JP2011105991A - 金属材の表面改質方法および高硬度表面層を有する金属材 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】表層の少なくとも一部に超微細結晶粒層を有する金属材に、急速短時間加熱による焼入れを施し、前記超微細結晶粒層を残存させて焼入れ組織を形成する。超微細結晶粒層は、加工工具を用いた摩擦加工などにより形成することができ、100nm〜1μmのサブミクロン結晶粒、100nm未満のナノ結晶粒が存在する超微細結晶粒層が形成される。急速短時間加熱による焼入れは、好適には加熱時間0.3秒〜1秒、加熱温度750℃〜950℃の条件とした高周波焼入れにより行なうことができる。極表層は高周波焼入れしたものと同等、あるいは、それ以上に高強度化・高硬度化され、素地も焼入れされて高い硬度を有し、疲労特性などが向上する。
【選択図】図1
Description
特許文献1の第3実施の形態における超微細結晶層生成方法は、硬度が比較的低い材料からなる被加工物Wの加工面表層部に超微細結晶層C1を安定して生成するための方法である。具体的には、被加工物Wに対して、加工条件を満たしつつ、押し付け工具P(加工工具)による外周加工面21のスライディング加工(機械加工)を行なうことにより(図5(a)参照)、その外周加工面21の表層部(加工面の表層部)に超微細結晶層C1を生成する(図5(b)参照)。(段落0103)
一方、特許文献1に示される方法では、加工面表層部に超微細結晶層を形成することが可能になる。従来は、この際に超微細結晶粒層を十分に残すためワークの温度上昇を抑えるために様々な工夫を要している。また、加工時に材料の昇温と冷却に伴って超微細結晶粒層より内層に軟化した焼戻し組織が形成され、硬度が低下してしまう。たとえば、軸受け部材などでは高硬度層を100μm程度の厚さで有していることが必要であるが、上記加工により形成される超微細結晶層は厚さが薄く、さらに焼戻し組織が形成されることもあって、高硬度層の層厚が不足して、疲労特性などが低いという問題がある。
金属材の種別としては鋼が一般的であるが、熱誘起相変態をする材料であれば、急速短時間加熱により十分な層厚の高硬度層を得ることができる。
超微細結晶粒は、100nm〜1μmの大きさのサブミクロン結晶粒からなるものであってもよく、また、これに100nm未満の大きさのナノ結晶粒を含むものであってもよい。熱的安定性という点でナノ結晶粒を含むのが望ましい。サブミクロン結晶粒とナノ結晶粒とは、通常は二層状態で存在するが、本発明としては、それぞれの分布状態が限定されるものではない。なお、上記結晶粒の大きさは、粒径として上記範囲を満たすものが望ましいが、結晶粒の少なくとも一方向の大きさが上記範囲を満たすものであればよい。
上記超微細結晶粒層は、上記焼入れ後に残存していることが必要であり、残存時の厚さが5μm厚以上であるのが望ましい。これにより超微細結晶粒における特性が十分に発揮される。
高周波誘導加熱によって金属材を焼入れする場合、誘導コイルと被加熱物に流れる電流は、周波数が高くなるに従い、それぞれの表面に集中する。この現象を表皮効果という。誘導コイルと被加熱物に流れる電流は、向きが互いに反対方向であり、周波数が高くなると、この表皮効果によって、反対方向の電流がますます接近して流れるので電気抵抗が少なくなる。被加熱物の表面のみが発熱するのはそのためである。電流の流れる表面の深さ(d)と周波数(f)との間には、次のような関係式がある。
d=5.03×103√(ρ/(μ・f))
ただし、d:透過深さ(cm)、ρ:固有抵抗(μΩ・cm)、f:周波数(Hz/sec)、μ:透磁率
したがって、周波数の設定によって金属材の加熱深さを調整することも可能になる。
高周波加熱、特に急速短時間加熱の利点としては、1)局所焼入れが可能で、硬化層深さの選定も比較的容易である、2)急加熱、急冷却のため表面に大きな圧縮残留応力が生じ、耐摩耗性や耐疲労性などが向上することがあげられる。
図1は、円柱状の金属材1に対する摩擦加工工具2を示す斜視図である。
金属材1は、S45C調質鋼などからなり、図示しない駆動装置により軸回転可能になっている。摩擦加工工具2は、その先端に三角板形状の超硬チップ3が一辺側を先端面にして取り付けられており、該超硬チップ3の先端面が金属材1に対する押し当て面となっている。摩擦加工に際しては、上記超硬チップ3を押し当てた状態で金属材1を所定時間、高速で回転させることで摩擦加工が行なわれる。
なお、本発明としては、超微細結晶粒層の形成方法は特に限定されるものではなく、加工工具の種別、加工方法も特に限定されるものではない。
本願発明では、超微細結晶粒層を有する金属材1に対し、高周波誘導加熱による急速短時間加熱を行なう。該加熱は、好適には、加熱時間0.1秒以上1秒以下、加熱温度750〜950℃の条件により行なう。ただし、本願発明としては、加熱時間、加熱温度がこの条件に限定されるものではない。高周波誘導加熱による表皮効果によって金属材の表層部に焼入れ組織を形成することができ、上記摩擦加工によって生じた軟化部を解消することができる。また、焼入れ前に存在していた超微細結晶粒層は、焼入れによって消滅することなく残存し、高硬度の特性を維持する。この結果、層厚の厚い高硬度の表層部が得られる。
