(57)【要約】【課題】基地組織中に炭素量が極めて少ないフェライト系鋳鉄材または低炭素鋼材の表面硬化を簡便に実現できる処理方法を提供することである。【解決手段】基地組織中にフェライト面積率が７０％以上の鋳鉄材または炭素量が０．３％以下の鋼材にツールを押圧させて回転させながら移動することにより該鋳鉄材または鋼材の基地組織中に炭素を拡散させ、その後ツール通過領域を冷却させる。【選択図】図１６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フェライト系鋳鉄材または鋼材にツールを押圧させて回転させながら移動することにより鋳鉄材または鋼材の基地組織中に炭素を拡散させ、その後ツール通過領域を冷却させることを特徴とする鋳鉄材または鋼材の表面硬化処理方法。
【請求項２】
前記フェライト系鋳鉄材がフェライト面積率７０％以上の鋳鉄材であることを特徴とする請求項１に記載の表面硬化処理方法。
【請求項３】
前記鋼材が炭素量０．３％以下の鋼材であることを特徴とする請求項１に記載の表面硬化処理方法。
【請求項４】
ツールの移動速度をＶ（ｍｍ／分）、ツールの回転速度をＮ（ｒｐｍ）、ツールの加圧荷重をＬ（ｋｇ）としたとき、
３０，０００≦Ｎ×Ｌ／Ｖ<１５０，０００を満足するように移動速度Ｖと回転速度Ｎと加圧荷重Ｌを選定することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の表面硬化処理方法。
【請求項５】
ツールの加圧荷重を５０００ｋｇとしたとき、ツールの移動速度をＶを５０〜１５０ｍｍ／分、ツールの回転速度をＮを９００〜１５００ｒｐｍとすることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の表面硬化処理方法。
【請求項６】
ツールの移動速度をＶ（ｍｍ／分）、ツールの回転速度をＮ（ｒｐｍ）、ツールの加圧荷重をＬ（ｋｇ）、ツールの直径をＤ（ｍｍ）としたとき、
７５０，０００≦Ｎ×Ｌ×Ｄ／Ｖ<３，７５０，０００
を満足するように移動速度Ｖと回転速度Ｎと加圧荷重Ｌと直径Ｄを選定することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の表面硬化処理方法。
【請求項７】
移動速度Ｖと回転速度Ｎと加圧荷重Ｌの選定条件の上限値および下限値が前記鋳鉄材または鋼材の板厚およびツールの前進角により変わることを特徴とする請求項４に記載の表面硬化処理方法。
【請求項８】
移動速度Ｖと回転速度Ｎと加圧荷重Ｌとツールの直径Ｄの選定条件の上限値および下限値が前記鋳鉄材または鋼材の板厚およびツールの前進角により変わることを特徴とする請求項６に記載の表面硬化処理方法。
【請求項９】
鋼材の表面硬化処理において、ツールと鋼材との摩擦接触部にカーボン粒子を供給することを特徴とする請求項１に記載の表面硬化処理方法。
【請求項１０】
鋼材の処理は、ツールにより、供給されたカーボンを覆う第１のステップと、その後該カーボンを撹拌する第２のステップと、攪拌されたカーボンを鋼材の基地組織中に拡散する第３のステップと、拡散後急冷する第４のステップから成り、前記第１〜第４のステップをツールの１回の移動により完了することを特徴とする請求項１に記載の表面硬化処理方法。
【請求項１１】
鋼材の表面硬化処理において、ツールの移動速度をＶ（ｍｍ／分）、ツールの回転速度をＮ（ｒｐｍ）、ツールの加圧荷重をＬ（ｋｇ）としたとき、
４８，０００<Ｎ×Ｌ／Ｖ<１５０，０００
を満足するように移動速度Ｖと回転速度Ｎと加圧荷重Ｌを選定することを特徴とする請求項１０に記載の表面硬化処理方法。
【請求項１２】
鋼材の表面硬化処理において、ツールの移動速度をＶ（ｍｍ／分）、ツールの回転速度をＮ（ｒｐｍ）、ツールの加圧荷重をＬ（ｋｇ）、ツールの直径をＤ（ｍｍ）としたとき、
１，２００，０００<Ｎ×Ｌ×Ｄ／Ｖ<３，７５０，０００
を満足するように移動速度Ｖと回転速度Ｎと加圧荷重Ｌと直径Ｄを選定することを特徴とする請求項９または１０に記載の表面硬化処理方法。
【請求項１３】
鋼材の処理は、ツールにより、供給されたカーボンを覆う第１のステップと、該カーボンを攪拌する第２のステップと、攪拌されたカーボンを鋼材の基地組織中に拡散する第３のステップとを１回のツールの移動で行い、拡散後急冷する第４のステップを有することを特徴とする請求項１に記載の表面硬化処理方法。
【請求項１４】
鋼材の処理は、あらかじめ供給されたカーボンを覆う過程と、カーボンを攪拌する過程を１回のツールの移動で同時に行うステップの後に、攪拌されたカーボンを鋼材の基地組織中に拡散するステップと、拡散後急冷するステップの3つのステップとを有することを特徴とする請求項１に記載の表面硬化処理方法。
【請求項１５】
鋼材の処理は、あらかじめ供給されたカーボンを覆った後、該カーボンを攪拌するステップと、攪拌されたカーボンを鋼材の基地組織中に拡散するステップを１回のツールの移動で行い、拡散後急冷するステップを有することを特徴とする請求項１に記載の表面硬化処理方法。
