(57)【要約】【課題】耐久性が高い中・高炭素鋼、およびそれを得るための表面改質方法を提供する。【解決手段】開示される表面改質方法は、中・高炭素鋼の表面に対して摩擦攪拌処理を行う工程を含む。本発明の一例では、中・高炭素鋼の表面温度がＡｃ１変態点を超えるように摩擦攪拌処理が行われる。また、本発明の他の一例では、中・高炭素鋼の表面温度がＡｃｍ変態点を超えるように摩擦攪拌処理が行われる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
中・高炭素鋼の表面に対して摩擦攪拌処理を行う工程を含む、中・高炭素鋼の表面改質方法。
【請求項２】
前記中・高炭素鋼の炭素含有率が０．３〜２．１質量％の範囲にある、請求項１に記載の表面改質方法。
【請求項３】
前記工程において、前記中・高炭素鋼の表面温度がＡｃ１変態点を超えるように摩擦攪拌処理を行う、請求項１または２に記載の表面改質方法。
【請求項４】
前記工程において、前記中・高炭素鋼の表面温度がＡｃｍ変態点を超えるように摩擦攪拌処理を行う、請求項１または２に記載の表面改質方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の表面改質方法で処理された、中・高炭素鋼。
【請求項６】
パーライトおよびセメンタイトが表面に存在する、請求項５に記載の中・高炭素鋼。
【請求項７】
パーライトおよびマルテンサイトが表面に存在する、請求項５に記載の中・高炭素鋼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、中・高炭素鋼およびその表面改質方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高張力鋼として、従来から、低炭素高合金鋼や、高炭素低合金鋼が知られている。中・高炭素低合金鋼は高い強度を有するが、溶接が難しいという問題があったため、従来は用途が限られていた。しかし、近年、摩擦攪拌接合（Friction Stir Welding：ＦＳＷ）を用いて中炭素鋼などの鉄系材料を接合することが試みられている（たとえば特許文献１）。中・高炭素鋼を容易に接合できれば、中・高炭素鋼を様々な用途に適用することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−４０５８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一方、中・高炭素鋼を様々な用途に用いるには、耐久性を高めることが重要になる。特に、構造材などに中・高炭素鋼を用いる場合には、高い耐久性が求められる。このような状況において、本発明の目的の１つは、耐久性が高い中・高炭素鋼、およびそれを得るための表面改質方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者らは、中・高炭素鋼の水素脆化のメカニズムを研究し、そのメカニズムを初めて明らかにした。本発明は、その新たな知見に基づく発明である。
【０００６】
本発明は、中・高炭素鋼の表面処理方法を提供する。この方法は、中・高炭素鋼の表面に対して摩擦攪拌処理を行う工程を含む。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、耐久性が高い中・高炭素鋼が得られる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の方法で用いられる回転ツールの一例を模式的に示す図である。
【図２】本発明の方法による炭素鋼の組織の変化を示す図である。
【図３】炭素鋼の状態図である。
【図４】実施例において水素チャージおよび引張試験に用いた試料の平面形状を示す図である。
【図５】実施例における水素チャージの方法を模式的に示す図である。
【図６】摩擦攪拌処理していない炭素鋼（母材）について、水素チャージの影響を示す図である。
【図７】１２５ｒｐｍで摩擦攪拌処理した炭素鋼について、水素チャージの影響を示す図である。
【図８】２００ｒｐｍで摩擦攪拌処理した炭素鋼について、水素チャージの影響を示す図である。
