JP6771580B2 - 構造材 - Google Patents
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Description
本発明は、低合金鋼の疲労強度上昇のための表面改質手法とそれを用いて作製した構造材に関する。
鉄系素材において機械的特性、耐食性、機能性向上のための組織制御の手法として表面硬化法が検討されている。例えば、特許文献１では表面硬化法を用いて製造した転動部材を開示する。
特許文献１の転動部材では、マルテンサイトを母相とする第１焼入れ硬化層と、第１焼入れ硬化層より深い層に形成され、炭素が固溶されたマルテンサイト相およびベイナイト相の少なくとも一方を含有する母相中にセメンタイトが分散された第２焼入れ硬化層を具備する。特許文献１は強度向上を狙ったものであるが、特に疲労強度と耐摩耗性の面でさらなる向上が求められている。
本発明は、鉄及び炭素を含有する構造材であって、中心から表面に向かって、パーライトで構成する第１層、マルテンサイト及び炭化物の混合相で構成する第２層、炭化物で構成する第３層を有し、前記第３層の炭化物はMC（MはTi, V, Nb, Mo, Ta, Wの中の１つの元素）で示され、表面から中心に向かって、M元素濃度が減少する濃度勾配を有する。
このように３層構造を採用することにより、疲労強度と耐摩耗性が向上した構造材を提供することができる。この構造材を摺動材などへの適用することで、従来と比較して構造材全体の軽量化や高寿命化、信頼性向上を図ることができる。
代表とする安価な構造材として低合金鋼が挙げられる。低合金鋼は添加元素がCrやMoなどの遷移金属元素含有量を20ｗｔ％以下とした鉄炭素系材料である。このような低合金鋼はA1変態点をもち、炭化物の形態が変態点の高温側と低温側とで大きく異なる材料である。すなわち、A1変態点より高温側ではγ(オーステナイト)や炭化物が成長し、低温側ではα(フェライト)と炭化物が形成でき、低温側に保持すると層状の炭化物が成長しやすくなる。ここで炭化物とはM3Cが主であり、MはFeおよびCrやMoなどの遷移金属元素である。
炭化物の球状化のためには、層状炭化物の一部をγ相に溶解させ凝集することで表面エネルギー低下のために層状炭化物の分断が進行し、楕円形からさらに球状となる。球状化した炭化物以外の炭素はγ内に固溶する。このγ相からA1点以下でパーライトが成長し炭化物間に層状炭化物が形成され、さらにA1点より高温側に加熱することで層状炭化物が分断凝集する。このようなA1点の高温側と低温側で加熱冷却を繰り返すことで球状炭化物が成長する。なお、パーライトは層状組織でｂｃｃ構造のFe(α-Fe)とFe3Cが交互になった組織を意味する。
上記のように球状炭化物が成長し、その母地がγ相である温度範囲から急冷することにより母地をγ相からマルテンサイトと残留γ相の混合相に変態できる。マルテンサイト層の外側に高硬度の炭化物であるMC(MはTi, V, Nb, Mo, Ta, W の少なくとも1種)を形成するために浸炭工程の前にこれらのＭ元素を含有する粉末のスラリーを構造材表面に厚さ10-100μｍ塗布する。スラリーは粉末径10μｍ以下の不定形粉末とアルコール溶媒の混合体であり、大気中で複数回塗布する。その後乾燥、加熱し溶媒を蒸発させ、構造材のγ安定温度範囲に加熱する。この加熱によりＭ元素の一部が母材に拡散し、濃度勾配を形成する。次に一次浸炭によりMCが形成されるとともに母材側にも炭素が拡散する。
M元素が母材の表面から約10μｍまで拡散することにより後に成長するMCの密着性が高まり、かつM元素の拡散による母材側のγ結晶粒成長が抑制でき、粒界及び粒内にM元素を含有する炭化物が成長し、マルテンサイトのラスやパケット微細化に寄与するとともにき裂伝搬を抑制する。
上記浸炭時または浸炭後に窒素含有ガスを利用することで窒素マルテンサイトと炭窒素化合物の成長が可能となり、焼き戻し軟化抵抗の上昇や焼き入れ温度の低下による変形防止に寄与できる。
