WO2015136633A1 - 浸炭方法および浸炭部品 - Google Patents

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WO2015136633A1
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carbon
treated
carburized
supply source
heating
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一等 杉本
平野　聡
一矢 品川
ミンソク 朴
孝介 桑原
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株式会社日立製作所
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    • 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
    • C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/80—After-treatment
    • 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
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    • C23C8/60—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using solids, e.g. powders, pastes
    • C23C8/62—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using solids, e.g. powders, pastes only one element being applied
    • C23C8/64—Carburising
    • C23C8/66—Carburising of ferrous surfaces

Definitions

  • the present invention relates to a carburizing method and carburized parts.
  • Patent Document 1 describes a solid carburizing method using iron carbide as a carbon source.
  • the object of the present invention is to obtain a homogeneous hardened layer.
  • a homogeneous hardened layer can be obtained.
  • FIG. 2 shows an appearance and a cross section after carbon fixing treatment in Example 1.
  • FIG. It fixed to the to-be-processed material which fixed the graphite powder with the cylindrical rotary tool.
  • FIG. 2 is a cross-sectional photograph in Example 1, which is a microstructural photograph taken by a scanning electron microscope image of a test piece that has been subjected to carbon fixation treatment and a test piece that has been heat-treated.
  • FIG. 2 is a hardness profile of a cross-sectional test piece of Example 1.
  • FIG. 1 shows a flowchart of the carburizing method of the present embodiment.
  • a tool is pressed to apply a frictional heat and a load to fix a solid carbon supply source containing carbon on the surface of the material to be processed, and the carbon is fixed. It has a heating process for heating the material to be processed and a cooling process for cooling the material to be processed.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a process for fixing carbon and a process for heating in the present embodiment.
  • FSP Friction Stir Processing
  • FSP Friction Stir Processing
  • FSW Friction Stir Welding
  • a solid carbon supply source such as a powder is brought into contact with the surface of the metal workpiece 4 and the workpiece 4 is frictionally stirred with the tool 1 together with the carbon supply source. Can be immobilized.
  • the material to be treated with carbon fixed is heated.
  • the carbon supply source fixed to the material to be treated 4 reacts with the material to be treated 4 containing iron, and carburization proceeds.
  • FIG. 2 shows the heating equipment 2 for heating the whole of the material to be treated 4, but it may be equipment for heating the material to be treated 4 from one side of the material to be treated 4 fixed with carbon. In short, any material may be used as long as the fixed carbon supply source is heated so as to sufficiently diffuse into the material 4 to be treated.
  • the cooling step after heating water cooling, gas cooling, or the like can be used.
  • a carburized part having the carburized portion 3 on the surface can be manufactured.
  • the solid carbon supply source is forcibly introduced into the material to be treated 4 using the tool 1 before heating, so that the carbon supply source is brought into contact with the surface of the material to be treated 4 and heated.
  • the generated carbide is less likely to be coarser than in the prior art. Therefore, a fine carbon supply source is easily dispersed uniformly in the material 4 to be processed.
  • the metal as the material to be treated is heated to a temperature higher than the temperature at which it is transformed into austenite and lower than the melting point.
  • the heating temperature is lower than the austenite temperature range, it is difficult to form a sufficiently homogeneous structure, and problems such as brittle fracture tend to occur.
  • Iron can dissolve more carbon in the austenite state than in the ferrite state.
  • a solid source of carbon comes into contact with the austenate and causes more carbon to enter its crystal lattice. By cooling it, excess carbon can be discharged and stable carbides can be formed.
  • the heat source used in the heating process can be high-frequency heating, laser heating, neutron beam heating, gas flame heating, resistance heating, electric heater heating, microwave heating, or the like, but is not limited thereto.
  • the heat treatment may be performed by placing the material to be treated in a furnace as shown in FIG. By heating in the furnace, the entire material to be treated can be heated uniformly. Moreover, you may use the heat source which heats locally the location which carried out the carbon fixation process as shown in FIG.
  • a heat source is provided at the rear of the tool in the traveling direction, and the tool and the heat source behind it are moved synchronously, so that the necessary part immediately after carbon fixation (carbon fixation part) Can be heated and carburized efficiently.
  • the heating equipment 2 in FIG. 3 heats the material to be treated from one side of the material 4 to which carbon is fixed. At this time, it is preferable to use a laser, a high-frequency induction coil, and a gas flame.
