(57)【要約】【課題】本発明は、鉄鋼材の表面への硬質溶射皮膜形成方法、硬質溶射皮膜被覆鉄鋼材及び硬質溶射皮膜被覆鉄鋼材を用いた刃物に関し、特に、高負荷状態で使用されるために、耐摩耗性を有する硬質皮膜と基材との間に高い密着強度が必要とされる硬質溶射皮膜被覆鉄鋼材、硬質溶射皮膜被覆鉄鋼材を用いた刃物とその有利な製造方法を提供する。【解決手段】本発明の硬質溶射皮膜形成方法は、鉄鋼材の表面に溶射を施すことで溶射皮膜を形成させる第１工程と、溶射皮膜被覆鉄鋼材を加熱し、鉄鋼材と溶射皮膜の間に置換型固溶体層を形成させると共に鉄鋼材の焼入れ処理を行う第２工程を含むものである。また、本発明の硬質溶射皮膜被覆鉄鋼材及び硬質溶射皮膜被覆鉄鋼材を用いた刃物は鉄鋼材の表面と硬質溶射皮膜との間に形成する置換型固溶体層が冶金学的な結合を付与するため、密着性に優れた硬質溶射皮膜を有している。【選択図】  図１
2008261040.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄鋼材の表面に溶射皮膜を形成する第１工程と、
前記第１工程によって作製された溶射皮膜被覆鉄鋼材に温度変化を付与することで拡散熱処理を施すと共に前記鉄鋼材に焼入れ処理を施す第２工程と、
を有する鉄鋼材の表面への硬質溶射皮膜形成方法。
【請求項２】
前記第１工程は前記鉄鋼材の表面に超硬合金の皮膜を形成し、
前記第２工程は前記鉄鋼材と前記溶射皮膜との界面に置換型固溶体層を形成させる、
ことを特徴とする請求項１に記載の硬質溶射皮膜形成方法。
【請求項３】
前記第２工程における前記温度変化によって生じる前記鉄鋼材と前記溶射皮膜との体積変化の差による前記鉄鋼材からの前記溶射皮膜の剥離を抑制する拡散熱処理温度プログラムを有することを特徴とする請求項１〜２いずれか１項に記載の硬質溶射皮膜形成方法。
【請求項４】
前記第２工程における前記温度変化は３つの保持温度領域を形成し、
該３つの保持温度領域は室温以上であって前記鉄鋼材の変態温度より低い温度からなる第１領域、前記鉄鋼材の変態温度以上であって前記鉄鋼材の焼入れ温度より低い温度からなる第２領域、前記鉄鋼材の焼入れ温度からなる第３領域から形成されることを特徴とする請求項１〜３いずれか１項に記載の硬質溶射皮膜形成方法。
【請求項５】
前記第１領域が７８０〜８８０℃、前記第２領域が９５０〜１０５０℃、前記第３領域が１０００〜１２００℃であることを特徴とする請求項１〜４いずれか１項に記載の硬質溶射皮膜形成方法。
【請求項６】
前記第１工程によって形成される前記溶射皮膜の膜厚が１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜５いずれか１項に記載の硬質溶射皮膜形成方法。
【請求項７】
前記第１工程によって形成される前記溶射皮膜にＦｅとの原子半径の差が±１０％以下の金属元素を含むことを特徴とする請求項１〜６いずれか１項に記載の硬質溶射皮膜形成方法。
【請求項８】
前記第１工程によって形成される前記溶射皮膜にＮｉを含むことを特徴とする請求項１〜７いずれか１項に記載の硬質溶射皮膜形成方法。
【請求項９】
前記鉄鋼材が工具鋼であることを特徴とする請求項１〜８いずれか１項に記載の硬質溶射皮膜形成方法。
【請求項１０】
鉄鋼材と、
前記鉄鋼材の表面に形成された硬質溶射皮膜と、
前記鉄鋼材と前記硬質溶射皮膜との界面に形成した置換型固溶体層と、
を有する硬質溶射皮膜被覆鉄鋼材。
【請求項１１】
前記鉄鋼材と前記硬質溶射皮膜との界面領域には前記置換型固溶体層のみを有し、
前記置換型固溶体層は前記鉄鋼材及び前記硬質溶射皮膜に含まれる元素のみから形成される請求項１０に記載の硬質溶射皮膜被覆鉄鋼材。
【請求項１２】
前記置換型固溶体層が連続層となっていることを特徴とする請求項１０〜１１いずれか１項に記載の硬質溶射皮膜被覆鉄鋼材。
【請求項１３】
前記硬質溶射皮膜が超硬合金であることを特徴とする請求項１０〜１２いずれか１項に記載の硬質溶射皮膜被覆鉄鋼材。
【請求項１４】
前記硬質溶射皮膜にＦｅとの原子半径の差が±１０％以下の金属元素を含むことを特徴とする請求項１０〜１３いずれか１項に記載の硬質溶射皮膜鉄鋼材。
【請求項１５】
前記硬質溶射皮膜にＮｉを含むことを特徴とする請求項１０〜１４いずれか１項に記載の硬質溶射皮膜鉄鋼材。
【請求項１６】
鉄鋼材の表面に形成した硬質溶射皮膜を刃先として用いた刃物であって、
前記鉄鋼材と前記硬質溶射皮膜との界面に置換型固溶体層を有し、
被切削物と接触するのは前記硬質溶射皮膜である刃物。
【請求項１７】
前記鉄鋼材と前記硬質溶射皮膜との界面領域には前記置換型固溶体層のみを有し、
前記置換型固溶体層は前記鉄鋼材及び前記硬質溶射皮膜に含まれる元素のみから形成される請求項１６に記載の刃物。
【請求項１８】
