(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温焼戻しを行う合金鋼において、前記高温焼戻し前に前記合金鋼表面にフラーレン類を塗布して前記高温焼戻しを行うことを特徴とする合金鋼。
【請求項２】
前記合金鋼が工具鋼であることを特徴とする請求項１に記載の合金鋼。
【請求項３】
高温焼戻しを行う合金鋼において、前記高温焼戻し前に前記合金鋼表面にフラーレン類を塗布して前記高温焼戻しを行うことを特徴とする合金鋼の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、合金鋼およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
工具用に使用される硬質な鋼は工具鋼と呼ばれ、ＪＩＳでは大別して炭素工具鋼、合金工具鋼、高速度工具鋼に分類される。また、合金工具鋼のなかでも鍛造型やダイカスト用型などの、高温で使用される熱間工具鋼や切削工具に使用される高速度工具鋼等は、高靭性、高硬度であることの他、熱によって軟化を起こさないことが求められる。これらの性能を付与するために、合金鋼には製造段階で熱処理が施される。熱処理は、焼なまし、焼入れ、焼戻しといった手順で行われるが、焼戻しとしては、２次硬化と呼ばれる硬化現象を用いて、一般的に５００〜６００℃で行われる高温焼戻しが行われる。２次硬化とは、合金中に含まれるＣｒ、Ｗ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｖ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉ等の合金元素が焼戻し中に炭化物を形成し、微細に鉄の粒界や粒内に析出するために硬度が上昇する現象である。
【０００３】
合金工具鋼は、その耐久性を向上させるために、さらに表面硬度を高めることも求められる。そのため現在、焼戻し後の合金鋼に、浸炭、窒化等の表面処理を施したり、ＰＶＤ法やＣＶＤ法によってコーティングしたりすることが行われており、例えば特許文献１には、特定の組成の工具鋼をＰＶＤ法またはＣＶＤ法によって表面改質することが開示されている。
【特許文献１】特開平０７−００９３５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、合金鋼表面の硬度を高める方法として、浸炭、窒化等の表面処理を施したり、特許文献１のようにＰＶＤ法やＣＶＤ法によってコーティングしたりする方法を用いると、作業が容易でないだけでなく、膜の剥離等の問題があった。
【０００５】
そこで、本発明は、簡易に、高い表面硬度を有する合金鋼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】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、焼戻し工程前にフラーレンによって表面処理することで合金鋼の表面硬度を高められることを見出した。
【０００７】
かくして本発明の第一の態様は、高温焼戻しを行う合金鋼において、前記高温焼戻し前に前記合金鋼表面にフラーレン類を塗布して前記高温焼戻しを行うことを特徴とする合金鋼を提供して前記課題を解決するものである。
【０００８】
この発明によれば、高い表面硬度を有する合金鋼とすることができる。
【０００９】
また、この態様において、前記合金鋼は工具鋼であることが好ましい。
【００１０】
この発明によれば、高い表面硬度を有する工具鋼とすることができる。  
【００１１】
本発明の第二の態様は、高温焼戻しを行う合金鋼において、前記高温焼戻し前に前記合金鋼表面にフラーレン類を塗布して前記高温焼戻しを行うことを特徴とする合金鋼の製造方法を提供して前記課題を解決するものである。
【００１２】
この発明によれば、高い表面硬度を有する合金鋼の簡易な製造方法とすることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、フラーレンが合金鋼中の合金元素と炭化物を形成し、微細に鉄の粒界や粒内に析出するため表面硬度を上昇させることができる。フラーレンを塗布するという簡易な作業のみで特別な熱処理を行わず、通常の高温焼戻しを行うだけで合金鋼の表面硬度を上昇させることができるため、従来行っていたような焼戻し後の高温においての浸炭や窒化、あるいはコーティング等の表面処理という作業を行う必要がなくなる。また、焼戻しを不活性雰囲気下において行うことにより、合金鋼と反応しなかったフラーレンが燃焼することなく、フラーレン同士で反応してアモルファスカーボン膜を形成する。この膜はＰＶＤ法、ＣＶＤ法といった高価な装置を使わずとも簡易にコーティングができるだけでなく、合金鋼表面との密着性もよいため、表面保護膜として作用する。
