JP6062048B2 - 鉄鋼部材および鉄鋼部材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、鉄鋼部材およびその製造方法に関する。

駆動部品、歯車、軸受などの機械部品は高い負荷が常に加わる環境で用いられるため、高い機械強度、例えば硬度や疲労強度が求められる。このような機械部品には炭素鋼、クロム鋼、クロムモリブデン鋼、ニッケルクロムモリブデン鋼などの機械構造用鋼が用いられる。

機械構造用鋼は、表面の疲労耐性が高く、材料自体は部品の衝撃耐性を確保するためにじん性を確保するという外部と内部で相反する性質が求められることがある。材料としては例えば低合金鋼（ＪＩＳ−Ｇ４１０４に規定されるＳＣＭ４１５など）のように比較的炭素濃度が低くじん性の高い材料を母材とし、材料表面に炭素を固溶させて炭素濃度を高め、硬度や疲労耐性を高くする浸炭処理や浸炭窒化処理を施すことが多い。

しかしながら、単に炭素拡散させると表面硬化層の炭素濃度分布は傾斜を持ち、必要な炭素濃度の組織を厚く形成することが困難である。また、表面硬化層を厚くしようとすると表面に過剰に浸炭させる（過浸炭）ことになり、表面硬化層が脆化する。例えば、特許文献１には、母材の表面に高炭素鋼ないしは高炭素低合金鋼の硬質被膜を形成し、次いで加熱処理により母材と硬質被膜とを拡散接合して所望の強度を確保する手法が開示されている。

特開平１１−２２２６６３号公報

しかし、特許文献１のものでは、被処理材である母材と高炭素鋼の被膜との炭素濃度差が大きく、母材と被膜との間で剥離し易いという課題がある。

本発明の目的は、被処理材と表面硬化層とが剥離し難くすることにある。

上記目的を達成するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。

本発明によれば、被処理材と表面硬化層とが剥離し難くすることができる。

鉄鋼部材の構成図の例である。 鉄鋼部材の構成図の例である。 被処理材への第一の層、第二の層の形成方法を説明する工程図の例である。 第２の実施例で示す鉄鋼部材の模式図の例である。 第２の実施例で示す鉄鋼部材の断面を示す模式図の例である。 第２の実施例で示す鉄鋼部材の形成方法を説明する工程図の例である。

本発明の鉄鋼部材は、被処理材（鉄鋼部材）の表面に被処理材よりも炭素濃度が高い層（高炭素鋼層）を複数層備える。高炭素鋼層は全て炭素濃度が１．０ｗｔ．％以下であり、表面に最も近い層が最も炭素濃度が高い。

本発明の実施形態を図１に示す。被処理材１０１の少なくとも一部に、炭素濃度が被処理材よりも高く１．０ｗｔ．％以下である高炭素鋼層である第一の層１０２、第二の層１０３を順次積層して鉄鋼部材１００を形成する。第二の層の炭素濃度を第一の層よりも高くする。

また、別の実施形態を図２に示す。本実施形態は図１に示す鉄鋼部材の第二の層の上に、第二の層よりも炭素濃度が高く、かつ炭素濃度が１．０ｗｔ．％以下である第三の層１０４を積層する。

表面処理を施される被処理材の例として、低炭素鋼、低炭素合金鋼が挙げられる。例えばクロム鋼、クロムモリブデン鋼、クロムモリブデンニッケル鋼、クロムマンガン鋼、クロムニッケル鋼（ステンレス鋼）などのじん性の高い材料が挙げられ、それぞれの合金組成はＪＩＳ、ＡＳＴＭなどの国内外の諸規格にて規定されている。

