JP2008163363A - 表面硬化方法および油圧部品 - Google Patents
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Abstract
【課題】炭素含有量の少ない鋼の表面硬度を高める。
【解決手段】炭素含有量が少ない鋼からなる母材Wの表面に黒鉛粉5を撒き散らし、その表面をプレス機6でプレスして黒鉛粉5を母材Wに貫入させ、母材表面に黒鉛貫入層4を形成する。その後、黒鉛貫入層4が形成された母材Wの表面をレーザ焼き入れ装置で急加熱、急冷して焼き入れする。これにより母材Wの表面に炭素濃度が高い白色マルテンサイトの層1が形成され、表面硬度が高まる。
【選択図】図1
【解決手段】炭素含有量が少ない鋼からなる母材Wの表面に黒鉛粉5を撒き散らし、その表面をプレス機6でプレスして黒鉛粉5を母材Wに貫入させ、母材表面に黒鉛貫入層4を形成する。その後、黒鉛貫入層4が形成された母材Wの表面をレーザ焼き入れ装置で急加熱、急冷して焼き入れする。これにより母材Wの表面に炭素濃度が高い白色マルテンサイトの層1が形成され、表面硬度が高まる。
【選択図】図1
Description
本発明は、炭素含有量の少ない炭素鋼や合金鋼からなる母材、または基地組織がフェライト主体の鋳鉄からなる母材の表面硬度を高めるようにした表面硬化方法および油圧部品に関する。
炭素含有量の少ない鋼の表面に炭化物の粉体を噴射して衝突させ、この衝突時に発生する熱により炭化物粉体に熱分解反応を生じさせ、鋼の表面に炭素を活性化吸着して拡散浸透するようにした表面硬化方法が知られている(例えば特許文献1参照)。
しかしながら、SiCなどの炭化物粉体の熱分解温度は鋼の融点よりも高いため、上記特許文献1記載のように鋼の表面に炭化物粉体を衝突させる方法では、鋼の表面に十分な量の炭素を浸透させることが困難であり、表面硬度を十分に高めることができない。
本発明による母材の表面硬化方法は、炭素含有量が焼き入れ最高硬さを規定する含有量に満たない鋼からなる母材、または基地組織がフェライト主体の鋳鉄からなる母材の表面に、黒鉛、ダイヤモンド、およびDLCの少なくともいずれかを主成分とする層を形成する第1の工程と、第1の工程の後、上記層が形成された母材の表面を急加熱、急冷して焼き入れする第2の工程とを有することを特徴とする。
第1の工程では、母材の表面に黒鉛またはダイヤモンドの粉粒を噴射または押圧して貫入させることができる。成膜装置により母材の表面にDLC膜を形成することもできる。
第2の工程では、母材の表面に第1の焼き入れ硬化層を形成し、第1の焼き入れ硬化層と母材組織との間に、第1の焼き入れ硬化層よりも低硬度の第2の焼き入れ硬化層を形成することができる。
以上の表面硬化方法により、摺動部を有する油圧部品の表面を硬化することが好ましい。
第1の工程では、母材の表面に黒鉛またはダイヤモンドの粉粒を噴射または押圧して貫入させることができる。成膜装置により母材の表面にDLC膜を形成することもできる。
第2の工程では、母材の表面に第1の焼き入れ硬化層を形成し、第1の焼き入れ硬化層と母材組織との間に、第1の焼き入れ硬化層よりも低硬度の第2の焼き入れ硬化層を形成することができる。
以上の表面硬化方法により、摺動部を有する油圧部品の表面を硬化することが好ましい。
本発明によれば、母材の表面に黒鉛等の層を形成するとともに、この層が形成された母材の表面を急加熱、急冷して焼き入れするようにしたので、母材の表面の炭素濃度を十分に高めることができ、母材の表面硬度を著しく向上できる。
−第1の実施の形態−
