JP5866660B2

JP5866660B2 - 鉄基材の表面処理方法

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Publication number: JP5866660B2
Application number: JP2011286683A
Authority: JP
Inventors: 修司外崎; 雄一古川; 櫻井　康平; 康平櫻井
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-12-27
Filing date: 2011-12-27
Publication date: 2016-02-17
Anticipated expiration: 2031-12-27
Also published as: JP2013133539A

Description

本発明は、鉄基材の表面処理方法の技術に関する。

鉄基材の表面処理とは、めっき、または、塗装等も含めて、鉄基材表面の性質を高めるために、鉄基材の表面に施される処理の一つである。鉄基材の表面処理としては、鋳造型の表面処理が良く知られている（例えば、特許文献１）。特許文献１に開示される鋳造型の表面処理方法は、鋳造型の表面に炭素膜を形成させ、さらに形成させた炭素膜の表面にフラーレン類を塗布する表面処理方法である。

鋳造型の表面処理としては、上述した炭素膜処理又はフラーレン塗布の他に、窒化処理又は焼き戻し処理（テンパー処理）が公知である。窒化処理又はテンパー処理は、鋳造型の引張応力を除去するために施される処理であって、例えば使用済みの鋳造型等に施される処理である。

窒化処理とは、高温で窒化処理ガスが供給される雰囲気下において、鉄基材を曝す処理である。テンパー処理とは、高温の雰囲気下において、鉄基材を曝す処理である。従来、使用済みの鋳造型等は、鋳造型の引張応力を除去するため、窒化処理及びテンパー処理の両方が施され、これら２つの処理は別の雰囲気炉にて処理していた。そのため、窒化処理及びテンパー処理の全ての処理時間を終了するまでに、処理時間が長く、生産効率が低かった。そこで、鉄基材の表面処理、特に鋳造型の表面処理では、鋳造型の引張応力を除去するための処理時間を低減することが課題となっている。

特開２０１０−０３６１９４号公報

本発明の解決しようとする課題は、処理時間を短縮できる鉄基材の表面処理方法を提供することである。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、請求項１においては、鉄基材の表面処理方法であって、第一所定温度まで加熱された雰囲気に第一所定時間だけ鉄基材を曝し、前記鉄基材の引張残留応力を除去する焼き戻し工程と、窒化処理ガスが供給され、第一所定温度と略同一の温度である第二所定温度まで加熱された雰囲気に第二所定時間だけ鉄基材を曝し、前記鉄基材の表面に窒化層を形成する窒化処理工程と、を具備し、前記焼き戻し工程と前記窒化処理工程とは、同一の雰囲気炉にて行われ、前記窒化処理工程は、前記焼き戻し工程の前工程、後工程または途中にて行われ、前記焼き戻し工程における前記第一所定時間は、前記窒化処理工程における前記第二所定時間よりも長いものである。

請求項２においては、請求項１記載の鉄基材の表面処理方法であって、前記窒化処理工程にて、前記雰囲気に炭化水素系ガスを供給し、前記鉄基材の表面にカーボン層を形成するものである。

請求項３においては、請求項１又は２記載の鉄基材の表面処理方法であって、前記焼き戻し工程及び前記窒化処理工程の後工程に、前記鉄基材の表面にフラーレンを塗布するフラーレン塗布工程を具備するものである。

本発明の鉄基材の表面処理方法によれば、処理時間を短縮できる。

本発明の実施形態に係る雰囲気炉の構成を示す模式図。本発明の実施形態である表面処理工程の流れを示す温度変化の時系列グラフ図。同じく表面処理工程の作用を示す残留応力の時系列グラフ図。本発明の別の実施形態を示す温度変化の時系列グラフ図。本発明の別の実施形態を示す温度変化の時系列グラフ図。

