WO2004076709A1 - 鉄系部品およびその製造方法 - Google Patents

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WO2004076709A1
WO2004076709A1 PCT/JP2004/002412 JP2004002412W WO2004076709A1 WO 2004076709 A1 WO2004076709 A1 WO 2004076709A1 JP 2004002412 W JP2004002412 W JP 2004002412W WO 2004076709 A1 WO2004076709 A1 WO 2004076709A1
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iron
nickel
carbon
base material
layer
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PCT/JP2004/002412
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English (en)
French (fr)
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Akio Imai
Yuji Yamanishi
Tadayuki Tsutsui
Kei Ishi
Original Assignee
Yoshino Hard Inc.
Hitachi Powdered Metals Co. Ltd.
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C12/00—Solid state diffusion of at least one non-metal element other than silicon and at least one metal element or silicon into metallic material surfaces
    • C23C12/02—Diffusion in one step
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/06—Surface hardening

Definitions

  • the present invention relates to iron-based parts used as various mechanical elements and mechanical parts made of iron or iron-based alloys and a method for producing the same, and in particular, in addition to sliding conformity and corrosion resistance of iron-based parts
  • the present invention relates to a surface modification technique in which the height is suitably adjusted.
  • compositions can be selected to those containing other elements such as carbon, and it can be manufactured from materials made from molten metal (hereinafter referred to as “meltable materials”), and metal powders and other additive powders.
  • molten metal hereinafter referred to as “meltable materials”
  • metal powders and other additive powders hereinafter referred to as “sintered material”
  • sintered material can also be formed and sintered.
  • a mold When manufacturing the above-mentioned machine elements and the like from a molten material, while being formed into a target shape by various processing means such as plastic working, shearing, and cutting, while manufacturing from a sintered material, a mold It is molded into a shape close to the target shape by powder molding.
  • modification treatments such as carburizing, nitriding, quenching and tempering, and plating are performed depending on the required properties.
  • structural carbon steel Nickel plating may be applied to surfaces with relatively poor corrosion resistance such as.
  • the surface of the metallized member to be covered with the metallized member is such as smoothening the change in hardness from alloy steel to nickel metallized.
  • nickel plating is easily peeled off from the alloy steel because no special treatment is applied to the change in hardness toward the deep part of the steel.
  • the hardness from the plating surface to the inside of the plating member is suitably adjusted in the depth direction, thereby peeling the plating from the plating member.
  • the present invention has been made in view of the above-mentioned requirements, and in addition to excellent sliding resistance and corrosion resistance, in particular, an iron-based steel having a suitably adjusted hardness from the surface of the plating to the inside of the coated member.
  • the purpose is to provide parts.
  • the surface of iron or iron-based alloy is coated with a carbon-containing nickel layer or a carbon-phosphorus-containing nickel layer, and the iron or iron-based alloy base is In addition to the formation of a nickel diffusion layer of decreasing amount, at least the surface layer of this nickel diffusion layer is characterized by containing carbon.
  • the iron-based component of the present invention is coated with a Nigel layer on the surface of iron or iron-based alloy (hereinafter referred to as "base material"), the requirements of the techniques described in the above-mentioned patent documents are required. It is possible to realize the characteristics, that is, excellent sliding conformity and corrosion resistance. As a premise of realizing such a required characteristic, the iron-based component of the present invention is, Since the nickel diffusion layer in which the Nigel layer decreases toward the metal layer is formed, and the nickel layer and the base material are diffusion bonded, peeling of the nickel layer from the base material can be prevented. In addition, since the iron-based component of the present invention does not contain carbon or carbon and phosphorus in the above-mentioned nickel layer, the hardness and strength of the nickel layer can be sufficiently enhanced, and It has both dynamic compatibility and wear resistance.
  • the nickel diffusion layer can be a hardened metal structure including martensite.
  • the surface of the base material is coated with a nickel layer, it is desirable that the above-mentioned iron-based parts be applied to mechanical elements or mechanical parts that are required to be particularly resistant to wear or corrosion.
  • the above-mentioned iron-based parts can be manufactured using a base material obtained from a sintered material, as well as using a base material obtained from a molten material.
  • Phosphorus contained in the electroless nickel plating film increases the hardness of the nickel layer.
  • phosphorus in the electroless nickel plating film has a carburizing property to the base material, a carburizing property to the Nigel layer from the base material and a function to suppress the permeation of carbon, and the phosphorus content of the electroless nickel plating film
  • the carbon content of the heat-treated base material can be adjusted.
  • the present invention is a method for suitably producing the above-described iron-based component, wherein a nickel layer is formed on the surface of an iron base material or a carbon-containing iron base alloy base material.
  • the carbon content of the iron-based alloy is in the carburizing gas atmosphere
  • the carbon content of the iron-based alloy is in the carburizing gas atmosphere in the range of 0.1 to 1.2%. It is characterized in that it is heated after heating to the austenite region temperature in the iron-carbon standard phase diagram and then cooled either in the gas atmosphere of the equilibrium carbon potential or in the gas atmosphere of the carbon potential lower than the carbon content of the base material. .
  • the above-mentioned embodiment can realize excellent sliding conformability and corrosion resistance of the iron-based component. Can prevent the exfoliation of the nickel layer from the base material, and provide the Nikkol layer with excellent sliding conformability, wear resistance and corrosion resistance, and also increase the hardness and strength of the etch diffusion layer be able to.
  • a nickel layer is coated on the surface of an iron base material or an iron-based alloy base material, and after heating to an austenite region temperature in an iron-carbon standard phase diagram, quenching and tempering It is characterized by giving.
  • the base material By hardening and tempering, the base material can be hardened, the structure and mechanical properties can be stabilized, and the toughness can be recovered and the residual stress can be reduced.
  • carburizing and quenching may be mentioned.
  • the heating at the tenite zone temperature is maintained at a first temperature at which carburization and diffusion of nickel are promoted, and then maintained at a second temperature lower than the first temperature for hardening. It is desirable to apply That is, after promoting carburization at a temperature (about the above first temperature) about 100 ° C. higher than the A 3 transformation point of the iron-based material, a temperature about 50 ° C. higher than the A 3 transformation point ( By holding and diffusing at the above second temperature) and performing quenching, it is possible to obtain a part having a relatively large amount of carburizing and less generation of residual cast iron due to quenching. '
  • the nickel layer can be laminated by an electric nickel plating, an electroless nickel plating, or both of them.
  • the nickel layer is a nickel ⁇ phosphorus plating film having a phosphorus content of 15% by mass or less formed by electroless nickel plating
  • the above phosphorus is contained when the carburizing amount to the iron or iron-based alloy is increased.
  • the phosphorus content in the nickel plating film by electroless nickel plating can be adjusted by the sodium hypophosphite content in the plating solution and the PH (hydrogen ion concentration).
  • Ni 3 P trinickel monophosphate
  • the phosphorus content in the nickel layer suppresses the carburizing property by causing the appearance of the above-mentioned eutectic.
  • the carburizing adjustment to the base material can be performed by adjusting the phosphorus content in addition to the carbon potential and the heating temperature in the gas atmosphere.
  • the phosphorus content in the nickel layer suppresses the carburizing property to the nickel layer, so that electroless
  • the carbon content of the heat-treated base material can be adjusted by adjusting the phosphorus content in the nickel plating layer.
  • the iron-based parts used in the method of manufacturing iron-based parts as described above can of course be manufactured using a base material obtained from a molten material, and it is needless to say that the base material obtained from a sintered material is used. It can be manufactured using.
  • a nickel plating layer is formed on the surface of the base material and heated at an austenitic region temperature, and carbon in the gas atmosphere or carbon in the base material between the base material and the nickel layer.
  • the surface of the base material can be covered with a Niggels layer containing carbon by slow cooling or quenching, and the Nikkels layer can be firmly bonded to the iron base. . Therefore, in the present invention, regardless of carbon-free iron to carbon-containing iron-based alloys, even with relatively low-grade iron-based materials, it is possible to provide corrosion resistance to the surface and to slide with excellent counterparts. It is promising in that it can provide machine elements and components that have conformability and that the surface layer is hard and the inside is rich in toughness.
  • FIG. 1 is a graph showing the depth from the surface of the heat treated nickel plated nickel body (Example 1) and the concentration of each element.
