(57)【要約】【課題】Ｆｅ基合金からなる部材における任意の部位の強度を向上させる一方、その他の部位の靱性を向上させる。【解決手段】ＳＫＨ５１（Ｆｅ基合金）からなる予備成形体３２のワーク押圧部位、小径部１６の胴部の各表面に、ＳＫＨ５１の硬度を向上させる元素を含む物質の粉末、ＳＫＨ５１に含まれ且つＳＫＨ５１の硬度上昇に寄与しない元素を含む物質の粉末をそれぞれ塗布する。塗布後に予備成形体３２を熱処理すれば、ワーク押圧部位では、塗布剤３４ａに含まれるＷ等が内部に拡散する。一方、小径部１６の胴部では、ＳＫＨ５１に含まれるＷ等が表面側に拡散する。その結果、表層部になるにつれて硬度が上昇する拡散層２０がワーク押圧部位の内部に形成されるとともに、表層部になるにつれて靱性が向上する濃度変化部２２が小径部１６の胴部に形成される。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｆｅ基合金からなる母材と、前記母材の内部に炭化物が拡散することによって形成され且つ前記母材に比して高硬度な拡散層とを有する有層Ｆｅ基合金であって、
前記拡散層では内部になるに従って硬度が低下するとともに、前記母材の表面を起点として測定した前記拡散層の厚みが０．５ｍｍ以上であり、
前記母材における前記拡散層が存在しない部位に、前記母材の硬度を上昇させる性質を有する元素の量が該母材の表層部から内部になるに従って増加することに伴い硬度が上昇する濃度変化部を有することを特徴とする有層Ｆｅ基合金。
【請求項２】
請求項１記載の有層Ｆｅ基合金において、前記濃度変化部の外表面に、前記母材の硬度を上昇させる性質を有する元素が炭化物化した炭化物を含む皮膜が形成されていることを特徴とする有層Ｆｅ基合金。
【請求項３】
請求項１又は２記載の有層Ｆｅ基合金において、前記炭化物は、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｉ、Ｍｎの炭化物であることを特徴とする有層Ｆｅ基合金。
【請求項４】
請求項３記載の有層Ｆｅ基合金において、金属元素をＭで表すとき、前記炭化物の組成式は、Ｍ6Ｃ又はＭ23Ｃ6であることを特徴とする有層Ｆｅ基合金。
【請求項５】
請求項１又は２記載の有層Ｆｅ基合金において、前記炭化物は、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｉ、Ｍｎの少なくともいずれか１種と、Ｆｅとの固溶体が炭化物化したものであることを特徴とする有層Ｆｅ基合金。
【請求項６】
請求項５記載の有層Ｆｅ基合金において、金属元素をＭで表すとき、前記炭化物の組成式は、（Ｆｅ，Ｍ）6Ｃ又は（Ｆｅ，Ｍ）23Ｃ6であることを特徴とする有層Ｆｅ基合金。
【請求項７】
Ｆｅ基合金の表面に硬度を上昇させる第１元素を含む物質の粉末を塗布する一方、前記第１元素以外の元素であり且つＦｅ基合金に含まれる第２元素を含む物質の粉末を、前記第１元素が塗布された部位以外の部位に塗布するか、又は、前記第２元素を含む物質の粉末をＦｅ基合金の表面に塗布する一方、前記第２元素が塗布された部位以外の部位に前記第１粉末を含む物質を塗布する工程と、
前記第１元素又は前記第２元素を含む物質の各粉末が塗布された前記Ｆｅ基合金に対して熱処理を施し、前記第１元素を含む物質の粉末が塗布された部位に厚みが０．５ｍｍ以上で且つ前記母材に比して高硬度な拡散層を設ける一方、前記第２元素を含む物質の粉末が塗布された部位に前記母材の硬度を上昇させる性質を有する元素の量が該母材の表層部から内部になるに従って増加することに伴い硬度が上昇する濃度変化部を設ける工程と、
を有し、
前記拡散層を、前記第１元素を前記Ｆｅ基合金の内部に拡散させて該Ｆｅ基合金を構成する炭素と反応させることによって炭化物を拡散させて設け、
前記濃度変化部を、前記Ｆｅ基合金を構成する前記第１元素を該Ｆｅ基合金の内部から表層部側に拡散させ、該表層部に存在して該Ｆｅ基合金を構成する炭素と前記第１元素とを反応させて炭化物を含む皮膜として前記母材から排出することで設けることを特徴とする有層Ｆｅ基合金の製造方法。
【請求項８】
請求項７記載の製造方法において、前記第１元素として、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｉ、Ｍｎを使用することを特徴とする有層Ｆｅ基合金の製造方法。
【請求項９】
請求項７又は８記載の製造方法において、前記第２元素として、Ｃ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｍｇを使用することを特徴とする有層Ｆｅ基合金の製造方法。
【請求項１０】