  • the rotary tool used in the present embodiment is preferably a material that has high strength at high temperatures and is not easily consumed during friction stirring.
  • Carbide, tungsten alloy, Ir alloy, Ni alloy, Co alloy, PCBN (polycrystalline nitriding) Boron), silicon carbide, silicon nitride, zirconium oxide, sialon, or cermet is preferable.
  • FIG. 4 is an example of a tool.
  • the tool may be not only the cylindrical tool of (a) but also a tool having a probe with a small diameter at the tip of the cylinder as shown in (b) to (e).
  • the single probe tool in (b) has a shape in which a probe is attached to the center of a cylinder.
  • the spiral probe tool of (c) has a probe surface with a spiral structure.
  • the offset probe-like tool (d) is a tool attached at a position where the probe is shifted from the center of the cylinder.
  • the (e) double-probe tool is a tool having two probes. With these tools, it is possible to increase the depth of the carburizing process, or to strengthen the stirring and quickly form a homogeneous structure.
  • the processing portion of the material to be processed may be in the line shape shown in FIG. 1, but as shown in FIG. 5, (a) a spot shape or (b) a surface shape may be formed. Is possible.
  • the shape of the material to be processed is not limited to a flat shape.
  • FIG. 6 is an example showing a carburizing method for treating the surface of a material to be treated having a hollow shape. Even the workpiece 4 having a hollow shape or a step shape can be carburized by appropriately selecting the shape and arrangement of the tool 1.
  • FIG. 7 is a diagram simulating a cross section of a carburized part formed by the carburizing method of the present embodiment.
  • the friction-stirred portion of the material to be treated 4 including iron becomes a high-concentration carburized portion 5 having a high carbon concentration, and there is a hardening and hardening portion 6 from the surface of the material to be treated to a predetermined depth.
  • fine carbides 51 are dispersed in the iron-based material 52. It is possible to achieve both high toughness and high hardness by finely dispersing the carbide without coarsening.
  • the carburized component of the present embodiment includes a base material (material to be treated), a hardened and hardened portion, and a high concentration carbon portion.
  • the quench-hardened portion is formed outside the portion where the carbon is fixed, and is hardened by causing martensitic transformation by being rapidly cooled after being heated to the austenite temperature region.
  • the hardness of the hardened hardening part is preferably softer than the high-concentration carbon part and harder than the base material.
  • the carburized part preferably has a high-concentration carbon part of 1 mm or more from the surface. If it is smaller than this, sufficient wear characteristics cannot be secured.
  • the friction-stirred portion can be a high-concentration carbon portion, a carburized portion can be quickly formed up to a deep portion of the material to be treated.
  • the average particle size of the carbide is preferably 10 ⁇ m or less. If it is larger than this, there is a risk of causing brittle fracture during use of the part.
  • the carbide content of the carburized part is preferably 5 ⁇ 10 ⁇ 10 pieces / m 2 or more and 5 ⁇ 10 ⁇ 8 pieces / m 2 or less in the cross section after the treatment. If it is less than this, it cannot be cured sufficiently, and if it is larger than this, the toughness of the member is impaired.
  • the material to be treated preferably contains an element that easily forms carbide, and preferably contains chromium, molybdenum, titanium, niobium, and the like.
  • the present invention is also applied to an iron-based material that does not contain these elements, but the processing with higher hardness is possible by including these elements.
  • a groove was provided on the surface of the material to be treated, and a paste obtained by adding a resin to graphite powder was applied to the groove.
  • a cylindrical tool having a diameter of 17 mm ⁇ was rotated and inserted into the material to be treated. The insertion depth was 1.2 mm, and the tool was rotated along the groove where the paste was applied. After moving 50 mm, the tool was removed.
  • the material to be treated was heat-treated at 1100 ° C. for 1 hour in a heat treatment furnace, cooled to water and returned to room temperature.
  • a low manganese cast steel product specified as SCMnCrM3 in JIS standards was used as the material to be treated.
  • the Vickers hardness of the material to be treated is Hv250 and is a cast steel product containing Cr and Mo.
  • FIG. 8 shows (a) surface appearance and (b) AA arrow cross-sectional view after the carbon fixation treatment.
  • FIG. 9 is a cross-sectional photograph of (a) a test piece after carbon fixing treatment and (b) a test piece obtained by heat-treating the specimen with a scanning electron microscope.
