JP2001040496A

JP2001040496A - Ｆｅめっき鋼材

Info

Publication number: JP2001040496A
Application number: JP11215773A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Hoshino; 俊幸星野; Kenichi Amano; 虔一天野; Chiaki Kato; 千昭加藤; Saiji Matsuoka; 才二松岡; Toshito Takamiya; 俊人高宮
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1999-07-29
Filing date: 1999-07-29
Publication date: 2001-02-13

Abstract

(57)【要約】【課題】環境上の悪影響を及ぼすことなく製造でき、
従来の窒化処理等による表面硬化量と同等以上の硬化量
を有する表面硬化鋼材を提供する。【解決手段】鋼の表面に、成分組成が、Ｃ：0.05mass
％以上のほか、Ｏ：0.5mass％以上およびＰ：0.1 mass
％以上のうちの１種又は２種を含有し、残部はFeおよび
不可避的不純物からなるFeめっき層を形成することによ
り、表面の硬さをビッカース硬さ（Ｈｖ）で500 以上と
し、かつ表面に圧縮残留応力を存在させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、表面硬化処理を施
した鋼材に係わり、特に、めっき処理により、従来の窒
化処理等の表面硬化処理で得られると同等以上の特性を
付与した硬質Feめっき鋼材に関するものである。なお、
Feめっき鋼材とは、鋼の全面をFeめっき層で覆ったも
の、または、鋼の一部分をFeめっき層で覆ったものを意
味する。

【０００２】

【従来の技術】鋼材の耐摩耗特性および疲労特性を向上
させる手段として、従来から、窒化や浸炭等の処理が行
なわれてきた。これらの処理は、特定の組成と温度から
なるガス、液体または固体中に、所定時間保持し、被処
理材の表面に硬質層を形成するものである。例えば、窒
化処理の場合には、アンモニアガス中、あるいは、シア
ン浴中に被処理材を高温保持することにより、表面にFe
とＮの化合物を形成して、硬化させている。また、浸炭
処理の場合には、鋼のオーステナイト域の温度で、ＣＯ
およびＣＯ₂ からなる雰囲気中に保持して、表面のＣ量
を増加させ、引き続いて焼人れを行って表面を硬化させ
ている。しかしながら、これら従来の硬化方法では、ア
ンモニア、シアンおよびＣＯ等の人体に有害な物質を無
害化するために、多大なコストが必要になるという問題
がある。また、仮に不測の事態が生じた場合には、これ
ら有害物質が環境中に放出された際の危険性が高く、近
年の環境への関心の高まりもあり、このような処理方法
自体が社会的に許容されなくなりつつある。このため、
今日では、これら従来の窒化や浸炭の処理に代わるべき
新しい技術が模索されている。