前記置換型固溶体層が連続層となっていることを特徴とする請求項１６〜１７いずれか１項に記載の刃物。
【請求項１９】
前記硬質溶射皮膜が超硬合金であることを特徴とする請求項１６〜１８いずれか１項に記載の刃物。
【請求項２０】
前記硬質溶射皮膜にＦｅとの原子半径の差が±１０％以下の金属元素を含むことを特徴とする請求項１６〜１９いずれか１項に記載の刃物。
【請求項２１】
前記硬質溶射皮膜にＮｉを含むことを特徴とする請求項１６〜２０いずれか１項に記載の刃物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、硬質溶射皮膜被覆鉄鋼材、硬質溶射皮膜被覆鉄鋼材を用いた刃物及びその製造方法に関し、特に、高負荷状態で使用されるために、耐摩耗性を有する硬質溶射皮膜と基材との間に高い密着強度が必要とされる硬質溶射皮膜被覆鉄鋼材、硬質溶射皮膜被覆鉄鋼材を用いた刃物とその有利な製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
産業技術の発展に伴い、鉄鋼部材に対する機械的特性の要求は日増しに高まっている。特に、切削工具等の分野においては極めて高い耐摩耗性が必要とされている。鉄鋼材に優れた耐摩耗性を付与する手法として、鉄鋼材よりも高い硬度や耐摩耗性を有するセラミックス等を被覆し、必要とされる特性を得る手法が広く知られている。
【０００３】
代表的な被覆手法には溶射、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、ＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）等が存在する。ＣＶＤやＰＶＤは皮膜の形成速度が遅く、真空装置を必要とするために処理コストが高く、適用分野が限定されている。これに対し、溶射は比較的簡便な設備で短時間に被覆処理を達成できることから、様々な産業分野で利用されている。
【０００４】
溶射は一般に、溶射材料を熱源中に投入し、加熱・溶融した固体粒子が、基材表面で衝突・扁平・凝固する現象を利用するプロセスである。該現象は、およそ１０-３〜１０-５s級の短時間に進行する非平衡現象であり、溶射皮膜はこれらの粒子を積層して形成される。溶融した粒子が基材表面に衝突した際、その粒子がもつ運動エネルギーは熱エネルギーに変化し、粒子は放射状に扁平する過程で熱エネルギーを基材に奪われ凝固し、固化する。
【０００５】
一般的な溶射工程は、基材に衝突した溶射粒子の安定した密着強さを維持するために基材面に施す前処理工程、溶射装置を用いた基材面への成膜工程、皮膜表面の仕上げなどの後処理工程からなっている。溶射粒子の接合メカニズムは、主に機械的（投錨、収縮）であり、化学的（拡散、分子力、ぬれ）な密着は少ない。そこで、溶射皮膜と基材間で高い密着強さを得るには、基材面の前処理が重要な因子となる。
【０００６】
すなわち、飛来した加熱粒子が基材の表面で衝突・変形して強固に密着するには、基材の表面積を大きくし、かつより活性化しておくのが有利で、具体的には基材面を粗面化する必要がある。さらに、基材面を粗面化する前に、表面に付着している水分、油脂類、その他による汚れ等を洗浄し除去することにより、密着強さの向上が期待できる。基材面を粗面化するには、一般に、機械的に種々の材料の微粒子を基材の表面に強力に吹き付けるブラスト法、基材の表面を機械加工する方法等がある。
【０００７】
しかしながら、このような前処理はコスト・手間がかかるのみならず、例えばブラスト法を用いた場合には鉄鋼材の表面に吹き付けた微粒子が刺さってしまい、該微粒子が鉄鋼材と溶射皮膜との密着性を低下させてしまうという問題があった。また、該微粒子を起点として、溶射皮膜に亀裂が入ってしまうという問題もある。
【０００８】
また、基材の表面に十分な粗面化を施した場合であっても、溶射皮膜は物理的な結合であるが故に、基材と溶射皮膜との密着性は十分とは言い難い。そのため、高負荷状態で使用され、特に溶射皮膜の剥離が問題となる用途への適用は困難であり、一般的な溶射技術で作製された溶射皮膜被覆鉄鋼材の用途範囲は限定されていた。
【０００９】
このような問題を解決するために、溶射皮膜と基材との間にアンダーコートとして低融点のＳＦＮｉ４を溶射し、９５０〜１１５０℃に加熱することにより溶融処理を行う方法（特開平１１−６１３７４号公報）や、溶射皮膜と基材との間に融点降下元素であるＢやＳｉを含む液相拡散接合材をめっきや溶射等により形成し、等温凝固する温度に加熱し接合層とする方法（特開平５−８６４５３号公報）が提案されている。しかし、これらの方法は中間層を形成するための煩雑な工程を必要とするものである。
【００１０】