  • FIG. 2 is a graph showing the depth from the surface of the heat treated nickel plated nickel (Example 3) and the concentration of each element.
  • FIG. 3 shows an appearance photograph after the salt spray test, in which A is a sample of Example 1 and B is a sample as it has been subjected to an electro nickel plating.
  • Base material consisting of iron or iron base alloy
  • the base material of iron or iron alloy to be coated either ingot material or sintered material can be used.
  • the ingot material can be applied to low carbon steel with a low carbon content and various alloys, such as carbon steel for machine structural use.
  • the base material of the molten material is formed by a usual method such as plastic working, punching, cutting, and grinding, and can be subjected to post-treatments such as barrel polishing and shot blast if necessary.
  • sintered materials are used in pure iron, alloy systems such as Fe-C u and F e-C u-C systems which do not contain additive elements, and N which has high mechanical strength. Sintered alloys containing elements such as i, Cr, Mo and V can be used.
  • the density can be about 6.5 M g / m 3, but one having a high density and few pores is preferable because it is difficult for a plating solution to enter the pores.
  • the sintered body can be subjected to post processing such as cutting, barrel polishing and shot blasting.
  • the plating step is generally realized by sequentially performing an alkaline immersion degreasing treatment, an electrolytic cleaning treatment, an acid activation treatment, a base nickel plating treatment, and a nickel plating treatment on a base material composed of iron or iron alloy.
  • the treatment liquid and treatment time of each process are as follows.
  • the alkaline immersion degreasing treatment is performed by immersion in a warm solution of an aqueous solution containing sodium hydroxide, sodium cayrate, sodium phosphate, sodium carbonate for about 10 minutes.
  • the electrolytic cleaning treatment is performed by immersing for about 10 minutes in a warm solution of an aqueous solution containing sodium hydroxide, sodium cayate and sodium carbonate by applying a current of 10 A / dm 2 in current density.
  • acid activation treatment is performed by immersing in an aqueous solution of hydrochloric acid for about 1 minute.
  • base nickel plating is performed by immersion in an aqueous solution containing nickel chloride and hydrochloric acid at a current density of 5 to 10 AZ dm 2 for about 15 minutes.
  • nickel plating is performed by immersion in an aqueous solution containing nickel sulfate, nickel chloride and boric acid for about 12 minutes with a current density of 5 AZ dm 2 applied.
  • Electroless nickel plating is according to the prior art.
  • the plating process is generally realized by sequentially performing an alkaline immersion degreasing process, an acid activation process, and an electroless nickel plating process on a base material composed of iron or an iron alloy.
  • the treatment solution and treatment time for each process are as follows.
  • the alkaline immersion degreasing treatment is performed by immersion in a warm solution of an aqueous solution containing sodium hydroxide, sodium cayrate, sodium phosphate, sodium carbonate for about 10 minutes.
  • acid activation treatment is performed by immersing in a hydrochloric acid aqueous solution for about 1 minute.
  • electroless nickel plating is sodium hypophosphite, sodium citrate, sodium acetate and salts. Soak in warm solution of aqueous solution containing nickel fluoride for about 25 minutes.
  • this electroless nickel plating can be made into nickel and phosphorus, and in this case, the phosphorus content can be adjusted by the content and pH of sodium hypophosphite in the plating solution.
  • the thickness of the nickel plating layer can be appropriately set depending on the dimensional accuracy of the product, corrosion resistance, etc. However, the thickness is usually about 2 to 8 m.
  • the thickness of the nickel plating layer can be controlled by the immersion time in the plating solution.
  • the nickel plating layer can be formed by laminating at least one of an electric nickel plating and an electroless nickel plating to form a multilayer nickel plating layer.
  • the heat treatment may be performed either in the form of slow cooling after heating to the temperature of the austenite region of the iron-based material, or in the form of quenching or tempering.
  • the former is effective when obtaining a soft part in expectation of the nickel diffusion effect to the base material, and the latter is suitable when obtaining a harder part in expectation of the above effect.
  • the heat treatment gas atmosphere is heated in a carburizing gas atmosphere for a base material containing no carbon.
  • the carbon potential of the carburizing gas atmosphere is determined according to the carbon content of the base material. For example, in the case of an iron alloy having a carbon content of about 0.2% by mass, the bond potential is about 0.6% to about 0.8%.
  • the heat treatment temperature is set to A 3 transformation point or more to about 8 5 0 to 9 0 0 ° C
  • heating time is set to about 9 0-1 8 0 min.
  • the temperature range to be carburized is a relatively high temperature, for example, a temperature about 100 ° C. higher than the A 3 transformation point.
  • the holding temperature may be around A 3 transformation temperature, for example A 3 approximately 5 0 ° C than the transformation point higher temperatures.
  • Tempering is carried out by heating at a temperature of around 180 ° C for about 1 hour, and letting it cool, according to the normal operation. It is possible to carry out the heat treatment gas atmosphere with the same carbon potential as the amount of carbon of the base material with respect to a base material containing carbon. According to the heat treatment in a gas atmosphere with such an equilibrium carbon concentration, carburization is performed from the gas atmosphere and the base material into the nickel film, and the carbon content of the nickel layer and the iron-based material becomes almost the same. Diffuse to the base material.
  • the base material to be employed preferably has a carbon content of about 0.4 to 0.6% by mass.
  • the heat treatment of the base material having a relatively high carbon content can be performed in a gas atmosphere of a carbon potential smaller than the carbon content of the base material, and in this case, for example, about 0.4 to 0.9% by mass of carbon amount A base material can be applied.
  • carbon in the gas atmosphere and the base material carburizes the nickel layer.
  • the amount of carbon decreases and Nigel diffuses.
  • the heat treatment gas atmosphere does not have carbon potential, carburization to the nickel film is performed only from the base material, and the carbon amount of the base material decreases and the carbon amount on the nickel film surface becomes low.
  • the carbon potential of is preferably 0.1% or more.
  • a nickel-plated base material is heated in a carburizing gas and annealed to cover the surface with a nickel layer, and the lower layer of the nickel layer becomes iron pearlite structure or mixed structure of ferrite and pearlite. If the base material before heat treatment does not contain carbon and the volume is large, the core of the base material may have a ferrite structure. If the base material before heat treatment contains carbon, the gradually cooled product will have an iron perlite structure or a mixed structure of ferrite and perlite. Also, using a base material made of sintered material The surface is sealed by the nickel layer.
  • the hardenability is improved in the region containing carbon and in which nickel and iron are diffused.
  • the surface layer portion of the base material is in a state where it tends to be a martensitic structure by rapid cooling. Since the nickel content of the base material decreases from the surface layer of the base material toward the deep part, even if the surface part of the base material has a martensitic structure, the deep part may become a trousseite structure or a bainite structure. is there.
  • the core of the base material has a ferrite structure.
  • Products obtained by heating and annealing a nickel-plated carbon-containing base material in a gas of the same carbon potential as the carbon content of the base material form a pearlite structure or a mixed structure of ferrite and pearlite.
  • Products made by heating and annealing using a carbon-containing base material in a gas atmosphere of carbon potential lower than that of the base material also become a pearlite structure or a mixed structure of ferrite and pearlite.
  • the area where nickel spreads to the iron base has improved hardenability, so if the cooling rate is relatively fast, it will have a peony structure or a fine perlite structure.
  • the concentrations of carbon, nickel, phosphorus and iron shall be analyzed by Mi croanalyzer).
  • the cross-section of a nickel-plated base material heated in carburizing gas and annealed is analyzed by EPMA, and the concentration of each element is generally as follows. That is, the carbon concentration is highest at the surface of the nickel layer and decreases toward the inside. The nickel concentration is low on the surface of the nickel layer because the surface of the nickel layer contains a large amount of carbon.
  • the nickel concentration shows the maximum value slightly deeper from the surface of the nickel layer, and the nickel concentration decreases due to the diffusion to the iron base toward the deeper part. .
  • the phosphorus concentration is similar to the nickel concentration pattern, is low at the surface of the nickel layer, shows a maximum value when the carbon concentration decreases slightly toward the deep part, and the iron and nickel in the deep part diffuse to each other. Decline towards. Note that the higher the phosphorus content in the nickel film, the lower the carbon concentration and the smaller the carbon diffusion depth from the surface. In contrast, the iron concentration decreases towards the surface of the product by the diffusion of nickel, carbon or phosphorus.
