WO2008078472A1

WO2008078472A1 - 鉄系複合材料及び鉄系複合材料の製造方法

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Publication number: WO2008078472A1
Application number: PCT/JP2007/072244
Authority: WO
Inventors: Tsuyoshi Seguchi; Masatoshi Oguro
Original assignee: Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
Priority date: 2006-12-27
Filing date: 2007-11-09
Publication date: 2008-07-03
Also published as: US8231742B2; EP2103708A4; US20100012228A1; EP2103708A1; JP2008162036A; CN101568664A; JP4420015B2; CN101568664B; EP2103708B1

Abstract

　鋼材に比べて耐摩耗性及び耐焼付き性が高く、衝撃吸収性に優れ、かつ鋳鉄材に比べて機械的強度が高い鉄系複合材料及び該材料の製造方法を提供する。鋼組織層１２と、鋳鉄組織層１４と、鋼組織層１２と鋳鉄組織層１４との間に鋼組織を浸炭した浸炭組織層１３と、を少なくとも備えてなる。

Description

鉄系複合材料及び鉄系複合材料の製造方法

技術分野

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

明背景技術

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

例えば、鋼組織の場合には、純鉄材料に 0 . 0 3質量％以上1 . 7質量％未満の炭素を含有させることにより得ることができ、前記鋼組織を有する材料は一般的には炭素鋼と呼ばれている。このような鋼組織を有した部材（鋼材）は、延性、展性に優れ、加工性の良いことから、構造用、機械部品用、工具用などの用途に利用されている。

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

一方、铸鉄組織の場合には、純鉄材料に 1 . 7〜6 . 6 8質量％の炭素を含有させることにより得ることができ、実用的には、前記炭素の含有量が 2 . 5 %〜

4 . 5質量⁰ /₀の範囲で、さらに、ケィ素、マンガン、リン、硫黄などを含む場合が多い。このような铸鉄組織は、鋼組織に比べ延性、展性に欠く代わりに、圧縮強さが大きく、切削性、耐摩耗性及び衝撃吸収性（振動減衰能）に優れている。例えば、铸鉄材を用いた部材として、铸鉄製のディスクロータが提案されている（特許文献 1参照）。該ディスクロータは、自動車等の車両のディスクブレーキを構成する円板状の部品であり、ブレーキパッドが押付けられる制動面は、片状黒鉛铸鉄からなる。このようなディスクロータによれば、前記の如く铸鉄材が耐摩耗性および衝撃吸収性に優れているので、前記ディスクロータの制動面は摩耗し難く、さらには、制動時の振動も吸収することができるので好適に車両を制動させることができる。

特許文献 1 ：特開昭 6 2— 1 4 6 2 8 0号公報発明の開示

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

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

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

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

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

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

本発明にいう「鋼組織層」とは、純鉄材料に少なくとも炭素を 0 . 0 3質量％以上 1 . 7質量％未満含有した、鋼組織からなる層であり、該鋼組織の常温における結晶組織としては、マルテンサイト、トルースタイト、ソルバイト、ベイナイト、フェライト ·セメンタイト、及びパーライトのうち少なくとも 1種を含む結晶組織を含む結晶組織が挙げられ、熱処理の条件、鉄組織に含有する金属元素とその含有量、及び炭素の含有量を適宜決定することにより、前記結晶組織を得ることができる。これらの結晶組織のうち熱間锻造組織のまま使用できるフェライト ·パーライト組織がより好ましい。

また、本発明にいう「铸鉄組織層」とは、純鉄材料に少なくとも炭素を 1 . 7

〜6 . 6 8質量％含有した、铸鉄組織からなる層であり、該铸鉄組織は、片状黒鉛を有した铸鉄組織（ねずみ铸鉄 F C ： J I S規格）、球状黒鉛を有した铸鉄組織（球状黒鉛铸鉄 F C D： J I S規格）、白心可鍛铸鉄（F C MW : J I S規格）、黒心可鍛铸鉄（F C M B ： J I S規格）、パーライト铸鉄（F C M P ： J I S規格）などの可鍛铸鉄組織が挙げられ、铸鉄組織を形成する際の添加元素の種類、熱処理の条件により、適宜決定することにより得ることができる。なお、片状黒鉛を有する铸鉄組織は、片状黒鉛が固体潤滑剤として作用することができるため、摺動面を有する部材に用いられる場合に有効である。より好ましくは、前記铸鉄組織層は、球状黒鉛を有する铸鉄組織である。球状黒鉛を有する铸鉄組織層は、片状黒鉛を有するものに比べて機械的強度、靭性が高く、さらに、耐摩耗性、耐焼付き性もさらに向上させることができる。