図１を用いて、雰囲気炉１０について説明する。
雰囲気炉１０は、本発明の鉄基材の表面処理方法に係る実施形態である。雰囲気炉１０は、ワークＷを直接加熱せず、充填した処理ガスを加熱することによってワークＷの熱処理を行う装置である。なお、本実施形態において、ワークＷは、使用済みの金型としている。

雰囲気炉１０は、ヒータ１１と、ガス供給装置１２と、ガス排気装置１３と、支持部材１５と、を具備している。ヒータ１１は、雰囲気炉１０内の充填されたガスを加熱する装置である。ガス供給装置１２は、雰囲気炉１０内にガスを充填する装置である。ガス排気装置１２は、雰囲気炉１０内に充填されたガスを排気する装置である。支持部材１５は、雰囲気炉１０内にて、ワークＷを支持して固定するものである。

ここで、特記すべき事項として、雰囲気炉１０では、後述する引張応力除去工程Ｓ１１０での処理工程が全て行われる。

図２を用いて、表面処理工程Ｓ１００の流れについて説明する。
なお、図２では、表面処理工程Ｓ１００の流れについて、雰囲気炉１０内雰囲気の温度変化と共に時系列グラフで示している。

表面処理工程Ｓ１００は、本発明の鉄基材の表面処理方法の実施形態である。表面処理工程Ｓ１００は、使用済み金型であるワークＷについて、ワークＷに残留する引張応力を除去する工程である。使用済み金型であるワークＷは、表面処理工程Ｓ１００を施された後に、金型として再度利用される。表面処理工程Ｓ１００は、引張応力除去工程Ｓ１１０と、フラーレン塗布工程Ｓ１２０と、を具備している。

引張応力除去工程Ｓ１１０は、使用済み金型であるワークＷについて、ワークＷに残留する引張応力を除去し、引張応力が除去されたワークＷに圧縮応力を付与する工程である。引張応力除去工程Ｓ１１０は、焼き戻し工程Ｓ１１１と、窒化処理工程Ｓ１１２と、を具備している。

焼き戻し工程Ｓ１１１は、窒素ガスが供給され第一所定温度Ｔ１まで加熱された雰囲気において、第一所定時間Ｈ１だけ、ワークＷを曝し、ワークＷの引張残留応力を除去する工程である。なお、窒素ガスは、ワークＷの酸化防止のために供給されるガスであって、ワークＷと反応するものではない。なお、本実施形態では、第一所定温度Ｔ１は、５００
℃としている。また、第一所定時間Ｈ１は、５時間としている。

ガス供給装置１２によって雰囲気炉１０内に窒素ガスを供給し、供給した窒素ガスを、ヒータ１１によって第一所定温度Ｔ１（５００℃）まで加熱した後に、焼き戻し工程Ｓ１１１が実施される。焼き戻し工程Ｓ１１１では、ワークＷは、第一所定温度Ｔ１（５００℃）の窒素ガス雰囲気下にて、第一所定時間Ｈ１（５時間）だけ曝される。

すなわち、焼き戻し工程Ｓ１１１では、ワークＷを収納した雰囲気炉１０内の窒素ガス雰囲気が、第一所定時間（５時間）だけ第一所定温度Ｔ１（５００℃）に保持される。

窒化処理工程Ｓ１１２は、窒化処理ガスとしてのアンモニアガスが供給され、第二所定温度Ｔ２まで加熱された雰囲気に、第二所定時間Ｈ２だけワークＷを曝し、ワークＷの表面に窒化層を形成する工程である。なお、本実施形態では、第二所定温度Ｔ２は、第一所定温度Ｔ１と同一の５００℃としている。また、第二所定時間Ｈ２は、３時間としている。

窒化処理工程Ｓ１１２では、ガス供給装置１２によって、雰囲気炉１０内にアンモニアガスが供給され、供給されたアンモニアガスは、ヒータ１１によって、第二所定温度Ｔ２（５００℃）まで加熱される。ワークＷは、第二所定温度Ｔ２（５００℃）のアンモニアガス雰囲気下に、第二所定時間Ｈ２（３時間）だけ曝される。