請求項７〜９のいずれか１項に記載の製造方法において、前記皮膜を除去する工程を有することを特徴とする有層Ｆｅ基合金の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内部から表層部になるにつれて硬度が上昇する拡散層が存在する部位と、内部から表層部になるにつれて靱性が向上する濃度変化部が存在する部位とを同時に有する有層Ｆｅ基合金及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｆｅ基合金である鋼材の耐摩耗性や耐食性、強度等の諸特性を向上させる目的で、物理的気相成長（ＰＶＤ）法や化学的気相成長（ＣＶＤ）法、メッキ、陽極酸化等によって、該鋼材の表面に皮膜が設けられることがある。しかしながら、この場合、皮膜の形成に長時間を要し、しかも、皮膜形成コストが大きいという不具合がある。
【０００３】
そこで、浸炭、浸硫、窒化、炭窒化等の様々な表面処理を施すことにより、皮膜を設けることなく鋼材の表面の諸特性を向上させることが広汎に実施されている（例えば、特許文献１、２参照）。また、特許文献３には、ショットピーニングやショットブラスト等の機械的処理を施して表面に１０ｋｇｆ／ｃｍ2（およそ０．１ＭＰａ）の圧縮応力を付与することにより、加工用刃具の耐摩耗性及び耐欠損性を向上させることが提案されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１２９２１６号公報
【特許文献２】特開２００３−２３９０３９号公報
【特許文献３】特開平５−１７１４４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１〜３に記載されたような従来技術で諸特性が向上するのは、金属材の表面に限られる。例えば、窒化や浸炭等では、元素が拡散するのは金属材の表面から僅かに数μｍ、最大でも２００μｍ程度であり、それより内部の諸特性を向上させることは困難である。このため、耐摩耗性や耐欠損性が著しく向上するとは言い難い側面がある。
【０００６】
しかも、従来技術に係る処理方法では、形成された窒化層等と母材である金属材との間に界面が存在する。このため、界面に応力集中が起こるような条件下では、界面から脆性破壊が起こることが懸念される。
【０００７】
また、部材によっては、硬度が向上した部位と、靱性が向上した部位とを併せ持つものが希求されることもある。しかしながら、これまでに知られている表面処理方法では、部材全体の硬度を上昇させることは可能であるが、任意の部位のみ硬度を上昇させ、且つその他の部位の靱性を向上させることはできない。しかも、上記した従来技術等をはじめとする各種の表面処理方法は、主に硬度を向上させるための処理方法であり、靱性を向上させる簡便な処理方法は知られていない。
【０００８】
本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、表層部の硬度が上昇した部位と、表層部の靱性が向上した部位とを併せ持ち、且つ応力集中が起こり難いので脆性破壊が生じ難い有層Ｆｅ基合金及びその製造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】
前記の目的を達成するために、本発明は、Ｆｅ基合金からなる母材と、前記母材の内部に炭化物が拡散することによって形成され且つ前記母材に比して高硬度な拡散層とを有する有層Ｆｅ基合金であって、
前記拡散層では内部になるに従って硬度が低下するとともに、前記母材の表面を起点として測定した前記拡散層の厚みが０．５ｍｍ以上であり、
前記母材における前記拡散層が存在しない部位に、前記母材の硬度を上昇させる性質を有する元素の量が該母材の表層部から内部になるに従って増加することに伴い硬度が上昇する濃度変化部を有することを特徴とする。
【００１０】
拡散層においては、母材であるＦｅ基合金の内部深くまで炭化物が拡散しているので、内部まで優れた硬度及び強度を示す。一方、濃度変化部においては、Ｆｅ基合金の硬度上昇に寄与する元素の量が表層部側で少なく、内部になるにつれて漸次的に増加する。硬度上昇に寄与する元素の量が少ない部位は、概して靱性が大きくなる。このため、濃度変化部では、表層部の靱性が大きく、且つ内部の硬度が大きくなる。
【００１１】
すなわち、本発明に係る有層Ｆｅ基合金は、表層部になるに従って硬度が上昇する部位（拡散層）と、表層部になるに従って硬度が低下する部位（濃度変化部）とを併せ持つ。このように、本発明によれば、高硬度を示す部位と高靱性を示す部位を同一の部材に形成することができる。従って、ある部位には高硬度であることが希求され、別の部位には高靱性であることが希求される等、部位によって希求される特性が異なる部材として好適に使用することができる。このような部材としては、鍛造加工用金型が例示される。
【００１２】
しかも、この有層Ｆｅ基合金には、拡散層又は濃度変化部と母材との間に界面が存在しない。このため、応力集中が起こり難いので脆性破壊が生じ難い。
【００１３】
なお、濃度変化部を設ける際には、該濃度変化部の外表面に、母材の硬度を上昇させる性質を有する元素が炭化物化した炭化物が排出され、その結果、皮膜が形成される。本発明に係る有層Ｆｅ基合金は、この皮膜が除去されたものであってもよく、この皮膜が存在するものであってもよい。
【００１４】