また、発明にいう「浸炭組織層」とは、前記鋼組織を浸炭した浸炭組織を有した層であり、該浸炭組織は、 0 . 0 3質量％以上1 . 7質量％未満の範囲で前記鋼組織にさらに炭素を含有させた組織である。

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

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

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

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

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

本発明によれば、錶鉄の共晶点（1 1 4 8 °C) 以上の温度条件で、鋼材の表面に炭素材を接触させながら、少なくとも前記表面を加熱するので、炭素材と接触した鋼材の表面層には、铸鉄組織層が形成される。さらに、その下層には、表面層（铸鉄組織層）から内部（鋼組織層）に沿って傾斜的に炭素の含有量が増加した浸炭組織層も得られる。このようにして、鋼組織層と、铸鉄組織層と、前記鋼組織層と前記铸鉄組織層との間に前記鋼組織を浸炭した浸炭組織層と、を少なくとも備えた鉄系複合材を得ることができる。さらに、炭素材を鋼組織の表面に接触させることにより、铸鉄組織を有した铸鉄組織層を得たので、铸鉄組織層の表面は、炭素の含有量（黒鉛の量）が多い傾向にある。この結果、铸鉄組織層の表面は、炭素の平均含有量が同じ铸鉄材の表面よりも、磨耗及び焼付きもし難い摺動性に優れた表面となる。なお、前記加熱温度の上限温度は、 δ鉄の変態が生じる温度未満の温度、具体的には A 4変態点である 1 3 9 4 °C未満であることが望ましい。該温度条件以上の場合には、 δ鉄の変態が生じ、炭素を固溶させる量が低下してしまう。

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

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

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

本発明に係る鉄系複合材料の製造方法は、前記加熱工程後の部材に対して、前記鋼組織の熱処理を行う工程をさらに含む。本発明によれば、加熱工程において得られた鉄系複合材料の鋼組織層に対して、熱処理を行うので、前記に示した結晶組織を得ることができる。なお、前記熱処理は、鉄系複合材料が要求される機械的強度等にあわせた結晶組織を得ることが可能な処理であって、焼きなまし、焼きならし、焼入れ、又は焼きもどしなどの処理が挙げられ、これらの熱処理を組み合わせた熱処理であってもよい。例えば、鋼組織をさらに硬化させたい場合は、 A 1 変態点よりも高い温度条件で加熱する焼入れを行い、靭性を向上させたい場合には、 A 1変態点よりも低い温度条件で加熱する焼きもどしを行う。

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

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

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

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

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

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

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

本発明によれば、鋼材に比べて耐摩耗性及び耐焼付き性が高く、衝撃吸収性に優れ、かつ铸鉄材に比べて機械的強度が高い鉄系複合材料を得ることができる。本明細書は本願の優先権の基礎である日本国特許出願 2006-351181号の明細書及び/または図面に記載されている内容を包含する。図面の簡単な説明

図 1は、本実施形態に係る鉄系複合材料及びその製造方法を説明するための図であり、（a ) は、鉄系複合材料の断面図であり、（b ) は、（a ) に示す鉄系複合材料の製造方法を説明するための図である。

図 2は、図 1 ( a ) に示す鉄系複合材料の組織写真を示した図であり、（a ) は、铸鉄組織層を示した図であり、（b )は、浸炭組織層を示した図であり、（c ) は、鋼組織層を示した図である。