【００１４】
本発明のこのような作用および利得は、次に説明する発明を実施するための最良の形態から明らかにされる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明において、母材としての合金鋼は、高温焼戻しにより２次硬化現象を起こすものであれば、特に限定されるものではない。その具体例としては、合金工具鋼の中の、熱間工具鋼、高速度工具鋼等を挙げることができる。合金鋼に添加され得る添加元素の具体例としては、２次硬化をおこすために必要な炭化物を形成しやすいＭｏ、Ｖ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉ等に加え、一般的な鋼への合金元素であるＣ、Ｎ、Ｐ、Ｓ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｎｂ、Ｃｏ、Ｚｒ、Ｈｆ等を挙げることができる。
【００１６】
本発明の合金鋼は、母材である合金鋼を焼なまし、焼入れを行った後、表面にフラーレンを塗布し、高温で焼戻すことにより得られる。焼なまし、焼入れは、一般的な合金工具鋼と同様の方法が用いられる。具体的には、焼なましは７００℃〜１０００℃、焼入れは７００℃〜１３００℃で行われる。
【００１７】
焼入れ後に合金鋼に塗布されるフラーレン類とは、炭素原子が中空状の閉殻構造をなす炭素クラスタであり、当該閉殻構造を形成する炭素数は、通常、６０〜１３０の偶数である。フラーレンの具体例としては、Ｃ６０、Ｃ７０、Ｃ７６、Ｃ７８、Ｃ８２、Ｃ８４、Ｃ９０、Ｃ９４、Ｃ９６の他、これらよりも多くの炭素を有する高次の炭素クラスタ等を挙げることができる。本発明では、これらの各フラーレン、および、上記フラーレンの混合品を適宜使用可能であり、その炭素数は特に限定されるものではないが、コスト、製造の容易性等の観点からは、フラーレンの混合品、またはＣ６０を用いることが好ましい。また、フラーレンに、置換基が付加したり、内部に金属や分子を包含したりしているような、フラーレン誘導体を用いることも可能である。以下の説明は便宜上、フラーレン類のうち、フラーレンを代表例として記載する。
【００１８】
本発明において、母材の合金鋼の表面にフラーレンを塗布する方法は特に限定されるものではなく、フラーレンと母材とを接触可能であれば、いかなる方法を用いてもよい。具体例としては、フラーレン粉体を母材表面に振りかける方法、フラーレン粉体中に母材を気密に埋める方法、圧縮成形したフラーレン成形体を母材表面に擦り付ける方法、水または有機溶媒に分散もしくは溶解させたフラーレンを母材表面に吹き付ける方法、刷毛等を用いて上記分散もしくは溶解させたフラーレンを母材表面に塗布する方法、および、真空蒸着によりフラーレン膜を母材表面に形成する方法、等を挙げることができる。
【００１９】
フラーレン塗布後に行われる焼戻しには、２次硬化を起こす高温焼戻しが用いられ、これは、４００℃以上８００℃以下、好ましくは５００℃以上７００℃以下の温度において行われる。一般的な炭素鋼や冷間用合金工具鋼に用いられている２００℃以下の低温焼戻しでは、フラーレンの反応は起こらず、２次硬化現象は起こらない。また、２００〜３００℃付近も低温焼戻脆性があるため使用しない。焼戻し時間は、合金鋼に求める硬度、靭性によって異なるが、一般的には肉厚２５ｍｍあたり６０分程度である。
【００２０】
こうして得られる合金鋼は、フラーレン塗布を行わない合金鋼と比較して、表面硬度が非常に高いものとなる。これは、焼入れ後の合金鋼最表面にフラーレンを塗布してから焼戻しを行うことで、反応性が高いフラーレンが、焼戻しによって、焼入れ後の合金鋼に存在するマルテンサイト組織と残留オーステナイトのうちの、残留オーステナイトへ固溶するか、Ｍｏ、Ｖ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉ等の合金元素と反応して炭化物を形成することによるものである。このフラーレンの反応の結果、合金鋼の最表面のみ高硬度にすることができる。このため本発明の合金鋼は、表面硬度が求められる合金工具鋼として特に有用である。
【００２１】
