JP2000273653A

JP2000273653A - 金属部材の表面改質方法及び改質層を有する金属部材

Info

Publication number: JP2000273653A
Application number: JP11076330A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Kawaura; 宏之川浦; Hiroshi Kawahara; 博川原; Taku Saito; 卓斎藤; Kazuaki Nishino; 和彰西野; Koji Obayashi; 巧治大林
Original assignee: Aisin AW Co Ltd; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Aisin AW Co Ltd; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1999-03-19
Filing date: 1999-03-19
Publication date: 2000-10-03

Abstract

(57)【要約】【課題】高い改質効果が得られ，かつ，平坦な表面に
仕上げることができる金属部材の表面改質方法および改
質層を有する金属部材を提供すること。【解決手段】金属部材１の表面に，金属部材１１とは
組成が異なる供給物質が存在する状態において機械的エ
ネルギーを付与することにより，金属部材１の表面に供
給物質よりなる微粒子を分散させてなる微粒子分散体１
０を形成し，その後，微粒子分散体１０に高密度エネル
ギービームを照射して少なくとも微粒子分散体１０の一
部を溶融して溶融部を形成し，次いで溶融部３を急冷す
ることにより改質層４を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【技術分野】本発明は，金属部材の表面改質金属部材お
よび改質層を有する金属部材に関する。

【０００２】

【従来技術】金属製の部材（金属部材）は，自動車部
品，機械部品等，様々な用途に広く利用されている。金
属部材としては，一般に，強度，耐摩耗性等の諸性質に
優れるものが望まれている。そのため，これまでにも，
これらの諸性質を改善するための技術が種々提案されて
いる。例えば，部材の表面特性を改善する表面処理方法
が種々提案されている。具体的には，めっき法，拡散浸
透処理，真空蒸着法，溶射法等，様々な方法がある。

【０００３】しかし，これらの表面処理方法には，処理
設備が高く，処理に要する時間が長いという問題があ
る。また，基材と被覆層との界面が存在するため剥離し
やすく密着性が不足する，あるいは，処理による製品の
歪み，寸法変化が生じるというような品質上の問題もあ
る。

【０００４】また，従来の文献（日経メカニカル，199
5.11.27 No.468，p31-35）には，金属部材の表面に他
の材料を合金化すべく肉盛りすることにより表面特性を
改善する技術が示されている。即ち，表面改質すべき部
分に合金粉末を供給しながら母材にレーザビームを照射
する。これにより，母材表面で反射したレーザビームが
合金粉末に吸収され，これが溶融する。そして，母材表
面上に合金粉末が溶融してなる溶融プールが形成され
る。この溶融プールが急冷凝固して肉盛り層となる。

【０００５】しかしながら，この肉盛り法にも次の問題
がある。即ち，肉盛り層の厚みは，上記溶融プールの深
さ等により変動する。そのため，肉盛り直後の製品は寸
法精度に劣るので，切削あるいは研削仕上げを行う工程
が必要となる。

【０００６】また，従来においては，製品の表面層を溶
融させて，その後急冷凝固させることにより，いわゆる
部分チル層を形成し，これにより表面を改質する方法も
提案されている。しかしながら，従来の部分チル層は，
表面にしわ等が発生し，最終的に表面形状を整える仕上
げ加工が必要であった。

【０００７】また，特開平１０−３０１９０号公報に
は，金属部材の表面に機械的エネルギーを付与し，機械
的合金化層を形成することを特徴とする金属部材の表面
改質方法が提案されている。この方法によれば，上記種
々の問題をある程度克服したうえで，上記機械的合金化
層よりなる改質層を金属部材の表面に形成することがで
きる。

【０００８】しかしながら，上記従来の表面改質方法に
も次の問題が残っている。即ち，上記機械的エネルギー
を金属部材の表面に付与したすることにより，その表面
形状が荒れてしまう。そのため，その形状的な問題か
ら，耐摩耗性等の表面特性を十分に確保することができ
ない。

【０００９】

【解決しようとする課題】ところで，特開平９−２１６
０７５号公報には，高密度エネルギービームを利用した
金属部材の表面仕上げ方法が示されており，また，特開
平９−３５２８号公報には，高密度エネルギービームを
利用した表面処理方法が示されている。これらの高密度
エネルギービームを用いた処理方法によれば，平坦な表
面を得ることが可能となる。