また、ＮｉとＭｏおよびまたはＷとの複合硼化物を主体とするセラミックス相と、Ｎｉを主体とする金属結合相とからなるサーメットを形成させる溶射皮膜を金属材の表面に形成し、８５０℃以上１１００℃以下の焼入れによる熱処理を施すことにより、皮膜の密着性を向上させる方法（特開平１１−２０９８６３号公報）が提起されているが、皮膜としてＷＣを主成分とする超硬合金を用いた場合は割れや剥離が発生し、良好な皮膜の形成は不可能とされている。
【００１１】
【特許文献１】特開平１１−６１３７４号公報
【特許文献２】特開平５−８６４５３号公報
【特許文献３】特開平１１−２０９８６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従来の技術で鉄鋼材の表面に溶射皮膜を形成させた場合、鉄鋼材と溶射皮膜との密着強度が十分でないため、高負荷状態での使用に耐えることは困難であった。また、基材である鉄鋼材の機械的特性が十分でない場合、高負荷状態下での鉄鋼材の変形によって溶射皮膜の剥離等が生じてしまう。特に、切削刃は刃先に極めて高い負荷がかかるため、従来の溶射法で鉄鋼材の表面に形成された溶射皮膜を被切削物に接する刃先として用いることができなかった。
【００１３】
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、基材への粗面化処理や中間層の形成を必要とせず、鉄鋼材の表面に密着性に優れた硬質溶射皮膜、特に超硬合金からなる硬質溶射皮膜を形成すると共に鉄鋼材の焼入れ処理を行う簡便な方法を提供し、高負荷状態での使用に耐え得る硬質溶射皮膜被覆鉄鋼材及び硬質溶射皮膜被覆鉄鋼材を用いた刃物を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の硬質溶射皮膜形成方法（例えば、図１の概念図を参照）は、第１工程として鉄鋼材の表面に溶射皮膜を形成し、第２工程として第１工程で作製した溶射皮膜被覆鉄鋼材に温度変化を付与することで拡散熱処理を施すと共に前記鉄鋼材に焼入れ処理を施すことで鉄鋼材の表面に硬質溶射皮膜を形成させる。第２工程における拡散熱処理によって鉄鋼材の表面と溶射皮膜との界面に置換型固溶体層が形成されることで、鉄鋼材と溶射皮膜との密着強度が上昇する。第２工程では鉄鋼材の焼入れ温度まで温度を上昇させるため、鉄鋼材と溶射皮膜との熱膨張係数の違いによる溶射皮膜の剥離が問題となる。しかしながら、前述の置換型固溶体層の形成により鉄鋼材と溶射皮膜との密着強度が上昇しているため、第２工程後においても溶射皮膜が剥離することはない。また、第１工程で形成させる溶射皮膜は優れた機械的特性を有する超硬合金であることが好ましい。
【００１５】
第２工程における拡散熱処理は、第１工程で鉄鋼材の表面に形成した溶射皮膜に含まれる元素と鉄鋼材の主成分であるＦｅとが相互に置換することで置換型固溶体層を形成し得る温度領域に溶射皮膜被覆鉄鋼材を保持することで達成される。よって、第２工程における温度変化は前述の置換型固溶体層を形成し得る拡散熱処理温度プログラムを有する。
【００１６】
第２工程における温度変化の概念図を図２に示す。第２工程における温度変化は３つの保持温度領域を形成し、該３つの保持温度領域は、室温以上であって鉄鋼材のＡ３又はＡｃｍ変態温度より低い温度からなる第１領域、鉄鋼材のＡ３又はＡｃｍ変態温度以上であって鉄鋼材の焼入れ温度より低い温度からなる第２領域、鉄鋼材の焼入れ温度からなる第３領域から形成されていることが好ましい。第１領域の保持温度は、鉄鋼材の変態に伴って生じる該鉄鋼材の大幅な体積変化に起因する該鉄鋼材からの溶射皮膜の剥離を抑制するためのものである。鉄鋼材の変態温度よりやや低い温度で溶射皮膜被覆鉄鋼材を保持することで、処理温度が室温から第１領域に達するまでの鉄鋼材と溶射皮膜との熱膨張の差を緩和し、処理温度が鉄鋼材の変態温度に達した際の鉄鋼材と溶射皮膜との熱膨張差の影響を最小限に抑える目的がある。第２領域の保持温度は、鉄鋼材の表面と第１工程で形成した溶射皮膜との界面に置換型固溶体層を形成するためのものである。置換型固溶体層の形成により、鉄鋼材と溶射皮膜との密着強度が上昇する。第３領域の保持温度は、鉄鋼材に焼入れを施すためのものである。溶射皮膜被覆鉄鋼材を鉄鋼材の焼入れ温度で保持した後、該溶射皮膜被覆鉄鋼材を冷却することで鉄鋼材の焼入れ処理が達成される。なお、第１領域〜第３領域の保持温度は厳密に一定である必要はなく、前述の各領域での処理目的を達成できる範囲で温度変化があってもよい。
【００１７】
前述の第２工程における温度変化において、第１領域の保持温度は７８０〜８５０℃であることが好ましい。また、第２領域の保持温度は９５０〜１０５０℃であることが好ましい。さらに、第３領域の保持温度は１０００〜１２００℃であることが好ましい。
【００１８】