  • a unique structure was observed at the place (the right part in the figure) where the friction stir was performed.
  • a broad peak was shown by X-ray diffraction, and it was confirmed to be martensite.
  • a black spotted structure is confirmed in the cross section after the heat treatment.
  • the spots were carbides containing carbon, iron and chromium.
  • Fig. 10 shows the hardness profile of the cross-section specimen.
  • the hardness was measured in a direction parallel to the surface at a depth of 1.5 mm from the surface of the test piece.
  • the interface between the high-concentration carbon part and the quenched and hardened part was defined as 0, the distance from the interface was represented on the horizontal axis, and the Vickers hardness was represented on the vertical axis. The distance from the interface was positive in the direction toward the hardened hardening part.
  • the high-concentration carbon part in which the carbides were dispersed had a Vickers hardness of Hv850, and the outer hardened part was Hv660.
  • the bowl-shaped construction part with a depth of 3.5 mm became a high-concentration carbon part, and the area with a depth of 15 mm hardened as a quench-hardened part at the bottom.
  • the depth from the surface of the high-concentration carbon part could be changed by the indentation depth of the tool and the probe length of the tool equipped with the probe.
  • a high-concentration carbon part with a maximum depth of 25 mm could be formed.
  • a high-concentration carbon part with a depth of 1 mm or more was required.
  • the carbide had an average particle size of 1.5 ⁇ m, and the area ratio occupied by the carbide in the cross-sectional observation image was 4.5 ⁇ 10 ⁇ 8 pieces / m 2 .
  • the carbide content could be changed by changing the amount of paste and the size of the groove.
  • the density of the carbide was preferably controlled in the range of 5 ⁇ 10 ⁇ 10 pieces / m 2 or more to 5 ⁇ 10 ⁇ 8 pieces / m 2 or less.
  • Example 2 In the same manner as in Example 1, a carbon fixing treatment was performed, and a heat treatment was performed in which the treatment portion was heated with a high frequency induction coil.
  • the test piece thus produced had a structure in which carbides were dispersed in a bowl-like shape as in Example 1. It has been confirmed that the present invention is also possible by local heat treatment by high-frequency induction heating.
  • a crawler shoe used in construction excavators was prepared.
  • the crawler track is also called an endless track, crawler, track belt, caterpillar, etc., and is used in traveling mechanisms such as construction machinery, agricultural machinery, and tanks.
  • Many crawler tracks of construction machinery have a structure in which a plurality of shoes are connected. The shoe is heavily worn with protrusions made to increase friction with the ground.
  • carburizing treatment was applied to the protrusions of the shoe in a line.
  • the protrusion was a long and narrow rectangle with a width of 50 mm and a length of 1 m, and was constructed so that three tracks overlapped with a cylindrical tool with a diameter of 25 mm.
  • the tool arrangement is the same as (b) of FIG. It was confirmed that the durability of the shoe was improved by carburization.
  • a gear having a constant tooth-to-tooth spacing was prepared.
  • a convex tool having the same diameter as the tooth spacing was prepared as the tool.
  • the tool arrangement during construction is the same as in FIG.
  • the material to be treated was coated with a paste containing graphite, pressed against a rotating tool, and moved along the tooth surface (FACE) to fix the carbon.
  • FACE tooth surface
  • gear shape adjustment processing and polishing were performed, followed by heat treatment.
  • carburizing treatment could be applied to the tooth surface where the teeth contact each other. It was confirmed that the gear pitching durability was improved by carburizing treatment.

