(57)【要約】【課題】潤滑油などの潤滑剤が無い条件下において高い耐摩耗性を発揮することができ、かつ歪みの少ない耐摩耗性鋼材を提供する。【解決手段】本発明の耐摩耗性鋼材は、鋼材からなる丸軸ＴＳを回転させ、工具４の先端を丸軸ＴＳの外周面に接触させ、工具４を回転させながら丸軸ＴＳと工具４とを丸軸ＴＳの軸方向に相対移動させ、丸軸ＴＳよりも硬い硬質粉末を丸軸ＴＳと工具４との接触部分に供給することにより、丸軸ＴＳの表面に硬質粉末の埋め込み処理をし、硬質粉末が埋め込まれた丸軸ＴＳに表面熱処理を施すことにより形成される組織であって、硬質粉末が丸軸ＴＳの構成成分と結合された組織を丸軸ＴＳの表面に有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼材からなる丸軸を回転させ、工具の先端を前記丸軸の外周面に接触させ、前記工具を回転させながら前記丸軸と工具とを丸軸の軸方向に相対移動させ、前記丸軸よりも硬い硬質粉末を前記丸軸と工具との接触部分に供給することにより、前記丸軸の表面に前記硬質粉末の埋め込み処理をし、前記硬質粉末が埋め込まれた前記丸軸に表面熱処理を施すことにより形成される組織であって、前記硬質粉末が前記丸軸の構成成分と結合された組織を前記丸軸の表面に有することを特徴とする耐摩耗性鋼材。
【請求項２】
前記表面熱処理は、浸炭焼入れ処理であることを特徴とする請求項１に記載の耐摩耗性鋼材。
【請求項３】
前記丸軸は、クロムモリブデン鋼または低炭素鋼からなることを特徴とする請求項１または２に記載の耐摩耗性鋼材。
【請求項４】
前記硬質粉末は、モリブデン粉末、クロム粉末、シリコン粉末、炭化タングステン粉末のいずれかからなることを特徴とする請求項３に記載の耐摩耗性鋼材。
【請求項５】
鋼材からなる丸軸を回転させ、工具の先端を前記丸軸の外周面に接触させ、前記工具を回転させながら前記丸軸と工具とを丸軸の軸方向に相対移動させ、前記丸軸よりも硬い硬質粉末を前記丸軸と工具との接触部分に供給することにより、前記丸軸の表面に前記硬質粉末の埋め込み処理をし、
前記硬質粉末が埋め込まれた前記丸軸に表面熱処理を施すことを特徴とする鋼材の表面改質方法。
【請求項６】
前記表面熱処理は、浸炭焼入れ処理であることを特徴とする請求項５に記載の鋼材の表面改質方法。
【請求項７】
前記丸軸は、クロムモリブデン鋼または低炭素鋼からなることを特徴とする請求項５または６に記載の鋼材の表面改質方法。
【請求項８】
前記硬質粉末は、モリブデン粉末、クロム粉末、シリコン粉末、炭化タングステン粉末のいずれかからなることを特徴とする請求項７に記載の鋼材の表面改質方法。
【請求項９】
前記表面熱処理の後に、前記丸軸を回転させ、仕上げ用工具の先端を前記丸軸の外周面に接触させ、前記仕上げ用工具を回転させながら前記丸軸と仕上げ用工具とを丸軸の軸方向に相対移動させ、仕上げ処理を行うことを特徴とする請求項５乃至８のいずれか一項に記載の鋼材の表面改質方法。
【請求項１０】
前記埋め込み処理の後で、かつ前記表面熱処理の前に、前記丸軸を回転させ、仕上げ用工具の先端を前記丸軸の外周面に接触させ、前記仕上げ用工具を回転させながら前記丸軸と仕上げ用工具とを丸軸の軸方向に相対移動させ、仕上げ処理を行うことを特徴とする請求項５乃至８のいずれか一項に記載の鋼材の表面改質方法。
【請求項１１】
前記丸軸は、潤滑剤の無い条件下で使用されることを特徴とする請求項５乃至１０のいずれか一項に記載の鋼材の表面改質方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、潤滑油などの潤滑剤が無い条件下において高い耐摩耗性を発揮することができ、かつ歪みの少ない耐摩耗性鋼材、および鋼材に表面改質を施すことにより耐摩耗性を付与することができる鋼材の表面改質方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、熱処理により鋼表面層のみを強化する方法の一つとして、浸炭処理等の表面熱処理が様々な機械のしゅう動部材に適用されている。表面熱処理は、比較的厚い硬化層が容易に得られ、耐摩耗性も無処理材に比べれば優れているものの、しゅう動条件・環境によっては十分な耐摩耗性を示さないこともある。特に、潤滑油が切れたあるいは潤滑油を適用できないしゅう動部に対しての耐摩耗性は十分ではなく、その改善は緊急の課題である。
【０００３】
このような状況を踏まえ、基材の表面に硬質薄膜を形成して耐摩耗性を高めることが一般的に行われている。基材の表面に硬質薄膜を形成する方法として、材料を摩擦発熱により加熱軟化させて基材の表面に薄膜を形成する方法（特許文献１）や、アーク式イオンプレーティング法により薄膜を形成する方法（特許文献２および３）が知られていた。
【０００４】
しかしながら、材料を高い摩擦熱によって加熱軟化させて薄膜を形成する方法では基材自体が熱の影響で変形する恐れがある等の問題点があった。また、アーク式イオンプレーティング法により薄膜を形成する方法では真空発生装置や複数の処理室を備えた大掛かりな装置が必要でコストが高くつく等の問題点があった。