また、焼戻し工程を不活性雰囲気下において行う場合には、合金鋼表面と反応しなかったフラーレンは、燃焼することなしにフラーレン同士で反応してアモルファスカーボン膜を形成する。この膜は金属材料表面との密着性がよく、合金鋼の優れた表面保護膜として作用する。
【実施例】
【００２２】
以下、本発明を実施例により具体的に説明する。なお、本発明はその要旨を超えない限り、以下に示す実施例の形態に限定されるものではない。
【００２３】
１．試料の準備 
フラーレン混合品（ナノムミックス（登録商標）、フロンティアカーボン社製、Ｃ６０が６１質量％、Ｃ７０が２５質量％、それ以外の分子量が高いフラーレンが１４質量％）を、５ｍｍ×５ｍｍ×３０ｍｍの大きさに圧縮成形することにより、フラーレン成形体を得た。一方、合金鋼としては、熱間合金工具鋼  ＳＫＤ６１を、１０ｍｍ×１０ｍｍ×２ｍｍの大きさに切り出し、８５０℃において焼なましを行い、１０２０℃において焼入れを行ったものを用いた。
【００２４】
２．試料の作製
（実施例１）
合金鋼表面にフラーレン成形体を擦り付け、茶色のフラーレン膜を形成させることにより、鉄片表面にフラーレンを付着させた。そして、この合金鋼を、アルゴン雰囲気中１８分間で５５０℃まで昇温して１０分間保持した後、加熱を止めた炉内で１時間冷却した。その後、この合金鋼を炉外に取り出し、表面をアルコールで洗浄することにより、試料を作製した。
【００２５】
（比較例１）
フラーレンを擦り付けることを行わない以外は、実施例１の工程と同様の過程を経ることにより、試料を作製した。
【００２６】
（比較例２）
フラーレン成形体を擦り付ける代わりに、黒鉛粉末に合金鋼を擦り付けることによって合金鋼上に黒鉛を付着させ、以後は実施例１の工程と同様の過程を経ることにより、試料を作製した。
【００２７】
（実施例２）
鉄製の容器にフラーレン混合品の粉体を入れ、そのフラーレン中に合金鋼を気密に埋め、その容器ごと、炉内でアルゴン雰囲気中１８０分間で５５０℃まで昇温して３０分間に亘って保持した後、加熱を止めた炉内で１時間に亘って冷却した。その後、この合金鋼を炉外へと取り出し、表面をアルコールで洗浄することにより、試料を作製した。
【００２８】
（実施例３）
５５０℃での保持時間を６０分間とすること以外は、実施例２と同様の方法で試料を作製した。
【００２９】
（比較例３）
フラーレン混合品の粉体が入っていない鉄製の容器を用いる以外は、実施例２と同様の方法で試料を作製した。
【００３０】
（比較例４）
フラーレン混合品の粉体が入っていない鉄製の容器を用いる以外は、実施例３と同様の方法で試料を作製した。
【００３１】
３．試料の評価
上記得られた実施例１、比較例１、２の試料について、ビッカース硬度計を用い、荷重１．９６１３３Ｎ（２００ｇｆ）における硬さＨＶを求めた。結果を表１に示す。
【００３２】
【表１】
0004799291.tif 000002
【００３３】
表１をみると、フラーレンが擦り付けられた実施例の試料は、フラーレンが擦り付けられていない試料である比較例１や２と比べて硬度が高いことが分かる。すなわち、高温焼戻し時に合金鋼の表面にフラーレンを塗布することにより、表面硬度が高められることが確認された。
【００３４】
上記得られた実施例２および３、並びに比較例３および４の資料について、ビッカース硬度計を用い、荷重１．９６１３３Ｎ（２００ｇｆ）における硬さＨＶを求めた。結果を表２に示す。
【００３５】
【表２】
0004799291.tif 000003
【００３６】
表２をみると、フラーレン混合品の粉体を入れ、そのフラーレン中に合金鋼を気密に埋めて作製された実施例２および３の試料は、フラーレン混合品の粉体を入れないで作製された試料である比較例３または４と比べて、硬度が高いことが分かる。すなわち、高温焼戻し時に合金鋼の表面にフラーレンを塗布することにより、表面硬度が高められることが確認された。
【００３７】
以上、現時点において、最も実践的であり、かつ、好ましいと思われる実施形態に関連して本発明を説明したが、本発明は、本願明細書中に開示された実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲および明細書全体から読み取れる発明の要旨あるいは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う合金鋼およびその製造方法もまた本発明の技術的範囲に包含されるものとして理解されなければならない。