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Abstract

　炭素を含む固体の炭素供給源と鉄を含む被処理材とを摩擦撹拌して、前記炭素供給源を前記被処理材の表面に固定化する炭素固定工程と、炭素が固定化された前記被処理材を加熱する加熱工程と、加熱された前記被処理材を冷却する冷却工程とを備えることを特徴とする浸炭方法。鉄を含む被処理材と、前記被処理材の表面に設けられた焼入れ硬化部と、前記焼入れ硬化部の表面に設けられ断面形状が下に凸の炭素層とを備え、前記炭素層は炭化物が分散していることを特徴とする浸炭部品。

Description

浸炭方法および浸炭部品
　本発明は、浸炭方法および浸炭部品に関する。
　鉄鋼材料の表面を硬化する技術の一つとして、炭素を金属表面に拡散させる浸炭処理がある。原子半径が小さい炭素は結晶格子の間に侵入して固溶強化し、また硬質の炭化物を形成することにより析出強化する。従来の浸炭方法として、空気中の金属表面で木炭を反応させる固体浸炭法や、シアン化ナトリウムなどの溶液を使用する液体浸炭法、天然ガスなどの気体を使用するガス浸炭法などがある。液体浸炭やガス浸炭は比較的均質な組織が得られることが利点であるが、安全性に課題がある薬品やガスを使用する必要があり、また浸炭速度が遅い。高価な設備を用いず迅速に浸炭する方法として、固体を供給源に用いた浸炭手法が望まれる。しかし、例えば、木炭を使用する従来の固体浸炭法の場合、炭素と酸素から酸化炭素を形成し、酸化炭素と金属表面との反応によって浸炭反応が進行する。そのため、一酸化炭素などの危険ガスを扱う必要があり、また金属表面での中間生成物の反応に依存するため浸炭速度もガス浸炭とほとんど変わらない。
　一方で、酸化炭素などの中間反応物を形成せずに高速で浸炭する手法もいくつか報告されている。特許文献１は鉄炭化物を炭素供給源に用いた固体浸炭法について記述されている。
特開２０１０－１５０８号公報
　しかし、炭素を含む固体を金属に接触させて熱処理する場合、炭化物や鉄結晶が粗大化する問題があり、均質な硬化層を獲得することが困難である。
　本発明の目的は、均質な硬化層を得ることにある。
　本発明の目的は、請求項に記載された発明により達成される。
　本発明によれば、均質な硬化層を得ることができる。
浸炭方法のフローチャートである。 炭素を固定化する処理と加熱する処理との模式図である。 炭素を固定化する処理と加熱する処理を連続して実施する方法の模式図である。 先端にプローブを備えた工具である。 スポット処理および面処理の模式図である。 窪みを持つ被処理材に浸炭する場合の模式図である。 本発明に関わる浸炭部品の一例である。 実施例1における炭素固定処理後の外観および断面である。円筒の回転工具でグラファイト粉末を固定した被処理材に固定した。 実施例1における断面写真であり、炭素固定処理を実施した試験片およびそれを熱処理した試験片の走査型電子顕微鏡像によるミクロ組織写真である。 実施例1の断面試験片の硬度プロフィールである。表面に対して平行に測定し、高濃度炭素部と焼入れ硬化部との界面からの距離を示した。
　以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながらより詳細に説明する。なお、本発明はここで取り上げた実施形態に限定されることはなく、要旨を変更しない範囲で適宜組み合わせや改良が可能である。
　図１は本実施形態の浸炭方法のフローチャートを示す。本実施形態では、少なくとも工具を押し当てて摩擦熱と荷重とを負荷することにより炭素を含む固体の炭素供給源を被処理材の表面に固定化する炭素固定工程と、炭素が固定化された被処理材を加熱する加熱工程と、被処理材を冷却する冷却工程を有する。
　図２は本実施形態において、炭素を固定化する処理と加熱する処理とを示した模式図である。回転する工具を押し当てることにより、被処理材の表面は摩擦熱で加熱されると同時に硬質の工具で撹拌されることにより、融点以下の固相温度領域で塑性流動する。これは摩擦攪拌プロセス（ＦＳＰ＝Friction Stir Processing）と呼ばれる。例えば、この技術は被処理材を固相温度で接合する摩擦攪拌接合（ＦＳＷ＝Friction Stir Welding）や、材料表面の組織を撹拌して結晶粒を微細化するプロセスに利用されている。
　金属の被処理材4表面に粉末などの固体の炭素供給源（図示なし）を接触させ、炭素供給源ごと被処理材4を工具1で摩擦攪拌することにより、被処理材4に炭素供給源を固定化することができる。
