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JP2000160321A - Formation of iron - aluminum compound layer on surface of steel material - Google Patents

Formation of iron - aluminum compound layer on surface of steel material

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Publication number
JP2000160321A
JP2000160321A JP34787898A JP34787898A JP2000160321A JP 2000160321 A JP2000160321 A JP 2000160321A JP 34787898 A JP34787898 A JP 34787898A JP 34787898 A JP34787898 A JP 34787898A JP 2000160321 A JP2000160321 A JP 2000160321A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
compound layer
layer
aluminum
diffusion
steel material
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP34787898A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Atsushi Masuda
田 淳 増
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shibaura Machine Co Ltd
Original Assignee
Toshiba Machine Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Machine Co Ltd filed Critical Toshiba Machine Co Ltd
Priority to JP34787898A priority Critical patent/JP2000160321A/en
Publication of JP2000160321A publication Critical patent/JP2000160321A/en
Pending legal-status Critical Current

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  • Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for thickly forming an Fe-Al compd. layer having uniformly high hardness for preventing fretting wear. SOLUTION: At the time of coating the surface of a base material composed of a steel material with aluminum and executing diffusion under heating at 660 deg.C to form an Fe-Al compd. layer, in the case that (d) is defined as the thickness (μm) of the Al coating film and (t) is defined as the diffusing time (hr), the diffusing time is decided in such a manner that the ratio K of (d) to the square root of (t) is controlled to 40 to 200. In this way, a sound Fe-Al compd. layer having sufficient hardness can be obtd., and fretting can effectively be prevented.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】この発明は、フレッティング
摩耗を防止することを目的とした鉄鋼材料上へのFe−
Al化合物の被覆技術に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to a method for preventing fretting wear on iron and steel materials.
The present invention relates to a coating technique of an Al compound.

【0002】[0002]

【従来の技術】密着嵌合的に接触しあう2つの部材、例
えば工作機械の主軸の工具脱着部におけるテーパスリー
ブと工具ホルダとの間に発生するフレッティング摩耗の
対策として、接触面の表層部にFe−Al化合物を形成
することが有効である(本件出願と同一出願人による特
許出願に係る公開公報、特開平9−228025号参
照)。このFe−Al化合物は、Alを鉄鋼材料からな
る基材上に被覆した後、加熱拡散処理を施すことにより
形成される。
2. Description of the Related Art As a countermeasure against fretting wear generated between a tool holder and a taper sleeve at a tool attachment / detachment portion of a main spindle of a machine tool, for example, two members that come into close contact with each other in contact with each other. It is effective to form an Fe-Al compound (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-228025, which is a patent application filed by the same applicant as the present application). This Fe-Al compound is formed by coating Al on a base material made of a steel material and then performing a heat diffusion treatment.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】Fe−Al化合物層を
形成するに先立ち、基材上にAlを被覆する一つの方法
として、該基材をAl浴中に浸漬する方法がある。しか
し、浸漬法では厚い被覆層を形成することができないた
め、拡散処理により得られる化合物層の厚さはせいぜい
30μm程度であった。このため、その後に行われる加
熱拡散工程において基材の歪みが発生すると、仕上げ加
工を行った際に処理面の一部において化合物層が完全に
除去されてしまうという問題があった。このため、仕上
げ加工後に十分に化合物層が残るように、拡散処理に先
立ち溶射により十分な厚さのAl被覆層を形成すること
が検討されている。
Prior to forming an Fe-Al compound layer, one method of coating Al on a substrate is to immerse the substrate in an Al bath. However, since a thick coating layer cannot be formed by the immersion method, the thickness of the compound layer obtained by the diffusion treatment is at most about 30 μm. For this reason, when distortion of the base material occurs in the subsequent heat diffusion step, there is a problem that the compound layer is completely removed from a part of the treated surface when the finishing is performed. For this reason, formation of an Al coating layer having a sufficient thickness by thermal spraying prior to the diffusion treatment has been studied so that a sufficient compound layer remains after finishing.

