(57)【要約】【課題】Ｆｅ基合金の硬度を向上させる。【解決手段】ＳＫＨ５１（Ｆｅ基合金）からなる予備成形体３２の表面に、ＳＫＨ５１の硬度を向上させる金属の粉末を塗布する。この塗布は、例えば、粉末を有機溶媒に分散させて調製された塗布剤を塗布することによって行われる。塗布剤には、還元剤を混合するようにしてもよい。塗布後、予備成形体３２を熱処理すれば、前記金属の炭化物が母材中に拡散することによって形成された拡散層２０を有する有層Ｆｅ基合金が得られる。その後、仕上げ加工を行うことにより、所定の形状の鍛造加工用パンチ１０が作製されるに至る。【選択図】図２
2005220367.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｆｅ基合金からなる母材と、前記母材中を炭化物が拡散することによって形成され且つ前記母材に比して高硬度な拡散層とを有し、
当該有層Ｆｅ基合金の表面を基点として測定した前記拡散層の厚みが０．５ｍｍ以上であることを特徴とする有層Ｆｅ基合金。
【請求項２】
請求項１記載の有層Ｆｅ基合金において、前記炭化物は、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｉ、Ｍｎの炭化物であることを特徴とする有層Ｆｅ基合金。
【請求項３】
請求項２記載の有層Ｆｅ基合金において、金属元素をＭで表すとき、前記炭化物の組成式は、Ｍ6Ｃ又はＭ23Ｃ6であることを特徴とする有層Ｆｅ基合金。
【請求項４】
請求項１又は２記載の有層Ｆｅ基合金において、前記炭化物は、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｉ、Ｍｎの少なくともいずれか１種と、Ｆｅとの固溶体が炭化物化したものであることを特徴とする有層Ｆｅ基合金。
【請求項５】
請求項４記載の有層Ｆｅ基合金において、金属元素をＭで表すとき、前記炭化物の組成式は、（Ｆｅ，Ｍ）6Ｃ又は（Ｆｅ，Ｍ）23Ｃ6であることを特徴とする有層Ｆｅ基合金。
【請求項６】
Ｆｅ基合金からなる母材と、前記母材中を炭化物が拡散することによって形成され且つ前記母材に比して高硬度な拡散層とを有し、当該有層Ｆｅ基合金の表面を基点として測定された前記拡散層の厚みが０．５ｍｍ以上である有層Ｆｅ基合金の製造方法であって、
Ｆｅ基合金の表面に硬度を上昇させる金属の粉末を塗布する工程と、
金属の粉末が塗布された前記Ｆｅ基合金を熱処理して、少なくとも該Ｆｅ基合金を構成する炭素と前記金属とを反応させて炭化物とするとともに、前記炭化物を前記Ｆｅ基合金中に拡散させる工程と、
を有することを特徴とする有層Ｆｅ基合金の製造方法。
【請求項７】
請求項６記載の製造方法において、前記金属として、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｉ、Ｍｎを使用することを特徴とする有層Ｆｅ基合金の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｆｅ基合金からなる母材の表面に、炭化物が拡散し且つ前記母材に比して高硬度である拡散層が設けられた有層Ｆｅ基合金及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｆｅ基合金である鋼材の耐摩耗性や耐食性、強度等の諸特性を向上させる目的で、物理的気相成長（ＰＶＤ）法や化学的気相成長（ＣＶＤ）法、メッキ、陽極酸化等によって、該鋼材の表面に皮膜が設けられることがある。しかしながら、この場合、皮膜の形成に長時間を要し、しかも、皮膜形成コストが大きいという不具合がある。
【０００３】