【請求項１６】
鋼材の処理は、ツールにより、供給されたカーボンを覆う第１のステップと、その後該カーボンを撹拌する第２のステップと、攪拌されたカーボンを鋼材の基地組織中に拡散する第３のステップと、拡散後急冷する第４のステップの複数ステップからなる請求項１に記載の表面硬化処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基地組織のフェライト面積率が７０％以上の鋳鉄材または炭素量が０．３％以下の鋼材の表面硬化処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋳鉄材は一般的に成形性や低コスト性に優れ、併せて高い切削性や振動吸収能も有している。中でも球状黒鉛鋳鉄は引張強度や伸びなどの機械的性質に優れ、鋼に匹敵する強度を有し、靭性においても優れていることからプレス金型、工作機械、歯車、自動車のエンジンや部品などに用いられている。
【０００３】
これらの用途の中には、プレス金型や工作機械あるいは歯車の摺動部のように局所的に高い硬度や耐摩耗性などの機械的特性が要求される場合があり、そのために表面硬さを増し、耐摩耗性を向上させる表面焼入れなどの表面硬化処理を施す必要がある。
【０００４】
フェライト面積率が７０％以上の鋳鉄材または炭素量が０．３％以下の鋼材は、基地組織中の炭素量が少ないために従来技術で焼入れを行うことはほとんど不可能である。因みに、図２２は本発明者らがＣｕ量の異なる球状黒鉛鋳鉄（Ｃ３．６５％，Ｓｉ２．２％、ＭｎＯ０．３５％、ＣｕＯ３〜０．５％、Ｍｏ０．４％，Ｎｉ１．２０％，ＭｇＯ０．０４７％）について高周波焼入れを行って硬度を調べた結果を示すが、水冷の場合（ａ）と空冷の場合（ｂ）のいずれにおいても、フェライト面積率が７０％以上になると焼入れが出来ないことが知見されている。
【０００５】
これに対して炭素含有量が多いパーライト系鋳鉄材やフェライト面積率が７０％以下の鋳鉄材または炭素量が０．３％以上の鋼材は、レーザー焼入れ、火炎焼入れ、下記特許文献１で知られるような高周波焼入れなど従来方法での硬化が可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
特開平１１−１２６４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
鋼材や鋳鉄材を焼入れする場合には、材料をまず焼入れ温度に加熱してオーステナイト組織に変え、その後急冷してマルテンサイト組織に変態させるのであるが、フェライト面積率が７０％以上の鋳鉄材または炭素量が０．３％以下の鋼材は、鉄−炭素系平衡状態図から知られているように、材料をまずオーステナイト組織に変態させてからフェライト中に炭素を拡散させるために９５０℃以上に加熱した後、マルテンサイト変態を起こすよう急冷する必要がある。ところがレーザー焼入れや火炎焼入れまたは高周波焼入れなどの従来焼入れ法では、どんなに高温で長時間保持したとしても、結局十分な焼入れ硬度が得られないという問題があった。同様に構造材全体を熱処理炉に入れて加熱する焼入れ方法の場合は局所的な急冷が難しいため焼入れには不向きであった。
【０００８】
本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、フェライト面積率が７０％以上の鋳鉄材または炭素量が０．３％以下の鋼材について表面硬化を実現できる処理方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明は、フェライト面積率が７０％以上の鋳鉄材にツールと呼ばれる工具を使って表面に押し当てながら高速で回転させ、材料とツールとの間に生じる摩擦熱を利用して材料中に炭素を拡散させ、その後ツール通過領域を急冷して材料に変態と組織の微細化を同時に引き起こさせる。
【００１０】
炭素量が０．３％以下の鋼材においては、外部から供給されるカーボンをツールとこれら被処理材との間で発生する摩擦熱により基地組織中に拡散させ、その直後に冷却させることによりマルテンサイト変態を起こさせ硬化層を生成させるものである。
【００１１】
硬化層の広がりや深さはツールの移動速度、回転速度、ツールにかける荷重の大きさにより変わるので、適宜選定することにより所望の硬化層が得られる。
たとえばツールの移動速度をＶ（ｍｍ／分）、ツールの回転速度をＮ（ｒｐｍ）、ツールの加圧荷重をＬ（ｋｇ）としたとき、
３０，０００≦Ｎ×Ｌ／Ｖ<１５０，０００  
を満足するように移動速度Ｖと回転速度Ｎと加圧荷重Ｌを選定するのが好ましく、ツールの加圧荷重を５０００ｋｇとしたとき、ツールの移動速度Ｖを５０〜１５０ｍｍ／分、ツールの回転速度Ｎを９００〜１５００ｒｐｍとするのが好ましい。
【００１２】