被処理材に被覆する複数の高炭素鋼層は、何れも炭素濃度が被処理材よりも高く、かつ、１．０ｗｔ．％以下であることが求められる。各層の炭素濃度を被処理材よりも高くすることで疲労強度に優れた層とすることができる。また、各層の炭素濃度を１．０ｗｔ．％以下とすることで、結晶粒界において過剰に網目状セメンタイトを析出することを防止できるので、表面脆化を低減することができ、疲労寿命の長い層とすることができる。高炭素鋼層は、少なくとも第一の層、第二の層を備え、必要に応じてさらにその上に一以上の層を形成し、被処理材から最表面層に向かって炭素濃度が高くなっている。

浸炭拡散ではなく、層を被処理材に被覆して鉄鋼部材の方面の炭素濃度を高める場合、層を複数設けることにより層間の炭素濃度差を小さくすることができるので、被処理材と高炭素鋼層との間の剥離、高炭素鋼層の層間の剥離やクラック等を低減することができる。更に、必要な炭素濃度と層の厚さを自由に調節することができる。層が三層以上の多層になると、最表面層と被処理材との炭素濃度差が大きい場合でも、各層の炭素濃度差を小さくすることができるので、被処理材と層との間の剥離、層間の剥離等を低減することができる。

なお、図では層間が明確に区切られているが、炭素濃度の高い層から低い層へ若干の炭素拡散が生じるため、層と層の境界では膜厚方向に緩やかな炭素濃度の傾斜が存在する。本発明では、炭素濃度が傾斜する部分を層間（境界）として許容するものとする。

各層の炭素以外の合金組成に特に限定は無いが、このような鋼材の一例としては高炭素鋼、高炭素合金鋼が挙げられる。特に、炭素以外の合金元素の組成が被処理材と略一致する第一の層、第二の層、必要に応じて形成するその上の一以上の層（以下、複数の高炭素鋼層と称する）とすると被処理体との一体性に優れ、局所的な複合化合物の発生を防ぐことができるために好適であるが、疲労耐性の他に耐食性や耐熱性など他の特性の改善を同時に図るべく他の合金元素を加減することは可能である。

また、複数の高炭素鋼層は、被処理材の表面全体に同一厚さで形成しても良いが、被処理材の表面で各層に厚み分布を持たせたり、被処理材の一部に限定して形成したりすることもできる。特に機械部品で例を挙げるとすれば、シャフトであれば軸受との接触部、歯車であれば歯先、プレスロールであれば部材との接触部のような特に高い疲労強度を求められる部位に限定して各層を形成することもできる。このような部分的な処理は、じん性を持たせたい箇所と疲労耐性を持たせたい箇所の特性を個別に制御する際に好適である。また、被処理材の表面で、層を形成しない箇所、第一の層のみを形成する箇所、第一の層と第二の層を形成する箇所、というように被処理材表面で分布を付けて各層を形成することも可能である。同様に、第二の層の上に形成する一以上の層についても被処理材上に部分的に形成することができる。

このような複数の高炭素鋼層の形成方法については様々な手法があるが、形成速度と被処理材への密着性に優れた手法として例えばコールドスプレー法、ウォームスプレー法、プラズマ溶射法、アーク溶射法、フレーム溶射法、肉盛溶接法、エアロゾルデポジション法などが挙げられ、図３に示すように各層を逐次形成する手法が挙げられる。

（ａ）高炭素鋼層が形成される被処理材１０１を準備する。

（ｂ）被処理材１０１に第一の層１０２を形成する。各層の材料は各手法に適合するように粉体、線材、棒材等の形で供給される。本図では粉体を噴霧して被処理材に堆積させる手法を用いる。例えば炭素濃度の低い粉体（第一の粉体）を用いて上記の手法で成膜する。この粉体の炭素濃度は、被処理材よりも高く、１．０ｗｔ．％以下である。第一の粉体は炭素と他の粉末を混合したものを用いてもよい。層を形成したときに、層の全体に含まれる炭素の濃度が被処理材よりも高く、１．０ｗｔ．％以下であればよい。

