JP6061367B2 - Surface hardening method for ferritic graphite cast iron - Google Patents
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Description
本発明はフェライト系黒鉛鋳鉄材、特に フェライト系片状黒鉛鋳鉄材の表面硬化処理方法に関する。 The present invention relates to a surface hardening treatment method for a ferritic graphite cast iron material, particularly a ferritic flake graphite cast iron material.
基地組織がフェライトで黒鉛組織が片状黒鉛であるフェライト系片状黒鉛鋳鉄は、機械的性質が乏しい材料であるため、現状ではほとんど用途がないが、安価に製造できるため何らかの方法で機械的特性を向上させることができれば幅広い用途が考えられる。 Ferrite flake graphite cast iron, whose base structure is ferrite and graphite structure is flake graphite, is a material with poor mechanical properties. A wide range of applications can be considered if it can be improved.
従来、鋳鉄材の表面硬化処理方法としては、フレーム・ハードニング（炎焼入れ）法、下記特許文献１で知られるような高周波焼入れ法、電子ビーム焼入れ法、固体浸炭法、液体浸炭法などの手法が知られている。
Conventionally, surface hardening treatment methods for cast iron materials include frame hardening (flame quenching) method, induction hardening method, electron beam quenching method, solid carburizing method, liquid carburizing method and the like as known in
特開平１１−１２６４６号公報 Japanese Patent Laid-Open No. 11-12646
しかし、これらの方法には次のような問題がある。 However, these methods have the following problems.
フレーム・ハードニング法は、人手による作業が多く、加熱温度の制御が正確にできないために、均一な硬化層を得るには熟練を要する。またプロセス中に材料が高温に曝されるために変形し易いという欠点もある。したがって、工作機械の摺動部のような単純な形状の被焼入れ材や肉薄部品の局所焼入れに対しては非効率で適さないとされている。 The frame hardening method requires many skills to obtain a uniform cured layer because it requires many manual operations and the heating temperature cannot be accurately controlled. Another disadvantage is that the material is easily deformed because it is exposed to high temperatures during the process. Therefore, it is said that it is inefficient and unsuitable for a quenching material having a simple shape such as a sliding part of a machine tool or local quenching of a thin part.
高周波焼入れ法は、被焼入れ材に応じて条件を適切に組み合わせることによって焼入れ特性の調整を効率よく行うことができるが、形状に対する制限があるなど汎用性に乏しいという欠点がある。 The induction hardening method can efficiently adjust the quenching characteristics by appropriately combining the conditions according to the material to be hardened, but has a drawback that the versatility is poor because of restrictions on the shape.
電子ビーム焼入れ法は、真空を用いる不便さはあるが、酸化や脱炭などがなく、良好な結果を得ることができ、レーザ焼入れ法は、短時間に小さい面積で局所焼入れができ、ひずみの発生も少ないという特徴があるが、一旦溶融してしまうとチル化が起こり、割れが発生する。 Although the electron beam quenching method has the inconvenience of using a vacuum, there is no oxidation or decarburization, and good results can be obtained.The laser quenching method can perform local quenching in a small area in a short time, and strain can be reduced. Although it has a feature that the occurrence is small, once it is melted, chilling occurs and cracks occur.
また電子ビーム焼入れ法およびレーザ焼入れ法では自動化が可能であるという利点があるが、１億円を超える高価な設備を必要とし、中小企業による幅広い普及は困難である。 The electron beam quenching method and the laser quenching method have the advantage that they can be automated, but they require expensive facilities exceeding 100 million yen and are difficult to spread widely by small and medium enterprises.
以上に加えて、これらすべての表面硬化処理法では、前処理として１度パーライトにしない限り、フェライト系鋳鉄に焼入れをすることはできない。
本発明は上記の点にかんがみてなされたもので、フェライト系黒鉛鋳鉄材の表面を簡易に硬化できる表面硬化処理方法を提供することを目的とする。
In addition to the above, in all of these surface hardening treatment methods, it is impossible to quench the ferritic cast iron unless pearlite is used once as a pretreatment.
The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a surface hardening method that can easily harden the surface of a ferritic graphite cast iron material.
上記課題を解決するために、本発明は、フェライト系黒鉛鋳鉄材にツールを押圧させて回転させながら移動することにより鋳鉄材の基地組織中に炭素を拡散させ、その後ツール通過領域を急冷して材料に変態と組織の微細化を同時に引き起こさせるようにした。 In order to solve the above-mentioned problems, the present invention allows carbon to diffuse into the base structure of the cast iron material by pressing and rotating the ferrite-based graphite cast iron material and then rapidly cooling the tool passage region. The material was allowed to cause transformation and microstructure refinement at the same time.