　この炭素固定工程により、炭素を固定化した被処理材を加熱する。加熱工程により、被処理材4に固定化された炭素供給源と、鉄を含む被処理材4とが反応して浸炭が進む。
　図２では被処理材4の全体を加熱する加熱設備2を図示しているが、被処理材4の炭素固定した方の片面から被処理材4を加熱する設備であってもよい。要は固定化した炭素供給源が被処理材4の内部に十分に拡散するように加熱されるものであればよい。加熱後の冷却工程では水冷却、ガス冷却等が利用でき、以上により、表面に浸炭処理部3を持つ浸炭部品を作製することが可能である。
　本実施形態によれば、加熱前に、工具1を用いて強制的に被処理材4内部に固体の炭素供給源を導入するので、被処理材4表面に炭素供給源を接触させて加熱する従来技術よりも、生成する炭化物が粗大化しにくい。そのため、被処理材4内に微細な炭素供給源が均質に分散しやすくなる。
　本実施形態の加熱工程では、被処理材である金属はオーステナイトに変態する温度よりも高く、融点よりも低い温度に加熱されることが好ましい。加熱温度がオーステナイト温度域よりも低温である場合は、十分に均質な組織を形成することが難しく、脆性破壊などの問題が発生しやすい。鉄はフェライトの状態に比べてオーステナイトの状態の方がより多くの炭素を固溶することができる。炭素の固体供給源はオーステイトと接することにより、その結晶格子に多くの炭素を侵入させる。それを冷却することにより、過剰となった炭素を排出して安定な炭化物を形成できる。予め均質に炭素供給源が分散した状態で被処理材を加熱・冷却することにより、処理部の組織を均質にすることができる。
　加熱工程で使用される熱源は高周波加熱、レーザー加熱、中性子線加熱、ガス炎加熱、抵抗加熱、電熱ヒータ加熱、マイクロ波加熱などを用いることができ、これらに限定されるものではない。
　加熱処理は図２に示したように被処理材を炉に入れて処理してもよい。炉内で加熱することにより、被処理材全体を均等に加熱することができる。また図３に示すように炭素固定処理した箇所を局所的に加熱する熱源を用いてもよい。被処理材ではなく工具を動かして施工する場合、工具の進行方向後方に熱源を設けて工具とその後方の熱源を同期させて動かすことで、炭素固定後速やかに必要な部分（炭素固定部分）を加熱することができ、効率的に浸炭処理することができる。図３の加熱設備2は、被処理材4の炭素固定した方の片面から被処理材を加熱している。このとき、レーザー、高周波誘導コイルおよびガス炎を用いることが好適である。
　本実施形態で用いる回転工具は高温で高強度を有し、摩擦攪拌中に消耗されにくい材料であることが好ましく、超硬、タングステン合金、Ir合金、Ni合金、Co合金、PCBN（多結晶窒化ホウ素)、炭化珪素、窒化珪素、酸化ジルコニウム、サイアロン、サーメットのいずれかであることが好ましい。
　工具の形状は適宜選択することができる。図4は工具の例である。工具は(a)の円筒状工具だけでなく、(b)～(e)に示すように円筒の先端に径が小さいプローブを持つ工具としてもよい。(b)のシングルプローブ状工具は円筒の中心にプローブを取り付けた形状である。(c)のスパイラルプローブ状工具はプローブ表面に螺旋構造をつけたものである。(d)のオフセットプローブ状工具はプローブを円筒の中心からシフトさせた位置に取り付けた工具である。(e)のダブルプローブ状工具はプローブを2本備えた工具である。これらの工具により浸炭処理の深さを増大させたり、攪拌を強化して均質な組織を迅速に形成することも可能である。
　被処理材の処理箇所は図1に示したライン状のものであってもよいが、図５に示したように(a)スポット状のものや(b)面状のものを形成することが可能である。また被処理材の形状は平坦なものに限定されない。図6は窪み形状の被処理材の表面を処理する浸炭方法を示した一例である。窪み形状や段差形状などを有した被処理材4であっても工具1の形状や配置を適切に選択することで浸炭処理を実施することが可能である。
　図7は本実施形態の浸炭方法により形成された浸炭部品の断面を模した図である。本実施形態の浸炭部品は、鉄を含む被処理材4の摩擦撹拌された部分が炭素の濃度が高い高濃度浸炭部5となり、被処理材の表面から所定の深さまで焼入れ硬化部6が存在する。焼入れ硬化部の表面に存在する高濃度炭素部5は、鉄系材料52中に微細な炭化物51が分散されている。炭化物が粗大化することなく、微細に分散することで、高靭性と高硬度とを両立することができる。
