JP4420015B2 - 鉄系複合材料及び鉄系複合材料の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも鉄系材料に炭素が含有した鉄系複合材料及び該材料の製造方法に係り、特に、複数の組織層を有した鉄系複合材料及び該材料の製造方法に関する。

従来から、鉄系の材料は、他の金属材料に比べて、延性、展性、及び引張り強度などの機械的特性に優れ、加工性も良いことから、幅広い分野において使用されている。前記鉄系の材料は、用途に合わせて炭素の含有量を調整することにより、鋼組織または鋳鉄組織を得ることができる。

例えば、鋼組織の場合には、純鉄材料に０．０３質量％以上１．７質量％未満の炭素を含有させることにより得ることができ、前記鋼組織を有する材料は一般的には炭素鋼と呼ばれている。このような鋼組織を有した部材（鋼材）は、延性、展性に優れ、加工性の良いことから、構造用、機械部品用、工具用などの用途に利用されている。

さらに鋼材は、耐摩耗性、耐疲労向上のために、その表面をコークスなどの固体浸炭剤又は炭化水素系ガスなどのガス浸炭剤と共に所定の温度雰囲気下で加熱することにより、前記範囲内で表面から炭素を固溶拡散させる浸炭処理を施すことがある。該浸炭処理を行うことにより、鋼材の表面には、浸炭組織からなる層が形成される。

一方、鋳鉄組織の場合には、純鉄材料に１．７〜６．６８質量％の炭素を含有させることにより得ることができ、実用的には、前記炭素の含有量が２．５％〜４．５質量％の範囲で、さらに、ケイ素、マンガン、リン、硫黄などを含む場合が多い。このような鋳鉄組織は、鋼組織に比べ延性、展性に欠く代わりに、圧縮強さが大きく、切削性、耐摩耗性及び衝撃吸収性（振動減衰能）に優れている。

例えば、鋳鉄材を用いた部材として、鋳鉄製のディスクロータが提案されている（特許文献１参照）。該ディスクロータは、自動車等の車両のディスクブレーキを構成する円板状の部品であり、ブレーキパッドが押付けられる制動面は、片状黒鉛鋳鉄からなる。このようなディスクロータによれば、前記の如く鋳鉄材が耐摩耗性および衝撃吸収性に優れているので、前記ディスクロータの制動面は摩耗し難く、さらには、制動時の振動も吸収することができるので好適に車両を制動させることができる。

特開昭６２−１４６２８０号公報

しかし、特許文献１に記載の鋳鉄材を用いた場合には、鋼材と比較して機械的強度が低い。この結果、所望の強度を得るためには、ディスクロータの肉厚を厚くする必要があり、ディスクロータの重量が増大してしまい、車両の燃費を向上させ難くなる。

この点を鑑みて、前記強度を確保しつつ、ディスクロータの軽量化を図るべく、鋳鉄材の代わりに鋼材を用いてディスクロータを製作することも考えられるが、前記したように、鋼材は鋳鉄材に比べて耐摩耗性も耐焼付性が劣るため、鋼材製のディスクロータは鋳鉄製のものに比べて制動面の摩耗量が多くなり、制動面に焼付きが発生するおそれがある。

仮に、前記したように耐摩耗性を向上させるべく、鋼材の表面に浸炭処理を施すことにより、制動面の表面硬さを高めたとしても、制動面の表面硬化に伴い、ディスクロータに押付けられるブレーパッドの摩耗がさらに促進されるおそれがある。また、浸炭処理を施した制動面は、鋳鉄組織を有した制動面のように潤滑剤として作用する黒鉛を有するわけではないので、鋳鉄材を用いた場合のように制動面の焼付きを抑えることは難しい。さらに、鋼材は鋳鉄材に比べて衝撃吸収性も低いため、ディスクロータにブレーキパッドが押付けられたときに、ディスクロータはブレーキパッドの衝撃荷重を吸収しきれず、ディスクブレーキ自体が振動するおそれもある。

本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、鋼材に比べて耐摩耗性及び耐焼付き性が高く、衝撃吸収性に優れ、かつ鋳鉄材に比べて機械的強度が高い鉄系複合材料及び該材料の製造方法を提供することにある。

前記課題を解決すべく、本発明に係る鉄系複合材料は、鋼組織層と、鋳鉄組織層と、前記鋼組織層と前記鋳鉄組織層との間の鋼組織を浸炭した浸炭組織層と、を少なくとも備えることを特徴とする。

本発明によれば、鋳鉄組織層を有することにより、該鋳鉄組織層は衝撃吸収性を有するので、鋼材に比べて鉄系複合材料の制振性は向上する。さらに、鋼組織層を基礎とすることにより、鉄系複合材料の機械的強度は、鋼材と同等の機械的強度を確保することができる。さらに、本発明によれば、鋳鉄組織層を摺動面に配置した場合には、鋳鉄組織層の表面に存在する炭素が固体潤滑剤として働き、耐摩耗性及び焼付き性を向上させることができる。さらにまた、本発明に係る鉄系複合材料は、鋳鉄組織層と鋼組織層との間に、前記鋼組織層を浸炭した浸炭組織層を有することにより、従来の鋳鉄材に比べて、耐摩耗性を向上させることができる。

