(57)【要約】【課題】鉄鋼材料の表面から所望の深さまで改質層を形成し、しかも、その形成を安価かつ簡便に行う。【解決手段】鉄鋼材料Ｗの表面に高速回転する回転工具Ｔを接触させて、上記鉄鋼材料Ｗの上記回転工具Ｔとの接触部分を摩擦熱により軟化し、その軟化した部分をこのプローブ２で撹拌して上記鉄鋼材料Ｗを改質する。この回転工具Ｔは、タングステンカーバイドを主成分とする耐熱性を有する超硬合金からなるので、鉄鋼材料Ｗが軟化する１０００℃以上の温度領域でも磨耗が生じにくい。この回転工具Ｔに突出して設けられたプローブ２の長さを変えることで、改質層３の深さを所望の深さにすることができる。さらに、この回転工具Ｔをその進行方向の後方に傾斜させた状態で処理を行うと、傾斜したプローブ２によって、軟化した鉄鋼材料を上下に撹拌する流動ｆ２が生じるので、この流動による撹拌がより効率的になされる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄鋼材料（Ｗ）の表面に高速回転する回転工具（Ｔ）の先端に突出して設けられたプローブ（２）を接触させて、上記鉄鋼材料（Ｗ）の上記プローブ（２）との接触部分を摩擦熱により軟化し、その軟化した部分にこのプローブ（２）を挿入して撹拌し、上記鉄鋼材料（Ｗ）を改質する鉄鋼材料（Ｗ）の改質方法。
【請求項２】
上記回転工具（Ｔ）の素材として、タングステンカーバイドとコバルトを含む、耐熱性を有する超硬合金を用いた請求項１に記載の鉄鋼材料（Ｗ）の改質方法。
【請求項３】
上記回転工具（Ｔ）の回転軸を、この回転工具（Ｔ）の進行方向の後方に垂直軸から０．５〜５度傾けた状態で上記鉄鋼材料（Ｗ）の改質を行う請求項１又は２に記載の鉄鋼材料（Ｗ）の改質方法。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載した改質方法にて改質が行われた鉄鋼材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、高マンガン鋼等の鉄鋼材料の表面を、高硬度のプローブで摩擦して、その摩擦熱によりその鉄鋼材料を軟化して塑性流動を生じさせ、その塑性流動を生じさせた領域を改質する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
工作機械等の摺動部品用の鉄鋼材料として、例えば、高マンガン鋼をはじめとした耐磨耗鋼が広く用いられている。この高マンガン鋼の初期特性としては、素材自体は他の鋼種と比較して硬度がむしろ低く、磨耗しやすいため、上記工作機械等の組み立てに先立って、上記摺動部品の表面層近傍の硬度を向上させるための改質処理がなされる。
【０００３】
この改質処理として、硬質小粒子を鋼材の表面に衝突させるショットピーニング法が広く用いられている。このショットピーニング法を行なうと、その鋼材の表面層近傍に結晶欠陥が高密度に発生し、この結晶欠陥は、所謂、加工硬化層として作用し、その表面層近傍の硬度を向上させる。この加工硬化層の厚さは、上記硬質小粒子の衝突速度にも依存するが、高々１ｍｍ程度と極めて薄く、その加工硬化層の硬度も耐摩耗性を発揮するには不十分なことが多いという問題がある。
【０００４】
そこで、加工硬化層の厚さをより厚く、また、その硬度をより高くするために、特許文献１に示す方法が提案されている。この方法は、高マンガン鋼の表面に高い静水圧を負荷する第１工程と、ショットピーニング法によって硬質粒子を上記表面に衝突させる第２工程とからなり、この２段の工程により、表面から４ｍｍ程度のより深い領域まで加工変質層が形成され、その加工変質層の硬度は、上記ショットピーニング法を単独で実施した場合と比較して高いものとなる。
【特許文献１】特開平１０−４４０４３号公報
【０００５】