　本実施形態の浸炭部品は、母材（被処理材）と焼入れ硬化部と高濃度炭素部とからなることが好ましい。焼入れ硬化部は炭素が固定された箇所の外側に形成され、オーステナイト温度領域に加熱された後に急冷されることによりマルテンサイト変態を起こし、硬化する。焼入れ硬化部の硬さは高濃度炭素部よりも柔らかく、母材よりも硬いことが好ましい。高濃度炭素部と母材との間に中間の硬さを持つ焼入れ硬化部を形成することにより、母材の変形への追随性が確保され、耐衝撃特性が向上する。
　浸炭部品は高濃度炭素部が表面から1mm以上であることが好ましい。これよりも小さい場合は十分な摩耗特性を確保できない。本実施形態では摩擦撹拌した部分を高濃度炭素部とすることができるので、被処理材の深い部分まで迅速に浸炭部分を形成することができる。
　炭化物の平均粒径は10μm以下であることが好ましい。これよりも大きい場合は部品を使用中に脆性破壊を引き起こす危険がある。
　浸炭部品の炭化物の含有率は処理後の断面において、5×10-10個／m2以上5×10-8個／m2以下であることが好ましい。これよりも少ない場合は十分に硬化できず、これよりも大きい場合は部材の靭性を損なう。
　被処理材は炭化物を形成しやすい元素を含むことが好ましく、クロム、モリブデン、チタン、ニオブなどを含むことが好ましい。本発明はこれらの元素を含まない鉄系材料にも適用されるが、これらの元素を含むことでより高硬度の処理が可能となる。
　本発明における実施例を詳しく紹介する。ただし、本発明はこれらに限定されるものではない。
　まず被処理材の表面に溝を設け、グラファイト粉末に樹脂を加えたペーストを溝に塗布した。ペーストが自然に乾燥した後、直径17mmφの円筒工具を回転させて被処理材に挿入した。挿入深さを1.2mmとし、工具を回転させながらペーストを塗布した溝に沿って動かした。50mm移動させた後に工具を抜いた。さらに被処理材は熱処理炉において1100℃で１時間の熱処理を実施し、水冷して室温に戻した。被処理材にはJIS規格でSCMnCrM3として規定される低マンガン鋳鋼品を用いた。被処理材のビッカース硬度はHv250であり、CrおよびMoを含む鋳鋼品である。
　図8は炭素固定処理を実施した後の(a)表面外観および(b)A-A矢視断面図である。断面を見ると、被処理材の表面から深さ3.5mmの下に凸形状（椀状）の組織が形成されていることがわかる。図9は(a)炭素固定処理後の試験片および(b)それを熱処理した試験片を走査型電子顕微鏡で観察した断面写真である。炭素固定処理後の試験片は摩擦攪拌させた箇所（図の右部分）に特有の組織が観察された。Ｘ線回折法により、ブロードのピークを示し、マルテンサイトであることを確認した。これを熱処理した後の断面には黒色の斑点組織が確認される。組成分析の結果、この斑点は炭素と鉄とクロムを含む炭化物であることが分かった。
　図10は断面試験片の硬度プロフィールである。試験片の表面から深さ1.5mmの箇所を表面に平行方向に硬度を測定した。高濃度炭素部と焼入れ硬化部との界面を0として、界面からの距離を横軸、ビッカース硬度を縦軸で表した。界面からの距離は焼入れ硬化部に向かう方向を正とした。炭化物が分散した高濃度炭素部はビッカース硬度がHv850であり、その外側の焼入れ硬化部はHv660であった。深さ3.5mmの椀状の施工部は高濃度炭素部となり、その下部は深さ15mmの領域が焼き入れ硬化部として硬化した。
　高濃度炭素部の表面からの深さはツールの押込み深さやプローブを備えた工具のプローブ長で変更することができた。最大で深さ25mmの高濃度炭素部を形成することができた。また十分な耐摩耗性を得るためには深さ1mm以上の高濃度炭素部が必要であった。
　炭化物は、平均粒径が1.5μmであり、断面観察像で炭化物が占める面積率は4.5×10-8個／m2であった。ペーストの量や溝の大きさを変化させることにより炭化物の含有量は変化させることができた。シャルピー試験および引張り強度試験の結果、炭化物の密度は5×10-10個／m2以上から5×10-8個／m2以下の範囲に制御することが好ましいと判断された。
　実施例1と同様にして、炭素固定処理を実施し、高周波誘導コイルにより処理部を加熱する熱処理を実施した。これにより作製された試験片は実施例1と同様に椀状の中に炭化物が分散した組織が形成されていた。本発明は高周波誘導加熱により局部的な加熱処理によっても可能であることを確認した。