【０００５】
そこで、本発明者らは、特許文献４において、丸軸を回転させ、外周面に螺旋溝を形成した工具の平坦な又は円錐状をした先端面を、前記丸軸の外周面に線又は点接触させ、該工具の回転に伴って、前記丸軸よりも硬い微細な硬質粉末を前記丸軸と工具との接触部分へ送り込むことにより、前記丸軸の表面に前記硬質粉末を埋め込むことを特徴とする丸軸表面の改質方法を提案した。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−１０２８０３号公報
【特許文献２】特開平７−１１８８３２号公報
【特許文献３】特開２００４−１３８１２８号公報
【特許文献４】特許第５２８９９９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明者らが特許文献４において提案した改質方法によれば、丸軸の表面に硬質粉末が埋め込まれて方向性のない硬質膜が島状に創成されるので、耐摩耗性が向上し、また、工具と丸軸とが丸軸の軸方向に相対的に移動しながら線接触又は点接触して回転するので、高い熱が発生せず、このため、丸軸の歪みや変形が抑制される等の効果が得られた。しかし、潤滑油などの潤滑剤が無く、摩擦係数が高いしゅう動条件下においては、耐摩耗性を発揮することができない問題があった。
【０００８】
最近では、潤滑ができない無潤滑条件下においても高い耐摩耗性を発揮する鋼材が求められている。耐摩耗性をさらに向上させる技術としては、鋼材の表面を焼成する方法がある。この方法によれば、硬質粉末が埋め込まれた鋼材の表面を焼成することにより、硬質粉末の鋼材への密着力が向上して、更なる耐摩耗性の向上が期待される。しかしながら、単に鋼材を焼成しただけでは、鋼材に歪みが生じてしまう。
【０００９】
本発明は、上述の事情に鑑みなされたもので、潤滑油などの潤滑剤が無い条件下において高い耐摩耗性を発揮することができ、かつ歪みの少ない耐摩耗性鋼材を提供することを目的とする。また、鋼材に表面改質を施すことにより、優れた耐摩耗性を持ち、かつ歪みの少ない耐摩耗性鋼材とすることができる鋼材の表面改質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】
【００１０】
上述の目的を達成するため、本発明の耐摩耗性鋼材は、鋼材からなる丸軸を回転させ、工具の先端を前記丸軸の外周面に接触させ、前記工具を回転させながら前記丸軸と工具とを丸軸の軸方向に相対移動させ、前記丸軸よりも硬い硬質粉末を前記丸軸と工具との接触部分に供給することにより、前記丸軸の表面に前記硬質粉末の埋め込み処理をし、前記硬質粉末が埋め込まれた前記丸軸に表面熱処理を施すことにより形成される組織であって、前記硬質粉末が前記丸軸の構成成分と結合された組織を前記丸軸の表面に有することを特徴とする。
【００１１】
本発明の好ましい態様によれば、前記表面熱処理は、浸炭焼入れ処理であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記丸軸は、クロムモリブデン鋼または低炭素鋼からなることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記硬質粉末は、モリブデン粉末、クロム粉末、シリコン粉末、炭化タングステン粉末のいずれかからなることを特徴とする。
【００１２】
上述の目的を達成するため、本発明の鋼材の表面改質方法は、鋼材からなる丸軸を回転させ、工具の先端を前記丸軸の外周面に接触させ、前記工具を回転させながら前記丸軸と工具とを丸軸の軸方向に相対移動させ、前記丸軸よりも硬い硬質粉末を前記丸軸と工具との接触部分に供給することにより、前記丸軸の表面に前記硬質粉末の埋め込み処理をし、前記硬質粉末が埋め込まれた前記丸軸に表面熱処理を施すことを特徴とする。
【００１３】
本発明の好ましい態様によれば、前記表面熱処理は、浸炭焼入れ処理であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記丸軸は、クロムモリブデン鋼または低炭素鋼からなることを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記硬質粉末は、モリブデン粉末、クロム粉末、シリコン粉末、炭化タングステン粉末のいずれかからなることを特徴とする。
【００１４】