そこで、浸炭、浸硫、窒化、炭窒化等の様々な表面処理を施すことにより、皮膜を設けることなく鋼材の表面の諸特性を向上させることが広汎に実施されている（例えば、特許文献１、２参照）。また、特許文献３には、ショットピーニングやショットブラスト等の機械的処理を施して表面に１０ｋｇｆ／ｃｍ2（およそ０．１ＭＰａ）の圧縮応力を付与することにより、加工用刃具の耐摩耗性及び耐欠損性を向上させることが提案されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１２９２１６号公報
【特許文献２】特開２００３−２３９０３９号公報
【特許文献３】特開平５−１７１４４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１〜３に記載されたような従来技術で諸特性が向上するのは、金属材の表面に限られる。例えば、窒化や浸炭等では、元素が拡散するのは金属材の表面から僅かに数μｍ、最大でも２００μｍ程度であり、それより内部の諸特性を向上させることは困難である。このため、耐摩耗性や耐欠損性が著しく向上するとは言い難い側面がある。
【０００６】
しかも、従来技術に係る処理方法では、形成された窒化層等と母材である金属材との間に界面が存在する。このため、界面に応力集中が起こるような条件下では、界面から脆性破壊が起こることが懸念される。
【０００７】
本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、硬度及び強度が向上し、且つ応力集中が起こり難いので脆性破壊が生じ難い有層Ｆｅ基合金及びそ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】
【０００８】
前記の目的を達成するために、本発明は、Ｆｅ基合金からなる母材と、前記母材中を炭化物が拡散することによって形成され且つ前記母材に比して高硬度な拡散層とを有し、
当該有層Ｆｅ基合金の表面を基点として測定した前記拡散層の厚みが０．５ｍｍ以上であることを特徴とする。
【０００９】
本発明に係る有層Ｆｅ基合金においては、母材であるＦｅ基合金の内部深くまで炭化物が拡散しているので、内部まで優れた硬度及び強度を示す。しかも、この有層Ｆｅ基合金には、拡散した炭化物と母材との間に界面が存在しない。このため、応力集中が起こり難いので、脆性破壊が生じ難くなる。
【００１０】
金属の炭化物としては、Ｆｅ基合金の硬度を向上させる物質であれば特に限定されるものではないが、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｉ、Ｍｎの炭化物を好適な例として挙げることができる。
【００１１】
この場合、金属元素をＭで表すとき、炭化物の組成式がＭ6Ｃ又はＭ23Ｃ6であることが好ましい。組成式がこのように表される炭化物は、Ｆｅ基合金の硬度を向上させる効果に特に優れるからである。
【００１２】
炭化物は、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｉ、Ｍｎの少なくともいずれか１種と、Ｆｅとの固溶体が炭化物化したものであってもよい。この場合、上記したような金属炭化物の相対量が低減するので、金属炭化物が過度に生成して脆性が上昇することを抑制することができる。
【００１３】
好ましい固溶体の炭化物は、金属元素をＭで表すとき、その組成式が（Ｆｅ，Ｍ）6Ｃ又は（Ｆｅ，Ｍ）23Ｃ6で表されるものである。
【００１４】
また、本発明は、Ｆｅ基合金からなる母材と、前記母材中を炭化物が拡散することによって形成され且つ前記母材に比して高硬度な拡散層とを有し、当該有層Ｆｅ基合金の表面を基点として測定された前記拡散層の厚みが０．５ｍｍ以上である有層Ｆｅ基合金の製造方法であって、
Ｆｅ基合金の表面に硬度を上昇させる金属の粉末を塗布する工程と、