以下、図1〜図7を参照して本発明による表面硬化方法の第1の実施の形態について説明する。第1の実施の形態では、母材である鋼の表面から黒鉛を貫入した後、表面を焼き入れ処理して焼き入れ硬化層を形成する。母材Wは例えば油圧ポンプのピストンやそのピストンを収容するシリンダ等、摺動部を有する油圧部品を構成する。この種の油圧部品は高速で摺動するため、摺動部の高い硬度が要求される。
以下、図1〜図7を参照して本発明による表面硬化方法の第1の実施の形態について説明する。第1の実施の形態では、母材である鋼の表面から黒鉛を貫入した後、表面を焼き入れ処理して焼き入れ硬化層を形成する。母材Wは例えば油圧ポンプのピストンやそのピストンを収容するシリンダ等、摺動部を有する油圧部品を構成する。この種の油圧部品は高速で摺動するため、摺動部の高い硬度が要求される。
図1は、第1の実施の形態に係る表面硬化方法によって形成された鋼の表面近傍における断面図であり、焼き入れ後の状態を示したもの、図2は焼き入れ前の状態を示したものである。母材Wは、炭素含有量が約0.3%以下の低炭素鋼(例えば一般構造用圧延鋼(SS),溶接構造用圧延鋼(SM),高張力鋼(ハイテン))、炭素鋼(SC)、もしくは合金鋼(SA)であり、フェライト組織を主体としている。低炭素鋼の一例としてSS400の金属組成を図3に示す。
(1)第1の工程
表面硬化処理を行うに当たっては、まず、第1の工程として母材Wの表面(摺動面)に黒鉛を貫入し、図2に示すように母材組織3の表層に黒鉛を主成分とした黒鉛貫入層4を形成する。使用する黒鉛は粉体であることが好ましく、例えば図4に示すように母材Wの表面に黒鉛粉5を撒き散らした後、その表面をプレス機6で押し付け、押圧することで母材Wに黒鉛粉5を貫入することができる。黒鉛粉5を良好に貫入するためには、その平均粒子径は1〜50μmであることが好ましい。
表面硬化処理を行うに当たっては、まず、第1の工程として母材Wの表面(摺動面)に黒鉛を貫入し、図2に示すように母材組織3の表層に黒鉛を主成分とした黒鉛貫入層4を形成する。使用する黒鉛は粉体であることが好ましく、例えば図4に示すように母材Wの表面に黒鉛粉5を撒き散らした後、その表面をプレス機6で押し付け、押圧することで母材Wに黒鉛粉5を貫入することができる。黒鉛粉5を良好に貫入するためには、その平均粒子径は1〜50μmであることが好ましい。
プレス機6の押し付け面6aに例えば5〜20μm程度の突起を等間隔に設ければ、黒鉛粉5の貫入性をより高めることができる。突起サイズを20μmよりも大きくしても貫入性を高めることは可能であるが、その場合には母材Wの表面が荒れてしまう。母材表面の荒れが問題とならなければ、突起サイズをより大きくすることもできる。
プレス方向は図4に示すように鉛直方向が好ましい。水平方向にプレスする場合は、黒鉛粉5にバインダを混入して母材表面への付着性を高めるか、母材表面にバインダを塗布した後、黒鉛粉5を付着するようにすればよい。プレス時に貫入されずに残った黒鉛粉5は、バキューム等で回収し、次回、黒鉛粉5を貫入する際に用いればよい。
プレス機6を用いて黒鉛粉5を母材Wに貫入させる代わりに、噴射装置を用いて母材表面に黒鉛粉5を噴射して貫入させることもできる。図5は噴射装置の概略構成を示す図である。図5に示すように、噴射ノズル10の上方にはタンク12が設けられ、タンク内には黒鉛粉5が収容されている。噴射ノズル10には図示しない空圧源から高圧空気13が圧送され、空気吹出口11を介して吹き出される。タンク内の黒鉛粉5は噴射ノズル内に落下し、空気吹出口11から吹き出された空気によって母材Wの表面に噴射され、母材表面に高速で衝突する。
