JP2008163363A - 表面硬化方法および油圧部品 - Google Patents

Abstract

【課題】炭素含有量の少ない鋼の表面硬度を高める。
【解決手段】炭素含有量が少ない鋼からなる母材Ｗの表面に黒鉛粉５を撒き散らし、その表面をプレス機６でプレスして黒鉛粉５を母材Ｗに貫入させ、母材表面に黒鉛貫入層４を形成する。その後、黒鉛貫入層４が形成された母材Ｗの表面をレーザ焼き入れ装置で急加熱、急冷して焼き入れする。これにより母材Ｗの表面に炭素濃度が高い白色マルテンサイトの層１が形成され、表面硬度が高まる。
【選択図】図１

Description

本発明は、炭素含有量の少ない炭素鋼や合金鋼からなる母材、または基地組織がフェライト主体の鋳鉄からなる母材の表面硬度を高めるようにした表面硬化方法および油圧部品に関する。

炭素含有量の少ない鋼の表面に炭化物の粉体を噴射して衝突させ、この衝突時に発生する熱により炭化物粉体に熱分解反応を生じさせ、鋼の表面に炭素を活性化吸着して拡散浸透するようにした表面硬化方法が知られている（例えば特許文献１参照）。

特許第３２４２０６０号公報

しかしながら、ＳｉＣなどの炭化物粉体の熱分解温度は鋼の融点よりも高いため、上記特許文献１記載のように鋼の表面に炭化物粉体を衝突させる方法では、鋼の表面に十分な量の炭素を浸透させることが困難であり、表面硬度を十分に高めることができない。

本発明による母材の表面硬化方法は、炭素含有量が焼き入れ最高硬さを規定する含有量に満たない鋼からなる母材、または基地組織がフェライト主体の鋳鉄からなる母材の表面に、黒鉛、ダイヤモンド、およびＤＬＣの少なくともいずれかを主成分とする層を形成する第１の工程と、第１の工程の後、上記層が形成された母材の表面を急加熱、急冷して焼き入れする第２の工程とを有することを特徴とする。
第１の工程では、母材の表面に黒鉛またはダイヤモンドの粉粒を噴射または押圧して貫入させることができる。成膜装置により母材の表面にＤＬＣ膜を形成することもできる。
第２の工程では、母材の表面に第１の焼き入れ硬化層を形成し、第１の焼き入れ硬化層と母材組織との間に、第１の焼き入れ硬化層よりも低硬度の第２の焼き入れ硬化層を形成することができる。
以上の表面硬化方法により、摺動部を有する油圧部品の表面を硬化することが好ましい。

本発明によれば、母材の表面に黒鉛等の層を形成するとともに、この層が形成された母材の表面を急加熱、急冷して焼き入れするようにしたので、母材の表面の炭素濃度を十分に高めることができ、母材の表面硬度を著しく向上できる。

−第１の実施の形態−
以下、図１〜図７を参照して本発明による表面硬化方法の第１の実施の形態について説明する。第１の実施の形態では、母材である鋼の表面から黒鉛を貫入した後、表面を焼き入れ処理して焼き入れ硬化層を形成する。母材Ｗは例えば油圧ポンプのピストンやそのピストンを収容するシリンダ等、摺動部を有する油圧部品を構成する。この種の油圧部品は高速で摺動するため、摺動部の高い硬度が要求される。

図１は、第１の実施の形態に係る表面硬化方法によって形成された鋼の表面近傍における断面図であり、焼き入れ後の状態を示したもの、図２は焼き入れ前の状態を示したものである。母材Ｗは、炭素含有量が約０．３％以下の低炭素鋼（例えば一般構造用圧延鋼（ＳＳ），溶接構造用圧延鋼（ＳＭ），高張力鋼（ハイテン））、炭素鋼（ＳＣ）、もしくは合金鋼（ＳＡ）であり、フェライト組織を主体としている。低炭素鋼の一例としてＳＳ４００の金属組成を図３に示す。