図 3は、図 1に示す鉄系複合材料を含むディスクロータ及びその製造方法の一部を説明するための図であり、（a ) は、ディスクロータの断面図であり、（b ) は、（a ) に示すディスクロータの製造方法の一部を説明するための図である。図 4は、図 1に示す鉄系複合材料を含む制振鋼板及びその製造方法の一部を説明するための図であり、（a ) は、制振鋼板の断面図であり、（b ) は、（a ) に示す制振鋼板の製造方法の一部を説明するための図である。

図 5は、図 4に示す鉄系複合材料を含む別の形態に係る制振銅板及びその製造方法の一部を説明するための図であり、（ a )は、制振鋼板の断面図であり、（b ) は、（a ) に示す制振鋼板の製造方法の一部を説明するための図である。図 6は、図 1に示す鉄系複合材料を含む鋼管及びその製造方法の一部を説明するための図であり、（a) は、鋼管の断面図であり、（b) は、（a) に示す鋼管の製造方法の一部を説明するための図であり、（c) は、別の鋼管の製造方法の一部を説明するための図である。

図 7は、実施例に係る鉄系複合材料の組織写真を示した図である。

図 8は、実施例に係る鉄系複合材料の表面硬さを測定した結果を示した図である。

図 9は、摩耗試験するための装置概念図である。

図 1 0は、実施例及び比較例に係る材料の摩耗深さを測定した結果を示した図である。

図 1 1は、比較例に係る材料の組織写真を示した図である。図面において、 1 0は、鉄系複合材料、 1 0Aはディスクロータ、 1 0 Bは制振鋼板、 1 0 Cは制振鋼板、 1 0 Dは鋼管、 1 0 aは制動面、 1 0 cは外周面、 1 0 dは内周面、 1 1は鋼材、 1 2, 1 2 A, 1 2 B, 1 2 C, 1 2 Dは鋼組織層、 1 3， 1 3 A， 1 3 B, 1 3 C, 1 3 Dは浸炭組織層、 1 4， 1 4 A, 1 4 B, 1 4 C, 1 4 Dは铸鉄組織層、 30， 30 A, 30 B , 3 1 D, 3 2 D, 3 3 Dは炭素材、 40はブロック試験片， 50はリング試験片， 60は浴槽， Tは板厚方向をそれぞれ示している。発明を実施するための最良の形態

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

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

図 1 ( a ) に示すように、本発明に係る鉄系複合材料 1 0は、鉄を主材とした異なる 3つの組織からなる層が複合した材料であり、鋼組織層 1 2と、铸鉄組織層 1 4と、鋼組織層 1 2と铸鉄組織層 1 4との間に鋼組織を浸炭した浸炭組織層 1 3とを少なくとも備えている。さらに、浸炭組織層 1 3は、鋼組織層 1 2から铸鉄組織層 1 4の方向に沿って、炭素の含有量が傾斜的に増加している。具体的には、铸鉄組織層 1 4近傍の浸炭組織層 1 3は、铸鉄組織層 1 4の炭素含有量に近く、鋼組織層 1 2近傍の浸炭組織層 1 3は、鋼組織層 1 2の炭素含有量に近い。このような鉄系複合材料 1 0は、図 1 ( b ) に示すような製造方法により製造することができる。具体的には、まず、鋼組織を有した鋼材 1 1 と、炭素材 3 0 とを準備する。次に、鋼材 1 1の少なくとも一部の鋼組織の表面 1 1 aに炭素材 3 0を接触させる（接触工程）。そして、該接触させた状態を維持し、これらの部材を不活性ガス雰囲気下の炉（図示せず）内に投入し、铸鉄の共晶点の温度（1 1 4 8 °C) 以上、かつ、 δ鉄の変態温度（1 3 9 4 °C) 以下の温度条件下で、鋼材 1 1の表面 1 1 aに铸鉄組織を有した铸鉄組織層が形成されるように少なくとも鋼材 1 1の鋼組織の表面 1 1 aを加熱する（加熱工程）。