ここで、母材Wはフェライトを主体とした金属組織により構成されるが、このフェライト組織は金属組織の中でも軟質な組織として位置づけられており、硬度はHv50〜100程度である。一方、黒鉛粉5は負荷が加わると割れやすい材質であるが、その割れやすさには方向性があり、割れにくい方向の硬度はHv100〜200程度である。このため母材表面に衝突した黒鉛粉5は、母材表面を貫入し、黒鉛貫入層4(図2)を形成することができる。この場合、黒鉛粉5を噴射する速度は例えば100m/s以上とすることが好ましい。
図5において、母材固定用の治具14は、図示しないXYステージに一体に設けられており、XYステージを介して治具14を移動することで、母材Wの全域に黒鉛粉5を貫入することができる。なお、黒鉛粉5を空圧によって噴射するのであれば噴射装置の構成はいかなるものでもよく、例えば周知のショットピーニング機またはサンドブラスト機を噴射装置として用いることもできる。
(2)第2の工程
以上のようにして母材表面に黒鉛貫入層4を形成した後、第2の工程として、その母材表面をレーザ焼き入れ装置によりレーザ焼き入れする。図6はレーザ焼き入れ装置の概略構成を示す図である。レーザ焼き入れ装置は、レーザを発振するレーザ発振器20と、レーザ発振器20の発振のために必要な電力を供給するレーザ発振器電源22と、レーザ発振器20と電源22をコントロールするレーザ発振器コントローラ21と、レーザ発振器20を冷却するためのレーザ発振器用チラー23とを備える。
以上のようにして母材表面に黒鉛貫入層4を形成した後、第2の工程として、その母材表面をレーザ焼き入れ装置によりレーザ焼き入れする。図6はレーザ焼き入れ装置の概略構成を示す図である。レーザ焼き入れ装置は、レーザを発振するレーザ発振器20と、レーザ発振器20の発振のために必要な電力を供給するレーザ発振器電源22と、レーザ発振器20と電源22をコントロールするレーザ発振器コントローラ21と、レーザ発振器20を冷却するためのレーザ発振器用チラー23とを備える。
レーザ発振器20により発振したレーザLはコリメーションレンズR1により平行光とされ、集光レンズR2により集光され、母材表面の黒鉛貫入層4に照射される。母材WはXYテーブル25上の固定治具(不図示)に固定されており、XYテーブル25の移動により、母材Wの全域に、レーザを照射することができる。また、レーザ発振器20およびその加工ヘッドは図示しない支持部材に沿って上下方向に昇降可能に設けられている。XYテーブル25の動作、およびレーザ発振器20と加工ヘッドの昇降動作はNCコントローラ24により制御される。NCコントローラ24は、レーザ発振器コントローラ21のコントロールも行う。
レーザ照射条件の一例を以下に示す。
レーザ発振器:半導体レーザ
レーザ出力 :2.5kw
送り速度 :1000m/min
スポットサイズ:5×5
レーザ発振器:半導体レーザ
レーザ出力 :2.5kw
送り速度 :1000m/min
スポットサイズ:5×5
このようなレーザ焼き入れ装置を用いて、黒鉛貫入層4が形成された母材Wの表面を急加熱、急冷し、図1に示すように焼き入れ硬化層を形成する。この際、加熱温度はA1変態点以上(好ましくはA3変態点以上)、融点以下とする。また、冷却は材料内部に熱拡散させることで行い、水や油などによる冷却を行わない。なお、レーザ焼き入れ以外の焼き入れ(例えば高周波焼き入れ)により母材の表面Wを急加熱、急冷するようにしてもよい。
図1の焼き入れ硬化層は、母材表面に形成された白色マルテンサイトの層(白色マルテンサイト層1)、および白色マルテンサイト層1と母材組織3の間に形成されたマルテンサイトの層(マルテンサイト層2)からなる。母材組織3は、焼き入れをする前の母材Wの組織と同様、フェライト主体の組織である。焼き入れ前の黒鉛貫入層4は炭素濃度が高いため、母材3を高温で加熱すると脱炭のおそれがあるが、本実施の形態のようにレーザで表面を急加熱、急冷することで、脱炭を防ぎ、白色マルテンサイトへの変態が可能となる。