また被処理材が鋼材の場合は、その表面硬化処理は、ツールにより供給されたカーボンを覆う第１のステップと、その後該カーボンを撹拌する第２のステップと、撹拌されたカーボンを鋼材の基地組織中に拡散する第３のステップと、拡散後急冷する第４のステップから成ると考えられるので、第１〜第４のステップをツールの１回の移動により処理するか、あるいはステップごとにツールを１回移動させるか、あるいは２つまたは３つのステップに対してツールを１回移動させるかにより硬化層の厚みや安定性を変えることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、靭性に優れたフェライト鋳鉄材の表面に所望硬度（たとえばビッカース硬度で４００以上）の硬化層を形成することができる。
【００１４】
本発明の表面硬化処理法によれば、被処理材の大きさや形状を問わずまた部材の局所に対して表面硬化処理が可能である。摩擦熱の影響を受けるのは被処理材の局部に限られるので、内部応力の発生が少なく、そのために材料に焼き割れや歪あるいは変形などが生じることがない。
【００１５】
また本発明の表面硬化処理法は外部からの強制加熱によらず、局部的に発生する摩擦熱による加熱であるため被処理材全体を過加熱することなく、材料の溶損を防止することができるとともに、被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弱化を防ぐことができる。
【００１６】
本発明による表面硬化処理は、ツールの回転速度、移動速度、ツールにかける荷重の大きさをコンピュータ制御することにより行われるので、従来の焼入れ法のような作業者の勘や経験に基づく熟練を要さずに均一な焼入れ硬度を得ることができる。ツールの条件を制御することにより、材料に部分的な焼入れ領域や深さを自由に調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明による表面硬化処理法の実施状態を示す。
【図２】ツールを動作状態で示す。
【図３】本発明の実施例１の実験番号１で得られた被処理材の断面におけるカラー硬度分布図である。
【図４】本発明の実施例１の実験番号２で得られた被処理材の断面におけるカラー硬度分布図である。
【図５】本発明の実施例１の実験番号３で得られた被処理材の断面におけるカラー硬度分布図である。
【図６】本発明の実施例１の実験番号４で得られた被処理材の断面におけるカラー硬度分布図である。
【図７】本発明の実施例１の実験番号５で得られた被処理材の断面におけるカラー硬度分布図である。
【図８】本発明の実施例１の実験番号６で得られた被処理材の断面におけるカラー硬度分布図である。
【図９】本発明の実施例１の実験番号７で得られた被処理材の断面におけるカラー硬度分布図である。
【図１０】本発明の実施例１の実験番号８で得られた被処理材の断面におけるカラー硬度分布図である。
【図１１】本発明の実施例１の実験番号９で得られた被処理材の断面におけるカラー硬度分布図である。
【図１２】本発明の実施例１の実験番号１で得られた被処理材の一部組織の高倍率顕微鏡写真を示す。
【図１３】本発明の実施例１の実験番号３で得られた被処理材の一部組織の高倍率顕微鏡写真を示す。
【図１４】本発明の実施例１の実験で得られた各被処理材の表面硬度測定結果を示す。
【図１５】本発明の実施例１の実験で得られた各被処理材の深さ方向の硬度測定結果を示す。
【図１６】本発明の実施例１におけるツール移動速度とツール回転速度の組み合わせ可能領域を示す。
【図１７】本発明の実施例２における表面硬化処理法を示す。
【図１８】本発明の実施例２の４パス処理で得られた被処理材の処理部表層部の高倍率顕微鏡写真を示す。
【図１９】本発明の実施例２におけるカーボン粒子供給方法の別の実施態様を示す。
【図２０】本発明の実施例２におけるカーボン粒子供給方法のさらに別の実施態様を示す。
【図２１】本発明の実施例２におけるカーボン粒子供給方法のさらに別の実施態様を示す。
【図２２】球状黒鉛鋳鉄についてフェライト面積率と焼入れ硬度との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１９】
本発明の表面硬化処理方法は、ツールと呼ばれる工具を使って表面処理しようとする材料に押し当てながら高速で回転させ、材料とツールとの間に生じる摩擦熱を利用して材料中に炭素を拡散させ、その後急冷して材料に変態と組織の微細化を同時に引き起こさせるものである。
【００２０】
また本発明で焼入れつまり硬化処理できる材料は、フェライト面積率が７０％以上の鋳鉄材または炭素量が０．３％以下の鋼材が好ましい。
【００２１】
図１は本発明による表面硬化処理方法を説明する図である。
【００２２】
図において、１は表面硬化処理しようとする鋳鉄材または鋼材のような被処理材、２は被処理材１に加圧状態で接触しながら回転し、移動するほぼ円柱状のツール、３はツール２に荷重をかけながら回転、移動する工作機械などの駆動装置である。４はツール２が通過して硬化処理された処理部、５は処理部４が深さ方向に及んでいることを示す。ツールは、バリの発生状態に応じて底面を凸面または凹面形状とするのが効果的であり、攪拌量を増やすために円柱底部中央に突起を付けるのも効果的である。