本発明では、構造材の最表面から内部に向かって層構成が次のように変化する。最表面にはMC(MはTi, V, Nb, Mo, Ta, W の少なくとも1種)あるいはMCN(MはTi, V, Nb, Mo, Ta, W の少なくとも1種)系炭窒化物が成長しており、その厚さは10μm以上である。この高硬度炭化物または炭窒素化合物の内側に密着性を高めるためにＭ元素の拡散層が形成されており、母地はマルテンサイトである。マルテンサイトには球状炭化物が分散して成長している。マルテンサイトは構造材中心部に向かうと減少し、パーライトまたはフェライトとパーライトの混合相となる。本発明ではマルテンサイト母地に炭化物が分散しており、この炭化物に含有するＭ元素の濃度が表面側で高く、中心側で低くなる。また表層ほどマルテンサイトの組織が細かくなる。
上記M元素含有炭化物の形成により摺動部品の寿命が大幅に改善できる。
実施例１〜４では、SCM420材を用いて構造材の特徴を説明するが、鉄及び炭化物を含んだものであれば寿命改善の効果を得られる。
なお、SCM420材はJIS規格で組成がＣ：０．１８〜０．２３、Ｓｉ：０．１５〜０．３５、Ｍｎ：０．６０〜０．９０、Ｐ：０．０３０以下、Ｓ：０．０３０以下、Ｎｉ：０．２５以下、Ｃｒ：０．９０〜１．２０、Ｍｏ：０．１５〜０．２５と定められており、実施例１〜４ではこの範囲を満たす１つの合金鋼を選択して用いた。
Tiをメタノール溶媒中で粉砕しTi粒子径が1-50μmの不定形とする。Ti粉砕粉を10ｗｔ％含有するメタノールをSCM420材(0.2wt%C, 0.3%Si, 0.7%Mn, 0.1%Cu, 0.1%Ni, 1.1%Cr, 0.2%Mo、残りFe)表面に大気中で塗布する。塗布後のTi厚さは200μmである。溶媒であるメタノールは蒸発乾燥させ、浸炭炉に挿入する。浸炭炉内を1Paまで真空排気後, Arで置換し炉内の雰囲気を清浄化する。
H2OおよびO2分圧を減少させその時間変化が最小になったことを確認後、加熱を開始する。10℃/minの速度で1100℃に加熱し1h保持後アセチレン(C2H2)ガスを導入する。アセチレンガスの導入により構造材の表面から内部に拡散する。さらに、構造材の表面のTi、構造材の表面から内部に拡散したTiの一部が炭化する。この炭化によりTiはTiCあるいはTiCNとなる。炭素濃度は表面の方が内部より高い。Tiは1100℃の温度で拡散し、SCM420の粒界や粒内に拡散する。
拡散したTiの一部は、アセチレン導入による炭素の拡散により，TiCを形成する。このTiCはSCM420のγ粒界で連続的に成長せず、粒状に成長する。1050℃での総炭素供給量はTiCとSCM420界面のSCM420側で1.2wt%である。
1100℃で浸炭されたTiCとSCM420は、850℃に再加熱され、再度アセチレンガスにより浸炭する。850℃での総炭素供給量は1050℃での供給量よりも少なく, TiCとSCM420の界面のSCM420側で炭素濃度は1.4wt%である。この浸炭により粒内に球状炭化物を成長させる。浸炭後に油焼き入れ焼き戻す。油の温度は100℃、焼き戻し温度は160℃である。
上記工程で製造した構造材の組織は、深さ方向において中心から表面に向かって、３層構造を有する。第１層はパーライト、第２層はマルテンサイト及び炭化物の混合物、第３層は炭化物で構成する。第１層にはさらにフェライトを含み、パーライトとフェライトの混合物としても良い。
炭化物を形成せずに浸炭焼き入れ焼き戻した場合と比較して、回転曲げ疲労試験による疲労寿命は本実施例では20倍となる。このような高疲労寿命となる要因を以下に示す。TiCやTiCNが表面に厚さ200μmで形成され、硬さは1500〜3000Hvである。このTiCやTiCNがSCM420に分散した領域がSCM420とTiC系膜の間に形成され，TiCやTiCNの密着性を高めている。粒状TiCの周囲にはマルテンサイト及び残留オーステナイトが形成され,マルテンサイトの硬さは800Hvである。粒状TiCは材料中心では認められず，Ti及び炭素の拡散によって成長したものであり、表面から中心部にかけてTiCの量は減少し，炭化物はTiC系よりもFe3C系が増加する。このような構成となるため、表層に摩耗しにくい高硬度のTiCあるいはTiCN系膜が成長していること、分散した高硬度TiCとその周囲の微細マルテンサイト、Fe3Cとその周囲のマルテンサイトによってき裂の発生及び伝搬が抑制されている。
