JP2006083417A - 鉄合金製機構部品の表面改質法 - Google Patents

Abstract

【課題】特性の制限や後加工を要することなく、部品の表面の硬度、耐疲労強度、耐磨耗性、耐食性を向上させて靭性も併せ持たせる鉄合金製機構部品の表面改質法を提供する。
【解決手段】鉄合金製機構部品をオーステナイト領域の温度に急速加熱した後、オーステナイト領域以下の温度まで急速冷却する加熱・冷却工程を少なくとも３回以上繰り返す熱処理を施して焼入れする。この熱処理により、平均結晶粒径を１〜１０μｍに調製する。熱処理は、高周波焼入れ、レーザ焼入れ、火炎焼入れ、電解焼入れまたは電子ビーム焼入れによって行う。
【選択図】なし

Description

本発明は、表面硬度、耐疲労強度、耐磨耗性、耐食性あるいは靭性等を高度に求められる鉄合金製機構部品の表面改質法に関する。

例えばパワーステアリング用ギヤハウジング、エンジンバルブガイド、シリンダライナー、鋳鋼製ライナあるいは船用タービンシャフト等の機構部品は、用途によって表面硬度、耐疲労強度、耐磨耗性、耐食性あるいは靭性等の特性が要求される。
このような要求特性を満たす材料としては、機械構造用炭素鋼、軸受鋼、マルテンサイト型ステンレス鋼、フェライト型ステンレス鋼、耐熱鋼、マルテンサイト鋳鉄またはバネ鋼、工具鋼、クロム・モリブデン鋼もしくはニッケル・クロム鋼等の合金鋼等の焼入れ硬化が可能な合金が使用されている。

機構部品の表面硬度、耐疲労強度、耐磨耗性および耐食性を向上させるとともに靭性を併せ持たせる方法としては、機構部品の表面全体もしくは必要な個所の表面だけを改質により硬化する表面改質法が取られる。この表面改質法は、材料の表面だけを高周波、レーザ、火炎、電解または電子ビーム等によりオーステナイト領域の温度まで昇温した後、水冷等の急冷処理でマルテンサイトなどの焼入れ組織にする方法である。

ところが上記方法では改質効果に限界があるために、表面の必要な個所だけを融点以上の温度まで急速昇温した後、急速冷却する表面改質法が開発された（例えば、非特許文献１参照。）。この文献に記載されているとおり、この方法が適用されている機構部品は、上記のパワーステアリング用ギヤハウジング、エンジンバルブガイド、シリンダライナー、鋳鋼製ライナ、船用タービンシャフト等であり、加熱源としては高周波、レーザ、電子ビームが採用されている。この方法が優れた表面硬度等の特性を出現させる原因は、焼入れ組織の細粒化にある。

ところで、鉄鋼材料の細粒化に関して、本出願人は、鉄基合金材料に材料表面が溶融しない条件下で１回乃至２０回レーザを照射して急速加熱および急速冷却を施す微細化方法を提案している（特許文献１参照。）。
この方法は、具体的には、炭素量が０．１％の低炭素鋼を対象として５００〜８００℃の範囲を急速加熱した後、急速冷却するものであり、オーステナイトとフェライト組織間の変態点（Ａｃ３またはＡｒ３）を超える温度まで加熱した後、冷却することで、低炭素鋼を対象とした溶接部のフェライト組織の細粒化を図るものである。これにより、鉄基合金の溶接継手部等所望の局部領域の結晶組織を数μｍオーダまで微細化することができ、疲労強度を高くすることができる。

しかしながら、熱処理技術は、鋼種によって適用条件および作用効果が異なると考えるのが一般的であり、本出願人も、上記方法を検討した当時、高炭素鋼への適用可能性については、考慮外であった。
なぜなら、焼入れ組織を有する炭素量０．１５％以上の鉄合金においては、オーステナイトと焼入れ組織(マルテンサイト，ソルバイト，トルースタイト)間の変態点が重要となるが、例えばマルテンサイト変態の場合この変態点は５０〜二百数十℃であり、上記オーステナイトとフェライト組織間の変態点とは大きく異なるためである。焼入れ組織においては、このマルテンサイト変態の変態点以下まで急冷して焼入れ組織でないフェライトやパーライトの析出を阻止する必要があり、また、焼入れが十分に行われるためには加熱後の組織を完全オーステナイトにする必要がある。
また、加熱の際に組織を完全オーステナイトにするためには炭素の拡散時間が必要となるが、短時間の加熱を行うレーザ照射よって拡散に必要な十分な加熱保持時間が得られるかという点については予測可能な範囲ではない。
したがって、上記レーザ照射技術は、炭素量０．１５％以上の鉄合金である機構部品の特性を改善するうえで、先行技術としての位置づけは実質的には乏しいといえる。
特開２００２−２５６３３５号公報 精密工学会 表面改質に関する調査研究分科会編，表面改質技術，１９８８年，ページ１４７，日刊工業新聞社