具体的には、ツールの移動速度をV (mm／分)、ツールの回転速度をN（ｒｐｍ）、ツールの加圧荷重をL (kg)としたとき、
1500×3000／100 ＜ N×L／V ＜3500×3000／50
すなわち
45000 ＜ N×L／V ＜ 210000
を満足するように移動速度Vと回転速度Nと加圧荷重Lを選定するのが好ましい。
Specifically, when the moving speed of the tool is V (mm / min), the rotating speed of the tool is N (rpm), and the pressurizing load of the tool is L (kg),
1500 x 3000/100 <N x L / V <3500 x 3000/50
Ie
45000 <N × L / V <210000
It is preferable to select the moving speed V, the rotational speed N, and the pressure load L so as to satisfy the above.
ツールの加圧荷重を３０００ｋｇ、前進角を３°としたとき、ツールの移動速度を５０〜１５０ｍｍ／分、ツールの回転速度２4００〜３３００ｒｐｍとするのが好ましい。 When the pressurizing load of the tool is 3000 kg and the advance angle is 3 °, it is preferable that the moving speed of the tool is 50 to 150 mm / min and the rotating speed of the tool is 2400 to 3300 rpm.
またツールの加圧荷重を３０００ｋｇ、前進角を３°としたとき、ツールの移動速度を５０〜１００ｍｍ／分、ツールの回転速度を１５００〜２4００ｒｐｍとするのが好ましい。 Further, when the pressure load of the tool is 3000 kg and the advance angle is 3 °, it is preferable that the moving speed of the tool is 50 to 100 mm / min, and the rotating speed of the tool is 1500 to 2400 rpm.
さらに、ツールの加圧荷重を３０００ｋｇ、前進角を０°としたとき、ツールの移動速度を５０〜１５０ｍｍ／分、ツールの回転速度を９００〜１５００ｒｐｍとするのが好ましい。 Furthermore, when the pressurizing load of the tool is 3000 kg and the advance angle is 0 °, it is preferable that the moving speed of the tool is 50 to 150 mm / min and the rotating speed of the tool is 900 to 1500 rpm.
上記条件にツールのもう１つの条件つまりツールの直径D（ｍｍ）を入れると、好ましい選定条件は次のようになる。 If another condition of the tool, that is, the diameter D (mm) of the tool is included in the above conditions, the preferable selection condition is as follows.
1125000 ＜ N×L×D／V ＜ 5250000
1125000 <N x L x D / V <5250000
本発明によれば、本来機械的性質に乏しいフェライト系片状黒鉛鋳鉄材の表面を、高価な設備を使わずに、低コストで、熱変形の少ない状態で実用に供する程度に所望に高硬度化することができる。 According to the present invention, the surface of a ferritic flake graphite cast iron material, which is inherently poor in mechanical properties, has a desired high hardness so that it can be put into practical use at a low cost and with little thermal deformation without using expensive equipment. Can be
これにより本来的に製造コストの安いフェライト系片状黒鉛鋳鉄材の機械的な性質を必要に応じて部分的に改善でき、これまで高価な鋳鉄材のみしか使用できなかった製品用途に変えて幅広く使えるので、フェライト系片状黒鉛鋳鉄材の利用価値を著しく向上させることができる。 As a result, the mechanical properties of ferritic flake graphite cast iron material, which is inherently cheap to manufacture, can be partially improved as necessary. Since it can be used, the utility value of a ferritic flake graphite cast iron material can be remarkably improved.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
本発明の表面硬化処理方法は、ツールと呼ばれる工具を表面硬化処理しようとする材料に押し当てながら高速で回転させ、材料とツールとの間に生じる摩擦熱を利用して材料中の炭素を拡散させ、その後急冷して材料に変態と組織の微細化を同時に引き起こさせて表面硬化させるものである。 In the surface hardening treatment method of the present invention, a tool called a tool is rotated at a high speed while being pressed against the material to be surface hardened, and carbon in the material is diffused using frictional heat generated between the material and the tool. And then rapidly cooled to cause the material to undergo transformation and refinement of the structure at the same time to harden the surface.
図１は本発明による表面硬化処理方法を説明する図である。 FIG. 1 is a diagram for explaining a surface hardening treatment method according to the present invention.
