WO2007102280A1 - 変態を起こす金属の表面硬化処理方法 - Google Patents

変態を起こす金属の表面硬化処理方法 Download PDF

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WO2007102280A1
WO2007102280A1 PCT/JP2007/050380 JP2007050380W WO2007102280A1 WO 2007102280 A1 WO2007102280 A1 WO 2007102280A1 JP 2007050380 W JP2007050380 W JP 2007050380W WO 2007102280 A1 WO2007102280 A1 WO 2007102280A1
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WO
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cured
tool
hardening treatment
surface hardening
pressure
Prior art date
Application number
PCT/JP2007/050380
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English (en)
French (fr)
Inventor
Hidetoshi Fujii
Yasuhiro Yamaguchi
Toshitake Kanno
Yoya Fukuda
Original Assignee
Osaka University
Kimura Chuzosho Co., Ltd.
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Publication date
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    • 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
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/32—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for gear wheels, worm wheels, or the like
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/06—Surface hardening
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C21D5/00—Heat treatments of cast-iron
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    • C21D6/00—Heat treatment of ferrous alloys
    • 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
    • C21D7/00—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation
    • C21D7/13—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by hot working

Definitions

  • the present invention relates to a metal surface hardening method, and more particularly to a surface hardening method that improves the properties of the metal surface by subjecting the surface of the metal undergoing transformation to rubbing and Z or stirring.
  • steel parts such as press dies, sliding parts of machine tools, and gears have been subjected to surface hardening treatment by various methods in order to increase the surface hardness and improve the wear resistance.
  • a method of quenching the surface is widely used.
  • the usual quenching in steel is the temperature at which the internal solid solution structure forms an austenite structure with a face-centered cubic crystal structure (800-1300).
  • the material to be hardened After the material to be hardened is heated to (° C), it is quenched to prevent ferrite, pearlite, and bainite transformation, and has an acicular crystal structure consisting of fine crystals of plate or lens in the austenite structure.
  • This is a modification (hardening) technique that produces a martensite structure, and the name varies depending on the type of heat source.
  • Surface quenching includes flame nodding, induction quenching, electron beam quenching, laser quenching, and the like.
  • Flame nodening is a quenching method in which the surface of a material to be quenched is heated to a predetermined temperature with a flame of acetylene gas and oxygen gas using a burner and then rapidly cooled.
  • the frame hard jung does not require any special equipment, but in the case of manual work, the caloric heat temperature cannot be accurately controlled, so there is a drawback that it takes skill to obtain a uniform hardened layer. is there. In this way, there is a high tendency to depend on the skill of the operator.
  • the advantage is demonstrated for any hardened material with any complex shape, but it is inefficient and inappropriate for hardened material with a simple shape such as a sliding part of a machine tool. . (See Patent Documents 1, 2, and 3 below)
  • Induction hardening is a quenching method in which a material to be hardened is heated to a predetermined temperature by using heat generated by inducing high-frequency eddy currents by electromagnetic induction, and then rapidly quenched.
  • This treatment method utilizes the property that the induced current is maximized on the surface of the material to be hardened, while the induced current decreases toward the inside.
  • the quenching characteristics can be adjusted efficiently by appropriately combining the frequency for inducing eddy current, the material and shape of the heating coil, and the cooling system according to the material to be quenched.
  • There are shortcomings of poor versatility. See Patent Documents 4, 5, and 6 below.
  • Electron beam quenching is a quenching treatment method in which a material to be quenched is heated to a predetermined temperature using an electron beam, and then rapidly cooled. Since this quenching process is performed in a vacuum, expensive equipment is required.
  • Laser quenching is a quenching method in which a material to be quenched is heated to a predetermined temperature using a laser and then rapidly cooled. Like electron beam quenching, expensive equipment is required. In addition, since the metal quenching material reflects the laser, there is a disadvantage that a troublesome work of applying an absorbent such as graphite to the surface of the quenching material has to be performed.
  • Patent Documents 7 and 8 which disclose a technique for subjecting metal to friction and stirring as in the present invention, are introduced here.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 5-230536,
  • Patent Document 2 JP-A-8-311636
  • Patent Document 3 Japanese Patent Laid-Open No. 11-131182
  • Patent Document 4 Japanese Patent Laid-Open No. 2002-372382
  • Patent Document 5 Japanese Patent Laid-Open No. 2005-2445
  • Patent Document 6 Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2005-307307
  • Patent Document 7 International Application Publication WO93 / 10935
  • Patent Document 8 International Application Publication WO95 / 10935
  • Product loss A phenomenon (melting loss) in which the material to be quenched melts due to overheating. In a normal quenching process, since the hardness tends to increase as the quenching temperature increases, there is a concern that the temperature may be raised too much to melt the quenching material.
  • Coarse crystal grains Depending on the material to be hardened, the crystal grains may become coarse and the hardened layer may become brittle.
  • Hardening cracking A phenomenon in which a material to be hardened cracks due to thermal stress due to a temperature difference generated inside or outside of the material to be hardened by rapid heating and rapid cooling and transformation stress due to abnormal expansion due to Z or martensitic transformation. This is a fatal defect for the hardened material.
  • Burning unevenness This is a phenomenon in which a portion above and below a predetermined temperature occurs in the material to be hardened due to imperfect temperature control, and the hardness increases or decreases in part.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and can provide an epoch-making metal surface hardening method that fundamentally solves the above problems and defects in the prior art. it can.
  • the surface hardening treatment method of the present invention causes transformation inside the surface of the material to be cured by a simple and rapid treatment using frictional heat under pressure, thereby miniaturizing the surface internal structure of the material to be cured. This is a method of surface hardening treatment of a metal that causes transformation, which is modified to a martensitic structure.
  • the pressing is performed by pressing the bottom surface of the substantially cylindrical pressure tool at a predetermined pressure so that the bottom surface is slightly pressed into the surface of the material to be cured.
  • Generating local frictional heat between the pressure tool and the material to be cured, causing a transformation to a fine martensite structure in the part of the material to be cured that has received frictional heat, and frictional heat. Includes a step of moving the pressure tool at a predetermined speed when the surface of the material to be cured positioned near the pressure tool begins to soften.
  • a surface hardening treatment method for metal that causes transformation is provided, characterized in that the melting point temperature of the metal is X 0.5 (Kelvin) or higher and the surface temperature of the material to be cured is in the range of 850 to 1050 ° C. Is done.
  • the pressing is performed by pressing the bottom surface of the substantially cylindrical pressure tool at a predetermined pressure so that the bottom surface is slightly pushed into the surface of the material to be cured.
  • a local frictional heat is generated between the pressing tool and the material to be cured, and the surface of the material to be cured is agitated.
  • the heat input by frictional heat is at least the melting point temperature of the material to be cured X 0.5 (Kelvin), and the surface temperature of the material to be cured is in the range of 850 to 1050 ° C.
  • a method of surface hardening treatment of metal that causes transformation is provided.
  • the hardness of the material to be cured after the surface hardening treatment is input by frictional heat.
  • Heat quantity Q (W), Q 4/3 7r PNR 3 / V (where ⁇ is the coefficient of friction, ⁇ is the pressure applied by the pressure tool, ⁇ is the rotational speed of the pressure tool, and R is the diameter of the pressure tool. , V is the moving speed of the pressure tool.
  • the hardness of the material to be cured after the surface hardening treatment is input by frictional heat.
  • P N / V (where P is the rotation speed of the pressure tool, N is the rotation speed of the pressure tool, and V is There is provided a surface hardening treatment method characterized in that the surface hardening treatment method can be adjusted based on control based on the moving speed of the pressing tool.
  • the caloric pressure of the caloric pressure tool is in the range of 1000 to 6000Kg, preferably 2000 to 5500Kg.
  • the rotation speed of the calo pressure tool is in the range of 400 to 1500 rpm, preferably 800 to 1000 rpm, the diameter of the calo tool is 25 mm, the moving speed of the machining tool is 40 to 500 mm Zmin., Preferably 50 to! OOmm / min.,
  • the hardness of the material to be cured after the surface curing treatment is in the range of 500 to 930 Hv.
  • the pressing force of the processing tool is gradually increased during the surface hardening treatment.
  • a surface hardening treatment method is provided.
  • the pressurizing tool has a shape in which a bottom surface thereof is expanded.
  • a surface hardening treatment method is provided.
  • the surface hardening treatment method according to the first or second aspect wherein the pressing tool has a shape with a recessed bottom surface.
  • a surface hardening treatment method is provided.
  • the pressure tool has a hardness higher than the hardness of the material to be cured.
  • the surface hardening treatment method according to the first or second aspect characterized in that it is made of a high melting point metal or ceramics.
  • the refractory metal used for the processing tool is tool steel, tungsten alloy, molybdenum alloy, iridium.
  • a surface hardening treatment method characterized by being one selected from the group consisting of an alloy and tungsten carbide.
  • the ceramic used for the processing tool is a PCBN (Polycrystalline
  • the surface hardening treatment method according to the first or second aspect, wherein the pressurizing tool has a bottom surface and a covered surface when the surface hardening treatment is performed.
  • a surface hardening treatment method characterized in that an angle ⁇ formed between the surface of the hardening material and the surface of the material to be hardened is set to 0 °, that is, the both surfaces are parallel to each other.
  • the surface hardening treatment method according to the first or second aspect, wherein the pressurizing tool has a bottom surface and a covered surface when the surface hardening treatment is performed. It is characterized in that the angle formed between the surface of the cured material and the surface of the material is tilted so that the bottom surface on the front side in the moving direction is lifted so that the angle ⁇ is 0.5 to 10 °, preferably 2 to 5 °.
  • a surface hardening treatment method is provided.
  • the surface hardening treatment method according to the first or second aspect, wherein the material to be cured has a pearlite structure portion in the matrix structure.
  • a surface hardening treatment method characterized by being a material containing at least%.
  • the hardness of the material to be cured after the surface hardening treatment is higher than that in the surface layer portion subjected to stirring.
  • a surface hardening treatment method characterized by being raised from a relatively low surface layer portion to a lower portion.
