JP2007100210A - Carburized metal material and method for producing same - Google Patents

Carburized metal material and method for producing same Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a metal material carburized within a low temperature range where a crystal grain hardly grows without using expensive equipment, and to provide a method for producing such a carburized metal material. <P>SOLUTION: Specifically disclosed is a metal material 10 mainly composed of iron whose surface layer is carburized by a process using a fullerene as a carbon source. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、浸炭処理された金属材料及びその製造方法に関し、特に、高価な設備を用いることなく結晶粒の成長があまりおきない低温領域で浸炭処理が施された金属材料、及び当該金属材料の製造方法に関する。   The present invention relates to a carburized metal material and a manufacturing method thereof, and in particular, a metal material that has been carburized in a low temperature region where crystal grains do not grow much without using expensive equipment, and the metal material. It relates to a manufacturing method.

鉄系金属材料の硬さ等を増すための表面処理として、表面から数十μｍから数ｍｍの深さまで炭素原子を固溶させる浸炭処理が一般的に行われている。その炭素源としては、固体浸炭法では、木炭や黒鉛等が、ガス浸炭法では炭化水素ガス、天然ガス等が用いられている。しかし、固体浸炭法では、炭素源の反応性が低く、浸炭時に９００℃以上の高温で相当長時間に亘って加熱する必要があり、金属結晶が粗大化して強度が低下しやすいという問題がある。これに対し、ガス浸炭法では、大量生産には適しているものの、高価な設備を必要とするという問題がある。   As a surface treatment for increasing the hardness or the like of an iron-based metal material, a carburizing treatment is generally performed in which carbon atoms are dissolved in a depth of several tens of μm to several mm from the surface. As the carbon source, charcoal, graphite, or the like is used in the solid carburizing method, and hydrocarbon gas, natural gas, or the like is used in the gas carburizing method. However, in the solid carburizing method, there is a problem that the reactivity of the carbon source is low, and it is necessary to heat at a high temperature of 900 ° C. or higher for a considerably long time at the time of carburizing, and the metal crystal is coarsened and the strength is easily lowered. . On the other hand, the gas carburizing method is suitable for mass production, but has a problem of requiring expensive equipment.

ところで、フラーレンは、炭素のみで構成される、分子１個が１ｎｍ程度の球状分子であり、その反応性の高さから注目されている。この反応性の高さは、黒鉛等の他の炭素材料が比較的安定な炭素の６員環の基本構造からなるのに対し、フラーレンが分子内に６員環以外に反応性の高い５員環を有していることに由来している。そのため、近年、フラーレンと有機物等との反応について、数多くの研究が行われている。   By the way, fullerene is a spherical molecule having a molecule of about 1 nm, which is composed only of carbon, and has attracted attention because of its high reactivity. This high reactivity is due to the fact that other carbon materials such as graphite have a basic structure with a relatively stable carbon six-membered ring, whereas fullerene is a highly reactive five-membered ring in addition to the six-membered ring. It comes from having a ring. Therefore, in recent years, many studies have been conducted on the reaction between fullerenes and organic substances.

金属とフラーレンとの反応に関しては、例えば、特許文献１において、炭化物を形成しやすいチタン等の金属最表面とフラーレンとの反応により、フラーレンを含有する炭化物が形成されることが示されている。
特表２００２−５３８９０６号公報 Regarding the reaction between a metal and fullerene, for example, Patent Document 1 shows that a carbide containing fullerene is formed by a reaction between a metal outermost surface of titanium or the like that easily forms carbide and fullerene.
Japanese translation of PCT publication No. 2002-538906

しかし、特許文献１では、金属の最表面に形成される炭化物に関する検討に留まっており、炭素原子を侵入型固溶させている金属浸炭処理方法については検討されていない。   However, in Patent Document 1, the investigation is limited to the carbide formed on the outermost surface of the metal, and the metal carburizing treatment method in which carbon atoms are intruded and dissolved is not examined.

そこで、本発明は、高価な設備を用いることなく、結晶粒成長があまりおきない低温領域で浸炭処理が施された金属材料、及び当該金属材料の製造方法を提供することを課題とする。   Then, this invention makes it a subject to provide the metal material by which the carburizing process was performed in the low-temperature area | region where crystal grain growth does not occur, and the manufacturing method of the said metal material, without using expensive equipment.

以下、本発明について説明する。なお、本発明の理解を容易にするために添付図面の参照符号を括弧書きにて付記するが、それにより本発明が図示の形態に限定されるものではない。   The present invention will be described below. In order to facilitate understanding of the present invention, reference numerals in the accompanying drawings are appended in parentheses, but the present invention is not limited to the illustrated embodiment.

第１の本発明は、フラーレン類を炭素源として用いる処理により、その表面が浸炭処理されていることを特徴とする、鉄を主成分とする金属材料（１０）により、前記課題を解決しようとするものである。   1st this invention tries to solve the said subject by the metal material (10) which has iron as a main component, The surface is carburized by the process which uses fullerene as a carbon source. To do.

ここに、「フラーレン」とは、閉殻構造を有する炭素クラスタを意味している。また、「フラーレン類」とは、フラーレンのみならず、例えば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、フラーレン誘導体も広く含む概念である。本発明において適用可能なフラーレンの炭素数は、特に限定されず、その具体例としては、６０、７０、７６、７８、８２、８４、９０、９４、９６等を挙げることができる。また、「表面」とは、鉄を主成分とする金属材料（１０）の最表面のほか、浸炭処理による炭素原子が浸入固溶した浸炭層（以下において、「表面浸炭層」あるいは単に「浸炭層」と記述することがある。）が形成される、鉄を主成分とする金属材料（１０）の表面近傍をも含む概念であり、表面浸炭層の厚さ（深さ）の具体例としては、１μｍ〜５ｍｍ程度等を挙げることができる。   Here, “fullerene” means a carbon cluster having a closed shell structure. The “fullerenes” are not only fullerenes but also a concept that includes a wide range of fullerene derivatives such as those having a substituent added or containing a metal or a molecule inside. The carbon number of fullerene applicable in the present invention is not particularly limited, and specific examples thereof include 60, 70, 76, 78, 82, 84, 90, 94, 96 and the like. In addition to the outermost surface of the metal material (10) whose main component is iron, the “surface” refers to a carburized layer in which carbon atoms are infiltrated and dissolved by carburizing treatment (hereinafter referred to as “surface carburized layer” or simply “carburized layer”). Is also a concept including the vicinity of the surface of the iron-based metal material (10), which is a specific example of the thickness (depth) of the surface carburized layer. Can be about 1 μm to 5 mm.

さらに、鉄を主成分とする金属材料（以下において、「鉄系金属材料」と記述することがある。）とは、いわゆる純鉄のほか、合金鋼等を始めとする一般的な鉄鋼材料を含む概念である。本発明において、浸炭処理する母材としての鉄系金属材料（１）として合金鋼を用いる場合、当該合金鋼に含有され得る鉄以外の元素の具体例としては、Ｃ、Ｎ、Ｐ、Ｓ、Ｓｉ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｗ、Ｖ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｃｏ、Ｚｒ、Ｈｆ等を挙げることができ、鉄と、これらの元素単体及び／又はこれらの元素を含む化合物と、不可避的不純物とからなる合金鋼とすることが可能である。加えて、本発明にかかる浸炭処理は、フラーレン類が母材としての金属材料（１）の表面に接触している形態で実施されれば、その形態は特に限定されるものではない。以下においても同様である。   Furthermore, a metal material containing iron as a main component (hereinafter sometimes referred to as “iron-based metal material”) is not only so-called pure iron but also general steel materials such as alloy steel. It is a concept that includes. In the present invention, when alloy steel is used as the ferrous metal material (1) as a base material to be carburized, specific examples of elements other than iron that can be contained in the alloy steel include C, N, P, S, Si, Mo, Ni, Cr, Cu, Mn, Zn, Al, Ti, W, V, Ta, Nb, Co, Zr, Hf, etc. can be mentioned, and iron, these elements alone and / or these It is possible to make an alloy steel composed of a compound containing an element and inevitable impurities. In addition, the carburizing treatment according to the present invention is not particularly limited as long as the fullerenes are in contact with the surface of the metal material (1) as the base material. The same applies to the following.