【0004】しかし、Al被覆層の厚さが厚くなると、
拡散処理条件を定めることが困難となる。そして、適正
な条件で拡散処理が行われないと、化合物層の硬さが低
くなったり、化合物層に微細な空孔が発生して化合物層
が脆くなることがある。このような場合、フレッティン
グ摩耗の防止効果が低減してしまう。
However, when the thickness of the Al coating layer is increased,
It becomes difficult to determine diffusion processing conditions. If the diffusion treatment is not performed under appropriate conditions, the hardness of the compound layer may be low, or fine holes may be generated in the compound layer to make the compound layer brittle. In such a case, the effect of preventing fretting wear is reduced.

【0005】本発明は、上記実状に鑑みなされたもので
あり、均一に高い硬度を有するFe−Al化合物層を厚
く形成する方法を提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above situation, and has as its object to provide a method for uniformly forming a thick Fe-Al compound layer having high hardness.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するた
め、本願発明者らは、Fe−Al化合物層の厚さが拡散
処理時間tの平方根に比例するという知見に基づいて
(日本金属学会誌第52巻第10号(1998)999
−1005「溶射アルミニウム層とアームコ鉄および炭
素鋼材基材間の反応拡散による合金層の生成」参照)、
拡散処理時間tの平方根と被膜品質とに所定の関係が成
立するのではないかとの仮説を立てて鋭意研究を行った
結果、Al被覆の厚さdと拡散処理時間tの平方根との
比率すなわち係数Kを所定範囲(K=40〜200)と
することにより工業的に有益なFe−Al化合物層が得
られることを見いだした。
Means for Solving the Problems In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors have made a study based on the finding that the thickness of the Fe-Al compound layer is proportional to the square root of the diffusion processing time t (JIM) Vol. 52, No. 10 (1998) 999
-1005 "Creation of alloy layer by reaction diffusion between sprayed aluminum layer and armco iron and carbon steel base material"),
As a result of intensive research on the hypothesis that a predetermined relationship may be established between the square root of the diffusion processing time t and the film quality, the ratio of the thickness d of the Al coating to the square root of the diffusion processing time t, that is, It has been found that an industrially useful Fe-Al compound layer can be obtained by setting the coefficient K in a predetermined range (K = 40 to 200).

【0007】すなわち、本発明は、鉄鋼材料からなる基
材上にアルミニウムまたはアルミニウム合金を被覆した
後、前記アルミニウムまたはアルミニウム合金を前記基
材中に加熱拡散させてFe−Al化合物層を形成する方
法において、dを前記アルミニウムまたはアルミニウム
合金の被膜の厚さ(μm)、tを拡散時間(hr)、K
を係数とした場合、下式(1)においてK=40〜20
0となるように拡散時間を決定することを特徴とする。
That is, the present invention provides a method of forming a Fe—Al compound layer by coating aluminum or an aluminum alloy on a substrate made of a steel material and then heating and diffusing the aluminum or aluminum alloy into the substrate. In the formula, d is the thickness of the aluminum or aluminum alloy film (μm), t is the diffusion time (hr), and K is
Is a coefficient, K = 40 to 20 in the following equation (1).
It is characterized in that the diffusion time is determined so as to be zero.

【0008】[0008]

【数2】 なお、アルミニウム合金としてはAl−Si合金、Al
−Sn合金等を用いることができる。
(Equation 2) In addition, Al-Si alloy, Al
A -Sn alloy or the like can be used.