本発明の好ましい態様によれば、前記表面熱処理の後に、前記丸軸を回転させ、仕上げ用工具の先端を前記丸軸の外周面に接触させ、前記仕上げ用工具を回転させながら前記丸軸と仕上げ用工具とを丸軸の軸方向に相対移動させ、仕上げ処理を行うことを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記埋め込み処理の後で、かつ前記表面熱処理の前に、前記丸軸を回転させ、仕上げ用工具の先端を前記丸軸の外周面に接触させ、前記仕上げ用工具を回転させながら前記丸軸と仕上げ用工具とを丸軸の軸方向に相対移動させ、仕上げ処理を行うことを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記丸軸は、潤滑剤の無い条件下で使用されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、硬質粉末を鋼材の表面に埋め込み、さらに、硬質粉末が埋め込まれた鋼材に表面熱処理を行うことにより、優れた耐摩耗性を持ち、かつ歪みの少ない耐摩耗性鋼材を得ることができる。この耐摩耗性鋼材は、潤滑油などの潤滑剤が無い条件下において高い耐摩耗性を発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る鋼材の表面改質方法における埋め込み処理工程を示す模式的断面図である。
【図２】図２は、埋め込み処理工程における試験片と工具との関係を示す模式的斜視図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態に係る浸炭焼入れ処理のフロー図である。
【図４Ａ】図４Ａは、仕上げ処理工程における試験片と円錐状工具との関係を示す正面図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、仕上げ処理工程における試験片と円錐状工具との関係を示す側面図である。
【図５】図５は、改質浸炭鋼の表面組織の光学顕微鏡観察写真である。
【図６】図６は、浸炭鋼と改質浸炭鋼のマイクロビッカース硬さの測定結果を示すグラフである。
【図７Ａ】Ｍｏ粉末の埋め込み処理の後で仕上げ処理を施したクロムモリブデン鋼の表面組織の低倍率の光学顕微鏡観察写真である。
【図７Ｂ】Ｍｏ粉末の埋め込み処理の後で仕上げ処理を施したクロムモリブデン鋼の表面組織の高倍率の光学顕微鏡観察写真である。
【図８Ａ】Ｍｏ粉末の埋め込み処理および表面熱処理を行った後で仕上げ処理を施したクロムモリブデン鋼の表面組織の低倍率の光学顕微鏡観察写真である。
【図８Ｂ】Ｍｏ粉末の埋め込み処理および表面熱処理を行った後で仕上げ処理を施したクロムモリブデン鋼の表面組織の高倍率の光学顕微鏡観察写真である。
【図９】図９は、往復動試験の形態を示す図である。
【図１０】図１０は、往復動試験およびフレッチング摩耗試験の条件を示す表である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、往復動試験によって生じた浸炭鋼の摩耗痕を示す図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、往復動試験によって生じた改質浸炭鋼の摩耗痕を示す図である。
【図１２Ａ】図１２Ａは、フレッチング摩耗試験によって生じた浸炭鋼の摩耗痕を示す図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、フレッチング摩耗試験によって生じた改質浸炭鋼の摩耗痕を示す図である。
【図１３】図１３は、往復動試験およびフレッチング摩耗試験における改質浸炭鋼および浸炭鋼の比摩耗量を示す表である。
【図１４】図１４は、図１３に示される比摩耗量を比較するための棒グラフである。
【図１５Ａ】図１５Ａは、Ｍｏ粉末の埋め込み処理のみを施したクロムモリブデン鋼に１往復動試験を実施した後の試験片の表面の光学顕微鏡観察写真である。
【図１５Ｂ】図１５Ｂは、Ｍｏ粉末の埋め込み処理のみを施したクロムモリブデン鋼に１往復動試験を実施した後の試験片の表面に粘着テープを貼り付けて剥がした後の表面の光学顕微鏡観察写真である。
【図１６Ａ】図１６Ａは、Ｍｏ粉末の埋め込み処理および表面熱処理を施したクロムモリブデン鋼に１往復動試験を実施した後の表面の光学顕微鏡観察写真である。
【図１６Ｂ】図１６Ｂは、Ｍｏ粉末の埋め込み処理および表面熱処理を施したクロムモリブデン鋼に１往復動試験を実施した後の試験片の表面に粘着テープを貼り付けて剥がした後の表面の光学顕微鏡観察写真である。
【図１７】図１７は、埋め込み処理が施されていないクロムモリブデン鋼の試験片に表面熱処理を施した場合と表面熱処理を施さなかった場合の比摩耗量、Ｍｏ粉末を埋め込んだクロムモリブデン鋼の試験片に表面熱処理を施した場合と表面熱処理を施さなかった場合の比摩耗量、およびＣｒ粉末を埋め込んだクロムモリブデン鋼の試験片に表面熱処理を施した場合と表面熱処理を施さなかった場合の比摩耗量を示す表である。
【図１８】図１８は、図１７に示される比摩耗量を比較するための棒グラフである。
【図１９】図１９は、Ｓｉ粉末を埋め込んだクロムモリブデン鋼の試験片に表面熱処理を施した場合の比摩耗量と、ＷＣ粉末を埋め込んだクロムモリブデン鋼の試験片に表面熱処理を施した場合の比摩耗量を示す表である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明に係る鋼材の表面改質方法の実施形態を図１乃至図１９を参照して説明する。図１乃至図１９において、同一または相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００１８】