図において、１は表面硬化処理しようとするフェライト系片状黒鉛鋳鉄の被処理材（例えばＦＣ１５０）、２は被処理材１に加圧状態で接触しながら回転し、移動するほぼ円柱状のツールで底面は平坦である。３はツール２に荷重を掛けながら回転、移動する工作機械などの駆動装置である。４はツール２が通過して硬化処理された処理部、５は処理部４が深さ方向に及んでいることを示す。被処理材２の底面に接触するツール２の底面は平坦である。実施例はすべて平坦だが、必ずしも平坦である必要はない。
図２はツール２を動作状態で示しており、ツール２は白矢印Ｄで示す方向に荷重を掛けられて被処理材１に押し付けられた状態で、図１に矢印Ａで示すように回転されながら矢印Ｂの方向に移動される。その際ツール２は被処理材１の表面に対して移動方向後方に角度(前進角という)θ（°）だけ傾斜させる。
In the figure, 1 is a ferritic flake graphite cast iron material to be surface-hardened (for example, FC150), 2 is a substantially cylindrical tool that rotates and moves while contacting the
FIG. 2 shows the
以下に本発明の実施例を説明する。 Examples of the present invention will be described below.
１．被処理材
被処理材であるフェライト系片状黒鉛鋳鉄材は、パーライト組織の片状黒鉛鋳鉄材を図３に示すような加熱変化させて焼きなまし処理をすることにより製造した。
1. Material to be treated The ferrite-type flake graphite cast iron material to be treated was produced by subjecting a flake graphite cast iron material having a pearlite structure to heat treatment as shown in FIG.
被処理材の化学分析値と寸法は次のとおりである。 The chemical analysis values and dimensions of the material to be treated are as follows.
化学分析値（重量％）
C Si Mn P S
３．０２ １．６０ ０．７５ ０．０７ ０．０４２
寸 法（ｍｍ）
長 さ 幅 厚 さ
１００ ３００ ５
被処理材の機械的性質は、ビッカース硬度１３０〜１８０HVであり、引張強さは１００N／ｍｍ２程度である。この被処理材であるフェライト系片状黒鉛鋳鉄を３％ナイタールによって腐食させた光学顕微鏡組織を図４に示す。
Chemical analysis value (wt%)
C Si Mn PS
3.02 1.60 0.75 0.07 0.042
Dimensions (mm)
Length Width Thickness
100 300 5
The mechanical properties of the material to be treated are Vickers hardness 130 to 180 HV, and the tensile strength is about 100 N / mm 2 . FIG. 4 shows an optical microstructure obtained by corroding the ferrite-based flake graphite cast iron, which is the material to be treated, with 3% nital.
２．ツール
材質は超硬合金（WC−６％Co）で、直径２５ｍｍ、長さ３０ｍｍの円柱で、底面が平坦である。（ツールに関しては、超硬合金以外にも、PCBN、Si3N4等のセラミックス、W合金、Ir合金等の高融点金属でも可能である。）
３．プロセス条件
（１）プロセス条件１
ツールの回転速度と移動速度を下記のように選び、ツールに掛ける荷重を３トンとし、ツールの底面を図５（ａ）に示すように移動方向前方が水平面より３°上方に傾けて（前進角３°）下記１０条件（実験番号１〜１０）について実験した。
2. Tool The material is cemented carbide (WC-6% Co), a cylinder with a diameter of 25 mm and a length of 30 mm, and a flat bottom. (With regard to tools, in addition to cemented carbide, ceramics such as PCBN and Si3N4, refractory metals such as W alloys and Ir alloys are also possible.)
3. Process condition (1)
The rotation speed and movement speed of the tool are selected as follows, the load applied to the tool is 3 tons, and the bottom of the tool is tilted 3 ° above the horizontal plane (forward) as shown in Fig. 5 (a) (
実験番号 回転速度（ｒｐｍ） 移動速度（ｍｍ／分）
１ ９００ （１）５０ （２）１００ （３）１５０
２ １２００ （１）５０ （２）１００ （３）１５０
３ １５００ （１）５０ （２）１００ （３）１５０
４ １８００ （１）５０ （２）１００ （３）１５０
５ ２１００ （１）５０ （２）１００ （３）１５０
６ ２４００ （１）５０ （２）１００ （３）１５０
７ ２７００ （１）５０ （２）１００ （３）１５０
８ ３０００ （１）５０ （２）１００ （３）１５０
９ ３３００ （１）５０ （２）１００ （３）１５０
１０ ３５００ （１）５０
（２）プロセス条件２
ツールの回転速度と移動速度を下記のように選び、ツールに掛ける荷重を３トン、ツールの前進角を０°として以下の３条件（実験番号１１〜１３）について実験した。
Experiment number Rotational speed (rpm) Moving speed (mm / min)
1 900 (1) 50 (2) 100 (3) 150
2 1200 (1) 50 (2) 100 (3) 150
3 1500 (1) 50 (2) 100 (3) 150
4 1800 (1) 50 (2) 100 (3) 150
5 2100 (1) 50 (2) 100 (3) 150
6 2400 (1) 50 (2) 100 (3) 150
7 2700 (1) 50 (2) 100 (3) 150
8 3000 (1) 50 (2) 100 (3) 150
9 3300 (1) 50 (2) 100 (3) 150
10 3500 (1) 50
(2)
The rotation speed and movement speed of the tool were selected as follows, the load applied to the tool was 3 tons, the advance angle of the tool was 0 °, and the following three conditions (experiment numbers 11 to 13) were tested.