金属の粉末が塗布された前記Ｆｅ基合金を熱処理して、少なくとも該Ｆｅ基合金を構成する炭素と前記金属とを反応させて炭化物とするとともに、前記炭化物を前記Ｆｅ基合金中に拡散させる工程と、
を有することを特徴とする。
【００１５】
このような工程を経ることにより、厚みの大きい拡散層を形成することができるとともに、拡散層と母材との間に界面が存在しない有層Ｆｅ基合金を製造することができる。得られた有層Ｆｅ基合金は、拡散層が存在するために硬度及び強度に優れる。
【００１６】
金属としては、Ｆｅ基合金の硬度を向上させることができるということから、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｉ、Ｍｎを使用することが好ましい。
【００１７】
また、窒素雰囲気下で前記熱処理を行い、炭化物を窒化して炭窒化物とするようにしてもよい。この場合においても、Ｆｅ基合金の硬度を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、拡散層の厚みが大きいので、Ｆｅ基合金の硬度や強度を内部まで向上させることができる。すなわち、硬度に優れた有層Ｆｅ基合金を構成することができるという効果が達成される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明に係る有層Ｆｅ基合金及びその製造方法につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００２０】
本実施の形態に係る有層Ｆｅ基合金からなる鍛造加工用パンチの概略全体斜視図を図１に示す。この鍛造加工用パンチ１０は、ＳＫＨ５１を原材料（母材）として作製されたものであり、大径部１２と、該大径部１２に連接されてテーパ状に縮径した縮径部１４と、小径部１６と、該小径部１６の一端部から突出形成されて湾曲した湾曲突出部１８とを有する。このうちの湾曲突出部１８と、小径部１６の先端部とが、図示しないダイのキャビティ内に収容されたワークを押圧して、該ワークを所定の形状に成形させる。すなわち、小径部１６の先端部と湾曲突出部１８は、ワーク押圧部位である。
【００２１】
ここで、ワーク押圧部位の断面を拡大して図２に示す。該図２から諒解されるように、ワーク押圧部位の表層部には、母材であるＳＫＨ５１中を金属の炭化物が拡散してなる拡散層２０が存在している。
【００２２】
炭化物を形成する金属元素としては、ＳＫＨ５１の硬度を向上させるものであれば特に限定されないが、好適な例としては、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｉ、Ｍｎを挙げることができる。このような金属元素の炭化物が拡散することによって形成された拡散層２０は、高硬度及び高強度を示す。このため、鍛造加工用パンチ１０において、拡散層２０が存在するワーク押圧部位では、拡散層２０が存在しない大径部１２や縮径部１４等に比して、硬度及び強度が高くなる。換言すれば、拡散層２０が設けられたワーク押圧部位は、他の部位に比して高硬度及び高強度となる。
【００２３】
炭化物は、金属元素をＭで表すとき、組成式がＭ7Ｃ3で表される炭化物であってもよいが、Ｃｒ6Ｃ、Ｗ6Ｃ、Ｍｏ6Ｃ等のようにＭ6Ｃで表される炭化物や、Ｍ23Ｃ6で表される炭化物である方が好ましい。この場合、硬度及び強度を向上させる効果に最も優れているからである。
【００２４】
なお、Ｍ6ＣやＭ23Ｃ6が過度に存在すると、鍛造加工用パンチ１０が脆性を示すようになる。そこで、Ｆｅと上記金属元素の固溶体の炭化物を生成することが好ましい。すなわち、炭化物は、（Ｆｅ，Ｍ）6Ｃや、（Ｆｅ，Ｍ）23Ｃ6等で表されるものであってもよい。このような炭化物を生成させた場合、Ｍ6ＣやＭ23Ｃ6の相対量が低減するので、鍛造加工用パンチ１０が脆性を示すことを確実に回避することができるようになる。