  • the heat-treated nickel layer surface exhibits a dull white-gray color.
  • soot may adhere to the surface of the nickel layer, but this can be removed by barrel polishing or the like.
  • the Nikkol layer is free from defects such as pits by heat treatment and is in a state of being metallurgically bonded to the base metal, and in the case of a sintered material with pores in particular, the surface is sealed, so it has excellent corrosion resistance. It becomes a thing.
  • a salt spray test of the as-nickel-clad product and the heat-treated product shows a clear difference.
  • Atomized iron powder (Atomel 3 0 0 M: made by Kobe Steel, Ltd.), electrolytic copper powder (CE 1 5: made by Fukuda metal foil powder industry), graphite powder (made by Southwestern) and lubricant (zinc stearate) are specified.
  • the mixed powder was compression molded in a mold and sintered at a temperature of 1 12 CTC in butane modified gas.
  • the composition of the sintered body was 1.5 mass% of copper, the bound carbon content was 0.2 mass%, and the density was 6.7 M g Zm 3 .
  • a sintered body to which electric nickel plating was applied (Example 1) and a sintered body to which electroless nickel plating was applied (Example 2) were manufactured.
  • the thickness of the muck was 5 m here.
  • the phosphorus content in the electroless nickel plating was low.
  • quenching and tempering were sequentially applied to each sample. Quenching is After heating at a temperature of 800 ° C. for 2 hours in a carburizing gas atmosphere with a carbon potential of 0.8%, oil quenching was performed. In addition, tempering was performed by heating in the atmosphere at a temperature of 180 ° C. for 1 hour and gradual cooling.
  • the base material was manufactured by the same raw material powder and manufacturing method as in Examples 1 and 2 described above, except that the bonded carbon content of the sintered body was 0.6% by mass.
  • the sintered body was manufactured into an electric nickel plated (Example 3) and an electroless nickel plated (Example 4), each in a gas atmosphere with a carbon potential of 0.1%. After heating at a temperature of 80.degree. C. for 1 hour, the oil was quenched and tempered.
  • the base material is manufactured by the same method as in the above-mentioned Examples 3 and 4, and the sintered carbon has an amount of bonded carbon of 0.6% by mass.
  • the sintered body was subjected to electric nickel plating in the same manner as in the above example, and then heated for 2 hours at a temperature of 80.degree. C. in a gas atmosphere of carbon potential 0.6% to carry out quenching and tempering. Was produced.
  • Example 1 and Example 2 the surface layer portion of the base material has a structure including martensite. This is because nickel diffuses into the base material and is carburized.
  • the hardness of electrolessly plated products is slightly lower than that of electrically plated products in both the surface and deep sections. This is because the phosphorus of the electroless nickel plating film suppresses carburization.
  • Example 3 and Example 4 the hardness of the surface layer of the base material is low. This is because the carbon content of the base material decreased during heating because the carbon potential of the atmosphere gas for heat treatment was low.
  • electroless nickel plating as compared to electro nickel plating (Example 3) The hardness of Example 4 is slightly high.
  • the surface layer of the base material has a structure including martensite. This is because nickel diffuses into the base material and the carbon content of the base material made of an iron-based sintered alloy is high.
  • FIG. 1 the cross section of the heat-treated body of Example 1 (a heat treatment in a gas atmosphere of 0.2% C base material, electric plating, carbon potential 0.8%) is shown in FIG. 1. .
  • the vertical axis shows the concentration (detection count) of each element, and the horizontal axis shows the depth from the surface.
  • the cross section of the heat-treated body of Example 3 (a heat treatment in a gas atmosphere of 0.6% C base material, electric plating, carbon potential 0.1%) was line analyzed by EPMA, It is shown in the figure. According to FIG.
  • Example 2 a heat treatment in a gas atmosphere of 0.2% C base material, electroless plating, carbon potential 0.8%) is not shown, but both iron, nickel and carbon A pattern similar to the pattern shown in FIG.
  • the difference from the case of Fig. 1 is that carbon is slightly less on the surface and carburization depth is also slightly less. This is because phosphorus suppresses carburization.
  • the surface was small, and the maximum value was shown at about 4 im from the surface.
  • phosphorus decreased toward the deeper part and was diffused from the surface to about ⁇ .
  • the heat treatment body of Example 4 heat treatment in a gas atmosphere of 0.6% C base material, electroless plating, 0.1% carbon potential
  • iron and nickel are not shown. Both carbon and carbon showed the same pattern as shown in Fig.2. In this case, phosphorus was found to diffuse about 5 m in the base material.
  • the heat treatment body of Example 5 a heat treatment in a gas atmosphere of 0.6% C base material, electric plating, carbon potential of 0.6%) is not shown, but both of iron, nickel and carbon A pattern similar to the pattern shown in the figure is shown. Different The point is that the carbon concentration on the surface of the nickel layer and that of the base material are almost the same. This is because the carburization to the nickel layer was supplied from the gas atmosphere of the heat treatment and the carbon contained in the base material. There is little diffusion of nickel into the base material.
  • FIG. 3 is a sample appearance photograph after the salt spray test has been performed for 96 hours.
  • A is a sample of Example 1
  • B is a sample not subjected to heat treatment as electroplated with nickel.
  • the as-electroplated nickel sample a large amount of brown wrinkles is generated, and although it is covered with a nickel plating layer, it is considered that there are fine gaps.
  • the occurrence of wrinkles was small in Examples 2 to 5 as in the sample of Example 1, and no difference was observed. This means that regardless of the gas atmosphere at the time of heat treatment, the nickel plating layer diffuses to the base material by heating and adheres securely, and defects such as fine cracks and pin poles of the nickel plating layer are repaired. Conceivable.
  • Electroless nickel plating is applied to a machined base material made of carbon steel for mechanical structure with a carbon content of 0.5% by mass, and heated at a temperature of 80 ° C. for 90 minutes in a carburizing gas atmosphere. Quenched and tempered at a temperature of 180 ° C. for 1 hour. Electroless nickel plating was classified into three types: those with low concentration of phosphorus content in the nickel plating layer (Example 6), those with medium concentration (Example 7) and those with high concentration (Example 8). In each case, the thickness was 7 m.
  • Example 6 in which the cross-sectional structure was low in phosphorus content, the deep portion was approximately 30 in the martensite, and the central portion was a finely divided pearlite structure transformed by heat treatment. This is because the diffusion of nickel into the iron base of the base material improves the hardenability of that portion. Furthermore, in Example 8 in which the phosphorus content is high, almost no martensitic structure is observed, and the pearlite and ferrite which are refined are Showed a mixed structure of This is because the diffusion of nickel is small and carburization is slight.
  • the cross-sectional hardness of each heat-treated body is shown in Table 2 for these example 68. '
  • Example 6 having a low phosphorus content is hard, and in Example 8 having a high phosphorus content, the hardness of the portion close to the surface is particularly low.
  • the corrosion resistance of the above-mentioned Examples 6 to 8 according to the salt spray test was good as in the case of the sample shown in FIG. 3A of Example 1.
  • the one with a low phosphorus content in the nickel plating layer (Example 6) has a large nickel diffusion depth and a carburized depth, and is reformed to be relatively thick. It turned out to happen. For this reason, those having a low phosphorus content are particularly suitable for parts to be quenched.
  • the phosphorus content in the nickel plating layer is high (Example 8)
  • the thickness of the nickel diffusion layer is 10 x m, and both carburizing and nickel are not carried out. It was found that the layer reached to the nickel diffusion layer. For this reason, it can be said that the bonding of the nickel layer is sufficiently performed, the corrosion resistance is high, and the nickel layer has a relatively hard property.
  • the phosphorus content in the nickel plating layer suppresses the carburization and the diffusion of nickel
  • the phosphorus content of the electroless nickel plating can be used as one of the means for controlling the carburizing amount and the diffusion of nickel.
  • a product heat-treated in a gas atmosphere having a carbon potential can be obtained by The nickel of the nickel layer diffuses with the iron base, the mechanical strength is high, and high adhesion between the nickel layer and the base material is formed, making it difficult to peel off. Further, by heat treatment, the nickel layer is carburized by the gas atmosphere of heat treatment or carbon contained in the base material to become a Ni--C alloy, thereby becoming a softer phase slightly harder than nickel and eliminating defects in the plating layer.
