(57)【要約】【課題】熱間加工性を犠牲にすることなく、しかも特別の表面処理を行うことなく、耐摩耗性に優れた熱間鍛造部品を得る。【解決手段】アルミニウム粉末を含むスラリーＳ１を、予熱を終えた下型３のインプレッション５内の成形面と上型４のインプレッション６内の成形面とに塗布し、ＢＮ、Ｓｉ３Ｎ４等の窒化物を含むスラリーＳ２を、加熱を終えた鍛造素材（鉄系材料）１の表面に塗布した後、型打ちを行い、高温および高圧のもとで、窒化物とアルミニウムとの反応を促進させて、鍛造部品の表層部にＡｌＮを生成させる。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
非アルミニウム系材料の熱間鍛造方法であって、鍛造素材の表面と鍛造型の成形面との何れか一方に、アルミニウム粉末を含むスラリーを、何れか他方に窒化物粉末を含むスラリーをそれぞれ塗布した後、型打ちを行い、鍛造品の表層部にＡｌＮ層を生成させることを特徴とする表面強化熱間鍛造方法。
【請求項２】
アルミニウム系材料の熱間鍛造方法であって、鍛造型の成形面に、窒化物粉末を含むスラリーを塗布した後、型打ちを行い、鍛造品の表層部にＡｌＮ層を生成させることを特徴とする表面強化熱間鍛造方法。
【請求項３】
窒化物が、ＢＮであることを特徴とする請求項１または２に記載の表面強化熱間鍛造方法。
【請求項４】
窒化物が、Ｓｉ３Ｎ４であることを特徴とする請求項１または２に記載の表面強化熱間鍛造方法。
【請求項５】
請求項１乃至４の何れか１項に記載の熱間鍛造方法により製造されたことを特徴とする表面強化熱間鍛造部品。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱間鍛造方法に係り、より詳しくは熱間鍛造と同時に表面を強化する表面強化熱間鍛造方法とこの熱間鍛造により製造された表面強化熱間鍛造部品に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、製造コストの低減を目的に、熱間鍛造のままでも高強度、高靭性を有する、いわゆる非調質鍛造部品の開発が進められている。例えば、特許文献１には、Ｓｉを多め（１〜３重量％）に添加し、鍛造後に急冷してマルテンサイト組織とすることが、特許文献２には、Ｂを添加すると共に、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ等で決まる炭素当量（Ｃｅｑ）を適当に設定して、ベイナイト組織とすることが記載されている。
【０００３】
ところで、部品によっては、耐摩耗性重視で表層部のみを高硬度にすればよいものもあり、このような部品を得るには、従来一般には、熱間鍛造後に耐摩耗性向上を狙った表面処理を行うようにしていた。この場合、表面処理方法としては、表面焼入処理、浸炭処理、窒化処理、被覆処理等、種々の方法があるが、優れた耐摩耗性を確保するには、ＰＶＤ法やＣＶＤ法により窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などの硬質セラミックス皮膜を形成する被覆処理が最も適している（例えば、特許文献３、特許文献４等参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平５−４３９７９号公報
【特許文献２】
特開平５−２７９７８８号公報
【特許文献３】
特開平８−２９６０３４号公報
【特許文献４】
特開２０００−２０５８０２号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記したように非調質を前提とする強化策によれば、合金元素の添加量を増加させたり、添加する合金元素の数を増加させる必要があるため、鍛造素材の熱間加工性が悪化する。この熱間加工性の低下は、強度アップのための型製作費の上昇、必要鍛造圧の増圧によるエネルギー費の増大、型寿命の低下による型修理費の増大等を招き、結果として製造コストを上昇させる大きな要因になる。
また、上記硬質セラミックス皮膜を形成する被覆処理によれば、真空プロセスであるＰＶＤ法やＣＶＤ法を利用しなければならないため、処理に多大のコストがかかり、量産できないこともあって、その適用範囲は限られたものとなる。
【０００６】
本発明は、上記した従来の問題点に鑑みてなされたもので、その課題とするところは、熱間加工性を犠牲にすることなく、しかも特別の表面処理を行うことなく、耐摩耗性に優れた熱間鍛造部品を得ることができるようにし、もって生産性の向上並びに生産コストの低減に大きく寄与する表面強化熱間鍛造方法を提供し、併せて耐摩耗性と靭性とに優れた表面強化熱間鍛造部品を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、表面強化熱間鍛造方法としての第１の発明は、非アルミニウム系材料の熱間鍛造方法であって、鍛造素材の表面と鍛造型の成形面との何れか一方に、アルミニウム粉末を含むスラリーを、何れか他方に窒化物粉末を含むスラリーをそれぞれ塗布した後、型打ちを行い、鍛造品の表層部にＡｌＮ層を生成させることを特徴とする。
