(57)【要約】【課題】加工上の問題がなく、良好な耐摩耗性が長期的に維持される鉄系材料及び鉄系材料の製造方法を提供する。【解決手段】鉄系材料は、マンガンを２質量％以下含む鉄系基材と、該鉄系基材の表面に形成され、該鉄系基材より高い含有量のマンガンを含む第１層とを有する。鉄系材料は、マンガンを２質量％以下含む鉄系基材と、全量を１００質量％として、マンガンを２０質量％以上９９質量％以下、アルミナを０質量％以上８０質量％以下、ハロゲン化アンモニウムを０．５質量％以上３質量％以下含む処理剤とを加熱炉に収容し、前記鉄系基材と前記処理剤とを所定時間加熱し、徐冷することにより得られる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
マンガンを０質量％以上２質量％以下含む鉄系基材と、
該鉄系基材の表面に形成され、該鉄系基材より高い含有量のマンガンを含む第１層と
を有することを特徴とする鉄系材料。
【請求項２】
前記第１層のマンガンの含有量は、９質量％以上であることを特徴とする請求項１に記載の鉄系材料。
【請求項３】
前記第１層の表面に形成され、マンガン炭化物を含む第２層を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の鉄系材料。
【請求項４】
マンガンを０質量％以上２質量％以下含む鉄系基材と、
全量を１００質量％として、マンガンを２０質量％以上９９質量％以下、アルミナを０質量％以上８０質量％以下、ハロゲン化アンモニウムを０．５質量％以上３質量％以下含む処理剤と
を加熱炉に収容し、
前記鉄系基材と前記処理剤とを所定時間加熱し、
徐冷することを特徴とする鉄系材料の製造方法。
【請求項５】
前記鉄系基材は、炭素を含有することを特徴とする請求項４に記載の鉄系材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄系基材の表面に、高い含有量のマンガンを含む層を有する鉄系材料、及び該鉄系材料の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
耐摩耗性を有する鋼の一つとして、オーステナイト領域において、０．９〜１．４％Ｃ、１０〜１５％Ｍｎの成分範囲を有する高Ｍｎ鋼（ハッドフィールド鋼）が挙げられる。しかし、ハッドフィールド鋼は、オーステナイトの積層欠陥エネルギーが小さいことに起因する加工硬化に加えて、変形双晶及びεマルテンサイト等が塑性変形中に生じるため、加工硬化が非常に大きい。すなわち、引張強さが強く、破壊に対して極めて高い靱性を示すので、機械加工性が非常に悪いという問題があった。
【０００３】
高Ｍｎ鋼の製造方法として、加工後の鋼の表面に、Ｍｎを浸透させる処理を行う方法がある（例えば特許文献１及び２）。特許文献２においては、炭化物形成元素としてのＭｎ、アルミナ、及びハロゲン化アンモニウムを含む処理剤を流動層式炉中に収容し、流動化ガスを導入し、処理剤を流動化して炉内に流動層を形成した後、炭素を含む鋼材を流動層内に埋没させて加熱処理を行い、高Ｍｎ鋼を得ている。
これらの方法によれば、加工上の問題は生じないが、ハッドフィールド鋼相当のＭｎ濃度（１０質量％以上）を得ることができず、耐摩耗性が不十分であるという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭４８−１０２７４７号公報
【特許文献２】特開昭５９−１０７９９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、加工上の問題がなく、良好な耐摩耗性が長期的に維持される鉄系材料及び該鉄系材料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】
【０００６】
本発明者は鋭意研究の結果、加工済みの鉄系基材の表面にＭｎの浸透処理を行って、鉄系基材より高いＭｎ濃度を有する層を形成することにより、加工性を確保するとともに、耐摩耗性を有する鉄系材料が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００７】
