JP2005146378A

JP2005146378A - Ｃ含有材料の表面改質方法

Info

Publication number: JP2005146378A
Application number: JP2003387721A
Authority: JP
Inventors: Masa Mizuno; 雅水野; Genryu Abe; 源隆阿部
Original assignee: AMC KK
Current assignee: AMC KK
Priority date: 2003-11-18
Filing date: 2003-11-18
Publication date: 2005-06-09

Abstract

【課題】各種金型、工具、刃物や機械・自動車部品等に用いられるＣ含有材料の表層部を改質して上記金型等の寿命向上を低コストで実現することができるＣ含有材料の表面改質方法を提供する。
【解決手段】半導体レーザ１から射出されたレーザビーム２を改質対象物たる合金工具鋼３の表面に集光させて該合金工具鋼３の表層部４を局部的に急速加熱し、表層部４に溶融溜り５を形成する。また、レーザビーム２は走査方向Ｐに所定速度で走査され、レーザビーム２が溶融溜り５から移動すると、周辺領域への熱拡散によって溶融溜り５が急速凝固する。ここで、溶融溜り５の断面積Ｓに対する境界長さＬの比率（＝Ｌ／Ｓ）が１．４以上となるように、レーザビーム２の出力、スポット径や走査速度などを制御する。これにより、表層部４に形成される炭化物の微細・均一化が可能となる。
【選択図】図１

Description

この発明は、Ｃ含有材料の表層部における炭化物の微細化により表面改質を行う表面改質方法に関するものである。なお、「Ｃ含有材料」としては、例えば０．３重量％以上のＣを含有する金属材料（例えば、工具鋼、構造用鋼、鋳鋼、鋳物など）と、Ｃを含有する基材上に該基材と異なる素材（例えば、ＷＣやＴｉＣ等の超硬など）を複合させた複合金属材料などが含まれる。

各種金型、工具、刃物や機械・自動車部品等に対して高硬さ、高強度、高耐摩耗性等の特性が要求される場合には、金型などを構成する金属材料の母材にＣ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｖ等の炭化物生成元素を添加し、母材中に炭化物を分散析出させている。例えば切削工具鋼では、切れ味の点から第一に硬さが高いことが望まれるとともに、切削作業による摩耗を低減させる必要がある。そこで、硬さを高めるために炭素含有量を増す一方で、Ｃｒ、Ｗなどを添加することで特殊炭化物を母材中に形成し、これにより耐摩耗性を向上させたもの（例えばＳＫＤ１１やＳＫＨ５１など）が知られている（非特許文献１）。

日本機械学会著，「機械工学便覧」，新版，社団法人日本機械学会，１９８８年５月，ｐ．Ｂ４−５５、５６

しかしながら、これらの金属材料は成分的に、製造プロセスの鋼塊凝固時に巨大な共晶炭化物が析出し易く、母材中に残存する。しかも、共晶炭化物は大きく、硬く、かつ脆いため破損等の起点となり、工具寿命等を阻害する要因となっている。ここで、この要因を少しでも回避するには、凝固速度を速め、共晶炭化物の析出を抑制する必要があり、従来よりエレクトロスラグ再溶解法（ＥＳＲ法）や粉末製造法が採用されているが、十分な特性の向上を図ることができないという問題や製造コストの増大要因となるという問題などがあった。

この発明は上記課題に鑑みなされたものであり、各種金型、工具、刃物や機械・自動車部品等に用いられるＣ含有材料の表層部を改質して上記金型等の寿命向上を低コストで実現することができるＣ含有材料の表面改質方法を提供することを目的とする。

この発明は、Ｃ含有材料の表層部における炭化物の微細化により表面改質を行う表面改質方法に関するものであり、以下の２つの態様がある。まず、第１の態様は、０．３重量％以上のＣを含有する金属材料の表層部を局部的に急速加熱して下記の条件を満足する溶融溜りを形成した後、該溶融溜りを急速凝固して表層部の炭化物を微細化することを特徴としている。ここで、上記条件とは、溶融溜りの断面の面積をＳとし、該断面における溶融溜りと金属材料との境界長さをＬとしたとき、Ｌ／Ｓが１．４以上であるというものである。また、第２の態様は、Ｃを含有する基材上に該基材と異なる素材を複合させた複合金属材料の表層部を局部的に急速加熱して下記の条件を満足する溶融溜りを形成した後、該溶融溜りを急速凝固して表層部の炭化物を微細化することを特徴としている。ここで、上記条件とは、溶融溜りの断面の面積をＳとし、該断面における溶融溜りと複合金属材料との境界長さをＬとしたとき、Ｌ／Ｓが１．４以上であるというものである。