本発明にいう「鋼組織層」とは、純鉄材料に少なくとも炭素を０．０３質量％以上１．７質量％未満含有した、鋼組織からなる層であり、該鋼組織の常温における結晶組織としては、マルテンサイト、トルースタイト、ソルバイト、ベイナイト、フェライト・セメンタイト、及びパーライトのうち少なくとも１種を含む結晶組織を含む結晶組織が挙げられ、熱処理の条件、鉄組織に含有する金属元素とその含有量、及び炭素の含有量を適宜決定することにより、前記結晶組織を得ることができる。これらの結晶組織のうち熱間鍛造組織のまま使用できるフェライト・パーライト組織がより好ましい。

また、本発明にいう「鋳鉄組織層」とは、純鉄材料に少なくとも炭素を１．７〜６．６８質量％含有した、鋳鉄組織からなる層であり、該鋳鉄組織は、片状黒鉛を有した鋳鉄組織（ねずみ鋳鉄ＦＣ：ＪＩＳ規格）、球状黒鉛を有した鋳鉄組織（球状黒鉛鋳鉄ＦＣＤ：ＪＩＳ規格）、白心可鍛鋳鉄（ＦＣＭＷ：ＪＩＳ規格）、黒心可鍛鋳鉄（ＦＣＭＢ：ＪＩＳ規格）、パーライト鋳鉄（ＦＣＭＰ：ＪＩＳ規格）などの可鍛鋳鉄組織が挙げられ、鋳鉄組織を形成する際の添加元素の種類、熱処理の条件により、適宜決定することにより得ることができる。なお、片状黒鉛を有する鋳鉄組織は、片状黒鉛が固体潤滑剤として作用することができるため、摺動面を有する部材に用いられる場合に有効である。より好ましくは、前記鋳鉄組織層は、球状黒鉛を有する鋳鉄組織である。球状黒鉛を有する鋳鉄組織層は、片状黒鉛を有するものに比べて機械的強度、靭性が高く、さらに、耐摩耗性、耐焼付き性もさらに向上させることができる。

また、発明にいう「浸炭組織層」とは、前記鋼組織を浸炭した浸炭組織を有した層であり、該浸炭組織は、０．０３質量％以上１．７質量％未満の範囲で前記鋼組織にさらに炭素を含有させた組織である。

より好ましくは、本発明に係る前記浸炭組織層は、前記鋼組織層から前記鋳鉄組織層の方向に沿って、炭素の含有量が傾斜的に増加している。本発明によれば、炭素含有量の多い鋳鉄組織層から、該鋳鉄組織層に比べ炭素含有量の少ない鋼組織層に沿って、炭素の含有量が傾斜的に増加した浸炭組織層を有することにより、鋳鉄組織層と鋼組織層をより安定的に保持することができる。

本発明に係る鉄系複合材料を含む部材として、本発明に係るディスクロータは、その制動面を含む表面層として、少なくとも前記鋳鉄組織層を有することがより好ましい。本発明によれば、制動面を含む表面層に鋳鉄組織層を有することにより、制動面の摩耗を低減し、制動面の焼付きを抑制することができ、鋼材に比べて衝撃吸収性も良いので、制動時のディスクロータの衝撃も吸収することができる。また、制動面の表面層よりも内部では、浸炭組織層及び鋼組織層を有するので、従来のディスクロータと同等以上の機械的強度を確保しつつ、ディスクロータの軽量化を図ることができ、車両の燃費を向上させることが可能となる。

別の態様として、本発明に係る鉄系複合材料を含む部材として、本発明に係る制振鋼板は、その板厚方向の中間層として、少なくとも前記鋳鉄組織層を有することがより好ましい。本発明によれば、鋳鉄組織層は鋼材に比べて振動減衰能に優れているため、板厚方向の中間層として鋳鉄組織層を有する制振鋼板は、鋼板間に樹脂を挟んだ制振鋼板と同様に制振性を有することになる。また、樹脂の代わりに鋳鉄組織層を有するので、本発明に係る制振鋼板は樹脂を用いたものに比べて制振鋼板の重量を低減することができる。また、前記制振鋼板は、鋳鉄組織層を前記制振鋼板の中間層として複数層、積層させてもよい。このような制振鋼板は、鋳鉄組織層の層を増やすに従って、制振鋼板の制振性をさらに向上させることができる。

また、別の態様としては、本発明に係る鉄系複合材料を含む部材として、本発明に係る鋼管は、その外周面又は内周面の少なくとも一方の表面層として、少なくとも前記鋳鉄組織層を有することがより好ましい。本発明によれば、前記鋼管は、鋳鉄組織層を含むので、鋼管に外力が作用した場合であっても、該振動を減衰させることができる。この結果、前記鋼管を例えば溶接等で接続した箇所は振動による応力集中が低減され亀裂が発生し難く、信頼性の高い鋼管を得ることができる。