【図９】４００ｒｐｍで摩擦攪拌処理した炭素鋼について、水素チャージの影響を示す図である。
【図１０】実施例で摩擦攪拌処理した炭素鋼について、水素チャージによる表面の変化を示す図である。
【図１１】実施例で摩擦攪拌処理した炭素鋼について、表面の硬度を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態について例を挙げて説明する。なお、本発明は、以下の実施形態および実施例に限定されない。以下の説明では、特定の数値や特定の材料を例示する場合があるが、本発明の効果が得られる限り、他の数値や他の材料を適用してもよい。
【００１０】
上記従来の課題を検討するために、本願発明者らは、中・高炭素鋼に対して水素をチャージし、水素脆化のメカニズムを検討した。その結果、中・高炭素鋼に水素をチャージすると、フェライト／セメンタイト界面にクラックが発生することを見出した。このようなクラックを抑制することによって、中・高炭素鋼の水素脆化を抑制できると考えられる。そのため、中・高炭素鋼の水素脆化を抑制する方法として、以下の方法が考えられる。
（１）中・高炭素鋼の組織を微細化することによってフェライト／セメンタイト界面の面積を増大させ、水素を分散させることにより、大きなクラックが発生することを抑制する。
（２）中・高炭素鋼を相変態させることによって、フェライト／セメンタイト界面を消失させる。
【００１１】
上記（１）および（２）を実現する方法を検討した結果、本願発明者らは摩擦攪拌処理が有効であることを見出した。本願発明は、この新たな知見に基づくものである。
【００１２】
（中・高炭素鋼の表面改質方法）
中・高炭素鋼の表面を改質するための本発明の方法を以下に説明する。この方法は、中・高炭素鋼の表面に対して摩擦攪拌処理を行う工程を含む。以下では、中・高炭素鋼を総称して単に「炭素鋼」という場合がある。本発明の方法によれば、表面が改質された中・高炭素鋼を得ることができる。すなわち、１つの観点では、本発明は、摩擦攪拌処理によって表面が改質された中・高炭素鋼の製造方法に関する。また、別の観点では、本発明の表面改質方法は、中・高炭素鋼の水素脆化抑制方法と考えることもできる。
【００１３】
本発明の方法で処理される中・高炭素鋼の炭素含有率は、通常、０．３〜２．１質量％の範囲にある。炭素含有率は、０．４質量％以上であってもよいし、０．７質量％以上であってもよい。また、炭素含有率は、１．５質量％以下であってもよいし、１．０質量％以下であってもよい。一例の炭素含有率は、０．４〜１．０質量％の範囲（たとえば０．７〜１．０質量％の範囲）にある。
【００１４】
本発明の方法で処理される中・高炭素鋼には、鉄および炭素以外の元素が含まれていてもよい。そのような他の元素の含有率の合計は、通常、５質量％以下であり、たとえば２質量％以下や１質量％以下である。鉄および炭素以外の元素の例には、公知の炭素鋼に含有されている元素が含まれ、たとえば、実施例で用いられているＳＫ４に含有されている元素が含まれる。
【００１５】
摩擦攪拌処理は、回転ツールと呼ばれる工具を用いて行われ、高速で回転する回転ツールを処理対象の表面に接触させて処理対象の表面の改質を行う方法である。摩擦攪拌処理を行う際には、回転ツールに所定の荷重を加えた状態で処理を行ってもよいし、処理対象の表面に対する回転ツールの位置を制御しながら処理を行ってもよい。荷重は、たとえば、０．１〜１０トン（ｔｏｎ）の範囲にあってもよい。通常、高速で回転する回転ツールを処理対象の表面に接触させた状態で回転ツールを処理対象の表面に沿って移動させる。これによって、広い面積の表面を処理することが可能になる。ただし、回転ツールを移動させずに表面の一部のみを摩擦攪拌処理してもよい。
【００１６】
回転ツールに特に限定はなく、公知の回転ツールを用いてもよい。回転ツールの材質の例には、ＰＣＢＮ（立方晶窒化ホウ素焼結体）、Ｓｉ3Ｎ4、ＷＣ（タングステン・カーバイド）、Ｃｏ合金、Ｉｒ合金、Ｗ合金などが含まれる。
【００１７】