  • the surface layer portion having a relatively low hardness is scraped off by machining.
  • a curing process method is provided.
  • the surface curing treatment method of the present invention can efficiently perform a curing treatment by a simple and rapid treatment regardless of the shape of the material.
  • the surface hardening treatment method of the present invention is heating by frictional heat under pressure, not by forced heating from the outside, so that the volume loss without overheating the material to be cured ( (Melting loss) can be prevented, and recrystallization of the material to be cured is promoted, Grain coarsening and brittleness of the hardened layer can be prevented.
  • the influence of frictional heat is limited only to the minimum portion of the material to be cured, so that the occurrence of internal stress is small, so that the material to be cured is cracked. Distortion, deformation, etc. do not occur.
  • the surface hardening treatment method of the present invention includes control of the pressure applied to the pressure tool, control of the rotation pitch of the pressure tool, that is, control of the rotation speed and movement speed, and the pressure applied to the material to be cured. It is based on reliable control that makes it easy to obtain the optimum condition of heat input to the material to be cured, such as the attitude control of the pressing tool. Obtainable.
  • the heat affected area on the material to be cured is very small, and since the heat affected area is continuously moved, the cooling is performed quickly. Deformation and distortion do not occur in the material to be cured without generating thermal stress and transformation stress due to temperature difference.
  • FIG. 1 (a) is a schematic perspective view showing an apparatus for carrying out the surface hardening treatment method of the present invention and its embodiment, and (b) is a surface hardening of the present invention. It is a schematic side view showing an example of the posture of the pressurizing tool in carrying out the processing method, and (c) and (d) are side views showing the shape of the pressurizing tool.
  • FIG. 2 is a photograph from above showing the surface state of the material to be cured after the curing treatment according to the first and second examples of the present invention.
  • FIG. 3 is a table showing the hardness results at predetermined positions of the material to be cured after the curing treatment according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. ) Is a graph showing the hardness results at each measurement position from the center to the forward side and the backward side
  • (c) is a graph showing each measurement from the surface based on the table of (a) in FIG. It is a graph which shows the hardness result in depth.
  • FIG. 4A (a) in FIG. 4A is a diagram of the material to be cured after the curing treatment according to the first embodiment of the present invention cut in the vertical direction at a position 6 mm away from the center of the stirring treatment portion in the forward direction. It is a microscopic structure photograph, (b) is an enlarged microscopic structural photograph at position B in FIG. 4A, and (c) is an enlarged microscopic structural photograph at position C in FIG. 4A.
  • FIG. 4B (d) of FIG. 4B is a micrograph of the material to be cured after the curing treatment according to the first embodiment of the present invention cut in the vertical direction at the central portion of the stirring treatment portion. ) Is an enlarged micrograph at position E in FIG. 4B, and (f) is an enlarged micrograph at position F in FIG. 4B.
  • FIG. 5 (a) is a table showing the hardness results at predetermined positions after the curing treatment of the material to be cured according to the second embodiment of the present invention
  • FIG. (C) is a graph showing the hardness results at each measurement position from the center based on the table of ()
  • (c) is the hardness at each measurement depth from the surface based on the table of (a) of FIG. It is a graph which shows a result.
  • FIG. 6A (a) of FIG. 6A is a view of the material to be cured after the curing treatment according to the second embodiment of the present invention cut in the vertical direction at a position 6 mm away from the center of the stirring treatment portion in the forward direction. It is a microscopic structure photograph, (b) is an enlarged microscopic structural photograph at position B in FIG. 6A, and (c) is an enlarged microscopic structural photograph at position C in FIG. 6A.
  • FIG. 6B (d) of Fig. 6B is a micrograph of the to-be-cured material after the curing treatment according to the second embodiment of the present invention cut in the vertical direction at the central portion of the stirring treatment portion. ) Is an enlarged micrograph at position E in Fig. 6B.
  • Fig. 7 is a photograph from above showing the surface state after effect processing of the material to be cured according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 (a) is a table showing the hardness results at predetermined positions after the curing treatment of the material to be cured according to the third embodiment of the present invention
  • FIG. (C) is a graph showing the hardness results at each measurement position from the center based on the table of ()
  • (c) is the hardness at each measurement depth from the surface based on the table of (a) of FIG. It is a graph which shows a result.
  • FIG. 9A (a) in FIG. 9A is a view of the material to be cured after the curing treatment according to the third embodiment of the present invention cut in the vertical direction at a position 6 mm away from the center of the stirring treatment portion in the forward direction.
  • (B) is an enlarged micrograph of the position B in Fig. 9A (a).
  • (C) is an enlarged micrograph of the position C at position C in (a) of FIG. 9A.
  • FIG. 9B (d) of Fig. 9B is a micrograph of the material to be cured after the curing treatment according to the third embodiment of the present invention cut in the vertical direction at the central portion of the stirring treatment portion. ) Is an enlarged micrograph of the position E in FIG. 9B (d), and (f) is an enlarged micrograph of the position F in FIG. 9B (d).
  • FIG. 10 is a photograph from above showing the surface state after effect processing of the material to be cured according to the fourth and fifth examples of the present invention.
  • FIG. 11 (a) is a table showing hardness results at predetermined positions after the curing treatment of the material to be cured according to the fourth embodiment of the present invention
  • FIG. FIG. 11 is a graph showing the hardness result at each measurement position from the center based on the table in a)
  • (c) is the hardness result at each measurement depth from the surface based on the table in FIG. 11A (a). It is a graph which shows.
  • FIG. 12A (a) in FIG. 12A shows a microscopic view of the material to be cured after the curing treatment according to the fourth embodiment of the present invention cut in the vertical direction at a position 6 mm away from the center of the stirring treatment portion in the forward direction. It is a mirror tissue photograph.
  • (B) is an enlarged microscopic microstructure photograph at position B in FIG. 12A (a).
  • FIG. 12B] (c) of FIG. 12B is a micrograph of the cured material after the curing treatment according to the fourth embodiment of the present invention cut in the vertical direction at the central portion of the stirring treatment portion, ) Is an enlarged microscopic micrograph at position D in FIG. 12B (c).
  • FIG. 13 (a) of FIG. 13 is a table showing the hardness results at predetermined positions after the curing treatment of the material to be cured according to the fifth embodiment of the present invention, and (b) of FIG. ) Is a graph showing the hardness results at each measurement position from the center, and (c) is a graph showing the hardness results at each measurement depth from the surface based on the table of (a) of FIG. It is a graph to show.
  • FIG. 14A] (a) of FIG. 14A is a material to be cured after the curing treatment according to the fifth embodiment of the present invention cut in the vertical direction at a position 6 mm away from the center of the stirring treatment portion in the forward direction.
  • Fig. 14 (b) is a magnified photomicrograph of the microscopic tissue at position B in Fig. 14A (a).
  • FIG. 14B (c) is a photomicrograph of the microstructure of the material to be cured after the curing treatment according to the fifth embodiment of the present invention, which was cut in the vertical direction at the center of the stirring treatment portion.
  • Figure 14 It is an enlarged micrograph at a position D in (c) of B.
  • FIG. 15 is a photograph from above showing a surface state after effect processing of a cured material according to a sixth example of the present invention.
  • FIG. 16 (a) is a table showing hardness results at predetermined positions after the curing treatment of the material to be cured according to the sixth embodiment of the present invention
  • FIG. FIG. 17 is a graph showing the hardness result at each measurement position from the center based on the table in a)
  • (c) is the hardness result at each measurement depth from the surface based on the table in FIG. It is a graph which shows.
  • FIG. 17A (a) in FIG. 17A is a microscopic view of the material to be cured after the curing treatment according to the sixth embodiment of the present invention cut in the vertical direction at a position 6 mm away from the center of the stirring treatment portion in the forward direction. It is a mirror structure photograph, and (b) is an enlarged microscope structure photograph at position B in (a) of FIG. 17A.
  • FIG. 17B (c) is a photomicrograph of the material to be cured after the curing treatment according to the sixth embodiment of the present invention cut in the vertical direction at the center of the stirring treatment part
  • ( d) is an enlarged micrograph of the position D at position D in FIG. 17B (c).
  • FIG. 18 is a table showing the Rockwell hardness of each material to be cured after each surface hardening treatment in Examples:!
  • the surface hardening treatment method of the present invention uses frictional heat to cause the material to be hardened to undergo transformation and refinement of the structure at the same time. It is a processing method. Therefore, the material to be cured (base material) is made of materials such as steel, pig iron and titanium. In terms of composition, a material containing 30% or more of a pearlite structure is a base material suitable for the surface hardening treatment method of the present invention.
  • FIG. 1 (a) shows a schematic perspective view of an apparatus for carrying out the metal surface hardening method for causing a transformation of the present invention.
  • reference numeral 1 denotes a material to be cured made of a metal that causes transformation.
  • Reference numeral 2 indicates a specific pressure, such as NC (Numerical Control) machine tool pressurization.
  • FIG. 1 shows a substantially cylindrical pressurizing tool that can be pressed, rotated, and moved by the rotating and moving device 3.
  • This pressure tool 2 has a force that varies depending on the material of the material to be cured 1. According to the experience so far, the surface of the material to be cured 1 is slightly pushed with a pressure in the range of about 2000 to 6000 kg during the surface curing process. 400 ⁇ : While moving in the direction of the arrow at a rotational speed in the range of 1500 to 1500rpm, it moves in the direction of arrow M at a speed in the range of 40 to 500mm / min., Preferably 40 to 200mm / min. It is supposed to be made. However, it goes without saying that it is not limited to these ranges.
  • the length of the surface hardening treatment for the material to be cured 1 can be adjusted by the moving distance of the pressure tool 2, while the width of the surface hardening treatment is determined by the selection of the diameter of the pressure tool and the number of treatments. Can be adjusted. In other words, if the desired surface hardening treatment width for the material to be cured 1 is large, repeat the adjacent friction stirring process.
  • ⁇ the coefficient of friction
  • ⁇ the pressure applied by the pressure tool
  • R is the diameter of the pressurizing tool
  • V moving speed of the pressurizing tool.