【0009】拡散処理は、好ましくはアルミニウムまた
はアルミニウム合金の融点より10℃低い温度からアル
ミニウムの融点である660℃より60℃高い温度であ
る720℃の範囲で実施される。アルミニウムまたはア
ルミニウム合金の融点より10℃以上低い温度で拡散処
理を行ったのでは、アルミニウムが溶融しないのでAl
とFeは固相拡散となり、拡散速度が著しく低下し、拡
散層を形成するのが困難である。一方、720℃以上で
拡散を行ったのでは、Al−Fe化合物中に微細な空孔
が多数発生し、被膜が非常に脆くなる。また、上記の処
理温度は、一般的な鋼材の調質温度より高いので、基材
の硬度が低下する。この意味から、処理温度の上限は、
720℃を最高値とし、融点が低くなるアルミニウム合
金においては、融点より60℃以上高くしないようにす
ることが望ましい。
[0009] The diffusion treatment is preferably carried out at a temperature of 10 ° C lower than the melting point of aluminum or aluminum alloy to 720 ° C which is 60 ° C higher than the melting point of aluminum, 660 ° C. If the diffusion treatment is performed at a temperature lower than the melting point of aluminum or aluminum alloy by 10 ° C. or more, aluminum does not melt,
And Fe become solid-phase diffusion, the diffusion speed is remarkably reduced, and it is difficult to form a diffusion layer. On the other hand, if the diffusion is performed at 720 ° C. or higher, many fine holes are generated in the Al—Fe compound, and the coating becomes very brittle. Moreover, since the above-mentioned processing temperature is higher than the tempering temperature of general steel materials, the hardness of the base material is reduced. In this sense, the upper limit of the processing temperature is
In the case of an aluminum alloy having a maximum value of 720 ° C. and a low melting point, it is desirable not to raise the melting point by 60 ° C. or more.

【0010】処理温度は、アルミニウムまたはアルミニ
ウム合金の融点直上が最も好ましい。理由は、液相拡散
により迅速にAl−Fe化合物が生成し、かつ基材の軟
化が最小限に抑えられるからである。しかしながら、融
点に対し−10℃〜+60℃の範囲内では、K=40〜
200を満足する拡散処理条件により拡散処理を行え
ば、温度にほとんど依存することなく、良好な品質の被
膜を得ることができる。
The processing temperature is most preferably just above the melting point of aluminum or aluminum alloy. The reason is that the Al-Fe compound is quickly generated by the liquid phase diffusion, and the softening of the substrate is minimized. However, within the range of -10 ° C to + 60 ° C with respect to the melting point, K = 40 to
If the diffusion treatment is performed under the diffusion treatment conditions satisfying 200, a coating of good quality can be obtained almost independently of the temperature.

【0011】[0011]

【発明の実施の形態】以下、本発明によるフレッティン
グ防止構造の一実施形態について添付の図面を参照して
説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the fretting prevention structure according to the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.

【0012】まず、本発明による処理方法が適用される
工作機械の主軸の工具脱着部について図1および図2を
参照して説明する。図1はテーパスリーブ1を示し、図
2はテーパスリーブに嵌着される工具ホルダ2を示して
いる。テーパスリーブ1には、工具ホルダ2のシャンク
部3のテーパ面に対応したテーパ付孔部4が設けられて
おり、シャンク部3とテーパ付孔部4とは、装着時に
は、高精度のはめ合い精度で嵌合するようになってい
る。
First, a tool attachment / detachment portion of a spindle of a machine tool to which the processing method according to the present invention is applied will be described with reference to FIGS. FIG. 1 shows a tapered sleeve 1, and FIG. 2 shows a tool holder 2 fitted on the tapered sleeve. The tapered sleeve 1 is provided with a tapered hole 4 corresponding to the tapered surface of the shank 3 of the tool holder 2, and the shank 3 and the tapered hole 4 are fitted with high precision when mounted. It fits with precision.

【0013】シャンク部3およびテーパ付孔部4の両テ
ーパ面は静的な状態では密着嵌合しているが、主軸を回
転させて加工を行うと、振動や切削抵抗の変動により両
テーパ面間に相対運動が起こる。この相対運動は、フレ
ッティングの原因となる。
The tapered surfaces of the shank portion 3 and the tapered hole portion 4 are tightly fitted in a static state. However, when the main shaft is rotated and machined, the two tapered surfaces are vibrated and the cutting resistance fluctuates. Relative motion occurs between them. This relative movement causes fretting.