また、本発明の効果が得られる限り、回転ツールの形状に特に限定はない。回転ツールの一例を図１に模式的に示す。図１の回転ツール１０は、円柱状のショルダ部分１０ａと、円柱状のプローブ部分１０ｂとを含む。ショルダ部分１０ａの直径Ｄ１は、プローブ部分１０ｂの直径Ｄ２よりも大きい。摩擦攪拌処理は、プローブ部分１０ｂの側を処理対象に接触させることによって行われる。回転ツールの形状やサイズ（たとえば、ショルダ部分１０ａの直径Ｄ１や、プローブ部分１０ｂの直径Ｄ２や高さＨ２）を変えることによって、摩擦攪拌処理の効果を制御することができる。なお、ショルダ部分１０ａがなくプローブ部分１０ｂのみからなる回転ツール（別の観点では、プローブ部分１０ｂがなくショルダ部分１０ａのみからなる回転ツール）を用いてもよい。
【００１８】
摩擦攪拌処理は、通常、不活性ガス雰囲気下で行われる。たとえば、アルゴンなどの希ガス雰囲気下で摩擦攪拌処理を行ってもよい。
【００１９】
本発明の効果が得られる限り、回転ツールの回転速度および移動速度に特に限定はない。回転ツールの回転速度は、１０〜３０００ｒｐｍの範囲（たとえば１００〜４００ｒｐｍの範囲）にあってもよい。また、回転ツールの移動速度は、５〜３０００ｍｍ／分の範囲（たとえば５０〜５００ｍｍ／分の範囲）にあってもよい。
【００２０】
摩擦攪拌処理が行われた炭素鋼の表面は、加熱された後に冷却される。これによって、炭素鋼の表面の組織が変化する。摩擦攪拌処理による表面温度の上昇は、摩擦攪拌処理の条件によって制御できる。たとえば、回転ツールの回転速度を高めることによって、表面温度を高めることができる。また、回転ツールの移動速度を遅くすることによって、表面温度を高めることができる。また、炭素鋼の表面温度の冷却速度は、炭素鋼の厚さなどに影響され、回転ツールの移動速度を大きくすることにより、増大させることができる。摩擦攪拌処理の条件を制御することによって、処理後の炭素鋼の表面の組織を制御することができる。
【００２１】
摩擦攪拌処理の工程において、炭素鋼の表面温度がＡｃ１変態点（たとえば７２３℃近傍）を超えるように摩擦攪拌処理を行ってもよい。このような処理を行うことによって、水素脆化を特に抑制することができる。また、炭素鋼の表面温度がＡｃ１変態点を超え且つ冷却速度が大きくならないように摩擦攪拌処理を行うことによって、炭素鋼の表面の組織を、パーライトとセメンタイトとを含む組織とすることが可能である。
【００２２】
摩擦攪拌処理の工程において、炭素鋼の表面温度がＡｃｍ変態点を超えるように摩擦攪拌処理を行ってもよい。このような処理を行うことによって、水素脆化を特に抑制することができる。また、このような処理を行うことによって、炭素鋼の表面の組織を、パーライトとマルテンサイトとを含む組織とすることが可能である。
【００２３】
本発明の方法によれば、中・高炭素鋼の表面のみを改質することができる。本発明の方法によって改質される表面の深さは、摩擦攪拌処理の条件によって制御できる。たとえば、改質される表面の深さは、通常、回転ツール先端のプローブ部分（凸部）を長くすると深くなり、プローブ部分を短くすると浅くなる。また、改質される表面の深さは、通常、回転ツールの移動速度を遅くすると深くなり、移動速度を速くすると浅くなる。改質される表面の深さは、たとえば、１００μｍ以下、３００μｍ以下、５００μｍ以下、１ｍｍ以下、５ｍｍ以下、または１０ｍｍ以下であってもよい。
【００２４】
本発明の方法で改質された炭素鋼の表面は、水素脆化に対する耐久性が高い。一般的に、炭素鋼の表面の水素脆化を抑制することによって、炭素鋼の深部の水素脆化も抑制することが可能である。そのため、本発明によれば、水素脆化に対する耐久性が高い中・高炭素鋼が得られる。
【００２５】
また、本発明の方法は炭素鋼の表面のみを改質できるため、様々な応用が可能である。たとえば、クラックが発生した炭素鋼の表面を修復するとともに水素脆化を抑制することも可能である。また、本発明の方法によれば、炭素鋼の表面の一部のみについて処理を行うことも可能である。そのため、水素脆化が特に問題となる部分のみについて処理を行うことも可能である。
【００２６】
（中・高炭素鋼）