図１は、本発明の一実施形態に係る鋼材の表面改質方法における埋め込み処理工程を示す模式的断面図である。図１に示すように、埋め込み処理工程を実施する装置は、下端が開口した筒状部１と、筒状部１の上端部に接続されている漏斗状部２とを備えている。試験片（ｔｅｓｔ  ｓｐｅｃｉｍｅｎ）ＴＳは、筒状部１の下端開口部に設置されている。本実施形態では、試験片ＴＳとして、クロムモリブデン鋼（ＳＣＭ４２０）の丸棒（丸軸）を用いている。筒状部１内には工具挿入孔３が形成されており、工具挿入孔３に円柱状の工具４が挿入されている。工具挿入孔３の内径は工具４の外径よりやや大きく設定されている。漏斗状部２には、ホッパー（図示せず）等から硬質粉末としてのＭｏ粉末（モリブデン粉末）が連続的に供給されるようになっている。本実施形態では、Ｍｏ粉末として、＃３００メッシュのものを用い、またＭｏ粉末の流動性を高めるために平均粒径５０μｍのハイス球状粒子（高速度鋼（ＨＳＳ）粒子）をかさ比で１：９の割合（Ｍｏ粉末１に対してハイス粒子９の割合）で混合している。
【００１９】
本実施形態では、試験片（丸軸）ＴＳを構成する鋼材はクロムモリブデン鋼（ＳＣＭ材）であるが、炭素含有率（質量パーセント濃度）が０．３％以下である鋼材を使用してもよい。したがって、炭素含有率が０．２５％以下である低炭素鋼を鋼材として用いることができる。このような低炭素鋼として、例えば、Ｓ２０ＣおよびＳ２５Ｃなどが挙げられる。
【００２０】
試験片ＴＳの外周面に埋め込まれる硬質粉末は、試験片（丸軸）ＴＳよりも硬い粉末である。このような硬質粉末として、Ｍｏ粉末以外に、シリコン（Ｓｉ）、炭化タングステン（ＷＣ）、クロム（Ｃｒ）などの溶射に使用される材料（溶射材）からなる粉末を用いてもよい。硬質粉末として、トライボロジー特性（特に、摩擦・摩耗特性）が優れた材料が選択されるのが好ましい。また、後述する表面熱処理を施すことにより、試験片ＴＳの構成成分と良好に結合する材料が選択されるのが好ましい。例えば、クロムモリブデン鋼には、鋼材中に既にＣｒとＭｏが含まれているので、Ｃｒ粉末とＭｏ粉末はクロムモリブデン鋼からなる試験片ＴＳの構成成分と良好に結合することが想定される。したがって、試験片ＴＳにクロムモリブデン鋼を用いた場合、硬質粉末としてＭｏ粉末かまたはＣｒ粉末が選択されるのが好ましい。
【００２１】
工具４は、炭化タングステン（ＷＣ）など、硬くて耐摩耗性のある材料を素材とした円柱体よりなる。工具４には、工具挿入孔３に挿入されている部分の外周面に螺旋溝４ｓが形成されている。工具４は平坦な或いは円錐状の先端面４ｆを有している。工具４の基端部はボール盤等の工作機械に取り付けられており、工具４を回転させながら、先端面４ｆを介して丸棒（丸軸）からなる試験片ＴＳに対し荷重を加えられるようになっている。
【００２２】
図１に示すように構成された装置を用いて丸棒からなる試験片ＴＳの表面にＭｏ粉末を埋め込むには、工具４の先端面４ｆを試験片ＴＳの外周面に線接触又は点接触させ、漏斗状部２にＭｏ粉末とハイス粒子を連続的に供給する。そして、工具４を回転させるとともに試験片ＴＳを回転させる。工具４の回転に伴い、螺旋溝４ｓによってＭｏ粉末とハイス粒子が工具４と試験片ＴＳとの接触部へ送り込まれる。工具４は、回転されながら試験片ＴＳの表面に沿って試験片ＴＳの軸方向に移動される。工具４は試験片ＴＳの軸方向に複数回往復移動させると良い。なお、工具４を移動させる代わりに試験片ＴＳを試験片ＴＳの軸方向に移動させてもよい。
【００２３】
図２は、埋め込み処理工程における試験片ＴＳと工具４との関係を示す模式的斜視図である。図２に示すように、試験片ＴＳを回転させ、かつ工具４を回転させるとともに試験片ＴＳの表面に沿って工具４を試験片ＴＳの軸方向に移動させて埋め込み処理を行う。
【００２４】
埋め込み処理工程中、工具４の先端面４ｆと試験片ＴＳの外周面とは線接触又は点接触して回転及び摺動しているため、大きな荷重を加えなくても、接触部に送り込まれたＭｏ粉末と試験片ＴＳとの間には高面圧が作用して、冷間溶着、即ち、高い接触圧力又はせん断力による低温下での溶着が生ずる。この結果、試験片ＴＳの外周面にＭｏ粉末が埋め込まれ、試験片ＴＳの表面に方向性のない島状の膜が形成される。このように、工具４の先端面４ｆと試験片ＴＳの外周面との間にＭｏ粉末が存在した状態で、試験片ＴＳと工具４とを回転させながら互いに接触させることにより、試験片ＴＳの外周面にＭｏを埋め込むことができる。
【００２５】
試験片ＴＳの表面は高面圧とせん断力を受けて摩耗するが、その摩耗粉のほとんどはＭｏ粉末と混じり合って再移着が生じるため、結果的に、試験片ＴＳの摩耗はきわめて少なく、しかも、高温が発生しないため、試験片ＴＳの歪みや変形を抑制できる。
【００２６】
次に、硬質粉末が埋め込まれた試験片ＴＳに対して表面熱処理が行われる。この表面熱処理は、試験片ＴＳの表面を加熱することにより、試験片ＴＳの表面に埋め込まれた硬質粉末を強固に試験片ＴＳの構成成分に結合させること、すなわち、硬質粉末と試験片ＴＳの構成成分との間での原子レベルの浸透拡散による合金化および固相接合を実現するために実行される処理である。