【0014】フレッティングを防止するため、工具ホル
ダ2のテーパ付孔部4の内周面と、シャンク部3のテー
パ面とに、本発明の方法によりFe−Al化合物層5が
形成される。
In order to prevent fretting, the Fe-Al compound layer 5 is formed on the inner peripheral surface of the tapered hole portion 4 of the tool holder 2 and the tapered surface of the shank portion 3 by the method of the present invention.

【0015】Fe−Al化合物層5は、工具ホルダ2の
テーパ付孔部4の内周面と、シャンク部3のテーパ面に
まずAlを溶射し、その後Alの融点である660℃に
おいて本発明により定められる条件にて加熱拡散処理を
行うことにより形成される。そして、Fe−Al化合物
層5の形成後、研削加工により前記内周面およびテーパ
面が所定の寸法に仕上げられる。
The Fe—Al compound layer 5 is formed by first spraying Al on the inner peripheral surface of the tapered hole portion 4 of the tool holder 2 and the tapered surface of the shank portion 3, and then at 660 ° C. which is the melting point of Al, according to the present invention. It is formed by performing a heat diffusion process under the conditions defined by After the formation of the Fe—Al compound layer 5, the inner peripheral surface and the tapered surface are finished to predetermined dimensions by grinding.

【0016】[0016]

【実施例】次に、下記の実施例により、本発明を更に詳
細に説明する。
Next, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples.

【0017】まず、JIS SKD61からなる基材上
に、純Alを厚さd(μm)だけ溶射し、その後真空中
で660℃で時間t(hr)だけ加熱した。そしてdとt
の値の組合せを変えて複数種のテストピースを得た。
First, pure Al was sprayed on a substrate made of JIS SKD61 by a thickness d (μm), and then heated at 660 ° C. for a time t (hr) in a vacuum. And d and t
Various kinds of test pieces were obtained by changing the combination of the values.

【0018】各テストピースの断面硬度分布をマイクロ
ビッカース試験機により測定した結果を図3(a)
(b)に示す。図3(a)は、純Alの溶射厚さdが4
00μm(0.4mm)、そして図3(b)は純Alの
溶射厚さdが100μm(0.1mm)の場合の結果を
ぞれぞれ示している。
FIG. 3 (a) shows the result of measuring the cross-sectional hardness distribution of each test piece using a micro Vickers tester.
(B). FIG. 3A shows that the sprayed thickness d of pure Al is 4
FIG. 3B shows the results when the sprayed thickness d of pure Al is 100 μm (0.1 mm).

【0019】図3(a)(b)よりわかるように、少な
くともKが200より大きい場合、Fe−Al化合物層
は、基材の近傍部分しか十分な硬さが得られていない。
また、硬さ自体も低い(この傾向は図3(b)において
顕著である)。
As can be seen from FIGS. 3A and 3B, when at least K is larger than 200, the Fe—Al compound layer has a sufficient hardness only in the vicinity of the base material.
Further, the hardness itself is low (this tendency is remarkable in FIG. 3B).

【0020】また、Kが40より小さい場合でも硬さの
低下はないが、Fe−Al化合物層に微細な空孔が発生
する(図4の断面組織写真参照)。
Further, even when K is smaller than 40, the hardness does not decrease, but fine voids are generated in the Fe-Al compound layer (see the cross-sectional structure photograph in FIG. 4).

