JP2003039398A - 金属製品表面のナノ結晶化方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 最終製品の形状をした金属製品の表面に、直
接、ナノ結晶を生成させる方法を提供する。 【解決手段】 少なくとも１個の突起２Ａが表面２ａに
形成されている金属製重錘２の突起２Ａを、金属製重錘
２の運動量が突起２Ａ１個当たりに換算して０.１kg・
ｍ／sec以上となるような状態で金属製品１の表面１ａ
に衝突させ、突起が衝突した金属製品の表面箇所にナノ
結晶を生成させる金属製品表面のナノ結晶化方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は金属製品表面のナノ
結晶化方法に関し、更に詳しくは、既に最終の製品形状
に製造されている金属製品の表面における必要部分の組
織を、直接、高硬度のナノ結晶に変えることができる金
属製品表面のナノ結晶化方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】各種の金型や切削工具は相手材との摩耗
によって使用寿命が尽きる場合が多く、また歯車や駆動
伝達用シャフト類の場合はそれらの表層部の疲労によっ
て使用寿命の尽きることが多い。このような問題に対し
ては、上記した各製品の表層部を硬化することが有効で
ある。

【０００３】そのため、これらの製品に対しては、例え
ば浸炭処理，窒化処理，ＰＶＤ処理，ＣＶＤ処理などを
施して表面を高硬度化してから実使用に供する場合が多
い。しかしながら、上記した表面処理は一般に高温下で
行われ、例えば製品の鋼種にもよるが、その変態点以上
の温度下で行われるので、処理後にあっては、製品に歪
みの発生することがある。

【０００４】ところで、最近、金属粉末の分野では、ナ
ノ結晶組織とよばれる金属組織の存在が明らかにされて
いる。このナノ結晶とは、直径が１０００nm（１μｍ）
以下の結晶粒で構成された金属組織と定義されていて、
その特徴は、同一成分から成る金属材料の焼入れ品に比
べて、超かに高硬度であるという点にある。したがっ
て、上記した各種製品の表面にナノ結晶を成長させるこ
とができれば、その製品の表面は著しく高硬度化して、
その耐用寿命を延ばすことが可能であると考えられる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
たナノ結晶の存在は、金属粉末の分野で確認されている
のが現状である。すなわち、所定成分の金属粉末を硬質
ボールを用いてミリングして当該金属粉末に短時間で極
めて大きい機械的エネルギーを投入し、その超強加工を
受けた金属粉末の表面での存在が確認されているにとど
まっている。

【０００６】このようにして、確かに、表面にナノ結晶
が存在してその部分は著しく高硬度になっている金属粉
末の製造は可能である。しかしながら、その金属粉末を
出発原料にして所定の製品形状をした表面高硬度の金属
製品を製造することは必ずしも可能ではない。例えば、
金属粉末から所定形状の製品を製造する場合、通常は焼
結やＨＩＰなどの工程を経ているが、これらの工程で不
可避の高温熱処理によって、金属粉末表面のナノ結晶の
粗大化などにより軟化が進行し、得られた製品の表面は
必ずしも高硬度化しないからである。

【０００７】また、この場合には、金属粉末の製造−そ
の表面のナノ結晶化−焼結やＨＩＰなどの各処理工程が
必要であり、そのため、製造コストは高くなるという問
題もある。本発明は、金属粉末の表面へナノ結晶を生成
させる従来の方法とは異なり、既に最終の製品形状に加
工されている金属製品に対し、高硬度化が必要な表面部
分のみを、直接、ナノ結晶化することができる金属製品
表面のナノ結晶化方法の提供を目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記した目
的を達成するために鋭意研究を重ねる過程で、金属製品
の表面の必要部分に選択的にナノ結晶を生成させるため
には、その部分に、高歪み速度で大きな歪みを与えるこ
と、すなわち短時間で当該必要部分の強加工を行うこと
が必要条件であるとの着想を抱いた。

【０００９】そして、質量が比較的大きい金属製重錘の
表面に突起を設け、その突起を、対象とする金属製品の
表面に衝突させることにより当該衝突面に高歪み速度で
大きな歪みを付加した状態を実現する実験を行い、金属
製品における突起衝突面の組織を観察したところ、そこ
にはナノ結晶が生成していることを確認した。そして、
突起の形状，衝突の態様などに関して更なる研究を重
ね、本発明方法を開発するに至った。

【００１０】すなわち、本発明の金属製品表面は、少な
くとも１個の突起が表面に形成されている金属製重錘の
前記突起を、前記金属製重錘の運動量が前記突起１個当
たりに換算して０.１kg・ｍ／sec以上となるような状態
で金属製品の表面に衝突させ、前記突起が衝突した前記
金属製品の表面箇所にナノ結晶を生成させることを特徴
とする。