金属の炭化物としては、Ｆｅ基合金の硬度を向上させる物質であれば特に限定されるものではないが、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｉ、Ｍｎの炭化物を好適な例として挙げることができる。
【００１５】
この場合、金属元素をＭで表すとき、炭化物の組成式がＭ6Ｃ又はＭ23Ｃ6であることが好ましい。組成式がこのように表される炭化物は、Ｆｅ基合金の硬度を向上させる効果に特に優れるからである。
【００１６】
炭化物は、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｉ、Ｍｎの少なくともいずれか１種と、Ｆｅとの固溶体が炭化物化したものであってもよい。この場合、上記したような金属炭化物の相対量が低減するので、金属炭化物が過度に生成して脆性が上昇することを抑制することができる。
【００１７】
好ましい固溶体の炭化物は、金属元素をＭで表すとき、その組成式が（Ｆｅ，Ｍ）6Ｃ又は（Ｆｅ，Ｍ）23Ｃ6で表されるものである。
【００１８】
また、本発明に係る有層Ｆｅ基合金の製造方法は、Ｆｅ基合金の表面に硬度を上昇させる第１元素を含む物質の粉末を塗布する一方、前記第１元素以外の元素であり且つＦｅ基合金に含まれる第２元素を含む物質の粉末を、前記第１元素が塗布された部位以外の部位に塗布するか、又は、前記第２元素を含む物質の粉末をＦｅ基合金の表面に塗布する一方、前記第２元素が塗布された部位以外の部位に前記第１粉末を含む物質を塗布する工程と、
前記第１元素又は前記第２元素を含む物質の各粉末が塗布された前記Ｆｅ基合金に対して熱処理を施し、前記第１元素を含む物質の粉末が塗布された部位に厚みが０．５ｍｍ以上で且つ前記母材に比して高硬度な拡散層を設ける一方、前記第２元素を含む物質の粉末が塗布された部位に前記母材の硬度を上昇させる性質を有する元素の量が該母材の表層部から内部になるに従って増加することに伴い硬度が上昇する濃度変化部を設ける工程と、
を有し、
前記拡散層を、前記第１元素を前記Ｆｅ基合金の内部に拡散させて該Ｆｅ基合金を構成する炭素と反応させることによって炭化物を拡散させて設け、
前記濃度変化部を、前記Ｆｅ基合金を構成する前記第１元素を該Ｆｅ基合金の内部から表層部側に拡散させ、該表層部に存在して該Ｆｅ基合金を構成する炭素と前記第１元素とを反応させて炭化物を含む皮膜として前記母材から排出することで設けることを特徴とする。
【００１９】
このような工程を経ることにより、厚みの大きい拡散層を形成することができるとともに、拡散層と母材との間に界面が存在しない有層Ｆｅ基合金を製造することができる。得られた有層Ｆｅ基合金における拡散層が存在する部位は、硬度及び強度に優れる。
【００２０】
その一方で、第２元素を含む物質の粉末を塗布した部位では、熱処理に伴って第１元素が第２元素に指向して拡散し始める。すなわち、Ｆｅ基合金の硬度を上昇させる第１元素が表面側に拡散し始める。この理由は、第２元素に第１元素を捕捉する作用があるためであると推察される。これにより第１元素が表層部の最上方まで拡散し、さらに、表層部の外表面に第１元素を含む皮膜が設けられる。
【００２１】
そして、このようにして表層部の外表面に第１元素が偏在する結果、第１元素の量は、皮膜の直下で最も少なくなり、表層部から内部に向かうにつれて漸次的に増加する。すなわち、得られた有層Ｆｅ基合金の硬度は、皮膜の直下で最も低くなる。上記したように、硬度が小さい部位は概して靱性が大きいことから、皮膜が設けられた部位の靱性は、内部側に比して表層部側が大きくなる。換言すれば、表層部側が高靱性で且つ内部側が高硬度である部位を有する有層Ｆｅ基合金を得ることができる。
【００２２】
すなわち、本発明によれば、粉末を塗布した後に熱処理を行うという簡便な操作を行うことによって、表層部の硬度が上昇した部位と、表層部の靱性が向上した部位とを併せ持つ有層Ｆｅ基合金を容易に得ることができる。
【００２３】
なお、粉末には、第１元素を含む物質の粉末が配合されていてもよい。この場合、Ｆｅ基合金の種類や熱処理条件に応じて、第１元素を含む物質の粉末と第２元素を含む物質の粉末との配合比を適宜設定すればよい。
【００２４】
第１元素としては、Ｆｅ基合金の硬度を向上させることができるということから、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｉ、Ｍｎを使用することが好ましい。
【００２５】
一方の第２元素としては、Ｆｅ基合金に含まれて且つ該Ｆｅ基合金の硬度上昇に寄与しない元素を含む物質であれば特に限定されないが、Ｃ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｍｇが好ましい。特に、ＣとＳｉは第１元素を拡散させる効果に優れ、一方、Ｃｕ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｍｇは酸素を遮断する効果に優れる。さらに、生成する金属間化合物を微細化することができるとともに耐熱性を向上させることができ、高温強度に優れるＦｅ基合金とすることができる。
【００２６】