この第１の発明においては、予め鍛造温度まで加熱された鍛造素材並びに予熱された鍛造型の熱により、これらに塗布されたスラリー中の水分が急速に蒸発し、アルミニウム粒子および窒化物粒子が、鍛造素材の表面または鍛造型の成形面に析出する。したがって、その後、型打ちすると、アルミニウム粒子と窒化物粒子とが高温および高圧下で接触して急速に化学反応を起こし、これにより鍛造部品の表層部には硬質のＡｌＮ層が生成される。
また、表面強化熱間鍛造方法としての第２の発明は、アルミニウム系材料の熱間鍛造方法であって、鍛造型の成形面に、窒化物粉末を含むスラリーを塗布した後、型打ちを行い、鍛造品の表層部にＡｌＮ層を生成させることを特徴とする。
この第２の発明においては、予熱された鍛造型の熱により、これに塗布されたスラリー中の水分が急速に蒸発し、窒化物粒子が鍛造型の成形面に析出する。したがって、その後、型打ちすると、鍛造温度に加熱された鍛造素材であるアルミニウムと前記鍛造型の成形面に析出した窒化物粒子とが高温および高圧下で接触して急速に化学反応を起こし、これにより鍛造部品の表層部には硬質のＡｌＮ層が生成される。
本第１および第２の発明において、上記窒化物は、アルミニウムと反応してＡｌＮを生成するものあれば、特にその種類を問わない。このような窒化物としては、窒化ボロン（ＢＮ）、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）等がある。
上記方法により製造された熱間鍛造部品は、表層部に硬質のＡｌＮ層が生成される一方で、内部は未硬化のままで残るので、耐摩耗性および靭性に優れたものとなる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る表面強化熱間鍛造方法の一つの実施の形態を示したものである。同図中、１は鍛造素材、２は鍛造型である。鍛造型２は、下型３とこの下型３に対向配置された上型４とからなっており、上型４は、駆動手段により下型３に対して接近離間するようになっている。下型３および上型４の対向面には、インプレッション（型彫り部）５、６が設けられており、鍛造に際しては、これらインプレッション５、６の間で鍛造素材１が押し潰され、所定形状の鍛造部品１０（図２）が得られるようになる。
【０００９】
本実施の形態は、鉄系材料の熱間鍛造を行うもので、鍛造に際しては、鍛造素材１が加熱炉内で所定の鍛造温度に加熱され、一方、鍛造型２を構成する下型３および上型４が適当な外熱手段（ガスバーナ等）を用いて所定温度に予熱される。鍛造素材１の加熱温度は、鋼種に応じて適宜温度が選択され、例えば、炭素鋼乃至低合金鋼の場合は１０５０〜１１５０℃程度となる。また、鍛造型２の予熱温度としては、一般的な予熱温度より高めの４５０〜５５０℃程度を選択するのが望ましい。
【００１０】
しかして、本実施の形態においては、アルミニウム粉末を含むスラリーＳ１とＢＮ、Ｓｉ３Ｎ４等の窒化物を含むスラリーＳ２とを別途用意する。そして、鍛造に際しては、アルミニウム粉末を含むスラリーＳ１を、予熱を終えた下型３のインプレッション５内の成形面と上型４のインプレッション６内の成形面とに塗布すると共に、窒化物を含むスラリーＳ２を、加熱を終えた鍛造素材１の表面に塗布する。なお、これらスラリーＳ１、Ｓ２の塗布方法は任意であり、スプレー方式で塗布しても、はけ塗り方式で塗布してもよい。このようにスラリーＳ１、Ｓ２を塗布すると、鍛造型２（下型３、上型４）の熱および鍛造素材１の熱で、スラリーＳ１、Ｓ２中の水分が急速に蒸発し、下型３、上型４のインプレッション５、６内の成形面にはアルミニウム粒子が、鍛造素材１の表面には窒化物粒子がそれぞれ析出する。
【００１１】
上記スラリーＳ１、Ｓ２の塗布が終了したら、鍛造素材１を下型３のインプレッション５上に載置し、続いて上型４を下降させて型打ちを行う。すると、インプレッション５、６の間で鍛造素材１が押し潰され、これと同時に、下型３、上型４のインプレッション５、６内の成形面に析出している高温のアルミニウム粒子と鍛造素材１の表面に析出している高温の窒化物粒子とが相互に高圧力で接触する。この結果、窒化物としてＢＮを選択した場合は下記（１）式の化学反応が、窒化物としてＳｉ３Ｎ４を選択した場合は下記（２）式の反応がそれぞれ急速に起こる。
２ＢＮ＋３Ａｌ→２ＡｌＮ＋ＡｌＢ２      （１）
Ｓｉ３Ｎ４＋Ａｌ→ＡｌＮ＋３ＳｉＮ            （２）
【００１２】
すなわち、鍛造素材１と鍛造型２との界面でＡｌＮの生成反応が急速に起こり、この結果、図２に示すように、鍛造成形後の鍛造部品１０の表層部には、硬質のＡｌＮ層１１が適当厚さ（数十μｍ）に形成される。したがって、このようにして得られた鍛造部品１０は、特別の表面処理（被覆処理）を行わなくても耐摩耗性に著しく優れたものとなる。一方、このような鍛造部品１０は、内部の硬さが低いので、十分高い靭性を有し、結果として耐摩耗性および靭性共に優れた表面強化熱間鍛造部品が効率よく製造される。