すなわち、窒化処理工程Ｓ１１２では、ワークＷを収納した雰囲気炉１０内のアンモニアガス雰囲気が、第二所定時間Ｈ２（３時間）だけ第二所定温度Ｔ２（５００℃）に保持される。なお、窒素ガスが供給される前に、ガス排気装置１３によって、雰囲気炉１０内に充満していた窒素ガスは排気されるものとする。

また、窒化処理工程Ｓ１１２は、雰囲気炉１０内に炭素水素系ガスとしてのアセチレンガスを供給し、窒化処理と同時に、ナノカーボン類からなるカーボン層を形成する工程でもある。窒化処理工程Ｓ１１２では、供給されたアセチレンガスは、アンモニアガスと同様に、ヒータ１１によって、第二所定温度Ｔ２（５００℃）まで加熱される。ワークＷは、第二所定温度Ｔ２（５００℃）のアセチレンガス雰囲気下にて、第二所定時間Ｈ２（３時間）だけ曝される。

窒化処理工程Ｓ１１２の終了後、雰囲気炉１０内の雰囲気が常温まで冷却され、引き続きフラーレン塗布工程Ｓ１２０が実施される。フラーレン塗布工程Ｓ１２０は、引張残留応力が除去されたワークＷに対してフラーレンを塗布し、ワークＷにおける残留応力の変化を鈍化させる工程である。フラーレン塗布工程Ｓ１２０では、窒化処理工程Ｓ１１２にて、カーボン層が形成されたワークＷの表面にフラーレンが塗布される。

図３を用いて、表面処理工程Ｓ１００の作用について説明する。
なお、図３は、表面処理工程Ｓ１００の作用について、残留応力の時系列変化と共に時系列グラフで示している。

焼き戻し工程Ｓ１１１において、ワークＷは、窒素ガスが供給され、第一所定温度Ｔ１（５００℃）まで加熱された雰囲気に曝される。このとき、ワークＷにおける金属の分子は、熱を与えられることによって、分子として整列し、分子形状が安定する。金属分子の形状が安定することによって、金属疲労が低減し、残留引張応力が０ＭＰａ近くまで低減することになる。

窒化処理工程Ｓ１１２において、ワークＷは、窒化処理ガスとしてのアンモニアガスが供給され第二所定温度Ｔ２まで加熱された雰囲気に曝される。このとき、ワークＷの表面近傍に窒素が浸透し、ワークＷの表面近傍は硬化して窒化層が形成される。ワークＷの窒化層では、窒化物を形成することによって、引張応力除去工程Ｓ１１０にて０ＭＰａ近くまで低減した残留引張応力が圧縮応力に変化する。

窒化処理工程Ｓ１１２において、ワークＷは、窒化処理されると同時に、アセチレンガスが供給され第二所定温度Ｔ２（５００℃）まで加熱された雰囲気に曝される。このとき、ワークＷの窒化層の表面には、ナノカーボン類からなるカーボン層が形成される。

フラーレン処理工程Ｓ１２０において、ワークＷは、フラーレンが塗布される。塗布されたフラーレンは、カーボン層の隙間に入り込み、カーボン層に内部固溶する。カーボン層に内部固溶したフラーレンは、ワークＷの表面の残留応力が引張応力側に変化することを鈍化させる。

なお、表面処理工程Ｓ１００の終了後において、ワークＷを実際に金型として使用する際には、フラーレンを、適宜ワークＷの表面に塗布する。このとき、ワークＷが金型として使用される際に、加熱されることによって、ワークＷの表面にフラーレンが固溶し、ワークＷに圧縮応力を付与することができる。