また、皮膜を、例えば、切削加工代等として除去するようにしてもよい。この場合、高硬度な部位が減少して高靱性な部位が残留するので、曲げ加工等を行うことが容易な有層Ｆｅ基合金を得ることができる。
【００２７】
さらに、窒素雰囲気下で前記熱処理を行い、炭化物を窒化して炭窒化物とするようにしてもよい。この場合、有層Ｆｅ基合金の表層部の硬度を低下させることなく、靱性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、硬度が向上した部位と、靱性が向上した部位とが同一部材に設けられる。すなわち、部位によって希求される特性が異なる部材を構成することができる。しかも、拡散層の厚みが大きいので、該拡散層が設けられた部位の硬度や強度を内部まで向上させることができる一方、表層部側の靱性が大きな部位を有する有層Ｆｅ基合金を構成することができる。しかも、この有層Ｆｅ基合金では、拡散層又は濃度変化部と母材との間に界面が存在しないので、脆性破壊が生じることを回避することもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明に係る有層Ｆｅ基合金につきその製造方法との関係で好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００３０】
本実施の形態に係る有層Ｆｅ基合金から設けられた鍛造加工用パンチの概略全体斜視図を図１に示す。この鍛造加工用パンチ１０は、ＳＫＨ５１を原材料（母材）として作製されたものであり、大径部１２と、該大径部１２に連接されてテーパ状に縮径した縮径部１４と、小径部１６と、該小径部１６の一端部から突出形成されて湾曲した湾曲突出部１８とを有する。このうちの湾曲突出部１８と、小径部１６の先端部とが、図示しないダイのキャビティ内に収容されたワークを押圧して、該ワークを所定の形状に成形させる。すなわち、小径部１６の先端部と湾曲突出部１８は、ワーク押圧部位である。
【００３１】
ここで、ワーク押圧部位の断面を拡大して図２に示す。該図２から諒解されるように、ワーク押圧部位の表層部には、母材であるＳＫＨ５１中を金属の炭化物が拡散してなる拡散層２０が存在している。
【００３２】
炭化物を形成する金属元素としては、ＳＫＨ５１の硬度を向上させるものであれば特に限定されないが、好適な例としては、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｉ、Ｍｎを挙げることができる。このような金属元素の炭化物が拡散することによって形成された拡散層２０は、高硬度及び高強度を示す。このため、鍛造加工用パンチ１０において、拡散層２０が存在するワーク押圧部位では、拡散層２０が存在しない大径部１２や縮径部１４等に比して、硬度及び強度が高くなる。換言すれば、拡散層２０が設けられたワーク押圧部位は、他の部位に比して高硬度及び高強度となる。
【００３３】
炭化物は、金属元素をＭで表すとき、組成式がＭ7Ｃ3で表される炭化物であってもよいが、Ｃｒ6Ｃ、Ｗ6Ｃ、Ｍｏ6Ｃ等のようにＭ6Ｃで表される炭化物や、Ｍ23Ｃ6で表される炭化物である方が好ましい。この場合、硬度及び強度を向上させる効果に最も優れているからである。
【００３４】
なお、Ｍ6ＣやＭ23Ｃ6が過度に存在すると、鍛造加工用パンチ１０が脆性を示すようになる。そこで、Ｆｅと上記金属元素の固溶体の炭化物を生成することが好ましい。すなわち、炭化物は、（Ｆｅ，Ｍ）6Ｃや、（Ｆｅ，Ｍ）23Ｃ7等で表されるものであってもよい。このような炭化物を生成させた場合、Ｍ6ＣやＭ23Ｃ6の相対量が低減するので、鍛造加工用パンチ１０が脆性を示すことを確実に回避することができるようになる。
【００３５】
ここで、拡散層２０の厚み、換言すれば、炭化物の拡散距離は、該鍛造加工用パンチ１０の表面からの深さが少なくとも０．５ｍｍ（５００μｍ）に達しており、通常は３〜７ｍｍ（３０００〜７０００μｍ）、最大では１５ｍｍ（１５０００μｍ）に達することがある。この値は、窒化や浸炭等における元素の拡散距離が数十μｍ、大きくても２００μｍ程度であるのに対し、著しく大きい。すなわち、本実施の形態においては、炭化物を、従来技術に係る表面処理方法によって導入された元素に比して著しく深い部位にまで拡散させることができる。
【００３６】
このような拡散層２０が設けられたワーク押圧部位では、炭化物が拡散した深さまで母材の硬度が向上する。すなわち、鍛造加工用パンチ１０の内部まで硬度及び強度が上昇し、その結果、内部の耐摩耗性が向上するとともに、変形し難くなる。
【００３７】
なお、後述するように、拡散層２０は、母材の表面から拡散された金属元素が炭化物を生成することによって形成される。このため、炭化物の濃度は、表面で最も高く、母材の内部に指向するにつれて漸次的に減少する。
【００３８】
また、炭化物の濃度がこのように漸次的に減少するため、拡散層２０と母材との間に明確な界面は存在しない。このため、応力集中が起こることを回避することができるので、金属元素を拡散させることに伴って脆性が増すことを回避することができる。なお、図２においては、拡散層２０が存在することを明確にするため、拡散層２０と母材との間に便宜的に境界線を付している。
