(57)【要約】【課題】鉄鋼部材の表面における耐食性が高められた鉄鋼部材、および、鉄鋼部材の製造方法を提供する。【解決手段】セメンタイトとフェライトとを組織として有する基材の表面に圧縮加工を施すことによって基材の表面付近に塑性流動を生じさせ、セメンタイトが凝集された表面層である耐食層１３を形成する。この耐食層１３は、セメンタイトの体積率が基材のなかで表面層以外の体積率よりも高く、且つ、セメンタイトの体積率が９０％以上である。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セメンタイトとフェライトとを組織として有する基材の表面に対する圧縮加工によって形成された表面層を備え、
前記表面層が、
前記セメンタイトの体積率が前記基材のなかで前記表面層以外の体積率よりも高く、且つ、前記セメンタイトの体積率が９０％以上である
鉄鋼部材。
【請求項２】
前記表面層は、前記表面層の面方向に沿う前記セメンタイトの組織が深さ方向に積み重なった多層構造をなしている
請求項１に記載の鉄鋼部材。
【請求項３】
前記基材が鋳鉄材であり、且つ、前記表面層の厚さが５μｍ以上である
請求項１または２に記載の鉄鋼部材。
【請求項４】
セメンタイトとフェライトとを組織として有する基材の表面に対して圧縮加工を施す工程を含み、
前記圧縮加工を施す工程では、
前記基材のうち前記基材の表面を含む部分で前記組織を塑性流動させて、前記セメンタイトの体積率が前記基材のなかで表面層以外の体積率よりも高く、且つ、前記セメンタイトの体積率が９０％以上である前記表面層を形成する
鉄鋼部材の製造方法。
【請求項５】
前記表面層は、前記表面層の面方向に沿う前記セメンタイトの組織が深さ方向に積み重なった多層構造をなしている
請求項４に記載の鉄鋼部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示の技術は、鉄鋼部材及び鉄鋼部材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄鋼材は、鉄鋼材における炭素含有量に応じて、鉄、炭素鋼、鋳鉄、これら３つの種類に大別される。こうした鉄鋼材を原材料とする鉄鋼部材は、例えば、自動車においては例えば特許文献１のように車体やエンジンのシリンダーブロックとして用いられ、建物においては柱や梁として用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−１８８５０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上述した鉄鋼部材においては、鉄鋼部材の経年劣化を抑える要請や、鉄鋼部材の適用範囲を広げる要請に応えるうえで、鉄鋼部材の表面において腐食を抑えることが望まれている。
【０００５】
本開示の技術は、鉄鋼部材の表面における耐食性が高められた鉄鋼部材、および、鉄鋼部材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】
上記課題を解決する鉄鋼部材は、セメンタイトとフェライトとを組織として有する基材の表面に対する圧縮加工によって形成された表面層を備え、前記表面層が、前記セメンタイトの体積率が前記基材のなかで前記表面層以外の体積率よりも高く、且つ、前記セメンタイトの体積率が９０％以上である。
【０００７】
上記課題を解決する鉄鋼部材の製造方法は、セメンタイトとフェライトとを組織として有する基材の表面に対して圧縮加工を施す工程を含み、前記圧縮加工を施す工程では、前記基材のうち前記基材の表面を含む部分で前記組織を塑性流動させて、前記セメンタイトの体積率が前記基材のなかで表面層以外の体積率よりも高く、且つ、前記セメンタイトの体積率が９０％以上である前記表面層を形成する。
【０００８】
本発明者は、鉄鋼部材の表面における組織構造について鋭意研究した結果、下記（ａ）（ｂ）を見出した。
（ａ）基材の表面に対して圧縮加工がなされることによって、基材の表面に圧縮加工に基づく塑性流動が生じ、軟質のフェライトが圧縮されて硬質のセメンタイトが凝集された表面層が形成されること。
【０００９】
（ｂ）セメンタイトが凝集された表面層は、セメンタイトの体積率が９０％以上であれば鉄鋼部材の耐食性を向上させること。
上記構成によれば、セメンタイトの体積率が９０％以上の層である表面層が耐食層として基材に形成される。これにより、鉄鋼部材の耐食性を向上させることができる。
【００１０】
上記鉄鋼部材において、前記表面層は、前記表面層の面方向に沿う前記セメンタイトの組織が深さ方向に積み重なった多層構造をなしていることが好ましい。
上記鉄鋼部材の製造方法において、前記表面層は、前記表面層の面方向に沿う前記セメンタイトの組織が深さ方向に積み重なった多層構造をなしていることが好ましい。
【００１１】
上記構成のように、表面層は、セメンタイトの組織が深さ方向に積み重なった多層構造とすることができる。