【００１３】
なお、上記実施の形態においては、アルミニウム粉末を含むスラリーＳ１を鍛造型２に、窒化物を含むスラリーＳ２を鍛造素材１にそれぞれ塗布するようにしたが、この塗布の対象は逆、すなわち、アルミニウム粉末を含むスラリーＳ１を鍛造素材１に、窒化物を含むスラリーＳ２を鍛造型２にそれぞれ塗布するようにしてもよい。
また、これらスラリーＳ１、Ｓ２の塗布は、鍛造部品に対して表面硬化を必要する部分に対応して、鍛造素材１および鍛造型２の必要箇所に部分的に塗布してもよいことはもちろんである。この場合は、下型３だけへの塗布、または上型４だけへの塗布も含まれる。
さらに、上記実施の形態においては、鍛造素材１として鉄系材料を用いたが、この実施の形態で用いられる鍛造素材１は、アルミニウム系以外の材料すなわち非アルミニウム系材料であれば任意であり、鉄系材料以外にもチタン系材料、銅系材料等を選択することができる。
【００１４】
ここで、アルミニウム系材料の熱間鍛造を行う場合は、ＢＮ、Ｓｉ３Ｎ４等の窒化物を含むスラリーＳ２のみを下型３のインプレッション５内の成形面と上型４のインプレッション６内の成形面とに塗布すればよい。この場合は、型打ちと同時に、下型３、上型４のインプレッション５、６内の成形面に析出している高温の窒化物粒子と鍛造素材１のアルミニウムとの間で、上記した（１）式または（２）式の反応が起こり、上記同様に鍛造成形後の鍛造部品の表層部には、硬質のＡｌＮ層１１（図２）が適当厚さに形成される。この場合は、鍛造素材にスラリーを塗布する必要がないので、非アルミニウム系材料に比べて鍛造作業性は向上する。
【００１５】
【実施例】
実施例１
アルミニウム粉末を９０重量％含むスラリーとＢＮ粉末を１０重量％含むスラリーとを用意し、Ｓ３５Ｃ炭素鋼からなる直径８５ｍｍの棒材を鍛造素材として用い、上記実施の形態と同様（図１）、アルミニウム粉末を含むスラリーは、５００℃に予熱を終えた下型３および上型４のインプレッション５、６内の成形面とに塗布し、窒化物を含むスラリーは、１１００℃に加熱を終えた鍛造素材の表面に塗布し、その後、断面縮小率４０％となるように熱間鍛造を行った。そして、熱間鍛造後、得られた鍛造部品から試験片を採取し、その表面硬さをマイクロビッカース硬度計で測定した。
図３は、鍛造部品の表面硬さの測定結果を鍛造素材の表面硬さと対比して示したものである。これより、本発明の方法により得られた鍛造部品の表面硬さは、ＨＶ１０００程度となっており、鍛造素材の硬さＨＶ２００〜２４０と比べて著しく硬化していることが明らかである。
【００１６】
実施例２
ＢＮ粉末を１０重量％含むスラリーを用意し、６０６１アルミニウム合金からなる直径８５ｍｍの棒材を鍛造素材として用い、４５０℃に予熱を終えた下型３および上型４のインプレッション５、６内の成形面に前記スラリーを塗布し、５００℃に加熱された鍛造素材を断面縮小率４０％となるように熱間鍛造を行った。そして、熱間鍛造後、得られた鍛造部品から試験片を採取し、その表面硬さをマイクロビッカース硬度計で測定した。
図４は、鍛造部品の表面硬さの測定結果を鍛造素材の表面硬さと対比して示したものである。これより、本発明の方法により得られた鍛造部品の表面硬さは、ＨＶ１０００近い値となっており、鍛造素材の硬さＨＶ１００〜１２０と比べて著しく硬化していること明らかである。
【００１７】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明に係る表面強化熱間鍛造方法によれば、窒化物粉末を含むスラリーを鍛造素材または鍛造型に塗布し、さらに必要によりアルミニウム粉末を含むスラリーを鍛造素材または鍛造型に塗布するという簡単な処理で、鍛造部品の表層部に硬質のＡｌＮ層を生成させることができ、鍛造素材の高級化（高合金化）や特別の表面処理が不要になって、耐摩耗性および靭性に優れた熱間鍛造部品を高能率にかつ低コストで得ることができるようになり、その適用範囲は著しく拡大する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る表面強化熱間鍛造方法の一つの実施の形態を示す模式図である。
【図２】本熱間鍛造方法で得られた表面強化熱間鍛造部品の状態を示す模式図である。
【図３】鉄系材料を対象に本発明の方法を実施して得られた鍛造品の表面硬さの測定結果を鍛造素材の表面硬さと対比して示すグラフである。
【図４】アルミニウム系材料を対象に本発明の方法を実施して得られた鍛造品の表面硬さの測定結果を鍛造素材の表面硬さと対比して示すグラフである。
【符号の説明】
１    鍛造素材
２    鍛造型
３    下型
４    上型
５、６  インプレッション（成形面）
１０  鍛造部品
１１  ＡｌＮ層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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