SCM420材(0.2wt%C, 0.3%Si, 0.7%Mn, 0.1%Cu, 0.1%Ni, 1.1%Cr, 0.2%Mo 残りFe)の表面にAlを厚さ50μm蒸着後、Tiアセチルアセテートとフッ素を含有する溶液中でAlとTiの交換反応によってTiをめっきする。このTiめっき膜が成長したSCM420材を浸炭炉に挿入し、1100℃に加熱する。1100℃への加熱によりTiとSCM420の間で相互拡散が進み、TiはSCM420の粒界や粒内に拡散し一部はTiCとなる。Tiを拡散させた後，1050℃に降温しアセチレンを導入する。アセチレンの導入量は硬さが必要な深さと必要な組織（炭化物の量など）に依存するが、γ領域で1.2wt%まで炭素を導入させる。この一次浸炭で窒素ガス冷却によりSCM420の表層近傍で一部マルテンサイトを成長させる。このような冷却速度であればSCM420の粒界に10μmを超える炭化物は成長しない。
冷却後A1点（共析変態点）以上の温度に加熱し、γ結晶粒内に炭化物を析出させる。析出した炭化物から炭素がSCM420内部に向かって拡散し、炭素濃度が減少するのを抑えるためにアセチレンを導入し炭素を表面から拡散させる。アセチレンの導入により炭化物が成長し粒状炭化物がγ結晶粒界や粒内に分散して成長しその粒径は0.5〜2μmとなる。この時炭素はTiCを通してSCM420に拡散する。
上記工程で製造した構造材の組織は、深さ方向において中心から表面に向かって、３層構造を有する。第１層はパーライト、第２層はマルテンサイト及び炭化物の混合物、第３層は炭化物で構成する。第１層にはさらにフェライトを含み、パーライトとフェライトの混合物としても良い。
1200MPaでの回転曲げ試験でマルテンサイトのみ表層に形成したSCM420試験片と比較すると破断する繰り返し数で、本実施例の試験片は50倍となった。このように疲労試験における寿命が延びることが確認できた。本実施例の構造材は摺動材として高寿命が不可欠な部材に適用でき、特に自動車用トルク伝達部品や繰り返し稼働部、回転部などの部品に使用可能である。
本実施例のように疲労寿命を確保するために必要な構成を以下に示す。
（１）構造材は２つの炭化物を有する。第１の炭化物はTiCを主成分とする化合物であり、第２の炭化物はM3C（MはTi, Cr, Mo）を主とする化合物であり、少なくとも２種類存在する。
（２）第１の炭化物は構造材の最表面に層状に形成され、一部にTiCN系化合物あるいはTiN系化合物を含んでいる。
（３）VC、VCNまたはVNのビッカース硬さが1500〜3500の範囲である。
（４）第１の炭化物の厚さは10μm以上200μm以下の範囲である。
（５）第２層と第３層の密着性確保のため、第１の炭化物の構成元素の少なくとも一種が中心部に向かって濃度勾配を有し、かつ第１層及び第２層に拡散した構成元素の少なくとも一種は粒界あるいは粒内に化合物として成長していること。
（１）構造材は２つの炭化物を有する。第１の炭化物はTiCを主成分とする化合物であり、第２の炭化物はM3C（MはTi, Cr, Mo）を主とする化合物であり、少なくとも２種類存在する。
（２）第１の炭化物は構造材の最表面に層状に形成され、一部にTiCN系化合物あるいはTiN系化合物を含んでいる。
（３）VC、VCNまたはVNのビッカース硬さが1500〜3500の範囲である。
（４）第１の炭化物の厚さは10μm以上200μm以下の範囲である。
（５）第２層と第３層の密着性確保のため、第１の炭化物の構成元素の少なくとも一種が中心部に向かって濃度勾配を有し、かつ第１層及び第２層に拡散した構成元素の少なくとも一種は粒界あるいは粒内に化合物として成長していること。