【００１０】しかしながら，上記高密度エネルギービー
ムを用いた表面改質方法だけでは，金属部材の組成に依
存した表面改質しか行えず，表面改質層の組成を変える
ことはできない。具体的には，例えば，金属部材の素材
が低炭素鋼である場合には，上記高密度エネルギービー
ム用いた表面改質法による改質効果は低炭素鋼の素材成
分に依存する特性の範囲内に制限される。そして，これ
は，高炭素鋼等が有する高いレベルの表面特性にはけっ
して及ばない。それ故，上記従来の高密度エネルギービ
ームを用いた表面改質方法においても，さらに表面改質
効果を高める技術の開発が望まれていた。

【００１１】本発明は，かかる従来の問題点に鑑みてな
されたもので，高い改質効果が得られ，かつ，平坦な表
面に仕上げることができる金属部材の表面改質方法およ
び改質層を有する金属部材を提供しようとするものであ
る。

【００１２】

【課題の解決手段】請求項１に記載の発明は，金属部材
の表面に，該金属部材とは組成が異なる供給物質が存在
する状態において機械的エネルギーを付与することによ
り，上記金属部材の表面に上記供給物質よりなる微粒子
を分散させてなる微粒子分散体を形成し，その後，該微
粒子分散体に高密度エネルギービームを照射して少なく
とも上記微粒子分散体の一部を溶融して溶融部を形成
し，次いで該溶融部を急冷することにより改質層を形成
することを特徴とする金属部材の表面改質方法にある。

【００１３】本発明において最も注目すべきことは，ま
ず金属部材の表面に上記微粒子分散体を形成し，次い
で，上記高密度エネルギービームを用いて上記溶融部を
形成した後，該溶融部を急冷して上記改質層を形成する
ことである。

【００１４】上記微粒子分散体層は，上記のごとく，金
属部材の表面に，上記供給物質が存在する状態において
機械的エネルギーを付与することにより形成する。上記
供給物質としては，上記金属部材と組成が異なる物質を
用いる。ここで，組成が異なるとは，構成元素が同一で
あっても，その組成比が異なる場合も含む。なお，上記
供給物質としては，金属部材を構成している素材の成分
と反応が起こりやすい物質を適用することことが好まし
い。

【００１５】また，上記供給物質は，金属部材の種類に
応じて選択される。例えば，上記金属部材がＦｅを主体
とする金属であれば，供給物質としては，Ｃ，Ｎ，Ｗ
Ｃ，ＳｉＣ，ＴｉＣ，ＮｂＣ，ＴｉＮ，Ｓｉ₃Ｎ₄，Ｃｒ
Ｎ，その他の金属，合金，セラミック等，種々の物質を
用いることができる。また，上記金属部材が例えばＴ
ｉ，Ａｌ，Ｃｕ，Ｍｇのいずれかを主体とする金属であ
れば，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｓｉ，Ｗ，その他の金属，合金，セ
ラミック等，種々の物質を用いることができる。

【００１６】また，上記供給物質の形態は，粉末状また
はフィルム状の固体，もしくは，気体あるいは液体であ
ってもよい。上記供給物質が粉末の場合には，粒径が３
００μｍ以下が望ましい。この粒径が３００μｍを超え
る場合には，機械的エネルギーを付与しても供給物質に
そのエネルギーが吸収され，金属部材と供給物質との間
に塑性流動が起こりにくくなるという問題がある。ま
た，供給物質よりなる粉末は小さくて数が多いほどよ
い。これにより，機械的エネルギーを付与した時の金属
部材と供給物質との接触面積が大きくなるので，供給物
質よりなる微粒子が均一に分散された表面状態を金属部
材上に形成することができる。そのため，供給物質が粉
末の場合には，その粒径を１００μｍ以下とすることが
より好ましい。

【００１７】上記供給物質がフィルム状の場合には，厚
さが１０μｍ以下であることが好ましい。この厚さが１
０μｍを超える場合には，機械的エネルギーが供給物質
に吸収され，金属部材を塑性変形させることが困難とな
るという問題がある。なお，フィルム状の供給物質を形
成させる手段としては，例えば，溶射，メッキ，ＣＶＤ
などの表面処理方法等を用いることができる。

【００１８】次に，上記機械的エネルギーを付与する方
法には，種々の方法がある。いずれの方法においても，
金属部材の表面と供給物質との間で，微粒子分散体を得
るための塑性流動を発現させるように機械的エネルギー
を付与する。上記塑性流動を効率よく発現させるために
は，剪断応力の印加面積を小さくして，その印加回数を
多くすることが好ましい。具体的には，１回当たりの応
力の印加面積は０．５ｍｍ²以下とし，１ｍｍ²当たりの
応力の印加回数は５０回以上，好ましくは１００回以上
行うことが望ましい。これにより，上記塑性流動を効率
よく発現させることができる。