  • the moving distance (rotation pitch) of the pressing tool 2 during one rotation is one index. In other words, the heat input decreases as the rotational pitch increases.
  • heating control of the material to be cured 1 is performed based on these equations.
  • the heating temperature of the material to be cured 1 can be adjusted by appropriately controlling the rotation pitch of the pressurizing tool 2, that is, the rotational speed of the pressurizing tool 2 and the moving speed of the pressurizing tool 2. .
  • the surface hardening treatment can be performed on the material to be cured 1 which can easily obtain the optimum conditions and based on reliable control.
  • the amount of heat input by frictional heat in the present invention is the melting point temperature (Kelvin) of the material to be cured 1
  • the surface temperature of the material to be cured is in the range of 850 to 1050 ° C.
  • the attitude of the pressure tool 2 with respect to the material to be cured 1 during the surface curing treatment in other words, the angular relationship between the bottom surface of the pressure tool 2 and the surface of the material to be cured 1 is cured. It affects the pressurizing and stirring action on treatment material 1.
  • the angle relationship between the two surfaces is basically 0 °, that is, the bottom surface of the pressure tool 2 and the surface of the material to be cured 1 are parallel, but the material of the material to be cured 1 and the pressure tool
  • the moving direction of the pressing tool 2 is such that the angle ⁇ formed between the two faces is in the range of 0.5 to 10 °, preferably 2 to 5 °.
  • the pressure tool 2 can be given an inclined posture in which the bottom surface on the front side in the (arrow M direction) is lifted. (See (b) in Figure 1)
  • the bottom surface of the pressurizing tool is based on a flat surface.
  • a probe pin-like protrusion
  • a high melting point metal or ceramic having a hardness higher than the hardness of the material to be cured 1 is used.
  • the refractory metal any one force selected from the group consisting of tool steel, tungsten alloy, molybdenum alloy, iridium alloy, tungsten carbide (hard metal), etc. is used, and as the ceramic, PCBN (Polycrystal line)
  • the center in the width direction (where the center of the diameter direction of the pressurizing tool 2 is located) in the pressurizing / stirring processing section of the workpiece 1 is defined as the center section C, and the center section
  • the pressurization / stirring treatment part that flows in the same direction as the moving direction M of the pressurizing tool from C as the base point is defined as the forward side (advancing side).
  • the pressurization / stirring section that flows in the direction almost opposite to the moving direction M of the pressing tool is defined as the retreating side (retreating side).
  • the arrow A indicates the forward side
  • the arrow R indicates the backward side.
  • Example 1 The result of the surface hardening treatment of Example 1 performed on the spheroidal graphite pig iron (FCD700) as the material to be cured 1 using the apparatus shown in FIG. 2 in FIG. 2 showing the surface condition of the cured material 1, (a) to (c) in FIG. 3 showing the hardness result (Hv) of the cured material after the curing treatment, and the cured material after the curing treatment.
  • the base material hardness of the material to be cured is 202 to 234 Hv.
  • the pressure force was gradually increased with a pressure of 2000 kg and rotation speed of lOOCkpm.
  • the rotation speed was gradually decreased, and the pressure of the calorie was 3600 kg near the cutting position (2) in Fig. 2.
  • the rotation speed was 800i "pm.
  • the hardness results (Hv) of the cured material after the curing treatment in the vicinity of the cutting position of (2) in Fig. 2 are as shown in Figs. 3 (a) to (c), and (2) The minimum hardness of 226. 6 Hv at a distance of 10 mm away from the surface at a cutting position of 0.8 mm and a depth of 0.8 mm from the surface, and a depth of 1.1 mm from the surface at the center at the cutting position of (2)
  • Example 2 the results of the surface hardening treatment of Example 2 performed on the spheroidal graphite pig iron (FCD700) as the material to be cured using the apparatus shown in FIG. Shows the surface condition of the material to be cured after the curing treatment, 1 in FIG. 2, and the curing treatment after the curing treatment. 5 (a) to (c) showing the hardness results (Hv) of the material, and (a) to (c) of FIG. 6A, which are micrographs showing the internal structure of the material to be cured after the curing treatment. ) And (d) and (e) of FIG. 6B.
  • the base material hardness of the material to be cured is 202 to 234 Hv.
  • the force was gradually increased with a pressure of 2000 kg and a rotation speed of 900 rpm.
  • the pressure was 3000 kg and the rotation speed was 900 rpm.
  • the hardness results (Hv) of the cured material after the curing treatment in the vicinity of the cutting position of (1) in Fig. 2 are as shown in Figs. 5 (a) to (c), (1) At a cutting position of 4 mm away from the receding side and a minimum hardness of 205.3 Hv at a depth of 0.6 mm from the surface, 2 mm away from the advancing side at the cutting position of (1) and a depth from the surface of 0.1 mm. There is a variation in hardness between the maximum hardness of 908.
  • the pressing force of the pressing tool 2 is set to be slightly lower than that in the first embodiment, and the rotational pitch is reduced by lowering the rotational speed and doubling the moving speed.
  • the heat input by increasing the friction and stirring is set low.
  • the overall hardness distribution is lower than in Example 1. Nevertheless, a hardness of 500 to 900 Hv was obtained except for the surface layer (0 to 0.2 mm) of the material to be cured 1 and the vicinity of the center of the pressure tool 2, and the effect of the modification was clearly recognized. obtain.
  • This example is a pressurizing tool in which a probe having a length of 1.5 mm is provided on the bottom surface of the pressurizing tool 2 with respect to the hardened material of the spheroidal graphite pig iron (FCD700) as in the first and second embodiments.
  • FCD700 spheroidal graphite pig iron
  • the result of the surface curing treatment in Comparative Example 3 is a diagram showing the surface state of the material to be cured after the curing treatment, and a diagram showing the hardness result (Hv) of the material to be cured after the curing treatment.
  • 9 (a) to (c) and FIG. 9A (a) to (c) and FIG. 9B (d) to (c) which are micrographs showing the internal structure of the material to be cured after curing.
  • the base material hardness of the material to be cured is 202 to 234 Hv.
  • the pressure was 2000 kg and the rotation speed was 900 rpm.
  • the pressure was gradually increased while maintaining the same rotation speed, and the pressure was 3200 kg at the cutting position (1) in Fig. 7.
  • the device shown in Fig. 1 (a) is used for the flake graphite pig iron (FC300) as the material to be cured.
  • the results of the surface curing treatment of Example 4 performed using the apparatus are shown in FIG. 10 showing the surface state of the cured material after the curing treatment, and the hardness result (Hv) of the cured material after the curing treatment.
  • the base material hardness of the material to be cured is 178 to 212 Hv.
  • the pressure was 1000 kg and the rotation speed was 900 i "pm. While maintaining the same rotation speed, the pressure was gradually increased, and the pressure was 4600 kg near the cutting position (1) in Fig. 10. did.
  • Example 6 The result of the surface hardening treatment of Example 6 performed on the hardened steel (HMD, a trade name of Hitachi Metals, Ltd.) as the material to be hardened using the apparatus shown in FIG. 1 in FIG. 15 showing the surface state of the cured material after the curing treatment, (a) to (c) in FIG. 16 showing the hardness result (Hv) of the cured material after the curing treatment, and FIG. 17A (a) and (b) and FIG. 17 B (c) and (d) are micrographs showing the internal structure of the material to be cured after the curing treatment, respectively.
  • the base material hardness of the material to be cured is 222 to 247 Hv.
  • the pressure was 2000 kg and the rotation speed was 900 rpm. While maintaining the same rotation speed, the pressure force was gradually increased.
  • the pressure was 360 OKg and the rotation speed. was set to 800 rpm.
  • FIG. 18 is a table showing the Rockwell hardness of the material to be cured after the surface effect treatment in Examples 1 to 6. Since the measuring tool of the Rockwell hardness tester is a steel ball, the details of the cut surface of the cured material cannot be measured like the measuring needle of the Vickers hardness tester. The surface hardness of the material to be cured subjected to the surface effect treatment is shown. The vertical axis shows the materials to be cured used in Examples 1 to 6, and the horizontal axis shows the measurement positions (distance from the center of the pressure tool (mm)) on the forward and backward sides. Yes.
  • the surface layer portion (depth 0 to 0.2 mm in the embodiment of the present invention) has a relatively soft structure. Therefore, there is an advantage on the machined surface that machining of burrs and irregularities can be easily performed.
  • the surface of the material to be cured which requires no special skill or expensive processing equipment, can be rapidly and almost uniformly quenched with the desired hardness (around 900 Hv), and surface hardening treatment Since the amount of distortion and deformation that occurs in the material to be cured is significantly reduced, it exhibits excellent effects on the surface hardening treatment of industrial products such as press dies and sliding parts of machine tools. Is expected.