【００２３】
図２はツール２を動作状態で示しており、ツール２は白矢印Ｄで示す方向に荷重をかけられて被処理材１に押しつけられた状態で図１に矢印Ａで示すように回転されながら矢印Ｂの方向に移動される。その際ツール２は被処理材１の表面に対して移動方向後方に角度（前進角）θ（°）だけ傾斜させる。
【００２４】
以下に本発明の実施例を説明する。
【実施例１】
【００２５】
フェライト球状黒鉛鋳鉄を被処理材とした表面硬化処理について説明する。
【００２６】
被処理材：フェライト球状黒鉛鋳鉄（ＦＣＤ４５０）製板材
（厚さ５ｍｍ、幅１００ｍｍ、長さ３００ｍｍ）
基地組織はすべてフェライト組織  
ビッカース硬度  １８０〜２００ＨＶ
ツール：超鋼合金（WC）製
直径２５ｍｍ、長さ３０ｍｍ
処理条件：ツールの前進角３°
ツールの回転速度  ９００〜１５００ｒｐｍ
ツールの移動速度  ５０ｍｍ〜１５０ｍｍ／分
ツールへの荷重  ５０００ｋｇｆ（5トン）
上記被処理材に対してツール２の前進角（３°）および荷重（５０００ｋｇｆ）は同じとし、回転速度Ｎを９００ｒｐｍ、１２００ｒｐｍ、１５００ｒｐｍ、移動速度Ｖを５０ｍｍ／分 、１００ｍｍ／分、１５０ｍｍ／分と変えて下記の９条件について実験した。
【００２７】
実験番号    回転速度Ｎ    移動速度Ｖ    回転ピッチＶ／Ｎ  
（ｒｐｍ）    （ｍｍ／分）    （ｍｍ／ｒ）
１        １５００        ５０          ０．０３
２        １２００        ５０          ０．０４
３          ９００        ５０          ０．０６
４        １５００      １００          ０．０７
５        １２００      １００          ０．０８
６        １５００      １５０          ０．１０
７          ９００      １００          ０．１１
８        １２００      １５０          ０．１３
９          ９００      １５０          ０．１７
回転ピッチとはツールが１回転する間に移動する距離で、移動速度Ｖ／回転速度Ｎで表され、回転ピッチが大きいと被処理材に投入される熱量（入熱量という）が減少する。
【００２８】
この実施例における硬化処理のメカニズムは、被処理材であるフェライト材の基地組織中に分散している球状黒鉛がツールと被処理材との摩擦攪拌により発生する熱により基地組織中に拡散し、ツール通過後急速に冷却されてマルテンサイト組織に変態し硬化するものと考えられる。冷却は自然冷却である。
【００２９】
処理後、被処理材の処理部の硬度を測定した。
【００３０】
硬度測定にはビッカース硬度計を用い、荷重を１．９６１Ｎ、圧子保持時間を１５秒とし、圧痕（測定）間隔はツールの通過中心から左右にそれぞれ１２ｍｍの領域を１．０ｍｍ間隔でかつ被処理材の表面から０．１ｍｍごとの深さについて測定した。その結果を図３〜図１１に示す。各図にはビッカース硬度（Ｈｖ）のカラー指標をつけてある。
【００３１】
実験番号１〜９のうち、後述する入熱量が過多気味の実験番号１と入熱量が適切な実験番号３について処理後の一部の組織の高倍率顕微鏡写真を図１２および図１３として示す。図１２からは、実験番号１の条件ではパーライト領域が広く深く認められ、そのビッカース硬度は４００程度であることが分かる。また図１３からは、実験番号３の条件ではマルテンサイト領域が広く深く認められ、そのビッカース硬度は５５０以上にも至っていることが分かる。
【００３２】
図１４は同じ実験結果について、ツールの通過中心位置と中心から左右に６ｍｍ離れた位置の３つの位置における材料表面の硬度の平均値を示しており、図１５は被処理材の表面から深さ０．２ｍｍ、０．７ｍｍ、１．２ｍｍの３つの位置における硬度の平均値を９実験例について示したものである。
【００３３】
図１４からは、処理部の中心に近いほど硬化の度合いが大きくなっており、後退側（ツールの回転方向下流側）の硬化の度合いが前進側（ツールの回転方向上流側）の硬度の度合いより小さくなっていることが分かる。安定してより広範囲に硬化させたい場合は実験番号３が適している。
【００３４】
また図１５からは、処理部の表面に近いほど硬化の度合いが大きいことが分かる。また実験番号２からは、より深くまで改質できることが分かる。ツールの移動速度と回転速度のいずれの組み合わせにおいても処理前の硬度（ビッカース高度１８０〜２００ＨＶ）よりも硬度が向上していることが確認できたが、用途面から材料に要求される硬度の程度や深さに応じてツールの移動速度と回転速度の組み合わせを決定すればよい。たとえば材料表面においてビッカース硬度４００以上を必要とする場合には、移動速度１５０ｍｍ／分と回転速度１２００ｒｐｍの組み合わせは好ましくないことになる。