【００１９】具体的な機械的エネルギーの付与方法とし
ては，例えば，粒子を高速で金属部材に繰り返し衝突さ
せる方法がある。また，容器内に，上記金属部材と供給
物質と，さらに硬質ボールを入れた状態で，上記容器を
回転させる方法を採ることもできる。あるいは，金属部
材の表面に供給物質を配置しておき，剛性の高いブラシ
状のもので金属部材の表面を繰り返し叩く方法を採るこ
ともできる。

【００２０】上記の粒子を高速で金属部材に繰り返し衝
突させる方法においては，上記粒子としては，供給物質
よりなる粉末を利用してもよいし，他の剛性の高い粒子
を用いることもできる。上記供給物質よりなる粉末を用
いる場合には，その粉末の硬さは，上記金属部材と同等
もしくはそれよりも高いことが好ましい。供給物質粉末
の硬さが金属部材よりも低い場合には，金属部材の表面
に供給物質が変形して付着するに止まり，金属部材との
間で微粒子分散体を得るための塑性流動を発現させるこ
とができないためである。

【００２１】また，金属部材よりも硬さが低い供給物質
の粉末を用いる場合には，金属部材の表面に予め凹凸を
与えておき，上記粉末を高速で衝突させて付着させた
後，他の方法により機械的エネルギーを付与することも
できる。この場合にも，微粒子分散体の形成を行うこと
ができる。

【００２２】供給物質の形態が気体や液体である場合に
は，その気体又は液体を，エネルギー付与粒子を搬送す
るための媒体として用いることができる。例えば，供給
物質の形態が気体である場合には，高速で金属部材に繰
り返し衝突させる方法において，圧縮空気の代わりに供
給物質からなる気体を用いることができる。

【００２３】また，上記機械的エネルギーの大きさは，
金属部材の種類によって好適な範囲がある。具体的に
は，降伏点あるいは０．２％耐力よりも少なくとも５０
％以上高い剪断応力を与えることが，塑性変形を起こす
ためには望ましい。また，この剪断応力の付与は，金属
部材と供給物質との間の固相反応を促進させるために繰
り返し行うことが必須である。

【００２４】次に，機械的エネルギーを付与して微粒子
分散体を形成した後は，微粒子分散体に高密度エネルギ
ービームを照射して溶融部を形成する。この溶融部は，
上記微粒子分散体の少なくとも一部を溶融して形成す
る。この場合，微粒子分散体の厚み方向の一部だけ，あ
るいはすべてを溶融してもよいし，微粒子分散体に隣接
する部分をも含んで溶融してもよい。

【００２５】ここで，上記高密度エネルギービームとし
ては，例えば電子ビーム，レーザービーム，また，ビー
ムではないが高周波加熱などの高密度エネルギーがあ
る。本発明では，これらを総称して高密度エネルギービ
ームという。この高密度エネルギービームの照射条件等
は，上記金属部材および微粒子分散体の種類により最適
範囲が異なる。また，高密度エネルギービームは，その
照射位置を比較的容易に制御できるので，平面的に見
て，上記微粒子分散体の表面のすべてを覆うように照射
することもできるし，その表面の一部だけに照射するこ
ともできる。

【００２６】次に，上記溶融部を急冷することにより改
質層を形成する。この場合の急冷は，自己放冷により行
うことができる。これは，上記溶融部の形成を上記高密
度エネルギービームの照射により行うため，金属部材の
ごく表面層のみにおいて形成できるためである。なお，
上記自己放冷に加えて，水冷，空冷等の強制冷却方法を
行うこともできる。また，上記自己放冷の効果を高める
には，金属部材の厚みを上記溶融部の厚みの４倍以上と
することが好ましい。これにより，溶融部の周囲への熱
拡散を急速かつ確実に行うことができる。

【００２７】また，上記改質層は，後述するごとく，急
冷される際の相変態，あるいは，組織構造の変化等によ
り改質されて形成される層である。そのため，急冷後に
相変態等の改質効果が得られる温度まで加熱されていれ
ば，その部分は上記急冷によって改質層となりうる。し
たがって，上記溶融部に隣接しており，実際には溶融は
しなかったが半溶融状態あるいは加熱のみされた部分に
ついても上記改質層の一部とすることができる場合があ
る。

【００２８】次に，本発明の作用効果につき説明する。
本発明においては，上記金属部材に対して，まず上記微
粒子分散体を形成する。この微粒子分散体は，金属部材
に上記供給物質が存在する状態において機械的エネルギ
ーを付与することにより，供給物質からなる微粒子が金
属部材の表面に分散して形成される。さらに，後述する
ごとく，微粒子と金属部材との間には機械的合金化層が
形成される場合もある。