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Abstract

　溶損、焼き割れ、焼きむら、変形等を生じさせることなく、加圧下における摩擦熱を利用する単純かつ迅速な処理によって被硬化処理材の表面内部に変態を引き起こさせ、それによって被硬化処理材の表面内部組織を微細化されたマルテンサイト組織に改質するようにした変態を起こす金属の表面硬化処理方法である。この表面硬化処理方法は、略円柱状の加圧工具（２）を高速で回転させながらその底面を被硬化処理材（１）表面に若干押し込むように所定の圧力で押圧するにより加圧工具と被硬化処理材との間に局部的な摩擦熱を発生させることと、摩擦熱を受けた部分の被硬化処理材に変態を起こさせることと、摩擦熱によって加圧工具付近に位置する被硬化処理材の表面が軟化し始めたとき、加圧工具を移動させることの各ステップを含む。

Description

明 細 書
変態を起こす金属の表面硬化処理方法
技術分野
[0001] この発明は、金属の表面硬化処理方法に関し、特に変態を起こす金属の表面に摩 擦および Zまたは攪拌を施すことによってその金属表面の性質を改善するようにした 表面硬化処理方法に関する。
背景技術
[0002] 従来から、プレス金型、工作機械の摺動部分、歯車等の鉄鋼部品では、表面の硬 さを増し、耐摩耗性を向上させるために、各種方法により表面硬化処理が施されてい る。
[0003] 鉄や鉄鋼等の金属材料の表面硬化処理方法としては、従来、固体浸炭方法、ガス 浸炭方法、液体浸炭方法、高周波焼入れ方法、フレーム 'ハードニング (火焰焼入れ 、炎焼入れ)方法、メツキ方法、窒化方法などがある。
[0004] 一般的には、鉄や鉄鋼等の金属材料の表面硬化処理方法として、表面に焼入れ 処理を施す手法が広く行われている。鉄鋼における通常の焼入れは、内部の固溶体 組織が面心立方の結晶構造を有するオーステナイト組織化する温度（800〜 1300
°C)まで被焼入れ材を加熱した後、フェライト、パーライト、ベイナイト変態を阻止する ように、急冷することによってオーステナイト組織中に板状またはレンズ状の微細な結 晶からなる針状結晶構造を有するマルテンサイト組織を生じさせる改質 (硬化）手法 であり、加熱熱源の種類別に呼び名が異なっている。
[0005] 表面焼入れ処理には、フレーム'ノヽードニング、高周波焼入れ、電子ビーム焼入れ 、レーザー焼入れなどがある。
[0006] フレーム'ノヽードニングは、バーナーを用いてアセチレンガスと酸素ガスとの火焰で 被焼入れ材の表面を所定温度に加熱し、その後、急冷する焼入れ処理方法である。 フレーム ·ハードユングは特殊な設備を必要としないが、人手による作業の場合、カロ 熱温度を正確に制御することができないので、均一な硬化層を得るには熟練を要す ると言う欠点がある。このように、作業者の技量に依存する傾向が高いため、歯車な どの複雑な形状の被焼入れ材に対してはその利点が発揮されるが、工作機械の摺 動部のような単純形状の被焼入れ材に対しては非効率的で不適とされてレ、る。 （下 記の特許文献 1、 2、および 3参照）
[0007] 高周波焼入れは、電磁誘導によって、高周波の渦電流を誘起させて発生する熱を 利用して被焼入れ材を所定温度に加熱し、その後、急冷する焼入れ処理方法である 。この処理方法は、被焼入れ材の表面で誘導電流が最大となり、一方、内部に向かう に従って誘導電流が減少するという特性を利用している。渦電流を誘起させるための 周波数、加熱コイルの材質や形状、冷却システムなどを被焼入れ材に応じて適切に 組み合わせることによって焼き入れ特性の調整を効率よく行うことができると言う利点 があるが、汎用性に乏しい欠点がある。 （下記の特許文献 4、 5、および 6参照）
[0008] 電子ビーム焼き入れは、電子ビームを用いて被焼入れ材を所定温度に加熱し、そ の後、急冷する焼き入れ処理方法である。この焼き入れ処理は真空中で行われるの で、高価な設備を必要とする。
[0009] レーザー焼き入れは、レーザーを用いて被焼入れ材を所定温度に加熱し、その後 、急冷する焼き入れ処理方法である。電子ビーム焼き入れ同様、高価な設備を必要 とする。また、金属の被焼入れ材がレーザーを反射してしまうため、被焼入れ材の表 面に黒鉛などの吸収剤を塗布する面倒な作業を施さなければならない欠点がある。
[0010] なお、金属を接合する発明であり、本発明ように金属の表面硬化処理方法とは発 明の目的において本質的に異なり、そこで使用される工具にも明らかな差異が認め られるものの、本発明と同様に金属に摩擦 ·攪拌を施す技術を開示している下記特 許文献 7および 8をここに紹介しておく。
[0011] 特許文献 1 :特開平 5— 230536号公報、
特許文献 2 :特開平 8— 311636号公報
特許文献 3：特開平 11一 131182号公報
特許文献 4 :特開 2002— 372382号公報
特許文献 5：特開 2005 - 2445号公報
特許文献 6：特開 2005 - 307307号公報
特許文献 7：国際出願公開 WO93/10935公報 特許文献 8：国際出願公開 WO95/10935公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0012] これら従来の処理方法に共通して言えることは、何れも被焼入れ材に対して外部か ら強制的に熱を加えるということであって、強制的な加熱によって下記のような共通の 問題点や欠陥が発生する虞を避けることができない。
•積損失:過加熱により被焼入れ材が溶けてしまう現象 (溶損）である。通常の焼き入 れ処理においては、焼き入れ温度が高いほど硬度が増す傾向にあるので、温度を上 げすぎて被焼入れ材を溶力してしまう虞がある。
•結晶粒の粗大化:被焼入れ材の材料によっては結晶粒が粗大化し、硬化層を脆ィ匕 させてしまう虞がある。
•焼き割れ：急加熱および急冷によって被焼入れ材の内 ·外部に生じた温度差による 熱応力および Zまたはマルテンサイト変態に伴う異常膨張に起因する変態応力によ つて被焼入れ材に割れが生じる現象であり、被焼入れ材にとって致命的な欠陥とな る。
•焼きむら:温度調節の不完全さから所定の温度以上および以下の部分が被焼入れ 材に生じ、部分的に硬度が高くなり過ぎたり低下したりする現象である。
•変形 ·歪：実際の被焼入れ材は複雑な形状を有していることが多いので、付加する 熱量や冷却速度に部分的な差が生じる。温度差が生じた部分に熱応力が発生する と共に、変態応力も加わり、これらの応力が複雑に影響して被焼入れ材の寸法が伸 びたり、縮んだり、変形したりする現象である。
[0013] 本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであって、従来技術における上記諸 問題や欠陥を根本から解決する、画期的な金属の表面硬化処理方法を提供するこ とができる。本発明の表面硬化処理方法は、加圧下における摩擦熱を利用する単純 かつ迅速な処理によって被硬化処理材の表面内部に変態を引き起こさせ、それによ つて被硬化処理材の表面内部組織を微細化したマルテンサイト組織に改質するよう にした、変態を起こす金属の表面硬化処理方法である。
課題を解決するための手段 [0014] 本発明の第 1の態様によれば、略円柱状の加圧工具を高速で回転させながらその 底面を被硬化処理材の表面に若干押し込むように所定の圧力で押圧することにより 加圧工具と被硬化処理材との間に局部的な摩擦熱を発生させることと、被硬化処理 材の摩擦熱を受けた部分に微細なマルテンサイト組織への変態を起こさせることと、 摩擦熱によって加圧工具付近に位置する被硬化処理材の表面が軟化し始めたとき、 加圧工具を所定の速度で移動させることの各ステップを含み、摩擦熱による投入熱 量は、被硬化処理材の融点温度 X 0. 5 (ケルビン)以上であり、被硬化処理材の表 面温度は 850〜1050°Cの範囲であることを特徴とする、変態を起こす金属の表面硬 化処理方法が提供される。
[0015] 本発明の第 2の態様によれば、略円柱状の加圧工具を高速で回転させながらその 底面を被硬化処理材の表面に若干押し込むように所定の圧力で押圧することにより 加圧工具と被硬化処理材との間に局部的な摩擦熱を発生させると共に被硬化処理 材の表面を攪拌することと、被硬化処理材の摩擦熱を受けた部分に微細なマルテン サイト組織への変態と塑性流動とを起こさせることと、摩擦熱によって加圧工具付近 に位置する被硬化処理材の表面が軟化し始めたとき、加圧工具を所定の速度で移 動させることの各ステップを含み、摩擦熱による投入熱量は、被硬化処理材の融点 温度 X 0. 5 (ケルビン）以上であり、被硬化処理材の表面温度は 850〜1050°Cの範 囲であることことを特徴とする、変態を起こす金属の表面硬化処理方法が提供される
[0016] 本発明の第 3の態様によれば、上記第 1または第 2の態様に記載の表面硬化処理 方法であって、表面硬化処理後の被硬化処理材の硬度は、摩擦熱による投入熱量 Q (W)を、 Q = 4/3 7r PNR3/V (ただし、 μは摩擦係数、 Ρは加圧工具による圧 力、 Νは加圧工具の回転速度、 Rは加圧工具の直径、 Vは加圧工具の移動速度であ る。 )に基づいて制御することによって調整され得ることを特徴とする表面硬化処理方 法が提供される。
[0017] 本発明の第 4の態様によれば、上記第 1または第 2の態様に記載の表面硬化処理 方法であって、表面硬化処理後の被硬化処理材の硬度は、摩擦熱による投入熱量 を、 P = N/V (ただし、 Pは加圧工具の回転ピッチ、 Nは加圧工具の回転速度、 Vは 加圧工具の移動速度）に基づいて制御することによって調整され得ることを特徴とす る表面硬化処理方法が提供される。
[0018] 本発明の第 5の態様によれば、上記第 3の態様に記載の表面硬化処理方法であつ て、カロ圧工具のカロ圧力を 1000〜6000Kg、好ましくは 2000〜5500Kg、の範囲、 カロ圧工具の回転速度を 400〜1500rpm、好ましくは 800〜1000rpm、の範囲、カロ ェ工具の直径を 25mm、加工工具の移動速度を 40〜500mmZmin.、好ましくは 50〜： !OOmm/min.、の範囲とするとき、表面硬化処理後の被硬化処理材の硬度 は 500〜930Hvの範囲であることを特徴とする表面硬化処理方法が提供される。