先に説明した機構部品の表面改質技術は、材料を融点以上の温度に加熱するため、Ｃｒ等の合金元素の蒸発損失、融解材の飛散付着あるいは形状の乱れが生じるために、例えば蒸発し易いＣｒが表面部分だけ少なくなると耐食性が低下する等の特性の制限や仕上げ処理等の後加工の必要性が生じる。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、特性の制限や後加工を要することなく、部品の表面の硬度、耐疲労強度、耐磨耗性、耐食性を向上させて靭性も併せ持たせる鉄合金製機構部品の表面改質法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る鉄合金製機構部品の表面改質法は、鉄合金製機構部品をオーステナイト領域の温度に急速加熱した後、オーステナイト領域以下の温度まで急速冷却する加熱・冷却工程を少なくとも３回以上繰り返す熱処理を施して焼き入れすることを特徴とする。

また、本発明に係る鉄合金製機構部品の表面改質法は、前記熱処理により、前記鉄合金製機構部品の少なくとも表面付近の結晶粒の平均結晶粒径を１〜１０μｍに調製することを特徴とする。

また、本発明に係る鉄合金製機構部品の表面改質法は、前記熱処理を、高周波焼入れ、レーザ焼入れ、火炎焼入れ、電解焼入れおよび電子ビーム焼入れのうちから選択されるいずれか１つの方法または２以上の方法を組み合わせて行うことを特徴とする。

本発明の鉄合金製機構部品の表面改質法は、鉄合金製機構部品をオーステナイト領域の温度に急速加熱した後、オーステナイト領域以下の温度まで急速冷却する加熱・冷却工程を少なくとも３回以上繰り返す熱処理を施して焼入れし、融点以上の温度に加熱することがないので、特性の制限や後加工を要することなく、部品の表面の硬度、耐疲労強度、耐磨耗性、耐食性を向上させて靭性も併せ持たせることができる。

本発明の実施の形態について、以下に説明する。

金属材料の結晶粒径を小さくすれば硬度と靭性が共に向上することや、オーステナイト組織を微細化して得られた焼入れ組織の微細化が疲労強度、耐磨耗性、耐食性を改善することは古くから知られている。ここで、焼入れ組織とは、マルテンサイト、炭化物、ベイナイトなどの焼入れによって出現する組織のことである。しかしながら、従来の熱処理だけでは、焼入れ組織の微細化には限界がある。
本発明者等は、急速加熱急速冷却を伴う融点以下で行う熱処理を同じ個所に対して繰り返して施すことで、組織を従来よりもさらに微細化することができることを見出し、本発明に想達した。

本発明の鉄合金製機構部品の表面改質法は、図１の急速加熱・急速冷却のパターン例に示すように、鉄合金製機構部品をオーステナイト領域の温度に急速加熱した後、オーステナイト領域以下の温度まで急速冷却する加熱・冷却工程を少なくとも３回以上繰り返す熱処理を施して焼入れする。
ここで、図１中、Ｔｓはオーステナイト領域の下限温度、Ｔｍは融点である。加熱温度はＴｓより１００〜３００℃高い条件が望ましい。Ｔｓより１００℃高い温度を下回るとオーステナイト変態が不十分となり、部品の特性が十分でない。また、Ｔｓより３００℃高い温度を上回ると酸化や合金元素の蒸発などによりやはり部品の特性が不十分となる。
加熱・冷却は、鉄合金製機構部品の全体の表面に対して繰り返し行ってもよく、また、特定の同一部位の表面に対して繰り返し行ってもよい。

本発明の表面改質法により、鉄合金製機構部品の焼入れ組織の平均粒径を１〜１０μｍの範囲とすることで、部品の表面硬度、耐疲労強度、耐磨耗性、耐食性、耐脆性破壊（靭性）を向上させることができる。なお、平均粒径が１０μｍを超えるとこれらの特性が従来のものと変わらなくなる。
また、熱処理は、好適には、高周波焼入れ、レーザ焼入れ、火炎焼入れ、電解焼入れ、電子ビーム焼入れなどの処理法で得られるが、このときの細粒化の限界は、平均粒径１μｍである。この場合、高周波焼入れ、レーザ焼入れ、火炎焼入れ、電解焼入れ、電子ビーム焼入れなどの処理法のうちのいずれか１つの方法のみを用いて必要回数繰り返し熱処理を行ってもよく、あるいはまた、例えば、繰り返し回数４回のうち最初の３回は高周波焼入れ方法を用い最後の１回はレーザ焼入れ方法を用いる等、２以上の方法を適宜組み合わせて必要回数繰り返し熱処理を行ってもよい。

本発明が適用される鉄合金製機構部品としては、パワーステアリング用ギヤハウジング、エンジンバルブガイド、シリンダライナー、鋳鋼製ライナ、船用タービンシャフト、歯車、電車用車輪、圧延用ロール、モータ用シャフト、金型等を挙げることができる。また、これらに限らず、表面硬度、耐疲労強度、耐磨耗性、耐食性、耐脆性破壊等の特性が要求されるものであれば全て対象となる。また、マイクロマシン用機構部品等の肉厚の薄い部品では表面だけでなく内部まで適用する。