本発明として、さらに前記鉄系複合材料を製造するに好適な製造方法をも開示する。本発明に係る鉄系複合材料の製造方法は、鋼組織を有した鋼材の少なくとも一部の鋼組織の表面に炭素材を接触させる工程と、該接触させた状態を維持し、鋳鉄の共晶点の温度以上の温度条件で、前記鋼材の表面に鋳鉄組織を有した鋳鉄組織層が形成されるように少なくとも前記鋼組織の表面を加熱する工程とを少なくとも含むことを特徴とする。

本発明によれば、鋳鉄の共晶点（１１４８℃）以上の温度条件で、鋼材の表面に炭素材を接触させながら、少なくとも前記表面を加熱するので、炭素材と接触した鋼材の表面層には、鋳鉄組織層が形成される。さらに、その下層には、表面層（鋳鉄組織層）から内部（鋼組織層）に沿って傾斜的に炭素の含有量が増加した浸炭組織層も得られる。このようにして、鋼組織層と、鋳鉄組織層と、前記鋼組織層と前記鋳鉄組織層との間に前記鋼組織を浸炭した浸炭組織層と、を少なくとも備えた鉄系複合材を得ることができる。さらに、炭素材を鋼組織の表面に接触させることにより、鋳鉄組織を有した鋳鉄組織層を得たので、鋳鉄組織層の表面は、炭素の含有量（黒鉛の量）が多い傾向にある。この結果、鋳鉄組織層の表面は、炭素の平均含有量が同じ鋳鉄材の表面よりも、磨耗及び焼付きもし難い摺動性に優れた表面となる。なお、前記加熱温度の上限温度は、δ鉄の変態が生じる温度未満の温度、具体的にはＡ_４変態点である１３９４℃未満であることが望ましい。該温度条件以上の場合には、δ鉄の変態が生じ、炭素を固溶させる量が低下してしまう。

本発明にいう「炭素材」とは、炭素を主材として含む部材または粉末であり、例えば、工業用カーボンとして黒鉛からなる粉末、又は該粉末を押し固めた部材、グラファイトからなる部材、など鋼材の表面から炭素が固溶拡散可能な炭素同素体からなる部材であれば特に限定されるものではない。

本発明に係る鉄系複合材料の製造方法は、前記加熱工程において、前記加熱を不活性ガス雰囲気下で行うことがより好ましい。本発明によれば、不活性ガス雰囲気下で、少なくとも前記鋼材の表面を加熱することにより、鋼材に炭素をより効率的に固溶させることができると共に、鋼材の表面の酸化を防止することができる。

本発明に係る鉄系複合材料の製造方法は、前記加熱工程において、前記炭素材を前記鋼材の表面に押圧しながら前記接触状態を維持することがより好ましい。本発明によれば、炭素材を鋼材の表面に押圧することにより、鋼組織内への炭素を固溶させることができる。

本発明に係る鉄系複合材料の製造方法は、前記加熱工程後の部材に対して、前記鋼組織の熱処理を行う工程をさらに含む。本発明によれば、加熱工程において得られた鉄系複合材料の鋼組織層に対して、熱処理を行うので、前記に示した結晶組織を得ることができる。なお、前記熱処理は、鉄系複合材料が要求される機械的強度等にあわせた結晶組織を得ることが可能な処理であって、焼きなまし、焼きならし、焼入れ、又は焼きもどしなどの処理が挙げられ、これらの熱処理を組み合わせた熱処理であってもよい。例えば、鋼組織をさらに硬化させたい場合は、Ａ₁変態点よりも高い温度条件で加熱する焼入れを行い、靭性を向上させたい場合には、Ａ₁変態点よりも低い温度条件で加熱する焼きもどしを行う。

本発明に係る鉄系複合材料の製造方法は、前記接触工程において、前記鋼組織の前記炭素材の接触面に、さらにマグネシウム及びマグネシウム合金の粉末のうち少なくとも一種の粉末を配置し、前記加熱工程において、前記鋳鉄組織として球状黒鉛鋳鉄組織を有した鋳鉄組織層を形成することがより好ましい。

本発明によれば、マグネシウム系の粉末を接触面に配置して、該接触面に炭素材を接触させて鋼材を加熱するので、鋳鉄組織の黒鉛は球状化され易く、球状黒鉛鋳鉄組織の層を形成し易い。このようにして得られた球状黒鉛鋳鉄組織は、片状黒鉛鋳鉄組織に比べて、耐摩耗性、及び耐焼付け性に優れ、引張り強さ及び伸び率も高くなるので、摺動部材、構造用部材には特に好適である。なお、鋳鉄組織の黒鉛を球状化させるための元素として、マグネシウム、セリウム、カルシウムなどの元素が挙げられるが、このなかでも、マグネシウムは、他の元素よりも、安価かつ確実に黒鉛を球状化することができるので、より好適である。