第１の本発明において、浸炭処理が、３００℃以上９００℃以下の温度環境下で行われることが好ましい。   In the first aspect of the present invention, the carburizing treatment is preferably performed in a temperature environment of 300 ° C. or higher and 900 ° C. or lower.

ここに、「浸炭処理が３００℃以上９００℃以下の温度環境下で行われる」とは、母材としての鉄系金属材料（１）の表面に浸炭層を形成させるための加熱工程が、３００℃以上９００℃以下の温度環境下で行われることを意味している。   Here, “the carburizing treatment is performed in a temperature environment of 300 ° C. or more and 900 ° C. or less” means that a heating step for forming a carburized layer on the surface of the iron-based metal material (1) as a base material is 300 It means that the reaction is carried out in a temperature environment of not less than 900 ° C and not more than 900 ° C.

加えて、上記第１の本発明において、浸炭処理後に、さらに焼入れ処理が施されていることが好ましい。   In addition, in the first aspect of the present invention, it is preferable that a quenching process is further performed after the carburizing process.

さらに、上記第１の本発明において、浸炭処理された表面の上に、フラーレン類が変質したアモルファスカーボン層を有することが好ましい。   Furthermore, in the first aspect of the present invention, it is preferable to have an amorphous carbon layer in which fullerenes are altered on the carburized surface.

ここに、本発明でいうアモルファスカーボン層とは、浸炭処理を行う際に母材としての鉄系金属材料（１）と反応しなかった膜状のフラーレン同士が反応して、変質することにより形成される層を指し、ラマンスペクトル測定において、元のフラーレン類に由来するピークが観察されない物質からなる層を意味している。本発明にかかるアモルファスカーボン層は、ラマンスペクトル測定において、１２００〜１６００ｃｍ−１付近にブロードなピークが観測される形態であることが好ましい。 Here, the amorphous carbon layer referred to in the present invention is formed by the film-like fullerenes that have not reacted with the iron-based metal material (1) as a base material when carburizing is performed, and are altered. This means a layer made of a substance in which no peak derived from the original fullerenes is observed in Raman spectrum measurement. The amorphous carbon layer according to the present invention preferably has a form in which a broad peak is observed in the vicinity of 1200 to 1600 cm −1 in Raman spectrum measurement.

第２の本発明は、鉄を主成分とする金属材料（１０）であって、当該材料の炭素濃度がその中心部に比べて高い表面浸炭層（２）を有し、かつ当該材料の最表面にアモルファスカーボン層を有することを特徴とする金属材料（１０）により、上記課題を解決しようとするものである。   The second aspect of the present invention is a metal material (10) mainly composed of iron, having a surface carburized layer (2) in which the carbon concentration of the material is higher than that of the central portion thereof, and is the highest of the material. The metal material (10) characterized by having an amorphous carbon layer on the surface intends to solve the above problems.

ここに、表面浸炭層（２）とは、母材としての鉄系金属材料（１）の浸炭処理によって、炭素原子が浸入固溶して形成された層をいい、具体的には、母材としての鉄系金属材料（１）の最表面から垂直距離で５μｍ、好ましくは１０μｍ、さらに好ましくは５０μｍ内部までの範囲をいう。また、「炭素濃度がその中心部に比べて高い」における「中心部」とは、鉄を主成分とする金属材料（１０）を表面浸炭層（２）の積層方向と垂直に切断した際の、断面の中心をいう。炭素濃度の測定は、切断後にアルミナによる鏡面研磨を行った断面を、電子プローブマイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）を用いて、炭素原子分布を測定することによって行う。炭素濃度測定の方法としては、中心部の炭素濃度と表面浸炭層（２）の炭素濃度を比較する点分析、表面浸炭層（２）から中心部への炭素濃度分布を求める線分析、炭素濃度の分布について全体が２次元で見ることができる面分析、のいずれの方法を用いることもできる。   Here, the surface carburized layer (2) refers to a layer formed by intrusion and solid solution of carbon atoms by carburizing the ferrous metal material (1) as a base material. As a vertical distance from the outermost surface of the iron-based metal material (1) as 5 μm, preferably 10 μm, more preferably 50 μm. In addition, the “center portion” in “the carbon concentration is higher than the center portion” means that the metal material (10) mainly composed of iron is cut perpendicularly to the stacking direction of the surface carburized layer (2). The center of the cross section. The carbon concentration is measured by measuring the carbon atom distribution of a cross-section that has been mirror-polished with alumina after cutting, using an electron probe microanalyzer (EPMA). As a method for measuring the carbon concentration, a point analysis for comparing the carbon concentration in the central portion with the carbon concentration in the surface carburized layer (2), a linear analysis for determining the carbon concentration distribution from the surface carburized layer (2) to the central portion, the carbon concentration Any method of surface analysis in which the entire distribution can be viewed in two dimensions can be used.

第３の本発明は、フラーレン類を炭素源として用いる浸炭処理工程が備えられることを特徴とする、鉄を主成分とする金属材料（１０）の製造方法により、上記課題を解決しようとするものである。   The third aspect of the present invention is to solve the above problems by a method for producing a metal material (10) containing iron as a main component, characterized in that a carburizing process using fullerenes as a carbon source is provided. It is.

第３の本発明において、浸炭処理工程が、３００℃以上９００℃以下の温度環境下で行われることが好ましい。   In 3rd this invention, it is preferable that a carburizing process process is performed in the temperature environment of 300 to 900 degreeC.

ここに、「浸炭処理工程が、３００℃以上９００℃以下の温度環境下で行われる」とは、母材としての鉄系金属材料（１）の表面に浸炭層を形成させるための加熱工程が、３００℃以上９００℃以下の温度環境下で行われることを意味している。   Here, “the carburizing process is performed in a temperature environment of 300 ° C. or more and 900 ° C. or less” means that a heating process for forming a carburized layer on the surface of the iron-based metal material (1) as a base material. It means that it is performed in a temperature environment of 300 ° C. or more and 900 ° C. or less.

加えて、上記第３の本発明において、浸炭処理工程後に、さらに当該浸炭処理工程により浸炭処理された金属材料を焼入れ処理する焼入れ処理工程が備えられることが好ましい。   In addition, in the third aspect of the present invention, it is preferable that a quenching process step of quenching the metal material carburized by the carburizing process is further provided after the carburizing process.

さらに、上記第３の本発明において、浸炭処理工程が、不活性雰囲気下、又は、還元雰囲気下で行われることが好ましい。   Furthermore, in the third aspect of the present invention, it is preferable that the carburizing process is performed in an inert atmosphere or a reducing atmosphere.

ここに、「浸炭処理工程が不活性雰囲気下で行われる」とは、母材としての鉄系金属材料（１）の表面に浸炭層を形成させるための加熱処理が、窒素雰囲気やアルゴン雰囲気等に代表される不活性雰囲気の下で行われることを意味している。また、「浸炭処理工程が還元雰囲気下で行われる」とは、母材としての鉄系金属材料（１）の表面に浸炭層を形成させるための加熱処理が、水素雰囲気や窒素／水素雰囲気等に代表される還元雰囲気の下で行われることを意味している。さらに、本発明において、母材としての鉄系金属材料（１）の表面にアモルファスカーボン層を形成可能とする観点から、不活性雰囲気下又は還元雰囲気下で行われる浸炭処理工程（加熱工程）の温度は、少なくとも３００℃以上とすることが好ましい。加えて、同様の観点から、当該上限温度は１２００℃以下とすることが好ましく、より好ましくは９００℃以下である。   Here, “the carburizing process is performed in an inert atmosphere” means that the heat treatment for forming a carburized layer on the surface of the iron-based metal material (1) as a base material is a nitrogen atmosphere, an argon atmosphere, or the like. It means that it is carried out under an inert atmosphere represented by Further, “the carburizing process is performed in a reducing atmosphere” means that a heat treatment for forming a carburized layer on the surface of the iron-based metal material (1) as a base material is a hydrogen atmosphere, a nitrogen / hydrogen atmosphere, or the like. It means that it is carried out under a reducing atmosphere represented by Furthermore, in the present invention, from the viewpoint of enabling an amorphous carbon layer to be formed on the surface of the iron-based metal material (1) as a base material, a carburizing process (heating process) performed in an inert atmosphere or a reducing atmosphere. The temperature is preferably at least 300 ° C. or higher. In addition, from the same viewpoint, the upper limit temperature is preferably 1200 ° C. or lower, more preferably 900 ° C. or lower.