上記構成についてさらに説明する。1）炭化物はTiCを主成分とする化合物と、M3C（MはTi, Cr, Mo）を主とする炭化物の少なくとも2種類が形成されている。表面にTiを塗布した後に熱処理工程に入るため、Tiは表面で多く材料内部では少ない。Tiの拡散距離は1100℃で約100μmであるため，母材の表面と100μm深さではTiの濃度が10：1程度になる。母材であるSCM420の表面近傍ではTiの濃度が大きく変化するため，表面からTiC, TiCN系化合物の体積率が減少する。母材表面から深さ10μｍではTiC, TiCNに加えてM3Cが認められる。このM3CのMにはCr, Mo, Tiが含有している。
Tiの濃度勾配が認められる深さ方向の距離は10μmから200μmの範囲である。このような濃度勾配は走査型電子顕微鏡による断面の組成分析、あるいはオージェ分析などで確認できる。Tiの濃度勾配を形成することで母材とTiC系層状膜との密着性が確保でき2000MPaで剥離しないTiC系膜により疲労寿命がTiC無の場合よりも50倍に向上する。
本実施例ではTiを塗布しているが、V, Nb, Mo, Ta, Wを塗布することでVC, NbC, MoC, TaC, WCが形成され、母材内部ではM3CのMにこれらの元素が置換した炭化物が形成される。
2）TiCを主とする炭化物は最表面で層状であり一部TiCN系あるいはTiN系化合物が認められ, 層状炭化物ではこれらの化合物の体積率はTiC>TiCN>TiNとなる。
3）上記TiC, TiCN あるいはTiNのビッカース硬さが1500〜3500の範囲であり、その厚さが10μm以上200μm以下の範囲であること。層状炭化物のビッカース硬さが1500未満の場合には、き裂が発生しやすくなり回転曲げ試験における寿命向上効果が顕著ではない。2000MPaにおける回転曲げ試験において、マルテンサイトのみの場合を1とするとTiを使用せずに所定の濃度・組織に制御して浸炭させた場合に5、Ti塗布後にTiC系層状炭化物を形成しかつ密着性を確保するためにTi拡散層を形成すると10〜50となる。このような飛躍的な寿命向上は層状炭化物(TiCなど)あるいは層状炭窒化物(TiCNなど),あるいは層状窒化物(TiNなど)のビッカース硬さが1500以上であることが必要であり、上記50倍の寿命向上には2500〜3000が望ましい。
4)表層炭化物の密着性確保のため，表層炭化物の構成元素の少なくとも一種が母材の中心部に向かってTiについて0.5%/μmから10%/μmの濃度勾配を有している。またSCM420に拡散したTiは粒界あるいは粒内に化合物として成長しており、一部はM3Cというセメンタイトを形成する。
上記回転曲げ疲労試験における寿命向上以外にローラ試験におけるピッチング試験においても寿命向上効果を確認している。母材はSCM420以外に低合金鋼、肌焼鋼など汎用性のFeC系合金鋼であれば組成などを限定することなく、同様の効果が確認できる。
SCM420材(0.2wt%C, 0.3%Si, 0.7%Mn, 0.1%Cu, 0.1%Ni, 1.1%Cr, 0.2%Mo 残りFe)表面にメタノール溶媒にV粉末を10wt%混合しボールミルで粉砕する。V粉は0.01μmから10μmの範囲であり、メタノールとTi粉から構成されたスラリーを形成する。このスラリーをSCM420材に塗布乾燥させ，塗布膜の厚さを50μmとする。このV塗布膜が形成されたSCM420材を浸炭炉に挿入し、1200℃に加熱する。1200℃への加熱によりVとSCM420の間で相互拡散が進み、VはSCM420の粒界や粒内に拡散し一部はVCとなる。Vを拡散させた後，1050℃に降温しアセチレンを導入する。アセチレンの導入量は硬さが必要な深さと必要な組織（炭化物の量など）に依存するが，γ領域で1.2wt%まで炭素を導入させる。この一次浸炭でアルゴンガス冷却によりSCM420の表層近傍で一部マルテンサイトを成長させる。このような冷却速度であればSCM420の粒界に10μmを超える炭化物は成長しない。
冷却後A1点（共析変態点）直下の700℃で1時間加熱保持後のA1点以上の温度に加熱し, γ結晶粒内に炭化物を析出させる。析出した炭化物から炭素がSCM420内部に向かって拡散し、炭素濃度が減少するのを抑えるためにアセチレンを導入し炭素を表面から拡散させる。アセチレンの導入により炭化物が成長し粒状炭化物がγ結晶粒界や粒内に分散して成長しその粒径は0.5〜2μmとなる。この時炭素はVCを通してSCM420に拡散する。