すなわち、第１発明に係る鉄系材料は、マンガンを０質量％以上２質量％以下含む鉄系基材と、該鉄系基材の表面に形成され、該鉄系基材より高い含有量のマンガンを含む第１層とを有することを特徴とする。
【０００８】
ここで、「マンガンを０質量％以上２質量％以下含む」とは、Ｍｎの浸透処理（第１層形成）前の鉄系基材の含有量が０質量％以上２質量％以下であることをいう。
本発明においては、Ｍｎの含有量が２質量％以下である鉄系基材の表面に、Ｍｎの含有量が鉄系基材より高い第１層を有しており、耐摩耗性が良好である。そして、加工済みの鉄系基材に表面処理を行うことで、従来の高Ｍｎ鋼のように処理後に加工を行う場合の問題が生じない。また、従来の高Ｍｎ鋼のように厚み方向の全体に亘ってＭｎを高濃度に有するのではなく、Ｍｎ濃度は鉄系基材の厚み方向に濃度勾配を有し、加工硬化は生じ難く、処理後に加工を行うことも可能である。
【０００９】
第２発明に係る鉄系材料は、第１発明において、前記第１層のマンガンの含有量は、９質量％以上であることを特徴とする。
【００１０】
ここで、「マンガンの含有量は、９質量％以上である」とは、ＥＰＭＡ（電子線マイクロアナライザ：Electron Probe MicroAnalyzer）を用いた定性定量分析により求めたＭｎの断面組成の含有量（質量％）が９質量％以上であることをいう。
本発明においては、より良好な耐摩耗性を有する。
【００１１】
第３発明に係る鉄系材料は、第１又は第２発明において、前記第１層の表面に形成され、マンガン炭化物を含む第２層を有することを特徴とする。
【００１２】
本発明においては、鉄系材料が良好な制振性を有する。そして、鉄系材料の耐摩耗性は長期的に維持される。
【００１３】
第４発明に係る鉄系材料の製造方法は、マンガンを０質量％以上２質量％以下含む鉄系基材と、全量を１００質量％として、マンガンを２０質量％以上９９質量％以下、アルミナを０質量％以上８０質量％以下、ハロゲン化アンモニウムを０．５質量％以上３質量％以下含む処理剤とを加熱炉に収容し、前記鉄系基材と前記処理剤とを所定時間加熱し、徐冷することを特徴とする。
【００１４】
本発明においては、加工済みの鉄系基材上に、鉄系基材より高い含有量のＭｎを含む第１層を容易に、確実に形成することができる。
【００１５】
第５発明に係る鉄系材料の製造方法は、第４発明において、前記鉄系基材は、炭素を含有することを特徴とする。
【００１６】
本発明においては、マンガン炭化物を含む第２層が外側に容易に形成される。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の鉄系材料によれば、加工後の鉄系基材に表面処理を施すことで、Ｍｎの含有量が０質量％以上２質量％以下である鉄系基材の表面に、Ｍｎの含有量が鉄系基材より高い第１層を有する鉄系基材が得られており、加工性が良好であるとともに、Ｍｎ含有量が高い第１層により耐摩耗性が良好である。Ｍｎは、鉄系材料の表側から裏側へ濃度勾配を有するので、鉄系材料の耐摩耗性は長期的に維持される。
【００１８】
本発明の鉄系材料の製造方法によれば、鉄系基材と、全量を１００質量％として、Ｍｎを２０質量％以上９９質量％以下、アルミナを０質量％以上８０質量％以下、ハロゲン化アンモニウムを０．５質量％以上３質量％以下含む処理剤とを加熱炉に収容して所定時間加熱し、徐冷するので、鉄系基材の表面に、Ｍｎの含有量が鉄系基材より高い第１層を有する鉄系材料が容易に、確実に得られる。この鉄系材料は良好な加工性及び耐摩耗性を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施例１の表面処理鋼材のＭｎ、Ｆｅ、及びＣの断面組成分布を示すグラフである。
【図２】本発明の実施例２の表面処理鋼材のＭｎ、Ｆｅ、及びＣの断面組成分布を示すグラフである。
【図３】本発明の実施例３の表面処理鋼材のＭｎ、Ｆｅ、及びＣの断面組成分布を示すグラフである。
【図４】本発明の実施例４の表面処理鋼材のＭｎ、Ｆｅ、及びＣの断面組成分布を示すグラフである。
【図５】本発明の実施例５の表面処理鋼材のＭｎ、Ｆｅ、及びＣの断面組成分布を示すグラフである。
【図６】本発明の実施例２の表面処理鋼材についてＸ線回折を行った結果を示すチャートである。
【図７】本発明の実施例３の表面処理鋼材についてＸ線回折を行った結果を示すチャートである。