また、特許文献２に示すように、アルミニウム等の低融点の金属材料に高速で回転させながら接触させるショルダーと、そのショルダーの先端に突出して設けられ、回転軸周りに回転しながら上記金属材料の表面に当接し、その際の摩擦熱で軟化した金属材料に挿入されて、この金属材料を撹拌するプローブとからなる回転工具を用いる改質方法がある。この改質によって、上記撹拌によって生成した析出物や結晶組織の微細化によって軟化領域が改質されるので金属材料表面の硬度の向上を図ることができる。
【特許文献２】特開２００３−４８０６０号公報
【０００６】
この回転工具は、通常はステンレス鋼等からなり、その回転工具のプローブの長さに対応して、上記金属材料の所望の深さまで改質を行うことができる。また、この改質は、上記プローブを軟化した金属材料に押し付けて挿入し、そのプローブを移動させることによって行われる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記の特許文献１に示す方法は、加工硬化層の形成が、静水圧の負荷及びショットピーニング法の２段の工程からなり、それぞれの工程に高価な専用装置が必要であるため、コスト的に高価なものとなる問題がある。
【０００８】
また、特許文献２に示す方法は、上述したように、専らアルミニウム等の低融点材料に対して適用され、鉄鋼材料に対しては適用されていないのが現状である。これは、上記低融点材料の軟化は３００〜４００℃程度の低温で起こるのに対して、鉄鋼材料は１０００℃以上の高温にならないと軟化せず、その温度では、回転工具自体の強度が低下し、処理中の損傷が著しいためである。
【０００９】
そこで、この発明は、高マンガン鋼をはじめとする鉄鋼材料において、改質層を表面から所望の深さまで形成し、しかも、その形成が安価かつ簡便になされるようにすることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決するため、この発明は、耐熱性を有する超硬合金からなる回転工具の先端に突出してプローブを設け、そのプローブを上記鉄鋼材料に接触させ、その鉄鋼材料を接触に伴う摩擦熱で軟化し、その軟化した部分を上記プローブで撹拌して、上記鉄鋼材料の改質を行なうこととしたのである。
【発明の効果】
【００１１】
この発明による改質を行うことで、鉄鋼材料の組織が微細化される。また、この微細化とともに、鉄鋼材料中のクロムやマンガン等の添加元素の一部と炭素が結合して炭化物が形成される。この組織の微細化や炭化物の生成により、材料自体の強度及び表面の硬度が向上する。
【００１２】
この改質によって、上記プローブの長さに対応した深さまで改質層が形成されるので、プローブの長さを変更することで、その改質層の深さを所望の深さに変えることができる。
【００１３】
上記炭化物の生成量は、上記プローブの移動速度に伴う鉄鋼材料表面の温度上昇及び冷却速度の変化に対応して変化する。
【００１４】
具体的には、移動速度を大きくすると熱の供給源である回転工具が速やかに遠ざかるので、温度上昇は小さくかつ冷却速度は大きくなり、逆に、移動速度を小さくすると温度上昇は大きくかつ冷却速度は小さくなる。この温度上昇を小さくかつ冷却速度を大きくすると上記炭化物の生成量は増加し、温度上昇を大きくかつ冷却速度を小さくすると上記炭化物の生成量は減少することが実験的に確認されている。
【００１５】
また、上記プローブの移動速度を大きくして温度上昇を小さくかつ冷却速度を大きくすることにより、鉄鋼材料表面の結晶粒が微細化することも実験的に確認されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
この発明に係る鉄鋼材料の改質方法においては、鉄鋼材料の表面に高速回転するプローブを接触させて、上記鉄鋼材料の上記プローブとの接触部分を摩擦熱により軟化し、その軟化した部分をこのプローブで撹拌して上記鉄鋼材料を改質する構成を採用できる。
【００１７】