鉄鋼材と溶射皮膜との熱膨張の差による鉄鋼材からの溶射皮膜の剥離を抑制するため、第１工程によって形成される溶射皮膜の膜厚は１００μｍ以下であることが好ましい。また、前述の置換型固溶体層を形成するためには、第１工程によって形成される溶射皮膜にＦｅとの原子半径の差が±１０％以下の金属元素を含むことが好ましく、Ｎｉを含むことが最も好ましい。さらに、鉄鋼材には機械的特性に優れた材料である工具鋼を用いることが好ましい。
【００１９】
従来の溶射法による溶射皮膜形成工程では溶射前の粗面化処理が不可欠であり、該処理を行っても高負荷状態での使用に耐えうる優れた密着性を有した溶射皮膜の形成は困難であった。特に、鉄鋼材の表面への超硬合金から成る密着性に優れた溶射皮膜の形成は実現されていない。本発明の硬質溶射皮膜形成方法によれば、粗面化処理を施すことなく鉄鋼材の表面に密着性に優れた硬質溶射皮膜を形成させることが可能であり、超硬合金から成る密着性に優れた硬質溶射皮膜を形成させることも可能である。
【００２０】
本発明の硬質溶射皮膜被覆鉄鋼材は、鉄鋼材と、該鉄鋼材の表面に形成された硬質溶射皮膜と、該鉄鋼材と該硬質溶射皮膜との界面に形成した置換型固溶体層とを有する。鉄鋼材の表面と硬質溶射皮膜の界面領域には置換型固溶体層のみを有している。また、置換型固溶体層は溶射皮膜に含まれる元素と鉄鋼材の主成分であるＦｅが置換することで形成されており、溶射皮膜及び鉄鋼材に含まれない元素を含むことはない。また、前述の置換型固溶体層は鉄鋼材の表面と硬質溶射皮膜の界面領域に連続して形成しており、例えばブラスト処理で用いられるアルミナ粒子等で分断されることはない。
【００２１】
本発明の硬質溶射皮膜被覆鉄鋼材における硬質溶射皮膜は超硬合金であることが好ましい。また、硬質溶射皮膜にＦｅとの原子半径の差が±１０％以下の金属元素を含むことが好ましく、Ｎｉを含むことが最も好ましい。
【００２２】
本発明の硬質溶射皮膜被覆鉄鋼材は硬質溶射皮膜と鉄鋼材が優れた密着性を有しており、硬質溶射皮膜にクラック等の欠陥も存在しないことに加え、焼入れ処理によって基材である鉄鋼材の機械的特性が向上していることから、高負荷状態での使用に耐えうる特性を備えている。
【００２３】
本発明の硬質溶射皮膜被覆鉄鋼材を用いた刃物は鉄鋼材の表面に形成した硬質溶射皮膜を刃先として用いた刃物であって、該鉄鋼材と該硬質溶射皮膜との界面に置換型固溶体層を有し、被切削物と接触するのは該硬質溶射皮膜である。鉄鋼材の表面と硬質溶射皮膜の界面領域には置換型固溶体層のみを有している。また、置換型固溶体層は溶射皮膜に含まれる元素と鉄鋼材の主成分であるＦｅが置換することで形成されており、溶射皮膜及び鉄鋼材に含まれない元素を含むことはない。また、前述の置換型固溶体層は鉄鋼材の表面と硬質溶射皮膜の界面領域に連続して形成しており、例えばブラスト処理で用いられるアルミナ粒子等で分断されることはない。
【００２４】
本発明の硬質溶射皮膜被覆鉄鋼材を用いた刃物における硬質溶射皮膜は超硬合金であることが好ましい。また、硬質溶射皮膜にＦｅとの原子半径の差が±１０％以下の金属元素を含むことが好ましく、Ｎｉを含むことが最も好ましい。
【００２５】
本発明の硬質溶射皮膜被覆鉄鋼材を用いた刃物は刃先として用いる硬質溶射皮膜と鉄鋼材が優れた密着性を有しており、硬質溶射皮膜にクラック等の欠陥も存在しないことに加え、焼入れ処理によって基材である鉄鋼材の機械的特性が向上していることから、高負荷状態での使用に耐えうる特性を備えている。例えば、木材切削用の刃物として用いることが可能である。加えて、基材に安価な鉄鋼材を用いることで、極めてコストパフォーマンスに優れた切削刃を提供することができる。
【発明の効果】
【００２６】
溶射皮膜と基材との間にアンダーコートを施した後に溶融処理を行う方法や、溶射皮膜と基材との間に融点降下元素を含む液相拡散接合材をめっきや溶射等により形成し、等温凝固する温度に加熱し接合層とする方法は追加工程が煩雑であり、生産性・コスト面で不利である。
【００２７】
また、焼入れによる熱処理を施すことにより、溶射皮膜と基材との密着性を向上させる方法が提起されているが、鉄鋼基材と溶射皮膜との熱膨張係数の差異に起因するひび割れ・剥離が発生してしまうため、溶射皮膜としてＷＣを主成分とする超硬合金を用いることができない。超硬合金は優れた機械的特性を有する代表的な硬質材料であり、溶射皮膜として超硬合金を用いることが可能な手法を確立する必要がある。
【００２８】
前述の課題を解決すべく鋭意研究した結果、発明者らは、鉄鋼材の表面に適切な金属元素を含む溶射皮膜を形成させた後に、適切な温度条件で拡散熱処理を施すことで、溶射皮膜と鉄鋼材との密着性を向上させることが可能であり、鉄鋼材と溶射皮膜との間に置換型固溶体層を形成させることによって、溶射皮膜を鉄鋼材と冶金的に結合させることが効果的であるとの知見を得た。また、前述の拡散熱処理を含む熱処理は基材である鉄鋼材の焼入れ処理を兼ねており、該基材の機械的特性を向上させることが可能である。
【００２９】