  • the Fe-Ni-C alloy part When hardened, the Fe-Ni-C alloy part becomes hard because it easily forms a martensitic structure, and if a base material with low carbon content or no carbon is used, the surface layer part becomes hard and the center
  • the part can be a soft iron-based part.
  • the heat-treated product when shot-burned or barrel-polished, it can be made to have a surface gloss.

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Abstract

優れた摺動なじみ性と耐食性とに加え、特に、表面付近の硬さを好適に調整した鉄系部品である。鉄または鉄基合金の表面が、炭素を含有するニッケル層または炭素とリンを含有するニッケル層で被覆され、鉄または鉄基合金基地にその深部に向かってニッケル量が減少するニッケル拡散層が形成されているとともに、ニッケル拡散層の少なくとも表面層に炭素が含有されている。

Description

明 細 書 鉄系部品およびその製造方法 技術分野
本発明は、 鉄または鉄基合金からなる各種機械要素や機構部品として用いられ る鉄系部品およびその製造方法に係り、 特に、 鉄系部品の摺動なじみ性と耐食性 に加え、 表面付近の硬さを好適に調整した表面改質技術に関する。 背景技術
鉄や鉄基合金から製造される歯車、 カム、 リンクアームなどの機械要素や、 写 真機、 事務機器、 搬送機器、 水処理装置などの機構部品は、 用途に応じ、 純鉄に 近いものから炭素などの他の元素を含むものまで各種組成を選択し、 溶湯から作 られた材料 （以下、 「溶製材料」 と言う） から製造することができるほか、 金属 粉末やその他の添加物粉末の混合物 (以下、 「焼結材料」 と言う） を成形および 焼結して製造することもできる。
上記機械要素などを溶製材料から製造する場合には、 塑性加工、 剪断、 切削加 ェなどの各種の加工手段によって目的形状に成形される一方、 焼結材料から製造 する場合には、 金型で粉末成形することにより目的形状に近い形状に成形される。 また、 上記いずれの材料を使用する場合においても、 要求される特性に応じて浸 炭、 窒化、 焼入れ焼戻し、 メツキなどの改質処理が施される。
上記のような各成形方法を使用して、 特に、 耐食性が要求される機械要素など を製造する場合には、 ステンレス鋼のような耐食性のある鉄基合金を用いる場合 のほか、 構造用炭素鋼のような耐食性が比較的不良な表面にニッケルメツキを被 覆する場合がある。
このように、 合金の表面にニッケルメツキを被覆して、 優れた耐食性が要求さ れる機械要素などを製造する技術については、 従来から種々の提案がなされてい る。 例えば、 合金鋼に無電解ニッケルメツキを施し、 メツキされた部材を 3 0 0 〜4 0 0 の範囲の温度で熱処理することで、 ニッケルメツキ層に含まれている リンがリン化三ニッケル （N i 3 P ) となり、 ニッケルメツキの硬さを H v 8 0 0 ~ 9 0 0程度とし、 ニッケルメツキ面に他の部材との良好ななじみ性を付与す る技術が提案されている （特開平 6— 3 1 3 4 3 4号公報、 第 2 , 3頁参照） 。 また、 鋼板に電気ニッケルメツキを施した後、 6 0 0〜8 5 0 °Cの温度で 1 0〜 1 2 0秒の加熱処理を施すことで、 メツキ層の一部をニッケル—鉄合金相とし、 耐食性に優れる鋼板を得る技術も提案されている （特開平 1 1一 6 1 4 8 4号公 報、 第 4頁参照） 。
このように、 上記両特許文献に記載された技術は、 耐食性やなじみ性には優れ ているものの、 合金鋼からニッケルメツキへの硬さの変化をなだらかにするなど の、 メツキ表面から被メツキ部材の深部に向かう硬さの変化についての特段の処 理が施されていないことから、 ニッケルメッキが合金鋼から剥離し易いという問 題があった。 このため、 今日においては、 上記要求特性に加えて、 特に、 深さ方 向においてメツキ表面から、 被メツキ部材内部までの硬さを好適に調整し、 これ により、 被メツキ部材からメツキが剥離し難い鉄系部品の製造に関する技術開発 が要請されていた。 発明の開示
したがって、 本発明は、 上記要請に鑑みてなされたものであり、 優れた摺動な じみ性と耐食性とに加え、 特に、 メツキ表面から被メツキ部材内部までの硬さを 好適に調整した鉄系部品を提供することを目的としている。
本発明の鉄系部品は、 鉄または鉄基合金の表面が、 炭素を含有するニッケル層 または炭素とリンを含有するニッケル層で被覆され、 上記鉄または鉄基合金基地 にその深部に向かってニッケル量が減少するニッケル拡散層が形成されていると ともに、 このニッケル拡散層の少なくとも表面層に炭素が含有されていることを 特徴としてる。
本発明の鉄系部品は、 鉄または鉄基合金 （以下、 「母材」 と言う） の表面が二 ッゲル層によつて被覆されていることから、 上記両特許文献に記載された技術の 要求特性、 すなわち、 優れた摺動なじみ性と耐食性とを実現することができる。 このような要求特性実現の前提として、 本発明の鉄系部品は、 母材にその深部 に向かってニッゲル層が減少するニッケル拡散層が形成されているとともに、 二 ッケル層と母材とが拡散接合されているため、 母材からニッケル層の剥離を防止 することができる。 ' また、 本発明の鉄系部品は、 上記ニッケル層に炭素または炭素およびリンを含 ませていることから、 ニッケル層の硬さおよび強度を十分に高めることができ、 また、 そのニッケル層によって摺動なじみ性と耐摩耗性とを兼ね備えたものとな る。
このような鉄系部品においては、 ニッケル拡散層がマルテンサイトを含む焼入 れ金属組織とすることができる。 また、 上記鉄系部品は、 母材表面がニッケル層 により被覆されているため、 特に耐摩耗性または耐食性が要求される機械要素ま たは機構部品に適用することが望ましい。 さらに、 上記鉄系部品は、 溶製材料か ら得られた母材を用いて製造することは勿論、 焼結材料から得られた母材を用い て製造することができる。
次に、 発明者らは、 本発明の鉄系部品の製造方法について、 以下の （1 ) 〜 ( 5 ) の知見を得た。
( 1 ) 浸炭性のガス雰囲気中でニッケルメツキした低炭素含有量の鉄系材料から なる母材を加熱すると、 炭素がニッケル層に浸入して固溶し、 ニッケル層の硬さ が上昇する。 また、 炭素はニッケル層を通過して部材に浸入する。 母材に達した 炭素は、 ニッケル層の表面で最も多く、 部材の内部に向かって徐々に減少する。
( 2 ) ニッケルメッキした炭素含有鉄系材料からなる母材を、 母材の炭素量より 低い力一ボンポテンシャルのガス雰囲気中で加熱すると、 母材中の炭素がニッケ ル層に浸入して固溶し、 ニッケル層の硬さが上昇する。
( 3 ) 浸炭性のガス雰囲気中で鉄系材料のオーステナイト領域温度で行う加熱は、 温度が高いほど浸炭する。 ガス雰囲気が一定の場合は、 加熱温度と加熱時間によ り浸炭量を制御することができる。
( 4 ) ニッケルメツキした鉄系材料からなる母材を鉄系材料のオーステナイト領 域温度で加熱すると、 ニッケルと鉄とは相互に拡散して合金化する。 ニッケル含 有量は、 ニッケル層から母材の深部に向かって徐々に減少する。 このニッケルの 拡散によって、 ニッケル層は母材の表面と冶金的に強固に接着した状態を形成す る。 このため、 鉄系部品に焼入れ、 塑性加工、 バレル研磨など施してもニッケル 層は剥離することがない。 二ヅケル層はピットが減少または消滅し、 健全な被膜 となる。 なお、 上記ニッケルと鉄との相互拡散は、 ガス浸炭を伴うことにより促 進される。