これらの発明では、Ｃ含有材料の表層部を改質すべく該表層部を局部的に急速加熱して溶融溜りを形成した後、該溶融溜りを急速凝固させている。ここで溶融溜りを凝固させる際には、溶融溜りからの熱が主としてＣ含有材料（金属材料や複合金属材料）との境界部を介して放熱される。したがって、溶融溜りを凝固して得られる金属組織、つまり表層部の炭化物組織は境界部の影響を大きく受けることとなる。例えば、Ｌ／Ｓが１．４未満である。つまり溶融溜りに対して境界部が比較的狭い場合には、溶融溜りからの放熱が効果的に行われず、炭化物の粒径が大きくなったり、異常組織が生成される。一方、Ｌ／Ｓが１．４以上であり、溶融溜りに対して境界部が比較的広い場合には、溶融溜りからの放熱が効果的に行われて、表層部に微細な炭化物が形成される。

以上のように構成された発明では、Ｌ／Ｓが１．４以上となるように溶融溜りをＣ含有材料の表層部に形成した後、急速凝固してＣ含有材料の表層部における炭化物の微細化を図っているので、Ｃ含有材料の表層部を改質して金型等の寿命向上を低コストで実現することができる。

＜第１実施形態＞
図１は、この発明にかかるＣ含有材料の表面改質方法の第１実施形態を示す図である。この実施形態は、この発明の「Ｃ含有材料」および「金属材料」として合金工具鋼（ＳＫＤ１１）の表層部を改質する方法であり、半導体レーザ１から射出されたレーザビーム２を改質対象物たる合金工具鋼３の表面に集光させている。このようにレーザビーム２を合金工具鋼３に照射することで、該合金工具鋼３の表層部４を局部的に急速加熱し、表層部４に溶融溜り５を形成する。また、レーザビーム２は走査方向Ｐに所定速度で走査され、レーザビーム２が溶融溜り５から移動すると、周辺領域への熱拡散によって溶融溜り５が急速凝固する。したがって、合金工具鋼３の表層部４のうちレーザビーム２が走査された領域６がレーザビーム２による急速加熱および急速凝固を受けることとなる。

ここで、本願発明者は種々の実験を行い、レーザビーム２により形成される溶融溜り５の断面積と、該断面における溶融溜り５と母相７との境界部８の長さとの比率が溶融溜り５を急速凝固して得られる組織に対して大きな影響を及ぼすことを突き止めた。すなわち、レーザビーム２の出力、スポット径や走査速度などを制御することで溶融溜り５の断面積を種々の値に設定することで上記比率を多段階に変化させるとともに、各比率設定で得られる組織をミクロ観察により測定し、その面積内の炭化物の大きさＤと個数を数えることにより改質結果を評価した。その測定結果をまとめたものが表１である。

なお、同表（および後で説明する表２）において、符号Ｓはレーザビーム２の走査方向Ｐに対してほぼ直交する断面での溶融溜り５の最大断面積であり、符号Ｌは該断面における溶融溜り５と合金工具鋼３との境界長さである。同表から明らかなように、溶融溜り５の断面積Ｓに対する境界長さＬの比率（＝Ｌ／Ｓ）が改質組織に大きな影響を与えている。つまり、Ｌ／Ｓが２．２以上においては、溶融溜り５を急速凝固してなる領域６には、１μｍ以下の微細炭化物が・均−に分散している。また、１μｍを超える炭化物については、（Ｌ／Ｓ＝２）という条件から確認され、Ｌ／Ｓの減少に従って急速に増え始めることが分かる。そしてＬ／Ｓが１．４を下回ると、５μｍを超える巨大炭化物が析出するようになる。一般的な製造法による冷間工具鋼や高速度工具鋼等の共晶炭化物は数１０μｍ〜１００μｍを超えるものまで存在しており、これの改善方法として巨大炭化物を制御する製造法が採られている。この巨大炭化物制御法であるエレクトロスラグ再溶解法や粉末製造法の炭化物の大きさはほぼ５μｍ以下となっている。よって、この実施形態による表面改質方法として、Ｌ／Ｓが１．４以上となるように設定することで従来法と同程度以上の組織を得ることができる。