【００２９】一方，上記微粒子分散体は，上記機械的エ
ネルギー付与の影響により，表面状態が荒れた状態とな
る。そのため，このままの状態では，微粒子分散体によ
る改質効果を十分に発揮することができない。ここで，
本発明においては，上記微粒子分散体形成後に，この微
粒子分散体に対して上記高密度エネルギービームを照射
して溶融部を形成する。

【００３０】この溶融部の形成により，表面形状的に問
題のあった微粒子分散体は，いったん溶融状態となって
重力や表面張力によって平坦な表面形状に修正される。
次に，上記溶融部は，急冷によってその平坦形状を維持
したまま凝固する。それ故，得られた改質層の表面形状
は非常に平坦な形状となる。

【００３１】また，得られた改質層は，上記溶融部の形
成およびその急冷により，組織的な面からも改質され
る。即ち，上記溶融部は，上記高密度エネルギービーム
の照射により，上記微粒子分散体が存在する表層部近傍
のみに形成される。そのため，上記溶融部は，自己放冷
により，容易に急速冷却することができる。この溶融部
の急速冷却は，相変態，あるいは，過飽和固溶体の形
成，組織の微細化等の組織的変化をもたらす。それ故，
得られた改質層は，組織的に改善される。

【００３２】さらに，上記溶融部は，上記のごとく，微
粒子分散体が存在する表層部近傍に形成される。この微
粒子分散体は，上記のごとく，合金化された供給物質に
よって成分的に改善されている。そのため，得られる改
質層は，上述した組織的な改善だけでなく，成分的な改
善を加えた状態で形成される。それ故，改質層は，もと
の素材特性を超える優れた改質効果を発現しうるものと
なる。

【００３３】このように，本発明の改質方法を実施した
金属部材は，微粒子分散体の形成による表面改質効果
と，高密度エネルギービームの照射による平坦化および
表面改質効果を併せ持った優れた部材となる。したがっ
て，本発明によれば，素材特性を超える高い改質効果が
得られ，かつ，平坦な表面に仕上げることができる金属
部材の表面改質方法を提供することができる。

【００３４】次に，請求項２に記載の発明のように，上
記微粒子分散体は，上記微粒子と上記金属部材との間に
機械的合金化層を有している構造とすることもできる。
この場合には，微粒子分散体を組織的により強固な状態
とすることができる。そのため，上記の改質層とならず
に微粒子分散体のまま残存する部分を強化することがで
き，ひいては，金属部材の表面特性の更なる向上を図る
ことができる。なお，上記機械的合金化層は，例えば過
飽和固溶体，準安定相，アモルファス相，金属間化合物
などで形成される。

【００３５】また，請求項３に記載の発明のように，上
記金属部材は，Ａｌ，Ｆｅ，Ｍｇ，Ｔｉのうちのいずれ
か１種以上の金属あるいは該金属を用いた合金により作
製されていることが好ましい。これらの金属を主体とす
る金属部材は，上記表面改質による効果を非常に有効に
発現させることができる。

【００３６】また，請求項４に記載の発明のように，上
記金属部材はＦｅ合金より作製されており，かつ，上記
供給物質は，Ｃ又はＮの少なくとも一方の元素を含む物
質であることが好ましい。即ち，上記金属部材がＦｅ合
金である場合には，上記供給物質として，Ｃ又はＮを用
いることにより，容易に，硬度向上，耐摩耗性向上等の
効果を得ることができる。

【００３７】また，請求項５に記載の発明のように，上
記溶融部の急冷は，マルテンサイト変態領域まで行い，
上記改質層をマルテンサイト組織とすることが好まし
い。すなわち，上記金属部材がＦｅ合金である場合に
は，上記改質層をマルテンサイト組織とすることによ
り，いわゆる焼入れ効果を得ることができる。それ故，
さらなる硬度向上，耐摩耗性向上等の効果を得ることが
できる。

【００３８】また，請求項６に記載の発明は，金属部材
の表面に，該金属部材とは組成が異なる供給物質が存在
する状態において機械的エネルギーを付与することによ
り，上記金属部材の表面に上記供給物質よりなる微粒子
を分散させてなる微粒子分散体を形成し，その後，該微
粒子分散体に高密度エネルギービームを照射して少なく
とも上記微粒子分散体の一部を溶融して溶融部を形成
し，次いで該溶融部を急冷することにより形成した改質
層を有していることを特徴とする改質層を有する金属部
材にある。