【０００３】かかる問題を解決する手段として、最近、
硬質電気めっきの活用が注目されている。例えば、特開
昭57−169081号公報および特開平４−269534号公報に
は、電気めっきにより鋼表面にFe−Ｗの合金めっき被膜
を形成し、その後、特定雰囲気中で熱処理を行なうこと
によりFe−Ｗの金属間化合物を形成することにより表面
硬化を達成するものである。しかし、この方法では、電
気めっき後に、熱処理を必要とするばかりでなく、高価
なタングステンを用いる必要があるなどの問題点があ
る。また、特開平６−49680 号公報および特開平９−20
2991号公報には、特定組成の浴中で電気めっきを行なう
ことにより、硬質Feめっき層を形成させる方法が開示さ
れている。しかし、この方法は、本発明者らの検討によ
れば、めっき層の結晶粒が粗大であり、またFeめっき鋼
材の表面に引張の残留応力が発生するので、未だ硬化量
およびめっき密着性が十分でないために、実用の域には
達していないのが実状である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来技術が
抱える上述した問題点を解決課題とするものであり、環
境上の悪影響を及ぼすことがなく、また、めっき後に特
別な熱処理を要しないで製造することが可能な、表面硬
化鋼材を提供することにある。また、本発明は、従来の
窒化処理等による表面硬化量と同等以上の硬化量を有す
る表面硬化鋼材を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】発明者らは、上記目的を
達成すべく鋭意研究を重ねた。その結果、鋼表面にＣの
ほかＰおよび／またはＯを所定量含有したFeめっき層を
表面に形成すると、Feめっき層の結晶粒が微細化して表
面硬さが上昇すること、またこのとき、鋼材表面には圧
縮の残留応力が形成されることを知見した。そして、こ
のようなFeめっき層を形成すると、耐摩耗性および耐疲
労性に優れた鋼材を提供可能になるとの結論に到った。
このような知見の下に開発した本発明は、鋼の表面に、
成分組成が、Ｃ：0.05mass％以上のほか、Ｏ：0.5 mass
％以上およびＰ：0.1 mass％以上のうちの１種又は２種
を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物からなるFeめ
っき層を有するめっき鋼材であって、該鋼材の表面硬さ
がビッカース硬さ（Ｈｖ）で500 以上であるとともに、
該鋼材の表面に圧縮残留応力が存在することを特徴とす
る、Feめっき鋼材である。また、上記発明におけるめっ
き層は、その結晶粒径が10μｍ以下であることが望まし
い。そしてまた、これらの発明においては、めっき層の
厚さが１〜200 μｍであることが好ましい。

【０００６】

【発明の実施の形態】まず、発明者らは、Feめっき層を
硬質化させるための支配因子を検討した。その結果、硬
質化には結晶粒の微細化を図ることが極めて効果的であ
ることを突き止めた。鋼の降伏応力（あるいは硬さ）
は、一般に、ホールペッチの関係として知られているよ
うに、結晶粒径の−１／２乗に比例するが、Feめっきに
おいてもこの関係が成立するものである。例えば、Ｈｖ
500以上を達成するには、結晶粒径が0.2 μｍ以下まで
微細化する必要がある。このような微細粒を得るために
は、めっき条件を制御して電析時の核形成サイトを増加
させれば可能になるとの前提に立って、発明者らは、Fe
めっき層の微細化のためのめっき条件について検討し
た。めっき条件のうちで、浴組成、浴温度および電流密
度を種々に変化させてFeめっき層の硬さを測定するとと
もに、Feめっき層の組成を分析した結果、注目すべき現
象を見出した。

【０００７】得られた結果を図１に示す。図１から、Fe
めっき層の硬さがFeめっき層中のＣ、ＰおよびＯと極め
て強い相関があることがわかる。また、Feめっき層中の
Ｃ、ＰおよびＯ量とFeめっき層の結晶粒径にもまた強い
相関があることがわかる。これらのことから、Feめっき
層中のＣ、ＰおよびＯの含有量が結晶粒の微細化に影響
を及ぼしていると考えられた。発明者らは、さらに、Fe
めっき層中のＣ、ＰおよびＯが存在する部分を分析した
結果、その多くが結晶粒界に存在していることを確認し
た。これらのことから、Ｃ、ＰおよびＯの結晶粒微細化
の機構は以下のとおりと考えられる。

【０００８】すなわち，Feの電析の場合には、ある結晶
から特定方位の結晶が成長することが知られているが、
Ｃ、ＰおよびＯが存在している浴においては、Feの電析
とＣ、ＰおよびＯ元素を含有する化合物の電析とが競合
して生じており、Feの電析速度の若干の揺らぎにより、
Ｃ、ＰおよびＯ元素を含有する化合物の電析が優勢とな
る。このとき、Feの電析結晶の成長は中断され、また新
たに核形成し電析が継続される。これらの現象が繰り返
し生じる結果、Feめっき層は微細化され、Feめっき層の
硬さを大きく増加させることが可能になる。さらに、Fe
めっき層を微細化すると、表面の残留応力の状態にも好
影響を与える。すなわち、一般に、耐摩耗性および耐疲
労性は、表面に圧縮の残留応力が発生することにより向
上するが、Feめっき層を微細化すると鋼材表面には圧縮
の残留応力が形成されやすくなる。このことより、Feめ
っき層の微細化は、耐摩耗性および耐疲労性の向上に好
影響を及ぼす。そのうえ、Feめっき層の微細化は、Feめ
っき層の密着性を改善するという効果をももたらす。