実験番号 回転速度（ｒｐｍ） 移動速度（ｍｍ／分）
１１ ９００ （１）５０ （２）１００ （３）１５０
１２ １２００ （１）５０ （２）１００ （３）１５０
１３ １５００ （１）５０ （２）１００ （３）１５０
まずプロセス条件１について実験した後の被処理材の断面のカラー硬度分布図を実験番号順に図６〜図１４に示す。
Experiment number Rotational speed (rpm) Moving speed (mm / min)
11 900 (1) 50 (2) 100 (3) 150
12 1200 (1) 50 (2) 100 (3) 150
13 1500 (1) 50 (2) 100 (3) 150
First, color hardness distribution diagrams of the cross-sections of the materials to be processed after experimenting on the
図６(ａ)、（ｂ）、（ｃ）は実験番号１−（１）、１−（２）、１−（３）に対して得られた被処理材の断面の硬度をビッカース硬度で示すカラー硬度分布図である。 6 (a), 6 (b), and 6 (c) show the Vickers hardness in terms of the hardness of the cross section of the processed material obtained for the experiment numbers 1- (1), 1- (2), and 1- (3). It is a color hardness distribution diagram shown.
図７(ａ)、（ｂ）、（ｃ）は実験番号２−（１）、２−（２）、２−（３）に対して得られた被処理材の断面硬度をビッカース硬度で示すカラー硬度分布図である。 7 (a), 7 (b), and 7 (c) show the cross-sectional hardness of the workpieces obtained for the experiment numbers 2- (1), 2- (2), and 2- (3) in terms of Vickers hardness. It is a color hardness distribution diagram.
図８(ａ)、（ｂ）、（ｃ）は実験番号３−（１）、３−（２）、３−（３）に対して得られた被処理材の断面の硬度をビッカース硬度で示すカラー硬度分布図である。 8 (a), (b), and (c) show the Vickers hardness in terms of the hardness of the cross section of the processed material obtained for the experiment numbers 3- (1), 3- (2), and 3- (3). It is a color hardness distribution diagram shown.
図９(ａ)、（ｂ）、（ｃ）は実験番号４−（１）、４−（２）、４−（３）に対して得られた被処理材の断面の硬度をビッカース硬度で示すカラー硬度分布図である。 9 (a), 9 (b) and 9 (c) show the Vickers hardness in terms of the hardness of the cross section of the processed material obtained for the experiment numbers 4- (1), 4- (2) and 4- (3). It is a color hardness distribution diagram shown.
図１０(ａ)、（ｂ）、（ｃ）は実験番号５−（１）、５−（２）、５−（３）に対して得られた被処理材の断面の硬度をビッカース硬度で示すカラー硬度分布図である。 10 (a), 10 (b), and 10 (c) show the Vickers hardness in terms of the hardness of the cross section of the processed material obtained for the experiment numbers 5- (1), 5- (2), and 5- (3). It is a color hardness distribution diagram shown.
図１１(ａ)、（ｂ）、（ｃ）は実験番号６−（１）、６−（２）、６−（３）に対して得られた被処理材の断面の硬度をビッカース硬度で示すカラー硬度分布図である。 11 (a), 11 (b), and 11 (c) show the Vickers hardness in terms of the hardness of the cross section of the processed material obtained for the experiment numbers 6- (1), 6- (2), and 6- (3). It is a color hardness distribution diagram shown.
図１２(ａ)、（ｂ）、（ｃ）は実験番号７−（１）、７−（２）、７−（３）に対して得られた被処理材の断面の硬度をビッカース硬度で示すカラー硬度分布図である。 12 (a), 12 (b), and 12 (c) show the Vickers hardness in terms of the hardness of the cross section of the processed material obtained for Experiment Nos. 7- (1), 7- (2), and 7- (3). It is a color hardness distribution diagram shown.