( 5 ) 無電解ニッケルメツキ被膜中に含有するリンは、 ニッケル層の硬さを高く する。 また、 無電解ニッケルメツキ被膜中のリンは、 母材への浸炭性および母材 からのニッゲル層への浸炭性および炭素の透過を抑制する作用があり、 無電解二 ッケルメッキ膜のリン含有量によつて、 熱処理された母材の炭素含有量を調整す ることができる。
すなわち、 本発明は、 以上の知見に基づき、 上述した鉄系部品を好適に製造す る方法であって、 鉄の母材または炭素を含有する鉄基合金の母材の表面にニッケ ル層を被覆し、 前者母材においては浸炭性ガス雰囲気中で、 後者母材においては、 カーボンポテンシャルが 0 . 1〜 1 . 2 %の範囲内の浸炭性ガス雰囲気中、 鉄基 合金の炭素含有量と平衡するカーボンポテンシャルのガス雰囲気中、 または母材 の炭素量より低いカーボンポテンシャルのガス雰囲気中のいずれかで、 鉄炭素系 標準状態図におけるオーステナイト領域温度に加熱した後、 冷却することを特徴 としている。
本発明の鉄系焼結部品の製造方法によれば、 上記態様により、 鉄系部品の優れ た摺動なじみ性と耐食性とを実現することができ、 これを前提として、 鉄系部品 において、 特に、 母材からのニッケル層の剥離を防止することができるとともに、 二ッケル層に優れた摺動なじみ性と耐摩耗性と耐食性とを付与し、 しかもエッケ ル拡散層の硬さおよび強度を高めることができる。
また、 本発明の他の鉄系部品の製造方法は、 鉄母材または鉄基合金母材の表面 にニッケル層を被覆し、 鉄炭素系標準状態図におけるオーステナイト領域温度に 加熱した後、 焼入れ焼戻しを施すことを特徴としている。
焼入れ、 焼戻しを施すことにより、 ニッケル層を被覆した部品について、 母材 を硬化させるとともに、 その組織および機械的性質を安定化させ、 また、 靭性の 回復および残留応力の軽減を図ることができる。
上記焼入れの具体的手段として浸炭焼入れが挙げられ、 この場合には、 オース テナイト領域温度での加熱を、 浸炭およびニッケルの拡散が促進される第 1の温 度に保持し、 次いで、 この第 1の温度に比して低温の第 2の温度に保持して焼入 れを施すことが望ましい。 すなわち、 鉄系材料の A 3変態点より約 1 0 0 °C程度 高い温度 （上記第 1の温度） で浸炭を促進させた後、 A 3変態点より約 5 0 °C程 度高い温度 （上記第 2の温度） で保持して拡散させて焼入れを行うことで、 浸炭 量が比較的多く、 焼入れによる残留ォ一ステナイトの発生が少ない部品を得るこ とができる。'
上記発明の製造方法においては、 ニッケル層を、 電気ニッケルメツキまたは無 電解ニッケルメツキ、 あるいは、 これら両者により積層されたものとすることが できる。 特に、 ニッケル層が、 無電解ニッケルメツキにより形成されたリン含有 量が 1 5質量％以下のニッケル · リンメツキ被膜であるときには、 上記鉄または 鉄基合金への浸炭量を多くする場合は上記リン含有量を少なくし、 上記鉄または 鉄基合金への浸炭量を少なくする場合は上記リン含有量を多くすることが望まし い。 ここで、 無電解ニッケルメツキによるニッケルメツキ膜中のリン含有量は、 メツキ液中の次亜リン酸ナトリウムの含有量および P H (水素イオン濃度） によ つて調整することができる。 無電解ニッケルメツキ中のリンは、 そのニッケルメ ツキ膜を加熱すると非晶質構造から一リン化三ニッケル （N i 3 P ) の共晶体が 析出してメツキ膜が硬くなる。 よって、 リン含有量が多いほどニッケル層の硬さ を高くすることができる。 なお、 N i 3 Pは、 X線回折 (XRD： X- ray di f f rac t ome t ry ) により確認することができる。
また、 ニッケル層中のリンの含有は、 上記共晶体の出現を招来することで、 浸 炭性を抑制する。 また、 ニッケル層中のリン含有量が 1 5質量％を超えると、 二 ッケル層および鉄基地への浸炭が困難になる。 このように、 母材への浸炭性の調 整は、 ガス雰囲気中のカーボンポテンシャルおよび加熱温度に加え、 リン含有量 の調整により行うことができる。 また、 炭素を含有する鉄基合金を用いてそれよ りもカーボンポテンシャルが低いガス雰囲気中で加熱する場合では、 ニッケル層 中のリンの含有はニッケル層への浸炭性を抑制するので、 無電解ニッケルメツキ 層中のリン含有量を調整することにより、 熱処理された母材の炭素含有量を調整 することができる。 なお、 以上のような鉄系部品の製造方法に使用する鉄系部品は、 溶製材料から 得られた母材を用いて製造することができることは勿論、 焼結材料から得られた 母材を用いて製造することができる。
本発明によれば、 母材の表面にニッケルメツキ層を形成しておき、 オーステナ ィト領域温度で加熱して、 ガス雰囲気中の炭素または母材中の炭素の、 母材と二 ッケル層間での移動を生じさせた後、 徐冷または焼入れすることにより、 母材表 面が炭素を含む二ッゲル層で覆われ、 二ッケル層は鉄基地と強固に結合されたも のとすることができる。 よって、 本発明は、 炭素を含まない鉄から炭素を含む鉄 基合金を問わず、 比較的低級な鉄系材料においても、 表面に耐食性を与えるとと もに、 優れた相手部材との摺動なじみ性を実現し、 しかも表層部が硬く内部が靭 性に富む性質を兼ね備えた機械要素や構成部品を提供することができる点で有望 である。 . 図面の簡単な説明
第 1図は、 電気ニッケルメツキした熱処理体 （実施例 1 ) の表面からの深さと 各元素の濃度とを示したグラフである。
第 2図は、 電気ニッケルメツキした熱処理体 （実施例 3 ) の表面からの深さと 各元素の濃度とを示したグラフである。
第 3図は、 塩水噴霧試験後の外観写真を示し、 Aは、 実施例 1の試料であり、 Bは、 電気ニッケルメツキを施したままの試料である。 発明を実施するための最良の形態
以下に、 本発明の実施形態を説明する。
( 1 ) 鉄または鉄基合金からなる母材
メツキされる鉄や鉄合金の母材は、 溶製材料および焼結材料のいずれも使用す ることができる。 溶製材料は炭素含有量が僅かな低炭素鋼や種々の合金、 例えば 機械構造用炭素鋼に適用することができる。 また、 溶製材料の母材は、 塑性加工、 打ち抜き、 切削、 研削などの通常の方法で形成され、 必要に応じてバレル研磨、 ショットブラストなどの後処理を施すことができる。 これに対し、 焼結材料は、 添加元素を含まない純鉄、 F e— C u系、 F e— C u— C系のような合金系や、 機械的強度が高い用途に使用される N i， C r， M o , Vなどの元素を含む焼結合金を使用することができる。 また、 密度は 6 . 5 M g /m3程度とすることができるが、 密度が高く気孔が少ないものの方が気孔 中にメツキ液が入り難いので好ましい。 この場合、 焼結体のまま、 切削加工、 バ レル研磨、 ショットブラストなどの後加工を施すことができる。
( 2 ) 電気ニッケルメツキ
電気ニッケルメツキは従来技術による。 メツキ工程は、 概して、 鉄または鉄合 金からなる母材に対するアルカリ浸漬脱脂処理、 電解洗浄処理、 酸活性処理、 下 地ニッケルメツキ処理、 およびニッケルメツキ処理を順次行うことにより実現さ れる。 各工程の処理液や処理時間は以下のとおりである。