また、この加熱工程において、前記加熱は、図 1 ( b ) に示すように、炭素材 3 0を鋼材 1 1の表面 1 1 aに押圧（加圧）しながら、炭素材 3 0と鋼材 1 1の表面の接触状態を維持して、鋼組織の表面 1 1 aを前記温度条件で行っている。このように押圧することにより、炭素の鋼材組織への固溶拡散を促進することができる。

このような製造方法により製造された鉄系複合材料は、炭素材 3 0と接触した表面から順に、図 2 ( a ) に示すような片状黒鉛を含むねずみ铸鉄組織を有した錶鉄組織層 1 4と、図 2 ( b ) に示すような鋼材 1 1の鋼組織を浸炭した（鋼組織にさらに炭素が固溶した）浸炭組織層 1 3と、図 2 ( c ) に示すような熱処理された鋼組織（図に表した結晶組織は、フェライトーパーライト組織の組織写真）を有した鋼組織層 1 2とを得ることができる。

なお、本実施形態では、図 2 ( c ) に示す鋼組織層 1 2の結晶組織を別の組織となるように、加熱工程後の鋼組織の冷却速度を制御してもよい。また、本実施形態では、炭素材 3 0と鋼材 1 1 とを単に接触させたが、炭素材 3 0と鋼材 1 1 との間にマグネシゥムまたはマグネシゥム合金からなる粉末を配置して、前記加熱工程を行ってもよい。前記粉末を用いることにより、铸鉄組織層に含まれる片状黒鉛は球状化するので、球状黒鉛铸鉄組織を有した铸鉄組織層を得ることができる。

このようにして製造された鉄系複合材料 1 0は、铸鉄組織層 1 4を有することにより、鋼材に比べて耐摩耗性及び耐焼付き性が良く、衝撃吸収性に優れ、鋼組織層 1 2を有することにより、铸鉄材に比べて機械的強度が高くなる。このような性質により、鉄系複合材料 1 0は、機械部品、構造用部材等に好適である。以下に、鉄系複合材料 1 0を用いた、機械部品、構造用部材等のいくつかの適用例を、図 3〜6を参照して説明する。

図 3は、本実施形態に係る鉄系複合材料を含むディスクロータ 1 O Aを示す断面図であり、該ディスクロータ 1 0 Aは、ディスクブレーキ（図示せず）を構成する部材であり円板状の形状をしており、車両の車軸の端部（図示せず）に連結され、車軸と共に回転するものである。また、前記ディスクブレーキは、車両を制動させる場合に、ディスクロータ 1 O Aの制動面 1 0 aを挟み込むようにして配置されたブレーキパッド（図示せず）を、制動面 1 0 aに押圧するように構成されている。

図 3 ( a ) に示すように、前記ディスクロータ 1 0 Aは、制動面 1 0 aを含む表面層である铸鉄組織層 1 4 Aと、母材である鋼組織層 1 2 Aと、鋼組織層 1 2 Aと铸鉄組織層 1 4 Aとの間に鋼組織を浸炭した浸炭組織層 1 3 Aと、が少なくとも形成されている。

このように構成されたディスクロータ 1 0 Aは、制動面 1 0 aを含む表面層に铸鉄組織層 1 4 Aを有することにより、制動面 1 0 aの摩耗を低減し、制動面 1

0 aの焼付きを抑制することができる。さらに、铸鉄組織層 1 4 Aは、鋼材に比ベて衝撃吸収性も良いので、制動時におけるブレーキパッドからの衝撃も吸収することができる。また、ディスクロータ 1 0 Aは制動面 1 0 aの铸鉄組織層 1 4

Aよりも内部では、浸炭組織層 1 3 Aおよび鋼組織層 1 2 Aを有するので、従来の铸鉄材のみからなるディスクロータと同等以上の機械的強度を確保しつつ、デイスクロータの肉厚を低減してディスクロータの重量の軽量化を図ることができるので、車両の燃費を向上させることが可能となる。