（１）第１の工程
表面硬化処理を行うに当たっては、まず、第１の工程として母材Ｗの表面（摺動面）に黒鉛を貫入し、図２に示すように母材組織３の表層に黒鉛を主成分とした黒鉛貫入層４を形成する。使用する黒鉛は粉体であることが好ましく、例えば図４に示すように母材Ｗの表面に黒鉛粉５を撒き散らした後、その表面をプレス機６で押し付け、押圧することで母材Ｗに黒鉛粉５を貫入することができる。黒鉛粉５を良好に貫入するためには、その平均粒子径は１〜５０μｍであることが好ましい。

プレス機６の押し付け面６ａに例えば５〜２０μｍ程度の突起を等間隔に設ければ、黒鉛粉５の貫入性をより高めることができる。突起サイズを２０μｍよりも大きくしても貫入性を高めることは可能であるが、その場合には母材Ｗの表面が荒れてしまう。母材表面の荒れが問題とならなければ、突起サイズをより大きくすることもできる。

プレス方向は図４に示すように鉛直方向が好ましい。水平方向にプレスする場合は、黒鉛粉５にバインダを混入して母材表面への付着性を高めるか、母材表面にバインダを塗布した後、黒鉛粉５を付着するようにすればよい。プレス時に貫入されずに残った黒鉛粉５は、バキューム等で回収し、次回、黒鉛粉５を貫入する際に用いればよい。

プレス機６を用いて黒鉛粉５を母材Ｗに貫入させる代わりに、噴射装置を用いて母材表面に黒鉛粉５を噴射して貫入させることもできる。図５は噴射装置の概略構成を示す図である。図５に示すように、噴射ノズル１０の上方にはタンク１２が設けられ、タンク内には黒鉛粉５が収容されている。噴射ノズル１０には図示しない空圧源から高圧空気１３が圧送され、空気吹出口１１を介して吹き出される。タンク内の黒鉛粉５は噴射ノズル内に落下し、空気吹出口１１から吹き出された空気によって母材Ｗの表面に噴射され、母材表面に高速で衝突する。

ここで、母材Ｗはフェライトを主体とした金属組織により構成されるが、このフェライト組織は金属組織の中でも軟質な組織として位置づけられており、硬度はＨｖ５０〜１００程度である。一方、黒鉛粉５は負荷が加わると割れやすい材質であるが、その割れやすさには方向性があり、割れにくい方向の硬度はＨｖ１００〜２００程度である。このため母材表面に衝突した黒鉛粉５は、母材表面を貫入し、黒鉛貫入層４（図２）を形成することができる。この場合、黒鉛粉５を噴射する速度は例えば１００ｍ／ｓ以上とすることが好ましい。

図５において、母材固定用の治具１４は、図示しないＸＹステージに一体に設けられており、ＸＹステージを介して治具１４を移動することで、母材Ｗの全域に黒鉛粉５を貫入することができる。なお、黒鉛粉５を空圧によって噴射するのであれば噴射装置の構成はいかなるものでもよく、例えば周知のショットピーニング機またはサンドブラスト機を噴射装置として用いることもできる。

（２）第２の工程
以上のようにして母材表面に黒鉛貫入層４を形成した後、第２の工程として、その母材表面をレーザ焼き入れ装置によりレーザ焼き入れする。図６はレーザ焼き入れ装置の概略構成を示す図である。レーザ焼き入れ装置は、レーザを発振するレーザ発振器２０と、レーザ発振器２０の発振のために必要な電力を供給するレーザ発振器電源２２と、レーザ発振器２０と電源２２をコントロールするレーザ発振器コントローラ２１と、レーザ発振器２０を冷却するためのレーザ発振器用チラー２３とを備える。

レーザ発振器２０により発振したレーザＬはコリメーションレンズＲ１により平行光とされ、集光レンズＲ２により集光され、母材表面の黒鉛貫入層４に照射される。母材ＷはＸＹテーブル２５上の固定治具（不図示）に固定されており、ＸＹテーブル２５の移動により、母材Ｗの全域に、レーザを照射することができる。また、レーザ発振器２０およびその加工ヘッドは図示しない支持部材に沿って上下方向に昇降可能に設けられている。ＸＹテーブル２５の動作、およびレーザ発振器２０と加工ヘッドの昇降動作はＮＣコントローラ２４により制御される。ＮＣコントローラ２４は、レーザ発振器コントローラ２１のコントロールも行う。