例えば、（Ｌ／Ｓ＝２．８）となるように設定した場合に得られた組織をミクロ観察したところ、図３および図４に示すような組織が撮像された。図３は図２の溶融溜りを急速凝固した領域の近傍を撮像した光学顕微鏡写真であり、図４は図３の金属材料に対して焼入れ・焼戻し処理を施した後における境界部（図２の破線部分）を拡大した光学顕微鏡写真である。上記した条件設定では、図３および図４に示すように、表面改質処理を受けていない母材部分（同図の左部分）には１０μｍ以上の炭化物が多く確認されるが、上記した表面改質処理を受けた領域６（同図の右上部分）は微細で、かつ均−な炭化物で構成されており、１μｍ以上の炭化物は確認されない。

また、刃物は刃先に約１μｍの非常に鋭利な刃付けを必要とされており、刃物に対する研磨処理が必須となっている。そのため、従来より刃物を構成する金属材料として、現状で最も巨大炭化物が少ないといわれている高速度工具鋼を採用している。しかしながら、図５に示すように研磨処理により数μｍの炭化物が脱落し、刃先にキズが発生している。これに対し、上記した表面改質処理を施した高速度工具鋼を採用した場合には、表層部に存在する炭化物サイズは１μｍ以下であり、その工具鋼に対して研磨処理を施した場合、図６に示すように、炭化物の脱落がなく、鋭利な刃付けが可能となった。このように、刃物を構成する金属材料に対して上記表面改質処理を施しておくことで、刃物寿命の向上と共に被加工材の表面肌を大幅に改善することができる。

以上のように、この実施形態によれば、合金工具鋼の表層部に微細な炭化物を均一に分散させることができ、工具鋼に要求される高硬さ、高強度、高耐摩耗性等の特性を安定的に、しかも確実に向上させることができる。また、エレクトロスラグ再溶解法（ＥＳＲ法）や粉末製造法などの従来方法のように大掛かりな装置を必要とせず、製造コストを大幅に低減することができる。

なお、上記第１実施形態では、合金工具鋼の表層部を改質しているが、金型、刃物や機械・自動車部品等に用いられるＣ含有材料、特に０．３重量％以上のＣを含有する金属材料の表層部に対して上記実施形態を適用することで同様の作用効果を得ることができる。

＜第２実施形態＞
ところで、金属材料の特性向上を図るために、Ｃを含有する基材上に該基材と異なる素材を複合させた複合金属材料を用いる場合がある。このような複合金属材料に対しても本発明を適用することで複合金属材料の表層部を改質することができる。この「基材と異なる素材」としては、例えばＷＣ、ＴｉＣなどの非常に硬い化合物（超硬）の粉末が含まれる。以下、図７ないし図９を参照しつつ説明する。

図７は、この発明にかかるＣ含有材料の表面改質方法の第２実施形態を示す図である。この実施形態が第１実施形態と大きく相違する点は、表面改質の対象物が合金工具鋼（ＳＫＤ６１）の表面にタングステンカーバイド（ＷＣ）を厚み０．１ｍｍだけ溶射してなる複合金属材料となっている点のみであり、その他の構成および表面改質方法は全く同一である。

ここでも、本願発明者は種々の実験を行い、レーザビーム２を複合金属材料９に照射することにより複合金属材料９の表層部に形成される溶融溜り５の断面積と境界部８との長さとの比率と、該溶融溜り５を急速凝固して得られる組織との関係について、第１実施形態と同様の測定および評価を行った。その測定結果をまとめたものが表２である。