【０００９】次に、本発明における構成要件を前記範囲
に限定した理由について説明する。Ｃ：0.05mass％以上Ｃは、めっき層の結晶粒の微細化に顕著な効果をもたら
すので、本発明においては必須の元素である。これは、
Ｃが最も電析速度が速い元素である他に、粒界への偏析
傾向が最も顕著であるからである。この結晶粒微細化効
果は、Ｃ量が0.05mass％未満では小さく、目標とするＨ
ｖ500 以上の硬さを得ることが困難になるので、0.05ma
ss％以上の含有を必要とする。なお、Feめっき層中のＣ
量が10mass％超えて含有されると、Feめっき層の結晶粒
界に炭化物が生成され、めっき膜が脱落しやすくなり、
耐摩耗性および耐疲労性を低下させる原因となる。よっ
て、Ｃ含有量は10mass％以下とするのが好ましい。

【００１０】Ｐ：0.1 mass％以上Ｐは、Feめっき層の結晶粒の微細化に寄与する。この結
晶粒微細化効果は、Ｐ量が0.1 mass％未満では小さく、
目標とするＨｖ500 以上の硬さを得ることが困難になる
ので、0.1 mass％以上の含有を必要とする。なお、Feめ
っき層中のＰ量が９mass％超えて含有されると、Feめっ
き層の結晶粒界に Fe₃Ｐが生成され、めっき膜が脱落し
やすくなり、耐摩耗性および耐疲労性を低下させる原因
となる。よって、Ｐ含有量は９mass％以下とするのが好
ましい。

【００１１】Ｏ：0.5 mass％以上Ｏは、Feめっき層の結晶粒の微細化に寄与する。この結
晶粒微細化効果は、Ｏ量が0.5 mass％未満では小さく、
目標とするＨｖ500 以上の硬さを得ることが困難になる
ので、0.5 mass％以上の含有を必要とする。なお、Feめ
っき層中のＯ量が10mass％超えて含有されると、Feめっ
き層の結晶粒界および粒内に酸化物が生成され、めっき
膜が脱落しやすくなり、耐摩耗性および耐疲労性を低下
させる原因となる。よって、Ｏ含有量は10mass％以下と
するのが好ましい。

【００１２】Feめっき鋼材表面の硬さ Feめっき鋼材表面の硬さは、荷重100 ｇのビッカース硬
度計によりFeめっき鋼材のFeめっき層表面から測定した
硬さである。本発明では、Feめっき鋼材表面の硬さをＨ
ｖ≧500 とする。というのは、Ｈｖ：500 以上の硬さが
得られないと、窒化処理あるいは浸炭処理等の従来の表
面硬化処理を代替するに足る耐摩耗性および疲労強度が
得られないからである。また、実際の機械部品等に本発
明を適用する場合には、必ずしも該部品の全面にFeめっ
き層を形成させたものとする必要はなく、耐摩耗特性お
よび耐疲労特性の観点から必要とされる部位のみめっき
を施したものでもよい。すなわち、本発明の鋼材は、そ
の必要な特性が満たされるのであれば、表面の一部のみ
をFeめっき処理したものをも含むものとする。