前記ディスクロータ 1 O Aは、以下に示すようにして製造することができ 0。具体的には、図 3 ( b ) に示すように、鋼材からなるディスクロータ 1 1 Aと、該ディスクロータ 1 1 Aの制動面と同じ形状のリング状の炭素材 3 O Aを準備する。次に、先に示した本実施形態の接触工程において、鋼材からなるディスク口ータ 1 1 Aの少なくとも制動面 1 0 aに、 2つのリング状の炭素材 3 0 Aを挟むようにして接触させる。そして、先に示した本実施形態の加熱工程において、炭素材 3 0 Aを鋼材からなるディスクロータ 1 1 Aの制動面 1 0 aに押圧しながら前記接触状態を維持し、制動面 1 0 aを含む表面層として少なくとも铸鉄組織層 1 4 Aが形成されるまで、炭素材 3 O Aの炭素を制動面 1 0 aに固溶拡散させる。なお、前記ディスクロータ 1 O Aを製造する場合に、上述したマグネシウム系の粉末を用いて、铸鉄組織層 1 4 Aに球状黒鉛を有するように製造すれば、より耐摩耗性に優れた制動面 1 0 aを得ることができる。

図 4は、本実施形態に係る鉄系複合材料を含む制振鋼板 1 0 Bを示す図であり、制振鋼板 1 0 Bは図 4 ( a ) に示すように、表面層には鋼組織層 1 2 Bと、板厚方向 Tの中間層として、少なくとも铸鉄組織層 1 4 Bと、鋼組織層 1 2 Bと铸鉄組織層 1 4 Bとの間に銅組織を浸炭した浸炭組織層 1 3 Bと、からなる。

铸鉄組織層 1 4 Bは、鋼材に比べて振動減衰能に優れているため、このように構成された制振鋼板 1 0 Bは、板厚方向 Tの中間層として铸鉄組織層 1 4 Bを有することにより、鋼板間に樹脂を挟んだ制振鋼板と同様の制振性を有することができる。

前記制振鋼板 1 0 Bは、以下に示すようにして製造することができる。具体的には、図 4 ( b ) に示すように、鋼材としての 2つの鋼板 1 1 Bと、該鋼板 1 1

Bの表面と同程度の大きさのシート状の炭素材 3 0 Bを準備する。次に、先に示した本実施形態の接触工程において、 2つの鋼板 1 1 Bを対峙するように配置し、さらに 2つの鋼板 1 1 Bの間に炭素材 3 0 Bを配置して、対峙した鋼板 1 1 B同士を押圧して、炭素材 3 0 Bを鋼板 1 1 Bの表面に接触させる。そして、先に示した本実施形態の加熱工程と同様にして、炭素材 3 0 Bの炭素を鋼板 1 1 Bに固溶拡散させつつ、 2つの鋼板 1 1 Bの炭素材 3 0 Bに接触する面同士が少なくとも接合するまで加熱を行う。

このような製造方法によれば、炭素材 3 0 Bの炭素は鋼板 1 1 Bに固溶拡散し、かつ、 2つの鋼板 1 1 Bは铸鉄の共晶点の温度以上に加熱されているので、 2つの鋼板は、接合し易い。また、本製造方法により製造した制振鋼板 1 0 Bは、炭素量の多い铸鉄組織層 1 4 Bから、該铸鉄組織層 1 4 Bに比べて炭素含有量の少ない鋼組織層 1 2 Bに沿って、炭素の含有量が傾斜的に増加した浸炭組織層 1 3 Bが形成されるので、プレス加工などの塑性変形を伴う加工を行っても、铸鉄組織層と鋼組織層を安定的に保持することができる。