同表から明らかなように、溶融溜り５の断面積Ｓに対する境界長さＬの比率（＝Ｌ／Ｓ）が改質組織に大きな影響を与えている。つまり、Ｌ／Ｓが４以上においては、溶融溜り５を急速凝固してなる領域６には２μｍ以下の微細炭化物が均−に分散している。また、２μｍを超える炭化物については、（Ｌ／Ｓ＝３．１）から確認され、Ｌ／Ｓの減少に従って急速に増え始めることが分かる。そしてＬ／Ｓが１．４を下回ると、７μｍを超える巨大炭化物が析出するとともに、異常組織が生成するようになる。また、Ｃを含有する基材上に該基材と異なる素材を複合させて表層部に新合金を生成させて表面改質を行う複合金属材料では、基材単体よりも炭化物が大型化する傾向にあり、炭化物サイズは７μｍ程度に止まっている。これに対し、この実施形態による表面改質方法として、Ｌ／Ｓが１．４以上となるように設定することで従来法よりも微細な炭化物を均一に分散させた組織を得ることができる。

例えば、Ｌ／Ｓを３．１となるように設定した場合に得られた組織をミクロ観察したところ、図９に示すような組織が撮像された。図９は表面改質された金属組織の光学顕微鏡写真である。上記した条件設定では、同図に示すように、１μｍ以下の炭化物（ＷＣ）が多く均一に分散している。

＜その他＞
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば、１本のレーザビーム２を用いて表面改質処理を行っているが、複数本のレーザビーム、例えば図１０および図１１に示すように３つの半導体レーザ１を走査方向Ｐとほぼ直交する方向に並列配置し、３本のレーザビーム２を同時に表層部４に照射して溶融溜り５を形成するように構成してもよい。これにより、効率的な表面改質処理を行うことができる。

また、上記実施形態では、半導体レーザ１からのレーザビーム２を照射して金属材料（第１実施形態）や複合金属材料（第２実施形態）の表層部に溶融溜り５を形成しているが、半導体レーザの代わりにガスレーザなどを用いてもよい。また、溶融溜りの形成方法についてはレーザ加熱方式に限定されるものではなく、任意の方法を採用することができる。

この発明は、金属材料や複合金属材料などのＣ含有材料の表層部を改質するものであり、Ｃ含有材料の表面改質全般に適用することができる。

この発明にかかるＣ含有材料の表面改質方法の第１実施形態を示す図である。第１実施形態におけるレーザビームの照射近傍を示す模式図である。図２の溶融溜りを急速凝固した領域の近傍を撮像した光学顕微鏡写真である。図３の金属材料に対して焼入れ・焼戻し処理を施した後における境界部（図２の破線部分）を拡大した光学顕微鏡写真である。従来の工具鋼により構成された刃物の刃先を示す写真である。本発明にかかる表面改質方法を受けた工具鋼により構成された刃物の刃先を示す写真である。この発明にかかるＣ含有材料の表面改質方法の第２実施形態を示す図である。第２実施形態におけるレーザビームの照射近傍を示す模式図である。第２実施形態により表面改質された金属組織の光学顕微鏡写真である。この発明にかかるＣ含有材料の表面改質方法の他の実施形態を示す図である。他の実施形態におけるレーザビームの照射近傍を示す模式図である。

符号の説明

３…合金工具鋼
４…表層部
５…溶融溜り
６…領域
８…（溶融溜りと母相との）境界部
９…複合金属材料

Claims

０．３重量％以上のＣを含有する金属材料の表層部を局部的に急速加熱して下記の条件を満足する溶融溜りを形成した後、該溶融溜りを急速凝固して前記表層部の炭化物を微細化することを特徴とするＣ含有材料の表面改質方法。
前記条件は、前記溶融溜りの断面の面積をＳとし、該断面における前記溶融溜りと前記金属材料との境界長さをＬとしたとき、Ｌ／Ｓが１．４以上であるというものである。
Ｃを含有する基材上に該基材と異なる素材を複合させた複合金属材料の表層部を局部的に急速加熱して下記の条件を満足する溶融溜りを形成した後、該溶融溜りを急速凝固して前記表層部の炭化物を微細化することを特徴とするＣ含有材料の表面改質方法。
前記条件は、前記溶融溜りの断面の面積をＳとし、該断面における前記溶融溜りと前記複合金属材料との境界長さをＬとしたとき、Ｌ／Ｓが１．４以上であるというものである。