[0019] 本発明の第 6の態様によれば、上記第 5の態様に記載の表面硬化処理方法であつ て、加工工具の加圧力は表面硬化処理中に徐々に強められることを特徴とする表面 硬化処理方法が提供される。
[0020] 本発明の第 7の態様によれば、上記第 1または第 2の態様に記載の表面硬化処理 方法であって、加圧工具は、その底面を膨らませた形状であることを特徴とする表面 硬化処理方法が提供される。
[0021] 本発明の第 8の態様によれば、上記第 1または第 2の態様に記載の表面硬化処理 方法であって、加圧工具は、その底面を凹ませた形状であることを特徴とする表面硬 化処理方法が提供される。
[0022] 本発明の第 9の態様によれば、上記第 1または第 2の態様に記載の表面硬化処理 方法であって、加圧工具は、被硬化処理材の硬度よりも高い硬度を有する高融点金 属またはセラミックスから作られていることを特徴とする上記第 1または第 2の態様に 記載の表面硬化処理方法が提供される。
[0023] 本発明の第 10の態様によれば、上記第 9の態様に記載の表面硬化処理方法であ つて、加工工具に用いられる高融点金属は、工具鋼、タングステン合金、モリブデン 合金、イリジウム合金およびタングステンカーバイド等からなるグループから選ばれる 1つであることを特徴とする表面硬化処理方法が提供される。
[0024] 本発明の第 11の態様によれば、上記第 9の態様に記載の表面硬化処理方法であ つて、加工工具に用いられるセラミックスは、 PCBN(Polycrystalline
Cubic Boron Nitride)または窒化ケィ素等であることを特徴とする表面硬化処理方法 が提供される。
[0025] 本発明の第 12の態様によれば、上記第 1または第 2の態様に記載の表面硬化処 理方法であって、加圧工具は、表面硬化処理の実施時に、その底面と被硬化処理 材の表面との間に形成される角度 Θが 0° 、すなわち、双方の面を平行状態とするよ うな姿勢を被硬化処理材に対して取ることを特徴とする表面硬化処理方法が提供さ れる。
[0026] 本発明の第 13の態様によれば、上記第 1または第 2の態様に記載の表面硬化処 理方法であって、加圧工具は、表面硬化処理の実施時に、その底面と被硬化処理 材の表面との間に形成される角度 Θが 0. 5〜： 10° 、好ましくは 2〜5° 、になるように 移動方向における前方側の底面が浮き上がる傾き姿勢を取ることを特徴とする表面 硬化処理方法が提供される。
[0027] 本発明の第 14の態様によれば、上記第 1または第 2の態様に記載の表面硬化処 理方法であって、被硬化処理材は、母材組織中にパーライト組織部を 30%以上含 む材料であることを特徴とする表面硬化処理方法が提供される。
[0028] 本発明の第 15の態様によれば、上記第 2の態様に記載の表面硬化処理方法であ つて、被硬化処理材の表面硬化処理後の硬度は、攪拌を受ける表層部において比 較的低ぐ表層部から下の部分において高くなつていることを特徴とする表面硬化処 理方法が提供される。
[0029] 本発明の第 16の態様によれば、上記第 15の態様に記載の表面硬化処理方法で あって、比較的硬度の低い表層部は、機械加工により削り取られることを特徴とする 表面硬化処理方法が提供される。
発明の効果
[0030] 上記各態様を有する本発明は、次のような効果および利点を有する。
[0031] 本発明の表面硬化処理方法は、材料の形状を問わず、単純かつ迅速な処理によ つて効率よく硬化処理を施すことができる。
[0032] また、本発明の表面硬化処理方法は、外部からの強制的加熱によらず、加圧下に おける摩擦熱による加熱であることから被硬化処理材を過加熱することなぐ容積損 失 (溶損）を防止することができるとともに、被硬化処理材の再結晶化を促進し、結晶 粒の粗大化および硬化層の脆ィ匕を防ぐことができる。
[0033] また、本発明の表面硬化処理方法は、摩擦熱の影響を受けるのは被硬化処理材 の極小部に限られるので、内部応力の発生が少なぐそのため被硬化処理材に焼き 割れ、歪、変形、等が生じない。
[0034] また、本発明の表面硬化処理方法は、加圧工具への加圧力制御と、加圧工具の回 転ピッチ、すなわち、回転速度および移動速度の制御と、被硬化処理材に対する該 加圧工具の姿勢制御という、被硬化処理材に対する投入熱量の最適条件を得やす い確実な制御に基づいて行われるので、焼むらを生じることなぐ同一条件下であれ ば全体的に均一な硬度を得ることができる。
[0035] さらに、本発明の表面硬化処理方法は、被硬化処理材に対する熱の影響範囲が 非常に少なぐかつ、熱による影響部が連続的に移動することから冷却も速やかに行 われるので、温度差による熱応力や変態応力を発生することなぐ被硬化処理材に 変形や歪が生じない。
[0036] 上記ならびに本発明の他の目的、態様、そして利点は、本発明の原理に合致する 好適な具体例が実施例として示されている以下の詳細な記述及び添付の図面に関 連して説明されることにより、当該技術の熟達者にとって明らかになるであろう。
図面の簡単な説明
[0037] [図 1]図 1の（a)は本発明の表面硬化処理方法を実施するための装置とその実施状 態とを示す概略斜視図であり、 (b)は本発明の表面硬化処理方法を実施する際にお ける加圧工具の姿勢の一例を示す概略側面図であり、 (c)および（d)は何れも加圧 工具の形状を示す側面図である。
[図 2]図 2は、本発明の第 1および第 2の実施例による硬化処理後の被硬化処理材の 表面状態を示す上方からの写真である。
[図 3]図 3の（a)は本発明の第 1の実施例による硬化処理後の被硬化処理材の所定 位置における硬度結果を示す表であり、（b)は、図 3の（a)の表に基づいて、中心か ら前進側および後退側の各測定位置における硬度結果を示すグラフであり、（c)は、 図 3の（a)の表に基づいて、表面からの各測定深さにおける硬度結果を示すグラフで ある。 [図 4A]図 4Aの（a)は攪拌処理部の中心から前進方向に 6mm離れた位置で垂直方 向に切断された本発明の第 1の実施例による硬化処理後の被硬化処理材の顕微鏡 組織写真であり、（b)は図 4A中の位置 Bにおける拡大顕微鏡組織写真であり、 (c) は図 4A中の位置 Cにおける拡大顕微鏡組織写真である。
[図 4B]図 4Bの（d)は攪拌処理部の中心部で垂直方向に切断された本発明の第 1の 実施例による硬化処理後の被硬化処理材の顕微鏡組織写真であり、 (e)は図 4B中 の位置 Eにおける拡大顕微鏡組織写真であり、 (f)は図 4B中の位置 Fにおける拡大 顕微鏡組織写真である。
[図 5]図 5の（a)は本発明の第 2の実施例による被硬化処理材の硬化処理後の所定 位置における硬度結果を示す表であり、（b)は、図 5の（a)の表に基づいて、中心か らの各測定位置における硬度結果を示すグラフであり、（c)は、図 5の（a)の表に基 づいて、表面からの各測定深さにおける硬度結果を示すグラフである。
[図 6A]図 6Aの（a)は攪拌処理部の中心から前進方向に 6mm離れた位置で垂直方 向に切断された本発明の第 2の実施例による硬化処理後の被硬化処理材の顕微鏡 組織写真であり、（b)は図 6A中の位置 Bにおける拡大顕微鏡組織写真であり、 (c) は図 6A中の位置 Cにおける拡大顕微鏡組織写真である。
[図 6B]図 6Bの（d)は攪拌処理部の中心部で垂直方向に切断された本発明の第 2の 実施例による硬化処理後の被硬化処理材の顕微鏡組織写真であり、 (e)は図 6B中 の位置 Eにおける拡大顕微鏡組織写真である。
[図 7]図 7は、本発明の第 3の実施例による被硬化処理材の効果処理後の表面状態 を示す上方からの写真である。
[図 8]図 8の（a)は本発明の第 3の実施例による被硬化処理材の硬化処理後の所定 位置における硬度結果を示す表であり、（b)は、図 8の（a)の表に基づいて、中心か らの各測定位置における硬度結果を示すグラフであり、（c)は、図 8の（a)の表に基 づいて、表面からの各測定深さにおける硬度結果を示すグラフである。
[図 9A]図 9Aの（a)は攪拌処理部の中心から前進方向に 6mm離れた位置で垂直方 向に切断された本発明の第 3の実施例による硬化処理後の被硬化処理材の顕微鏡 組織写真であり、（b)は、図 9Aの（a)中の位置 Bにおける拡大顕微鏡組織写真であ り、（c)は、図 9Aの（a)中の位置 Cにおける拡大顕微鏡組織写真である。
[図 9B]図 9Bの（d)は攪拌処理部の中心部で垂直方向に切断された本発明の第 3の 実施例による硬化処理後の被硬化処理材の顕微鏡組織写真であり、 （e)は、図 9B の（d)中の位置 Eにおける拡大顕微鏡組織写真であり、 (f)は、図 9Bの（d)中の位置 Fにおける拡大顕微鏡組織写真である。
[図 10]図 10は、本発明の第 4および第 5の実施例による被硬化処理材の効果処理後 の表面状態を示す上方からの写真である。
[図 11]図 11の（a)は本発明の第 4の実施例による被硬化処理材の硬化処理後の所 定位置における硬度結果を示す表であり、（b)は、図 11Aの（a)の表に基づいて、中 心からの各測定位置における硬度結果を示すグラフであり、（c)は、図 11Aの（a)の 表に基づいて、表面からの各測定深さにおける硬度結果を示すグラフである。
[図 12A]図 12Aの（a)は攪拌処理部の中心から前進方向に 6mm離れた位置で垂直 方向に切断された本発明の第 4の実施例による硬化処理後の被硬化処理材の顕微 鏡組織写真である。 （b)は、図 12A (a)中の位置 Bにおける拡大顕微鏡組織写真で ある。
園 12B]図 12Bの（c)は、攪拌処理部の中心部で垂直方向に切断された本発明の第 4の実施例による硬化処理後の被硬化処理材の顕微鏡組織写真であり、（d)は、図 1 2Bの（c)中の位置 Dにおける拡大顕微鏡組織写真である。
園 13]図 13の（a)は、本発明の第 5の実施例による被硬化処理材の硬化処理後の 所定位置における硬度結果を示す表であり、（b)は、図 13の（a)の表に基づいて、 中心からの各測定位置における硬度結果を示すグラフであり、（c)は、図 13の（a)の 表に基づいて、表面からの各測定深さにおける硬度結果を示すグラフである。
[図 14A]図 14Aの（a)は、攪拌処理部の中心から前進方向に 6mm離れた位置で垂 直方向に切断された本発明の第 5の実施例による硬化処理後の被硬化処理材の顕 微鏡組織写真であり、（b)は、図 14Aの（a)中の位置 Bにおける拡大顕微鏡組織写 真である。