【００２５】
ここで、拡散層２０の厚み、換言すれば、炭化物の拡散距離は、該鍛造加工用パンチ１０の表面からの深さが少なくとも０．５ｍｍ（５００μｍ）に達しており、通常は３〜７ｍｍ（３０００〜７０００μｍ）、最大では１５ｍｍ（１５０００μｍ）に達することがある。この値は、窒化や浸炭等における元素の拡散距離が数十μｍ、大きくても２００μｍ程度であるのに対し、著しく大きい。すなわち、本実施の形態においては、炭化物を、従来技術に係る表面処理方法によって導入された元素に比して著しく深い部位にまで拡散させることができる。
【００２６】
このような拡散層２０が設けられたワーク押圧部位では、炭化物が拡散した深さまで母材の硬度が向上する。すなわち、鍛造加工用パンチ１０の内部まで硬度及び強度が上昇し、その結果、内部の耐摩耗性が向上するとともに、変形し難くなる。
【００２７】
なお、後述するように、拡散層２０は、母材の表面から拡散された金属元素が炭化物を生成することによって形成される。このため、炭化物の濃度は、表面で最も高く、母材の内部に指向するにつれて漸次的に減少する。
【００２８】
また、炭化物の濃度がこのように漸次的に減少するため、拡散層２０と母材との間に明確な界面は存在しない。このため、応力集中が起こることを回避することができるので、金属元素を拡散させることに伴って脆性が増すことを回避することができる。なお、図２においては、拡散層２０が存在することを明確にするため、拡散層２０と母材との間に便宜的に境界線を付している。
【００２９】
このように構成された鍛造加工用パンチ１０は、例えば、ワークに対して温間鍛造加工が施される際に使用され、この際には、該鍛造加工用パンチ１０のワーク押圧部位がワークを押圧する。上記したように、該ワーク押圧部位は、拡散層２０が存在するために高硬度及び高強度であり、且つ靱性が確保されている。従って、該ワーク押圧部位は、鍛造加工を繰り返し行っても摩耗し難く、しかも、欠損が生じ難い。すなわち、長寿命を確保することができる。
【００３０】
炭化物は、炭窒化物であってもよい。
【００３１】
この鍛造加工用パンチ１０は、以下のようにして製造することができる。
【００３２】
先ず、図３（ａ）に示すＳＫＨ５１からなる円筒体形状のワークＷに対して、図３（ｂ）に示すように、バイト３０による切削加工を施し、鍛造加工用パンチ１０の形状に対応する形状の予備成形体３２とする。
【００３３】
次に、この予備成形体３２の表面に、図３（ｃ）に示すように、拡散させる金属の粉末をワーク押圧部位の表面に塗布する。例えば、Ｗを拡散させるのであればＷ粉末が配合された粉末、Ｃｒを拡散させるのであればＣｒ粉末が配合された粉末を塗布すればよい。なお、粉末の塗布分量は、例えば、Ｗ6ＣやＣｒ6Ｃ等が生成する量とすればよい。
【００３４】
粉末の塗布は、該粉末を溶媒に分散させて調製した塗布剤３４を塗布することによって行う。溶媒としては、アセトンやアルコール等、容易に蒸発する有機溶媒を選定することが好ましい。そして、この溶媒に、Ｗ、Ｃｒ等の粉末を分散させる。
【００３５】
ここで、母材であるＳＫＨ５１の表面には、通常、酸化物膜が形成されている。この状態でＷやＣｒ等を拡散させるには、ＷやＣｒ等が酸化物膜を通過できるように、多大な熱エネルギを供給しなければならない。これを回避するために、塗布剤３４に、酸化物膜を還元することが可能な還元剤を混合することが好ましい。
【００３６】
具体的には、酸化物膜に対して還元剤として作用し、且つＳＫＨ５１とは反応しない物質を溶媒に分散ないし溶解させる。還元剤の好適な例としては、ニトロセルロース、ポリビニル、アクリル、メラミン、スチレンの各樹脂を挙げることができるが、特にこれらに限定されるものではない。なお、還元剤の濃度は、５％程度とすればよい。