【００３９】本発明の金属部材は，上記微粒子分散体の
形成後，上記高密度エネルギービームによる溶融部の形
成およびその急冷により，上記改質層を形成している。
そのため，この改質層は，上述したごとく，微粒子分散
体の形成による表面改質効果と，高密度エネルギービー
ムの照射による平坦化および表面改質効果とを併せ持っ
た優れた改質面となる。

【００４０】したがって，本発明によれば，素材特性を
超える高い改質効果が得られ，かつ，平坦な表面に仕上
げられた改質層を有する金属部材を提供することができ
る。

【００４１】次に，請求項７に記載の発明のように，上
記微粒子分散体は，上記微粒子と上記金属部材との間に
機械的合金化層を有している構造とすることができる。
この場合には，微粒子分散体を組織的により強固な状態
とすることができる。そのため，上記の改質層とならず
に微粒子分散体のまま残存する部分を強化することがで
き，ひいては，金属部材の表面特性の更なる向上を図る
ことができる。

【００４２】

【発明の実施の形態】実施形態例１本発明の実施形態例にかかる金属部材の表面改質方法及
び改質層を有する金属部材につき，図１，図２を用いて
説明する。本例においては，上記金属部材１として，
０．０５ｗｔ％Ｃを含有した板状の鋼部材ＳＰＣ３４０
（ＪＩＳ）を用いた例を示す。また，供給物質２として
はＣを多量に含有する高炭素鋼よりなる粉末を用いた。

【００４３】即ち，本例では，図１に示すごとく，金属
部材（鋼部材）１の表面に，該金属部材１とは組成が異
なる供給物質２が存在する状態において機械的エネルギ
ーを付与することにより，上記金属部材１の表面に上記
供給物質２よりなる微粒子を分散させてなる微粒子分散
体１０を形成した。その後，図２に示すごとく，微粒子
分散体１０に高密度エネルギービーム５を照射して少な
くとも上記微粒子分散体１０の一部を溶融して溶融部３
を形成し，次いで該溶融部３を急冷することにより改質
層４を形成した。

【００４４】以下，これを詳説する。本例においては，
上記機械的エネルギーを付与する手段としては，供給物
質２よりなる粒子を高速で金属部材１に繰り返し衝突さ
せる方法を用いた。具体的には，ショットブラスト装置
７を用いて，供給物質２よりなる粒子を圧縮空気８によ
り高速で噴出させ，これを金属部材１の表面に衝突させ
た。これにより，金属部材１の表面には，供給物質２が
存在する状態がつくり出され，なおかつ，金属部材１の
表面に機械的エネルギーが付与された。

【００４５】供給物質２としては，粒径３０〜６０μｍ
のＦｅ−３ｗｔ％Ｃ粉末を用いた。また，供給物質２の
噴出は，４ｋｇｆ／ｃｍ²の圧縮空気８を用いて，ノズ
ル７０から１分間噴出させた。なお，ノズル先端７０か
ら金属部材１までの距離は１００ｍｍとした。この条件
により機械的エネルギーを付与した結果，金属部材１の
表面には，微粒子分散体１０が形成された。

【００４６】次に，図２（ａ）に示すごとく，微粒子分
散体１０に対して，高密度エネルギービームとしての電
子ビーム５を照射した。電子ビーム５の照射は，出力
５．４ｋｗのビームを電子銃５０より３３０ｍｍの距離
の金属部材１に高速で偏向周波数７ｋＨｚ・偏向幅７ｍ
ｍの正方形範囲で照射しながら，１０ｍ／分のスピード
で移動させるという条件により行った。

【００４７】図２（ａ）（ｂ）に示すごとく，電子ビー
ム５が照射された部分は，溶融して溶融部３となった。
この溶融部３は，上記微粒子分散体１０の厚さとほぼ同
等の深さまで形成された。また，この溶融部３は，その
形成直後に金属部材１の自己放冷により十分に急冷され
再凝固した。これにより，溶融部３は，マルテンサイト
変態領域まで急冷され，マルテンサイト組織を有する焼
入れ硬化層としての改質層４に変化した。

【００４８】断面組織観察の結果，マルテンサイト組織
の改質層４は表面から１０μｍの厚みを有する層として
形成されていた（図示略）。なお，本例では，上記改質
層４は，約４ｍｍ幅のライン状に形成し，その周囲は微
粒子分散体１０のまま残した。

【００４９】次に，本例では，得られた金属部材１にお
ける，上記改質層４の硬さを荷重５０ｇｆの条件により
測定した。その結果を符号Ｅ１として図３に示す。同図
は，後述する他の実施形態例についても合わせて示した
ものであり，横軸に供給物質２の種類等をとり，縦軸に
硬度（Ｈｖ）をとったものである。