[図 14B]図 14Bの（c)は攪拌処理部の中心部で垂直方向に切断された本発明の第 5 の実施例による硬化処理後の被硬化処理材の顕微鏡組織写真であり、（d)は、図 14 Bの（c)中の位置 Dにおける拡大顕微鏡組織写真である。
[図 15]図 15は、本発明の第 6の実施例による被硬化処理材の効果処理後の表面状 態を示す上方からの写真である。
[図 16]図 16の（a)は、本発明の第 6の実施例による被硬化処理材の硬化処理後の 所定位置における硬度結果を示す表であり、（b)は、図 16の（a)の表に基づいて、 中心からの各測定位置における硬度結果を示すグラフであり、（c)は、図 16の（a)の 表に基づいて、表面からの各測定深さにおける硬度結果を示すグラフである。
[図 17A]図 17Aの（a)は攪拌処理部の中心から前進方向に 6mm離れた位置で垂直 方向に切断された本発明の第 6の実施例による硬化処理後の被硬化処理材の顕微 鏡組織写真であり、 (b)は図 17Aの（a)中の位置 Bにおける拡大顕微鏡組織写真で ある。
[図 17B]図 17Bの（c)は、攪拌処理部の中心部で垂直方向に切断された本発明の第 6の実施例による硬化処理後の被硬化処理材の顕微鏡組織写真であり、（d)は、図 1 7Bの（c)中の位置 Dにおける拡大顕微鏡組織写真である。
[図 18]実施例:!〜 6における各表面硬化処理後の各被硬化処理材のロックウェル硬 度を示す表である。
符号の説明
[0038] 1 被硬化処理材
2 加圧工具
3 加圧、回転、移動装置
発明を実施するための最良の形態
[0039] 以下、本発明を実施するための最良の形態を添付の図面を参照しながら詳細に説 明する。
[0040] 上記したとおり、本発明の表面硬化処理方法は、摩擦熱を利用して、被硬化処理 材に変態と組織の微細化とを同時に引き起こさせるようにした、変態を起こす金属の 表面硬化処理方法である。従って、被硬化処理材 (母材）としては、鋼、鎳鉄、チタン 等の材料からなるものが対象となる。組成面から言えば、パーライト組織を 30%以上 含む材料が本発明の表面硬化処理方法に適す母材となる。 [0041] 図 1の（a)には、本発明の変態を起こす金属の表面硬化処理方法を実施するため の装置が概略斜視図で示されている。
[0042] 図 1の（a)において、参照符号 1は変態を起こす金属からなる被硬化処理材を示し
、参照符号 2は具体的に図示しなレ、NC (Numerical Control)工作機械等の加圧
、回転、移動装置 3で加圧、回転、および移動させられる略円柱状の加圧工具を示し ている。
[0043] この加圧工具 2は、被硬化処理材 1の材質によって異なる力 これまでの経験では 、表面硬化処理時に凡そ 2000〜6000Kgの範囲の圧力で被硬化処理材 1の表面 に若干押し込まれるように押し付けられ、 400〜： 1500rpmの範囲の回転速度で帯矢 印方向に回転させられながら 40〜500mm/min.、好ましくは 40〜200mm/min .、の範囲の速度で矢印 M方向に移動させられるようになっている。し力し、これらの 範囲に限定されないことは言うまでもない。
[0044] また、被硬化処理材 1に対する表面硬化処理の長さは加圧工具 2の移動距離によ つて調整され得、一方、表面硬化処理の幅は加圧工具の径の選択と処理回数によつ て調整され得る。すなわち、被硬化処理材 1に対する所望の表面硬化処理幅が大き レ、場合は、隣接した摩擦攪拌工程を繰り返し施せばょレ、。
[0045] この加圧下における加圧工具 2の高速回転により、被硬化処理材 1と加圧工具 2と の間に摩擦熱が発生するとともに、摩擦熱を受けた部分の被硬化処理材 1に変態が 生じる。本発明では、この変態を通して、微細なマルテンサイト組織の結晶を生成さ せる。結晶が微細になれば材料の強度は増し、硬度も高くなる。
[0046] 本発明において、変態後の結晶が微細なマルテンサイト組織になる他の要因として 、高い圧力で加圧していること、および Zまたは攪拌による被硬化処理材 1の塑性流 動が生じることが挙げられ、さらに、摩擦熱の発生に関与する加圧工具を移動させる ことから、被硬化処理材 1の発熱は局部的なものとなり、従って、冷却速度が速いの で結晶粒に成長時間が与えられないことが考えられる。
[0047] 摩擦熱による被硬化処理材 1への投入熱量 Q (W)は、 Q = 4/3 π 2 μ PNR3/V ( ただし、 μは摩擦係数、 Ρは加圧工具による圧力、 Νは加圧工具の回転速度、 Rは加 圧工具の直径、 Vは加圧工具の移動速度である。）で表されることが知られている。こ れによれば、摩擦 ·攪拌による発熱量 Qは加圧工具 2による圧力 P、加圧工具 2の回 転速度 Nおよび加圧工具 2の直径 Rの 3乗に比例し、一方、加圧工具 2の移動速度 に反比例することになる。上記の式以外に、投入熱量 Q (W)は、 p=V/N (ただし、 pは加圧工具の回転ピッチ、 Vは加圧工具の移動速度、 Nは加圧工具の回転速度で ある。）で簡単に表すことができる。後述した式によれば、 1回転する間における加圧 工具 2の移動距離（回転ピッチ）が 1つの指標となっている。すなわち、回転ピッチが 大きくなると、投入熱量は減少することになる。
[0048] 本発明では、これらの式に基づいて被硬化処理材 1の加熱制御が行われる。言い換 えれば、被硬化処理材 1の加熱温度は、加圧工具 2の回転ピッチ、すなわち、加圧ェ 具 2の回転速度、加圧工具 2の移動速度を適宜制御することによって調整され得る。 その結果、本発明では被硬化処理材 1に対して最適条件を得やすレ、確実な制御に 基づレ、て表面硬化処理を行うことができる。
[0049] 本発明における摩擦熱による投入熱量は、被硬化処理材 1の融点温度（ケルビン）
X 0. 5以上であり、この場合、被硬化処理材の表面温度は 850〜： 1050°Cの範囲と なる。
[0050] また、本発明では、表面硬化処理時に被硬化処理材 1に対する加圧工具 2の姿勢 、言い換えれば、加圧工具 2の底面と被硬化処理材 1の表面との角度関係が被硬化 処理材 1に対する加圧および攪拌作用に影響を与える。双方の面の角度関係は基 本的には 0° 、すなわち、加圧工具 2の底面と被硬化処理材 1の表面とを平行状態と するが、被硬化処理材 1の材質や加圧工具 2の回転ピッチの選択如何で、双方の面 の間に形成される角度 Θが 0. 5〜： 10° 、好ましくは 2〜5° 、の範囲になるように、加 圧工具 2の移動方向（矢印 M方向）における前方側の底面が浮き上がる傾き姿勢を 加圧工具 2に与えることができる。 （図 1の（b)参照）
次に、本発明の表面硬化処理に用いられる加圧工具 2の形状について説明する。
[0051] 後述する実施例では 25mmの直径を有する略円柱状の加圧工具が使用されたが 、本発明に至るまでの実験では、 15〜50mmの直径を有する加圧工具の使用が試 みられている。加圧工具 2の直径が 15mmより小さい場合には、処理施工中に表面 の軟化により加圧工具 2が必要以上に被硬化処理材 1中に深く入り込んでしまうとい う問題が生じる。ただし、後述する実施例では荷重一定制御の装置を用いたことから 、加圧工具 2が必要以上に被硬化処理材 1中に深く入り込むという問題が生じたが、 被硬化処理材 1に対する加圧工具 2の位置一定制御等の制御法を採用すれば、こ の問題は回避可能であり、直径が 15mmより小さい加圧工具 2でも有効に使用するこ とができる。一方、加圧工具 2の直径が 50mmより大きい場合には、微細マルテンサ イト組織生成の一要因と考えられる十分な圧力を掛けるのに必要な荷重が大きくなり 過ぎるという問題が生じる。しかし、極めて高剛性の大型装置を用いることにより、直 径が 50mmより大きい加圧工具 2の使用が可能になることは言うまでもない。
[0052] また、表面硬化処理時に軟化した被硬化処理材 1が加圧工具 2の周面上に堆積す る傾向があるため、図 1の（c)および（d)に示されているように、その底面を膨らませ た形状、またはその逆に、底面を凹ませた形状にすることが好ましい。なお、本発明 では、加圧工具の底面は平坦面を基本としている力 被硬化処理材 1の材質によつ ては、攪拌の促進とより深い攪拌とを得るためにプローブ（ピン状の突起）を底面の軸 心位置または偏心位置に設けることも可能である。
[0053] 加圧工具 2の材質としては、被硬化処理材 1の硬度よりも高い硬度を有する高融点 金属またはセラミックスが用いられる。高融点金属としては、工具鋼、タングステン合 金、モリブデン合金、イリジウム合金、タングステンカーバイド (超硬合金)等からなる グループから選ばれる何れ力 1つが用いられ、セラミックスとしては PCBN(Polycrystal line
Cubic Boron Nitride)または窒化ケィ素（Si3N4)が用いられる。
[0054] 次に、上記装置を用いた本発明の表面硬化処理方法に関する幾つかの好ましい 具体的実施例を添付の図面を参照しながら説明する。なお、以下の記述において、 被硬化処理材 1の加圧'攪拌処理部における幅方向の中心 (加圧工具 2の直径方向 の中心が位置するところ）を中心部 Cと定義し、その中心部 Cを基点にして、そこから 加圧工具の移動方向 Mとほぼ同じ方向に流れる加圧 ·攪拌処理部を前進側（アドバ ンシング側）と定義し、中心部 Cを基点にして、そこから加圧工具の移動方向 Mとほ ぼ逆方向に流れる加圧'攪拌処理部を後退側（リトリーティング側）と定義する。図 1の (a)において、矢印 Aが前進側を、また、矢印 Rが後退側をそれぞれ示している。 [0055] (実施例 1)
被硬化処理材 1としての球状黒鉛铸鉄 (FCD700)に対して、図 1の（a)に示された 装置を用いて行った実施例 1の表面硬化処理の結果は、硬化処理後の被硬化処理 材 1の表面状態を示す図 2の 2と、硬化処理後の被硬化処理材の硬度結果 (Hv)を 示す図 3の（a)乃至（c)と、そして硬化処理後の被硬化処理材の内部組織状態をそ れぞれ示す顕微鏡写真である図 4Aの（a)乃至（c)並びに図 4Bの（d)乃至（f)とに示 される。なお、この被硬化処理材の母材硬度は 202〜234Hvである。
[0056] 実施例 1における加圧工具 2に関する実施条件は次の通りである。
[0057] 直 径： 25mm (プローブなし）
材 質: タングステンカーバイド
カロ圧力： 2000〜3600Kg
回転速度： 800~1000rpm
移動速度： 50mm/min.