白色マルテンサイト層1は、FeとCの化合物であるセメンタイト(Fe3C)と微細なマルテンサイトで構成される。白色マルテンサイトの硬度はHv800〜1000程度であり、エッチングしたときに腐食されがたく、白色で観察されることから、白色マルテンサイトと呼ぶ。白色マルテンサイト層1の厚さは、10〜50μm程度である。
一方、マルテンサイト層2は、母材WがレーザによりA1変態点以上に加熱されてオーステナイトとなり、黒鉛貫入層4の炭素がオーステナイトに拡散・固溶した後、急冷することにより形成される。マルテンサイトの硬度はHv700程度であり、マルテンサイト層2の厚さは100μm程度である。
なお、白色マルテンサイトを形成するに好ましい母材Wの炭素含有量は0.02〜0.77%である。母材Wの炭素含有量が0.77%以上になると、レーザによる入熱を受けても黒鉛貫入層4からマルテンサイト層2領域への炭素の拡散がなくなる。このため、白色マルテンサイト層1は炭素濃度が高くなることで、残留オーステナイトが析出してしまう。この残留オーステナイトが析出した表面は硬さが低下するため、残留オーステナイトを除去する処理(長時間の焼き戻し、サブゼロ処理、ショット)を後工程に必要とし、加工費増大の要因となる。
このように白色マルテンサイト層1の下側に高強度のマルテンサイト層2が形成されることで、白色マルテンサイト層1の母材Wへの密着性が高まり、白色マルテンサイト層1の剥離を防止することができる。すなわち母材組織3が塑性変形を引き起こすような負荷を受けた場合でも、マルテンサイト層2の変形は少ないため、白色マルテンサイト層1が剥離しにくい。
これに対し、低炭素含有量の鋼に硬質なコーティング膜を形成する構成では、コーティング膜の下部組織は軟質で強度が低いため、下部組織が塑性変形を引き起こすような負荷を受けると、コーティング層がその変形に追従できず、剥離することがある。その結果、剥離した硬質の層が油圧ポンプの摺動部や転動部等にかみこみ、二次的なかじり発生の要因となる。
本実施の形態によれば以下のような作用効果を奏することができる。
(1)炭素含有量が低い低炭素鋼もしくは合金鋼からなる母材Wに黒鉛粉5を貫入し、黒鉛貫入層4を形成するとともに、その黒鉛貫入層4が形成された母材表面をレーザ焼き入れするようにした。これにより母材表面の炭素含有量を十分に高めた状態で焼き入れ処理ができるため、母材W(油圧部品の摺動面)の表面硬度を著しく高めることができる。その結果、摺動面の磨耗が低減し、油圧部品の耐摩耗性、耐久性が向上する。
(1)炭素含有量が低い低炭素鋼もしくは合金鋼からなる母材Wに黒鉛粉5を貫入し、黒鉛貫入層4を形成するとともに、その黒鉛貫入層4が形成された母材表面をレーザ焼き入れするようにした。これにより母材表面の炭素含有量を十分に高めた状態で焼き入れ処理ができるため、母材W(油圧部品の摺動面)の表面硬度を著しく高めることができる。その結果、摺動面の磨耗が低減し、油圧部品の耐摩耗性、耐久性が向上する。
(2)黒鉛貫入層4が形成された母材Wの表面をレーザ焼き入れするので、焼き入れによる脱炭を防ぐことができ、母材表面の十分な強度アップを図ることができる。
(3)母材表面に黒鉛貫入層4を形成し、この表面をレーザ焼き入れして形成した白色マルテンサイト層1は母材Wの炭素貫入層4が変態したものであり、白色マルテンサイト層1の母材Wへの密着性がよい。
(4)焼き入れによって母材3の表面に白色マルテンサイト層1を形成し、その下側に高強度のマルテンサイト層2を形成するので、母材組織3が塑性変形を引き起こすような負荷を受けた場合にも、白色マルテンサイト層1の剥離を防ぐことができる。