第１の本発明によれば、炭素源として、木炭等よりも反応性の高い、フラーレン類が用いられるので、従来よりも低温で浸炭処理を行うことが可能になる。浸炭処理を従来よりも低温で実施することができれば、結晶粒の粗大化を抑制することが可能になり、浸炭処理が施された鉄系金属材料（１０）の強度を向上させることが可能になる。また、本発明にかかる浸炭処理の形態は、フラーレン類と母材としての金属材料（１）とが接触している形態で実施されれば、特に限定されないため、大掛かりな設備を用いることなく、浸炭処理を実施することが可能になる。したがって、第１の本発明によれば、高価な設備を用いることなく製造することが可能であるとともに結晶粒の成長を抑制した、鉄系金属材料（１０）を提供することが可能になる。   According to the first aspect of the present invention, fullerenes having a higher reactivity than charcoal and the like are used as the carbon source, so that carburizing treatment can be performed at a lower temperature than in the past. If the carburizing process can be performed at a lower temperature than conventional, it is possible to suppress the coarsening of crystal grains, and it is possible to improve the strength of the iron-based metal material (10) subjected to the carburizing process. Become. Further, the form of carburizing treatment according to the present invention is not particularly limited as long as it is carried out in a form in which the fullerenes and the metal material (1) as a base material are in contact with each other, without using a large-scale facility, Carburizing can be performed. Therefore, according to the first aspect of the present invention, it is possible to provide an iron-based metal material (10) that can be manufactured without using expensive equipment and that suppresses the growth of crystal grains.

また、第１の本発明において、浸炭処理が３００℃以上９００℃以下の温度環境下で行われれば、鉄系金属材料（１０）の結晶粒の成長を効果的に抑制することが可能になる。   In the first aspect of the present invention, if the carburizing process is performed in a temperature environment of 300 ° C. or higher and 900 ° C. or lower, it is possible to effectively suppress the growth of crystal grains of the iron-based metal material (10). .

加えて、第１の本発明において、浸炭処理された金属材料に焼入れ処理が施されれば、その結晶組織を制御することで、鉄系金属材料（１０）の高強度化を図ることが可能になる。   In addition, in the first aspect of the present invention, if the carburized metal material is subjected to a quenching process, the strength of the iron-based metal material (10) can be increased by controlling the crystal structure. become.

さらに、第１の本発明において、浸炭処理が施された鉄系金属材料（１０）の表面の上に、フラーレン類が変質したアモルファスカーボン層が備えられていれば、当該アモルファスカーボン層は鉄系金属材料（１０）の表面との密着性が優れているため、当該層を鉄系金属材料（１０）の表面保護層として作用させることが可能になる。   Furthermore, in the first aspect of the present invention, if an amorphous carbon layer in which fullerenes are altered is provided on the surface of the iron-based metal material (10) that has been subjected to carburizing treatment, the amorphous carbon layer is iron-based. Since the adhesiveness with the surface of the metal material (10) is excellent, the layer can be made to act as a surface protective layer of the iron-based metal material (10).

第２の本発明によれば、炭素濃度がその中心部に比べて高い表面浸炭層（２）を有することによって、表面が硬化されているのみならず、最表面に密着性に優れた表面保護層となるアモルファスカーボン層が存在するので、耐久性に優れた鉄系金属材料（１０）を提供することが可能になる。   According to the second aspect of the present invention, the surface carburized layer (2) having a carbon concentration higher than that of the central portion thereof is used, so that the surface is not only hardened but also has excellent adhesion to the outermost surface. Since the amorphous carbon layer serving as the layer is present, it is possible to provide the ferrous metal material (10) having excellent durability.

第３の本発明によれば、炭素源として、木炭等よりも反応性の高い、フラーレン類が用いられるので、従来よりも低温で、かつ、大掛かりな設備を用いることなく、浸炭処理を実施することが可能になる。したがって、第３の本発明によれば、高価な設備を用いることなく結晶粒の成長を抑制し得る、鉄系金属材料（１０）の製造方法を提供することが可能になる。   According to the third aspect of the present invention, fullerenes having a higher reactivity than charcoal and the like are used as the carbon source, so the carburization process is performed at a lower temperature than before and without using large-scale equipment. It becomes possible. Therefore, according to the third aspect of the present invention, it is possible to provide a method for producing an iron-based metal material (10) that can suppress the growth of crystal grains without using expensive equipment.

また、第３の本発明において、浸炭処理工程が３００℃以上９００℃以下の温度環境下で行われれば、本発明にかかる浸炭処理方法を介して製造される鉄系金属材料（１０）の結晶粒の成長を、容易に抑制することが可能になる。   In the third aspect of the present invention, if the carburizing process is performed in a temperature environment of 300 ° C. or higher and 900 ° C. or lower, the crystal of the iron-based metal material (10) manufactured through the carburizing method according to the present invention. Grain growth can be easily suppressed.

加えて、第３の本発明において、浸炭処理工程を経た金属材料に、さらに焼入れ処理が施されていれば、金属材料の結晶組織を制御することが可能になる。したがって、当該形態とすることで、高強度の鉄系金属材料（１０）を容易に製造し得る、鉄系金属材料の製造方法を提供することが可能になる。   In addition, in the third aspect of the present invention, the crystal structure of the metal material can be controlled if the metal material that has undergone the carburizing process is further quenched. Therefore, it becomes possible to provide the manufacturing method of an iron-type metal material which can manufacture a high intensity | strength iron-type metal material (10) easily by setting it as the said form.

さらに、第３の本発明において、浸炭処理工程が、不活性雰囲気下、又は、還元雰囲気下で行われれば、ＰＶＤ法やＣＶＤ法等で使用される高価な装置を用いることなく、鉄系金属材料（１０）の表面にアモルファスカーボン層を形成させることが可能になる。したがって、当該形態とすることで、表面保護層を備える、浸炭処理された鉄系金属材料の製造方法を提供することが可能になる。   Furthermore, in the third aspect of the present invention, if the carburizing process is performed in an inert atmosphere or a reducing atmosphere, an iron-based metal is used without using an expensive apparatus used in a PVD method, a CVD method, or the like. An amorphous carbon layer can be formed on the surface of the material (10). Therefore, it becomes possible by providing the said form to provide the manufacturing method of the ferrous metal material by which the carburizing process was provided provided with the surface protection layer.

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。   Such an operation and a gain of the present invention will be clarified from the best mode for carrying out the invention described below.

浸炭処理は、金属材料表面を硬化させる表面処理の一手法であり、木炭等を用いる固体浸炭法、及び、一酸化炭素ガスや炭化水素ガス等を用いるガス浸炭法等が知られている。ところが、固体浸炭法は、高温で浸炭処理を行う必要があるため、浸炭処理を施された材料の結晶粒が粗大化し、材料の強度が低下しやすいという問題がある。一方で、ガス浸炭法を実施するためには高価な設備を必要とするため、浸炭処理にかかる費用がかさみやすいという問題がある。そこで、製造コストを抑制しつつ高強度な浸炭処理材を得ることが可能な浸炭処理方法が望まれている。   The carburizing treatment is one method of surface treatment for hardening the surface of a metal material, and a solid carburizing method using charcoal or the like, a gas carburizing method using carbon monoxide gas, hydrocarbon gas, or the like are known. However, since the solid carburizing method needs to be carburized at a high temperature, there is a problem that the crystal grains of the material subjected to the carburizing process are coarsened and the strength of the material is likely to be reduced. On the other hand, since expensive equipment is required to carry out the gas carburizing method, there is a problem that the cost for the carburizing process is easily increased. Therefore, a carburizing method that can obtain a high-strength carburizing material while suppressing the manufacturing cost is desired.