図１３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は実験番号８−（１）、８−（２）、８−（３）に対して得られた被処理材の断面の硬度をビッカース硬度で示すカラー硬度分布図である。 FIGS. 13 (a), (b), and (c) show the Vickers hardness in terms of the hardness of the cross section of the processed material obtained for Experiment Nos. 8- (1), 8- (2), and 8- (3). It is a color hardness distribution diagram shown.
図１４(ａ)、（ｂ）、（ｃ）実験番号９−（１）、１−（２）、１−（３）に対して得られた被処理材の断面の硬度をビッカース硬度で示すカラー硬度分布図である。 14 (a), (b), and (c) The hardness of the cross section of the material to be processed obtained for Experiment Nos. 9- (1), 1- (2), and 1- (3) is shown as Vickers hardness. It is a color hardness distribution diagram.
各図には硬度の指標となるビッカース硬さHVのカラーバーをつけてあるが、このバーは右に行くほど黄色からオレンジ色、さらには赤に近いオレンジ色となり、バーの右端の硬度はビッカース硬さ約９００である。各図において、被処理材の表面近くの色とその広がりをこのカラーバーを参照してご覧いただきたい。 Each figure has a color bar of Vickers hardness HV, which is an index of hardness, but this bar changes from yellow to orange as it goes to the right, and further orange near red, and the hardness at the right end of the bar is Vickers The hardness is about 900. In each figure, please see the color near the surface of the material to be processed and its spread with reference to this color bar.
次にプロセス条件２について実験した後の被処理材の断面のカラー硬度分布図を実験番号順に図１５〜図１７に示す。
Next, color hardness distribution diagrams of the cross-sections of the materials to be processed after experimenting on the
図１５(ａ)、（ｂ）、（ｃ）は実験番号１１−（１）、１１−（２）、１１−（３）に対して得られた被処理材の断面の硬度をビッカース硬度で示すカラー硬度分布図である。 FIGS. 15A, 15B, and 15C show the Vickers hardness in terms of the hardness of the cross section of the processed material obtained for the experiment numbers 11- (1), 11- (2), and 11- (3). It is a color hardness distribution diagram shown.
図１６(ａ)、（ｂ）、（ｃ）は実験番号１２−（１）、１２−（２）、１２−（３）に対して得られた被処理材の断面の硬度をビッカース硬度で示すカラー硬度分布図である。 16 (a), (b) and (c) show the Vickers hardness of the cross section of the processed material obtained for the experiment numbers 12- (1), 12- (2) and 12- (3). It is a color hardness distribution diagram shown.
図１７(ａ)、（ｂ）、（ｃ）は実験番号１３−（１）、１３−（２）、１３−（３）に対して得られた被処理材の断面の硬度をビッカース硬度で示すカラー硬度分布図である。
各図には硬度の指標となるビッカース硬さHVのカラーバーをつけてある。
１．硬化度の考察
プロセス条件１に関し、一例として、実験番号８−（２）（ツールの回転速度が３０００ｒｐｍ、移動速度が１００ｍｍ／分、荷重が３トン、前進角が３°）の結果について考察すると、図１８（ｂ）、（ｃ）に示す表面硬化処理後の被処理材断面の異なる部分の顕微鏡組織から分かるように、材料表面近傍ではマルテンサイトが生成され、フェライト基地組織が変態せずに残った部分は少量である。これは回転速度の上昇による入熱量の増加が炭素の拡散を促進させ、微細なマルテンサイトの生成に影響したと言えよう。因みに、処理後のビッカース硬さは８８２．０HVであり、十分な硬化が得られた。
17 (a), (b), and (c) show the Vickers hardness of the cross-section hardness of the processed material obtained for Experiment Nos. 13- (1), 13- (2), and 13- (3). It is a color hardness distribution diagram shown.
Each figure has a color bar of Vickers hardness HV, which is an index of hardness.
1. Considering the degree of cure As an example, consider the results of experiment number 8- (2) (tool rotation speed is 3000 rpm, travel speed is 100 mm / min, load is 3 tons, advance angle is 3 °). 18 (b) and 18 (c), martensite is generated in the vicinity of the surface of the material without transformation of the ferrite matrix structure, as can be seen from the microscopic structure of the different cross-sections of the processed material after the surface hardening treatment. The remaining part is a small amount. It can be said that the increase in the heat input due to the increase in the rotational speed promoted the diffusion of carbon and affected the production of fine martensite. Incidentally, the Vickers hardness after the treatment was 882.0 HV, and sufficient curing was obtained.