また、別の態様としては、前記炭素材の少なくとも鋼組織と接触する面に、マグネシウムまたはマグネシウム合金を含有させてもよい。このように、炭素材にマグネシウム又はマグネシウム合金を含有させることにより、前記マグネシウムの粉末を配置する必要ないので、作業効率が向上する。

本発明は、前記鉄系複合材の製造方法を含むディスクロータの製造方法であって、前記接触工程において、前記ディスクロータの少なくとも制動面に前記炭素材を接触させ、前記加熱工程において、前記加熱を少なくとも前記制動面に行うことがより好ましい。本発明により製造されたディスクロータは、その制動面を含む表面層として、少なくとも前記鋳鉄組織層を形成することができる。

また、別の態様としては、本発明は、前記鉄系複合材の製造方法を含む制振鋼板の製造方法であって、前記接触工程において、前記鋼材としての２つの鋼板の間に前記炭素材を配置して、該炭素材を鋼板に接触させ、前記加熱工程において、前記２つの鋼材の炭素材と接触する面同士が少なくとも接合するまで前記加熱を行ってもよく、前記鋼材として鋼板と炭素材とを順次積層させることにより炭素材を鋼板に接触させ、前記加熱工程において、前記積層された鋼材の炭素材に接触する面同士が少なくとも接合するまで前記加熱を行ってもよい。

本発明により製造された制振鋼板は、その板厚方向の中間層として、少なくとも前記鋳鉄組織層を有することができる。さらに、炭素材の炭素は鋼板に固溶拡散し、かつ、前記２つの鋼板は共晶点の温度以上に加熱されているので、前記２つの鋼板は、鋳鉄組織を介して接合し易い。また、同様に、鋼板と炭素材を積層した場合であっても、前記と同様の理由により、鋳鉄組織を介して接合し易い。さらに、加熱工程において、このような鋼板と炭素材との積層体を加熱する際には、板厚方向に該積層体を押圧することが好ましい。このように押圧することにより、鋼板間に配置された炭素材を鋼板の表面に押圧することができ、均一に炭素を鋼板表面に固溶拡散させることができる。

また、別の態様としては、本発明は、前記鉄系複合材の製造方法を含む鋼管の製造方法であって、前記接触工程において、前記鋼材としての鋼管の外周面及び内周面のいずれか一方又は双方の表面に前記炭素材を配置して、該炭素材を鋼管に接触させることがより好ましい。本発明により製造された鋼管は、その外周面又は内周面の少なくとも一方の表面層として、少なくとも前記鋳鉄組織層を形成することができる。

本発明によれば、鋼材に比べて耐摩耗性及び耐焼付き性が高く、衝撃吸収性に優れ、かつ鋳鉄材に比べて機械的強度が高い鉄系複合材料を得ることができる。

以下に、図面を参照して、本発明に係る鉄系複合材料及びその製造方法についての一実施形態と、該実施形態に係る鉄系複合材料のいくつかの適用例について以下に説明する。

図１は、本実施形態に係る鉄系複合材料及びその製造方法を説明するための図であり、図１（ａ）は、鉄系複合材料の断面図であり、図１（ｂ）は、（ａ）に示す鉄系複合材料の製造方法を説明するための図である。また、図２は、図１（ａ）に示す鉄系複合材料の組織写真を示した図であり、（ａ）は、鋳鉄組織層を示した図であり、（ｂ）は、浸炭組織層を示した図であり、（ｃ）は、鋼組織層を示した図である。

図１（ａ）に示すように、本発明に係る鉄系複合材料１０は、鉄を主材とした異なる３つの組織からなる層が複合した材料であり、鋼組織層１２と、鋳鉄組織層１４と、鋼組織層１２と鋳鉄組織層１４との間に鋼組織を浸炭した浸炭組織層１３とを少なくとも備えている。さらに、浸炭組織層１３は、鋼組織層１２から鋳鉄組織層１４の方向に沿って、炭素の含有量が傾斜的に増加している。具体的には、鋳鉄組織層１４近傍の浸炭組織層１３は、鋳鉄組織層１４の炭素含有量に近く、鋼組織層１２近傍の浸炭組織層１３は、鋼組織層１２の炭素含有量に近い。

このような鉄系複合材料１０は、図１（ｂ）に示すような製造方法により製造することができる。具体的には、まず、鋼組織を有した鋼材１１と、炭素材３０とを準備する。次に、鋼材１１の少なくとも一部の鋼組織の表面１１ａに炭素材３０を接触させる（接触工程）。そして、該接触させた状態を維持し、これらの部材を不活性ガス雰囲気下の炉（図示せず）内に投入し、鋳鉄の共晶点の温度（１１４８℃）以上、かつ、δ鉄の変態温度（１３９４℃）以下の温度条件下で、鋼材１１の表面１１ａに鋳鉄組織を有した鋳鉄組織層が形成されるように少なくとも鋼材１１の鋼組織の表面１１ａを加熱する（加熱工程）。

また、この加熱工程において、前記加熱は、図１（ｂ）に示すように、炭素材３０を鋼材１１の表面１１ａに押圧（加圧）しながら、炭素材３０と鋼材１１の表面の接触状態を維持して、鋼組織の表面１１ａを前記温度条件で行っている。このように押圧することにより、炭素の鋼材組織への固溶拡散を促進することができる。