本発明者らは、かかる観点から鋭意検討を重ねた結果、フラーレン類を炭素源として用いれば、従来よりも低温の温度環境下であっても鉄系金属材料に浸炭処理を施すことが可能になるという知見を得て、本発明を完成させた。   As a result of intensive investigations from such a viewpoint, the present inventors can carburize iron-based metal materials even under a temperature environment lower than conventional temperature when fullerenes are used as a carbon source. As a result, the present invention was completed.

以下、本発明を図面に示す実施形態に基づき詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments shown in the drawings.

１．本発明にかかる鉄系金属材料
図１は、本発明にかかる金属材料の形態例を概略的に示す断面図である。図示のように、本発明にかかる鉄系金属材料１０は、母材としての鉄系金属材料１の表面にフラーレン類を炭素源とする浸炭処理が施されることにより、その表面に硬化層（以下において、「表面浸炭層」と記述することがある。）２が形成されている。 1. FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing an example of a form of a metal material according to the present invention. As shown in the figure, the iron-based metal material 10 according to the present invention is subjected to carburizing treatment using fullerenes as a carbon source on the surface of the iron-based metal material 1 as a base material. Hereinafter, it may be described as “surface carburized layer.”) 2 is formed.

本発明にかかるフラーレン類、浸炭処理が施される母材としての鉄系金属材料１、及び、アモルファスカーボン層について、以下に説明する。   The fullerenes according to the present invention, the ferrous metal material 1 as a base material to be carburized, and the amorphous carbon layer will be described below.

１．１．フラーレン類
フラーレンは、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、のほか、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、及び、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、容易に製造が可能である等の観点から、フラーレンの混合品、又はＣ６０を用いることが好ましい。さらにフラーレン類を用いることも可能である。 1.1. Fullerenes Fullerenes are carbon clusters in which carbon atoms form a hollow closed-shell structure, and the number of carbons forming the closed-shell structure is usually an even number from 60 to 130. Specific examples of fullerene include C60, C70, C76, C78, C82, C84, C90, C94, and C96, and higher-order carbon clusters having more carbon than these. In the present invention, each of these fullerenes and a mixture of the above fullerenes can be used as appropriate, and the number of carbons is not particularly limited, but from the viewpoint of easy production, etc. It is preferable to use a mixed product or C60. Further, fullerenes can be used.

１．２．母材としての鉄系金属材料
図１では、母材としての鉄系金属材料１の表面に硬化層２が形成されている形態を示したが、本発明において、フラーレン類を炭素源として用いる浸炭処理が施される母材としての鉄系金属材料は、鉄系金属材料であれば、特に限定されるものではなく、その具体例としては、いわゆる純鉄（Ｆｅの他に、不可避的不純物を含有するものも含む。）や、合金鋼等を挙げることができる。本発明において、母材としての鉄系金属材料１として、合金鋼を用いる場合、当該合金鋼に添加され得る添加元素の具体例としては、Ｃ、Ｎ、Ｐ、Ｓ、Ｓｉ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｗ、Ｖ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｃｏ、Ｚｒ、Ｈｆ等を挙げることができる。そして、かかる母材としての鉄系金属材料１に、浸炭処理を施すことにより、本発明にかかる鉄系金属材料１０とすることが可能になる。 1.2. FIG. 1 shows a form in which a hardened layer 2 is formed on the surface of an iron-based metal material 1 as a base material. In the present invention, carburization using fullerenes as a carbon source. The iron-based metal material as a base material to be treated is not particularly limited as long as it is an iron-based metal material. Specific examples thereof include so-called pure iron (in addition to Fe, inevitable impurities). Including those contained), and alloy steel. In the present invention, when an alloy steel is used as the ferrous metal material 1 as a base material, specific examples of additive elements that can be added to the alloy steel include C, N, P, S, Si, Mo, Ni, Examples include Cr, Cu, Mn, Zn, Al, Ti, W, V, Ta, Nb, Co, Zr, and Hf. And it becomes possible to set it as the iron-type metal material 10 concerning this invention by performing the carburizing process to the iron-type metal material 1 as this base material.

１．３．アモルファスカーボン層
図１に示す鉄系金属材料１０の最表面（硬化層２の表面）に、さらにアモルファスカーボン層（不図示）を形成させることが可能である。このアモルファスカーボン層は、硬化層２が形成される際に使用されずに残った上記フラーレン類同士が、３００℃以上の温度環境下で反応して変質することにより形成される層である。本発明にかかるアモルファスカーボン層は、ラマンスペクトル測定において、元のフラーレン類に由来するピークが観察されなければ、その形態は特に限定されるものではないが、ラマンスペクトル測定において、アモルファスカーボンの特徴である１２００〜１６００ｃｍ−１付近にブロードなピークが観測される形態であることが好ましい。 1.3. Amorphous Carbon Layer An amorphous carbon layer (not shown) can be further formed on the outermost surface (the surface of the hardened layer 2) of the iron-based metal material 10 shown in FIG. This amorphous carbon layer is a layer formed by the above-described fullerenes that are not used when the hardened layer 2 is formed react with each other in a temperature environment of 300 ° C. or more and change in quality. The shape of the amorphous carbon layer according to the present invention is not particularly limited unless a peak derived from the original fullerenes is observed in the Raman spectrum measurement. It is preferable that a broad peak is observed in the vicinity of a certain 1200 to 1600 cm −1 .

２．浸炭処理された金属材料の構造
本発明にかかる鉄を主成分とする金属材料１０は、当該材料の炭素濃度がその中心部に比べて高い表面浸炭層２を有し、かつ当該材料の最表面にアモルファスカーボン層を有することを特徴とする金属材料である。表面浸炭層２とは、母材としての鉄系金属材料１の最表面から垂直距離で１μｍ、好ましくは１０μｍ、さらに好ましくは５０μｍ内部までの範囲をいう。この層の厚さ（深さ）の上限は５ｍｍ、好ましくは１ｍｍである。また、「材料の最表面」とは母材としての金属材料１の表面をいい、アモルファスカーボン層の表面を意味しない。すなわち、母材としての金属材料１とアモルファスカーボン層との境界面である。 2. Structure of carburized metal material The metal material 10 mainly composed of iron according to the present invention has a surface carburized layer 2 in which the carbon concentration of the material is higher than that of the central portion, and the outermost surface of the material. It is a metal material characterized by having an amorphous carbon layer. The surface carburized layer 2 refers to a range of 1 μm, preferably 10 μm, more preferably 50 μm in the vertical distance from the outermost surface of the iron-based metal material 1 as a base material. The upper limit of the thickness (depth) of this layer is 5 mm, preferably 1 mm. The “outermost surface of the material” means the surface of the metal material 1 as a base material and does not mean the surface of the amorphous carbon layer. That is, it is a boundary surface between the metal material 1 as a base material and the amorphous carbon layer.

鉄を主成分とする金属材料１０の中心部と表面浸炭層２との炭素濃度の比較は、鉄系金属材料１０を切断し、その断面についてアルミナによる鏡面研磨を行った後、電子プローブマイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）を用いて炭素原子分布を測定することによって行うことができる。この場合、中心部の炭素濃度と表面浸炭層２の炭素濃度を比較する点分析、表面浸炭層２から中心部への炭素濃度分布を求める線分析、また炭素濃度の分布について全体が２次元で見ることができる面分析のどの方法を用いても良い。また、アモルファスカーボン層の膜厚は、特に限定はないが、１μｍ以上、好ましくは５μｍ以上である。   For comparison of the carbon concentration between the central portion of the metal material 10 containing iron as a main component and the surface carburized layer 2, the iron-based metal material 10 is cut and the cross section is mirror-polished with alumina, and then an electron probe microanalyzer. (EPMA) can be used to measure the carbon atom distribution. In this case, a point analysis comparing the carbon concentration in the central portion with the carbon concentration in the surface carburized layer 2, a line analysis for determining the carbon concentration distribution from the surface carburized layer 2 to the central portion, and the distribution of the carbon concentration as a whole in two dimensions. Any method of surface analysis that can be seen may be used. The film thickness of the amorphous carbon layer is not particularly limited, but is 1 μm or more, preferably 5 μm or more.