上記鉄鋼部材は、前記基材が鋳鉄材であり、且つ、前記表面層の厚さが５μｍ以上であることが好ましい。
【００１２】
上記構成のように、耐食層の形成によって耐食性を向上させる基材として鋳鉄材を用いることが可能である。また、表面層の厚さが５μｍ以上であれば、鉄鋼部材の耐食性がより確実に高められる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本開示の技術における鉄鋼部材の製造方法の一実施形態を示す図。
【図２】鉄鋼部材において電子顕微鏡によって撮影された位置を示す図。
【図３】電子顕微鏡によって撮影された非加工層の画像を示す図。
【図４】電子顕微鏡によって撮影された耐食層の画像を示す図。
【図５】加工前後における鉄鋼部材の硬度及び耐食性を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図１〜図５を参照して、本開示における鉄鋼部材の製造方法及び鉄鋼部材の一実施形態について説明する。本開示においては、鉄鋼部材の原材料である基材の表面に対して常温下にて圧縮加工が行われる。
【００１５】
図１に示されるように、基材１１は、フェライトとセメンタイトとを組織として有する。基材１１に対する圧縮加工には、基材１１よりも高い硬度を有する円柱状の加工具１２が用いられる。この加工具１２を基材１１に対して相対移動させ、基材１１の表面である加工対象面１１ａに対して加工具１２の底面を押しつける。そして、基材１１の加工対象面１１ａに押し付けた状態のままで基材１１と加工具１２とを加工対象面１１ａの面方向に相対移動させる。これにより、基材１１の加工対象面１１ａには、軟質のフェライトが圧縮される塑性流動が生じることで硬質のセメンタイトを凝集させた耐食層１３が表面層として形成される。なお、以下では、上述した圧縮加工のなされていない部位の表面層を非加工層１４という。
【実施例】
【００１６】
上記鉄鋼部材及び鉄鋼部材の製造方法について実施例を挙げてさらに詳しく説明する。
本実施例では、図１に示されるように、基材１１として、鋳鉄材であるねずみ鋳鉄（ＦＣ２５０（ＦＣ：Ｆｅｒｒｕｍ  Ｃａｓｔｉｎｇ））を用いた。ねずみ鋳鉄は、組織として、初析セメンタイトと、フェライトとセメンタイトとが交互に重なり合った層状をなすパーライトと、を有する。この基材１１に対して、直径φ８の加工具１２を押し付け荷重１４ｋｇｆで押し付けて、その押し付け荷重を保持したまま送り速度２．６２ｍｍ／ｓで加工具１２を摺動させながら所定回数だけ往復させる圧縮加工を施した。
【００１７】
図２に示されるように、基材１１に対する圧縮加工後、耐食層１３と非加工層１４とを含む切断面１５で基材１１を切断した。そして、切断面１５を研磨したのち、非加工層１４を含む領域１６の組織と耐食層１３を含む領域１７の組織とを電子顕微鏡で撮影した。図３に非加工層１４の撮影結果を示し、図４に耐食層１３の撮影結果を示す。
【００１８】
図３においては、白色の層状をなしている部分がセメンタイトであり、セメンタイトよりも黒色に近い部分がフェライトである。同図３に示されるように、非加工層１４では、フェライトとセメンタイトとが交互に重なった層状の組織であるパーライトであることが認められた。なお、パーライトは、セメンタイトの体積率が０〜３０％である。
【００１９】
一方、図４に示されるように、耐食層１３では、加工対象面１１ａの面方向に沿うセメンタイト層が深さ方向に積層された多層構造が認められた。すなわち、圧縮加工によって軟質のフェライトが圧縮されて硬質のセメンタイトが凝集されていることが認められた。これにより、基材１１の加工対象面１１ａに対する圧縮加工によって、基材１１の表面層として、硬質のセメンタイトが緻密化された耐食層１３が形成されることが確認された。上記加工条件の下で形成された耐食層１３は、厚さｔ＝５μｍ、切断面１５におけるセメンタイトの面積率がほぼ１００％であった。
【００２０】
次に、非加工層１４を表面層とする鉄鋼部材である試験片Ａ及び耐食層１３を表面層とする鉄鋼部材である試験片Ｂの各々に対してＪＩＳＺ２２４４に規定されたビッカーズ硬さ試験に準拠した硬さ試験を行った。試験片Ａ，Ｂの各々に対して行った硬さ試験の結果を図５に示す。なお、試験片Ａ，Ｂは、１０ｍｍ×１０ｍｍ×１０ｍｍの同一形状であり、図５では硬さ試験で得られたビッカーズ硬さの平均値を示している。
【００２１】
図５に示されるように、試験片Ａのビッカーズ硬さは、約２４０Ｈｖであることが確認された。一方、試験片Ｂのビッカーズ硬さは、約３２０Ｈｖであることが確認された。すなわち、耐食層１３を表面層とする試験片Ｂは、非加工層１４を表面層とする試験片Ａに対して約１．３倍の硬度を有することが確認された。
【００２２】
次に、上述した試験片Ａ，Ｂに対して耐食試験を行った。この耐食試験では、濃度２％の硫酸水溶液に試験片を１０分間含浸させた。こうした耐食試験を複数の試験片Ａ，Ｂに対して行った結果を図５に示す。なお、図５では、試験片Ａ，Ｂの各々について含浸前の総重量に対する含浸後の総重量の割合を評価値と算出するとともに試験片Ａの評価値に対する相対値を示している。すなわち、試験片Ｂは、相対値が小さいほど試験片Ａよりも腐食量が少なく、耐食性に優れているといえる。