図１に示す回転工具Ｔを用いて、図２に示す構成で鉄鋼材料Ｗの表面改質を行った。この回転工具Ｔには、鉄鋼材料Ｗと接触するショルダー１と、そのショルダー１の先端に突出して設けられ、回転軸周りに回転しながら上記鉄鋼材料Ｗの表面に当接し、その際に発生した摩擦熱によって軟化した鉄鋼材料Ｗに挿入されて、その軟化した鉄鋼材料Ｗを撹拌するプローブ２とが設けられている。
【００１８】
この回転工具Ｔは、１０００℃以上の高温においても、軟化した鉄鋼材料Ｗを撹拌しうるだけの機械強度を有する必要があり、このような特性を有する素材として、タングステンカーバイド系の耐熱性を有する超硬合金が採用できる。
【００１９】
さらに具体的には、回転工具Ｔは、タングステンカーバイドの微粉末と、結合剤として作用するコバルトの粉末とを混合し、これを回転工具Ｔの形状の型枠に充填して成形し、さらに焼結によってこれを焼き固めることで作成される。この他に、クロムカーバイド、タンタルカーバイド、バナジウムカーバイド等の炭化物を添加することによって、回転工具Ｔが高温にさらされた際の耐酸化性を向上することができる。
【００２０】
この表面改質においては、鉄鋼材料Ｗの表面に高速回転する回転工具Ｔのプローブを押し付け、押し付けた部分の鉄鋼材料Ｗを摩擦熱で軟化させる。このプローブ２が軟化した鉄鋼材料Ｗに挿入されると、ショルダー１が直接鉄鋼材料Ｗに接触し、この回転工具Ｔと鉄鋼材料Ｗとの接触面積が増大するため、摩擦熱の発生量が増大し、上記軟化がより速やかになされる。
【００２１】
このプローブ２が鉄鋼材料Ｗに挿入された状態でこの回転工具Ｔを所定速度ｖで移動させると、軟化した鉄鋼材料Ｗがプローブ２によって撹拌され、微細化組織や炭化物が導入された改質層３が形成される。
【００２２】
この工程によって形成される改質層３の深さは上記回転工具Ｔのプローブ２の長さに依存し、そのプローブ２の長さを長くすると、その長さに対応する深さまで改質層３が形成される。
【００２３】
この回転工具Ｔは上記鉄鋼材料Ｗの表面に垂直に立てた状態で使用すると、この回転工具Ｔのプローブ２によって生じる流動は、図３（ａ）に示すように、このプローブ２を中心とした水平面内での回転流動ｆ１が主流となり、軟化した上記鉄鋼材料Ｗを上下方向に撹拌する流動はあまり生じない。
【００２４】
それに対して、この回転工具Ｔを垂直軸に対して、その進行方向の後方に傾斜角φだけ傾いた状態で使用すると、図３（ｂ）に示すように、このプローブ２を中心とした傾斜角φだけ傾いた面内での回転流動ｆ１が主流となる。この回転流動ｆ１が水平面から傾斜した面内で生じるため、水平方向の流動のみならず、軟化した上記鉄鋼材料Ｗを上下方向に撹拌する流動ｆ２も生じ、それによって、この流動による撹拌がより効率的になされる。
【００２５】
また、この回転工具Ｔは４トン程度の非常に高い圧力で鉄鋼材料Ｗに押し付けられるため、回転工具Ｔのショルダー１が鉄鋼材料Ｗにめり込む。このめり込みは回転工具Ｔを移動させる際に抵抗となり、この負荷によって回転工具Ｔのショルダー１に損傷が生じやすい。そこで、回転工具Ｔを進行方向の後方に傾斜させると、進行方向の前方におけるショルダー１の鉄鋼材料Ｗへのめり込みが減少するため回転工具Ｔの移動がスムーズとなり、ショルダー１の損傷が防止される。
【００２６】
この進行方向の前方におけるめり込みの解消には、回転工具Ｔを少なくとも０．５度は進行方向の後方に傾斜させるのが好ましい。また、この傾斜角を大きくすると進行方向の前方におけるめり込みは一層解消されるが、進行方向の後方においてショルダー１の鉄鋼材料Ｗへの押付け圧力が強くなり、摩擦熱の発生量が増大する。摩擦熱の発生量が増大すると、鉄鋼材料Ｗが局所的に高温となり、上述したように炭化物の生成量が減少して表面の硬度が低下する。そのため、回転工具Ｔの傾斜角は５度よりも小さくするのが好ましい。
【００２７】
例えば、この回転工具Ｔをその進行方向の後方に３度傾斜させて処理を行うと、図４に示すように、上記鉄鋼材料Ｗの表層部から底層部まで、軟化した全ての領域に亘って、黒いコントラストで示す均質な改質層３が形成されることが確認できた。
【００２８】