【００５０】また，比較のために，金属部材１の母材
（ＳＰＣ３４０）のままの比較品Ｃ１１と，供給物質２
を供給せずに上記と同様の電子ビームの照射処理だけの
比較品Ｃ１２を準備し，これらの硬度も測定した。同図
より知られるごとく，上記比較品Ｃ１１はＨｖ１５６，
Ｃ１２はＨｖ１９６であったのに対し，本例の改質層４
はこれらに比べて大幅に硬度が上昇し，Ｈｖ３１３とい
う非常に高い硬度を示した。

【００５１】次に，上記改質層４の表面粗さを測定し
た。この場合にも比較のために，金属部材１の母材（Ｓ
ＰＣ３４０）のままの比較品Ｃ１１と，微粒子分散体１
０のまま残存している電子ビーム照射前の状態の比較品
Ｃ１３を準備し，これらの表面粗さも測定した。

【００５２】測定結果を図４に示す。本例の改質層４は
符号Ｅ１として示す。同図は，後述する他の実施形態例
についても合わせて示したものであり，横軸に母材（Ｃ
１１），電子ビーム照射前（Ｃ１３），電子ビーム照射
後（Ｅ１）の区別をとり，縦軸に粗さＲＺ値（μｍ）を
とったものである。

【００５３】同図より知られるごとく，上記比較品Ｃ１
１の表面粗さがＲＺ７．５μｍ，比較品Ｃ１３の表面粗
さがＲＺ６．５μｍであったのに対し，本例の改質層４
（Ｅ１）の表面粗さは格段に小さくなり，ＲＺ値が２．
８μｍとなった。このことから，上記表面改質方法は表
面形状の修正に有効であり，非常に平坦な表面形状を有
する改質層４を得ることができるということが分かっ
た。

【００５４】実施形態例２本例は，実施形態例１におけるＳＰＣ３４０よりなる鋼
部材に代えて，Ｓ２３ＣＢ（ＪＩＳ）よりなる鋼部材を
金属部材１に適用した例である。また，供給物質２とし
ては，実施形態例１と同様に，粒径３０〜６０μｍのＦ
ｅ−３ｗｔ％Ｃ粉末を用いた。その他は実施形態例１と
同様にして，金属部材１の表面から約１０μｍの部分に
改質層４を得た（図示略）。

【００５５】そして，本例においても，実施形態例１と
同様に，得られた上記改質層４の硬さを測定した。その
結果を符号Ｅ２として図３に示す。なお，本例でも，比
較のために，金属部材１の母材（Ｓ２３ＣＢ）のままの
比較品Ｃ２１と，供給物質２を供給せずに上記と同様の
電子ビームの照射処理だけの比較品Ｃ２２を準備し，こ
れらの硬度も測定した。同図より知られるごとく，上記
比較品Ｃ２１がＨｖ１９９，Ｃ２２がＨｖ４８０であっ
たのに対し，本例の改質層４（Ｅ２）は大幅に硬度が上
昇し，Ｈｖ６８３という非常に高い硬度を示した。

【００５６】次に，上記改質層４の表面粗さを測定し
た。この場合にも比較のために，金属部材１の母材（Ｓ
２３ＣＢ）のままの比較品Ｃ２１と，微粒子分散体１０
のまま残存している電子ビーム照射前の状態の比較品Ｃ
２３を準備し，これらの表面粗さも測定した。測定結果
を図４に示す。本例の改質層４は符号Ｅ２として示す。

【００５７】同図より知られるごとく，比較品Ｃ２１の
表面粗さがＲＺ１０．５μｍ，比較品Ｃ２３の表面粗さ
がＲＺ６．５μｍであるのに対し，本例の改質層４（Ｅ
２）の表面粗さは格段に小さくなり，粗さＲＺ値は２．
８μｍとなった。このことから，金属部材がＳ２３ＣＢ
の場合にも，上記表面改質方法は表面形状の修正に有効
であり，非常に平坦な表面形状を有する改質層４を得る
ことができるということが分かった。

【００５８】実施形態例３本例は，実施形態例１における高炭素鋼よりなる粉末に
代えて，粒径４０〜７０μｍのＳｉＣ粉末を供給物質２
として用いた例である。なお，金属部材１は，上記のご
とく，ＳＰＣ３４０よりなる鋼部材である。その他は実
施形態例１と同様にして，金属部材１の表面から約１０
μｍの部分に改質層４を得た（図示略）。

【００５９】次に，本例においても，実施形態例１と同
様に，得られた改質層の硬さを荷重５０ｇｆの条件によ
り測定した。その結果を上記図３に符号Ｅ３として示
す。本例の改質層（Ｅ３）は，上記比較品Ｃ１１，Ｃ１
２に比べて格段に硬度が高くなり，Ｈｖ７２５となっ
た。