処理開始時は、カロ圧力を 2000Kg、回転速度を lOOCkpmとした力 加圧力を徐々 に強め、一方、回転速度は徐々に遅くし、図 2における（2)の切断位置付近ではカロ 圧力を 3600Kg、回転速度を 800i"pmとした。
[0058] 図 2における（2)の切断位置付近における硬化処理後の被硬化処理材の硬度結 果 (Hv)は図 3の（a)乃至（c)に示されるとおりであり、 (2)の切断位置における後退 側に 10mm離れ、表面からの深さ 0. 8mmの場所における最低硬度 226. 6Hvと、（ 2)の切断位置における中心部であって表面からの深さ 1. 1mmの場所と、 （2)の切 断位置において後退側に 2mm離れ、表面からの深さ 1. Ommの場所とにおける最 高硬度 927Hvとの間でバラツキが見られる。
[0059] それでも、被硬化処理材 1の表層部（0〜0. 2mm)と加圧工具 2の中心部近傍を除 き、 600〜930Hvの硬度が得られており、改質の効果が明らかに認められ得る。
[0060] (実施例 2)
上記実施例 1と同様に、被硬化処理材としての球状黒鉛铸鉄 (FCD700)に対して 、図 1の（a)に示された装置を用いて行った実施例 2の表面硬化処理の結果は、硬 化処理後の被硬化処理材の表面状態を示す図 2の 1と、硬化処理後の被硬化処理 材の硬度結果 (Hv)を示す図 5の（a)乃至（c)と、そして硬化処理後の被硬化処理材 の内部組織状態をそれぞれ示す顕微鏡写真である図 6Aの（a)乃至（c)並びに図 6 Bの（d)および（e)とに示される。なお、この被硬化処理材の母材硬度は 202〜234 Hvである。
[0061] 実施例 2における加圧工具 2に関する実施条件は次の通りである。
[0062] 直 径： 25mm (プローブなし）
材 質： タングステンカーバイド
カロ圧力： 2000〜3000Kg
回転速度： 900rpm
移動速度： 10 Omm/min .
処理開始時は、加圧力を 2000Kg、回転速度を 900rpmとした力 加圧力を徐々 に強め、図 2における（1)の切断位置付近では加圧力を 3000Kg、回転速度を 900r pmとし 7こ。
[0063] 図 2における（1)の切断位置付近における硬化処理後の被硬化処理材の硬度結 果 (Hv)は図 5の（a)乃至（c)に示されるとおりであり、 (1)の切断位置における後退 側に 4mm離れ、表面からの深さ 0. 6mmの場所における最低硬度 205. 3Hvと、（1 )の切断位置における前進側に 2mm離れ、表面からの深さ 0· 1mmの場所とにおけ る最高硬度 908. 7Hvとの間で硬度にバラツキが見られる。
[0064] この実施例 2では、上記実施例 1に比べて、加圧工具 2の加圧力がやや低く設定さ れているとともに、回転速度を落とし、移動速度を倍にすることによって回転ピッチを 大きくし、摩擦 '攪拌による投入熱量も低く設定されている。その結果、全体的な硬度 分布は実施例 1より低くなつている。それでも、被硬化処理材 1の表層部（0〜0. 2m m)と加圧工具 2の中心部近傍を除き、 500〜900Hvの硬度力得られており、改質の 効果が明らかに認められ得る。
[0065] (比較実施例 3)
この実施例は、上記実施例 1および 2と同じ球状黒鉛鎳鉄 (FCD700)の被硬化処 理材に対して、加圧工具 2の底面に長さ 1. 5mmのプローブを設けた加圧工具を用 いた実施例である。 [0066] この比較実施例 3における表面硬化処理の結果は、硬化処理後の被硬化処理材 の表面状態を示す図 7と、硬化処理後の被硬化処理材の硬度結果 (Hv)を示す図 8 の（a)乃至（c)と、そして硬化処理後の被硬化処理材の内部組織状態をそれぞれ示 す顕微鏡写真である図 9Aの（a)乃至（c)並びに図 9Bの（d)乃至（f)とに示される。 なお、この被硬化処理材の母材硬度は 202〜234Hvである。
[0067] 実施例 3における加圧工具 2に関する実施条件は次の通りである。
[0068] 直 径： 25mm (長さ 1. 5mmのプローブ付き）
材 質: タングステンカーバイド
カロ圧力： 2000〜3200Kg
回転速度： 900rpm
移動速度： 50mm/min.
処理開始時は、加圧力を 2000Kg、回転速度を 900rpmとした力 同じ回転速度を 維持しながら加圧力を徐々に強め、図 7における（1)の切断位置では加圧力を 3200 Kgとした。
[0069] 加圧工具 2にプローブを設けて攪拌作用を高めたことにより、加圧力は実施例 1の 時よりもやや低くしたが、加圧工具の移動速度は実施例 1と同じにした。その結果、 図 7における（1)の切断位置付近における硬化処理後の被硬化処理材の硬度結果（ Hv)は図 8の（a)乃至（c)に示されるとおりであり、 (1)の切断位置における後退側に 10mm離れ、深さ 0. Ommの表面における最低硬度 136. 6Hvと、 （1)の切断位置 における前進側に 6mmおよび 8mm離れ、表面からの深さ 0. 1mmの 2つの場所に おける最高硬度 913. 3Hvとの間でバラツキが見られる力 表層部（0〜0. 2mm)と 加圧工具 2の中心部近傍を除き、 400〜880Hvの硬度が得られている。
[0070] この比較実施例における硬度結果の分析によれば、実施例 1の図 3の（c)と本比較 実施例の図 8の（c)とを比較することによって顕著であるように、硬化処理後の被硬化 処理材 1の高度は全体的に実施例 1の硬度結果より低くなつていることが解る。特に 、攪拌部の硬度が低下している。
[0071] (実施例 4)
被硬化処理材としての片状黒鉛铸鉄 (FC300)に対して、図 1の（a)に示された装 置を用いて行った実施例 4の表面硬化処理の結果は、硬化処理後の被硬化処理材 の表面状態を示す図 10と、硬化処理後の被硬化処理材の硬度結果 (Hv)を示す図 11の（&)乃至（(）と、そして硬化処理後の被硬化処理材の内部組織状態をそれぞれ 示す顕微鏡写真である図 12Αの（a)および（b)並びに図 12Bの（c)および（d)とに示 される。なお、この被硬化処理材の母材硬度は 178〜212Hvである。
[0072] 実施例 4における加圧工具 2に関する実施条件は次の通りである。
[0073] 直 径： 25mm (プローブなし）
材 質: タングステンカーバイド
カロ圧力： 1000〜5500Kg
回転速度： 900rpm
移動速度： 50mm/min.
処理開始時は、加圧力を 1000Kg、回転速度を 900i"pmとした力 同一回転即とを 保持しながら加圧力を徐々に強め、図 10における（1)の切断位置付近では加圧力 を 4600Kgとした。
[0074] 図 10における（1)の切断位置付近における硬化処理後の被硬化処理材の硬度結 果 (Hv)は図 11の（a)乃至（c)に示されるとおりであり、 (1)の切断位置における後退 側に 8mm離れ、表面からの深さ 1. 1mmの場所における最低硬度 141. 7Hvと、（1 )の切断位置における前進側に 4mm離れ、表面からの深さ 0. 4mmの場所とにおけ る最高硬度 927. OHvとの間でバラツキが見られる。
[0075] それでも、被硬化処理材 1の表層部（0〜0. 2mm)と加圧工具 2の中心部近傍を除 き、 600〜900Hvの硬度力得られており、改質の効果が明らかに認められ得る。
[0076] (実施例 5)
実施例 4と同一の被硬化処理材および同一の条件で実施した。ただし、硬度の測 定箇所を図 10の（2)の切断位置付近とした。実施例 5における硬化処理後の被硬化 処理材の硬度結果 (Hv)は図 13の（a)乃至（c)に示され、硬化処理後の被硬化処理 材の内部組織状態は図 14Aの（a)および（b)並びに図 14Bの（c)および（d)の顕微 鏡写真にそれぞれ示される。
[0077] 図 10における（2)の切断位置付近における硬化処理後の被硬化処理材の硬度結 果 (Hv)は図 13の（a)乃至（c)に示されるとおりであり、 (2)の切断位置における後退 側に 10mm離れ、表面からの深さ 0. 8mmの場所における最低硬度 226. 6Hvと、（ 2)の切断位置における前進側に 8mm離れ、表面からの深さ 0. 2mmの場所におけ る最高硬度 869。 6Hvとの間でバラツキが見られる。
[0078] それでも、被硬化処理材 1の表層部（0〜0. 2mm)と加圧工具 2の中心部近傍を除 き、 600〜860Hvの硬度力得られており、改質の効果が明らかに認められ得る。
[0079] (実施例 6)
被硬化処理材としての焼入れ鋼 (HMD、 日立金属（株）の商標名）に対して、図 1 の（a)に示された装置を用いて行った実施例 6の表面硬化処理の結果は、硬化処理 後の被硬化処理材の表面状態を示す図 15の 1と、硬化処理後の被硬化処理材の硬 度結果 (Hv)を示す図 16の（a)乃至（c)と、そして硬化処理後の被硬化処理材の内 部組織状態をそれぞれ示す顕微鏡写真である図 17Aの（a)および (b)並びに図 17 Bの（c)および（d)とに示される。なお、この被硬化処理材の母材硬度は 222〜247 Hvである。
[0080] 実施例 6における加圧工具 2に関する実施条件は次の通りである。
[0081] 直 径： 25mm (プローブなし）
材 質: タングステンカーバイド
カロ圧力： 2000〜3000Kg
回転速度： 900rpm
移 SO; ^度： 50mm/ min.