本発明の硬質溶射皮膜形成方法は、鉄鋼材の表面に溶射を施すことで溶射皮膜を形成させる第１工程と、溶射皮膜被覆鉄鋼材を無酸化雰囲気下で加熱し、鉄鋼材と溶射皮膜との間に置換型固溶体層を形成させると共に該鉄鋼材の焼入れ処理を行う第２工程を有するものである。
【００３０】
本発明の硬質溶射皮膜被覆鉄鋼材は鉄鋼材の表面と硬質溶射皮膜との間に形成する置換型固溶体層が冶金学的な結合を付与するため、密着性に優れた硬質溶射皮膜を有している。また、焼入れ処理によって基材である鉄鋼材の機械的特性が向上しているため、高負荷状態における鉄鋼材の歪みや変形量が少なく、該環境下での硬質溶射皮膜の剥離が生じ難い。
【００３１】
本発明の硬質溶射皮膜被覆鉄鋼材を用いた刃物は鉄鋼材の表面と硬質溶射皮膜との間に形成する置換型固溶体層によって優れた密着性を有する硬質溶射皮膜を刃先として用いていると共に焼入れ処理によって基材である鉄鋼材の機械的特性が向上しているため、高負荷状態での使用に耐えうる特性を有すると共に、優れた耐摩耗性を有している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
本発明の硬質溶射皮膜形成方法は鉄鋼材の表面に溶射皮膜を形成する第１工程と、該鉄鋼材と該溶射皮膜との間に置換型固溶体層を形成させると共に鉄鋼材に焼入れ処理を施す第２工程を有している。第１工程においては、鉄鋼材の表面に一般的な溶射を施すことで溶射皮膜を形成させる。溶射は溶射材をガス燃焼エネルギー又は電気エネルギー（プラズマ、アークなど）等で形成される熱源中に投入し、加熱・溶融した溶射材を鉄鋼材の表面に噴きつけることで達成される。該第１工程の後、第２工程として、溶射皮膜被覆鉄鋼材を無酸化雰囲気下で加熱し、鉄鋼材と溶射皮膜との間に置換型固溶体層を形成させると共に鉄鋼材に焼入れ処理を施し、鉄鋼材と溶射皮膜との密着性を向上させると共に鉄鋼材の機械的特性を向上させる。
【００３３】
置換型固溶体とは、原子が置換わる態様で固溶体を形成するもので、本発明においては基材の主成分であるＦｅ原子と溶射皮膜中に含まれる原子とが互いに置き換わることで置換型固溶体層を形成する。本発明において、置換型固溶体層を形成するためには溶射皮膜中にＦｅ（原子半径：１．２４
Å）との原子半径の差が±１０％以下の金属元素を含んでいることが好ましく、例えばＮｉ（原子半径：１．２５ Å）、Ｃｏ（原子半径：１．２５ Å）、Ｃｒ（原子半径：１．２５
Å）等を用いることができる。また、本発明の最も好ましい態様によれば、溶射皮膜中にＮｉを含んでいることにより、該溶射皮膜と鉄鋼材表面との間にＦｅとＮｉの置換型固溶体層を形成することで、密着性に優れた硬質溶射皮膜が提供される。
【００３４】
本発明の具体的な態様によれば、第１工程で作製された溶射皮膜被覆鉄鋼材は拡散熱処理中に生じる鉄鋼材と溶射皮膜との体積変化の差を緩和する拡散熱処理温度プログラムを有する熱処理によって、無酸化雰囲気下で処理される。置換型固溶体層を形成すると共に基材である鉄鋼材の焼入れ処理を達成するためには室温から焼入れ温度まで昇温する必要があるが、本発明の拡散熱処理温度プログラムは温度変化に伴う鉄鋼材と溶射皮膜の体積変化、特に鉄鋼材の相変態に伴う急激な体積変化の影響を緩和するために用いられる。具体的には、前述の第２工程における温度変化は室温以上であって鉄鋼材の変態温度より低い温度、鉄鋼材の変態温度以上であって鉄鋼材の焼入れ温度より低い温度、鉄鋼材の焼入れ温度からなる３段階の保持温度を有することが好ましく、最も好ましい拡散熱処理プログラムは７８０〜８８０℃、９５０〜１０５０℃、１０００〜１２００℃の３段階の保持温度を有するものである。なお、各温度における好ましい保持時間は被処理物の大きさや材質等によって変化するものである。第２工程における温度変化は置換型固溶体層を形成すると共に基材である鉄鋼材の焼入れ処理を達成することが目的であり、該目的が達成される場合は必ずしも等温保持を必要とするものではない。
【００３５】
第２工程における温度変化は基材である鉄鋼材の焼入れ処理を兼ねており、該処理を経ることで鉄鋼材の機械的特性が向上する。基材の機械的特性が十分でない場合には高負荷状態で基材が変形してしまい、硬質溶射皮膜が容易に剥離してしまう。本発明の硬質溶射皮膜形成方法は密着性に優れた硬質溶射皮膜を提供するのみならず、基材の機械的特性向上をも付与するものである。また、前述の拡散熱処理は第１工程において鉄鋼材の表面に形成された溶射皮膜中の欠陥を除去する効果も有しており、第２工程を経ることによって前記溶射皮膜の硬度が上昇する。
【００３６】