図 5は、前記制振鋼板 1 0 Bの変形例を示す図であり、図 5 ( a ) に示すように、制振鋼板 1 0 Cは、板厚方向 Tに沿って、複数の铸鉄組織層 1 4 Cが中間層として積層さている。制振鋼板 1 0 Cの製造方法としては、まず、図 5 ( b ) に示すように、複数の鋼板 1 1 B (図では 5枚の鋼板）の間ごとに、シート状の炭素材 3 0 B (図では 4枚の炭素材）を配置し、前記接触工程において、上方側及び下方側に位置する鋼板 1 1 Bを押圧して、炭素材 3 0 Bを鋼板 1 1 Bの表面に接触させる。そして、前記加熱工程において、炭素材 3 0 Bの炭素を鋼板 1 1 B に固溶拡散させつつ、鋼板 1 1 Bの各炭素材 3 0 Bに接触する面同士が接合するまで加熱を行う。このようにして、さらに制振性の高い鋼板を得ることができる。図 6は、本実施形態に係る鉄系複合材料を含む鋼管 1 0 Dを示す図であり、該鋼管 1 0 Dは、図 6 ( a ) に示すように、母材となる鋼組織層 1 2 Dと、鋼管 1 0 Dの外周面 1 0 c及び内周面 1 0 dの表面層として形成された铸鉄組織層 1 4 Dと、鋼組織層 1 2 Dと铸鉄組織層 1 4 Dとの間に鋼組織を浸炭した浸炭組織層 1 3 Dとを少なくとも含んでいる。なお、鋼管 1 0 Dは、外周面 1 0 c及び内周面 1 O dに铸鉄組織層 1 4 Dが形成されているが、鋼管の使用用途に合わせて、外周面 1 0 c及び内周面 1 0 dのいずれか一方に铸鉄組織層 1 4 Dが形成されていてもよい。このように構成された鋼管 1 0 Dは、铸鉄組織層 1 4 Dを含むので、鋼管 1 0 Dに外力が作用した場合であっても、外力による振動を減衰させることができる。

前記鋼管 1 0 Dは、以下に示すようにして製造することができる。具体的には、図 6 (b) に示すように、鋼材としての鋼管 1 1 Dと、鋼管 1 1 Dを外部から覆う円筒状の炭素材 3 1 Dと、該鋼管 1 1 Dの内部に充填する円柱状の炭素材 32 Dと、を準備する。次に、先に示した本実施形態の接触工程において、円筒状の炭素材 3 1 Dと鋼材からなる鋼管 1 1 Dの外周面 1 0 cとを接触させ、円柱状の炭素材 32 Dと鋼管 1 1 Dの内周面 1 0 dとを接触させる。そして、先に示した本実施形態の加熱工程において、炭素材 3 1 D, 32 Dの炭素を鋼管 1 1 Dに固溶拡散させ、表面層に铸鉄組織層 14 Dを形成するように加熱を行う。

なお、図 6 ( c) に示すように、内部に複数の液体流通用の貫通孔を有するような鋼管 1 1 Eである場合には、各貫通孔に対して、円柱状の炭素材 3 3 Cを配置し、炭素材 3 3 Cと各貫通孔の内周面とを接触させ、円筒状の炭素材 34 Cと鋼管 1 1 Dの外周面とを接触させ、前記加熱工程を行うことにより、各貫通孔の表面層に、铸鉄組織層を形成することができる。実施例

本実施形態に基づいて以下に実施例を示す。

(実施例）

6. 5 mm X 1 5. 7mm、厚さ 1 0 mmの鋼材（マンガン鋼 38 Mn S 6 ： D I N規格）を準備し、 6. 5 mmX 1 5： 7 mmの表面に炭素粉末を圧粉成形した炭素材を鋼材に 5 MP aの圧力条件で押圧して接触させた状態で、炉内に投入し、 1 1 50 °C (铸鉄の共晶点の温度以上）の温度条件で、 1 5分間加熱し、铸鉄組織層の層厚み 300 の鉄系複合材料を製作した。

[評価方法]

ぐ組織観察 >

鉄系複合材料の組織を顕微鏡で観察した。その結果を図 7に示す。

<表面硬さ試験 >

鉄系複合材料の铸鉄組織層が形成された表面から、 0. 1 mmごとに、ピツカース試験機を用いて、試験荷重 5 00 gで鉄系複合材料の表面硬さを測定した。この結果を図 8に示す。