【0021】なお、上記実施例においては、加熱拡散処
理温度が660℃の場合について説明しているが、本願
発明者らの試験によれば、加熱拡散処理温度を700℃
としたほかは上記と同じ条件で実施した場合にも、Kの
値とFe−Al化合物層の状態との関係は上記660℃
の場合とほぼ同様であった。
In the above embodiment, the case where the temperature of the heat diffusion treatment is 660 ° C. is described.
Also, when the same conditions were used as described above, the relationship between the value of K and the state of the Fe—Al compound layer was 660 ° C.
It was almost the same as

【0022】次に、テーパスリーブの内周面と工具ホル
ダのテーパ面に、厚さ0.4mmだけAlを溶射した
後、拡散処理を行ってFe−Al化合物層を形成した
後、Fe−Al化合物層を表面から150μm研削し所
定寸法のテーパスリーブおよび工具ホルダを得た。拡散
処理条件としてK=231と163の2種類を作成し
た。
Next, after spraying Al to a thickness of 0.4 mm on the inner peripheral surface of the tapered sleeve and the tapered surface of the tool holder, a diffusion process is performed to form an Fe-Al compound layer. The compound layer was ground from the surface by 150 μm to obtain a taper sleeve and a tool holder having a predetermined size. Two types of diffusion processing conditions, K = 231 and 163, were created.

【0023】そして、これらテーパスリーブと工具ホル
ダを工作機械の主軸部に装着して、実際にワークを加工
してフレッティング試験を行なった。両者の優劣は摩耗
量により評価した。Kが本発明の範囲外であるK=23
1の場合の摩耗量は、本発明の範囲内であるK=163
の場合の摩耗量に比べて20%程度大であった。
The tapered sleeve and the tool holder were mounted on the main shaft of a machine tool, and the work was actually processed to perform a fretting test. The superiority of both was evaluated by the amount of wear. K = 23 where K is outside the scope of the invention
The wear amount in the case of 1 is within the range of the present invention, K = 163.
Was about 20% larger than the amount of wear in the case of.

【0024】[0024]

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、鉄
鋼材料の表層に均一に高い硬度を有するFe−Al化合
物層を形成することができる。
As described above, according to the present invention, a Fe-Al compound layer having a high hardness can be formed uniformly on the surface layer of a steel material.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明によるFe−Al化合物層が設けられた
テーパスリーブを示す断面図。
FIG. 1 is a sectional view showing a tapered sleeve provided with an Fe—Al compound layer according to the present invention.

【図2】本発明によるFe−Al化合物層が設けられた
工具ホルダを示す断面図。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a tool holder provided with an Fe—Al compound layer according to the present invention.

【図3】本発明の実施例と比較例におけるFe−Al化
合物層の硬さ分布を示すグラフ。
FIG. 3 is a graph showing hardness distributions of Fe—Al compound layers in Examples of the present invention and Comparative Examples.

【図4】本発明の比較例におけるK=32のときのFe
−Al化合物の金属組織を示す写真である。
FIG. 4 is a graph showing Fe in the comparative example of the present invention when K = 32.
It is a photograph which shows the metal structure of -Al compound.

【図5】本発明の実施例と比較例におけるFe−Al化
合物層のフレッティング摩耗テストの結果を示すグラ
フ。
FIG. 5 is a graph showing the results of a fretting wear test of an Fe—Al compound layer in Examples of the present invention and Comparative Examples.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】鉄鋼材料からなる基材上にアルミニウムま
たはアルミニウム合金を被覆した後、前記アルミニウム
またはアルミニウム合金を前記基材中に加熱拡散させて
Fe−Al化合物層を形成する方法であって、 dを前記アルミニウムまたはアルミニウム合金の被膜の
厚さ(μm)、tを拡散時間(hr)、Kを係数とした
場合、下式(1)においてK=40〜200となるよう
に拡散時間を決定することを特徴とする、Fe−Al化
合物層を形成する方法。 【数1】
1. A method of forming a Fe—Al compound layer by coating a substrate made of a steel material with aluminum or an aluminum alloy and then heating and diffusing the aluminum or aluminum alloy into the substrate. When d is the thickness of the aluminum or aluminum alloy film (μm), t is the diffusion time (hr), and K is a coefficient, the diffusion time is determined so that K = 40 to 200 in the following equation (1). Forming a Fe—Al compound layer. (Equation 1)
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