レーザ照射条件の一例を以下に示す。
レーザ発振器：半導体レーザ
レーザ出力 ：２．５ｋｗ
送り速度 ：１０００ｍ／ｍｉｎ
スポットサイズ：５×５

このようなレーザ焼き入れ装置を用いて、黒鉛貫入層４が形成された母材Ｗの表面を急加熱、急冷し、図１に示すように焼き入れ硬化層を形成する。この際、加熱温度はＡ１変態点以上（好ましくはＡ３変態点以上）、融点以下とする。また、冷却は材料内部に熱拡散させることで行い、水や油などによる冷却を行わない。なお、レーザ焼き入れ以外の焼き入れ（例えば高周波焼き入れ）により母材の表面Ｗを急加熱、急冷するようにしてもよい。

図１の焼き入れ硬化層は、母材表面に形成された白色マルテンサイトの層（白色マルテンサイト層１）、および白色マルテンサイト層１と母材組織３の間に形成されたマルテンサイトの層（マルテンサイト層２）からなる。母材組織３は、焼き入れをする前の母材Ｗの組織と同様、フェライト主体の組織である。焼き入れ前の黒鉛貫入層４は炭素濃度が高いため、母材３を高温で加熱すると脱炭のおそれがあるが、本実施の形態のようにレーザで表面を急加熱、急冷することで、脱炭を防ぎ、白色マルテンサイトへの変態が可能となる。

白色マルテンサイト層１は、ＦｅとＣの化合物であるセメンタイト（Ｆｅ_３Ｃ）と微細なマルテンサイトで構成される。白色マルテンサイトの硬度はＨｖ８００〜１０００程度であり、エッチングしたときに腐食されがたく、白色で観察されることから、白色マルテンサイトと呼ぶ。白色マルテンサイト層１の厚さは、１０〜５０μｍ程度である。

一方、マルテンサイト層２は、母材ＷがレーザによりＡ１変態点以上に加熱されてオーステナイトとなり、黒鉛貫入層４の炭素がオーステナイトに拡散・固溶した後、急冷することにより形成される。マルテンサイトの硬度はＨｖ７００程度であり、マルテンサイト層２の厚さは１００μｍ程度である。

なお、白色マルテンサイトを形成するに好ましい母材Ｗの炭素含有量は０．０２〜０．７７％である。母材Ｗの炭素含有量が０．７７％以上になると、レーザによる入熱を受けても黒鉛貫入層４からマルテンサイト層２領域への炭素の拡散がなくなる。このため、白色マルテンサイト層１は炭素濃度が高くなることで、残留オーステナイトが析出してしまう。この残留オーステナイトが析出した表面は硬さが低下するため、残留オーステナイトを除去する処理（長時間の焼き戻し、サブゼロ処理、ショット）を後工程に必要とし、加工費増大の要因となる。

このように白色マルテンサイト層１の下側に高強度のマルテンサイト層２が形成されることで、白色マルテンサイト層１の母材Ｗへの密着性が高まり、白色マルテンサイト層１の剥離を防止することができる。すなわち母材組織３が塑性変形を引き起こすような負荷を受けた場合でも、マルテンサイト層２の変形は少ないため、白色マルテンサイト層１が剥離しにくい。

これに対し、低炭素含有量の鋼に硬質なコーティング膜を形成する構成では、コーティング膜の下部組織は軟質で強度が低いため、下部組織が塑性変形を引き起こすような負荷を受けると、コーティング層がその変形に追従できず、剥離することがある。その結果、剥離した硬質の層が油圧ポンプの摺動部や転動部等にかみこみ、二次的なかじり発生の要因となる。