（ｃ）第一の層１０２上に第二の層１０２を形成する。第二の層は、第一の層よりも炭素濃度の高い粉体（第二の粉体）を用いて第一の層１０２上に成膜する。第二の粉体も第一の分体と同様に、炭素と他の粉末を混合したものを用いてもよい。層を形成したときに、層の全体に含まれる炭素の濃度が第一の層よりも高く、１．０ｗｔ．％以下であればよい。

（ｄ）高炭素鋼層が２層の場合の鉄鋼部材１００が形成される。

炭素濃度の異なる複数種の粉体の混合比を変えれば、高炭素鋼層を多層とする場合でも、層形成に必要な原料の種類を減らすことができるためより好適となる。成膜条件は用いる手法や被処理材、各層の材料に応じて適宜調整されるが、成膜時の被処理材の温度を室温以上とすると、成膜効率が改善し、各層の被処理材への密着力を高め、さらに各層界面で相互拡散を促進できるために好適である。ただし、成膜温度は被処理材、各層の材料の耐熱性や耐酸化性などの諸条件に応じて調整することが望ましい。上記層の形成だけでなく、その後さらに焼入れ、焼戻しなどの熱処理や浸炭、窒化などの表面処理を施すことも可能である。

以下、図面を用いて実施例を説明する。

本実施例では、鉄鋼部材１００を板材とした実施例について説明する。本実施例における鉄鋼部材１００の構成図は図１のとおりである。本実施例では鉄鋼部材１００に用いる被処理材１０１に、長さ５０ｍｍ、幅５０ｍｍ、厚さ１０ｍｍのステンレス鋼（ＪＩＳ規格：ＳＵＳ３０４、日新製鋼製、０．０５ｗｔ.％）を用いた。

第一の層１０２、第二の層１０３はステンレス粉（ＤＡＰ３０４Ｌ、大同特殊鋼製）を原料とし、無添加のステンレス粉Ａと、２．０ｗｔ.％の黒鉛粉（シグマアルドリッチ製）を表面に担持したステンレス粉Ｂの２種の粉末を規定の重量比で混合することでそれぞれの原料粉とした。本実施例では第一の層１０２の原料粉は炭素濃度０．４ｗｔ.％（ステンレス粉Ａ：ステンレス粉Ｂ ＝ ８：２ (重量比)）、第二の層１０３の原料粉は炭素濃度０．８ｗｔ.％（ステンレス粉Ａ：ステンレス粉Ｂ ＝ ６：４ (重量比)）となるように混合し、Ｖ型混合機で均一に混合することで各層の原料粉とした。なお、図１中は各層を区別し易くするための模式図であり、実際に成膜した厚さは後に示す表１のとおりである。理論的には、粉末調整時の炭素濃度と成膜後の層の炭素濃度は一致するが、炭素は材料調整時や成膜過程で損なわれるので、層の炭素濃度は原料粉の濃度よりも若干低い値となる。

本実施例における第一の層、第二の層の形成方法は図３のとおりである。第一の層、第二の層の形成にはコールドスプレー法を用い、窒素ガスをキャリアガスとして圧力４ＭＰa、被処理材温度４００℃、ノズル距離２０ｍｍの条件で第一の層、第二の層を形成した。被処理材を加熱すると粉体が付着しやすく、層間の密着性が更に向上する。その後、原料粉を変更して同条件のコールドスプレー法によって第二の層を形成した。そして、ステンレス粉Ｂに担持した黒鉛粉を各層中で固溶させるために８００℃・３０分の熱処理を施し、毎秒１００℃以上で急冷する事によって鉄鋼部材１００とした。

比較例１

実施例１の構成のうち、第一の層の炭素濃度を０．８ｗｔ．％としてコールドスプレー法で形成し、第二の層は形成しなかった。その他の形成条件は実施例１と同一である。

実施例１のものでは、鉄鋼部材１００の表面に厚さ約１ｍｍ、ビッカース硬度（Ｈｖ）９２０でファレックス試験後においても層間剥離の無く密着性に優れた表面処理層が得られた。しかし、比較例１のものでは被処理材１０１と第一の層１０２の間に微小な剥離が見られ、密着性に問題が生じた。