【図８】本発明の実施例４の表面処理鋼材についてＸ線回折を行った結果を示すチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明に係る鉄系材料は、Ｍｎを０質量％以上２質量％以下含む鉄系基材と、該鉄系基材の表面に形成され、該鉄系基材より高い含有量のＭｎを含む第１層とを有する。
本発明においては、鉄系基材のＭｎ含有量は２質量％以下であるので、加工硬化が生じにくく、Ｍｎの浸透処理の前に良好に加工を行うことができる。
そして、表面側に、高いＭｎ含有量を有する第１層を含むので、鉄系材料は良好な耐摩耗性を有する。
【００２１】
前記第１層のＭｎの含有量は、９質量％以上であるのが好ましい。
この場合、第１層は、上述の高Ｍｎ鋼相当のＭｎ濃度を有するので、鉄系材料の耐摩耗性がより良好になる。
【００２２】
本発明に係る鉄系材料は、前記第１層の表面側に、マンガン炭化物を含む第２層を有するのが好ましい。
この場合、所定の厚みを有するマンガン炭化物を含む第２層を有するので、耐摩耗性が長期的に維持される。
【００２３】
本発明に係る鉄系材料は、前記鉄系基材と、Ｍｎ、アルミナ、及びハロゲン化アンモニウムを含む処理剤とを例えば電気炉等の加熱炉に収容し、鉄系基材と処理剤とを所定時間加熱し、徐冷することにより製造される。
【００２４】
鉄系材料を製造する場合、まず、鉄系材料と処理剤とを例えばアルミボート内に充填して、アルミボートを例えば電気炉等の加熱炉に収容する。
ハロゲン化アンモニウムとしては、塩化アンモニウム、臭化アンモニウム、ヨウ化アンモニウム、フッ化アンモニウム等が挙げられる。中でも塩化アンモニウムが好ましい。
処理剤は、処理剤の全量を１００質量％として、Ｍｎを２０質量％以上９９質量％以下、アルミナを０質量％以上８０質量％以下、ハロゲン化アンモニウムを０．５質量％以上３質量％以下含む。
【００２５】
アルミナによりＭｎ同士が密着固化するのが防止される。
ハロゲン化アンモニウムがＭｎと反応して、Ｍｎのハロゲン化物が生じ、鉄系基材の表面に接触してＭｎが析出し、Ｍｎが鉄系基材に良好に浸透拡散して、鉄系基材に第１層が形成される。
また、鉄系基材は、Ｃを含有するのが好ましい。これにより鉄系基材の表側にＭｎ炭化物の層（第２層）が形成される。Ｃは０．１％以上含有するのが好ましい。
【００２６】
加熱炉内の雰囲気は２０Ｐａまで減圧するか、又は加熱炉にアルゴンを通流させて、アルゴン雰囲気状態にするのが好ましい。これにより、酸素ポテンシャルが下がり、ハロゲン化アンモニウムが分解してＭｎのハロゲン化物が生じやすくなる。
【００２７】
加熱処理は９００℃以上の温度で行うのが好ましい。処理温度及び処理時間は、所望する第１層及び第２層の厚み、鉄系基材の組成等を考慮して決定する。
例えば略１時間かけて９８０℃まで昇温し、９８０℃で略５時間加熱処理を行う。
処理後、徐冷する。
【実施例】
【００２８】
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。
【００２９】
［実施例１〜５］
実施例１〜５の被処理材として、ＪＩＳにおける鉄鋼系材料記号がＳＰＣＣ、Ｓ５５Ｃ、ＳＫ７０、ＳＣＭ４３５、ＳＵＪ２である鉄鋼系材料をそれぞれ用いた。ＳＰＣＣは冷間圧延鋼、Ｓ５５Ｃは機械構造用炭素鋼、ＳＫ７０は炭素工具鋼、ＳＣＭはクロムモリブデン鋼、ＳＵＪは高炭素クロム軸受鋼の鋼材である。
表１は、各鋼材の成分表である。
【００３０】
【表１】
2015218350.tif 000002
【００３１】
表１に示すように、各鋼材（鉄系基材）のＭｎの含有量は１質量％以下である。
【００３２】
処理剤として、Ｍｎ粉末を３３質量％、アルミナ粉末を６６質量％、及び塩化アンモニウム粉末を１質量％混合したものを用いた。
アルミナボート中に、上記の処理剤、及び各被処理材をそれぞれ充填し、アルミナボートを電気炉に収容した。そして、電気炉内を２０Ｐａまで減圧した。
略１時間かけて電気炉内を９８０℃まで昇温し、９８０℃で略５時間加熱処理を行った。その後、ヒータの電源をオフし、自然放冷（徐冷）して、実施例１〜５の表面処理鋼材を得た。
【００３３】