【００３９】
一方、ワーク押圧部位から延在する小径部１６の胴部においては、その要部断面拡大図である図３に示すように、ワーク押圧部位の表層部には、母材であるＳＫＨ５１中の金属元素の濃度が変化する濃度変化部２２が存在する。
【００４０】
この濃度変化部２２において濃度が変化する金属元素は、ＳＫＨ５１の構成元素であり、且つＳＫＨ５１の硬度上昇に寄与するもの、具体的には、上記と同様にＣｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｉ、Ｍｎ等である。
【００４１】
上記したような金属元素は、通常、合金又は炭化物の形態で存在する。炭化物としては、その組成式がＣｒ6Ｃ、Ｗ6Ｃ、Ｍｏ6Ｃ等のようにＭ6Ｃで表されるもの、又はＭ23Ｃ6で表されるものであってもよいが、Ｍ6ＣやＭ23Ｃ6が過度に存在すると、鍛造加工用パンチ１０が脆性を示すようになる。これを回避するべく、ＦｅとＭの固溶体の炭化物、すなわち、（Ｆｅ，Ｍ）6Ｃや（Ｆｅ，Ｍ）23Ｃ6等で表される炭化物として、Ｍ6ＣやＭ23Ｃ6の相対量を低減させることが好ましい。
【００４２】
金属元素の濃度は、濃度変化部２２の最上方から内部側に向かうにつれて漸次的に増加する。すなわち、金属元素の濃度は濃度変化部２２の最上方で最も低く、このため、濃度変化部２２の硬度は、最上方で最も小さく、内部側に向かうにつれて大きくなる。
【００４３】
このように、小径部１６の表層部には、ＳＫＨ５１の硬度を上昇させる元素が内部側に向かうにつれて漸次的に増加する濃度変化部２２が形成されている。この濃度変化部２２は、後述するように、ＳＫＨ５１に含まれた元素が内部から表層部に拡散して排出されることによって設けられる。この際に表層部に生成する皮膜は、機械加工によって切削除去される。
【００４４】
一般的に、硬度と靱性はトレードオフの関係にあり、硬度が低下すると靱性が向上する。上記したように、濃度変化部２２の最上方においては、硬度上昇に寄与する元素の量が少なく、このため、小径部１６の胴部の表層部では、内部側に比して靱性が大きくなる。すなわち、該胴部の表層部は、濃度変化部２２が形成されていないＳＫＨ５１に比して高靱性を示す。このため、該胴部自体も靱性が向上して脆性破壊が生じ難くなり、結局、該胴部では、濃度変化部２２が存在しない大径部１２等に比して割れ等が生じ難くなる。
【００４５】
また、上記した金属元素、換言すれば、合金や炭化物の濃度は、該胴部の表層部で最も低く、内部になるにつれて漸次的に増加する。このため、濃度変化部２２と母材との間に明確な界面は存在しない。従って、応力集中が起こることを回避することができるので、濃度変化部２２を設けることに伴って脆性が増すことを回避することができる。なお、図３においては、濃度変化部２２が存在することを明確にするため、濃度変化部２２と母材との間に便宜的に境界線を付している。
【００４６】
濃度変化部２２には、ＳＫＨ５１に含まれ且つＳＫＨ５１の硬度上昇には寄与しない元素、具体的には、Ｃ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｍｇ等が、例えば合金又は炭化物の形態で存在する。後述するように、このような元素が熱処理時に表面側に存在する場合、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｉ、Ｍｎ等の金属元素が小径部１６の外表面側に指向して拡散する。
【００４７】
このように構成された鍛造加工用パンチ１０は、例えば、ワークに対して温間鍛造加工が施される際に使用され、この際には、該鍛造加工用パンチ１０のワーク押圧部位がワークを押圧する。上記したように、該ワーク押圧部位は、拡散層２０が存在するために高硬度及び高強度であり、且つ靱性が確保されている。従って、該ワーク押圧部位は、鍛造加工を繰り返し行っても摩耗し難く、しかも、欠損が生じ難い。すなわち、長寿命を確保することができる。炭化物は、炭窒化物であってもよい。
【００４８】
同時に、小径部１６の胴部に荷重が加わる。上記したように、該胴部は、その表層部の靱性が高いために高靱性である。このため、該胴部は、鍛造加工を繰り返し行っても割れが生じ難い。すなわち、ＳＫＨ５１の硬度上昇に寄与する元素を表層部に拡散・排出させて濃度変化部２２を設けることにより、鍛造加工用パンチ１０の寿命を長期化することができる。
【００４９】
この鍛造加工用パンチ１０は、以下のようにして製造することができる。
【００５０】
先ず、図４（ａ）に示すＳＫＨ５１からなる円筒体形状のワークＷに対して、図４（ｂ）に示すように、バイト３０による切削加工を施し、鍛造加工用パンチ１０の形状に対応する形状の予備成形体３２とする。
【００５１】
次に、この予備成形体３２におけるワーク押圧部位となる部位の表面に、図４（ｃ）に示すように、拡散させる金属の粉末を塗布する。例えば、Ｗを拡散させるのであればＷ粉末が配合された粉末、Ｃｒを拡散させるのであればＣｒ粉末が配合された粉末を塗布すればよい。なお、粉末の塗布分量は、例えば、Ｗ6ＣやＣｒ6Ｃ等が生成する量とすればよい。