上記工程で製造した構造材の組織は、深さ方向において中心から表面に向かって、３層構造を有する。第１層はパーライト、第２層はマルテンサイト及び炭化物の混合物、第３層は炭化物で構成する。第１層にはさらにフェライトを含み、パーライトとフェライトの混合物としても良い。
1200MPaでの回転曲げ試験でマルテンサイトのみ表層に形成したSCM420試験片と比較すると破断する繰り返し数で、本実施例の試験片は50倍となった。このように疲労試験における寿命が延びることが確認できた。本実施例の構造材は摺動材として高寿命が不可欠な部材に適用でき、特に自動車用トルク伝達部品や繰り返し稼働部、回転部などの部品に使用可能である。
本実施例のように疲労寿命を確保するために必要な構成を以下に示す。
（１）構造材は２つの炭化物を有する。第１の炭化物はTiCを主成分とする化合物であり、第２の炭化物はM3C（MはTi, Cr, Mo）を主とする化合物であり、少なくとも２種類存在する。
（２）第１の炭化物は構造材の最表面に層状に形成され、一部にVCN系化合物あるいはVN系化合物を含んでいる。
（３）VC、VCNまたはVNのビッカース硬さが1500〜3500の範囲である。
（４）第１の炭化物の厚さは10μm以上200μm以下の範囲である。
（５）第２層と第３層の密着性確保のため、第１の炭化物の構成元素の少なくとも一種が中心部に向かって濃度勾配を有し、かつ第１層及び第２層に拡散した構成元素の少なくとも一種は粒界あるいは粒内に化合物として成長していること。
（１）構造材は２つの炭化物を有する。第１の炭化物はTiCを主成分とする化合物であり、第２の炭化物はM3C（MはTi, Cr, Mo）を主とする化合物であり、少なくとも２種類存在する。
（２）第１の炭化物は構造材の最表面に層状に形成され、一部にVCN系化合物あるいはVN系化合物を含んでいる。
（３）VC、VCNまたはVNのビッカース硬さが1500〜3500の範囲である。
（４）第１の炭化物の厚さは10μm以上200μm以下の範囲である。
（５）第２層と第３層の密着性確保のため、第１の炭化物の構成元素の少なくとも一種が中心部に向かって濃度勾配を有し、かつ第１層及び第２層に拡散した構成元素の少なくとも一種は粒界あるいは粒内に化合物として成長していること。
上記構成についてさらに説明する。1）炭化物はVCを主成分とする化合物と、M3C（MはV, Cr, Mo）を主とする炭化物の少なくとも2種類が形成されている。表面にVを塗布した後に熱処理工程に入るため、Vは表面で多く材料内部では少ない。Vの拡散距離は1100℃で約100μmであるため，母材の表面と100μm深さではVの濃度が10：1程度になる。母材であるSCM420の表面近傍ではVの濃度が大きく変化するため，表面からVC, VCN系化合物の体積率が減少する。母材表面から深さ10μｍではVC, VCNに加えてM3Cが認められる。このM3CのMにはCr, Mo, Vが含有している。
Vの濃度勾配が認められる深さ方向の距離は10μmから200μmの範囲である。このような濃度勾配は走査型電子顕微鏡による断面の組成分析、あるいはオージェ分析などで確認できる。Tiの濃度勾配を形成することで母材とVC系層状膜との密着性が確保でき2000MPaで剥離しないVC系膜により疲労寿命がVC無の場合よりも50倍に向上する。
本実施例ではVを塗布しているが、Ti, Nb, Mo, Ta, W，Crを一種以上塗布することでTiC, NbC, MoC, TaC, WC，(Ti,Cr)CなどのMC化合物が形成され、母材内部ではM3CのMにこれらの元素が置換した炭化物が形成される。
2）VCを主とする炭化物は最表面で層状であり一部VCN系あるいはVN系化合物が認められ, 層状炭化物ではこれらの化合物の体積率はVC>VCN>VNとなる。