【００６０】次に，上記改質層の表面粗さも実施形態例
１と同様に測定した。その結果を図４に符号Ｅ３として
示す。同図より知られるごとく，本例の改質層の表面粗
さ（Ｅ３）は，比較品Ｃ１１，Ｃ１３に比べて格段に小
さくなり，そのＲＺ値は３．３μｍとなった。

【００６１】実施形態例４本例は，実施形態例２における高炭素鋼よりなる粉末に
代えて，粒径４０〜７０μｍのＳｉＣ粉末を供給物質２
として用いた例である。なお，金属部材１は，上記のご
とく，Ｓ２３ＣＢよりなる鋼部材である。その他は実施
形態例１と同様にして，金属部材１の表面から約１０μ
ｍの部分に改質層４を得た（図示略）。

【００６２】次に，本例においても，実施形態例１と同
様に，得られた改質層の硬さを荷重５０ｇｆの条件によ
り測定した。その結果を上記図３に符号Ｅ４として示
す。本例の改質層（Ｅ４）は，上記比較品Ｃ２１，Ｃ２
２に比べて格段に硬度が高くなり，Ｈｖ１０４２となっ
た。

【００６３】次に，上記改質層の表面粗さも実施形態例
１と同様に測定した。その結果を図４に符号Ｅ４として
示す。同図より知られるごとく，本例の改質層の表面粗
さ（Ｅ４）は，比較品Ｃ１１，Ｃ２３に比べて格段に小
さくなり，そのＲＺ値は３．３μｍとなった。

【００６４】実施形態例５本例は，実施形態例１における高炭素鋼よりなる粉末に
代えて，粒径３０〜６０μｍのＦｅＣｒＣ粉末を供給物
質２として用いた例である。このＦｅＣｒＣ粉末は，Ｃ
ｒを６４ｗｔ％，Ｃを８ｗｔ％含有するＦｅ合金であ
る。なお，金属部材１は，上記のごとく，ＳＰＣ３４０
よりなる鋼部材である。その他は実施形態例１と同様に
して，金属部材１の表面から約１０μｍの部分に改質層
４を得た（図示略）。

【００６５】次に，本例においても，実施形態例１と同
様に，得られた改質層の硬さを荷重５０ｇｆの条件によ
り測定した。その結果を上記図３に符号Ｅ５として示
す。本例の改質層（Ｅ５）は，上記比較品Ｃ１１，Ｃ１
２に比べて格段に硬度が高くなり，Ｈｖ４１２となっ
た。

【００６６】実施形態例６本例は，実施形態例２における高炭素鋼よりなる粉末に
代えて，粒径３０〜６０μｍのＦｅＣｒＣ粉末を供給物
質２として用いた例である。このＦｅＣｒＣ粉末は，Ｃ
ｒを６４ｗｔ％，Ｃを８ｗｔ％含有するＦｅ合金であ
る。なお，金属部材１は，上記のごとく，Ｓ２３ＣＢよ
りなる鋼部材である。その他は実施形態例１と同様にし
て，金属部材１の表面から約１０μｍの部分に改質層４
を得た（図示略）。

【００６７】次に，本例においても，実施形態例１と同
様に，得られた改質層の硬さを荷重５０ｇｆの条件によ
り測定した。その結果を上記図３に符号Ｅ６として示
す。本例の改質層（Ｅ６）は，上記比較品Ｃ２１，Ｃ２
２に比べて格段に硬度が高くなり，Ｈｖ８４２となっ
た。

【００６８】実施形態例７本例は，実施形態例１における高炭素鋼よりなる粉末に
代えて，平均粒径１０μｍのＷＣ粉末を供給物質２とし
て用いた例である。なお，金属部材１は，上記のごと
く，ＳＰＣ３４０よりなる鋼部材である。その他は実施
形態例１と同様にして，金属部材１の表面から約１０μ
ｍの部分に改質層４を得た（図示略）。

【００６９】次に，本例においても，実施形態例１と同
様に，得られた改質層の硬さを荷重５０ｇｆの条件によ
り測定した。その結果を上記図３に符号Ｅ３として示
す。本例の改質層（Ｅ３）は，上記比較品Ｃ１１，Ｃ１
２に比べて格段に硬度が高くなり，Ｈｖ８９２となっ
た。

【００７０】実施形態例８本例は，実施形態例２における高炭素鋼よりなる粉末に
代えて，平均粒径１０μｍのＷＣ粉末を供給物質２とし
て用いた例である。なお，金属部材１は，上記のごと
く，Ｓ２３ＣＢよりなる鋼部材である。その他は実施形
態例１と同様にして，金属部材１の表面から約１０μｍ
の部分に改質層４を得た（図示略）。