【００５２】
その一方で、ＳＫＨ５１に含まれる元素であって、且つＳＫＨ５１の硬度を上昇させるものではないもの、すなわち、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｉ、Ｍｎ等以外の元素を含む物質の粉末を、予備成形体３２における小径部１６の胴部となる部位の表面に塗布する。このような粉末の好適な例としては、Ｃ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｍｇを挙げることができる。
【００５３】
いずれの場合においても、粉末の塗布は、該粉末を溶媒に分散させて調製した塗布剤３４ａ、３４ｂを塗布することによって行えばよい。溶媒としては、アセトンやアルコール等、容易に蒸発する有機溶媒を選定することが好ましい。前記ワーク押圧部位に塗布する塗布剤３４ａを調製する場合、溶媒にＷ、Ｃｒ等の粉末を分散させればよく、前記胴部に塗布する塗布剤３４ｂを調整する場合、溶媒にＣやＳｉ等の粉末を分散させればよい。
【００５４】
ここで、母材であるＳＫＨ５１の表面には、通常、自発的に形成された酸化物膜が存在する。この状態で上記した元素を拡散させるには、該元素が酸化物膜を通過できるように、多大な熱エネルギを供給しなければならない。これを回避するために、各塗布剤３４ａ、３４ｂに、酸化物膜を還元することが可能な還元剤を混合することが好ましい。
【００５５】
具体的には、酸化物膜に対して還元剤として作用し、且つＳＫＨ５１とは反応しない物質を溶媒に分散ないし溶解させる。還元剤の好適な例としては、ニトロセルロース、ポリビニル、アクリル、メラミン、スチレン、エポキシの各樹脂を挙げることができるが、特にこれらに限定されるものではない。なお、還元剤の濃度は、５％程度とすればよい。
【００５６】
以上の物質が溶解ないし分散された塗布剤３４ａ、３４ｂは、それぞれ、図４（ｃ）、（ｄ）に示すように、刷毛３６を使用する刷毛塗り法によって、ワーク押圧部位及び小径部１６の胴部の各表面に塗布される。勿論、刷毛塗り法以外の公知の塗布技術を採用するようにしてもよい。また、塗布剤３４ａ、３４ｂの塗布順序を逆にしてもよいことはいうまでもない。
【００５７】
次いで、ワーク押圧部位の表面に塗布剤３４ａが塗布され、且つ小径部１６の胴部の表面に塗布剤３４ｂが塗布された予備成形体３２に対して熱処理を施す。この熱処理は、図４（ｅ）に示すように、バーナー火炎３８を予備成形体３２の一端面側から当てることによって施すことができる。勿論、熱処理炉内において不活性雰囲気中で熱処理するようにしてもよい。
【００５８】
この昇温の過程では、２５０℃程度で還元剤が分解し始め、炭素や水素が生成する。予備成形体３２の酸化物膜は、この炭素や水素の作用下に還元されて消失する。このため、ワーク押圧部位ではＷやＣｒ等が、小径部１６の胴部ではＣやＳｉ等が酸化物膜を通過する必要がなくなるので、拡散に要する時間を短縮することができるとともに、熱エネルギを低減することができる。
【００５９】
さらに昇温を続行すると、ワーク押圧部位では、母材であるＳＫＨ５１の構成元素であるＣや還元剤が分解することによって生成したＣと、ＷやＣｒ等とが反応して、Ｗ6ＣやＣｒ6Ｃ、Ｗ23Ｃ6、Ｃｒ23Ｃ6等が生成する。Ｆｅがさらに関与した場合には、（Ｆｅ，Ｗ）6Ｃ、（Ｆｅ，Ｃｒ）6Ｃ、（Ｆｅ，Ｗ）23Ｃ6、（Ｆｅ，Ｃｒ）23Ｃ6等も生成する。
【００６０】
生成したＷ6ＣやＣｒ6Ｃ、（Ｆｅ，Ｗ）6Ｃ、（Ｆｅ，Ｃｒ）6Ｃ等の炭化物は即座に分解し、Ｆｅ、Ｗ、Ｃｒに戻る。このうち、Ｗ、Ｃｒは、次に、母材のより内部側に存在する該母材の構成元素であるＣ、Ｆｅや、該母材のより内部側に遊離状態で存在するＣと結合して、新たにＷ6Ｃ、Ｃｒ6Ｃ、（Ｆｅ，Ｗ）6Ｃ、（Ｆｅ，Ｃｒ）6Ｃ等を生成する。このＷ6ＣやＣｒ6Ｃ、（Ｆｅ，Ｗ）6Ｃ、（Ｆｅ，Ｃｒ）6Ｃも即座に分解してＷ、Ｃｒに戻った後、母材の一層内部側に存在する該母材の構成元素であるＣ、Ｆｅや、該母材の一層内部側に遊離状態で存在するＣと結合して、再度Ｗ6Ｃ、Ｃｒ6Ｃ、（Ｆｅ，Ｗ）6Ｃ、（Ｆｅ，Ｃｒ）6Ｃ等を生成する。このようにして炭化物が分解、生成を繰り返すことにより、該炭化物が母材の内部深くまで拡散する。
【００６１】
このようして、母材の内部にＷ6ＣやＣｒ6Ｃ、（Ｆｅ，Ｗ）6Ｃ、（Ｆｅ，Ｃｒ）6Ｃが拡散し、その結果、拡散層２０が形成される（図２参照）。なお、炭化物の濃度は漸次的に減少し、炭化物の拡散到達終端部と母材との間に明確な界面が生じることはない。従って、脆性破壊が生じることを回避することができるので、拡散層２０が形成されたワーク押圧部位の靱性を確保することもできる。拡散層２０の厚み、すなわち、炭化物の拡散距離は、最大で表面から１５ｍｍ程度の深さまで及ぶ。
【００６２】
上記と同様にして、ＭｏやＶ、Ｎｉの炭化物を母材の内部に拡散させて拡散層２０を形成することもできる。