(5)母材表面に撒き散らした黒鉛粉5をプレス機6でプレス、あるいは噴射装置により黒鉛粉5を母材Wに高速で噴射するようにしたので、黒鉛を母材Wに容易に貫入させることができる。
(3)母材表面に黒鉛貫入層4を形成し、この表面をレーザ焼き入れして形成した白色マルテンサイト層1は母材Wの炭素貫入層4が変態したものであり、白色マルテンサイト層1の母材Wへの密着性がよい。
(4)焼き入れによって母材3の表面に白色マルテンサイト層1を形成し、その下側に高強度のマルテンサイト層2を形成するので、母材組織3が塑性変形を引き起こすような負荷を受けた場合にも、白色マルテンサイト層1の剥離を防ぐことができる。
(5)母材表面に撒き散らした黒鉛粉5をプレス機6でプレス、あるいは噴射装置により黒鉛粉5を母材Wに高速で噴射するようにしたので、黒鉛を母材Wに容易に貫入させることができる。
なお、以上では、炭素含有量が0.3%以下の低炭素鋼または合金鋼の母材Wに黒鉛を貫入するようにしたが、母材Wの炭素含有量は0.3%より多くてもよい。図7は、鋼の炭素含有量と焼き入れ後の最高硬さとの関係を示す特性図である。図7に示すように炭素含有量が約0.5%以下の範囲では、炭素含有量が多いほど最高硬さが高くなっており、炭素含有量が0.5%以上の範囲では最高硬さはほぼ一定となっている。したがって、炭素含有量が約0.5%以下であれば、上述したように母材Wに黒鉛を貫入して黒鉛貫入層4を形成した後、焼き入れ処理することで、母材表面を硬化することができる。なお、上述した工程により最高硬さをある程度上昇させるためには、元々の母材Wの炭素含有量は0.02〜0.4%程度であることが好ましい。
−第2の実施の形態−
図8〜図10を参照して本発明による表面硬化方法の第2の実施の形態について説明する。第1の実施の形態では、鋼の表面硬化処理の一例を説明したが、第2の実施の形態では、鋳鉄の表面硬化処理の一例を説明する。なお、以下では第1の実施の形態との相違点を主に説明する。
図8〜図10を参照して本発明による表面硬化方法の第2の実施の形態について説明する。第1の実施の形態では、鋼の表面硬化処理の一例を説明したが、第2の実施の形態では、鋳鉄の表面硬化処理の一例を説明する。なお、以下では第1の実施の形態との相違点を主に説明する。
図8は、第2の実施の形態に係る表面硬化方法によって形成された鋳鉄の表面近傍における断面図であり、焼き入れ後の状態を示したもの、図9は焼き入れ前の状態を示したものである。表面硬化される鋳鉄(例えばねずみ鋳鉄(FC),球状黒鉛鋳鉄(FCD))は、フェライトを主体とする母材組織7に黒鉛粒8を混入させて形成されたものである。鋳鉄の一例としてFCD450の金属組成を図10に示す。
第2の実施の形態においても、表面硬化処理を行うには、まず、母材Wに黒鉛粉5を貫入し、図9に示すように母材組織7の表層に黒鉛を主成分とした黒鉛貫入層4を形成する(第1の工程)。次いで、黒鉛貫入層4が形成された母材表面をレーザ焼き入れする(第2の工程)。これにより図8に示すように母材表面に白色マルテンサイト層1が形成され、白色マルテンサイト層1と母材組織7との間にマルテンサイト層2が形成される。
図8に示すように焼き入れ後の白色マルテンサイト層1およびマルテンサイト層2には、母材に元々含まれていた黒鉛8が残留している。黒鉛8は母材組織7にも残留しており、焼き入れ時にはこの黒鉛8から炭素が拡散し、黒鉛8の輪郭に沿ってマルテンサイト2aが形成される。
ところで、一般に鋳鉄を摺動面に用いると、表面の黒鉛8が層状組織であるので剪断抵抗力を緩和させることができる。一方で、黒鉛8の粒が摺動表面から脱落すると窪みが生じ、その窪みは油潤滑のオイルポケットとして機能する。この場合、オイルポケットの輪郭組織が軟質な組織で構成されていると、高負荷の摺動条件の下では塑性変形を受けやすく、オイルポケットがつぶれてしまうおそれがある。これに対し、第2の実施の形態では、オイルポケットの輪郭組織は白色マルテンサイトとマルテンサイトの組織で構成されるため、高負荷の摺動条件の下でもオイルポケットがつぶれることを防ぐことができる。