表面処理工程Ｓ１００の効果について説明する。
従来、焼き戻し工程Ｓ１１１と窒化処理工程Ｓ１１２とは、別々の雰囲気炉にて行われていた。そのため、それぞれの工程で、雰囲気炉１０内の雰囲気の処理温度までの予熱、及び処理温度からの冷却を行わなければならなかった。この場合、雰囲気炉１０内の雰囲気における、焼き戻し工程Ｓ１１１及び窒化処理工程Ｓ１１２が開始される前の温度、並びに焼き戻し工程Ｓ１１１及び窒化処理工程Ｓ１１２の終了後の冷却温度は、焼き戻し工程Ｓ１１１及び窒化処理工程Ｓ１１２における処理温度よりも大幅に低いため（例えば常温）、全ての処理を終了するまでの処理時間が長く、生産効率が低かった。

表面処理工程Ｓ１００によれば、処理時間を短縮できる。すなわち、表面処理工程Ｓ１００によれば、焼き戻し工程Ｓ１１１と窒化処理工程Ｓ１１２とを同一の雰囲気炉１０にて行うので、焼き戻し工程Ｓ１１１の冷却と窒化処理工程Ｓ１１２の予熱とを省略でき、処理時間を短縮できる。つまり、焼き戻し工程Ｓ１１１の処理温度（第一所定温度Ｔ１）から窒化処理工程Ｓ１１２の処理温度（第二所定温度Ｔ２）へ、直接温度調節することができ、処理時間の短縮を図ることが可能となっている。

とりわけ、焼き戻し工程Ｓ１１１の処理温度（第一所定温度Ｔ１）と窒化処理工程Ｓ１１２の処理温度（第二所定温度Ｔ２）とが同じである場合や、略同じである場合には、焼き戻し工程Ｓ１１１と窒化処理工程Ｓ１１２との間で温度調節を行う必要がないため、さらに処理時間を短縮することができる。

また、表面処理工程Ｓ１００によれば、アンモニアガスを供給するのは窒化処理工程Ｓ１１２のみとすることで、窒化処理による脆化層を低減し、表面強度が低下することを防止している。さらに、表面処理工程Ｓ１００によれば、ワークＷの最表面に靭性があるカーボン層、カーボン層のファイバーの隙間にフラーレン、中間層に窒化層が形成されるため、高強度かつ高靭性である表面が形成される。

また、表面処理工程Ｓ１００によれば、ワークＷの表面のカーボン層にフラーレンが内部固溶することによって、ワークＷの表面の残留応力が引張応力に変化することを鈍化させ、ワークＷの金型としての寿命を向上できる。さらに、ワークＷの金型としての使用中に適宜フラーレンを塗布し加熱することによって、フラーレンがワークＷの表面に固溶し、ワークＷに圧縮応力を付与し、ワークＷの金型としての寿命を向上できる。

図４を用いて、別の実施形態である引張応力除去工程Ｓ２１０・Ｓ３１０の流れについて説明する。
なお、図４（Ａ）は、引張応力除去工程Ｓ２１０の流れについて温度変化と共に時系列で示している。同じく、図４（Ｂ）は、引張応力除去工程Ｓ３１０の流れについて温度変化と共に時系列で示している。

図４（Ａ）に示すように、引張応力除去工程Ｓ２１０は、本発明の鉄基材の表面処理方法の引張応力除去工程に係る別の実施形態である。上述した引張応力除去工程Ｓ１１０では、焼き戻し工程Ｓ１１１の後で窒化処理工程Ｓ２１１が行われる構成としたが、引張応力除去工程Ｓ２１０では、窒化処理工程Ｓ２１１の次に焼き戻し工程Ｓ２１２が行われる。

窒化処理工程Ｓ２１１は、窒化処理ガスとしてのアンモニアガスが供給され、第二所定温度Ｔ２（５００℃）まで加熱された雰囲気において、第二所定時間Ｈ２（３時間）だけ、ワークＷを曝す工程である。焼き戻し工程２１２は、窒素ガスが供給され、第一所定温度Ｔ１（５００℃）まで加熱された雰囲気において、第一所定時間Ｈ１（５時間）だけ、ワークＷを曝す工程である。