【００１３】残留応力 Feめっき鋼材表面の残留応力は、Ｘ線を用いてFeめっき
層の格子歪を測定して、これにヤング率を乗じて求めた
値である。本法におけるＸ線の進入深さは、約200 μｍ
程度であるので、これ以下のめっき厚の場合に適用する
方法である。めっき処理により、被処理材である鋼材の
表面に残留応力が発生するが，本発明においてはこの残
留応力は圧縮側であることが必要である。これは、めっ
き処理後の残留応力が引張側である場合には、Feめっき
層が脱落しやすくなり、耐摩耗性および耐疲労性を劣化
させるからである。圧縮残留応力の値は少なくとも10Ｍ
Pa以上あることが好ましく、これに満たないと耐摩耗性
および耐疲労性を従来の窒化処理材と同等以上に高める
ことが難しくなる。また、このように、表面に圧縮残留
応力を形成させるためには、Feめっき層の結晶粒径を10
μｍ以下とすることが望まれる。

【００１４】なお、以上述べたような本発明の効果を発
揮させるには、鋼表面へのFeめっき層の厚さは１μｍ〜
200 μｍの範囲とするのが好適である。というのは、１
μｍに満たないと実際の機械部品等に適用するに際し、
十分な疲労強度が得られないからであり、一方、200 μ
ｍを超えると残留応力の圧縮から引張への変化を招くか
らである。また、かかるFeめっき層を形成させるための
めっき条件としては、a)鉄塩のほか、b)リン酸系化合
物、c)カルボン酸およびカルボン酸塩を含有する浴中に
て、電流密度：５〜500 Ａ／dm²、浴温度：30〜80℃
で、所定時間（例えば、３〜30min ）電気めっきするこ
とが望ましい。

【００１５】

【実施例】JIS SCr420鋼の50mmφ棒鋼を1150℃×１hr加
熱して空冷する焼きならしを施した素材から、切削加工
により25mmφ×30mml の摩耗試験片および平行部８mmφ
の回転曲げ疲労試験片を作製した。この試験片に、さら
に表１に示す条件で電気めっきを行ない耐摩耗、耐疲労
特性を調査した。また、同一材料から25mm角の試料を採
取し、同様のめっきを行なって、めっきの層の化学組成
を分析するとともに、荷重100gのビッカース硬度計によ
り表面硬さ（Ｈｖ）および表面の残留応力を測定した。
これら試料を作製する際の電気めっきは、硫酸によりpH
２に調整しためっき液を用い、軟鋼をアノードとして試
験片（試料）に対極させる方法で行った。なお、試験片
（試料）のめっき前処理では、アルカリ溶液中で電解脱
脂したのち、めっき直前に酸洗して酸化物を除去後、水
洗した。また、比較のために、同一材料にて同一形状の
試験片（試料）を作製し、アンモニア：窒素＝１：３の
雰囲気中にて、 570℃×３hrの窒化処理を行ない、同様
の硬さ、摩耗および疲労試験を行なった。

【００１６】摩耗試験は、130 mmφ×12mmの相手材をJI
S SUJ2鋼にて作製し、接触面圧を1667ＭＰa 、すべり率
を40％とする条件で繰り返し応力を付加し、繰り返し回
数10⁷回での摩耗量を測定した。ここで、摩耗量は、接
触面を粗さ計で測定し、最大の摩耗深さで評価した。回
転曲げ疲労試験は、小野式回転曲げ疲労試験機を用い、
回転速度3600 rpmで実施した。この試験において、応力
レベルを変えて試験片が破断するまで行ない10⁷ 回の繰
り返しでの最大応力を疲労限度として評価した。また、
表面の残留応力は、Ｘ線を用いて、格子歪みを測定し、
この測定値にヤング率を乗じて求めた。Feめっき層の結
晶粒径は、試験片よりFeめっき層を含むサンプルを切り
出して研磨後、３％ナイタールにて腐食し、走査型電子
顕微鏡によりFeめっき層を観察して測定した。すなわ
ち、観察した電子顕微鏡写真で認識できる粒数を測定
し、これより結晶粒１個当たりの面積を算出し、これと
同面積の円の直径を結晶粒径とした。また、Feめっき層
厚さは、Feめっき層を含む試験片を切断し、光学顕微鏡
により測定した。さらに、Feめっき層の密着性を以下の
方法で試験した。すなわち、同一組成の鋼にて10mm×10
mm×50mmの板を作製し、同一条件でめっきしたのち、め
っき面に直径１インチ、重量１kgの鋼球を50cmの高さよ
り落下させ、めっき層の剥離の有無を観察した。