【００３５】
図１６は上記実験結果に基づき、少なくとも硬度向上が認められたツールの移動速度Ｖ（ｍｍ／分）と回転速度Ｎ（ｒｐｍ）との組み合わせ領域を示したもので、斜線の領域がそれに当たる。図中には上記実験番号１〜９のツール条件を対応する数字を丸で囲んで示してある。ツールの移動速度をＶ、回転速度をＮ、ツールへの荷重をＬ（ｋｇ）とすると、処理部の温度はツールの摩擦撹拌により発生し被処理材に投入される熱量（入熱量）により決まり、この入熱量はＮ×Ｌ／Ｖに比例するので、図１６の斜線領域は次の式（１）で表される。
【００３６】
３０，０００≦Ｎ×Ｌ／Ｖ<１５０，０００    ・・・  （１）
ツールの径（２５ｍｍ）Ｄを考慮すると、入熱量はＮ×Ｌ×Ｄ／Ｖに比例するので斜線領域は次の式（２）で表される。
【００３７】
７５０，０００≦Ｎ×Ｌ×Ｄ／Ｖ<３，７５０，０００  ・・・（２）
上記実施例は被処理材の一例としてＦＣＤ４５０を用いたが、他のフェライト系球状黒鉛鋳鉄、特に従来表面硬化処理が不可能とされているフェライト率７０％以上の鋳鉄、さらには、オーステナイト系鋳鉄、パーライト系鋳鉄についても同様に適用して表面硬度の向上を実現できる。
【００３８】
上式（１）および（２）は板厚が５ｍｍ、幅が１００ｍｍ、長さが３００ｍｍの被処理材に対するものである。したがって、被処理材の板厚がより厚くなると、式（１)および（２）の上限の値をそれぞれ、１５０，０００×ｔ／5  （ｔ：板厚（mm））、３，７５０，０００×ｔ／5  （ｔ：板厚（mm））とするのが望ましい。
【００３９】
さらに、式（１）および（２）は前進角を3°としているため、前進角をこれより大きくした場合には、接触面積が小さくなりより局所的に加熱されるため、温度が上昇し、前進角をこれより小さくした場合には温度が低下することが予測される。したがって、前進角が3°以上の場合には、式（１）の下限の値を３０，０００×cos θ／cos (3°)（θ：前進角：°）とし、式（２）の下限の値を７５０，０００×cos θ／cos (3°)（θ：前進角：°）とし、また前進角が3°以下の場合には、式（１）の上限の値を１５０，０００×cos θ／cos (3°)（θ：前進角：°）とし、式（２）の上限の値を３，７５０，０００×cos θ／cos (3°)（θ：前進角：°）と考えればよい。
【００４０】
また被処理材に対してツールの通過領域を同方向に一部重ねて処理すること（いわゆるマルチパス）により幅広い領域を硬化することができることが実験により確認された。
【実施例２】
【００４１】
純鉄を被処理材とした表面硬化処理について説明する。
【００４２】
被処理材：純鉄（９９．９％）製板材
（厚さ５ｍｍ、幅１００ｍｍ、長さ３００ｍｍ）
ツール：超鋼合金製
直径２５ｍｍ、長さ３０ｍｍ
処理条件：ツールの前進角３°
ツールの回転速度  ９００〜１５００ｒｐｍ
ツールの移動速度  ５０ｍｍ〜１５０ｍｍ／分
ツールへの荷重  ５０００ｋｇｆ（5トン）
処理に先立ち、図１７に示すように、被処理材１の中央部長手方向に幅３ｍｍ、深さ３ｍｍの溝１０を形成し、その溝１０に黒鉛粒子２０約２．７ｇを均一に充填する。
【００４３】
処理は次の４つのステップから成る。
【００４４】
ステップI：溝１０に蓋をする。
【００４５】
ステップII：炭素の撹拌
ステップIII：炭素の拡散
ステップIV：急冷
本発明者らはステップI〜IVを何工程（パス）で処理するかをいろいろ変えて実験した。冷却は自然冷却である。
（１）ステップI、II、III、IVを１工程で処理（１パス処理）
ツールの条件
移動速度：１６〜５０ｍｍ／分
回転速度：１２００ｒｐｍ
荷  重  ：２０００ｋｇ
実施例１における式（１）および（２）と同様に、ツールの移動速度をＶ（ｍｍ／分）、回転速度をＮ（ｒｐｍ）、荷重をＬ（ｋｇ）、直径をＤ（ｍｍ）とすると、この処理で硬度化が認められツール条件は次の式（３)および（４）を満足する領域になる。
【００４６】
４８，０００<Ｎ×Ｌ／Ｖ<１５０，０００    ・・・  （３）
１，２００，０００<Ｎ×Ｌ×Ｄ／Ｖ<３，７５０，０００  ・・・（４）
上式（３）および（４）は板厚が５ｍｍ、幅が１００ｍｍ、長さが３００ｍｍの被処理材に対するものである。したがって、被処理材の板厚がより厚くなると、式（３)および（４）の上限の値をそれぞれ、１５０，０００×ｔ／5  （ｔ：板厚（mm））、３，７５０，０００×ｔ／5  （ｔ：板厚（mm））とするのが望ましい。
【００４７】