【００２７】
本実施形態では、表面熱処理は、炭素浸透処理と、その炭素浸透処理の後に行われる焼入れ処理とを含んだ浸炭焼入れ処理である。炭素浸透処理とは、浸炭剤中で鋼材を加熱することで炭素を鋼材の表面に浸透させる処理である。焼入れ処理とは、所定の高温状態まで加熱された鋼材を急冷させる処理である。焼入れ処理を行うことで、鋼材の組織はマルテンサイト組織に変態する。浸炭焼入れ処理に代えて窒化処理または浸炭窒化焼入れ処理を行ってもよい。窒化処理とは、アンモニアなどの窒素を含んだ雰囲気中で鋼材を加熱することで窒素を鋼材の表面に浸透させる処理である。浸炭窒化焼入れ処理は、炭素と窒素を含んだ雰囲気中で鋼材を加熱することで炭素と窒素を鋼材の表面に浸透させ、その後、焼入れ処理を行い、これにより鋼材の表面を硬化させる処理である。
【００２８】
本実施形態に係る浸炭焼入れ処理のフロー図が図３に示される。図３に示される浸炭焼入れ処理では、試験片ＴＳは、浸炭剤中（例えば、二酸化炭素、水素、メタン、および水蒸気などを含むガス雰囲気中）で約７時間にわたって９３０℃の温度に保持される（炭素浸透処理）。炭素浸透処理における試験片ＴＳの保持温度および保持時間は、試験片ＴＳの材質や硬質粉末の材質などに応じて適宜決定される。保持温度は、例えば、９００℃以上９５０℃以下の範囲から決定される。炭素浸透処理を行うことにより、炭素が試験片ＴＳの表面に浸透および拡散する。
【００２９】
次いで、試験片ＴＳは、試験片ＴＳの温度を８３０℃に下げた状態で約１．５時間保持され、その直後に油の中に浸漬されて急速に冷却される（焼入れ処理）。冷却された試験片ＴＳの温度は２０℃である。油中での冷却に代えて、試験片ＴＳを水中に浸漬することで冷却してもよい。図３に示される浸炭焼入れ処理では、焼入れ処理完了後に、試験片ＴＳの焼戻し処理を行う。図３に示される焼戻し処理では、試験片ＴＳは、約１．５時間にわたって１８０℃の温度に保持される。浸炭焼入れ処理は、炭素浸透処理と焼入れ処理とを少なくとも含む処理である。したがって、浸炭焼入れ処理は、焼戻し処理を含まなくてもよいし、含んでもよい。
【００３０】
炭素浸透処理は、鋼材の表面にカーボンリッチな層を作り出して、鋼材を焼入れが可能な状態にする。炭素浸透処理が施された鋼材に焼入れを行うことにより、Ｍｏ粉末が埋め込まれた鋼材の表面の組織がマルテンサイトに変態し、硬い針状組織が形成される。このような表面熱処理（浸炭焼入れ処理）を行うことにより、鋼材の表面に埋め込まれた硬質粉末が鋼材の構成成分と強固に結合した組織が試験片ＴＳの表面に形成されるので、鋼材の表面に高い耐摩耗性を付与することができる。また、浸炭焼入れ処理を行うことにより、鋼材の表面自体が硬化するので、鋼材の表面にさらに高い耐摩耗性を付与することができる。さらに、浸炭焼入れ処理時に鋼材に発生する歪みは極めて少ないので、鋼材に大きな歪みが生じない。
【００３１】
次に、試験片ＴＳの改質面の表面粗さの改善を目的に円錐状工具を用いて仕上げ処理（潤滑油中でのバニシ仕上）を行う。図４Ａおよび図４Ｂは、仕上げ処理工程における試験片ＴＳと円錐状工具６との関係を示す図である。円錐状工具６にはＤＬＣ膜付超硬工具を用いている。図４Ａおよび図４Ｂに示すように、円錐状工具６の円錐面６ｃを潤滑下で試験片ＴＳの外周面に押し付けた状態で試験片ＴＳを回転させ、かつ円錐状工具６を回転させるとともに試験片ＴＳの表面に沿って試験片ＴＳの軸方向に移動させてバニシ仕上げ処理を行う。これにより、試験片ＴＳの表面粗さを改善して平滑にする。
【００３２】
本実施形態では、埋め込み処理、表面熱処理、仕上げ処理をこの順に行っているが、本発明の表面改質方法はこの順に限定されない。埋め込み処理、仕上げ処理、表面熱処理をこの順に行ってもよい。
【００３３】
図５は、改質浸炭鋼の表面組織の光学顕微鏡観察写真である。改質浸炭鋼とは、上述した実施形態に従って、埋め込み処理、仕上げ処理、および表面熱処理（浸炭処理および焼入れ）がこの順で行われた試験片ＴＳ（クロムモリブデン鋼）をいう。仕上げ処理と表面熱処理の順序は逆でもよい。
【００３４】
図５に示すように、改質浸炭鋼の表面には窪みが観察された。この窪みは埋め込み処理時に形成されたものであり、この窪みの存在により、浸炭処理時に、試験片ＴＳの内部への炭素の浸透が可能であると考えられる。この点を確認するために、表面熱処理（浸炭焼入れ処理）のみが施された鋼材と、埋め込み処理、仕上げ処理、および表面熱処理が施された上述の改質浸炭鋼のマイクロビッカース硬さ（押込荷重：０．４９Ｎ）を測定した。以下の説明では、表面熱処理（浸炭焼入れ処理）のみが施された鋼材を浸炭鋼という。
【００３５】
図６は、改質浸炭鋼と浸炭鋼のマイクロビッカース硬さの測定結果を示すグラフである。図６において、横軸は試験片のビッカース硬さ［ＨＶ］を表し、縦軸は試験片の表面から内部に向かった距離［μｍ］を表す。図６において、白丸は改質浸炭鋼の測定結果を示しており、黒丸は浸炭鋼の測定結果を示している。上述したように、浸炭鋼には、Ｍｏ粉末の埋め込み処理は行われていない。
【００３６】