なお、本発明の表面改質法を施した鉄合金製機構部品に浸炭窒化などの表面硬化処理をさらに行えば、用途によってはより良い結果が得られる。
また、本発明の表面改質法を３％Ｃｒ鋼、６％Ｗ鋼、３％Ｃｏ鋼、ＫＳ鋼などの焼入れ磁石鋼に適用した場合、焼入れ組織の微細化で保磁力が向上し磁石特性が高くなることも当然のことである。

（実施例１）
図２に示すフェライト可鍛鋳鉄製パワーステアリング用ギヤハウジング１０の内面硬化処理を焼入れ部１２に対してレーザビームで行った。レーザは炭酸ガスレーザ（出力２ｋＷ）を使用して、幅１．５ｍｍの部分に対して３００ｍｍ／ｓの速度で照射した。冷却は施さなかったが、部品の質量効果が大きいので急冷されていた。このときのオーステナイト変態点からマルテンサイト変態点以下までの冷却速度は２５０℃／ｓであった。以下の実施例も同様である。
レーザビームの照射回数を変えたときの耐磨耗性の結果を表1に示す。表１の比較例のうち、照射回数を示していないものは従来技術の項で説明した、部品を融点以上に昇温した例であり、処理後に仕上げ加工を施して摩耗試験をした。その他の比較例はレーザビームの照射回数が２回以下の例である。実施例は、比較例より優れた結果が得られており、そのときの焼入れ組織の平均粒径は１〜１０μｍの範囲であった。

（実施例２）
図３に示すＳＵＭ４３製バルブカムフォロア１４のボールシート１６部分を電子ビームで焼入れた。電子ビームのスキャンは電磁コイルに流す電流制御で行い照射部の冷却は自然冷却とした。
電子ビームの照射回数を変えたときのロックウェル硬度の結果を表２に示す。表２の比較例のうち、照射回数を示していないものは従来技術の項で説明した、部品を融点以上に昇温した場合であり、処理後に仕上げ加工を施して硬度を測定した。その他の比較例はレーザビームの照射回数が２回以下の例である。実施例は比較例より優れた結果が得られており、そのときの焼入れ組織の平均粒径は１〜１０μｍの範囲であった。

（実施例３）
図４に示すＳ４５Ｃ製モータ用シャフト１８の表面に高周波コイル２０を配置して焼入れした。高周波コイル２０の電圧は５ｋＶ、周波数は２００ｋＨｚとした。
高周波コイルによる熱処理回数を変えたときの回転曲げによる疲労試験（疲労特性）の結果を表３に示す。表３の比較例のうち、照射回数を示していないものは従来技術の項で説明した、部品を融点以上に昇温した場合であり、処理後に仕上げ加工を施して疲労試験を行った。その他の比較例はレーザビームの照射回数が２回以下の例である。実施例はと比較例より優れた結果が得られており、そのときの焼入れ組織の平均粒径は１〜１０μｍの範囲であった。

（実施例４）
炭素工具鋼（ＳＫ３）に対してＹＡＧレーザ(出力４００Ｗ)を移動速度１００ｍｍ／ｓで照射して焼入れした。
ＹＡＧレーザの照射回数を変えたときのヌープ硬度およびｐＨ８のホウ酸塩液中で電解腐食を行った結果を表４に示す。表４の比較例のうち、照射回数を示していないものは従来技術の項で説明した、部品を融点以上に昇温した場合であり、処理後に仕上げ加工を施してヌープ硬度等を測定した。その他の比較例はレーザビームの照射回数が２回以下の例である。実施例は比較例より優れた結果が得られており、そのときの焼入れ組織の平均粒径は１〜１０μｍの範囲であった。

本発明の鉄合金製機構部品の表面改質法における、急速加熱急速冷却の温度パターン例を示す図である。 本発明を適用したパワーステアリング用ギヤハウジングの概略断面構成図である。 本発明を適用したバルブカムフォロアの概略断面構成図である。 本発明を適用したモータ用シャフトの概略断面構成図である。

符号の説明

１０ パワーステアリング用ギヤハウジング
１２ 焼入れ部
１４ バルブカムフォロア
１６ ボールシート
１８ モータ用シャフト
２０ 高周波コイル

Claims (3)

1. 鉄合金製機構部品をオーステナイト領域の温度に急速加熱した後、オーステナイト領域以下の温度まで急速冷却する加熱・冷却工程を少なくとも３回以上繰り返す熱処理を施して焼き入れすることを特徴とする鉄合金製機構部品の表面改質法。
2. 前記熱処理により、前記鉄合金製機構部品の少なくとも表面付近の結晶粒の平均結晶粒径を１〜１０μｍに調製することを特徴とする請求項１記載の鉄合金製機構部品の表面改質法。
3. 前記熱処理を、高周波焼入れ、レーザ焼入れ、火炎焼入れ、電解焼入れおよび電子ビーム焼入れのうちから選択されるいずれか１つの方法または２以上の方法を組み合わせて行うことを特徴とする請求項１または２に記載の鉄合金製機構部品の表面改質法。
   

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