このような製造方法により製造された鉄系複合材料は、炭素材３０と接触した表面から順に、図２（ａ）に示すような片状黒鉛を含むねずみ鋳鉄組織を有した鋳鉄組織層１４と、図２（ｂ）に示すような鋼材１１の鋼組織を浸炭した（鋼組織にさらに炭素が固溶した）浸炭組織層１３と、図２（ｃ）に示すような熱処理された鋼組織（図に表した結晶組織は、フェライト―パーライト組織の組織写真）を有した鋼組織層１２とを得ることができる。

なお、本実施形態では、図２（ｃ）に示す鋼組織層１２の結晶組織を別の組織となるように、加熱工程後の鋼組織の冷却速度を制御してもよい。また、本実施形態では、炭素材３０と鋼材１１とを単に接触させたが、炭素材３０と鋼材１１との間にマグネシウムまたはマグネシウム合金からなる粉末を配置して、前記加熱工程を行ってもよい。前記粉末を用いることにより、鋳鉄組織層に含まれる片状黒鉛は球状化するので、球状黒鉛鋳鉄組織を有した鋳鉄組織層を得ることができる。

このようにして製造された鉄系複合材料１０は、鋳鉄組織層１４を有することにより、鋼材に比べて耐摩耗性及び耐焼付き性が良く、衝撃吸収性に優れ、鋼組織層１２を有することにより、鋳鉄材に比べて機械的強度が高くなる。このような性質により、鉄系複合材料１０は、機械部品、構造用部材等に好適である。

以下に、鉄系複合材料１０を用いた、機械部品、構造用部材等のいくつかの適用例を、図３〜６を参照して説明する。

図３は、本実施形態に係る鉄系複合材料を含むディスクロータ１０Ａを示す断面図であり、該ディスクロータ１０Ａは、ディスクブレーキ（図示せず）を構成する部材であり円板状の形状をしており、車両の車軸の端部（図示せず）に連結され、車軸と共に回転するものである。また、前記ディスクブレーキは、車両を制動させる場合に、ディスクロータ１０Ａの制動面１０ａを挟み込むようにして配置されたブレーキパッド（図示せず）を、制動面１０ａに押圧するように構成されている。

図３（ａ）に示すように、前記ディスクロータ１０Ａは、制動面１０ａを含む表面層である鋳鉄組織層１４Ａと、母材である鋼組織層１２Ａと、鋼組織層１２Ａと鋳鉄組織層１４Ａとの間に鋼組織を浸炭した浸炭組織層１３Ａと、が少なくとも形成されている。

このように構成されたディスクロータ１０Ａは、制動面１０ａを含む表面層に鋳鉄組織層１４Ａを有することにより、制動面１０ａの摩耗を低減し、制動面１０ａの焼付きを抑制することができる。さらに、鋳鉄組織層１４Ａは、鋼材に比べて衝撃吸収性も良いので、制動時におけるブレーキパッドからの衝撃も吸収することができる。また、ディスクロータ１０Ａは制動面１０ａの鋳鉄組織層１４Ａよりも内部では、浸炭組織層１３Ａおよび鋼組織層１２Ａを有するので、従来の鋳鉄材のみからなるディスクロータと同等以上の機械的強度を確保しつつ、ディスクロータの肉厚を低減してディスクロータの重量の軽量化を図ることができるので、車両の燃費を向上させることが可能となる。

前記ディスクロータ１０Ａは、以下に示すようにして製造することができる。具体的には、図３（ｂ）に示すように、鋼材からなるディスクロータ１１Ａと、該ディスクロータ１１Ａの制動面と同じ形状のリング状の炭素材３０Ａを準備する。次に、先に示した本実施形態の接触工程において、鋼材からなるディスクロータ１１Ａの少なくとも制動面１０ａに、２つのリング状の炭素材３０Ａを挟むようにして接触させる。そして、先に示した本実施形態の加熱工程において、炭素材３０Ａを鋼材からなるディスクロータ１１Ａの制動面１０ａに押圧しながら前記接触状態を維持し、制動面１０ａを含む表面層として少なくとも鋳鉄組織層１４Ａが形成されるまで、炭素材３０Ａの炭素を制動面１０ａに固溶拡散させる。なお、前記ディスクロータ１０Ａを製造する場合に、上述したマグネシウム系の粉末を用いて、鋳鉄組織層１４Ａに球状黒鉛を有するように製造すれば、より耐摩耗性に優れた制動面１０ａを得ることができる。

図４は、本実施形態に係る鉄系複合材料を含む制振鋼板１０Ｂを示す図であり、制振鋼板１０Ｂは図４（ａ）に示すように、表面層には鋼組織層１２Ｂと、板厚方向Ｔの中間層として、少なくとも鋳鉄組織層１４Ｂと、鋼組織層１２Ｂと鋳鉄組織層１４Ｂとの間に鋼組織を浸炭した浸炭組織層１３Ｂと、からなる。