本発明にかかる鉄系金属材料１０の製造方法の一例について、以下に説明する。   An example of the method for producing the iron-based metal material 10 according to the present invention will be described below.

３．鉄系金属材料の製造方法
図２は、本発明の実施形態にかかる鉄系金属材料１０の製造方法を示す工程図である。図示のように、本発明の製造方法には、浸炭処理工程Ｓ１０と、焼入れ処理工程Ｓ２０とが備えられている。以下においては、フラーレン類のうち、フラーレンを代表して説明する。 3. Manufacturing Method of Iron-Based Metal Material FIG. 2 is a process diagram showing a manufacturing method of the iron-based metal material 10 according to the embodiment of the present invention. As shown in the figure, the manufacturing method of the present invention includes a carburizing process S10 and a quenching process S20. Below, fullerene is demonstrated on behalf of fullerenes.

３．１．浸炭処理工程（工程Ｓ１０）
本発明にかかる浸炭処理工程Ｓ１０は、母材としての鉄系金属材料１、例えば低炭素鋼の表面に、炭素源としてのフラーレンを接触させてフラーレン付き低炭素鋼とする、炭素源接触工程Ｓ１１と、低炭素鋼を加熱してその表面に表面浸炭層２を形成させる加熱工程Ｓ１２と、を備えている。 3.1. Carburizing process (process S10)
The carburizing treatment step S10 according to the present invention is a carbon source contact step S11 in which a fullerene as a carbon source is brought into contact with the surface of an iron-based metal material 1 as a base material, for example, a low carbon steel to form a full carbon with low carbon. And heating process S12 which heats low carbon steel and forms surface carburized layer 2 on the surface is provided.

（ｉ）炭素源接触工程（工程Ｓ１１）
本発明において、母材としての鉄系金属材料１（以下において、単に「母材」と記述することがある。）の表面にフラーレンを接触させる方法は、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良い。当該接触方法の具体例としては、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型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、若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溶解させたフラーレンを母材表面に塗布する方法、及び、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。 (I) Carbon source contact process (process S11)
In the present invention, the method for bringing fullerene into contact with the surface of the iron-based metal material 1 (hereinafter sometimes simply referred to as “base metal”) as a base material is not particularly limited. Any method may be used as long as the base material can be contacted. Specific examples of the contact method include a method of sprinkling fullerene powder on the surface of the base material, a method of hermetically filling the base material in the fullerene powder, a method of rubbing the molded fullerene molded body on the surface of the base material, water or organic A method of spraying fullerene dispersed or dissolved in a solvent onto the surface of the base material, a method of applying the dissolved fullerene to the surface of the base material using a brush or the like, and forming a fullerene film on the surface of the base material by vacuum deposition Methods, etc.

（ｉｉ）加熱工程（工程Ｓ１２）
本発明において、フラーレンを接触させた材料を加熱する温度は、母材表面に表面浸炭層を形成可能な温度であれば特に限定されるものではないが、その具体例としては上限が９００℃、好ましくは８００℃である。この上限を超えると余分なエネルギーを消費することになり不経済である。また下限は３００℃、好ましくは５００℃、さらに好ましくは５５０℃の温度を挙げることができる。この下限を下回ると浸炭が十分でない。ただし、母材の結晶粒粗大化を防止して強度の低下を抑制する等の観点からは、表面浸炭層を形成し得る温度範囲内で可能な限り低温とすることが好ましい。なお、加熱工程の温度、及び、当該工程を実施する時間は、表面浸炭層２が形成される母材としての鉄系金属材料１の性質（組成、結晶構造等）や、希望する浸炭深さ（上記表面浸炭層の深さ）によって異なる。ただし、高温環境下における長時間の焼成は、結晶粒粗大化を招く。そのため、強度の低下を抑制する等の観点から、加熱工程の時間は短時間とすることが好ましい。 (Ii) Heating step (step S12)
In the present invention, the temperature for heating the material in contact with the fullerene is not particularly limited as long as the surface carburized layer can be formed on the surface of the base material, but as an example, the upper limit is 900 ° C., Preferably it is 800 degreeC. Exceeding this upper limit consumes extra energy, which is uneconomical. The lower limit is 300 ° C, preferably 500 ° C, and more preferably 550 ° C. Below this lower limit, carburization is not sufficient. However, from the viewpoint of preventing the coarsening of crystal grains of the base material and suppressing the decrease in strength, the temperature is preferably as low as possible within the temperature range where the surface carburized layer can be formed. Note that the temperature of the heating process and the time for performing the process depend on the properties (composition, crystal structure, etc.) of the ferrous metal material 1 as a base material on which the surface carburized layer 2 is formed, and the desired carburization depth. It depends on (depth of the surface carburized layer). However, prolonged firing in a high temperature environment leads to coarsening of crystal grains. Therefore, it is preferable that the time of the heating step is a short time from the viewpoint of suppressing the decrease in strength.

母材表面に接触させたフラーレンが、加熱工程において母材と反応することで、表面浸炭層が形成される。ところが、一般に、母材表面に接触させた全てのフラーレンが母材と反応するのは稀であり、通常は、その一部のみが反応し、残りのフラーレンは母材と反応せずに母材表面に留まる。一方、雰囲気を窒素雰囲気やアルゴン雰囲気等の不活性雰囲気、又は、水素雰囲気や水素／窒素雰囲気等の還元雰囲気にするとともに、温度を３００℃以上にすると、フラーレン同士が反応して変質し、アモルファスカーボン膜が形成される。そこで、上記加熱工程を、不活性雰囲気下、又は、還元雰囲気下で行えば、浸炭処理された金属材料の表面に留まったフラーレンを反応させて、アモルファスカーボン層を形成させることが可能になる。かかるアモルファスカーボン層は、鉄系金属材料１０との密着性に優れているため、鉄系金属材料１０の表面保護層として作用させることが可能になる。   The fullerene brought into contact with the base material surface reacts with the base material in the heating step, whereby a surface carburized layer is formed. However, in general, it is rare that all fullerenes brought into contact with the surface of the base material react with the base material. Normally, only a part of the fullerene reacts and the remaining fullerene does not react with the base material. Stay on the surface. On the other hand, when the atmosphere is an inert atmosphere such as a nitrogen atmosphere or an argon atmosphere, or a reducing atmosphere such as a hydrogen atmosphere or a hydrogen / nitrogen atmosphere, and the temperature is set to 300 ° C. or higher, the fullerenes react with each other to change in quality. A carbon film is formed. Therefore, if the heating step is performed in an inert atmosphere or a reducing atmosphere, it is possible to react fullerene remaining on the surface of the carburized metal material to form an amorphous carbon layer. Such an amorphous carbon layer is excellent in adhesiveness with the iron-based metal material 10, and thus can function as a surface protective layer of the iron-based metal material 10.

他方、上記加熱工程を、酸素雰囲気や大気雰囲気等の酸化雰囲気下で行えば、鉄系金属材料１０と反応しなかったフラーレンが燃焼するため、アモルファスカーボン層を備えない形態の鉄系金属材料１０を製造することができる。このほか、例えば、不活性雰囲気下で加熱工程を施した後、さらに酸化雰囲気下で加熱処理を施せば、より厚い表面浸炭層を備える一方、アモルファスカーボン層を備えない形態の、鉄系金属材料を製造することができる。   On the other hand, if the heating step is performed in an oxidizing atmosphere such as an oxygen atmosphere or an air atmosphere, the fullerene that has not reacted with the iron-based metal material 10 burns, and thus the iron-based metal material 10 without the amorphous carbon layer. Can be manufactured. In addition to this, for example, an iron-based metal material having a thicker surface carburized layer and no amorphous carbon layer when subjected to a heating process in an inert atmosphere and further in an oxidizing atmosphere. Can be manufactured.