【００１１】具体的には、前記突起が高さ１〜１０mmの
球状突起であり、前記金属製重錘の質量が前記球状突起
の数に０.１〜１０kgの範囲内の値を乗算した値であ
り、また衝突直前における前記金属製重錘の速度が１ｍ
／sec以上であり、前記球状突起の硬度が、少なくとも
前記金属製品の表面硬度よりも高い金属製品表面のナノ
結晶化方法が提供される。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明方法を実施するための装置
の１例を概略図として図１に示す。この装置は、後述す
る金属製重錘を、対象とする金属製品の表面に自然落下
させて両者の衝突を行わせる装置である。図１におい
て、表面１ａにナノ結晶を生成させるための金属製品１
が筒体３の底部に配置されている。

【００１３】ここで、金属製品１は既に最終の製品形状
に加工されたものであり、また、金属製品１の外側形状
と筒体３の内側形状は略同形状になっていて、金属製品
は筒体３の中で遊動できないようになっている。筒体３
の上部の中には金属製重錘２が配置されている。そし
て、この金属製重錘２の表面２ａには後述する突起２Ａ
が１個形成されていて、その高さ位置は金属製品１の表
面１ａから高さＨ（ｍ）だけ上方になっている。また、
この突起２Ａは、金属製品の表面１ａのうち、ナノ結晶
を生成すべき箇所をターゲットにして、それと対向する
金属製重錘の表面箇所に形成されている。

【００１４】この状態にある金属製重錘２を自然落下さ
せる。その結果、金属製重錘２の突起２Ａは、図２で示
したように、金属製品１の表面の所定部分に衝突する。
この時、金属製重錘２の質量をＭ（kg）とすると、当該
金属製重錘２が金属製品１の表面に衝突するときの速度
Ｖ（ｍ／sec）は√（２ｇＨ）（ｇは重力加速度）にな
る。

【００１５】すなわち、この金属製重錘２の突起２Ａ
は、Ｍ・√（２ｇＨ）（kg・ｍ／sec）の運動量をもっ
て金属製品１の表面に衝突する。その結果、上記した運
動量の時間的変化である力が１個の突起２Ａを介して金
属製品１の衝突箇所に作用する。そして、衝突は瞬時に
終わるので衝突箇所に作用する力は非常に大きくなる。
すなわち、金属製品１の前記衝突箇所は突起２Ａにより
極めて短時間で強加工された状態になり、ナノ結晶化が
進むことになる。

【００１６】ここで、上記した運動量：Ｍ・√（２ｇ
Ｈ）は０.１kg・ｍ／sec以上の値であることが必要であ
る。運動量が０.１kg・ｍ／secより小さい場合には、金
属製品１の表面におけるナノ結晶化は生起しない。すな
わち、突起２Ａが０.１kg・ｍ／sec以上の運動量で金属
製品１の表面に衝突するとき、その衝突箇所のナノ結晶
化を実現することができる。

【００１７】なお、突起２Ａとしては、図３で示したよ
うに、金属製重錘２の表面２ａから１〜１０mmの高さ
（ｈ）で突出する半球形状をした球状突起であることが
好ましい。また楕円形状をして突起していてもよい。更
に、ナノ結晶化をめざす金属製品の表面箇所が複数であ
る場合、この突起２Ａは前記表面箇所をターゲットとし
て表面２ａの対応箇所に複数箇所形成されていてもよ
い。

【００１８】ところで、上記した運動量は金属製重錘２
の質量（Ｍ）と衝突時の速度（Ｖ）との関数である。本
発明者の実験によれば、突起２Ａが高さ（ｈ）１〜１０
mmの球状突起であり、しかもそれが１個形成されている
金属製重錘２を用いた場合、当該金属製重錘の質量
（Ｍ）を０.１〜１０kgに設定し、１ｍ／sec以上の速度
で衝突させることによりナノ結晶化を実現することがで
きた。

【００１９】突起２Ａが複数個形成されている金属製重
錘２を用いる場合には、その金属製重錘の質量を、突起
２Ａが１個の場合の質量（０.１〜１０kgの範囲）に突
起２Ａの個数を乗算した値に設定し、それを１ｍ／sec
以上の速度で金属製品１の表面に衝突させればよい。全
ての突起２Ａでは上記した０.１kg・ｍ／sec以上の運動
量を満足しているので、各突起の衝突箇所におけるナノ
結晶化が進行する。

【００２０】図１では金属製重錘の自然落下を利用する
衝突の例を示したが、衝突の態様はこれに限定されるも
のではなく、例えば空気圧や油圧を用いて金属製重錘と
金属製品の表面を衝突させてもよい。その場合、衝突時
の速度（Ｖ）は自然落下の場合に比べて傾向的に遅くな
るので、金属製重錘の質量（Ｍ）を大きくして運動量が
０.１kg・ｍ／sec以上となるように設定することが必要
になる。

