeB系磁石保持力増加効果(拡散させる金属元素は、各種希土類元素のうちの少なくとも一種以上である。)を得ることができる。また、3Dプリンター(3DP)による造形材への表面処理プロセスとして適用できる。

0164

実施例6は、水ガラス及び炭素粉末の混合物を送給して塗布するトーチと、プラズマガスを流しプラズマを発生させるトーチとを使用する例である。

0165

被処理材は、SCM415である。

0166

浸炭源は、水ガラスによりシールドされた炭素粉末である。周波数MHz、20kWでプラズマを被処理材の表面に照射する。キャリアガスは、Ar及びCO2の混合ガスである。プラズマトーチの送り速度は、20〜200mm/秒である。この範囲の送り速度で、深さ0.2〜2mmまで浸炭し、焼入れをすることができる。キャリアガスの外周側からAr+H2のシースガスを流すことにより、酸化を防止できる。

0167

さらに、酸化防止策として、水ガラスの成分を、ケイ酸ナトリウムから、ケイ酸ナトリウムと窒化物若しくはフッ化物との混合物、又はケイ酸ナトリウムと窒化物、フッ化物若しくは炭化物との混合物とすることにより、ケイ酸ナトリウムからの分解酸素の浸入を抑制することが可能である。また、炭素粉末に鉄よりも酸化物生成自由エネルギーが負側となる希土類元素やTi、V、Mo、Nb、Zr、W、Cr、Ta、Yなどの金属粉末または炭化物を混合して送粉することにより、SCM415への酸素の浸入を防止することができる。

0168

上記のように複数のトーチを用いて、炭化する炭素源の塗布と、浸炭するための熱源としてのトーチとを使用して、複雑な形状を有する部品の表面を浸炭することが可能である。

0169

上記トーチに加えてレーザ照射可能なトーチを用いた塗布材の乾燥やレーザ焼き入れとの併用や、浸炭とは別に浸窒専用のプラズマトーチを加えて浸炭及び浸窒を独立制御して、被処理材の表面の浸炭部周辺を浸窒することもできる。浸炭した表面の一部を更に浸窒すること、浸炭及び浸窒を同時に複数のトーチで施工すること、送粉材の金属元素を利用して種々の炭化物(M3C、M7C3、M2C、M23C6、MCなどの炭化物である。Mは、送粉に使用する金属元素または被処理材中の金属元素である。)をプラズマ照射した表面に形成することなども可能である。

0170

また、プラズマの照射条件である周波数を複数とした高周波の条件で浸炭した後、低周波の条件で浸炭することにより、表面硬度の制御や、硬度分布の制御が可能である。

0171

水ガラス以外の高電気抵抗材料として、各種酸化物や酸フッ化物、窒化物が使用でき、被処理材、高炭素含有材及び誘電材の少なくとも3種の材料においてプラズマを発生させ、誘電体による放電現象を利用して、炭素を加熱された被処理材に拡散させる。熱エネルギーおよび電界(電場勾配)と所定の周波数と投入電圧を制御することで、拡散する炭素の量と深さを制御可能である。

0172

使用可能なガス種は、実施例5に記載のガス種である。プラズマパワーを100kW〜1MWとすること、及び周波数を適正範囲とすることにより、被処理材の外側から供給する金属元素の拡散が促進される。このようにして、上記種々の炭化物や炭窒化物あるいは上記元素の窒化物を層状に、被処理材の内部の浸炭または浸窒をした組織の中に分散させることが可能である。また、プラズマ周波数に加えてプラズマ出力の調整により、炭素や窒素の拡散と金属元素の拡散を促進することができる。

0173

このような硬化処理のためには、複数のトーチのガス流量、送粉及びパワー、周波数をそれぞれ制御する制御系並びに位置決め系送り系及び温度計を含む装置で施工する必要がある。

実施例

0174

上記装置により、構造材料の硬化処理に加えて、機能材料である磁性材料熱電材料導電材料生体材料などに適用可能であり、磁化上昇、保持力上昇、耐食性向上熱電療増加などが確認できる。

0175

11:VC系炭化物、12:粒界、13:母地、21:MC系炭化物、22:粒界、23:母地、24:VC系炭化物、50:構造材、52:基材、54:硬化層。

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