本実施の形態によれば以下のような作用効果を奏することができる。
（１）炭素含有量が低い低炭素鋼もしくは合金鋼からなる母材Ｗに黒鉛粉５を貫入し、黒鉛貫入層４を形成するとともに、その黒鉛貫入層４が形成された母材表面をレーザ焼き入れするようにした。これにより母材表面の炭素含有量を十分に高めた状態で焼き入れ処理ができるため、母材Ｗ（油圧部品の摺動面）の表面硬度を著しく高めることができる。その結果、摺動面の磨耗が低減し、油圧部品の耐摩耗性、耐久性が向上する。

（２）黒鉛貫入層４が形成された母材Ｗの表面をレーザ焼き入れするので、焼き入れによる脱炭を防ぐことができ、母材表面の十分な強度アップを図ることができる。
（３）母材表面に黒鉛貫入層４を形成し、この表面をレーザ焼き入れして形成した白色マルテンサイト層１は母材Ｗの炭素貫入層４が変態したものであり、白色マルテンサイト層１の母材Ｗへの密着性がよい。
（４）焼き入れによって母材３の表面に白色マルテンサイト層１を形成し、その下側に高強度のマルテンサイト層２を形成するので、母材組織３が塑性変形を引き起こすような負荷を受けた場合にも、白色マルテンサイト層１の剥離を防ぐことができる。
（５）母材表面に撒き散らした黒鉛粉５をプレス機６でプレス、あるいは噴射装置により黒鉛粉５を母材Ｗに高速で噴射するようにしたので、黒鉛を母材Ｗに容易に貫入させることができる。

なお、以上では、炭素含有量が０．３％以下の低炭素鋼または合金鋼の母材Ｗに黒鉛を貫入するようにしたが、母材Ｗの炭素含有量は０．３％より多くてもよい。図７は、鋼の炭素含有量と焼き入れ後の最高硬さとの関係を示す特性図である。図７に示すように炭素含有量が約０．５％以下の範囲では、炭素含有量が多いほど最高硬さが高くなっており、炭素含有量が０．５％以上の範囲では最高硬さはほぼ一定となっている。したがって、炭素含有量が約０．５％以下であれば、上述したように母材Ｗに黒鉛を貫入して黒鉛貫入層４を形成した後、焼き入れ処理することで、母材表面を硬化することができる。なお、上述した工程により最高硬さをある程度上昇させるためには、元々の母材Ｗの炭素含有量は０．０２〜０．４％程度であることが好ましい。

−第２の実施の形態−
図８〜図１０を参照して本発明による表面硬化方法の第２の実施の形態について説明する。第１の実施の形態では、鋼の表面硬化処理の一例を説明したが、第２の実施の形態では、鋳鉄の表面硬化処理の一例を説明する。なお、以下では第１の実施の形態との相違点を主に説明する。

図８は、第２の実施の形態に係る表面硬化方法によって形成された鋳鉄の表面近傍における断面図であり、焼き入れ後の状態を示したもの、図９は焼き入れ前の状態を示したものである。表面硬化される鋳鉄（例えばねずみ鋳鉄（ＦＣ），球状黒鉛鋳鉄（ＦＣＤ））は、フェライトを主体とする母材組織７に黒鉛粒８を混入させて形成されたものである。鋳鉄の一例としてＦＣＤ４５０の金属組成を図１０に示す。

第２の実施の形態においても、表面硬化処理を行うには、まず、母材Ｗに黒鉛粉５を貫入し、図９に示すように母材組織７の表層に黒鉛を主成分とした黒鉛貫入層４を形成する（第１の工程）。次いで、黒鉛貫入層４が形成された母材表面をレーザ焼き入れする（第２の工程）。これにより図８に示すように母材表面に白色マルテンサイト層１が形成され、白色マルテンサイト層１と母材組織７との間にマルテンサイト層２が形成される。

図８に示すように焼き入れ後の白色マルテンサイト層１およびマルテンサイト層２には、母材に元々含まれていた黒鉛８が残留している。黒鉛８は母材組織７にも残留しており、焼き入れ時にはこの黒鉛８から炭素が拡散し、黒鉛８の輪郭に沿ってマルテンサイト２ａが形成される。