鋳鉄組織層１４Ｂは、鋼材に比べて振動減衰能に優れているため、このように構成された制振鋼板１０Ｂは、板厚方向Ｔの中間層として鋳鉄組織層１４Ｂを有することにより、鋼板間に樹脂を挟んだ制振鋼板と同様の制振性を有することができる。

前記制振鋼板１０Ｂは、以下に示すようにして製造することができる。具体的には、図４（ｂ）に示すように、鋼材としての２つの鋼板１１Ｂと、該鋼板１１Ｂの表面と同程度の大きさのシート状の炭素材３０Ｂを準備する。次に、先に示した本実施形態の接触工程において、２つの鋼板１１Ｂを対峙するように配置し、さらに２つの鋼板１１Ｂの間に炭素材３０Ｂを配置して、対峙した鋼板１１Ｂ同士を押圧して、炭素材３０Ｂを鋼板１１Ｂの表面に接触させる。そして、先に示した本実施形態の加熱工程と同様にして、炭素材３０Ｂの炭素を鋼板１１Ｂに固溶拡散させつつ、２つの鋼板１１Ｂの炭素材３０Ｂに接触する面同士が少なくとも接合するまで加熱を行う。

このような製造方法によれば、炭素材３０Ｂの炭素は鋼板１１Ｂに固溶拡散し、かつ、２つの鋼板１１Ｂは鋳鉄の共晶点の温度以上に加熱されているので、２つの鋼板は、接合し易い。また、本製造方法により製造した制振鋼板１０Ｂは、炭素量の多い鋳鉄組織層１４Ｂから、該鋳鉄組織層１４Ｂに比べて炭素含有量の少ない鋼組織層１２Ｂに沿って、炭素の含有量が傾斜的に増加した浸炭組織層１３Ｂが形成されるので、プレス加工などの塑性変形を伴う加工を行っても、鋳鉄組織層と鋼組織層を安定的に保持することができる。

図５は、前記制振鋼板１０Ｂの変形例を示す図であり、図５（ａ）に示すように、制振鋼板１０Ｃは、板厚方向Ｔに沿って、複数の鋳鉄組織層１４Ｃが中間層として積層さている。制振鋼板１０Ｃの製造方法としては、まず、図５（ｂ）に示すように、複数の鋼板１１Ｂ（図では５枚の鋼板）の間ごとに、シート状の炭素材３０Ｂ（図では４枚の炭素材）を配置し、前記接触工程において、上方側及び下方側に位置する鋼板１１Ｂを押圧して、炭素材３０Ｂを鋼板１１Ｂの表面に接触させる。そして、前記加熱工程において、炭素材３０Ｂの炭素を鋼板１１Ｂに固溶拡散させつつ、鋼板１１Ｂの各炭素材３０Ｂに接触する面同士が接合するまで加熱を行う。このようにして、さらに制振性の高い鋼板を得ることができる。

図６は、本実施形態に係る鉄系複合材料を含む鋼管１０Ｄを示す図であり、該鋼管１０Ｄは、図６（ａ）に示すように、母材となる鋼組織層１２Ｄと、鋼管１０Ｄの外周面１０ｃ及び内周面１０ｄの表面層として形成された鋳鉄組織層１４Ｄと、鋼組織層１２Ｄと鋳鉄組織層１４Ｄとの間に鋼組織を浸炭した浸炭組織層１３Ｄとを少なくとも含んでいる。なお、鋼管１０Ｄは、外周面１０ｃ及び内周面１０ｄに鋳鉄組織層１４Ｄが形成されているが、鋼管の使用用途に合わせて、外周面１０ｃ及び内周面１０ｄのいずれか一方に鋳鉄組織層１４Ｄが形成されていてもよい。このように構成された鋼管１０Ｄは、鋳鉄組織層１４Ｄを含むので、鋼管１０Ｄに外力が作用した場合であっても、外力による振動を減衰させることができる。

前記鋼管１０Ｄは、以下に示すようにして製造することができる。具体的には、図６（ｂ）に示すように、鋼材としての鋼管１１Ｄと、鋼管１１Ｄを外部から覆う円筒状の炭素材３１Ｄと、該鋼管１１Ｄの内部に充填する円柱状の炭素材３２Ｄと、を準備する。次に、先に示した本実施形態の接触工程において、円筒状の炭素材３１Ｄと鋼材からなる鋼管１１Ｄの外周面１０ｃとを接触させ、円柱状の炭素材３２Ｄと鋼管１１Ｄの内周面１０ｄとを接触させる。そして、先に示した本実施形態の加熱工程において、炭素材３１Ｄ，３２Ｄの炭素を鋼管１１Ｄに固溶拡散させ、表面層に鋳鉄組織層１４Ｄを形成するように加熱を行う。