図６に示す測定結果から明らかなように、改質浸炭鋼の最表面は、浸炭鋼の最表面よりもマイクロビッカース硬さで９０程度硬い。これは、Ｍｏ粉末が埋め込まれた改質浸炭鋼の最表面が、表面熱処理（浸炭焼入れ処理）によって硬化したためと考えられる。最表面以外のマイクロビッカース硬さは、改質浸炭鋼と浸炭鋼との間に明確な差異は見られなかった。この測定結果から分かるように、Ｍｏ粉末の埋め込み処理を行った後に浸炭焼入れ処理を行うことによって、Ｍｏ粉末が埋め込まれた最表面に炭素が浸透して、鋼材の最表面を硬化させることができる。
【００３７】
浸炭焼入れ処理によって鋼材の最表面が硬化することを確認するために、Ｍｏ粉末の埋め込み処理の後で仕上げ処理を実施したクロムモリブデン鋼と、Ｍｏ粉末の埋め込み処理および表面熱処理（浸炭焼入れ処理）を行った後で仕上げ処理を実施したクロムモリブデン鋼を用意した。図７Ａおよび図７Ｂは、Ｍｏ粉末の埋め込み処理の後で仕上げ処理を実施したクロムモリブデン鋼の表面組織の光学顕微鏡観察写真である。図７Ａは低倍率の光学顕微鏡観察写真であり、図７Ｂは高倍率の光学顕微鏡観察写真である。図８Ａおよび図８Ｂは、Ｍｏ粉末の埋め込み処理および表面熱処理を行った後で仕上げ処理を実施したクロムモリブデン鋼の表面組織の光学顕微鏡観察写真である。図８Ａは低倍率の光学顕微鏡観察写真であり、図８Ｂは高倍率の光学顕微鏡観察写真である。
【００３８】
図７Ａおよび図８Ａで黒く見えている箇所は、埋め込み処理時に形成された窪みである。図７Ａおよび図８Ａを比較すると、図７Ａに示す浸炭焼入れ処理を実施していないクロムモリブデン鋼は、図８Ａに示す浸炭焼入れ処理を実施したクロムモリブデン鋼よりも窪みの面積が少ないことが分かる。また、図８Ｂの写真における細かい黒点は、Ｍｏ粉末である。図８Ｂでは、Ｍｏ粉末を多数観察できるのに対して、図７Ｂでは、Ｍｏ粉末をほとんど観察することができない。これは、浸炭焼入れ処理を実施したクロムモリブデン鋼は、その最表面が硬化しているので、仕上げ処理時に円錐状工具６（図４Ａおよび図４Ｂ参照）によって最表面が削られず、埋め込み処理時に形成された窪みや埋め込まれたＭｏ粉末がほとんどそのまま残っていることによる。これに対して、浸炭焼入れ処理を実施していないクロムモリブデン鋼では、仕上げ処理時に円錐状工具６によって最表面が削られてしまうので、窪みの面積が減少し、Ｍｏ粉末が最表面の鋼材とともに削り取られてしまう。これらの比較から、埋め込み処理の後で浸炭焼入れ処理を行うと、鋼材の最表面が硬化することが分かる。
【００３９】
次に、表面改質処理による耐摩耗性の改善効果を調べるために、摩耗試験として、改質浸炭鋼と浸炭鋼に対して往復動試験およびフレッチング摩耗試験を実施した。浸炭鋼は、改質浸炭鋼の耐摩耗性を検討するための比較材料として用いられた。
【００４０】
図９は、往復動試験の形態を示す図である。往復動試験では、図９に示すように、試験片（耐摩耗性を調べようとする鋼材、すなわち改質浸炭鋼または浸炭鋼）と硬質材料とを点接触させた状態で、硬質材料を往復動させた。フレッチング摩耗試験では、試験片と硬質材料とを点接触させた状態で、硬質材料を微小ストロークで往復動させた。
【００４１】
図１０は、往復動試験およびフレッチング摩耗試験の条件を示す表である。図１０に示すように、硬質材料として、高炭素クロム軸受鋼材（ＳＵＪ２，ＨＶ７７０）を使用した。往復動試験およびフレッチング摩耗試験は、大気中で、かつ無潤滑の条件下で実施した。本試験では、相対湿度の影響を考慮して可能な限り同条件となるように、相対湿度を調整した。具体的には、相対湿度（ｒｅｌａｔｉｖｅ  ｈｕｍｉｄｉｔｙ：ＲＨ）は２９±７％に調整した。往復動のストロークは２０ｍｍであり、往復動の繰り返し数は２１６００回（繰り返し速度１．０Ｈｚ、６時間）であり、接触荷重は４．９Ｎであった。フレッチング摩耗試験での往復動のストロークは０．１ｍｍであり、往復動の繰り返し数は２１６０００回（繰り返し速度３．０Ｈｚ、２０時間）であり、接触荷重は９．８Ｎであった。
【００４２】
図１１Ａは、往復動試験によって生じた浸炭鋼の摩耗痕を示す図であり、図１１Ｂは、往復動試験によって生じた改質浸炭鋼の摩耗痕を示す図である。図１２Ａは、フレッチング摩耗試験によって生じた浸炭鋼の摩耗痕を示す図であり、図１２Ｂは、フレッチング摩耗試験によって生じた改質浸炭鋼の摩耗痕を示す図である。
【００４３】
図１１Ａに示すように、往復動試験によって生じた浸炭鋼の摩耗痕の直径は１．８８ｍｍであった。これに対し、図１１Ｂに示すように、往復動試験によって生じた改質浸炭鋼の摩耗痕の直径は１．６３ｍｍであった。この試験結果は、改質浸炭鋼の摩耗痕の直径は、浸炭鋼の摩耗痕の直径よりも約１３％小さいことを示している。さらに、図１１Ａに示すように、往復動試験によって生じた浸炭鋼の摩耗痕の最大深さは７３．６μｍであった。これに対し、図１１Ｂに示すように、往復動試験によって生じた改質浸炭鋼の摩耗痕の最大深さは４３．８μｍであった。この試験結果から、改質浸炭鋼の摩耗痕の深さは、浸炭鋼の摩耗痕の深さよりも約４０％小さいことが分かる。