【００６３】
その一方で、小径部１６の胴部では、ＳＫＨ５１の構成元素であるＷやＣｒ等が、還元剤が分解することによって生成したＣやＳＫＨ５１に含まれる遊離Ｃ等と反応し、その結果、Ｗ6ＣやＣｒ6Ｃ、Ｗ23Ｃ6、Ｃｒ23Ｃ6等が生成する。塗布粉末にＦｅが混合されている場合、Ｆｅとの固溶体の炭化物である（Ｆｅ，Ｗ）6Ｃ、（Ｆｅ，Ｃｒ）6Ｃ、（Ｆｅ，Ｗ）23Ｃ6、（Ｆｅ，Ｃｒ）23Ｃ6等がさらに生成する。ここで、Ｆｅの拡散速度はＣ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｍｇに比して大きく、従って、塗布剤３４ｂに含まれたＦｅの濃度は、濃度変化部２２の内部側で大きくなる。
【００６４】
生成したＷ6ＣやＣｒ6Ｃ、（Ｆｅ，Ｗ）6Ｃ、（Ｆｅ，Ｃｒ）6Ｃ等の炭化物は即座に分解し、Ｆｅ、Ｗ、Ｃｒに戻る。このうち、Ｗ、Ｃｒは、表面側に拡散移動する。この理由は、表面側に存在するＣやＳｉ等が、ＷやＣｒ等を捕捉する作用があるためであると推察される。なお、塗布剤にＣｕ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｍｇが含まれている場合、これらは酸素を遮断する作用をも営む。このため、ＳＫＨ５１が酸化することを回避することができる。
【００６５】
上記の拡散過程で、ＷやＣｒは、予備成形体３２の表面側に存在するＳＫＨ５１の構成元素であるＣ、Ｆｅや、該表面側に遊離状態で存在するＣと結合して、新たにＷ6Ｃ、Ｃｒ6Ｃ、（Ｆｅ，Ｗ）6Ｃ、（Ｆｅ，Ｃｒ）6Ｃ等を生成する。このＷ6ＣやＣｒ6Ｃ、（Ｆｅ，Ｗ）6Ｃ、（Ｆｅ，Ｃｒ）6Ｃも即座に分解してＷ、Ｃｒに戻った後、予備成形体３２の一層表面側に存在するＣ、Ｆｅや、該表面側に遊離状態で存在するＣと結合して、再度Ｗ6Ｃ、Ｃｒ6Ｃ、（Ｆｅ，Ｗ）6Ｃ、（Ｆｅ，Ｃｒ）6Ｃ等を生成する。このようにして炭化物が分解、生成を繰り返すことにより該炭化物が予備成形体３２の外表面まで拡散し、その結果、該外表面に炭化物からなる皮膜が形成される。この炭化物は化学的に安定であり、従って、予備成形体３２が、表層部の外表面に皮膜を有する有層Ｆｅ基合金となる。なお、皮膜の厚みは、およそ０．５ｍｍ程度である。
【００６６】
このようして、表層部側に存在するＷやＣｒが、Ｗ6ＣやＣｒ6Ｃ、（Ｆｅ，Ｗ）6Ｃ、（Ｆｅ，Ｃｒ）6Ｃ等として予備成形体３２の外表面に拡散される。その結果として、ＷやＣｒ等の濃度が、皮膜の直下の表層部で最も低くなるとともに内部側になるにつれて漸次的に増加するようになる。すなわち、濃度変化部２２が形成される（図３参照）。なお、ＷやＣｒ等の濃度は漸次的に増加するので、上記したように、濃度変化部２２の終端部と母材との間に明確な界面が生じることはない。従って、濃度変化部２２を設けることに伴って脆性破壊が生じることを回避することができる。
【００６７】
その一方で、塗布剤に含まれたＣ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｍｇ等が濃度変化部２２に拡散し、該濃度変化部２２に合金や炭化物として残留する。これらの元素はＳＫＨ５１の硬度上昇に寄与しないものであることから、該元素が拡散することによって濃度変化部２２の硬度が上昇することはない。
【００６８】
最後に、図４（ｆ）に示すように、予備成形体３２に対してバイト３０や砥石で仕上げ加工を行い、鍛造加工用パンチ１０とする。小径部１６の胴部においては、この際に皮膜が切削除去される。上記したように、皮膜の厚みは０．５ｍｍ程度であるので、切削除去は比較的容易である。
【００６９】
皮膜が切削除去された結果、濃度変化部２２が露呈する。上記したように、濃度変化部２２では最上方が最も靱性が高く、従って、小径部１６の胴部では、その表面において靱性が最も大きくなる。
【００７０】
このようにして得られた鍛造加工用パンチ１０を長手方向に沿って切断し、ワーク押圧部位に対応する部位の切断面における表面側から内部に指向して測定したＣスケールのロックウェル硬度（ＨＲＣ）を、通常のＳＨＫ５１のＨＲＣとともに図５に示す。図５から、この場合、表面から２．５ｍｍの内部まで硬度が上昇していることが明らかである。
【００７１】
また、同様にして拡散層２０が形成されたＪＩＳ Ｚ ２２０１ ４号試験片のテストピースにおける強度は、拡散層２０が形成されていない同寸法のテストピースに比して強度が著しく向上する。具体的には、拡散層２０が形成されていないテストピースにおける引っ張り強度が約１８００ＭＰａであるのに対し、拡散層２０を有するテストピースにおける引っ張り強度は約２２００ＭＰａと、およそ１．２倍となる。
【００７２】
一方、小径部１６の胴部に対応する部位の切断面において、表面側から内部に指向して測定したＣスケールのロックウェル硬度（ＨＲＣ）を図６に示す。図６から、この場合、約４ｍｍの深さまで表面から内部に指向してＨＲＣが上昇していること、換言すれば、表層部における靱性が内部に比して大きいことが明らかである。
【００７３】