【００７１】次に，本例においても，実施形態例１と同
様に，得られた改質層の硬さを荷重５０ｇｆの条件によ
り測定した。その結果を上記図３に符号Ｅ８として示
す。本例の改質層（Ｅ８）は，上記比較品Ｃ２１，Ｃ２
２に比べて格段に硬度が高くなり，Ｈｖ９０４となっ
た。

【００７２】なお，上記各実施形態例においては，電子
ビーム５の照射形状を正方形としたが，これに代えて円
形その他の照射形状とすることも勿論可能である。ま
た，高密度エネルギービームとして電子ビーム５を用い
たが，これに代えてレーザービーム等の他の高密度エネ
ルギービームを用いることも可能である。

【００７３】

【発明の効果】上述のごとく，本発明によれば，高い改
質効果が得られ，かつ，平坦な表面に仕上げることがで
きる金属部材の表面改質方法および改質層を有する金属
部材を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態例１における，微粒子分散体形成過程
を示す説明図。

【図２】実施形態例１における，溶融部の形成及び急冷
の過程を示す，（ａ）横断面方向から見た説明図，
（ｂ）平面方向から見た説明図。

【図３】実施形態例１〜８における，改質層形成による
硬度向上効果を示す説明図。

【図４】実施形態例１〜４における，改質層形成による
表面粗さ向上効果を示す説明図。

【符号の説明】

１．．．金属部材，１０．．．微粒子分散体，２．．．供給物質，３．．．溶融部，４．．．改質層，５．．．高密度エネルギービーム（電子ビーム），７．．．ショットブラスト装置，８．．．圧縮空気，

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｃ２３Ｃ 24/02 Ｃ２３Ｃ 24/02 24/04 24/04 // Ｂ２３Ｋ 103:02 (72)発明者川原博愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者斎藤卓愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者西野和彰愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者大林巧治愛知県安城市藤井町高根10番地アイシン・エイ・ダブリュ株式会社内Ｆターム(参考） 4E066 AA03 BA05 BB05 CC04 4E068 AH01 CB07 CD06 CE03 CE04 DB01 4K018 BA09 BA13 BC16 BD09 JA24 KA02 4K044 AA02 AA06 BA02 BA11 BA14 BA18 BA19 BB01 BC01 CA07 CA23 CA29 CA42 CA48

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】金属部材の表面に，該金属部材とは組成
が異なる供給物質が存在する状態において機械的エネル
ギーを付与することにより，上記金属部材の表面に上記
供給物質よりなる微粒子を分散させてなる微粒子分散体
を形成し，その後，該微粒子分散体に高密度エネルギー
ビームを照射して少なくとも上記微粒子分散体の一部を
溶融して溶融部を形成し，次いで該溶融部を急冷するこ
とにより改質層を形成することを特徴とする金属部材の
表面改質方法。
【請求項２】請求項１において，上記微粒子分散体
は，上記微粒子と上記金属部材との間に機械的合金化層
を有していることを特徴とする金属部材の表面改質方
法。
【請求項３】請求項１又は２において，上記金属部材
は，Ａｌ，Ｆｅ，Ｍｇ，Ｔｉのうちのいずれか１種以上
の金属あるいは該金属を用いた合金により作製されてい
ることを特徴とする金属部材の表面改質方法。
【請求項４】請求項１又は２において，上記金属部材
はＦｅ合金より作製されており，かつ，上記供給物質
は，Ｃ又はＮの少なくとも一方の元素を含む物質である
ことを特徴とする金属部材の表面改質方法。
【請求項５】請求項４において，上記溶融部の急冷
は，マルテンサイト変態領域まで行い，上記改質層をマ
ルテンサイト組織を主体とする組織とすることを特徴と
する金属部材の表面改質方法。
【請求項６】金属部材の表面に，該金属部材とは組成
が異なる供給物質が存在する状態において機械的エネル
ギーを付与することにより，上記金属部材の表面に上記
供給物質よりなる微粒子を分散させてなる微粒子分散体
を形成し，その後，該微粒子分散体に高密度エネルギー
ビームを照射して少なくとも上記微粒子分散体の一部を
溶融して溶融部を形成し，次いで該溶融部を急冷するこ
とにより形成した改質層を有していることを特徴とする
改質層を有する金属部材。
【請求項７】請求項６において，上記微粒子分散体
は，上記微粒子と上記金属部材との間に機械的合金化層
を有していることを特徴とする改質層を有する金属部
材。