このように、本発明によれば、炭素源としてフラーレン類を用いることにより、従来よりも低温で反応を進行させることが可能になる。そのため、浸炭処理による結晶粒粗大化を防止することが可能になり、微細結晶粒を有する浸炭処理材を製造することが可能になる。したがって、本発明によれば、今までにない強度・靭性等の特性を有する、鉄系金属材料１０を作り出すことが可能になる。   Thus, according to the present invention, by using fullerenes as a carbon source, it becomes possible to proceed the reaction at a lower temperature than before. Therefore, it becomes possible to prevent the coarsening of the crystal grains due to the carburizing process, and it becomes possible to manufacture a carburized material having fine crystal grains. Therefore, according to this invention, it becomes possible to produce the iron-type metallic material 10 which has characteristics, such as unprecedented intensity | strength and toughness.

３．２．焼入れ処理工程（工程Ｓ２０）
図示の実施形態にかかる本発明の製造方法では、上記浸炭処理工程Ｓ１０の後に、焼入れ処理工程Ｓ２０が備えられている。本工程Ｓ２０は、少なくとも、上記浸炭処理工程Ｓ１０により浸炭処理された材料（浸炭処理材）を急冷する、急冷工程が備えられている。 3.2. Quenching process (process S20)
In the manufacturing method of the present invention according to the illustrated embodiment, a quenching process S20 is provided after the carburizing process S10. This process S20 is provided with a quenching process that quenches at least the material carburized by the carburizing process S10 (carburized material).

常温において体心立方構造（ｂｃｃ構造）を有する上記母材としての鉄系金属材料１のフェライト相は、オーステナイト化温度以上にまで加熱されると、面心立方構造（ｆｃｃ構造）を有するオーステナイト相へと変化する。そして、当該オーステナイト相領域にまで加熱された母材を、例えば室温程度の水等を用いて急冷すると、マルテンサイト変態を起こし、体心正方晶構造を有するマルテンサイト相へと変化する。このように、高温に加熱した鉄系金属材料を急冷する焼入れ処理を施すと、当該材料内部の靭性を維持しつつ、その表面に硬化層を形成することが可能になる。そのため、本実施形態にかかる浸炭処理方法には、浸炭処理工程Ｓ１０と焼入れ処理工程Ｓ２０とが備えられている。   When the ferrite phase of the iron-based metal material 1 having the body-centered cubic structure (bcc structure) at room temperature is heated to an austenitizing temperature or higher, the austenite phase having a face-centered cubic structure (fcc structure) is obtained. To change. And when the base material heated to the said austenite phase area | region is rapidly cooled, for example using water etc. of about room temperature, a martensitic transformation will occur and it will change to the martensitic phase which has a body center tetragonal structure. Thus, when the quenching process which quenches the iron-type metallic material heated at high temperature is performed, it becomes possible to form a hardened layer on the surface, maintaining the toughness inside the said material. Therefore, the carburizing method according to the present embodiment includes a carburizing process S10 and a quenching process S20.

ここで、上記オーステナイト化温度は、材料組成によって異なる。例えば、鉄に０．８質量％の炭素が固溶している場合には、８００℃前後にまで加熱した後、急冷（焼入れ）することにより、表面を硬化させることが可能になる。なお、焼入れ処理のみでは、材料が脆化することがある。そのため、材料強度と脆性とのバランスを調整する等の観点から、材料の用途・目的に応じて、焼き戻し処理を施すことが好ましい。焼入れ後に焼き戻しを行う場合、当該焼き戻し温度の具体例としては、１００℃〜７００℃等を挙げることができる。また、本発明にかかる製造方法では、これらの焼入れ処理及び焼き戻し処理が繰り返し行われても良い。   Here, the austenitizing temperature varies depending on the material composition. For example, when 0.8 mass% of carbon is dissolved in iron, the surface can be hardened by heating to around 800 ° C. and then rapidly cooling (quenching). Note that the material may be embrittled only by quenching. Therefore, from the viewpoint of adjusting the balance between material strength and brittleness, it is preferable to perform tempering treatment according to the use and purpose of the material. When tempering is performed after quenching, specific examples of the tempering temperature include 100 ° C to 700 ° C. In the manufacturing method according to the present invention, these quenching and tempering processes may be repeated.

なお、本実施形態にかかる説明では、浸炭処理工程Ｓ１０の後に焼入れ処理工程Ｓ２０が備えられている形態について記述したが、本発明は当該形態に限定されるものではなく、焼入れ処理工程Ｓ２０が備えられない形態であっても良い。ただし、浸炭処理により形成された表面層を硬化させる等の観点からは、浸炭処理工程後に焼入れ処理工程が備えられる形態とすることが好ましい。   In the description according to the present embodiment, the form in which the quenching process S20 is provided after the carburizing process S10 is described, but the present invention is not limited to the form, and the quenching process S20 is provided. It may be a form that is not possible. However, from the viewpoint of curing the surface layer formed by the carburizing process, it is preferable that the quenching process is provided after the carburizing process.

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。   Hereinafter, the present invention will be specifically described by way of examples. In addition, this invention is not limited to the form of the Example shown below, unless the summary is exceeded.

１．試料の準備
フラーレン混合品（ナノムミックス。「ナノムミックス」は、フロンティアカーボン株式会社の登録商標。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、浸炭処理を施される鉄系金属材料としては、純鉄（純度９９．９９％）を、１０ｍｍ×１０ｍｍ×２ｍｍの大きさに切り出し、アルミナを用いてその表面を鏡面研磨して得られる鉄片を使用した。 1. Preparation of sample Fullerene mixed product (Nanomumix. “Nanomumix” is a registered trademark of Frontier Carbon Co., Ltd. C60 is 61% by mass, C70 is 25% by mass, and other fullerenes having a high molecular weight are 14% by mass.) A fullerene molded body was obtained by compression molding to a size of 5 mm × 5 mm × 30 mm. On the other hand, as an iron-based metal material subjected to carburizing treatment, pure iron (purity 99.99%) is cut into a size of 10 mm × 10 mm × 2 mm and the surface thereof is obtained by mirror polishing using alumina. An iron piece was used.

２．試料の作製
２．１．試料１（実施例１）
鉄片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、フラーレンを付着させた鉄片を３００℃に加熱した炉へ入れ、アルゴン雰囲気中１３３分間で７００℃まで昇温して３時間に亘って保持した後、加熱を止めた炉内で１０時間に亘って冷却した。その後、かかる浸炭処理が施された鉄片を炉外へと取り出し、当該鉄片表面をアルコールで洗浄することにより、実施例１にかかる試料１を作製した。なお、以下において、試料１の作製工程を、「実施例１の工程」と記述する。 2. Preparation of sample 2.1. Sample 1 (Example 1)
The fullerene molded body was rubbed on the iron piece surface to form a brown fullerene film, thereby attaching the fullerene to the iron piece surface. Then, the iron piece to which fullerene was adhered was put into a furnace heated to 300 ° C., heated to 700 ° C. in 133 minutes in an argon atmosphere, held for 3 hours, and then heated for 10 hours in the furnace where heating was stopped. Cooled over. Then, the sample 1 concerning Example 1 was produced by taking out the iron piece which performed this carburizing process out of the furnace, and wash | cleaning the said iron piece surface with alcohol. Hereinafter, the manufacturing process of the sample 1 is described as “process of Example 1.”