プロセス条件２に関し、一例として、実験番号１２−（２）（ツールの回転速度が１２００ｒｐｍ、移動速度が１００ｍｍ／分、荷重が３トン、前進角が０°）の結果について考察すると、図１９（ｂ）、（ｃ）に示す表面硬化処理後の被処理材断面の異なる部分の顕微鏡組織から分かるように、材料表面の広範囲にマルテンサイトが生成され、フェライト基地組織が変態せずに残った部分は少量である。これは接触面積による摩擦熱の増加が炭素の拡散を促進させ、微細なマルテンサイトの生成に影響したと言えよう。因みに、処理後のビッカース硬さは９１９．７HVであり、十分な硬化が得られたことが分かる。
Regarding the
以上の結果をまとめると、表１のようになる。表中○は、表面に深さ０．２mm以上の範囲で十分な硬度が得られた、△は、表面硬化はしたが範囲が部分的なもの、×は、表面硬化が十分でないものであることを示している。
表１
プロセス条件１
実験番号 回転速度（ｒｐｍ） 移動速度（ｍｍ／分）
１ ９００ ×５０ ×１００ ×１５０
２ １２００ ×５０ ×１００ ×１５０
３ １５００ ○５０ ○１００ △１５０
４ １８００ ○５０ ○１００ △１５０
５ ２１００ ○５０ ○１００ △１５０
６ ２４００ ○５０ ○１００ ○１５０
７ ２７００ ○５０ ○１００ ○１５０
８ ３０００ ○５０ ○１００ ○１５０
９ ３３００ ○５０ ○１００ ○１５０
１０ ３５００ ×５０（バリ発生、大きな穴が形成）
プロセス条件２
実験番号 回転速度（ｒｐｍ） 移動速度（ｍｍ／分）
１１ ９００ ○５０ ○１００ △１５０
１２ １２００ ○５０ ○１００ ○１５０
１３ １５００ △５０ ○１００ ○１５０
The above results are summarized as shown in Table 1. In the table, ○ indicates that sufficient hardness was obtained in the range of a depth of 0.2 mm or more on the surface, Δ indicates surface hardening but partial range, and × indicates surface hardening is not sufficient It is shown that.
Table 1
Experiment number Rotational speed (rpm) Moving speed (mm / min)
1 900 x 50 x 100 x 150
2 1200 x 50 x 100 x 150
3 1500 ○ 50 ○ 100 △ 150
4 1800 ○ 50 ○ 100 △ 150
5 2100 ○ 50 ○ 100 △ 150
6 2400 ○ 50 ○ 100 ○ 150
7 2700 ○ 50 ○ 100 ○ 150
8 3000 ○ 50 ○ 100 ○ 150
9 3300 ○ 50 ○ 100 ○ 150
10 3500 x 50 (Burr generation, large hole formed)
Experiment number Rotational speed (rpm) Moving speed (mm / min)
11 900 ○ 50 ○ 100 △ 150
12 1200 ○ 50 ○ 100 ○ 150
13 1500 △ 50 ○ 100 ○ 150
すなわち摩擦攪拌プロセスによってフェライト系片状黒鉛鋳鉄中に微細なマルテンサイトを形成させ、１ｍｍ以上の深さで広範囲に８００HV以上の硬度を得ることが可能であることが判明した。 That is, it has been found that it is possible to form fine martensite in ferrite-based flake graphite cast iron by a friction stir process and obtain a hardness of 800 HV or more in a wide range at a depth of 1 mm or more.
広範囲に硬化層を得るためには、炭素の拡散に必要な十分な温度とマルテンサイトへの変態に必要な冷却速度を同時に満たす必要があり、実験結果から見る限り、そのプロセス条件としては、前進角が３°の場合はツールの回転速度が１５００ｒｐｍ〜２４００ｒｐｍで移動速度が５０〜１００ｍｍ／分、回転速度が２７００ｒｐｍ〜３３００ｒｐｍで移動速度が１００〜１５０ｍｍ／分であり、前進角が０°の場合はツールの回転速度が９００rpmで移動速度が５０〜１００ｍｍ／分、回転速度が１２００ｒｐｍで移動速度が５０〜１５０ｍｍ／分、回転速度が１５００ｒｐｍで移動速度が１００〜１５０ｍｍ／分であることが分かる。 In order to obtain a hardened layer in a wide range, it is necessary to satisfy the sufficient temperature necessary for carbon diffusion and the cooling rate necessary for transformation to martensite at the same time. When the angle is 3 °, the rotation speed of the tool is 1500 to 2400 rpm, the moving speed is 50 to 100 mm / min, the rotating speed is 2700 rpm to 3300 rpm, the moving speed is 100 to 150 mm / min, and the advance angle is 0 ° It can be seen that the rotation speed of the tool is 900 rpm, the moving speed is 50 to 100 mm / min, the rotating speed is 1200 rpm, the moving speed is 50 to 150 mm / min, the rotating speed is 1500 rpm, and the moving speed is 100 to 150 mm / min.