　被処理材として、建設ショベルに使用される履帯のシューを用意した。履帯は無限軌道、クローラー、トラックベルト、キャタピラーなどとも呼ばれるもので、建設機械、農業機械および戦車などの走行機構に使用される。建設機械の履帯は複数のシューをつなぎ合わせた構造をしているものが多い。シューは地面との摩擦を増大させるためにつけられた突部で摩耗が激しい。実施例3ではシューの突部にライン状に浸炭処理を施した。突部は幅が50ｍｍ、長さが1mの細長い長方形であり、直径25mmφの円筒ツールで、３本のトラックが重なるように施工した。ツール配置は図5の(b)と同様である。シューの耐久性は浸炭処理により改善することが確認された。
　被処理材として、歯と歯の間隔は一定である歯車を用意した。ツールには歯の間隔と同じ寸法の直径を持つ凸状ツールを用意した。施工時のツール配置は図6と同様である。被処理材はグラファイトを含むペーストを塗布し、回転ツールを押し当て、歯面（FACE）に沿ってツールを移動することにより炭素を固定化した。炭素固定化の工程の後に歯車形状の調整加工および研磨を実施し、その後に熱処理を加えた。これにより歯と歯が接触する歯面に浸炭処理を施すことができた。歯車のピッチング耐久は浸炭処理により改善するが確認された。
1　工具、2　加熱設備、3　浸炭処理部、4　被処理材、5　高濃度炭素部、6　焼入れ硬化部、51　炭化物、52　鉄系材料

Claims (10)

  1. 　炭素を含む固体の炭素供給源と鉄を含む被処理材とを摩擦撹拌して、前記炭素供給源を前記被処理材の表面に固定化する炭素固定工程と、炭素が固定化された前記被処理材を加熱する加熱工程と、加熱された前記被処理材を冷却する冷却工程とを備えることを特徴とする浸炭方法。
  2. 　請求項１において、前記加熱工程は、前記被処理材の前記炭素供給源が固定化された部分がオーステナイト相に変態する温度に到達していることを特徴とする浸炭方法。
  3. 　請求項１において、前記加熱工程は、前記被処理材を炉内で熱処理することを特徴とする浸炭方法。
  4. 　請求項１において、前記加熱工程は、前記被処理材の前記炭素供給源が固定化された部分を熱処理することを特徴とする浸炭方法。
  5. 　鉄を含む被処理材と、前記被処理材の表面に設けられた焼入れ硬化部と、前記焼入れ硬化部の表面に設けられ断面形状が下に凸の炭素層とを備え、前記炭素層は炭化物が分散していることを特徴とする浸炭部品。
  6. 　請求項５において、前記焼入れ硬化部の硬さは前記高濃度炭素部よりも小さく、前記母材よりも大きいことを特徴とする浸炭部品。
  7. 　請求項５において、前記高濃度炭素部の最深部は表面から厚さ1mm以上であることを特徴とする浸炭部品。
  8. 　請求項５において、前記高濃度炭素部の炭化物の含有量が5×10-10個／m2以上5×10-8個／m2以下であることを特徴とする浸炭部品。
  9. 　請求項５において、前記高濃度炭素部の炭化物の平均粒径が10μm以下であることを特徴とする浸炭部品。
  10. 　請求項５において、前記被処理材が少なくともクロム、モリブデン、チタン、ニオブのいずれかを含むことを特徴とする浸炭部品。
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPH01159352A (ja) * 1987-09-08 1989-06-22 Honda Motor Co Ltd 摺動部材を組合わせた摺動構造
JP2005146378A (ja) * 2003-11-18 2005-06-09 Amc:Kk Ｃ含有材料の表面改質方法
JP2010229473A (ja) * 2009-03-26 2010-10-14 Osaka Univ 鋳鉄材・鋼材の表面硬化処理方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01159352A (ja) * 1987-09-08 1989-06-22 Honda Motor Co Ltd 摺動部材を組合わせた摺動構造
JP2005146378A (ja) * 2003-11-18 2005-06-09 Amc:Kk Ｃ含有材料の表面改質方法
JP2010229473A (ja) * 2009-03-26 2010-10-14 Osaka Univ 鋳鉄材・鋼材の表面硬化処理方法

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