第１工程で形成させる溶射皮膜の膜厚は１００μｍ以下であることが好ましい。膜厚が１００μｍよりも厚くなると第２工程における熱処理中に生じる鉄鋼材と溶射皮膜との体積変化の差の影響が大きくなり、鉄鋼材からの溶射皮膜の剥離や該溶射皮膜中にクラックが生じる確率が高くなる。しかしながら、第１工程で形成させる溶射皮膜中にＮｉを添加し該溶射皮膜と鉄鋼材の表面との間にＦｅとＮｉの置換型固溶体層を形成させる場合は溶射皮膜の膜厚が１００μｍを超えてもよく、第２工程における熱処理によって１００μｍよりも厚い良好な硬質溶射皮膜を形成させることが可能である。
【００３７】
第１工程で使用される溶射材料は金属元素を含む一般的な硬質材料を用いることができるが、超硬合金を用いることが好ましい。本発明において超硬合金とはセラミックス（IVa、Va、VIa族の炭化物）を主原料とし、鉄族金属（Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ）で焼結した合金を総称する。切削工具の分野では機械的強さに最も優れているＷＣ系の焼結硬質合金を超硬合金、ＴｉＣ系焼結硬質合金をサーメットと呼んでいるが、本発明の超硬合金は両者を含む概念である。
【００３８】
本発明で用いられる基材は鉄鋼材であるが、工具鋼であることが好ましく、高速度工具鋼であることが最も好ましい。工具鋼とは、０．３〜２．０
ｗｔ％の炭素を含む鋼で、硬さと耐磨耗性に優れ、鉄鋼加工に用いられる刃物、治具、金型等に用いられる。ＪＩＳの規格で規定されている代表的な工具鋼は、ＳＫ３：炭素工具鋼
、ＳＫＳ３：合金工具鋼(低合金工具鋼もしくは特殊工具鋼(特鋼)、ＳＫＤ１１：冷間金型用鋼(冷間ダイス鋼) 、ＳＫＤ６１：熱間金型用鋼(熱間ダイス鋼) 、ＳＫＨ５７：高速度工具鋼(ハイス鋼)等がある。また、粉末製法で製造される高速度工具鋼は組織が微細・均一であり、高靭性と高強度・高耐摩耗性を兼備している。
【００３９】
本発明の硬質溶射皮膜被覆鉄鋼材は図３の概念図に示すように鉄鋼材１０と硬質溶射膜１４との間にＦｅ原子と溶射皮膜中に含まれる原子とが互いに置き換わることで形成される置換型固溶体層１６を有しており、鉄鋼材１０と硬質溶射皮膜１４が冶金学的に結合し、優れた密着性を有している。置換型固溶体層１６はＦｅ原子とＮｉ原子とが互いに置き換わることで形成されていることが好ましい。また、置換型固溶体層１６は鉄鋼材１０と硬質溶射皮膜１４との間に連続的に形成されており、例えばブラスト処理で用いられるアルミナ粒子等で切断されることはない。
【００４０】
前記硬質溶射皮膜１４は超硬合金を用いることが好ましい。本発明において超硬合金とはセラミックス（IVa、Va、VIa族の炭化物）を主原料とし、鉄族金属（Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ）で焼結した合金を総称する。切削工具の分野では機械的強さに最も優れているＷＣ系の焼結硬質合金を超硬合金、ＴｉＣ系焼結硬質合金をサーメットと呼んでいるが、本発明の超硬合金は両者を含む概念である。
【００４１】
本発明の硬質溶射皮膜被覆鉄鋼材を用いた刃物は図４の概念図に示すように硬質溶射皮膜１４を刃先として用いており、鉄鋼材１０と硬質溶射膜１４との間にＦｅ原子と溶射皮膜中に含まれる原子とが互いに置き換わることで形成される置換型固溶体層１６を有することで鉄鋼材１０と硬質溶射皮膜１４が冶金学的に結合し優れた密着性を有している。置換型固溶体層１６はＦｅ原子とＮｉ原子とが互いに置き換わることで形成されていることが好ましい。また、置換型固溶体層１６は鉄鋼材１０と硬質溶射皮膜１４との間に連続的に形成されており、例えばブラスト処理で用いられるアルミナ粒子等で切断されることはない。
【００４２】
前記硬質溶射皮膜１４は超硬合金を用いることが好ましい。本発明において超硬合金とはセラミックス（IVa、Va、VIa族の炭化物）を主原料とし、鉄族金属（Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ）で焼結した合金を総称する。切削工具の分野では機械的強さに最も優れているＷＣ系の焼結硬質合金を超硬合金、ＴｉＣ系焼結硬質合金をサーメットと呼んでいるが、本発明の超硬合金は両者を含む概念である。
【００４３】
実施例１
以下に本発明の実施例及び比較例を図面を参照して説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
基材として高速度工具鋼（ＳＫＨ５７）、溶射材としてＷＣ-２０vol%Ｃｒ３Ｃ２-７vol%Ｎｉ及びＷＣ-１７vol%Ｃｒ-１７vol%Ｎｉを使用し、本発明の硬質溶射皮膜形成方法を用いてサンプルを作製した。熱処理条件及び膜厚と、皮膜の健全性の関係を表１に示す。
【００４４】
【表１】
2008261040.tif 000003
【００４５】