また、本結果は、板厚５mmの鋳鉄に対する結果であり、板厚がこれより大きい場合には、より入熱量を増加させる（すなわち、回転数を増加させる、移動速度を減少させる、荷重を増加させる、ツール径を大きくする）のが望ましく、板厚がこれより小さい場合には、より入熱量を減少させる（すなわち、回転数を減少させる、移動速度を増加させる、荷重を減少させる、ツール径を小さくする）のが望ましい。
２．ツール前進角との関係
次にツール前進角による実験時の被処理材表面の温度について考察する。
This result is for cast iron with a plate thickness of 5 mm. If the plate thickness is larger than this, the amount of heat input will be increased (that is, the rotational speed will be increased, the moving speed will be decreased, the load will be increased). If the plate thickness is smaller than this, it is preferable to reduce the heat input (i.e., reduce the number of revolutions, increase the moving speed, decrease the load, tool diameter) It is desirable to reduce the
2. Relationship with tool advance angle Next, the temperature of the surface of the workpiece during the experiment with the tool advance angle is considered.
温度は、被処理材の底面に穴を開け、被処理材の表面から０．５ｍｍの位置に熱電対を設置し、摩擦攪拌プロセスを実行した直後の温度を測定した。 The temperature was measured immediately after a hole was made in the bottom surface of the material to be processed, a thermocouple was installed at a position 0.5 mm from the surface of the material to be processed, and the friction stirring process was performed.
プロセス条件をツールの回転速度を１２００ｒｐｍ、移動速度を１００ｍｍ／分、荷重を３トンに固定して、前進角を３°（実験番号２−（２））と０（実験番号１２−（２））°について温度測定をした。つまり上記実験番号２−（２）と実験番号１２−(２)に該当する。 The process conditions were a tool rotation speed of 1200 rpm, a moving speed of 100 mm / min, a load fixed at 3 tons, and a forward angle of 3 ° (experiment number 2- (2)) and 0 (experiment number 12- (2). ) The temperature was measured in degrees. That is, it corresponds to the experiment number 2- (2) and the experiment number 12- (2).
図２０は経過時間に対する被処理材表面の温度変化を示す。最高到達温度は、前進角３°では５７０．６℃、前進角０°では８７０．０℃であった。マルテンサイトへのA1変態点(図中に水平な直線Aで示す)が７２３℃であるから、前進角３°に対する温度変化BはA1変態点には達しないが、前進角０°に対する温度変化CはA1変態点以上に上昇したことが分かる。A1変態点以上では変態が起こるため、被処理材表面の組織がマルテンサイトに変態したと考えられ、前進角０°が好ましいことが判明した。また、硬化部の表面も前進角が０°の方が平らで外観にすぐれたものになる。
３．ばりの発生
鋳鉄材に摩擦攪拌プロセスを行う際には、ばりの発生が問題となる。そこで上記プロセス条件１およびプロセス条件２の実験後にばり量を測定した。
FIG. 20 shows the temperature change of the surface of the material to be processed with respect to the elapsed time. The maximum temperature reached was 570.6 ° C. at an advance angle of 3 ° and 870.0 ° C. at an advance angle of 0 °. Since the A 1 transformation point to martensite (indicated by the horizontal straight line A in the figure) is 723 ° C, the temperature change B for the advance angle of 3 ° does not reach the A 1 transformation point, but for the advance angle of 0 ° temperature change C it can be seen that rises above the a 1 transformation point. Since the transformation occurs above the A 1 transformation point, it is considered that the structure of the surface of the material to be treated was transformed into martensite, and a forward angle of 0 ° was found to be preferable. Further, the surface of the hardened portion is also flatter and better in appearance when the advance angle is 0 °.