なお、図６（ｃ）に示すように、内部に複数の液体流通用の貫通孔を有するような鋼管１１Ｅである場合には、各貫通孔に対して、円柱状の炭素材３３Ｃを配置し、炭素材３３Ｃと各貫通孔の内周面とを接触させ、円筒状の炭素材３４Ｃと鋼管１１Ｄの外周面とを接触させ、前記加熱工程を行うことにより、各貫通孔の表面層に、鋳鉄組織層を形成することができる。

本実施形態に基づいて以下に実施例を示す。
（実施例）
６．５ｍｍ×１５．７ｍｍ、厚さ１０ｍｍの鋼材（マンガン鋼３８ＭｎＳ６：ＤＩＮ規格）を準備し、６．５ｍｍ×１５．７ｍｍの表面に炭素粉末を圧粉成形した炭素材を鋼材に５ＭＰａの圧力条件で押圧して接触させた状態で、炉内に投入し、１１５０℃（鋳鉄の共晶点の温度以上）の温度条件で、１５分間加熱し、鋳鉄組織層の層厚み３００μｍの鉄系複合材料を製作した。

［評価方法］
＜組織観察＞
鉄系複合材料の組織を顕微鏡で観察した。その結果を図７に示す。
＜表面硬さ試験＞
鉄系複合材料の鋳鉄組織層が形成された表面から、０．１ｍｍごとに、ビッカース試験機を用いて、試験荷重５００ｇで鉄系複合材料の表面硬さを測定した。この結果を図８に示す。
＜摩耗試験＞
図９に示す摩耗試験機を用いて、鉄系複合材料の摩耗量を測定した。具体的には、浴槽６０に、潤滑油（ＪＷＳ３０９０）１００ｃｃを投入し、直径３５ｍｍ、厚さ１０ｍｍのリング試験片（ＳＡＥ４６２０）５０を、浴槽６０内に配置し、鉄系複合材からなるブロック状の試験片（ブロック試験片）４０の６．５ｍｍ×１５．７ｍｍの面をリング試験片５０の側面に１０ｋｇｆで押し当てた。そして、リング試験片５０とブロック試験片４０との押し当てた箇所に前記潤滑油が供給されるように、リング試験片を１６０ｒｐｍで１５分間回転させ、ブロック試験片４０の摩耗深さを測定した。このような試験を２回行った。この結果を図１０に示す。

（比較例）
実施例と同じ寸法のねずみ鋳鉄材（ＦＣ２３：ＪＩＳ規格）を準備した。そして、実施例と同様に組織観察を行った。この結果を図１１に示す。また、実施例と同じ条件で摩耗試験を行った。この結果を、図１０に示す。

［結果１］
図７及び図１１に示すように、実施例の鉄系複合材料は、フェライトパーライト組織からなる鋼組織層と、片状黒鉛を含むねずみ鋳鉄組織層と、鋼組織層と鋳鉄組織層との間に鋼組織を浸炭した浸炭組織層と、を確認することができた。また、比較例の部材には、片状黒鉛が確認された。

［結果２］
図８の結果の組織観察の結果と図９の表面硬さ試験の結果から、鋳鉄組織層は平均の表面硬さＨｖ２３０であり、浸炭組織層はＨｖ３００であり、鋼組織層はＨｖ２２０であった。

［結果３］
図１０に示すように、比較例に比べ実施例の摩耗深さは、約１／３程度であった。

［考察］
比較例に比べて実施例のほうが摩耗し難かった理由としては、以下の二点が考えられる。第一に、鋳鉄組織層と鋼組織層との間に、前記鋼組織層を浸炭した浸炭組織層を有することにより、浸炭組織層は、鋳鉄組織層及び鋼組織層に比べて硬度が高いので、鋳鉄組織層を表面層に有した場合には、鋳鉄組織層のバックアップ材として作用するため、比較例よりも実施例の方が摩耗し難かったと考えられる。第二に、実施例の鋳鉄組織層の表面は、製造時には炭素材と接触していたため、比較例の鋳鉄材に比べて炭素含有量が多いと考えられ、比較例よりも実施例の方が摩耗し難いと考えられる。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更があっても、それらは本発明に含まれるものである。

例えば、本実施形態の適用例として、ディスクロータ、制振鋼板、又は鋼管について述べたが、これらに限定されるものではなく、耐摩耗性が要求され、振動減衰能（制振性）が要求される構造用部材、機械部品に適用してもよい。

また、実施形態にかかる鉄系複合材料は、炭素が含有しているが、耐摩耗性および制振性が得られるのであれば、Ｃｒ，Ｓ，Ｓｉ，Ｐ，Ｍｏなどの他の添加元素をさらに含んでいてもよい。