3）上記VC, VCN あるいはVNのビッカース硬さが1500〜3500の範囲であり、その厚さが10μm以上200μm以下の範囲であること。層状炭化物のビッカース硬さが1500未満の場合には, き裂が発生しやすくなり回転曲げ試験における寿命向上効果が顕著ではない。2000MPaにおける回転曲げ試験において、マルテンサイトのみの場合を1とするとVを使用せずに所定の濃度・組織に制御して浸炭させた場合に5、V塗布後にVC系層状炭化物を形成しかつ密着性を確保するためにV拡散層を形成すると10〜50となる。このような飛躍的な寿命向上は層状炭化物(VCなど)あるいは層状炭窒化物(VCNなど),あるいは層状窒化物(VNなど)のビッカース硬さが1500以上であることが必要であり、上記50倍の寿命向上には2500〜3000が望ましい。
4)表層炭化物の密着性確保のため，表層炭化物の構成元素の少なくとも一種が母材の中心部に向かってVについて0.5%/μmから10%/μmの濃度勾配を有している。またSCM420に拡散したVは粒界あるいは粒内に化合物として成長しており、一部はM3Cというセメンタイトを形成する。
上記回転曲げ疲労試験における寿命向上以外にローラ試験におけるピッチング試験においても寿命向上効果を確認している。母材はSCM420以外に低合金鋼、肌焼鋼など汎用性のFeC系合金鋼であれば組成などを限定することなく、同様の効果が確認できる。
Tiをメタノール溶媒中で粉砕しTi粒子径が1-50μmの不定形とする。Ti粉砕粉を10ｗｔ％含有するメタノールをSCM420材(0.2wt%C, 0.3%Si, 0.7%Mn, 0.1%Cu, 0.1%Ni, 1.1%Cr, 0.2%Mo 残りFe)表面に大気中で塗布する。塗布後のTi厚さは20μmである。溶媒であるメタノールは蒸発乾燥させ、浸炭炉に挿入する。浸炭炉内を1Paまで真空排気後, Arで置換し炉内の雰囲気を清浄化する。
H2OおよびO2分圧を減少させその時間変化が最小になったことを確認後、加熱を開始する。10℃/minの速度で1100℃に加熱し1h保持後アセチレン(C2H2)ガスを導入する。アセチレンガスの導入により表面のTi, およびSCM420の表面から拡散したTiの一部が炭化し，SCM420の表面に炭素が拡散する。炭素濃度は表面Ti>SCM420表面であり、TiはTiCあるいはTiCNとなる。Tiは1100℃の温度で拡散しSCM420の粒界や粒内に拡散する。
拡散したTiの一部は、アセチレン導入による炭素の拡散により，TiCあるいは(Ti, Cr, Mo)3Cを形成する。このTiCはSCM420のγ粒界で連続的に成長せず、粒状に成長する。1050℃での総炭素供給量はTiC/SCM420界面のSCM420側で1.2wt%である。
拡散したTiの一部は、アセチレン導入による炭素の拡散により，TiCあるいは(Ti, Cr, Mo)3Cを形成する。このTiCはSCM420のγ粒界で連続的に成長せず、粒状に成長する。1050℃での総炭素供給量はTiC/SCM420界面のSCM420側で1.2wt%である。
1100℃で浸炭されたTiC/SCM420は、850℃に再加熱され、再度アセチレンガスにより浸炭する。850℃での総炭素供給量は1050℃での供給量よりも少なく, TiC/SCM420界面のSCM420側で炭素濃度は1.4wt%である。この浸炭により粒内に球状炭化物を成長させる。この浸炭工程の中でN2ガスを導入し浸炭後に窒化し，油焼き入れ焼き戻す。油の温度は100℃, 焼き戻し温度は160℃である。
上記工程で製造した構造材の組織は，表面から中心部にかけて深い方向に 層状炭化物/炭化物とマルテンサイト混合/パーライト/フェライトとパーライト混相となる。層状炭化物の厚さは図1の断面写真で確認できるように20μmである。マルテンサイトと球状炭化物の混相となっている部分前記層状炭化物と母材の界面から40-50μmまでの範囲である。この範囲ではTiの濃度勾配が認められる。表層部の炭素濃度は12〜17wt%であるが，マルテンサイトと炭化物の混相部では1.0-1.7wtとなり、炭化物を構成するTi濃度は減少する。Tiの濃度勾配はマルテンサイトと炭化物の混相部で1ｗｔ％/μmであり，濃度勾配は層状炭化物近傍ほど高くなる。