<摩耗試験 > 図 9に示す摩耗試験機を用いて、鉄系複合材料の摩耗量を測定した。具体的には、浴槽 60に、潤滑油（JWS 3090) l O O c cを投入し、直径 3 5 mm, 厚さ 1 0 mmのリング試験片（SAE 46 20) 50を、浴槽 60内に配置し、鉄系複合材料からなるブロック状の試験片（ブロック試験片） 40の 6. 5 mm X 1 5. 7 mmの面をリング試験片 50の側面に 1 0 k g f で押し当てた。そして、リング試験片 50とプロック試験片 40との押し当てた箇所に前記潤滑油が供給されるように、リング試験片を 1 60 r pmで 1 5分間回転させ、ブロック試験片 40の摩耗深さを測定した。このような試験を 2回行った。この結果を図 1 0に示す。

(比較例）

実施例と同じ寸法のねずみ铸鉄材（FC 23 ： J I S規格）を準備した。そして、実施例と同様に組織観察を行った。この結果を図 1 1に示す。また、実施例と同じ条件で摩耗試験を行った。この結果を、図 1 0に示す。

[結果 1]

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

[結果 2]

図 8の結果の組織観察の結果と図 9の表面硬さ試験の結果から、铸鉄組織層は平均の表面硬さ Hv 230であり、浸炭組織層は Ην 300であり、鋼組織層は Η V 220であった。

[結果 3]

図 1 0に示すように、比較例に比べ実施例の摩耗深さは、約 1/3程度であつた。

[考察]

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

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

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

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

Claims

請求の範囲

1 . 鋼組織層と、铸鉄組織層と、前記鋼組織層と前記铸鉄組織層との間に鋼組織を浸炭した浸炭組織層と、を少なくとも備えることを特徴とする鉄系複合材料。

2 . 前記浸炭組織層は、前記鋼組織層から前記铸鉄組織層の方向に沿って、炭素の含有量が傾斜的に増加していることを特徴とする請求項 1に記載の鉄系複合材料。

3 . 請求項 1または 2に記載の鉄系複合材料を含むディスクロータであって、該ディスクロータは、その制動面を含む表面層として、少なくとも前記铸鉄組織層を有することを特徴とするディスクロータ。

4 . 請求項 1または 2に記載の鉄系複合材料を含む制振鋼板であって、該制振鋼板は、その板厚方向の中間層として、少なくとも前記铸鉄組織層を有することを特徴とする制振鋼板。

5 . 請求項 1または 2に記載の鉄系複合材料を含む鋼管であって、該鋼管は、その外周面又は内周面の少なくとも一方の表面層として、少なくとも前記铸鉄組織層を有することを特徴とする鋼管。

6 . 鋼組織を有した鋼材の少なくとも一部の鋼組織の表面に炭素材を接触させる工程と、

該接触させた状態を維持し、铸鉄の共晶点の温度以上の温度条件で、前記鋼材の表面に铸鉄組織を有した铸鉄組織層が形成されるように少なくとも前記鋼組織の表面を加熱する工程と

を少なくとも含むことを特徴とする鉄系複合材料の製造方法。

7 . 前記加熱工程において、前記加熱を不活性ガス雰囲気下で行うことを特徴とする請求項 6に記載の鉄系複合材料の製造方法。

8 . 前記加熱工程において、前記炭素材を前記鋼材の表面に押圧しながら前記接触状態を維持することを特徴とする請求項 6または 7に記載の鉄系複合材料の製造方法。

9 . 前記製造方法は、前記加熱工程後の部材に対して、前記鋼組織の熱処理を行う工程をさらに含むことを特徴とする請求項 6〜 8のいずれかに記載の鉄系複合材料の製造方法。

1 0 . 前記接触工程において、前記鋼組織の前記炭素材の接触面に、さらにマグネシゥムおよびマグネシウム合金の粉末のうち少なくとも一種の粉末を配置し、前記加熱工程において、前記踌鉄組織として球状黒鉛铸鉄組織を有した铸鉄組織層を形成することを特徴とする請求項 6〜 9のいずれかに記載の鉄系複合材料の製造方法。

1 1 . 前記 6〜 1 0のいずれかに記載の鉄系複合材料の製造方法を含むディスクロータの製造方法であって、前記接触工程において、前記前記ディスクロータの少なくとも制動面に前記炭素材を接触させ、前記加熱工程において、前記加熱を少なくとも前記制動面に行うことを特徴とするディスクロータの製造方法。