アルカリ浸漬脱脂処理は、 水酸化ナトリウム、 ケィ酸ナトリウム、 リン酸ナト リウム、 炭酸ナトリウムを含む水溶液の温液に約 1 0分間浸潰して行う。 また、 電解洗浄処理は、 水酸化ナトリウム、 ケィ酸ナトリウム、 炭酸ナトリウムを含む 水溶液の温液中で、 電流密度 1 0 A/ d m2の電流を加えて約 1 0分間浸漬して 行う。 次いで、 酸活性処理は、 塩酸水溶液に約 1分間浸漬して行う。 さらに、 下 地ニッケルメツキ処理は、 塩化ニッケルおよび塩酸を含む水溶液中で、 電流密度 5〜1 0 AZ d m 2の電流を加えて約 1 5分間浸漬して行う。 最後に、 ニッケル メツキ処理は、 硫酸ニッケル、 塩化ニッケルおよびほう酸を含む水溶液中で、 電 流密度 5 AZ d m2の電流を加えて約 1 2分間浸漬して行う。
( 3 ) 無電解ニッケルメツキ
無電解ニッケルメツキは従来技術による。 メツキ工程は、 概して、 鉄または鉄 合金からなる母材に対するアルカリ浸漬脱脂処理、 酸活性処理、 無電解ニッケル メツキ処理を順次行うことにより実現される。 各工程の処理液や処理時間は以下 のとおりである。
アルカリ浸漬脱脂処理は、 水酸化ナトリウム、 ケィ酸ナトリウム、 リン酸ナト リウム、 炭酸ナトリウムを含む水溶液の温液に約 1 0分間浸潰して行う。 また、 酸活性処理は、 塩酸水溶液に約 1分間浸潰して行う。 さらに、 無電解ニッケルメ ツキは、 次亜リン酸ナトリウム、 クェン酸ナトリウム、 酢酸ナトリウムおよび塩 化ニッケルを含む水溶液の温液に約 2 5分間浸漬して行う。 なお、 この無電解二 ッケルメツキは、 ニッケル · リンメツキとすることができ、 この場合にはメツキ 液中の次亜リン酸ナトリゥムの含有量および P Hによってリン含有量を調整する ことができる。
( 4 ) ニッケルメツキ層の厚さ
ニッケルメツキ層は製品の寸法精度、 耐食性などによってその厚さを適宜設定 することができるが、 通常は厚さ 2〜 8 m程度とされる。 ニッケルメツキ層の 厚さはメツキ液に浸漬する時間によって制御することができる。 ニッケルメツキ 層は、 電気ニッケルメツキと無電解ニッケルメツキとの少なくとも一方を積層し て施し、 複層のニッケルメツキ層とすることができる。
( 5 ) 熱処理
熱処理は、 鉄系材料のオーステナイト領域の温度に加熱した後に徐冷する形態 と、 焼入れ、 焼戻しする形態とのいずれも採用することができる。 前者は母材へ のニッケル拡散効果を期待して軟質な部品を得る場合に有効であり、 後者は上記 効果を期待してより硬い部品を得る場合に好適である。
熱処理のガス雰囲気、 温度、 加熱時間などは、 通常の処理形態を採用すること ができる。 熱処理のガス雰囲気は、 母材に炭素を含まないものに対しては浸炭性 ガス雰囲気中で加熱される。 また、 母材に含有する炭素量が 0 . 6質量％以下の ものに対しても浸炭性ガス雰囲気中で加熱することができる。 浸炭性ガス雰囲気 のカーボンポテンシャルは、 母材の炭素量に応じて決定される。 例えば、 炭素量 が約 0 . 2質量％の鉄合金の場合は、 力一ボンポテンシャルは約 0 . 6〜0 . 8 %程度とされる。 この場合には、 熱処理温度は A 3変態点以上の約 8 5 0〜 9 0 0 °Cとされ、 また、 加熱時間は約 9 0〜 1 8 0分間程度とされる。 また、 母材へ の浸炭深さを少なくする場合などでは、 力一ボンポテンシャルを 1 . 2 %程度ま で高くすることができる。 このような加熱により、 ニッケル層およびその深部に 位置する母材に浸炭がなされるとともに、 ニッケルと鉄とが相互に拡散する。 ま た、 ニッケルおよび炭素の含有量は、 表面から深部に向かって徐々に減少する。 ■ また、 上記浸炭熱処理後に焼入れする場合では、 浸炭させる温度領域は比較的 高い温度、 例えば A 3変態点より 1 0 0 °C程度高い温度とし、 焼入れ準備段階の 保持温度を A 3変態点温度付近、 例えば A 3変態点より 5 0 °C程度高い温度とする ことができる。 このような 2段階の加熱を行うことで、 浸炭時間を短くすること ができ、 しかも焼入れ組織が良好なものとなる。 焼戻しは、 通常行われている態 様にしたがい、 1 8 0 °C前後の温度で 1時間程度加熱した後、 放冷して行う。 母材に炭素を含有するものに対して、 熱処理のガス雰囲気を母材の炭素量と同 じカーボンポテンシャルとして行うことができる。 このような平衡炭素濃度のガ ス雰囲気による熱処理によれば、 ガス雰囲気および母材中からニッケル被膜中に 浸炭され、 ニッケル層と鉄系材料の炭素量がほぼ同じ状態になるとともに、 ニッ ゲルが母材に拡散する。 採用する母材は、 炭素量が 0 . 4〜0 . 6質量％程度の ものが好ましい。
炭素含有量が比較的多い母材に対する熱処理は、 母材の炭素量より少ないカー ボンポテンシャルのガス雰囲気中で行うことができ、 この場合、 例えば炭素量 0 . 4〜0 . 9質量％程度の母材を適用することができる。 母材の炭素量より低い力 —ボンポテンシャルのガス雰囲気中で熱処理を行うと、 ガス雰囲気および母材中 の炭素がニッケル層に浸炭する。 母材の表層部は炭素量が減少するとともにニッ ゲルが拡散する。 熱処理のガス雰囲気がカーボンポテンシャルがないと、 ニッケ ル被膜への浸炭が母材だけから行われ、 母材の炭素量が減少するとともにニッケ ル被膜表面の炭素量が低いものとなるので、 ガス雰囲気のカーボンポテンシャル は 0 . 1 %以上にすることが好ましい。 このように、 ニッケルと鉄とが相互拡散 することによりニッケル層と母材とが強固に接合されるので、 剪断や衝撃を与え ても剥離が起こり難く、 また、 焼入れしてもひび割れや剥離を生じ難いものにな る。
( 6 ) 製品の断面組織
ニッケルメツキされた母材を浸炭性ガス中で加熱して徐冷した製品は、 表面が ニッケル層で覆われ、 ニッケル層の下層が鉄のパーライト組織またはフェライト とパーライ卜の混合組織になる。 熱処理前の母材に炭素が含まれていなく体積が 大きいものでは母材の中心部がフェライト組織になることがある。 熱処理前の母 材に炭素が含むものでは、 徐冷した製品は母材が鉄のパーライト組織またはフエ ライトとパーライトの混合組織となる。 また、 焼結材料からなる母材を用いたも のでは、 ニッケル層によって表面が封孔された状態となる。 なお、 ニッケルメッ キされた鉄または鉄基合金からなる母材を加熱した後焼入れおよび焼戻しした製 品は、 炭素を含みニッケルと鉄が拡散している領域が焼入れ性が向上しているた め、 特に母材の表層部は急冷によってマルテンサイト組織になり易い状態である。 母材のニッケル含有量は、 母材の表層から深部に向かって減少するので、 母材の 表層部がマルテンサイト組織であっても、 その深部がトルースタイト組織やべィ ナイト組織になることがある。 炭素を含まない比較的大きい母材の場合は、 母材 の中心部はフェライト組織になる。
ニッケルメツキされた炭素を含有する母材を、 母材の炭素量と同じカーボンポ テンシャルのガス中で加熱し徐冷した製品は、 パーライト組織またはフェライト とパーライトの混合組織になる。 また、 炭素を含有する母材を用い、 母材の炭素 量より低いカーボンポテンシャルのガス雰囲気中で加熱し徐冷した製品も、 パー ライト組織またはフェライトとパ一ライトの混合組織になる。 鉄基地にニッケル が拡散した領域は、 焼入れ性が向上しているため、 冷却速度が比較的速い場合は、 ペイナイト組織や微細なパ一ライト組織になる。
このような製品の断面は、 電子線マイクロアナライザ一 （E P MA： El ec t ron Probe