２．２．試料２（実施例２）
実施例１にかかる浸炭処理材と同様の方法によりフラーレンを接触させた鉄片を３００℃に加熱した炉へ入れ、アルゴン雰囲気中１６７分間で８００℃まで昇温して３時間に亘って保持した後、水（約２０℃）の中へ入れることにより急冷した。その後、かかる浸炭処理が施された鉄片表面をアルコールで洗浄することにより、実施例２にかかる試料２を作製した。なお、以下において、試料２の作製工程を、「実施例２の工程」と記述する。 2.2. Sample 2 (Example 2)
After putting the iron piece in contact with the fullerene by the same method as the carburized material according to Example 1 into a furnace heated to 300 ° C., the temperature was raised to 800 ° C. in an argon atmosphere for 167 minutes and held for 3 hours. It was quenched by putting it in water (about 20 ° C.). Then, the sample 2 concerning Example 2 was produced by wash | cleaning the iron piece surface in which this carburizing process was performed with alcohol. Hereinafter, the manufacturing process of the sample 2 is described as “process of Example 2.”

２．３．試料３（実施例３）
実施例１にかかる浸炭処理材と同様の方法によりフラーレンを接触させた鉄片を常温の炉へ入れ、アルゴン雰囲気中２０分間で６００℃まで昇温して１時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、かかる浸炭処理が施された鉄片を炉外へと取り出し、当該鉄片表面をアルコールで洗浄することにより、実施例３にかかる試料３を作製した。なお、以下において、試料３の作製工程を、「実施例３の工程」と記述する。 2.3. Sample 3 (Example 3)
The iron piece contacted with the fullerene by the same method as the carburized material according to Example 1 was put into a furnace at room temperature, heated to 600 ° C. in an argon atmosphere for 20 minutes, held for 1 hour, and then heated. Cooled for 1 hour in a stopped furnace. Then, the iron piece which performed this carburizing process was taken out of the furnace, and the sample 3 concerning Example 3 was produced by wash | cleaning the said iron piece surface with alcohol. Hereinafter, the manufacturing process of the sample 3 is described as “process of Example 3.”

２．４．試料４（実施例４）
実施例１にかかる浸炭処理材と同様の方法によりフラーレンを接触させた鉄片を常温の炉へ入れ、アルゴン雰囲気中１８分間で５５０℃まで昇温して１時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、かかる浸炭処理が施された鉄片を炉外へと取り出し、当該鉄片表面をアルコールで洗浄することにより、実施例４にかかる試料４を作製した。なお、以下において、試料４の作製工程を、「実施例４の工程」と記述する。 2.4. Sample 4 (Example 4)
The iron piece contacted with the fullerene by the same method as the carburized material according to Example 1 was put into a furnace at room temperature, heated to 550 ° C. in an argon atmosphere for 18 minutes and held for 1 hour, and then heated. Cooled for 1 hour in a stopped furnace. Then, the sample 4 concerning Example 4 was produced by taking out the iron piece which performed this carburizing process out of the furnace, and wash | cleaning the said iron piece surface with alcohol. Hereinafter, the manufacturing process of the sample 4 is described as “process of Example 4.”

２．５．試料５（比較例１）
黒鉛粉末に鉄片を擦り付けることにより、鉄片上に黒鉛を付着させた。そして、黒鉛を付着させた鉄片を３００℃に加熱した炉へ入れ、以後は実施例１の工程と同様の過程を経ることにより、比較例１にかかる試料５を作製した。 2.5. Sample 5 (Comparative Example 1)
The graphite was deposited on the iron piece by rubbing the iron piece on the graphite powder. And the iron piece which adhered graphite was put into the furnace heated at 300 degreeC, and the sample 5 concerning the comparative example 1 was produced by passing through the process similar to the process of Example 1 after that.

２．６．試料６（比較例２）
黒鉛粉末に鉄片を擦り付けることにより、鉄片上に黒鉛を付着させた。そして、以後は実施例２の工程と同様の過程を経ることにより、比較例２にかかる試料６を作製した。 2.6. Sample 6 (Comparative Example 2)
The graphite was deposited on the iron piece by rubbing the iron piece on the graphite powder. Thereafter, the sample 6 according to the comparative example 2 was manufactured through the same process as the process of the example 2.

２．７．試料７（比較例３）
黒鉛粉末に鉄片を擦り付けることにより、鉄返上に黒鉛を付着させた。そして、以後は実施例３の工程と同様の過程を経ることにより、比較例３にかかる試料７を作製した。 2.7. Sample 7 (Comparative Example 3)
By rubbing an iron piece against the graphite powder, the graphite was adhered to the iron back. Thereafter, the sample 7 according to the comparative example 3 was manufactured through the same process as that of the example 3.

３．結晶構造解析
Ｘ線回折装置（PANalytical社製のX'Pert Pro MPD）を使用し、線源：ＣｕＫα、出力
：４０ｋＶ−３０ｍＡ、走査軸：θ／２θ、測定モード：Continuous、測定範囲：２θ＝５〜９０°、取り込み幅：０．０１５、計数時間：４０．５ｓｅｃの条件下で、上記浸炭処理材表面の結晶構造を解析した。 3. Crystal structure analysis Using an X-ray diffractometer (X'Pert Pro MPD manufactured by PANalytical), radiation source: CuKα, output
: 40 kV-30 mA, scanning axis: θ / 2θ, measurement mode: Continuous, measurement range: 2θ = 5-90 °, uptake width: 0.015, counting time: 40.5 sec. The crystal structure of was analyzed.

上記結晶構造解析により、試料１から、α鉄と、セメンタイト（Ｆｅ３Ｃ）のピークが確認された。すなわち、上記実施例１の工程により、浸炭処理材を作製可能であることが確認された。
一方、上記結晶構造解析により、試料２から、マルテンサイト構造のピークが観察された。すなわち、上記実施例２の工程によっても、浸炭処理材を作製可能であることが確認された。
さらに、上記結晶構造解析により、試料３から、α鉄と、セメンタイト（Ｆｅ３Ｃ）のピークが確認された。すなわち、上記実施例３の工程により、浸炭処理材を作成可能であることが確認された。
さらに、上記結晶構造解析により、試料４から、α鉄と、セメンタイト（Ｆｅ３Ｃ）のピークが確認された。すなわち、上記実施例４の工程により、浸炭処理材を作成可能であることが確認された。 From the crystal structure analysis, α iron and cementite (Fe 3 C) peaks were confirmed from Sample 1. That is, it was confirmed that the carburized material can be produced by the process of Example 1.
On the other hand, the peak of martensite structure was observed from Sample 2 by the crystal structure analysis. That is, it was confirmed that the carburized material can also be produced by the process of Example 2 described above.
Furthermore, the peak of α iron and cementite (Fe 3 C) were confirmed from the sample 3 by the crystal structure analysis. That is, it was confirmed that the carburized material can be produced by the process of Example 3 above.
Furthermore, the peak of α iron and cementite (Fe 3 C) were confirmed from the sample 4 by the crystal structure analysis. That is, it was confirmed that the carburized material can be created by the process of Example 4 above.

また、上記結晶構造解析により、試料５からα鉄のピークが確認された。すなわち、炭素源として黒鉛粉末を用いる上記比較例１にかかる条件では、浸炭処理を施された鉄片が得られなかった。
他方、上記結晶構造解析により、試料６からα鉄のピークが確認された。すなわち、炭素源として黒鉛粉末を用いる上記比較例２にかかる条件では、浸炭処理を施された鉄片が得られなかった。
さらに、上記結晶構造解析により、試料７からα鉄のピークが確認された。すなわち、炭素源として黒鉛粉末を用いる上記比較例３にかかる条件では、浸炭処理を施された鉄片が得られなかった。 Further, from the crystal structure analysis, the peak of α iron was confirmed from Sample 5. That is, the iron piece which performed the carburizing process was not obtained on the conditions concerning the said comparative example 1 which uses graphite powder as a carbon source.
On the other hand, the peak of α iron was confirmed from the sample 6 by the crystal structure analysis. That is, the iron piece which performed the carburizing process was not obtained on the conditions concerning the said comparative example 2 which uses graphite powder as a carbon source.
Furthermore, the peak of α iron was confirmed from the sample 7 by the crystal structure analysis. That is, the iron piece which performed the carburizing process was not obtained on the conditions concerning the said comparative example 3 which uses graphite powder as a carbon source.