【００２３】
図５に示されるように、試験片Ｂの評価値は、試験片Ａの評価値の約８割であることが認められた。すなわち、耐食層１３を表面層とする試験片Ｂは、試験片Ａに対して腐食量が約２０％低減されており、試験片Ａよりも耐食性に優れていることが認められた。
【００２４】
なお、耐食層１３においては、切断面１５と同様の組織がランダムに存在していると見なすことが可能である。そのため、切断面１５における面積率は、耐食層１３における体積率と同等であると言える。また、本発明者によれば、耐食層１３におけるセメンタイトの体積率が９０％以上であれば鉄鋼部材の耐食性が向上し、より好ましくは９５％以上であれば鉄鋼部材の耐食性が顕著に向上することが確認されている。
【００２５】
ここで、鉄鋼部材の耐食性を向上させる方法としては、例えば塗装や溶射、物理気相成長（ＰＶＤ：Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）といった方法を用いて鉄鋼部材に耐食膜を形成する方法もある。しかし耐食膜は、経年劣化に起因した脱落や摩耗に起因した剥離が避けられない。そのため、定期的なメンテナンスが必要であるばかりか例えば熱影響といった物理的な理由によって形成位置が限られる場合もある。
【００２６】
この点、上記構成によれば、鉄鋼部材に表面層として耐食層１３が形成されることから、鉄鋼部材そのものの耐食性を向上させることが可能である。すなわち、耐食膜が形成されていなくとも鉄鋼部材の耐食性が向上する。
【００２７】
上記実施形態に記載の技術によれば、以下に列挙する効果を得ることができる。
（１）鉄鋼部材の表面層が、セメンタイトの体積率が表面層以外の部分よりも高く、かつ、セメンタイトの体積率が９０％以上であることから、鉄鋼部材の耐食性が高まる。
【００２８】
（２）耐食層１３の厚さｔを５μｍ以上とすることにより、耐食性が確実に高まる。
（３）鋳鉄材は、共析鋼よりも炭素含有量が多い過共析鋼であるため、初析セメンタイトとパーライトとが混じった組織を有する。そのため、鋳鉄材においては、上記耐食層１３が形成されやすい。
【００２９】
（４）耐食層１３を鋳鉄材に形成することによって、例えばエンジンのシリンダといった熱的な影響を多分に受ける部位においても耐食性を向上させることができる。
【００３０】
なお、上記実施形態は、以下のように適宜変更して実施することもできる。
・上記実施例では、鋳鉄材としてねずみ鋳鉄を用いたが、鋳鉄材は、ねずみ鋳鉄に限らず、例えばダクタイル鋳鉄であってもよい。
【００３１】
・耐食層１３の厚さｔは、基材に対して圧縮加工をすることによってセメンタイトの体積率が９０％である耐食層１３が表面層として形成されるのであれば、５μｍ未満であっても５μｍ超であってもよい。耐食層１３の厚さｔが５μｍ超であれば、さらなる耐食性の向上が見込まれる。
【００３２】
・圧縮加工は、基材１１に対して加工具１２が移動する形態に限らず、加工具１２に対して基材１１が移動する形態、あるいは、基材１１及び加工具１２の双方が移動する形態であってもよい。
【００３３】
・圧縮加工は、鉄鋼部材の表面層として耐食層１３が形成されるのであれば、円柱状の加工具１２を用いた圧縮加工に限らず、例えば、金型を用いた圧縮加工であってもよい。
・上述した鉄鋼部材はフェライトとセメンタイトとを組織として有する鉄鋼材を基材とする鉄鋼部材であればよく、基材は、鋳鉄材に限らず、鋳鉄材よりも炭素含有量の少ない炭素鋼であってよい。
【００３４】
・耐食層１３を形成する圧縮加工の条件は、基材の表面に対する圧縮加工によってセメンタイトの体積率が９０％である表面層が形成されればよく、基材の種類に応じて適宜変更可能である。
【００３５】
・鉄鋼部材は、例えば塗装や溶射、物理気相成長（ＰＶＤ：Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）といった方法で形成される耐食膜が耐食層１３に積層されてもよい。
【符号の説明】
【００３６】
ｔ…厚さ、１１…基材、１１ａ…加工対象面、１２…加工具、１３…耐食層、１４…非加工層、１５…切断面、１６，１７…領域。
【図１】
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【図２】
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【図５】
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【図３】
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【図４】
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