Mi croanalyzer) で、 炭素、 ニッケル、 リンおよび鉄の濃度 （この濃度は検出力 ゥント量を示しており、 以下同じことを意味するものとする) を分析することが できる。 例えば、 ニッケルメツキされた母材を浸炭性ガス中で加熱して徐冷した 製品の断面を E P MAにより分析した各元素の濃度は概して下記のとおりである。 すなわち、 炭素濃度はニッケル層表面が最も高く、 内部に向かって低下する。 二 ッケル濃度は、 ニッケル層の表面に炭素が多く含有しているため、 ニッケル層表 面では低くなる。 また、 ニッケル層の深部に向かって炭素量が減少する結果、 二 ッケル層の表面から僅かに深部ではニッケル濃度は最大値を示し、 さらに深部に 向かうにつれて鉄基地への拡散によりニッケル濃度は低下する。 一方、 炭素を含 む母材であって、 カーボンポテンシャルが低いガス雰囲気中で加熱し冷却した製 品の場合には、 炭素濃度は、 深部よりもニッケルの拡散層の方が低く、 ニッケル 層の表面が最も低くなる。 これは、 母材中の炭素がニッケル層に浸炭しているか らである。
また、 リン濃度は、 ニッケル濃度パターンと類似し、 ニッケル層表面で低く、 やや深部に向かって炭素濃度が減少することにより最大値を示し、 さらに深部の 鉄とニッケルとが相互に拡散する部位に向かって低下する。 なお、 ニッケル ' リ ンメツキ被膜中のリン含有量が多いほど、 上記炭素濃度が低くなり、 表面から炭 素が拡散する深さも小さくなる。 これに対し、 鉄濃度は、 ニッケル、 炭素または リンの拡散によって製品の表面に向かって低下する。
( 7 ) 製品の外観
熱処理されたニッケル層表面は、 光沢がない白灰色を呈する。 カーボンポテン シャルの高い浸炭性ガス雰囲気で熱処理したものでは、 ニッケル層表面に煤が付 着（soo t ing)する場合があるが、 これはバレル研磨などで除去することができる。 二ッケル層は熱処理によりピットなどの欠陥がなくなるとともに、 母材に冶金的 に接合された状態となり、 特に、 気孔がある焼結材料の場合では表面が封孔され ているため、 耐食性に優れたものとなる。 ニッケルメツキしたままの製品と、 そ れを熱処理した製品とを塩水噴霧試験すると、 その差は明白に現れる。 実施例
以下、 実施例により本発明を具体的に説明する。
•母材に焼結材料を使用した場合の熱処理品
(実施例 1 , 2 )
アトマイズ鉄粉 （アトメル 3 0 0 M：神戸製鋼所製） 、 電解銅粉 （C E 1 5 ： 福田金属箔粉工業製） 、 黒鉛粉 （サウスウェスタン製） および潤滑剤 （ステアリ ン酸亜鉛） を所定割合に混合した粉末を金型中で圧縮成形し、 ブタン変性ガス中、 温度 1 1 2 CTCで焼結した。 なお、 焼結体の組成は銅： 1 . 5質量％、 結合炭素 量： 0 . 2質量％とし、 密度 6 . 7 M g Zm3とした。
この焼結体に電気ニッケルメツキを施したもの （実施例 1 ) と、 無電解ニッケ ルメツキを施したもの （実施例 2 ) とを製作した。 ここでメツキ厚さは 5 mと した。 また、 無電解ニッケルメツキ中のリン含有量は低濃度とした。 このような 条件の下、 それぞれの試料に対して焼入れ、 焼戻し処理を順次施した。 焼入れは、 04 002412 カーボンポテンシャル 0 . 8 %の浸炭性ガス雰囲気中で温度 8 5 0 °Cで 2時間加 熱した後、 油焼入れすることにより行った。 また、 焼戻しは温度 1 8 0 °Cで 1時 間、 大気中で加熱し徐冷することにより行った。
(実施例 3， 4 )
母材は上記実施例 1， 2と同様の原料粉と製法により製作されたもので、 異な る点は焼結体の結合炭素量が 0 . 6質量％である。 この焼結体に、 電気ニッケル メツキを施したもの （実施例 3 ) と、 無電解ニッケルメツキを施したもの （実施 例 4 ) とを作製し、 各々、 カーボンポテンシャル 0 . 1 %のガス雰囲気中で温度 8 8 0 °Cで 1時間加熱した後、 油焼入れし、 焼戻し処理を施した。
(実施例 5 )
母材は上記実施例 3 , 4と同様の製法により製作されたもので、 焼結体の結合 炭素量が 0 . 6質量％である。 この焼結体に、 上記実施例と同様に電気ニッケル メツキを施した後、 カーボンポテンシャル 0 . 6 %のガス雰囲気中で温度 8 5 0 °Cで 2時間加熱し、 焼入れおよび焼戻しを行ったものを作製した。
以上のとおり作製された実施例 1〜 5について断面硬さを表 1に示す。
表 1
Figure imgf000014_0001
表 1によれば、 実施例 1および実施例 2は、 母材の表層部がマルテンサイトを 含む組織となっている。 これは、 母材にニッケルが拡散し、 浸炭しているからで ある。 電気メツキしたものに比べて無電解メツキしたものは、 硬さが表層部およ び深部ともにやや低くなつている。 これは、 無電解ニッケルメツキ被膜のリンが 浸炭を抑制しているからである。 これに対し、 実施例 3および実施例 4は、 母材 の表層部の硬さが低くなつている。 これは、 熱処理の雰囲気ガスのカーボンポテ ンシャルが低いため、 加熱中に母材の炭素量が減少したからである。 また、 電気 ニッケルメツキしたもの （実施例 3 ) に比べて無電解ニッケルメツキしたもの (実施例 4) は、 硬さがやや高くなつている。 これは、 無電解ニッケルメツキ被 膜のリンが母材の炭素の移動を抑制しているからである。 また、 実施例 5は、 母 材の表層部がマルテンサイトを含む組織となっている。 これは、.母材にニッケル が拡散し、 鉄基焼結合金からなる母材の炭素含有量が多いからである。
次に、 実施例 1 ( 0. 2 % C母材、 電気メツキ、 カーボンポテンシャル 0. 8 %のガス雰囲気中で熱処理） の熱処理体の断面を E PMAで線分析した結果を第 1図に示す。 縦軸は各元素の濃度 （検出カウント量） を示し、 横軸は表面からの 深さを示す。 第 1図によれば、 ニッケルと鉄とが相互に拡散し、 炭素がニッケル 層およびニッケルと鉄との拡散層に浸炭していることが判る。 これに対し、 実施 例 3 (0. 6 %C母材、 電気メツキ、 カーボンポテンシャル 0. 1 %のガス雰囲 気中で熱処理） の熱処理体の断面を E PMAで線分析した結果を第 2図に示す。 第 2図によれば、 母材へのニッケルの拡散がやや少なく、 母材中の炭素がニッケ ル層に拡散している。 また、 ニッケル層表面の炭素濃度が低い。 これらのことか ら、 実施例 1のように、 焼入れのときに浸炭性ガス雰囲気で加熱すると、 ニッケ ルと鉄との相互拡散が促進されることが判る。
また、 実施例 2 (0. 2 %C母材、 無電解メツキ、 カーボンポテンシャル 0. 8 %のガス雰囲気中で熱処理） の熱処理体については、 図示していないが、 鉄、 ニッケル、 炭素ともに第 1図に示したパターンと同様のパターンを示した。 第 1 図の場合と異なる点は、 炭素が表面部でもやや少なく、 浸炭深さもやや少ないこ とであった。 これは、 リンが浸炭を抑制しているためである。 この場合、 リンはく ニッケルのパターンと同様に表面が少なく、 表面から約 4 im程度で最大値を示 した。 また、 リンは、 それより深部に向かって減少し、 表面から約 Ι Ο ΠΙ程度 まで拡散していた。 これに対し、 実施例 4 (0. 6 %C母材、 無電解メツキ、 力 —ボンポテンシャル 0. 1 %のガス雰囲気中で熱処理） の熱処理体については、 図示していないが、 鉄、 ニッケル、 炭素ともに第 2図に示したパターンと同様の パターンを示した。 この場合、 リンは、 母材に約 5 m程度の拡散が認められた。 さらに、 実施例 5 (0. 6 %C母材、 電気メツキ、 カーボンポテンシャル 0. 6 %のガス雰囲気中で熱処理） の熱処理体については、 図示していないが、 鉄、 ニッケル、 炭素ともに第 1図に示したパターンと類似のパターンを示した。 異な る点は、 ニッケル層表面と母材の炭素濃度がほぼ同じになっていることである。 これは、 ニッケル層への浸炭が熱処理のガス雰囲気および母材中の含有炭素から 供給されたためである。 母材へのニッケルの拡散がやや少ない。