この改質層３を走査電子顕微鏡で詳細に観察したところ、図５にその一例を示すように、１μｍ程度の大きさに微細化された鉄鋼材料の結晶粒４と、同じく１μｍ程度の炭化物５が観察され、この領域の硬度をビッカース硬度計で測定したところ、大幅に硬度が向上していることが確認された。これは、微細結晶粒４及び炭化物５の析出によるものと考えられる。
【００２９】
表１に、回転工具Ｔの傾斜角φ、移動速度及び回転数を変化させたときの、溝欠陥の発生の有無、炭化物の生成状況、ビッカース硬さ、及び、これらを勘案した総合評価の結果をまとめた。ここでいう傾斜角φは、上記と同様に、回転工具Ｔの進行方向の後方への傾斜を意味する。
【００３０】
【表１】
2008133519.tif 000003
【００３１】
いずれの傾斜角φで処理を行った場合においても、移動速度及び回転数によっては、溝欠陥が発生することがあることが明らかとなった。この溝欠陥とは、プローブ２を移動させた際にプローブ２の移動方向に連なって生じる、溝状の空洞欠陥のことをいい、その発生原因は十分には解明されていないが、処理の際の鉄鋼材料の温度等が関係していると推定されている。この溝欠陥が生じると改質層３の均質性が損なわれるので、この発生を抑制する必要がある。
【００３２】
傾斜角φが３度又は５度の場合は、移動速度が５０ｍｍ／分の条件において溝欠陥が発生した。また、傾斜角φが０．５度の場合は、移動速度が２５ｍｍ／分の条件において、回転数が１３０〜１５０ｒｐｍの際に溝欠陥が発生したが、回転数を１００〜１２０ｒｐｍに低下すると溝欠陥は消滅した。
【００３３】
また、炭化物の生成状況に関しては、傾斜角φが０．５度で、移動速度が１０〜２５ｍｍ/分の条件において、軟化が生じた改質部の全体において均一に炭化物が生成していることが確認できた。
【００３４】
さらに、ビッカース硬さに関しては、炭化物が改質部の全体において均一に確認されたものにおいて、高硬度を有していることが確認できた。
【００３５】
以上の溝欠陥の有無、炭化物の生成状況、及び、ビッカース硬さの結果を総合的に勘案すると、傾斜角φが０．５度、移動速度が２５ｍｍ／分、及び、回転数が１００〜１２０ｒｐｍの条件で処理したものが、耐摩耗性の観点において最も良好であると結論付けることができた。
【００３６】
この最適処理条件は、鉄鋼材料の厚さ、回転工具Ｔのプローブ２の長さ等が変わると、処理時における鉄鋼材料の温度上昇及び冷却速度が変わるため、常に上記処理条件であるとは限らない。
【００３７】
一方、表面改質を行わなかったものは表面近傍に炭化物が存在しないためビッカース硬さが低く、耐摩耗性の観点において劣ると結論付けることができた。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】一実施例における回転工具の斜視図
【図２】一実施例における回転工具を用いた表面改質を示す作用図
【図３】一実施例において回転工具の回転による鉄鋼材料の流動を示す作用図で、（ａ）は回転工具を垂直に立てた場合、（ｂ）は回転工具を傾斜させた場合
【図４】一実施例における回転工具を用いた表面改質を行なった高マンガン鋼の断面の光学顕微鏡写真で、（ａ）は表層部、（ｂ）は中層部、（ｃ）は底層部であり、（ｄ）は各写真の撮影位置を示す図
【図５】一実施例における回転工具を用いた表面改質を行なった高マンガン鋼の断面の走査電子顕微鏡写真
【符号の説明】
【００３９】
２  プローブ
Ｔ  回転工具
Ｗ  鉄鋼材料
【図１】
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【図２】
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【図３】
2008133519.tif 000006
【図４】
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【図５】
2008133519.tif 000008