炭化物を形成せずに浸炭焼き入れ焼き戻した場合と比較して、回転曲げ疲労試験による疲労寿命は本実施例では20倍となる。このような高疲労寿命となる要因を以下に示す。TiCやTiCNが表面に厚さ20μmで形成され、硬さは図２に示すようにお1550〜1800Hvである。このTiCやTiCN及びTiNOが図3に示すＸ線回折パターンで確認でき, 炭化物がSCM420に分散した領域がSCM420とTiC系膜の間に形成され，TiCやTiCNの密着性を高めている。粒状TiCの周囲にはマルテンサイト及び残留オーステナイトが形成され,マルテンサイトの硬さは750Hvである。粒状TiCは材料中心では認められず，Ti及び炭素の拡散によって成長したものであり、表面から中心部にかけてTiCの量は減少し，炭化物はTiC系よりもFe3C系であるセメンタイトが増加する。このような構成となるため，表層に摩耗しにくい高硬度のTiCあるいはTiCN系膜が成長していること、分散した高硬度TiCとその周囲の微細マルテンサイト、Fe3Cとその周囲のマルテンサイトによってき裂の発生及び伝搬が抑制されている。
本実施例の断面模式図を図４に示す。母材であるSCM420の外側にMC炭化物を含む層が形成される。ＭＣ炭化物１の母材側にM3C炭化物とマルテンサイトの混相が形成される。図４には球状の形状を有するM3C炭化物３が見られ、マルテンサイト２に分散している。この混相のさらに内側（内部側）にパーライトが形成される。MC炭化物で表記されるMはTi, Nb, Ta, V, W , Moの少なくとも1種以上含有しており、M3CにもMC炭化物を構成するＭ元素が含有する。M3C炭化物中のＦｅはMC炭化物中のFeよりも高濃度である。
1200MPaでの回転曲げ試験でマルテンサイトのみ表層に形成したSCM420試験片と比較すると破断する繰り返し数で、本実施例の試験片は50倍となった。このように疲労試験における寿命が延びることが確認でき、本実施例の処理工程及び材料構成は摺動材として高寿命が不可欠な部材に適用でき、特に自動車用トルク伝達部品や繰り返し稼働部、回転部などの部品に使用可能である。
このような疲労寿命の向上はSCM420以外の鉄炭素系構造材に対しても図４の組織構成とすることにより達成できる。
疲労試験の結果を図５に示す。ガス浸炭と比較して同じ疲労サイクルで面圧は1.3倍に増加する。また同一面圧で寿命が10倍以上増加する。このように疲労試験における寿命が延びることが確認でき、本実施例の処理工程及び材料構成は摺動材として高寿命が不可欠な部材に適用でき、特に自動車用トルク伝達部品や繰り返し稼働部、回転部などの部品に使用可能である。
本実施形態では、最表面ではMC、マルテンサイトではM3Cが存在する。MCの方がM3Cよりも高硬度で耐摩耗性に優れるので、最表層にMCを必要とする。内部は炭素濃度を低くしてM3Cを分散させる。
１…MC炭化物、２…マルテンサイト、３…M3C炭化物、４…パーライト
Claims (4)
- 鉄及び炭素を含有する構造材において、
中心から表面に向かって、パーライトで構成する第１層、マルテンサイト及び炭化物の混合相で構成する第２層、炭化物で構成する第３層を有し、
前記第３層の炭化物はMC（MはTi，V，Nb，Mo，Ta，Wの中の少なくとも１種の元素）で示され、
表面から中心に向かって、M元素濃度が減少する濃度勾配を有し、
前記第３層の炭素濃度が12〜17質量％であり、前記第２層の炭素濃度が1.0〜1.7質量％であることを特徴とする構造材。 - 請求項１に記載の構造材において、
前記第２層の炭化物はM3C（MはTi，V，Nb，Mo，Ta，Wの中の少なくとも１種の元素）で示され、
前記第２層ではマルテンサイトに球状の炭化物が分散して混合相を形成することを特徴とする構造材。 - 請求項１に記載の構造材において、
前記第３層に炭窒化物を含有することを特徴とする構造材。 - 請求項１に記載の構造材において、
前記第３層の硬さがビッカース硬さで1500〜3500の範囲であることを特徴とする構造材。
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