本実施形態に係る鉄系複合材料及びその製造方法を説明するための図であり、（ａ）は、鉄系複合材料の断面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す鉄系複合材料の製造方法を説明するための図。 図１（ａ）に示す鉄系複合材料の組織写真を示した図であり、（ａ）は、鋳鉄組織層を示した図であり、（ｂ）は、浸炭組織層を示した図であり、（ｃ）は、鋼組織層を示した図。 図１に示す鉄系複合材料を含むディスクロータ及びその製造方法の一部を説明するための図であり、（ａ）は、ディスクロータの断面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示すディスクロータの製造方法の一部を説明するための図。 図１に示す鉄系複合材料を含む制振鋼板及びその製造方法の一部を説明するための図であり、（ａ）は、制振鋼板の断面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す制振鋼板の製造方法の一部を説明するための図。 図４に示す鉄系複合材料を含む別の形態に係る制振鋼板及びその製造方法の一部を説明するための図であり、（ａ）は、制振鋼板の断面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す制振鋼板の製造方法の一部を説明するための図。 図１に示す鉄系複合材料を含む鋼管及びその製造方法の一部を説明するための図であり、（ａ）は、鋼管の断面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す鋼管の製造方法の一部を説明するための図であり、（ｃ）は、別の鋼管の製造方法の一部を説明するための図。 実施例に係る鉄系複合材料の組織写真を示した図。 実施例に係る鉄系複合材料の表面硬さを測定した結果を示した図。 摩耗試験するための装置概念図。 実施例及び比較例に係る材料の摩耗深さを測定した結果を示した図。 比較例に係る材料の組織写真を示した図。

符号の説明

１０：鉄系複合材料、１０Ａ：ディスクロータ、１０Ｂ：制振鋼板、１０Ｃ：制振鋼板、１０Ｄ：鋼管、１０ａ：制動面、１０ｃ：外周面、１０ｄ：内周面、１１：鋼材、１２，１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄ：鋼組織層、１３，１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄ：浸炭組織層、１４，１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ，１４Ｄ：鋳鉄組織層、３０，３０Ａ，３０Ｂ，３１Ｄ，３２Ｄ，３３Ｄ：炭素材、４０：ブロック試験片，５０：リング試験片，６０：浴槽，Ｔ：板厚方向

Claims (11)

1. 鋼材の鋼組織の少なくとも一部の表面に炭素材を接触させ、
   該接触させた状態を維持しつつ前記鋼材を炉内に配置して、鋳鉄の共晶点の温度以上の温度条件で前記鋼材を加熱することにより、前記鋼組織に前記炭素材の炭素を固溶拡散させて、前記表面に鋳鉄組織を有した鋳鉄組織層を形成したことを特徴とする鉄系複合材料。
2. 前記鉄系複合材料は、鋼組織層と、鋳鉄組織層と、前記鋼組織層と前記鋳鉄組織層との間に鋼組織を浸炭した浸炭組織層と、を少なくとも備えており、前記浸炭組織層は、前記鋼組織層から前記鋳鉄組織層の方向に沿って、炭素の含有量が傾斜的に増加していることを特徴とする請求項１に記載の鉄系複合材料。
3. 請求項１または２に記載の鉄系複合材料を含むディスクロータであって、該ディスクロータは、その制動面を含む表面層として、少なくとも前記鋳鉄組織層を有することを特徴とするディスクロータ。
4. 請求項１または２に記載の鉄系複合材料を含む制振鋼板であって、該制振鋼板は、その板厚方向の中間層として、少なくとも前記鋳鉄組織層を有することを特徴とする制振鋼板。
5. 請求項１または２に記載の鉄系複合材料を含む鋼管であって、該鋼管は、その外周面又は内周面の少なくとも一方の表面層として、少なくとも前記鋳鉄組織層を有することを特徴とする鋼管。
6. 鋼材の鋼組織の少なくとも一部の表面に炭素材を接触させる工程と、
   該接触させた状態を維持しつつ前記鋼材を炉内に配置して、鋳鉄の共晶点の温度以上の温度条件で前記鋼材を加熱することにより、前記鋼組織に前記炭素材の炭素を固溶拡散させて、前記表面に鋳鉄組織を有した鋳鉄組織層を形成する工程と、
   を少なくとも含むことを特徴とする鉄系複合材料の製造方法。
7. 前記加熱工程において、前記加熱を不活性ガス雰囲気下で行うことを特徴とする請 求項６に記載の鉄系複合材料の製造方法。
8. 前記加熱工程において、押圧手段により前記炭素材を前記鋼材の表面に押圧しながら前記接触状態を維持することを特徴とする請求項６または７に記載の鉄系複合材料の製造方法。
9. 前記製造方法は、前記加熱工程後の部材に対して、前記鋼組織の熱処理を行う工程をさらに含むことを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載の鉄系複合材料の製造方法。
10. 前記接触工程において、前記鋼組織の前記炭素材の接触面に、さらにマグネシウムおよびマグネシウム合金の粉末のうち少なくとも一種の粉末を配置し、前記加熱工程において、前記鋳鉄組織として球状黒鉛鋳鉄組織を有した鋳鉄組織層を形成することを特徴とする請求項６〜９のいずれかに記載の鉄系複合材料の製造方法。
11. 請求項６〜１０のいずれかに記載の鉄系複合材料の製造方法を含むディスクロータの製造方法であって、前記接触工程において、前記ディスクロータの少なくとも制動面に前記炭素材を接触させ、前記加熱工程において、前記加熱を少なくとも前記制動面に行うことを特徴とするディスクロータの製造方法。

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