【００４４】
図１２Ａに示すように、フレッチング摩耗試験によって生じた浸炭鋼の摩耗痕の直径は１．１５ｍｍであった。これに対し、図１２Ｂに示すように、フレッチング摩耗試験によって生じた改質浸炭鋼の摩耗痕の直径は０．８７ｍｍであった。この試験結果は、改質浸炭鋼の摩耗痕の直径は、浸炭鋼の摩耗痕の直径よりも約２４％小さいことを示している。さらに、図１２Ａに示すように、フレッチング摩耗試験によって生じた浸炭鋼の摩耗痕の最大深さは１５．１μｍであった。これに対し、図１２Ｂに示すように、フレッチング摩耗試験によって生じた改質浸炭鋼の摩耗痕の最大深さは６．４μｍであった。この試験結果から、改質浸炭鋼の摩耗痕の深さは、浸炭鋼の摩耗痕の深さよりも約６０％小さいことが分かる。
【００４５】
図１１Ａおよび図１１Ｂに示す摩耗痕の形状から、往復動試験における改質浸炭鋼および浸炭鋼の比摩耗量を算出した。同様に、図１２Ａおよび図１２Ｂに示す摩耗痕の形状から、フレッチング摩耗試験における改質浸炭鋼および浸炭鋼の比摩耗量を算出した。図１３は、往復動試験およびフレッチング摩耗試験における改質浸炭鋼および浸炭鋼の比摩耗量［ｍｍ２／Ｎ］を示す表である。図１４は、図１３に示される比摩耗量を比較するための棒グラフである。
【００４６】
図１３および図１４に示すように、往復動試験における浸炭鋼の比摩耗量は２．２×１０−８ｍｍ２／Ｎであり、往復動試験における改質浸炭鋼の比摩耗量は０．９×１０−８ｍｍ２／Ｎであった。この結果から、大気中で、かつ無潤滑の条件下では、改質浸炭鋼の比摩耗量は浸炭鋼の比摩耗量の約４１％に軽減されることが分かる。また、フレッチング摩耗試験における浸炭鋼の比摩耗量は２．２×１０−８ｍｍ２／Ｎであり、フレッチング摩耗試験における改質浸炭鋼の比摩耗量は０．５×１０−８ｍｍ２／Ｎであった。この結果から、大気中で、かつ無潤滑の条件下では、改質浸炭鋼の比摩耗量は浸炭鋼の比摩耗量の約２３％に軽減されることが分かる。
【００４７】
耐摩耗性が向上する理由として、試験片ＴＳの表面に埋め込まれたＭｏ粉末が試験片ＴＳの構成成分と強固に結合すること、および浸炭焼入れ処理による試験片ＴＳの表面自体が硬化することが考えられる。これらの理由以外にも、表面改質処理による圧縮残留応力の発生や、この圧縮残留応力の発生に伴う表面硬さの増加が考えられる。また、鋼材の最表面には、Ｍｏがリッチな組織が創成されるため、浸炭焼入れ処理時のＭｏ炭化物やＭｏ酸化物の形成に伴う摩耗の減少（摩擦係数の減少）も考えられる。図１３および図１４に示す試験結果は、大気中で、かつ無潤滑での改質浸炭鋼の耐摩耗性が著しく向上することを示している。改質浸炭鋼の耐摩耗性は、真空中または不活性ガスの雰囲気中でも同様に著しく向上する。
【００４８】
試験片ＴＳの表面に埋め込まれたＭｏ粉末が浸炭焼入れ処理を施すことで試験片ＴＳの構成成分と強固に結合することを確認するために、Ｍｏ粉末の埋め込み処理のみを施したクロムモリブデン鋼と、Ｍｏ粉末の埋め込み処理および表面熱処理（浸炭焼入れ処理）を施したクロムモリブデン鋼を用意した。用意したクロムモリブデン鋼を、硬質材料に点接触させ（図９参照）、この状態で硬質材料を１往復だけ移動させる１往復動試験を実施した。接触荷重は２４．５Ｎであった。１往復動試験を実施した直後のクロムモリブデン鋼の表面組織を光学顕微鏡で観察した。また、光学顕微鏡での観察の後で、クロムモリブデン綱の表面の上に粘着テープを貼り付けて剥がしてから、再度、クロムモリブデン鋼の表面組織を光学顕微鏡で観察した。
【００４９】
図１５Ａは、Ｍｏ粉末の埋め込み処理のみを施したクロムモリブデン鋼に１往復動試験を実施した後の試験片ＴＳの表面の光学顕微鏡観察写真である。図１５Ｂは、Ｍｏ粉末の埋め込み処理のみを施したクロムモリブデン鋼に１往復動試験を実施した後の試験片ＴＳの表面に粘着テープを貼り付けて剥がした後の表面の光学顕微鏡観察写真である。図１５Ａと図１５Ｂとの比較から分かるように、写真中央部の表面組織が粘着テープにより除去されていることが観察された。したがって、Ｍｏ粉末の埋め込み処理のみを施しただけでは、埋め込まれたＭｏ粉末が容易に摩耗粉として脱離してしまう。
【００５０】
図１６Ａは、Ｍｏ粉末の埋め込み処理および表面熱処理を施したクロムモリブデン鋼に１往復動試験を実施した後の試験片ＴＳの表面の光学顕微鏡観察写真である。図１６Ｂは、Ｍｏ粉末の埋め込み処理および表面熱処理を施したクロムモリブデン鋼に１往復動試験を実施した後の試験片ＴＳの表面に粘着テープを貼り付けて剥がした後の表面の光学顕微鏡観察写真である。図１６Ａと図１６Ｂとの比較から分かるように、クロムモリブデン鋼の表面組織に差異は観察されなかった。したがって、Ｍｏ粉末の埋め込み処理の後に表面熱処理を施すと、Ｍｏ粉末は鋼材の構成成分と強固に結合して、容易には脱離しない。
【００５１】