このように、窒化処理工程Ｓ２１１の次に焼き戻し工程Ｓ２１２が行われた場合であっても、本発明の作用及び効果を得ることができる。

図４（Ｂ）に示すように、引張応力除去工程Ｓ３１０は、本発明の鉄基材の表面処理方法の引張応力除去工程に係る別の実施形態である。上述した引張応力除去工程Ｓ１１０では、焼き戻し工程Ｓ１１１の後で窒化処理工程Ｓ１１２が行われる構成としたが、引張応力除去工程Ｓ３１０では、焼き戻し工程Ｓ３１１・Ｓ３１３の間に窒化処理工程Ｓ３１２が行われる。

窒化処理工程Ｓ３１２は、窒化処理ガスとしてのアンモニアガスが供給され、第二所定温度Ｔ２（５００℃）まで加熱された雰囲気において、第二所定時間Ｈ２（３時間）だけ、ワークＷを曝す工程である。焼き戻し工程Ｓ３１１・Ｓ３１３は、窒素ガスが供給され、第一所定温度Ｔ１（５００℃）まで加熱された雰囲気において、第一所定時間Ｈ１（２．５時間・２．５時間）だけ、ワークＷを曝す工程である。

このように、焼き戻し工程Ｓ３１１・Ｓ３１３の間に窒化処理工程Ｓ３１２が行われた場合であっても、本発明の作用及び効果を得ることができる。

図５を用いて、別の実施形態である引張応力除去工程Ｓ４１０の流れについて説明する。
なお、図５は、引張応力除去工程Ｓ４１０の流れについて温度変化と共に時系列で示している。

上述した引張応力除去工程Ｓ１１０では、焼き戻し工程Ｓ１１１での第一所定温度Ｔ１と、窒化処理工程Ｓ１１２での第二所定温度Ｔ２を同一温度の５００℃とした。しかし、引張応力除去工程Ｓ４１０では、焼き戻し工程Ｓ４１１での第一所定温度Ｔ１を５５０℃とし、窒化処理工程Ｓ２１１での第二所定温度Ｔ２を５００℃とし、第一所定温度Ｔ１と第二所定温度Ｔ２とを略同一としている。

このように、第一所定温度Ｔ１と第二所定温度Ｔ２とを略同一としても、本発明の作用及び効果を得ることができる。

１０雰囲気炉
Ｈ１第一所定時間
Ｈ２第二所定時間
Ｓ１００表面処理工程
Ｓ１１０引張応力除去工程
Ｓ１１１焼き戻し工程
Ｓ１１２窒化処理工程
Ｓ１２０フラーレン塗布工程
Ｔ１第一所定温度
Ｔ２第二所定温度
Ｗワーク

Claims

鉄基材の表面処理方法であって、
第一所定温度まで加熱された雰囲気に第一所定時間だけ鉄基材を曝し、前記鉄基材の引張残留応力を除去する焼き戻し工程と、
窒化処理ガスが供給され、第一所定温度と略同一の温度である第二所定温度まで加熱された雰囲気に第二所定時間だけ鉄基材を曝し、前記鉄基材の表面に窒化層を形成する窒化処理工程と、
を具備し、
前記焼き戻し工程と前記窒化処理工程とは、同一の雰囲気炉にて行われ、
前記窒化処理工程は、前記焼き戻し工程の前工程、後工程または途中にて行われ、
前記焼き戻し工程における前記第一所定時間は、前記窒化処理工程における前記第二所定時間よりも長い、
鉄基材の表面処理方法。
請求項１記載の鉄基材の表面処理方法であって、
前記窒化処理工程にて、前記雰囲気に炭化水素系ガスを供給し、前記鉄基材の表面にカーボン層を形成する、
鉄基材の表面処理方法。
請求項１又は２記載の鉄基材の表面処理方法であって、
前記焼き戻し工程及び前記窒化処理工程の後工程に、前記鉄基材の表面にフラーレンを塗布するフラーレン塗布工程を具備する、
鉄基材の表面処理方法。