すなわち、上記結晶構造解析結果により、本発明によれば、炭素源としてフラーレンを用いることで、従来よりも低温（５５０℃、６００℃、７００℃、８００℃）で、浸炭処理を施せることが確認された。   That is, according to the crystal structure analysis results, according to the present invention, it is confirmed that carburization can be performed at lower temperatures (550 ° C, 600 ° C, 700 ° C, 800 ° C) than before by using fullerene as a carbon source. It was done.

４．ラマンスペクトル測定
ラマン分光装置（日本分光社製のＮＲ−１８００）を用い、励起波長：Ａｒ ５１４ｎｍ、測定時間：６０ｓｅｃ×２回、分解能：約１４ｃｍ−１の条件下で、試料３及び試料６の最表面のラマンスペクトルを測定した。なお、試料３の表面には金属光沢がなく、黒く変色していた。これに対し、試料７は、アルコール洗浄時に黒鉛がはがれ、表面に金属光沢が見られた。 4). Raman spectrum measurement Using a Raman spectrometer (NR-1800 manufactured by JASCO Corporation), excitation wavelength: Ar 514 nm, measurement time: 60 sec × 2 times, resolution: about 14 cm −1 The Raman spectrum of the outermost surface was measured. Note that the surface of Sample 3 had no metallic luster and was discolored black. On the other hand, in Sample 7, the graphite peeled off during the alcohol washing, and the surface showed metallic luster.

上記ラマン分光装置によるラマンスペクトル測定により、試料３ではフラーレンのピークが観察されず、１２００〜１６００ｃｍ−１付近にブロードなアモルファスカーボンのピークが観察された。すなわち、上記実施例３の工程により、浸炭処理材の最表面にアモルファスカーボン層を形成可能であることが確認された。
他方、上記ラマン分光装置によるラマンスペクトル測定により、試料７ではアモルファスカーボンのピークが観察されなかった。すなわち、炭素源として黒鉛粉末を用いる上記比較例３にかかる条件では、アモルファスカーボン層を備える鉄片が得られなかった。 As a result of Raman spectrum measurement using the Raman spectroscope, no fullerene peak was observed in sample 3, and a broad amorphous carbon peak was observed in the vicinity of 1200 to 1600 cm −1 . That is, it was confirmed that the amorphous carbon layer can be formed on the outermost surface of the carburized material by the process of Example 3 above.
On the other hand, no amorphous carbon peak was observed in sample 7 by Raman spectrum measurement using the Raman spectroscope. That is, the iron piece provided with the amorphous carbon layer was not obtained under the conditions of Comparative Example 3 using graphite powder as the carbon source.

５．元素分布分析
電子プローブマイクロアナライザー（ＥＰＭＡ、ＪＥＯＬ社製のＪＸＡ−８１００）を用い、電子銃にＷエミッターを使用し、加速電圧：１５ｋＶ、照射電流：２０ｎＡ、ビーム径：１μｍの条件下で、試料３の元素分布分析を行った。結果を図３に示す。 5. Element distribution analysis Using an electron probe microanalyzer (EPMA, JXA-8100 manufactured by JEOL), using a W emitter as an electron gun, a sample under the conditions of acceleration voltage: 15 kV, irradiation current: 20 nA, beam diameter: 1 μm 3 element distribution analysis was performed. The results are shown in FIG.

試料３を切断し、断面をアルミナ研磨した後、上記ＥＰＭＡによる元素分布分析を行ったところ、図３に示すように、最表面から約１００μｍの深さまで炭素が浸入していた。すなわち、上記実施例３にかかる工程により、６００℃という低温で１００μｍまで浸炭が進行することが確認された。   After cutting the sample 3 and polishing the cross section with alumina, the element distribution analysis by the above EPMA was performed. As shown in FIG. 3, carbon had infiltrated from the outermost surface to a depth of about 100 μm. That is, it was confirmed that the carburization progressed to 100 μm at a low temperature of 600 ° C. by the process according to Example 3 above.

以上、現時点において、もっとも、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、請求の範囲及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浸炭処理された金属材料、及び当該金属材料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。   While the present invention has been described in connection with embodiments that are presently the most practical and preferred, the present invention is not limited to the embodiments disclosed herein. However, the present invention can be changed as appropriate without departing from the spirit or concept of the invention that can be read from the claims and the entire specification, and a carburized metal material with such a change, and a method of manufacturing the metal material are also included. It should be understood as being included within the scope of the present invention.

本発明にかかる鉄系金属材料の形態例を概略的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows roughly the example of the form of the iron-type metal material concerning this invention. 本発明の実施形態にかかる鉄系金属材料の製造方法を示す工程図である（ただし、アモルファスカーボン層の表示は省略した。）。It is process drawing which shows the manufacturing method of the iron-type metallic material concerning embodiment of this invention (however, the display of the amorphous carbon layer was abbreviate | omitted). 本発明の実施形態にかかる鉄系金属材料の炭素原子及び鉄原子の分布状態を測定した結果を示すチャートである。It is a chart which shows the result of having measured the distribution state of the carbon atom of the iron-type metallic material concerning embodiment of this invention, and an iron atom.

符号の説明Explanation of symbols

１ 母材としての鉄系金属材料
２ 硬化層（表面浸炭層）
１０ 鉄系金属材料 1 Ferrous metal material as base material 2 Hardened layer (surface carburized layer)
10 Iron-based metal materials

Claims (8)

フラーレン類を炭素源として用いる処理により、その表面が浸炭処理されていることを特徴とする、鉄を主成分とする金属材料。 A metal material mainly composed of iron, characterized in that its surface is carburized by a treatment using fullerenes as a carbon source. 前記浸炭処理が、３００℃以上９００℃以下の温度環境下で行われることを特徴とする、請求項１に記載の鉄を主成分とする金属材料。 The metal material having iron as a main component according to claim 1, wherein the carburizing treatment is performed in a temperature environment of 300 ° C. or more and 900 ° C. or less. 前記浸炭処理後に、さらに焼入れ処理が施されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の鉄を主成分とする金属材料。 The metal material having iron as a main component according to claim 1 or 2, wherein a quenching process is further performed after the carburizing process. 浸炭処理された前記表面の上に、前記フラーレン類が変質したアモルファスカーボン層を有することを特徴とする、請求項１又は３に記載の鉄を主成分とする金属材料。 4. The iron-based metal material according to claim 1 or 3, further comprising an amorphous carbon layer in which the fullerenes are altered on the carburized surface. 鉄を主成分とする金属材料であって、当該材料の炭素濃度がその中心部に比べて高い表面浸炭層を有し、かつ当該材料の最表面にアモルファスカーボン層を有することを特徴とする金属材料。 A metal material comprising iron as a main component, wherein the material has a surface carburized layer whose carbon concentration is higher than that of the central portion, and an amorphous carbon layer on the outermost surface of the material. material. フラーレン類を炭素源として用いる浸炭処理工程が備えられることを特徴とする、鉄を主成分とする金属材料の製造方法。 A method for producing a metal material containing iron as a main component, comprising a carburizing process using fullerenes as a carbon source. 前記浸炭処理工程が、３００℃以上９００℃以下の温度環境下で行われることを特徴とする、請求項６に記載の鉄を主成分とする金属材料の製造方法。 The said carburizing process process is performed in the temperature environment (300 degreeC or more and 900 degrees C or less), The manufacturing method of the metal material which has iron as a main component of Claim 6 characterized by the above-mentioned. 前記浸炭処理工程後に、さらに該浸炭処理工程により浸炭処理された金属材料を焼入れ処理する、焼入れ処理工程が備えられることを特徴とする、請求項６又は７に記載の鉄を主成分とする金属材料の製造方法。 The metal comprising iron as a main component according to claim 6 or 7, further comprising a quenching treatment step of quenching the metal material carburized by the carburizing treatment step after the carburizing treatment step. Material manufacturing method.
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