図１７は、硬質粉末の埋め込み処理が施されていないクロムモリブデン鋼の試験片に表面熱処理（浸炭焼入れ処理）を施した場合と、そのような表面熱処理を施さなかった場合の比摩耗量、Ｍｏ粉末を埋め込んだクロムモリブデン鋼の試験片に表面熱処理を施した場合と表面熱処理を施さなかった場合の比摩耗量、およびＣｒ粉末（クロム粉末）を埋め込んだクロムモリブデン鋼の試験片に表面熱処理を施した場合と表面熱処理を施さなかった場合の比摩耗量を示す表である。また、図１８は、図１７に示される比摩耗量を比較するための棒グラフである。図１８の縦軸は比摩耗量［ｍｍ２／Ｎ］を表す。Ｃｒ粉末は、図１に示される装置を用いて、Ｍｏ粉末と同様にクロムモリブデン鋼の表面に埋め込まれた。図１７および図１８に示される比摩耗量は、図１０に示される実験条件で往復動試験（図９参照）を実施した後に測定された。
【００５２】
表面熱処理を行わなかった場合では、埋め込み処理が施されていない試験片の比摩耗量は２．８×１０−８ｍｍ２／Ｎであり、Ｍｏ粉末を埋め込んだ試験片の比摩耗量は２．８×１０−８ｍｍ２／Ｎであり、Ｃｒ粉末を埋め込んだ試験片の比摩耗量は３．４×１０−８ｍｍ２／Ｎであった。したがって、これら比摩耗量の間に大きな差はなく、Ｍｏ粉末やＣｒ粉末をクロムモリブデン鋼に埋め込んだだけでは、耐摩耗性はあまり向上しないことが分かる。
【００５３】
埋め込み処理が施されていない試験片に表面熱処理を施した場合の比摩耗量と、表面熱処理を施さなかった場合の比摩耗量は、それぞれ、２．２×１０−８ｍｍ２／Ｎと、２．８×１０−８ｍｍ２／Ｎであり、表面熱処理を施すことにより耐摩耗性がある程度向上することが分かる。これに対し、Ｍｏ粉末を埋め込んだ試験片ＴＳに表面熱処理を施した場合の比摩耗量と、表面熱処理を施さなかった場合の比摩耗量は、それぞれ、０．９×１０−８ｍｍ２／Ｎと、２．８×１０−８ｍｍ２／Ｎであった。また、Ｃｒ粉末を埋め込んだ試験片ＴＳに表面熱処理を施した場合の比摩耗量と、表面熱処理を施さなかった場合の比摩耗量は、それぞれ、０．６×１０−８ｍｍ２／Ｎと、３．４×１０−８ｍｍ２／Ｎであった。これらの結果から、埋め込み処理によってＭｏ粉末またはＣｒ粉末などの硬質粉末が埋め込まれた鋼材に表面熱処理（浸炭焼入れ処理、窒化処理、または浸炭窒化焼入れ処理）を施すことによって、耐摩耗性が著しく向上することが分かる。
【００５４】
図１９は、硬質粉末としてＳｉ粉末（シリコン粉末）を埋め込んだクロムモリブデン鋼の試験片に表面熱処理（浸炭焼入れ処理）を施した場合の比摩耗量と、ＷＣ粉末（炭化タングステン粉末）を埋め込んだクロムモリブデン鋼の試験片に表面熱処理（浸炭焼入れ処理）を施した場合の比摩耗量を示す表である。Ｓｉ粉末およびＷＣ粉末は、図１に示される装置を用いて、Ｍｏ粉末と同様にクロムモリブデン鋼の表面に埋め込まれた。図１９に示される比摩耗量は、図１０に示される実験条件で往復動試験（図９参照）を実施した後に測定された。ただし、相対湿度ＲＨは、Ｓｉ粉末の埋め込み処理および表面熱処理を施した試験片の往復動試験では、３５±１％に調整され、ＷＣ粉末の埋め込み処理および表面熱処理を施した試験片の往復動試験では、２９±３％に調整された。
【００５５】
図１９に示されるように、Ｓｉ粉末を埋め込んだ試験片ＴＳに表面熱処理を施した場合の比摩耗量と、ＷＣ粉末を埋め込んだ試験片ＴＳに表面熱処理を施した場合の比摩耗量は、それぞれ、０．５×１０−８ｍｍ２／Ｎと、０．８×１０−８ｍｍ２／Ｎであった。これらの比摩耗量と、図１７に示す、Ｍｏ粉末を埋め込んだ試験片ＴＳに表面熱処理を施した場合の比摩耗量、およびＣｒ粉末を埋め込んだ試験片ＴＳに表面熱処理を施した場合の比摩耗量との間に大きな差はない。これらの結果から、埋め込み処理によってＳｉ粉末またはＷＣ粉末の硬質粉末が埋め込まれた鋼材に表面熱処理（浸炭焼入れ処理、または窒化処理、または浸炭窒化焼入れ処理）を施すことによって、耐摩耗性が著しく向上することが分かる。
【００５６】
以上説明したように、本発明によれば、鋼材に、Ｍｏ粉末、Ｃｒ粉末、Ｓｉ粉末、またはＷＣ粉末などの硬質粉末とハイス粒子とからなる混合粉末による埋め込み処理を行い、その後、この鋼材に表面熱処理を施すことにより、高い耐摩耗性を持ち、かつ歪みのない耐摩耗性鋼材を得ることができる。この耐摩耗性鋼材は、ガス雰囲気中で無潤滑の条件下において、高い耐摩耗性を示す。
【００５７】
これまで本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術思想の範囲内において、種々の異なる形態で実施されてよいことは勿論である。
【符号の説明】
【００５８】
１  筒状部
２  漏斗状部
３  工具挿入孔
４  工具
４ｆ  先端面
４ｓ  螺旋溝
６  円錐状工具
６ｃ  円錐面
ＴＳ  試験片
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図６】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図５】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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