３段階の保持温度（８５０℃→１０３０℃→１１３０℃）を有する熱処理を施した場合、膜厚が５０μｍ及び１００μｍの場合は硬質溶射皮膜の割れ及び剥離は観察されなかった。これに対し、２段階の保持温度（８５０℃→１１３０℃）から成る熱処理を施した場合は硬質溶射皮膜が剥離した。また、適当な３段階の保持温度（８５０℃→１０３０℃→１１３０℃）を有する熱処理を施した場合であっても、膜厚が１５０μｍの場合には硬質溶射皮膜に割れが発生した。しかしながら、溶射材中のＮｉ添加量を１７vol％に増加させると、膜厚が２５０μｍにまで厚くなっても硬質溶射皮膜の割れ及び剥離は観察されなかった。これらの結果から、健全な硬質溶射皮膜を得るためには、基材と硬質溶射皮膜の体積変化の差異を緩和する３段階の保持温度及び基材と硬質溶射皮膜の間に置換型固溶体を形成するためのＮｉの添加が重要であることが分かる。
【００４６】
基材として高速度工具鋼（ＳＫＨ５７）、溶射材としてＷＣ-２０vol%Ｃｒ３Ｃ２-７vol%Ｎｉを使用し、３段階の保持温度（８５０℃→１０３０℃→１１３０℃）を有する熱処理を施したサンプルのＳＥＭ写真及びそれに対応するＦｅ、Ｎｉ、ＷのＥＤＸマッピングをそれぞれ図５〜図８に示す。基材表面にＷＣ-２０vol%Ｃｒ３Ｃ２-７vol%Ｎｉを熱処理して成る硬質溶射皮膜が形成しているのが確認できる。また、基材と硬質溶射皮膜の間にＦｅとＮｉの両元素が共に存在する領域があり、置換型固溶体層が形成されているのが分かる。
【００４７】
比較例として、基材として高速度工具鋼（ＳＫＨ５７）、溶射材としてＷＣ-２０vol%Ｃｒ３Ｃ２-７vol%Ｎｉを使用し、アルミナを用いたブラスト処理を施した後、３段階の保持温度（８５０℃→１０３０℃→１１３０℃）を有する熱処理を施したサンプルのＳＥＭ写真及びそれに対応するＦｅ、Ｎｉ、Ｗ、ＡｌのＥＤＸマッピングをそれぞれ図９〜図１３に示す。ブラスト処理によって基材に突き刺さったアルミナ粒子が基材と硬質溶射皮膜中に存在するのが確認できる。該アルミナ粒子によって置換型固溶体層が形成されない領域が存在し、該アルミナ粒子が硬質溶射皮膜中に発生するクラック及び基材からの剥離の起点になることが分かる。
【００４８】
実施例２
基材として高速度工具鋼（ＳＫＨ５７）、溶射材としてＷＣ-２０vol%Ｃｒ３Ｃ２-７vol%Ｎｉ及びＷＣ-１７vol%Ｃｒ-１７vol%Ｎｉを使用し、本発明の硬質溶射皮膜形成方法及び従来の溶射法（熱処理無し）を用いてサンプルを作製した。熱処理の有無と、皮膜のビッカース硬度の関係を表２に示す。
【００４９】
【表２】
2008261040.tif 000004
【００５０】
溶射材の組成に関わらず、熱処理を施したサンプルの硬質溶射皮膜のビッカース硬度は熱処理を施さないものと比較して上昇している。
【００５１】
実施例３
本発明の硬質溶射皮膜被覆鉄鋼材を用いた刃物を使用し、木材の切削に対する耐摩耗性評価を行った。硬質溶射皮膜被覆鉄鋼材を用いた刃物は本発明の硬質溶射皮膜形成方法を用い、基材として高速度工具鋼（ＳＫＨ５７）、溶射材としてＷＣ-２０vol%Ｃｒ３Ｃ２-７vol%Ｎｉを用いて作製した硬質溶射皮膜被覆鉄鋼材の被覆部を刃立てして作製した。該硬質溶射皮膜被覆鉄鋼材を用いた刃物のＳＥＭ写真を図１４に示す。耐摩耗試験は木材（米ヒバ）に刃先を０．２ｍｍ挿入し、切削速度２６００ｍ/ｍｉｎで２時間切削した後の刃先の摩耗量を測定した。比較材として、ＳＫＨ９材で作製した切削刃でも同様の試験を行った。試験後の摩耗量は本発明の硬質溶射皮膜被覆鉄鋼材を用いた刃物が数μｍであったのに対し、比較材では７０μｍであり、本発明の硬質溶射皮膜被覆鉄鋼材を用いた刃物が極めて優れた耐摩耗特性を有していることが確認された。切削試験後の本発明の硬質溶射皮膜被覆鉄鋼材を用いた刃物及び比較材の写真をそれぞれ図１５及び図１６に示す。摩耗量の差異は明瞭である。なお、従来の溶射法によって高速度工具鋼（ＳＫＨ５７）表面にＷＣ-２０vol%Ｃｒ３Ｃ２-７vol%Ｎｉを溶射し、該溶射皮膜部を刃立てして作製した切削刃は顕著な該溶射皮膜の剥離により、摩耗試験を行うことができなかった。
【００５２】
未処理の高速度工具鋼（ＳＫＨ５７）のビッカース硬度が５回測定（押込み加重３００ｇ）の平均値でＨｖ＝３８７であるのに対し、本発明の硬質溶射皮膜形成方法を用いて作製した硬質溶射皮膜被覆鉄鋼材を用いた刃物の基材（高速度工具鋼（ＳＫＨ５７））のビッカース硬度の５回測定平均値（押込み加重３００ｇ）はＨｖ＝９００であった。硬質溶射皮膜の形成工程における熱処理（８５０℃→１０３０℃→１１３０℃）により、基材の焼入れ処理も達成されていることが確認できる。基材の表面に形成される硬質溶射皮膜と該基材の硬度上昇の相乗効果により、本発明の硬質溶射皮膜被覆鉄鋼材及び硬質溶射皮膜被覆鉄鋼材を用いた刃物は高負荷状態での使用に耐えうる特性を備えている。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の硬質溶射皮膜形成方法の概念図である。
【図２】本発明の硬質溶射皮膜形成方法の第２工程における温度変化の概念図である。