【００３７】
以上の物質が溶解ないし分散された塗布剤３４は、図３（ｃ）に示すように、刷毛３６を使用する刷毛塗り法によってワーク押圧部位の表面に塗布される。勿論、刷毛塗り法以外の公知の塗布技術を採用するようにしてもよい。
【００３８】
次いで、ワーク押圧部位の表面に塗布剤３４が塗布された予備成形体３２に対して熱処理を施す。この熱処理は、図３（ｄ）に示すように、バーナー火炎３８を予備成形体３２の一端面側から当てることによって施すことができる。勿論、熱処理炉内において不活性雰囲気中で熱処理するようにしてもよい。
【００３９】
この昇温の過程では、２５０℃程度で還元剤が分解し始め、炭素や水素が生成する。予備成形体３２の酸化物膜は、この炭素や水素の作用下に還元されて消失する。このため、ＷやＣｒ等が酸化物膜を通過する必要がなくなるので、拡散に要する時間を短縮することができるとともに、熱エネルギを低減することができる。
【００４０】
さらに昇温を続行すると、母材であるＳＫＨ５１の構成元素であるＣ、Ｆｅや、還元剤が分解することによって生成したＣと、ＷやＣｒ等とが反応して、Ｗ6ＣやＣｒ6Ｃ、Ｗ23Ｃ6、Ｃｒ23Ｃ6等が生成する。Ｆｅが関与した場合には、（Ｆｅ，Ｗ）6Ｃ、（Ｆｅ，Ｃｒ）6Ｃ、（Ｆｅ，Ｗ）23Ｃ6、（Ｆｅ，Ｃｒ）23Ｃ6等も生成する。
【００４１】
生成したＷ6ＣやＣｒ6Ｃ、（Ｆｅ，Ｗ）6Ｃ、（Ｆｅ，Ｃｒ）6Ｃ等の炭化物は即座に分解し、Ｆｅ、Ｗ、Ｃｒに戻る。このうち、Ｗ、Ｃｒは、次に、母材のより内部側に存在する該母材の構成元素であるＣ、Ｆｅや、該母材のより内部側に遊離状態で存在するＣと結合して、新たにＷ6Ｃ、Ｃｒ6Ｃ、（Ｆｅ，Ｗ）6Ｃ、（Ｆｅ，Ｃｒ）6Ｃ等を生成する。このＷ6ＣやＣｒ6Ｃ、（Ｆｅ，Ｗ）6Ｃ、（Ｆｅ，Ｃｒ）6Ｃも即座に分解してＷ、Ｃｒに戻った後、母材の一層内部側に存在する該母材の構成元素であるＣ、Ｆｅや、該母材の一層内部側に遊離状態で存在するＣと結合して、再度Ｗ6Ｃ、Ｃｒ6Ｃ、（Ｆｅ，Ｗ）6Ｃ、（Ｆｅ，Ｃｒ）6Ｃ等を生成する。このようにして炭化物が分解、生成を繰り返すことにより、該炭化物が母材の内部深くまで拡散する。
【００４２】
このようして、母材の内部にＷ6ＣやＣｒ6Ｃ、（Ｆｅ，Ｗ）6Ｃ、（Ｆｅ，Ｃｒ）6Ｃを拡散させることができ、その結果、拡散層２０が形成される（図２参照）。なお、炭化物の濃度は漸次的に減少し、炭化物の拡散到達終端部と母材との間に明確な界面が生じることはない。従って、脆性破壊が生じることを回避することができるので、拡散層２０が形成されたワーク押圧部位の靱性を確保することもできる。拡散層２０の厚み、すなわち、炭化物の拡散距離は、最大で表面から１５ｍｍ程度の深さまで及ぶ。
【００４３】
最後に、図３（ｅ）に示すように、予備成形体３２に対してバイト３０で仕上げ加工を行い、鍛造加工用パンチ１０とする。
【００４４】
このようにして得られた鍛造加工用パンチ１０を長手方向に沿って切断し、切断面における表面側から内部に指向して測定したＣスケールのロックウェル硬度（ＨＲＣ）を、通常のＳＫＨ５１のＨＲＣとともに図４に示す。図４から、この場合、表面から２．５ｍｍの内部まで硬度が上昇していることが明らかである。
【００４５】
また、同様にして拡散層２０が形成されたＪＩＳ Ｚ ２２０１ ４号試験片のテストピースにおける強度は、拡散層２０が形成されていない同寸法のテストピースに比して強度が著しく向上する。具体的には、拡散層２０が形成されていないテストピースにおける引っ張り強度が約１８００ＭＰａであるのに対し、拡散層２０を有するテストピースにおける引っ張り強度は約２２００ＭＰａと、およそ１．２倍となる。