本実施例では鉄鋼部材１００をシャフト部材とした実施例について示す。本実施例における鉄鋼部材１００の模式図は図４のとおりである。本実施例の鉄鋼部材１００には、直径３０ｍｍ、長さ３００ｍｍのクロムモリブデン鋼（ＪＩＳ規格：ＳＣＭ４１５、大同特殊鋼製、０．１５ｗｔ.％）の被処理材１０１を用いた。被処理材の先端部に、第一の層１０２、第二の層１０３、第三の層１０４を成膜した。

図４に付したＡ−Ａ’の断面模式図を図５に示す。断面図はＣ−Ｃ’までを示す。被処理材１０１の先端部に第一の層１０２、第二の層１０３、第三の層１０４が形成されており、先端から１００ｍｍの部位は三層全てが、１００ｍｍから１１０ｍｍの部位には第一の層１０１と第二の層１０２、１１０ｍｍから１２０ｍｍの範囲には第一の層１０１のみを形成した。なお、図４は各層を区別し易くするための模式であり、実際に成膜した厚さは後に示す表２のとおりである。

これらの各層は被処理材１０１と同規格のクロムモリブデン鋼粉（ＳＣＭ４１５、エプソンアトミックス）を原料とするクロムモリブデン鋼粉Ａと、クロムモリブデン鋼粉Ａの炭素濃度のみを２．０ｗｔ．％に高めたクロムモリブデン鋼粉Ｂの２種の粉末を規定の重量比で混合することでそれぞれの原料粉とした。本実施例では第一の層１０２の原料粉を炭素濃度０．４ｗｔ.％（クロムモリブデン鋼粉Ａ：クロムモリブデン鋼粉Ｂ＝８６：１４ (重量比)）、第二の層１０３の原料粉を炭素濃度０．６ｗｔ.％（クロムモリブデン鋼粉Ａ：クロムモリブデン鋼粉Ｂ＝７６：２４ (重量比)）、第三の層１０３の原料粉を炭素濃度０．８ｗｔ.％（クロムモリブデン鋼粉Ａ：クロムモリブデン鋼粉Ｂ＝６５：３５(重量比)）となるように混合し、Ｖ型混合機で均一に混合することで各層の原料粉とした。

本実施例における第一の層、第二の層、第三の層の形成方法は図６のとおりである。各層の形成にはプラズマ溶射法を用いた。第一の層、第二の層、第三の層の順に原料粉を変更して同条件にて成膜した。本構成では各層を部分的に形成するため、４００℃に予熱した被処理材１０１を回転しながら、溶射ノズル１０６を被処理材１０１上に走査し、図６のように所望の部位に部分的に各層を形成した。

実施例２の構成のうち、第三の層の原料粉の炭素濃度を１．０ｗｔ．％（クロムモリブデン鋼粉Ａ：クロムモリブデン鋼粉Ｂ＝５４：４６ (重量比)）としてプラズマ溶射法で形成した。その他の形成条件は実施例２と同一である。

比較例２

実施例２の構成のうち、第一の層の原料粉の炭素濃度を０．８ｗｔ.％（クロムモリブデン鋼粉Ａ：クロムモリブデン鋼粉Ｂ＝６５：３５ (重量比)）としてプラズマ溶射法で形成し、第二の層、第三の層は形成しなかった。その他の形成条件は実施例２と同一である。

比較例３

実施例２の構成のうち、第三の層の原料粉の炭素濃度を１．１ｗｔ．％（クロムモリブデン鋼粉Ａ：クロムモリブデン鋼粉Ｂ＝４９：５１ (重量比)）としてプラズマ溶射法で形成した。その他の形成条件は実施例２と同一である。