なお、上記した実施の形態においては、Ｆｅ基合金として鍛造加工用パンチ１０を例示して説明したが、特にこれに限定されるものではなく、その他の部材であってもよいことはいうまでもない。
【００７４】
また、この実施の形態では、小径部１６の胴部における外表面に形成された皮膜を切削除去するようにしているが、皮膜を除去することなく用いるようにしてもよい。
【００７５】
さらに、塗布剤３４ｂに、Ｆｅ基合金の硬度を上昇させる性質を有する元素を含む物質の粉末を添加するようにしてもよい。この場合、該粉末と、Ｃ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｍｇとの配合比は、Ｆｅ基合金の種類や熱処理条件に応じて適宜設定すればよい。
【００７６】
さらにまた、上記の熱処理を、熱処理炉内において窒素雰囲気下で行うようにしてもよい。この場合、濃度変化部２２に残留したＷ、Ｃｒ等の炭化物が窒化されて炭窒化物となる。この種の金属炭窒化物の粒子は、端部が丸みを帯びた形状を呈する。このような形状の粒子間では脆性破壊が生じ難くなるので、濃度変化部２２の靱性が大きくなる。すなわち、靱性が一層優れた有層Ｆｅ基合金を得ることができる。
【００７７】
塗布剤３４ｂを塗布して上記と同様の作業を行うことによって、例えば、モリブデン鋼からＭｏを除去することもできる。
【実施例１】
【００７８】
熱間金型用鋼であるＤＨ３１を用い、底面の直径が８０ｍｍ、高さが８０ｍｍの円柱体を作製した。
【００７９】
その一方で、エポキシ樹脂１０％のアセトン溶液に、周期表ＩＩＩ族〜ＶＩＩＩ族に属する物質の粉末（粒径１０〜７０μｍ）を図５に示す割合で添加して、２種の塗布剤Ａ、Ｂを調製した。ここで、塗布剤Ａには、ＤＨ３１をはじめとする各種鋼材の硬度を向上させる物質が主に含まれ、また、塗布剤Ｂには、各種鋼材に含まれ且つ硬度上昇に寄与しない物質が主に含まれる。
【００８０】
その後、塗布剤Ａ、Ｂのそれぞれを、同一円柱体の表面における異なる部位に塗布した。なお、塗布は刷毛塗りによって行い、塗布剤Ａ、Ｂの厚みは１ｍｍとした。
【００８１】
塗布剤Ａ、Ｂのそれぞれを自然乾燥させた後、１０００〜１１８０℃で２時間保持することによって焼入処理を行い、次に、５００〜６００℃で２時間保持して焼戻処理を行った。
【００８２】
次に、前記円柱体を高さ方向に切断して、塗布剤Ａ又は塗布剤Ｂを塗布した部位それぞれにつき、底面の中心から高さ方向に沿って０．５ｍｍ毎にＨＲＣを測定した。なお、塗布剤Ｂを塗布した部位では、皮膜をすべて切削除去した後に測定を行った。
【００８３】
各々の部位における表面からの距離とＨＲＣとの関係を併せて図６に示す。未処理のＤＨ３１におけるＨＲＣが概ね５２〜５４であるのに対し、塗布剤Ａを塗布した場合には硬度が上昇していること、一方、塗布剤Ｂを塗布した場合には硬度が減少していることが明らかである。後者から、塗布剤Ｂを塗布することによって靱性を向上させることができることが諒解される。
【００８４】
また、このことから、同一部材に対して熱処理を施す場合であっても、塗布剤の種類を変更することによって、硬度が向上した部位と靱性が向上した部位を個別に作製することができることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】有層Ｆｅ基合金である鍛造加工用パンチの概略全体斜視図である。
【図２】図１の鍛造加工用パンチにおけるワーク押圧部位の要部拡大縦断面図である。
【図３】図１の鍛造加工用パンチにおける小径部の胴部の要部拡大縦断面図である。
【図４】図１の鍛造加工用パンチの製造過程を示すフロー説明図である。
【図５】得られた鍛造加工用パンチのワーク押圧部位における切断面の表面から内部に指向して測定したＨＲＣを示すグラフである。
【図６】得られた鍛造加工用パンチの小径部の胴部における切断面の表面から内部に指向して測定したＨＲＣを示すグラフである。
【図７】塗布剤の組成と割合を示す図表である。
【図８】ＤＨ３１製のテストピースにおける表面からの距離とＨＲＣとの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００８６】
１０…鍛造加工用パンチ            １２…大径部
１４…縮径部                      １６…小径部
１８…湾曲突出部                  ２０…拡散層
２２…濃度変化部                  ３０…バイト
３２…予備成形体                  ３４ａ、３４ｂ…塗布剤
３６…刷毛
【図１】
2006016638.tif 000003
【図２】
2006016638.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2006016638.tif 000008
【図７】
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【図８】
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