本発明の中・高炭素鋼は、本発明の表面改質方法で処理された中・高炭素鋼である。そのため、本発明の表面改質方法について説明した事項は、本発明の炭素鋼に適用できる。また、本発明の中・高炭素鋼について説明した事項は、本発明の表面改質方法に適用できる。
【００２７】
本発明の炭素鋼の表面には、パーライトおよびセメンタイトが表面に存在してもよい。また、本発明の炭素鋼の表面には、パーライトおよびマルテンサイトが表面に存在してもよい。
【００２８】
本発明によれば、実施例で説明する条件で水素チャージおよび引張試験を行ったときの、水素チャージによる伸び率の減少が６％以下（たとえば２％以下）である中・高炭素鋼を得ることが可能である。
【実施例】
【００２９】
以下では、実施例によって本発明をさらに詳細に説明する。
【００３０】
（実施例１）
実施例１では、以下の組成を有する高炭素鋼ＳＫ４の板材（長さ２５０ｍｍ、幅６０ｍｍ、厚さ２ｍｍ）に対して摩擦攪拌処理を行った。
【００３１】
【表１】
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【００３２】
摩擦攪拌処理は、光陽産業株式会社製の摩擦攪拌接合装置（ＦＳＷ−ＪＷＲＩ−５型）を用いて行った。摩擦攪拌処理の回転ツールには、超硬合金製（具体的にはＷＣ合金製）の回転ツールで、ショルダ径が１２ｍｍ、プローブ径が４ｍｍ、プローブ長が１．８ｍｍであるものを用いた。
【００３３】
摩擦攪拌処理は以下の条件で行った。
回転ツールの回転速度：１２５〜４００ｒｐｍ
回転ツールの移動速度：１００ｍｍ／分
回転ツールの前進角：３°
回転ツールへの荷重：２．５トン（ｔｏｎ）
シールドガス：アルゴン、２５Ｌ／分
【００３４】
種々の条件で処理された板材について、表面の組織を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって観察した。得られたＳＥＭ像を図２に示す。図２（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ、（ａ）未処理の母材、（ｂ）１２５ｒｐｍで処理後、（ｃ）２００ｒｐｍで処理後、（ｄ）４００ｒｐｍで処理後の像を示す。
【００３５】
図２（ａ）に示すように、未処理の母材の表面には、フェライト（α−Ｆｅ）およびセメンタイト（Ｆｅ3Ｃ）が観察された。図２（ｂ）に示すように、１２５ｒｐｍで処理した表面には、フェライトおよびセメンタイトが観察されたが、母材に比べてそれらの組織が微細化していた。図２（ｃ）に示すように、２００ｒｐｍで処理した表面には、セメンタイトとパーライトが観察された。図２（ｄ）に示すように、４００ｒｐｍで処理した表面には、パーライトおよびマルテンサイトが観察された。
【００３６】
炭素鋼の状態図を図３に示す。図３において、「α」はフェライトを表し、「γ」はオーステナイトを表し、「Liquid」は液相を表す。また、図３では、この実施例で用いたＳＫ４の炭素含有率（０．９５質量％）の位置を点線で示している。
【００３７】
炭素鋼は、炭素の含有率と温度によって状態が変化する。Ａｃ１点（７２３℃近傍）を超えるように炭素鋼を加熱すると、相変態が生じる。たとえば、Ａｃ１点を超えるようにＳＫ４を加熱すると、オーステナイト（γ−Ｆｅ）とセメンタイト（Ｆｅ3Ｃ）とからなる組織に相変態する。さらに、Ａｃｍ点（図３のＡｃｍ線の温度）を超えるようにＳＫ４を加熱すると、オーステナイトからなる組織に相変態する。Ａｃ１点とＡｃｍ点との間にある炭素鋼を急冷することによって、セメンタイトを含む組織を形成することが可能である。また、Ａｃｍ点を超える炭素鋼を急冷することによって、マルテンサイトを含む組織を形成することが可能である。
【００３８】
なお、現在のところ明確ではないが、実施例の摩擦攪拌処理によって炭素鋼の表面が以下に述べるように加熱されたと考えられる。ＳＥＭで観察した結果から、４００ｒｐｍで処理された表面は、Ａｃｍ点を超える温度まで加熱されたと考えられる。このことは、４００ｒｐｍで摩擦攪拌処理を行ったときの炭素鋼の表面温度を測定した他の実験結果からも推測される。また、ＳＥＭで観察した結果から、２００ｒｐｍで処理された表面は、Ａｃ１点とＡｃｍ点との間の温度まで加熱されたと考えられる。また、１２５ｒｐｍで処理された表面は、Ａｃ１点まで到達しなかったと考えられる。