3. Generation of burrs Generation of burrs becomes a problem when performing a friction stir process on cast iron. Therefore, the amount of flash was measured after the experiment under the
図２１は回転ピッチ（ツール移動速度／ツール回転速度）とばり量との関係を示す。回転ピッチが増加するにつれてばり量は減少する。これは回転ピッチが増加することで入熱が小さくなり、軟化部が縮小するためである。前進角０°と３°を比較すると、前進角０°の方がばり量が多いことが分かる。それはツールが被処理材に触れる面積が前進角０°の方が大きくなるために温度が上昇した分ばり量の発生が増えると考えられる。
FIG. 21 shows the relationship between the rotation pitch (tool movement speed / tool rotation speed) and the amount of flash. The amount of flash decreases as the rotational pitch increases. This is because the heat input decreases as the rotation pitch increases, and the softened portion shrinks. Comparing the
図２２はツールの回転速度とばり量との関係を示す。前進角３°では回転速度が速いほどばり量が増えることがわかる。前進角０°ではばり量が回転速度に依存していないことが分かる。 FIG. 22 shows the relationship between the rotation speed of the tool and the amount of flash. It can be seen that at a forward angle of 3 °, the amount of flash increases as the rotational speed increases. It can be seen that the amount of flash does not depend on the rotational speed at the advance angle of 0 °.
以上の実験例では、被処理材に対するツールによる摩擦攪拌プロセスは１回であるが、２回以上繰り返すことにより幅広い領域を硬化することができる。 In the above experimental example, the friction stir process by the tool for the material to be treated is one time, but a wide region can be cured by repeating it twice or more.
またツールは底面が平坦なものを使用したが、本発明では、従来の摩擦攪拌プロセスで使用される底面中央に突起のあるツールを使用しても表面効果の効果があることが確認されている。 In addition, although a tool having a flat bottom surface was used, in the present invention, it has been confirmed that even if a tool having a protrusion at the center of the bottom surface used in the conventional friction stirring process is used, the effect of the surface effect is obtained. .
さらに、被処理材に対して外部からカーボン粒子を供給して摩擦攪拌プロセスを実施する方法も考えられる。カーボン粒子の供給方法としては、被処理材上の硬化したい部分にカーボンシートを貼り付ける方法、ペースト状に塗布する方法、スプレーによって炭素粒子を供給する方法、ツールの中心に穴をあけ、その穴に予めカーボン粒子を充填しておき、ツールの回転、移動とともにそのカーボン粒子をツールの被処理材との接触摩擦面に供給する方法、あるいはツール材に炭素を含有させ、ツールを消耗させながら移動する際にカーボンを供給する方法などが考えられる。 Furthermore, a method of performing a friction stirring process by supplying carbon particles from the outside to the material to be treated is also conceivable. The carbon particle supply method includes a method of sticking a carbon sheet to a portion to be cured on a material to be cured, a method of applying in a paste form, a method of supplying carbon particles by spraying, a hole in the center of a tool, and the hole A method of supplying carbon particles in advance to the contact friction surface of the tool with the material to be processed, or moving the tool while it is consumed, while the tool is rotating and moving. For example, a method of supplying carbon may be considered.
上記実験例では摩擦攪拌プロセスにおける被処理材の冷却は自然冷却によるものであるが、冷却に液体CO２、水または液体窒素などの冷媒を用いると、冷却速度を増加させることができるため、ツールの動作条件の範囲を大きく変えることができる。 In the above experimental example, the cooling of the material to be treated in the friction stir process is based on natural cooling, but if a coolant such as liquid CO 2 , water, or liquid nitrogen is used for cooling, the cooling rate can be increased. The range of operating conditions can be greatly changed.
また、広範囲にわたり硬化するためには、上記のプロセスを平行に多数回行えばよい。 Further, in order to cure over a wide range, the above process may be performed many times in parallel.
１ 被処理材
２ ツール
３ 加圧・回転・移動装置
４ 処理部
５ 深さ部
DESCRIPTION OF
Claims (1)
ツールの移動速度をＶ＝５０〜１５０（ｍｍ／分）、ツールの回転速度をＮ＝２４００〜３３００（ｒｐｍ）、ツールの加圧荷重をＬ＝３０００（ｋｇ）、ツール直径をＤ＝２５（ｍｍ）とし、移動速度Ｖと、回転速度Ｎとが、
１１２５０００＜Ｎ×Ｌ×Ｄ／Ｖ＜５２５００００
を満足することを特徴とする、フェライト系片状黒鉛鋳鉄材の表面硬化処理方法。 Ferritic graphite cast iron with FC150 or less, which diffuses carbon in the base structure of the cast iron by rotating the tool while pressing it at a forward angle of 3 ° and moving it to a ferrite based cast iron of FC150 or less. A surface hardening treatment method of
The moving speed of the tool is V = 50 to 150 (mm / min), the rotating speed of the tool is N = 2400 to 3300 (rpm), the pressing load of the tool is L = 3000 (kg), and the tool diameter is D = 25 ( mm), and the moving speed V and the rotational speed N are
1125000 <N × L × D / V <5250,000
A method for surface hardening a ferrite flake graphite cast iron material, characterized by satisfying
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