ところで、一般に鋳鉄を摺動面に用いると、表面の黒鉛８が層状組織であるので剪断抵抗力を緩和させることができる。一方で、黒鉛８の粒が摺動表面から脱落すると窪みが生じ、その窪みは油潤滑のオイルポケットとして機能する。この場合、オイルポケットの輪郭組織が軟質な組織で構成されていると、高負荷の摺動条件の下では塑性変形を受けやすく、オイルポケットがつぶれてしまうおそれがある。これに対し、第２の実施の形態では、オイルポケットの輪郭組織は白色マルテンサイトとマルテンサイトの組織で構成されるため、高負荷の摺動条件の下でもオイルポケットがつぶれることを防ぐことができる。

なお、以上では、母材Ｗに黒鉛を貫入するようにしたが、炭素の同素体であるダイヤモンド等をプレス機または噴射装置を用いて貫入するようにしてもよい。また、母材Ｗの表面にプラズマＣＶＤ等の成膜装置を用いてＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）の薄膜を形成し（第１の工程）、このＤＬＣ膜をレーザ焼き入れをして（第２の工程）、母材Ｗの表面を硬化するようにしてもよい。母材Ｗに黒鉛を貫入した後にその表面にＤＬＣ膜を形成するようにしてもよい。母材Ｗの表面に黒鉛、ダイヤモンド、ＤＬＣのいずれかを主成分とした層を形成するのであれば、第１の工程は上述したものに限らない。

上記実施の形態では、摺動部を有する油圧部品の表面硬度を高め、摺動面の耐摩耗性を向上するようにしたが、他の部品の表面強度を高める場合にも本発明は同様に適用可能である。すなわち、本発明の特徴、機能を実現できる限り、本発明は実施の形態の表面硬化方法に限定されない。

本発明の第１の実施の形態に係る表面硬化方法によって形成された母材の焼き入れ後の状態を示す断面図。 本発明の第１の実施の形態に係る表面硬化方法によって形成された母材の焼き入れ前の状態を示す断面図。 低炭素鋼の金属組成の一例を示す図。 第１の実施の形態における第１の工程の一例を示す図。 第１の実施の形態における第１の工程の他の例を示す図。 第１の実施の形態における第２の工程の一例を示す図。 炭素含有量と焼き入れによる最高硬さとの関係を示す図。 本発明の第２の実施の形態に係る表面硬化方法によって形成された母材の焼き入れ後の状態を示す断面図。 本発明の第２の実施の形態に係る表面硬化方法によって形成された母材の焼き入れ前の状態を示す断面図。 鋳鉄の金属組成の一例を示す図。

符号の説明

１ 白色マルテンサイト層
２ マルテンサイト層
３，７ 母材組織
４ 黒鉛貫入層
５ 黒鉛
Ｗ 母材

Claims (5)

1. 炭素含有量が焼き入れ最高硬さを規定する含有量に満たない鋼からなる母材、または基地組織がフェライト主体の鋳鉄からなる母材の表面に、黒鉛、ダイヤモンド、およびＤＬＣの少なくともいずれかを主成分とする層を形成する第１の工程と、
   前記第１の工程の後、前記層が形成された母材の表面を急加熱、急冷して焼き入れする第２の工程とを有することを特徴とする母材の表面硬化方法。
2. 請求項１に記載の母材の表面硬化方法において、
   前記第１の工程では、母材の表面に黒鉛またはダイヤモンドの粉粒を噴射または押圧して貫入させることを特徴とする母材の表面硬化方法。
3. 請求項１または２に記載の母材の表面硬化方法において、
   前記第１の工程では、成膜装置により母材の表面にＤＬＣ膜を形成することを特徴とする母材の表面硬化方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の母材の表面硬化方法において、
   前記第２の工程では、母材の表面に第１の焼き入れ硬化層を形成し、前記第１の焼き入れ硬化層と母材組織との間に、前記第１の焼き入れ硬化層よりも低硬度の第２の焼き入れ硬化層を形成することを特徴とする母材の表面硬化方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の表面硬化方法で表面が硬化された摺動部を有することを特徴とする油圧部品。

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