次に、 第 3図は、 塩水噴霧試験を 9 6時間行った後の試料外観写真である。 A は、 実施例 1の試料であり、 Bは、 電気ニッケルメツキしたままの熱処理してい ない試料である。 実施例 1の試料は、 熱処理による加熱および浸炭により、 ニッ ケル層が焼結されたような状態でニッケルメッキ層の欠陥が修復され、 二ッケル と鉄との拡散により強固な皮膜になっているものと考えられる。 電気ニッケルメ ツキしたままの試料については、 褐色の錡が多量に発生しており、 ニッケルメッ キ層で覆われているものの、 微細な隙間があるものと考えられる。 図示していな いが、 実施例 2〜 5においても実施例 1の試料と同様に鑌の発生が少なく、 差が 認められなかった。 これは、 熱処理時のガス雰囲気にかかわらず、 加熱により、 ニッケルメツキ層が母材に拡散し、 確実に接着するとともに、 ニッケルメツキ層 の微細な割れやピンポールなどの欠陥が修復されているものと考えられる。
•母材に溶製材料を使用した場合の熱処理品
(実施例 6〜 8 )
炭素量が 0 . 2 5質量％の機械構造用炭素鋼からなる切削加工された母材に無 電解ニッケルメツキを施し、 浸炭性ガス雰囲気中、 温度 8 8 0 °Cで 9 0分間加熱 した後、 急冷し、 温度 1 8 0 °Cで 1時間焼戻しを施した。 無電解ニッケルメツキ は、 ニッケルメツキ層中のリン含有量が質量比で低濃度のもの （実施例 6 ) 、 中 濃度のもの （実施例 7 ) および高濃度のもの （実施例 8 ) の 3種類で、 それぞれ メツキ厚さは 7 mとした。
これら熱処理された試料の断面を E P M Aで分析したニッケル拡散層の厚さは、 実施例 6では 2 3 i m、 実施例 7では 1 5 ^ m、 実施例 8では 1 0 mであった。 また、 断面組織は、 リン含有量が少ない実施例 6では、 深部約 3 0 がマルテ ンサイトになっており、 中心部は熱処理によって変態した微細化パーライト組織 となっていた。 これは、 母材の鉄基地中にニッケルが拡散したことにより、 その 部分の焼入れ性が向上したためである。 さらに、 リン含有量が多い実施例 8では、 マルテンサイト組織はほとんど認められず、 微細化したパーライトとフェライト の混合組織を示した。 これは、 ッケルの拡散が少ないとともに浸炭が僅かであ るからである。 これら実施例 6 8について、 各熱処理体の断面硬さを表 2に示 す。 '
表 2 熱処理体の断面硬さ（M HV)
Figure imgf000017_0001
表 2によれば、 リン含有量が少ない実施例 6では硬く、 リン含有量が多い実施 例 8では、 特に表面に近い部分の硬さが低いことが判る。 なお、 上記実施例 6〜 8についての塩水噴霧試験による耐食性は、 実施例 1の第 3図 Aに示した試料と 同様に、 いずれも良好であった。
以上のように、 実施例 6〜 8については、 ニッケルメツキ層中のリン含有量が 少ないもの (実施例 6 ) は、 二ッケル拡散深さおよび浸炭深さが大きく、 比較的 厚めに改質が起こることが判明した。 このため、 リン含有量が少ないものは、 特 に、 焼入れされる部品に好適である。 これに対し、 ニッケルメツキ層中のリン含 有量が多いもの （実施例 8 ) は、 焼入れ性が向上するまでには至っていないが、 ニッケル拡散層の厚さが 1 0 x mあり、 浸炭もニッケル層からニッケル拡散層ま でに至っていることが判明した。 このため、 ニッケル層の接合が十分に行われる とともに耐食性に富み、 しかもニッケル層が比較的硬い性質を有するものである といえる。
また、 ニッケルメツキ層中のリンの含有は、 浸炭およびニッケルの拡散を抑制 していることから、 無電解ニッケルメツキのリン含有量を浸炭量およびニッケル の拡散を制御する手段のひとつとして利用できる。 ただし、 上記手段を使用する 場合には、 好適な断面組織、 断面硬さおよびニッケルの拡散状態を考慮すれば、 ニッケルメツキ層中のリン含有量は適宜選択することが必要である。
以上、 各実施例から判るように、 鉄系材料からなる母材にニッケルメツキを施 した後、 カーボンポテンシャルがあるガス雰囲気中で熱処理した製品は、 ニッケ ル層のニッケルが鉄基地と相互に拡散し、 機械的強度が高く、 ニッケル層と母材 が高い密着性が形成されて剥離し難くなる。 また、 熱処理によりニッケル層は、 熱処理のガス雰囲気または母材に含まれる炭素によって浸炭され N i 一 C系合金 となり、 ニッケルよりやや硬い軟質相となるとともにメツキ層の欠陥がなくなる。 なお、 焼入れした場合は、 F e— N i — C系合金部分はマルテンサイト組織にな り易いことから硬くなり、 低炭素量あるいは炭素を含まない母材を用いれば、 表 層部が硬く中心部が軟質な鉄系部品とすることができる。 また、 熱処理品にショ ットビーニングゃバレル研磨処理を施すと、 表面光沢のある部品とすることがで さる。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 鉄または鉄基合金の表面が、 炭素を含有するニッケル層または炭素とリン を含有するニッケル層で被覆され、 前記鉄または鉄基合金基地にその深部に向か つてニッケル量が減少するニッケル拡散層が形成されているとともに、 前記ニッ ケル拡散層の少なくとも表面層に炭素が含有されていることを特徴とする鉄系部 α
ΡΡ ο
2 . 前記ニッケル拡散相がマルテンサイトを含む焼入れ金属組織であることを 特徴とする請求項 1に記載の鉄系部品。
3 . 耐摩耗性または耐食性が要求される機械要素または機構部品であることを 特徴とする請求項 1または請求項 2に記載の鉄系部品。
4 . 前記鉄または鉄基合金が溶製材料または焼結材料から製造されたものであ ることを特徴とする請求項 1〜 3のいずれかに記載の鉄系部品。
5 . 前記溶製材料が、 機械構造用炭素鋼であることを特徴とする請求項 4に記 載の鉄系部品。
6 . 前記焼結材料が、 F e— C u系合金、 または F e— C u— C系合金である ことを特徴とする請求項 4に記載の鉄系部品。
7 . 鉄または鉄基合金の表面にニッケル層を被覆し、 次いで、 力一ボンポテン シャルが 0 . 1〜 1 . 2 %の範囲内のガス雰囲気中で、 鉄炭素系標準状態図にお けるオーステナイト領域温度に加熱した後、 冷却することを特徴とする鉄系部品 の製造方法。
8 . 前記オーステナイト領域温度に加熱した後、 焼入れおよび焼戻しを施すこ とを特徴とする請求項 7に記載の鉄系部品の製造方法。
9 . 前記オーステナイト領域温度での加熱を、 浸炭およびニッケル拡散が促進 する第 1の温度に保持し、 次いで、 前記第 1の温度に比して低温の第 2の温度に 保持して焼入れを施すことを特徴とする請求項 8に記載の鉄系部品の製造方法。
1 0 . 前記ニッケル層が、 電気ニッケルメツキまたは無電解ニッケルメツキの 少なくとも一方により積層されたものであることを特徴とする請求項 7〜 9のい ずれかに記載の鉄系部品の製造方法。
1 1 . 前記ニッケル層が、 無電解ニッケルメツキにより形成されたリン含有量 が 1 5質量％以下のニッケル · リンメツキ被膜であり、 前記鉄または鉄基合金へ の浸炭量を多くする場合には前記リン含有量を少なくし、 前記鉄または鉄基合金 への浸炭量を少なくする場合には前記リン含有量を多くすることを特徴とする請 求項 7〜 1 0のいずれかに記載の鉄系部品の製造方法。
1 2 . 前記鉄または鉄基合金が、 溶製材料または鉄系焼結材料から製造された ものであることを特徴とする請求項 7〜 1 1のいずれかに記載の鉄系部品の製造 方法。
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