なお、以上では、母材Wに黒鉛を貫入するようにしたが、炭素の同素体であるダイヤモンド等をプレス機または噴射装置を用いて貫入するようにしてもよい。また、母材Wの表面にプラズマCVD等の成膜装置を用いてDLC(ダイヤモンドライクカーボン)の薄膜を形成し(第1の工程)、このDLC膜をレーザ焼き入れをして(第2の工程)、母材Wの表面を硬化するようにしてもよい。母材Wに黒鉛を貫入した後にその表面にDLC膜を形成するようにしてもよい。母材Wの表面に黒鉛、ダイヤモンド、DLCのいずれかを主成分とした層を形成するのであれば、第1の工程は上述したものに限らない。
上記実施の形態では、摺動部を有する油圧部品の表面硬度を高め、摺動面の耐摩耗性を向上するようにしたが、他の部品の表面強度を高める場合にも本発明は同様に適用可能である。すなわち、本発明の特徴、機能を実現できる限り、本発明は実施の形態の表面硬化方法に限定されない。
1 白色マルテンサイト層
2 マルテンサイト層
3,7 母材組織
4 黒鉛貫入層
5 黒鉛
W 母材
2 マルテンサイト層
3,7 母材組織
4 黒鉛貫入層
5 黒鉛
W 母材
Claims (5)
- 炭素含有量が焼き入れ最高硬さを規定する含有量に満たない鋼からなる母材、または基地組織がフェライト主体の鋳鉄からなる母材の表面に、黒鉛、ダイヤモンド、およびDLCの少なくともいずれかを主成分とする層を形成する第1の工程と、
前記第1の工程の後、前記層が形成された母材の表面を急加熱、急冷して焼き入れする第2の工程とを有することを特徴とする母材の表面硬化方法。 - 請求項1に記載の母材の表面硬化方法において、
前記第1の工程では、母材の表面に黒鉛またはダイヤモンドの粉粒を噴射または押圧して貫入させることを特徴とする母材の表面硬化方法。 - 請求項1または2に記載の母材の表面硬化方法において、
前記第1の工程では、成膜装置により母材の表面にDLC膜を形成することを特徴とする母材の表面硬化方法。 - 請求項1〜3のいずれか1項に記載の母材の表面硬化方法において、
前記第2の工程では、母材の表面に第1の焼き入れ硬化層を形成し、前記第1の焼き入れ硬化層と母材組織との間に、前記第1の焼き入れ硬化層よりも低硬度の第2の焼き入れ硬化層を形成することを特徴とする母材の表面硬化方法。 - 請求項1〜4のいずれか1項に記載の表面硬化方法で表面が硬化された摺動部を有することを特徴とする油圧部品。
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WO2016011223A1 (en) * | 2014-07-16 | 2016-01-21 | Nsk Americas, Inc. | Apparatuses for and methods of imparting a laser surface tretmant to an exposed surface of a bearing component for improving lubricity; corresponding bearing component |
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2006
- 2006-12-27 JP JP2006351075A patent/JP2008163363A/ja active Pending
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