以上のように表面処理を施された実施例１〜５の表面処理鋼材につき、厚み方向の各分析位置におけるＭｎ、Ｆｅ、Ｃ、Ｏ、Ｃｒの含有率（％）を、ＥＰＭＡを用いた定性定量分析により求めた。その結果を表２に示す。
測定条件は、以下の通りである。
加速電圧：１５ｋＶ
試料電流：５０ｎＡ
ビーム径：１μｍ
【００３４】
【表２】
2015218350.tif 000003
【００３５】
図１〜図５は、ＥＰＭＡを用いた線分析により求めた、実施例１〜５それぞれの表面処理鋼材のＭｎ、Ｆｅ、及びＣの断面組成分布を示すグラフである。図１〜５の厚み方向に付された数字の位置は、表２の分析位置欄の数字に対応している。
【００３６】
図６は実施例２の表面処理鋼材についてＸ線回折を行った結果を示すチャート、図７は実施例３の表面処理鋼材についてＸ線回折を行った結果を示すチャート、図８は実施例４の表面処理鋼材についてＸ線回折を行った結果を示すチャートである。それぞれ横軸は入射角、縦軸は回折強度である。また、それぞれ下側に、マンガン炭化物（Ｍｎ23Ｃ6 ）、Ｆｅ0.6Ｍｎ5.4Ｃ2 のチャートを並記している。
【００３７】
図６〜８より、各表面処理鋼材の表側に、マンガン炭化物を含む第２層が形成されていることが確認された。
【００３８】
そして、図１〜８、及び表２より、各鋼材は、表側から裏側へ向かうに従って、Ｍｎ及びＣの含有量が次第に減じ、Ｆｅの含有量は次第に増加することが分かる。
表側の層において、Ｍｎ及びＣの含有量は高く維持されており、中間の第１層でＭｎ濃度は急激に減少する。すなわち、裏面側の鉄系基材の層で、Ｍｎの含有量は、ＥＰＭＡを用いた定性定量分析により求めた断面組成で３質量％以下に維持されており、中間層で９質量％を超え、マンガン炭化物層との界面に向けて急激に上昇している。
【００３９】
Ｃの含有量は鉄系基材の層及び第１層では略一定であり、第１層と第２層との境界付近で増加し、第２層では略一定になる。そして、被処理材のＣの含有量が多い場合、マンガン炭化物を含む第２層の厚みが厚くなっている（実施例３及び実施例５）。
Ｆｅの含有量は裏面側で高く維持されており、第１層で急激に減少する。
【００４０】
実施例１〜５の表面処理鋼材の第２層の断面硬さ（ＨＶ0.025 ）を測定した結果を下記の表３に示す。ＨＶ0.025 はビッカース硬さ計（荷重：0.025kgf、試験力：0.245 Ｎ）により測定し、平均値及び標準偏差を求めた。
【００４１】
【表３】
2015218350.tif 000004
【００４２】
表３より、各実施例とも第２層の硬さＨＶ0.025 が１０００以上と高く、耐摩耗性が良好であることが分かる。
そして、本発明の実施例においては第２層の鉄系基材側に、Ｍｎ濃度が９質量％以上である第１層を有するので、すなわち上述の特許文献２と比較して第１層を有する分、鉄系材料の耐摩耗性が向上しており、良好な耐摩耗性が長期的に持続することが分かる。
本発明の鉄系材料においては、鉄系基材上に第１層のみを有する場合でも、上述したようにＭｎの含有量が高いので、良好な耐摩耗性を有する。
【００４３】
また、本発明の実施例においては、加工済みの鉄系基材に表面処理を行うので、従来の高Ｍｎ鋼のように処理後に加工を行う場合の問題が生じない。そして、Ｍｎ濃度は鉄系基材の厚み方向に濃度勾配を有し、加工硬化は生じ難く、処理後に加工を行うことも可能である。
【００４４】
今回開示された実施の形態は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えるべきである。本発明の範囲は、上述した意味ではなく、特許請求の範囲と均等の意味及び特許請求の範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
【図６】
2015218350.tif 000005
【図７】
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【図８】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2015218350.tif 000011
【図５】
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