また、式（３）および（４）は前進角を3°としているため、実施例１の場合と同様に、前進角をこれより大きくした場合には、接触面積が小さくなりより局所的に加熱されるため、温度が上昇し、前進角をこれより小さくした場合には温度が低下することが予測される。したがって、前進角が3°以上の場合には、式（３）の下限の値を４８，０００×cos θ／cos (3°)（θ：前進角：°）とし、式（４）の下限の値を１，２００，０００×cos θ／cos (3°)（θ：前進角：°）とし、また前進角が3°以下の場合には、式（３）の上限の値を１５０，０００×cos θ／cos (3°)（θ：前進角：°）とし、式（４）の上限の値を３，７５０，０００×cos θ／cos (3°)（θ：前進角：°）と考えればよい。
【００４８】
（２）ステップI、II、IIIとステップIVの２工程で処理（２パス処理）
ツールの条件
１回目のパス（ステップI、II、III）
移動速度        回転速度          荷  重  
４０ｍｍ／分    １２００ｒｐｍ  ２０００ｋｇ
２回目のパス（ステップIV）
実験番号     移動速度      回転速度    荷  重    入熱量    ピッチ  
１      1400ｍｍ／分    1200ｒｐｍ  5000ｋｇ  4.3×103   1.17
２      1600ｍｍ／分    1200ｒｐｍ  5000ｋｇ  3.8×103   1.33
３      1800ｍｍ／分    1200ｒｐｍ  5000ｋｇ  3.3×103   1.50
４      2000ｍｍ／分    1200ｒｐｍ  5000ｋｇ  3.0×103   1.66
５        58ｍｍ／分    1750ｒｐｍ  2000ｋｇ  6.0×104   0.033
６        40ｍｍ／分    1200ｒｐｍ  2000ｋｇ  6.0×104   0.033
７        30ｍｍ／分     900ｒｐｍ  2000ｋｇ  6.0×104   0.033
８        20ｍｍ／分     600ｒｐｍ  2000ｋｇ  6.0×104   0.033
実験番号１〜６に対してマルテンサイトが確認された（ビッカース硬度５５０HV 以上）。ただし実験番号１〜４については硬化層はやや薄い。
【００４９】
以上から、マルテンサイトが確認できた条件は次のようになる。
【００５０】
１回目パスについては、荷重２０００ｋｇ、移動速度５０ｍｍ／分以下、回転速度１２００ｒｐｍ、２回パスについては荷重５０００ｋｇ、移動速度２０００ｍｍ／分、回転速度６００ｒｐｍ以上。
【００５１】
以上の２パス処理の場合で硬化度が認められるツール条件は、ツールの移動速度Ｖ（ｍｍ／分）と回転速度Ｎ（ｒｐｍ）と荷重（ｋｇ）と直径Ｄ（ｍｍ）が次の式（５）、（６）、（７）、（８）を満足する領域となる。
【００５２】
１回目のパス
４８，０００<Ｎ×Ｌ／Ｖ            ・・・  （５）
2回目のパス
１，５００＜Ｎ×Ｌ／Ｖ<１５０，０００    ・・・  （６）
1回目のパス
１，２００，０００<Ｎ×Ｌ×Ｄ／Ｖ            ・・・（７）
2回目のパス
３７,５００<Ｎ×Ｌ×Ｄ／Ｖ<３，７５０，０００  ・・・（８）
被処理材の板厚(５ｍｍ)とツールの前進角（３°）を変えた場合は、１パス処理について記載した場合と同じ考え方をすればよい。
【００５３】
（３）ステップIと、ステップII、IIIと、ステップIVの３工程で処理（３パス処理）
ツールの条件１
１回目のパス（ステップI）
移動速度          回転速度          荷  重  
５０ｍｍ／分      １２００ｒｐｍ    １０００ｋｇ
２回目のパス（ステップIIおよびIII）
移動速度          回転速度          荷  重  
４０ｍｍ／分      １２００ｒｐｍ    ２０００ｋｇ
３回目のパス（ステップIV）
実験番号   移動速度      回転速度    荷  重    入熱量    ピッチ  
１      2000ｍｍ／分  1200ｒｐｍ  5000ｋｇ  3.0×103   1.67
２      2000ｍｍ／分  1000ｒｐｍ  5000ｋｇ  2.5×103   2.00
３      2000ｍｍ／分   900ｒｐｍ  5000ｋｇ  2.3×103   2.22
４      2000ｍｍ／分   800ｒｐｍ  5000ｋｇ  2.0×103   2.50
実験番号１〜４のすべてについてマルテンサイトが確認された（ビッカース硬度５５０HV 以上）。また、ステップIをステップII、IIIと切り離すことで、黒鉛の排出が少なく、硬化層は厚くできる。
【００５４】
第３回目のパスについては、荷重５０００ｋｇ、移動速度２０００ｍｍ／分に対して回転速度６００ｒｐｍまで硬化が可能であることが確認できた。
【００５５】
硬化層（マルテンサイト層）の厚さは回転速度が小さい方が厚くなることが確認できた。それはバリとしての排出が少なくて有効であると考えられる。
【００５６】
ツールの条件２
１回目のパス（ステップI）
移動速度          回転速度          荷  重  
５０ｍｍ／分      １２００ｒｐｍ    １０００ｋｇ