【００１７】表１に、めっき層の成分組成、硬さ、残留
応力および結晶粒径などの測定結果を示す。Ｃ，Ｐ，Ｏ
の含有量が本発明の範囲内にある、No. Ｂ，Ｃ，Ｄは何
れも、残留応力値が10ＭＰa 以上の圧縮応力があり、硬
さはＨｖ690 以上で、窒化材と同等ないしはそれ以上の
硬さを有している。これに対し、Ｃ，Ｐ，Ｏが、本発明
の範囲外にあるNo. Ａは、残留応力が20ＭＰa の引張と
なり、硬さもＨｖ 120と極めて低い値となっている。

【００１８】図２に、これらの摩耗試験の結果を示す。
硬さが低いNo. Ａは，摩耗が応力繰り返し数の増加とと
もに急速に進行するのに対し、発明例No. Ｂ，Ｃ，Ｄ
は、応力繰り返し数が増加しても摩耗量はほぼ一定の値
に留まっており、しかもその値は窒化材と同程度であ
る。図３は、同様に回転曲げ疲労試験結果である。比較
例のNo. Ａは、疲労限が約250MPa程度であるのに対し、
発明例No. Ｂ，Ｃ，Ｄのそれは、約400MPa以上となり、
窒化材とほぼ同等以上の高疲労強度を有していることが
わかる。これらのことから、本発明鋼材は、硬さ、耐摩
耗、耐疲労などの特性が、窒化材と同等またはそれ以上
を達成していると言える。したがって、本発明鋼材は、
有害物質を用いないので、環境負荷を増加させることが
なく、従来の表面硬化方法と同等以上の特性を達成する
ことを可能とする。

【００１９】

【表１】

【００２０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
有害物質を用いないので、環境負荷を増加させることな
く、従来の表面硬化方法と同等以上の、硬さ、耐摩耗、
耐疲労などの特性を達成できるので、各種機械部品等と
して広く適用でき、産業への寄与は極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】めっき層におけるＣ，ＰおよびＯの含有量がめ
っき層の結晶粒径および鋼材の表面硬さに及ぼす影響を
示すグラフである。

【図２】実施例における摩耗試験結果を示すグラフであ
る。

【図３】実施例における疲労試験結果を示すグラフであ
る。

フロントページの続き (72)発明者加藤千昭岡山県倉敷市水島川崎通１丁目（番地なし）川崎製鉄株式会社水島製鉄所内 (72)発明者松岡才二岡山県倉敷市水島川崎通１丁目（番地なし）川崎製鉄株式会社水島製鉄所内 (72)発明者高宮俊人岡山県倉敷市水島川崎通１丁目（番地なし）川崎製鉄株式会社水島製鉄所内Ｆターム(参考） 4K024 AA04 AA16 BA02 BB01 BB04 GA03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】鋼の表面に、成分組成が、Ｃ：0.05mass
％以上のほか、Ｏ：0.5 mass％以上およびＰ：0.1 mass
％以上のうちの１種又は２種を含有し、残部はFeおよび
不可避的不純物からなるFeめっき層を有するめっき鋼材
であって、該鋼材の表面硬さがビッカース硬さ（Ｈｖ）
で500 以上であるとともに、該鋼材の表面に圧縮残留応
力が存在することを特徴とする、Feめっき鋼材。
【請求項２】めっき層の結晶粒径が10μｍ以下である
ことを特徴とする、請求項１に記載のFeめっき鋼材。
【請求項３】めっき層の厚さが１〜200 μｍであるこ
とを特徴とする、請求項１または２に記載のFeめっき鋼
材。