【図３】本発明の硬質溶射皮膜被覆鉄鋼材の概念図である。
【図４】本発明の硬質溶射皮膜被覆鉄鋼材を用いた刃物の概念図である。
【図５】基材として高速度工具鋼（ＳＫＨ５７）、溶射材としてＷＣ-２０vol%Ｃｒ３Ｃ２-７vol%Ｎｉを使用し、３段階の保持温度（８５０℃→１０３０℃→１１３０℃）を有する熱処理を施したサンプルのＳＥＭ写真である。
【図６】基材として高速度工具鋼（ＳＫＨ５７）、溶射材としてＷＣ-２０vol%Ｃｒ３Ｃ２-７vol%Ｎｉを使用し、３段階の保持温度（８５０℃→１０３０℃→１１３０℃）を有する熱処理を施したサンプルにおける、ＦｅのＥＤＸマッピングである。
【図７】基材として高速度工具鋼（ＳＫＨ５７）、溶射材としてＷＣ-２０vol%Ｃｒ３Ｃ２-７vol%Ｎｉを使用し、３段階の保持温度（８５０℃→１０３０℃→１１３０℃）を有する熱処理を施したサンプルにおける、ＮｉのＥＤＸマッピングである。
【図８】基材として高速度工具鋼（ＳＫＨ５７）、溶射材としてＷＣ-２０vol%Ｃｒ３Ｃ２-７vol%Ｎｉを使用し、３段階の保持温度（８５０℃→１０３０℃→１１３０℃）を有する熱処理を施したサンプルにおける、ＷのＥＤＸマッピングである。
【図９】基材として高速度工具鋼（ＳＫＨ５７）、溶射材としてＷＣ-２０vol%Ｃｒ３Ｃ２-７vol%Ｎｉを使用し、アルミナ粒子を用いたブラスト処理を施した後、３段階の保持温度（８５０℃→１０３０℃→１１３０℃）を有する熱処理を施したサンプルのＳＥＭ写真である。
【図１０】基材として高速度工具鋼（ＳＫＨ５７）、溶射材としてＷＣ-２０vol%Ｃｒ３Ｃ２-７vol%Ｎｉを使用し、アルミナ粒子を用いたブラスト処理を施した後、３段階の保持温度（８５０℃→１０３０℃→１１３０℃）を有する熱処理を施したサンプルにおける、ＦｅのＥＤＸマッピングである。
【図１１】基材として高速度工具鋼（ＳＫＨ５７）、溶射材としてＷＣ-２０vol%Ｃｒ３Ｃ２-７vol%Ｎｉを使用し、アルミナ粒子を用いたブラスト処理を施した後、３段階の保持温度（８５０℃→１０３０℃→１１３０℃）を有する熱処理を施したサンプルにおける、ＮｉのＥＤＸマッピングである。
【図１２】基材として高速度工具鋼（ＳＫＨ５７）、溶射材としてＷＣ-２０vol%Ｃｒ３Ｃ２-７vol%Ｎｉを使用し、アルミナ粒子を用いたブラスト処理を施した後、３段階の保持温度（８５０℃→１０３０℃→１１３０℃）を有する熱処理を施したサンプルにおける、ＷのＥＤＸマッピングである。
【図１３】基材として高速度工具鋼（ＳＫＨ５７）、溶射材としてＷＣ-２０vol%Ｃｒ３Ｃ２-７vol%Ｎｉを使用し、アルミナ粒子を用いたブラスト処理を施した後、３段階の保持温度（８５０℃→１０３０℃→１１３０℃）を有する熱処理を施したサンプルにおける、ＡｌのＥＤＸマッピングである。
【図１４】基材として高速度工具鋼（ＳＫＨ５７）、溶射材としてＷＣ-２０vol%Ｃｒ３Ｃ２-７vol%Ｎｉを使用し、３段階の保持温度（８５０℃→１０３０℃→１１３０℃）を有する熱処理を施して作製した硬質溶射皮膜被覆鉄鋼材の被覆部を刃立てして作製した耐摩耗切削刃のＳＥＭ写真である。
【図１５】基材として高速度工具鋼（ＳＫＨ５７）、溶射材としてＷＣ-２０vol%Ｃｒ３Ｃ２-７vol%Ｎｉを使用し、３段階の保持温度（８５０℃→１０３０℃→１１３０℃）を有する熱処理を施して作製した硬質溶射皮膜被覆鉄鋼材の被覆部を刃立てして作製した耐摩耗切削刃の切削試験後の写真である。
【図１６】ＳＫＨ９材で作製した切削刃の切削試験後の写真である。
【符号の説明】
【００５４】
１０…鉄鋼材
１２…溶射皮膜
１４…硬質溶射皮膜
１６…置換型固溶体
１８…アルミナ粒子
【図１】
2008261040.tif 000005
【図２】
2008261040.tif 000006
【図３】
2008261040.tif 000007
【図４】
2008261040.tif 000008
【図５】
2008261040.tif 000009
【図６】
2008261040.tif 000010
【図７】
2008261040.tif 000011
【図８】
2008261040.tif 000012
【図９】
2008261040.tif 000013
【図１０】
2008261040.tif 000014
【図１１】
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【図１２】
2008261040.tif 000016
【図１３】
2008261040.tif 000017
【図１４】
2008261040.tif 000018
【図１５】
2008261040.tif 000019
【図１６】
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