２回目のパス（ステップIIおよびIII）
実験番号   移動速度      回転速度    荷  重    入熱量    ピッチ  
１      10mm／分     1200ｒｐｍ  2000ｋｇ  2.4×105   0.008
２      20mm／分     1200ｒｐｍ  2000ｋｇ  1.2×105   0.017
３      30mm／分     1200ｒｐｍ  2000ｋｇ  0.8×105   0.025
４      40mm／分     1200ｒｐｍ  2000ｋｇ  0.6×105   0.033
３回目のパス（ステップIV）
移動速度            回転速度            荷  重  
２００ｍｍ／分       １２００ｒｐｍ    １０００ｋｇ
実験番号１はツールが沈みすぎて実験できず、実験番号２についてはマルテンサイトは確認できなかった。実験番号３、４についてはマルテンサイトが確認された（ビッカース硬度５５０HV 以上）。
【００５７】
（４）ステップI、II、III、IVを別々の４工程で処理（４パス処理）
ツールの条件１
１回目のパス（ステップI）
移動速度          回転速度          荷  重  
５０ｍｍ／分    １２００ｒｐｍ    １０００ｋｇ
２回目のパス（ステップII）
移動速度          回転速度          荷  重  
５０ｍｍ／分    １２００ｒｐｍ      位置制御
３回目のパス（ステップIII）
移動速度          回転速度          荷  重  
２５ｍｍ／分    １２００ｒｐｍ    ２０００ｋｇ
４回目のパス（ステップIV）
実験番号     移動速度      回転速度    荷  重    入熱量    ピッチ  
１      600ｍｍ／分     1200ｒｐｍ  5000ｋｇ   1.0×104   0.50
２      800ｍｍ／分     1200ｒｐｍ  5000ｋｇ   7.5×103   0.67
３      1000ｍｍ／分    1200ｒｐｍ  5000ｋｇ   6.0×103   0.83
４      1200ｍｍ／分    1200ｒｐｍ  5000ｋｇ   5.0×103   1.00
５      1400ｍｍ／分    1200ｒｐｍ  5000ｋｇ   4.3×103   1.17
６       100ｍｍ／分    1200ｒｐｍ  1000ｋｇ   1.2×104   0.083
７       200ｍｍ／分    1200ｒｐｍ  1000ｋｇ   0.6×104   0.167
８       200ｍｍ／分    1200ｒｐｍ  2000ｋｇ   1.2×104   0.167
９       400ｍｍ／分    1200ｒｐｍ  2000ｋｇ   0.6×104   0.333
１０     600ｍｍ／分    1200ｒｐｍ  3000ｋｇ   0.6×104   0.500
実験番号１および６に対してはマルテンサイトが確認されなかったが、実験番号２に対しては一部にマルテンサイトの生成が認められた。従って入熱が多い側の境界は実験番号２のツール条件であることが確認できた。また入熱が少ない側では移動速度が１４００ｍｍ／分の実験番号4の場合でもマルテンサイトの生成が確認された。実験番号３、４、５、７〜１０のすべてに対してはマルテンサイト（ビッカース硬度５５０HV 以上）の生成が確認された。同じ入熱量なら移動速度が速いほうがマルテンサイトの生成には有利であることが分かる。
【００５８】
また、2回目のパス、すなわち攪拌のプロセスではツールの底面にある突起のあるツールを用いることで攪拌量が増し、硬化層を厚くできる。
【００５９】
ツールの条件２
１回目のパス（ステップI）
移動速度          回転速度          荷  重  
５０ｍｍ／分    １２００ｒｐｍ    １０００ｋｇ
２回目のパス（ステップII）
移動速度          回転速度          荷  重  
５０ｍｍ／分    １２００ｒｐｍ      位置制御
３回目のパス（ステップIII）
実験番号     移動速度      回転速度    荷  重        ピッチ  
１       25ｍｍ／分     1200ｒｐｍ  1000ｋｇ      0.021
２       20ｍｍ／分     1200ｒｐｍ  1000ｋｇ      0.017
３       40ｍｍ／分     1200ｒｐｍ  2000ｋｇ      0.033
４       15ｍｍ／分     1200ｒｐｍ  1000ｋｇ      0.013
５       30ｍｍ／分     1200ｒｐｍ  2000ｋｇ      0.025
６       25ｍｍ／分     1200ｒｐｍ  2000ｋｇ      0.021