【００２１】また、衝突は１回で止める必要はなく、金
属製品表面の強加工を進めるためには、むしろ複数回反
復して行うことの方が好適である。更には、突起２Ａの
方が金属製品１よりも高硬度であることが好ましい。逆
の場合には、衝突時に、その運動量が大きすぎると、当
該突起２Ａの座屈などが起こり、金属製品１の表面に対
する強加工に難が生ずるからである。

【００２２】

【実施例】金属製品として、共析鋼（Ｆｅ−０.８９％
Ｃ）から成り、直径４５mm，厚み８mmの円板を用意し
た。この表面硬度（ＨＶ）は２８４である。次に、直径
４５mm，長さ１６.５mmで、その質量（Ｍ）が１.９０７
kgである円柱体の表面中心に、高さ６mmの球状突起２Ａ
が１個形成されている重錘２を用意した。この球状突起
２Ａの硬度（ＨＶ）は８２０である。

【００２３】図１で示したように、内径４５.１mm，長
さ１２００mmの筒体３の底部に上記円板１をセットし、
上部に重錘２を固定配置した。円板１の表面と重錘２の
球状突起２Ａとの距離（Ｈ）は１ｍに設定した。つい
で、重錘２を自然落下させて円板１と衝突させた。この
時、衝突直前の速度（√（２ｇＨ））は４.４３ｍ／sec
であるから、重錘２Ａの運動量は８.４５kg・ｍ／secと
なっている。

【００２４】この衝突−重錘の引き上げ・固定を反復し
て行い、５０回衝突後に円板１を取り出し、その衝突箇
所を透過型電子顕微鏡（×１０５０００）で観察した。
その結果を図４に示した。図４において、矢印で示した
箇所などでナノ結晶を確認することができる。なお、電
子顕微鏡観察では、コントラストの関係で、必ずしも全
面で結晶粒は観察されない。図４から明らかなように、
円板１の処理表面の結晶粒径は５０〜９０nmと非常に微
細であり、これらがナノ結晶であることがわかる。

【００２５】なお、円板１の処理表面（約１０mmの広
さ）の硬度を測定したところＨＶ値で９４０であり、極
めて高硬度化していた。また、硬度（ＨＶ）２０４の共
析鋼に対し、同一の条件で衝突を試みた。そして、円板
１の処理表面における断面表層を走査型電子顕微鏡で観
察した（×１０００）。その結果を図５に示した。図５
において、表面直下の均一なコントラストの部分がナノ
結晶領域である。母相には球状化した炭化物（白色の粒
状物）が、多数、認められるのに対し、ナノ結晶領域で
は炭化物が固溶していることがわかる。炭化物を含む材
料では、ナノ結晶化により炭化物が固溶していることも
特徴である。

【００２６】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明方
法によれば、既に製品形状になっている金属製品の表面
に、直接、極めて高硬度なナノ結晶を生成させることが
できる。したがって、本発明方法を既に最終製品の形状
になっている例えば金型，切削工具，歯車，駆動伝達用
シャフト類などの必要表面に適用することにより、選択
的にその部分の耐摩耗性や疲労強度を高め、耐用寿命を
長くすることができる。

【００２７】なお、本発明方法で表面をナノ結晶化した
金属製品に対し、例えば焼鈍処理を行うことにより、表
面硬度を適切に調整することもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法で用いる装置の１例の概略図であ
る。

【図２】金属製重錘の突起が金属製品の表面に突起した
状態を示す概略図である。

【図３】金属製重錘表面の球状突起例を示す斜視図であ
る。

【図４】実施例で得られた円板表面の透過型電子顕微鏡
写真である。

【図５】実施例で得られた円板表面の断面表層の走査型
電子顕微鏡写真である。

【符号の説明】

１ 金属製品 １ａ 金属製品１の表面 ２ 金属製重錘 ２ａ 金属製重錘２の表面 ２Ａ 突起 ３ 筒体

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも１個の突起が表面に形成され
   ている金属製重錘の前記突起を、前記金属製重錘の運動
   量が前記突起１個当たりに換算して０.１kg・ｍ／sec以
   上となるような状態で金属製品の表面に衝突させ、前記
   突起が衝突した前記金属製品の表面箇所にナノ結晶を生
   成させることを特徴とする金属製品表面のナノ結晶化方
   法。
2. 【請求項２】 前記突起が高さ１〜１０mmの球状突起で
   あり、前記金属製重錘の質量が前記球状突起の数に０.
   １〜１０kgの範囲内の値を乗算した値であり、また衝突
   直前における前記金属製重錘の速度が１ｍ／sec以上で
   ある請求項１の金属製品表面のナノ結晶化方法。
3. 【請求項３】 前記球状突起の硬度が、少なくとも前記
   金属製品の表面硬度よりも高い請求項１または２の金属
   製品表面のナノ結晶化方法。