実施例２、３、および比較例２、３で得られた鉄鋼部材１００について、機械研磨、バフ研磨によって表面粗さ（Ｒａ）が１．０μｍ以下になるよう平滑化した後に、第三の層１０３の成膜部についてＡＳＴＭ−Ｄ−３２３３に準じるファレックス試験を潤滑油中で実施した。ファレックス試験後の鉄鋼部材１００を切断して各層の厚さと電子線マイクロアナライザ（島津製作所）で測定した平均炭素濃度、光学顕微鏡で確認した層間剥離の有無と最表面の層の表面粗さ（Ｒａ）、マイクロビッカース硬度計（島津製作所）にて測定した断面ビッカース硬度を表２に示す。

実施例２、３のものでは、鉄鋼部材１００の表面に厚さ約１ｍｍ、ビッカース硬度（Ｈｖ）９３０以上でファレックス試験後においても層間剥離の無く密着性に優れた表面処理層が得られた。各試料中の表面処理層は何れも結晶粒界上の網目状セメンタイトの析出は見られず、過浸炭が生じていないことが確認された。

一方、比較例２のものでは被処理材１０１と第一の層１０２の間に微小な剥離が見られ、密着性に問題が生じた。また、比較例３の条件では、ファレックス試験後の表面粗さが他よりも大きく、摩耗による損傷が生じていることが確認された。組織観察の結果、結晶粒界上に鉄鋼材料の過共析鋼に特有の網目状セメンタイトの析出が見られ、過浸炭の発生部における損傷が確認された。

以上の各評価により、本発明に開示する構成の鉄鋼部材は表面硬度、被処理材との密着性に優れた表面処理層を有することが確認された。本項では機械部品としてシャフトについての実施例を示したが、他に駆動部品、歯車、軸受など様々な機械部品への適用が可能であることは明らかである。

１００ 鉄鋼部材
１０１ 被処理材
１０２ 第一の層
１０３ 第二の層
１０４ 第三の層
１０５ スプレーノズル
１０６ 溶射ノズル

Claims (7)

1. 鉄鋼製の被処理材の少なくとも一部に、炭素濃度が前記被処理材よりも高く１．０ｗｔ．％以下である複数の鋼の層が積層され、前記複数の鋼の層のうち最表面層の炭素濃度が最も高く、
   前記複数の鋼の層は、炭素以外の合金元素の組成が前記被処理材と一致していることを特徴とする鉄鋼部材。
2. 請求項１において、前記複数の鋼の層は三層以上であることを特徴とする鉄鋼部材。
3. 請求項１において、前記被処理材は前記複数の鋼の層が積層されている部位と積層されていない部位とを備えることを特徴とする鉄鋼部材。
4. 請求項１において、前記複数の鋼の層は前記被処理材側から第一の鋼の層、第二の鋼の層が順次積層され、前記第一の鋼の層は前記第二の鋼の層が積層されている部位と積層されていない部位とを備えることを特徴とする鉄鋼部材。
5. 鉄鋼製の被処理材の少なくとも一部に、炭素を含む粉体を噴霧して炭素濃度が前記被処理材よりも高い第一の鋼の層を形成する工程と、
   前記第一の鋼の層の少なくとも一部に、炭素を含む粉体を噴霧して炭素濃度が前記第一の鋼の層よりも高い第二の鋼の層を形成する工程とを少なくとも備え、
   前記複数の鋼の層は、炭素以外の合金元素の組成が前記被処理材と一致しており、
   前記第一の鋼の層と前記第二の鋼の層とを含む複数の鋼の層の炭素濃度が１．０ｗｔ．％以下であることを特徴とする鉄鋼部材の製造方法。
6. 請求項５において、前記第二の鋼の層の少なくとも一部に、炭素を含む粉体を噴霧して炭素濃度が前記第二の鋼の層よりも高い第三の鋼の層を形成する工程を備えることを特徴とする鉄鋼部材の製造方法。
7. 請求項５において、前記複数の鋼の層は前記被処理材を加熱しながら形成されることを特徴とする鉄鋼部材の製造方法。

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