【００４６】
上記と同様にして、ＭｏやＶ、Ｎｉの炭化物を母材の内部に拡散させることもできる。
【００４７】
なお、上記した実施の形態においては、有層Ｆｅ基合金として鍛造加工用パンチ１０を例示して説明したが、特にこれに限定されるものではなく、その他の部材であってもよいことはいうまでもない。
【００４８】
また、炭化物は、組成式がＭ7Ｃ3で表されるものであってもよいし、これ以外の組成式で表されるものであってもよい。
【００４９】
さらに、上記の熱処理を、熱処理炉内において窒素雰囲気下で行うようにしてもよい。この場合、炭化物が窒化されて炭窒化物となる。この場合においても、上記と同様に高強度及び高硬度を示す有層Ｆｅ基合金が得られるに至る。
【実施例１】
【００５０】
高速度工具鋼であるＳＫＨ５１、ダイス鋼であるＳＫＤ１１を用い、底面の直径が８０ｍｍ、高さが８０ｍｍの円柱体を作製した。
【００５１】
その一方で、エポキシ樹脂１０％のアセトン溶液に、周期表ＩＩＩ族〜ＶＩＩＩ族に属する物質の粉末（粒径１０〜７０μｍ）を図５に示す割合で添加して、２種の塗布剤Ａ、Ｂを調製した。
【００５２】
その後、塗布剤ＡをＳＫＨ５１の前記円柱体の全表面に塗布するとともに、塗布剤ＢをＳＫＤ１１の前記円柱体の全表面に塗布した。なお、塗布は刷毛塗りによって行い、塗布剤Ａ、Ｂの厚みは、１ｍｍとした。
【００５３】
塗布剤を自然乾燥させた後、１０００〜１１８０℃で２時間保持することによって焼入処理を行い、次に、５００〜６００℃で２時間保持して焼戻処理を行った。
【００５４】
各円柱体を高さ方向に切断して、底面の中心から高さ方向に沿って０．５ｍｍ毎にＨＲＣを測定した。表面からの距離とＨＲＣとの関係を、未塗布のＳＫＨ５１、ＳＫＤ１１と併せ、グラフにして図６又は図７に示す。ＨＲＣの測定誤差を考慮すれば、これら図６又は図７から、各円柱体において、底面からおよそ６ｍｍの深さまで硬度が上昇していることが明らかである。
【００５５】
また、生成した炭化物を同定したところ、（Ｆｅ，Ｗ）6Ｃ、（Ｆｅ，Ｗ）23Ｃ6、（Ｆｅ，Ｃｒ）6Ｃ、（Ｆｅ，Ｃｒ）23Ｃ6であることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】有層Ｆｅ基合金である鍛造加工用パンチの概略全体斜視図である。
【図２】図１の鍛造加工用パンチの要部拡大縦断面図である。
【図３】図１の鍛造加工用パンチの製造過程を示すフロー説明図である。
【図４】得られた鍛造加工用パンチの切断面の表面から内部に指向して測定したＨＲＣを示すグラフである。
【図５】塗布剤の組成と割合を示す図表である。
【図６】ＳＫＨ５１製のテストピースにおける表面からの距離とＨＲＣとの関係を示すグラフである。
【図７】ＳＫＤ１１製のテストピースにおける表面からの距離とＨＲＣとの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５７】
１０…鍛造加工用パンチ                  １６…小径部
１８…湾曲突出部                        ２０…拡散層
３０…バイト                            ３２…予備成形体
３４…塗布剤                            ３６…刷毛
【図１】
2005220367.tif 000003
【図２】
2005220367.tif 000004
【図３】
2005220367.tif 000005
【図４】
2005220367.tif 000006
【図５】
2005220367.tif 000007
【図６】
2005220367.tif 000008
【図７】
2005220367.tif 000009