７       10ｍｍ／分     1200ｒｐｍ  1000ｋｇ      0.008
８       10ｍｍ／分     1200ｒｐｍ  2000ｋｇ      0.008
４回目のパス（ステップIV）
移動速度          回転速度          荷  重  
２００ｍｍ／分    １２００ｒｐｍ    １０００ｋｇ
実験番号１および２に対してはマルテンサイトが確認されなかったが、実験番号３に対しては一部にマルテンサイトの生成が認められ、実験番号４〜８のすべてに対してはマルテンサイト（ビッカース硬度５５０HV 以上）の生成が確認された。
【００６０】
図１８は４パス処理（ツール条件２）の中で３回目パスについての実験番号８つまり下記の条件で得られた処理部の表層部の高倍率顕微鏡写真を示す。
【００６１】
移動速度          回転速度          荷  重  
１回目のパス    ５０ｍｍ／分    １２００ｒｐｍ    １０００ｋｇ
２回目のパス    ５０ｍｍ／分    １２００ｒｐｍ      位置制御
３回目のパス    １０ｍｍ／分    １２００ｒｐｍ    ２０００ｋｇ
４回目のパス  ２００ｍｍ／分    １２００ｒｐｍ    １０００ｋｇ
白い結晶粒の中に針状のマルテンサイト組織が認められ、硬度はビッカース硬度で６００ＨＶ〜７００ＨＶであった。 
【００６２】
以上から、ステップI、II、III、IVを別々の工程で処理すると、工程的には時間がかかるが、生成されるマルテンサイトの厚みは厚くなり、材料を安定して硬化することができることが判明した。
【００６３】
上記実施例２は被処理材の一例として純鉄を使用したが、ＳＳ４００，ＳＭ４９０，Ｓ２０Ｃ等の普通炭素鋼についても同様に適用して表面硬度の向上を実現できる。また、従来法でも硬化処理することが可能なＳ３５ＣやＳ５０Ｃなどの中炭素鋼や高炭素鋼においても、本プロセスを用いることにより、炭素量が増加するため、到達する硬度は上昇するので、用途によっては有用である。また被処理材に対してツールの通過領域を同方向に一部重ねて処理すること（いわゆるマルチパス）により幅広い領域を硬化することができることができることは実施例１の場合と同じである。
【００６４】
実施例２の場合、カーボン粒子を外部から供給する方法として図１９に示すようにカーボンシート２２を被処理材１上の硬化したい部分に貼り付ける方法、ペースト状に塗布する方法、図２０に示すようにスプレーによって炭素を供給する方法、図２１に示すようにツール２の中心に穴２４を形成し、その穴２４にカーボン粒子をあらかじめ充填しておき、ツール２の回転・移動とともにそのカーボン粒子をツール２の被処理材１との接触摩擦面に供給する方法、あるいはツール材に炭素を含有させ、ツールを消耗させながら移動することによって黒鉛を供給する方法等が考えられる。
【００６５】
なお、実施例１および２では自然冷却によるものであるが、冷却に液体ＣＯ２、水又は液体窒素などの冷媒を用いると、冷却速度を増加させることができるため、ツールの動作条件の範囲を大きくすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明は、フェライト面積率が７０％以上の鋳鉄材または炭素量が０．３％以下の鋼材を用いた部品や構造材の表面硬化や一部の硬化に利用できる。
【符号の説明】
【００６７】
１  被処理材
２  ツール
３  加圧・回転・移動装置
４  処理部
５  深さ部
１０  溝
２０  黒鉛粒子
２２  カーボンシート
２３  消耗式炭素棒
２４  穴
【図１】
2010229473.tif 000003
【図２】
2010229473.tif 000004
【図３】
2010229473.tif 000005
【図４】
2010229473.tif 000006
【図５】
2010229473.tif 000007
【図６】
2010229473.tif 000008
【図７】
2010229473.tif 000009
【図８】
2010229473.tif 000010
【図９】
2010229473.tif 000011
【図１０】
2010229473.tif 000012
【図１１】
2010229473.tif 000013
【図１２】
2010229473.tif 000014
【図１３】
2010229473.tif 000015
【図１４】
2010229473.tif 000016
【図１５】
2010229473.tif 000017
【図１６】
2010229473.tif 000018
【図１７】
2010229473.tif 000019
【図１８】
2010229473.tif 000020
【図１９】
2010229473.tif 000021
【図２０】
2010229473.tif 000022
【図２１】
2010229473.tif 000023
【図２２】
2010229473.tif 000024