【００３９】
母材および摩擦攪拌処理後の試料（板材）について、水素脆化に対する耐性を評価するために、以下の方法で水素チャージを行った。まず、平面形状が図４に示す形状になるように、ワイヤ放電加工機によって試料を切り出した。なお、図４の数値の単位はｍｍである。次に、切り出された試料の表面が鏡面になるまで研磨した。その後、図５に示す装置を用いて、試料に水素チャージを行った。
【００４０】
具体的には、まず、切り出された試料にステンレス線を溶接し、ガルバノスタットのカソード側に接続した。ガルバノスタットのアノード側には、白金線を接続し、その白金線を、試料の周りを囲むように配置した。そして、試料と白金線とを硫酸水溶液（濃度：１ｍｏｌ／Ｌ）に浸漬した状態で、試料と白金線との間に室温で４時間電圧を印加した。電圧は、電流密度が２０００Ａ／ｍ２となるように印加した。このようにして水素チャージを行った。水素チャージ前の試料および水素チャージされた試料について、引張試験を行った。引張速度は０．５ｍｍ／分とした。評価結果を図６〜図９に示す。
【００４１】
図６、図７、図８および図９は、それぞれ、摩擦攪拌処理を行っていない母材（ＳＫ４）、１２５ｒｐｍで摩擦攪拌処理を行った試料、２００ｒｐｍで摩擦攪拌処理を行った試料、４００ｒｐｍで摩擦攪拌処理を行った試料の評価結果である。図６に示すように、母材は、水素チャージによって伸びが約１８％減少した。これは、明らかな水素脆化が生じたことを示している。１２５ｒｐｍで摩擦攪拌処理を行った試料では、水素チャージによる伸びの減少は約６％であった。この結果は、１２５ｒｐｍで摩擦攪拌処理を行うことによって、水素脆化が抑制されたことを示している。また、２００ｒｐｍおよび４００ｒｐｍで摩擦攪拌処理を行った試料では、水素チャージによる伸びの減少はほとんどなかった。この結果は、２００ｒｐｍおよび４００ｒｐｍで摩擦攪拌処理を行うことによって、水素脆化が大幅に抑制されたことを示している。
【００４２】
（実施例２）
回転速度を１００ｒｐｍ、２００ｒｐｍおよび４００ｒｐｍとしたことを除いて、高炭素鋼ＳＫ４の板材に対して上記の処理と同様の条件で摩擦攪拌処理を行った。次に、上記と同様の条件で水素チャージを行った。そして、水素チャージ後の試料の表面を光学顕微鏡で観察した。観察結果を図１０に示す。図１０の（ａ）〜（ｃ）は、回転ツールの回転速度が（ａ）１００ｒｐｍ、（ｂ）２００ｒｐｍ、および（ｃ）４００ｒｐｍの結果である。また、図１０（ａ）〜（ｃ）のそれぞれにおいて、中央のＦＳＰで示される領域は摩擦攪拌処理（ＦＳＰ）がなされた部分であり、その両脇のＢＭで示される領域は処理がなされていない部分（母材そのままの部分）である。
【００４３】
図１０に示すように、摩擦攪拌処理を行っていない領域は、水素チャージによってブリスタ（微小な膨れ）が生じた。一方、摩擦攪拌処理を行った領域は、ブリスタの発生が抑制された。この結果は、摩擦攪拌処理によって水素脆化が抑制されることを示している。なお、ブリスタの発生は、回転ツールの回転速度が高いほど抑制された。
【００４４】
また、実施例２で摩擦攪拌処理された試料について、表面の硬度を測定した。測定結果を図１１に示す。図１１の縦軸は、ビッカース硬度（測定荷重３００ｇｆ）を示す。図１１に示すように、摩擦攪拌処理を行うことによって、炭素鋼の表面の硬度を高めることができた。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明は、中・高炭素鋼およびその表面改質方法に利用できる。
【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１１】
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【図２】
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【図１０】
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