高周波焼入れに用いる誘導加熱装置は、本発明としては特に限定をされるものではなく、適宜の装置を用いることができる。また、誘導加熱に用いる電流の周波数は、表皮効果を得たい深さや、金属材の材質に基づく抵抗値などによっても異なるが、例えば、3〜400kHzを例示することができる。急速短時間加熱後は、常法と同様に、水冷などによって冷却することで超微細結晶粒層の内層に焼入れ組織が得られる。
上記実施形態で用いた摩擦加工工具を用いて、S45C調質鋼からなり、径26mm、長さ130mmの丸棒形状の金属材を用意した。
該金属材に対し、回転数1600rpm、押当荷重1500N、送り0.03mm/rev、冷却なしの条件で摩擦加工を行なった。試験時間は概ね40秒であった。
該図から明らかなように、金属材の表層には、白層(超微細結晶粒層)が形成されており、該白層は、表面側のナノ結晶粒層とその内側のサブミクロン結晶粒層の二層からなる。該白層の層厚は、30μm程であり、その内側に軟化部、すなわち加工発熱により軟化した素地が存在している。
図5〜図7に、摩擦加工ままの金属材と、摩擦加工後、上記高周波焼入れを行なった金属材の光学顕微鏡写真を示す。観察面は、図2(a)に示すものと同様の箇所である。図6は、図5の一部金属材についての低倍率のSEM写真を示す図であり、図7は、さらに高倍率のSEM写真を示すものである。いずれの金属材においても、図7に示すように、表層に超微細結晶粒層が観察できる。したがって、高周波焼入れ後にも、表層には十分な厚さ(5μm以上)の超微細結晶粒層が残存していることが明らかになっている。なお、高周波焼入れの温度の相違によって、焼入れ層の層厚が異なっており、850℃以上の焼入れ温度で、素地表層側がフルマルテンサイト化され、750℃、800℃の焼入れ温度では、850℃以上に比べてマルテンサイト化が不十分であった。
また、上記各金属材について、図9(a)に示すように、表面から10μm深さまで研削し、10μm深さ位置での硬度を測定し、その結果を図9(b)に示した。図に示すように、焼入れ温度に拘わらず、高周波焼入れを行ったものでは、素地において高い硬度が得られており、焼入れが効果的になされている。
2 摩擦加工工具
3 超硬チップ
Claims (13)
- 表層の少なくとも一部に超微細結晶粒層を有する金属材に、急速短時間加熱による焼入れを施し、前記超微細結晶粒層を残存させて焼入れ組織を形成することを特徴とする金属材の表面改質方法。
- 前記金属材が熱誘起相変態をする材料であることを特徴とする請求項1記載の金属材の表面改質方法。
- 前記超微細結晶粒層が、1μm以下の大きさの超微細結晶粒を主にして構成されていることを特徴とする請求項1または2に記載の金属材の表面改質方法。
- 前記超微細結晶粒が、サブミクロン結晶粒とナノ結晶粒とからなることを特徴とする請求項3記載の金属材の表面改質方法。
- 前記サブミクロン結晶粒が100nm〜1μmの大きさを有し、前記ナノ結晶粒が100nm未満の大きさを有することを特徴とする請求項4記載の金属材の表面改質方法。
- 前記急速短時間加熱の条件が、
加熱時間 0.1秒以上1秒以下
加熱温度 Ac1変態点以上
であることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の表面改質方法。 - 前記急速短時間加熱は、高周波焼入れにより行なうことを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の金属材の表面改質方法。
- 残存させる前記超微細結晶粒層の層厚が5μm以上であることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の金属材の表面改質方法。
- 前記超微細結晶粒層は、加工工具を用いた強ひずみ加工により形成されたものであることを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の金属材の表面改質方法。
- 前記強ひずみ加工が摩擦加工であることを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載の金属材の表面改質方法。
- 表層に超微細結晶粒層を有し、その内層に焼入れ組織を有することを特徴とする高硬度表面層を有する金属材。
- 前記超微細結晶粒層が、表面側のナノ結晶粒層と内層側のサブミクロン結晶粒層の2層構造からなることを特徴とする請求項11記載の高硬度表面層を有する金属材。
- 前記焼き入れ組織は、金属材表面を基準として少なくとも100μmの深さに達する内層に存在することを特徴とする請求項11または12に記載の高硬度表面層を有する金属材。
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