処理開始時は、加圧力を 2000Kg、回転速度を 900rpmとした力 同じ回転速度を 保持しながら加圧カを徐々に強め、図 15における（ 1 )の切断位置では加圧力を 360 OKg、回転速度を 800rpmとした。
[0082] 図 15における（1)の切断位置付近における硬化処理後の被硬化処理材の硬度結 果 (Hv)は図 16の（a)乃至（c)に示されるとおりであり、 (1)の切断位置における後退 側に 10mm離れ、表面からの深さ 1. 4mmの場所における最低硬度 179. 9Hvと、（ 1)の切断位置における前進側に 6mm離れ、表面からの深さ 0. 4mmの場所におけ る最高硬度 873. 8Hvとの間でバラツキが見られる。 [0083] この焼入れ鋼においては、被硬化処理材 1の表面と加圧工具 2の中心部近傍に関 係なぐ 600〜870Hvの硬度が平均して得られており、改質の効果がより顕著に認 められ得る。このように、本発明の表面硬化処理方法によれば、黒鉛の形態に依存 することなぐ鎳鉄に対して得た効果と同様な効果を得ることができる。
[0084] 図 18は、実施例 1〜6における表面効果処理後の被硬化処理材のロックウェル硬 度を示す表である。ロックウェル硬度測定器の測定具は鋼球であるため、ビッカース 硬度測定器の測定針ように被硬化処理材の切断面の細部を測定することができない ため、この表では実施例 1〜6における表面効果処理を施した被硬化処理材の表面 硬度が示される。縦軸に実施例 1〜6で用いられた各被硬化処理材がしめされ、横 軸には前進側および後退側における測定位置 (加圧工具の中心からの距離 (mm) ) が示されている。
[0085] 以上の実施例 1〜6から共通して言えることは、結晶の微細化により黒鉛粒が拡散 いるため、硬度測定時に測定針がマルテンサイト組織に当接されず、黒鉛粒に当接 したとも考えられる（この点は黒鉛を含まない鋼 (HMD)材では軟ィ匕部が生じないこと 力らも頷ける）が、表層部（本発明の実施例では深さ 0〜0. 2mm)は比較的柔らかい 組織になっており、表層部より下の部分では、加圧作用と加熱 ·冷却作用とにより、微 細な結晶粒の理想的なマルテンサイト組織になっていることが解る。
[0086] また、被硬化処理材 1の表面部と加圧 ·攪拌処理部における中心部近傍（中心部か ら前進側および後退側へそれぞれ 2mm離れた位置まで)を除き、所望の硬度に近 い硬度が得られている。ただし、被硬化処理材 1の加圧'攪拌処理部における前進 側と後退側との硬度を比較してみると、前進側における硬度の方が後退側の硬度よ り平均して高くなつている。これは、後退側では攪拌作用による塑性流動の影響が大 きいことに起因しているものと考えられる。
[0087] なお、攪拌を伴う本発明の表面硬化処理方法においては、表層部（本発明の実施 例では深さ 0〜0. 2mm)が比較的柔らかい組織となるので、表面を滑らかにする目 的から、バリや凹凸の削り取る機械加工が容易にできるという、加工面における利点 が生じる。
[0088] 以上の説明は、単に本発明の好適な実施例の例証であり、本発明の範囲はこれに 限定されることはなレ、。本発明に関する更に多くの変形例や改造例が本発明の範囲 を逸脱することなく当該技術の熟達者にとってみれば容易に思い当たるであろう。 産業上の利用可能性
特別な熟練技術や高価な処理設備を必要とすることなぐ被硬化処理材の表面に 所望の硬度（900Hv前後）でほぼ均一に焼き入れ処理を迅速に施すことができ、し かも、表面硬化処理が施された被硬化処理材に生じる歪や変形の量は著しく低減さ れるので、プレス金型、工作機械の摺動部分、等の工業製品の表面硬化処理に優 れた効果を発揮することが見込まれる。

Claims

請求の範囲
[1] 略円柱状の加圧工具を高速で回転させながらその底面を被硬化処理材の表面に 若干押し込むように所定の圧力で押圧することにより前記加圧工具と前記被硬化処 理材との間に局部的な摩擦熱を発生させることと、前記被硬化処理材の摩擦熱を受 けた部分に微細なマルテンサイト組織への変態を起こさせることと、摩擦熱によって 前記加圧工具付近に位置する被硬化処理材の表面が軟化し始めたとき、前記加圧 工具を所定の速度で移動させることの各ステップを含み、前記摩擦熱による投入熱 量は、前記被硬化処理材の融点温度 X 0. 5 (ケルビン)以上であり、前記被硬化処 理材の表面温度は 850〜： 1050°Cの範囲であることを特徴とする、変態を起こす金属 の表面硬化処理方法。
[2] 略円柱状の加圧工具を高速で回転させながらその底面を被硬化処理材の表面に 若干押し込むように所定の圧力で押圧することにより前記加圧工具と前記被硬化処 理材との間に局部的な摩擦熱を発生させると共に前記被硬化処理材の表面を攪拌 することと、前記被硬化処理材の摩擦熱を受けた部分に微細なマルテンサイト組織 への変態と塑性流動とを起こさせることと、摩擦熱によって前記加圧工具付近に位置 する被硬化処理材の表面が軟化し始めたとき、前記加圧工具を所定の速度で移動 させることの各ステップを含み、前記摩擦熱による投入熱量は、前記被硬化処理材 の融点温度 X 0. 5 (ケノレビン)以上であり、前記被硬化処理材の表面温度は 850〜1 050°Cの範囲であることことを特徴とする、変態を起こす金属の表面硬化処理方法。
[3] 表面硬化処理後の前記被硬化処理材の硬度は、摩擦熱による投入熱量 Q (W)を 、 Q = 4/3 TT 2 PNR3/V (ただし、 μは摩擦係数、 Ρは加圧工具による加圧力、 Ν は加圧工具の回転速度、 Rは加圧工具の直径、 Vは加圧工具の移動速度である。 ) に基づいて制御することによって調整され得ることを特徴とする請求項 1または 2に記 載の表面硬化処理方法。
[4] 表面硬化処理後の前記被硬化処理材の硬度は、摩擦熱による投入熱量を、 p=V /N (ただし、 pは加圧工具の回転ピッチ、 Vは加圧工具の移動速度、 Nは加圧工具 の回転速度である。 )に基づいて制御することによって調整され得ることを特徴とする 請求項 1または 2に記載の表面硬化処理方法。
[5] 前記カロ圧工具のカロ圧力を 1000〜6000Kg、好ましくは 2000〜5500Kg、の範囲
、前記カロ圧工具の回転速度を 400〜1500rpm、好ましくは 800〜1000i"pm、の範 囲、前記加工工具の直径を 25mm、前記加工工具の移動速度を 40〜500mmZmi n.、好ましくは 50〜： 100mm/min.、の範囲とするとき、表面硬化処理後の前記被 硬化処理材の硬度は 500〜930Hvの範囲であることを特徴とする請求項 3に記載の 表面硬化処理方法。
[6] 前記加工工具の加圧力は表面硬化処理中に徐々に強められることを特徴とする請 求項 5に記載の表面硬化処理方法。
[7] 前記加圧工具は、その底面を膨らませた形状であることを特徴とする請求項 1また は 2に記載の表面硬化処理方法。
[8] 前記加圧工具は、その底面を凹ませた形状であることを特徴とする請求項 1または
2に記載の表面硬化処理方法。
[9] 前記加圧工具は、被硬化処理材の硬度よりも高い硬度を有する高融点金属または セラミックスから作られていることを特徴とする請求項 1または 2に記載の表面硬化処 理方法。
[10] 前記加工工具に用いられる高融点金属は、工具鋼、タングステン合金、モリブデン 合金、イリジウム合金およびタングステンカーバイドからなるグループから選ばれる 1 つであることを特徴とする請求項 9に記載の表面硬化処理方法。
[11] 前記加工工具に用いられるセラミックスは、 PCBN (Polycrystalline Cubic Boron Ni tride)または窒化ケィ素であることを特徴とする請求項 9に記載の表面硬化処理方法
[12] 前記加圧工具は、表面硬化処理の実施時に、その底面と被硬化処理材の表面と の間に形成される角度 Θが 0° 、すなわち、双方の面を平行状態とするような姿勢を 被硬化処理材に対して取ることを特徴とする請求項 1または 2に記載の表面硬化処 理方法。
[13] 前記加圧工具は、表面硬化処理の実施時に、その底面と被硬化処理材の表面と の間に形成される角度 Θが 0. 5〜： 10° 、好ましくは 2〜5° 、の範囲になるように移 動方向における前方側の底面が浮き上がる傾き姿勢を取ることを特徴とする請求項 1 または 2に記載の表面硬化処理方法。
[14] 前記被硬化処理材は、母材組織中にパーライト組織部を 30。/o以上含む材料であ ることを特徴とする請求項 1または 2に記載の表面硬化処理方法。
[15] 前記被硬化処理材の表面硬化処理後の硬度は、攪拌を受ける表層部において比 較的低ぐ前記表層部から下の部分において高くなつていることを特徴とする請求項
2に記載の表面硬化処理方法。
[16] 比較的硬度の低い前記表層部は、機械加工により削り取られることを特徴とする請 求項 15に記載の表面硬化処理方法。
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