特許 6558602 浸炭部品およびその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6558602

(24)【登録日】2019年7月26日

(45)【発行日】2019年8月14日

(54)【発明の名称】浸炭部品およびその製造方法

(51)【国際特許分類】

   C23C 8/66 20060101AFI20190805BHJP

   C21D 1/06 20060101ALI20190805BHJP

   C21D 1/09 20060101ALI20190805BHJP

【ＦＩ】

   C23C8/66

   C21D1/06 A

   C21D1/09 L

【請求項の数】8

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2017-234529(P2017-234529)

(22)【出願日】2017年12月6日

(65)【公開番号】特開2019-99889(P2019-99889A)

(43)【公開日】2019年6月24日

【審査請求日】2018年2月22日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】599125906

【氏名又は名称】中日クラフト株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】504174135

【氏名又は名称】国立大学法人九州工業大学

(74)【代理人】

【識別番号】110001128

【氏名又は名称】特許業務法人ゆうあい特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】毛利 陽一

(72)【発明者】

【氏名】道家 照幸

(72)【発明者】

【氏名】中田 宗徳

(72)【発明者】

【氏名】山口 富子

【審査官】 祢屋 健太郎

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００８−１６３３６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１９０４８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２５４８９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−１５２３６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６２−０９６６６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５６−１５０１２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−１６０８０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１７−０２５３５０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ２３Ｃ ８／００−１２／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

被加工部材（１０）の表面（１０ａ）側に焼入層（１１）が形成された浸炭部品の製造
方法であって、
炭素鋼または鋳鉄で構成される前記被加工部材（１０）を用意することと、
前記被加工部材（１０）の表面（１０ａ）に、黒鉛の粉末に有機溶剤を加えた黒鉛含有材料（２０）を塗布することと、
前記被加工部材（１０）の表面（１０ａ）における前記黒鉛含有材料（２０）が塗布されている部分にレーザビームを照射することにより、前記表面（１０ａ）側に、硬化被膜層（１１ａ）と、前記硬化被膜層（１１ａ）を挟んで前記表面（１０ａ）側と反対側に位置するマルテンサイト含有層（１１ｂ）とを有し、前記硬化被膜層（１１ａ）が前記マルテンサイト含有層（１１ｂ）より硬度が高くされた前記焼入層（１１）を形成することと、を行う浸炭部品の製造方法。

【請求項2】

前記黒鉛含有材料（２０）を塗布することでは、前記黒鉛の粉末として、２μｍ以上のものを用いる請求項１に記載の浸炭部品の製造方法。

【請求項3】

前記黒鉛含有材料（２０）を塗布することでは、前記黒鉛の粉末として、１０μｍ以下のものを用いる請求項１または２に記載の浸炭部品の製造方法。

【請求項4】

前記黒鉛含有材料（２０）を塗布することでは、０．００２ｇ／ｃｍ^２以上となるように、前記黒鉛含有材料を塗布する請求項１ないし３のいずれか１つに記載の浸炭部品の製造方法。

【請求項5】

前記黒鉛含有材料（２０）を塗布することでは、０．０１ｇ／ｃｍ^２以下となるように、前記黒鉛含有材料を塗布する請求項１ないし４のいずれか１つに記載の浸炭部品の製造方法。

【請求項6】

前記被加工部材（１０）を用意することでは、前記炭素鋼としてフェライト率が６５％以上の低炭素鋼を用意する、または前記鋳鉄としてフェライト率が６５％以上のものを用意する請求項１ないし５のいずれか１つに記載の浸炭部品の製造方法。

【請求項7】

被加工部材（１０）の表面（１０ａ）側に焼入層（１１）が形成された浸炭部品であって、
炭素鋼または鋳鉄で構成される前記被加工部材（１０）を備え、
前記被加工部材（１０）の表面（１０ａ）側には、前記焼入層（１１）が形成されており、
前記焼入層（１１）は、前記表面側に位置する硬化被膜層（１１ａ）と、前記硬化被膜層を挟んで前記表面側と反対側に位置するマルテンサイト含有層（１１ｂ）とを有し、
前記硬化被膜層（１１ａ）は、前記マルテンサイト含有層（１１ｂ）より硬度が高くされており、
前記焼入層は、前記表面から０．５ｍｍ以上１．１ｍｍ以下の深さまで形成されている浸炭部品。

【請求項8】

前記硬化被膜層（１１ａ）は、前記マルテンサイト含有層（１１ｂ）よりセメンタイトの割合が高くなっている請求項７に記載の浸炭部品。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レーザビームを照射することによって焼入層が形成された浸炭部品およびその製造方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来より、鋼材の耐摩耗性を向上させるため、鋼材の表面に焼入層が形成された浸炭部品が提案されている（例えば、特許文献１参照）。具体的には、この浸炭部品は、鋼材の表面に浸炭ガスを吹き付けた状態でレーザビームを照射することによって製造される。

【0003】

このように、レーザビームを照射することによって浸炭部品を形成することにより、鋼材の形状によらずに焼入層を形成することができ、さらに局所的に焼入層を形成することもできる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１７−２５３５０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、上記浸炭部品の製造方法では、浸炭ガスを所定の条件で吹き続けながらレーザビームを照射する必要があるため、製造工程が複雑になり易い。また、現状では、さらなる耐摩耗性の向上が求められている。

【0006】

本発明は上記点に鑑み、製造工程の簡略化を図ることができ、さらに耐摩耗性を向上できる浸炭部品およびその製造方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記目的を達成するための請求項１では、炭素鋼または鋳鉄で構成される被加工部材（１０）を用意することと、被加工部材（１０）の表面（１０ａ）に、黒鉛の粉末に有機溶剤を加えた黒鉛含有材料（２０）を塗布することと、被加工部材（１０）の表面（１０ａ）における黒鉛含有材料（２０）が塗布されている部分にレーザビームを照射することにより、表面（１０ａ）側に、硬化被膜層（１１ａ）と、硬化被膜層（１１ａ）を挟んで表面（１０ａ）側と反対側に位置するマルテンサイト含有層（１１ｂ）とを有し、硬化被膜層（１１ａ）がマルテンサイト含有層（１１ｂ）より硬度が高くされた焼入層（１１）を形成することと、を行うようにしている。

【0008】

これによれば、黒鉛含有材料（２０）を塗布した後にレーザビームを照射するため、レーザビームを照射する際に他の制御を実行する必要がない。このため、製造工程の簡略化を図ることできる。また、黒鉛含有材料（２０）を塗布した状態でレーザビームを照射することにより、被加工部材（１０）に、硬化被膜層（１１ａ）とマルテンサイト含有層（１１ｂ）とを含み、硬化被膜層（１１ａ）がマルテンサイト含有層（１１ｂ）より硬度が高くされて表面（１０ａ）側に位置する焼入層（１１）を形成する。したがって、耐摩耗性を向上できる。

【0009】

また、請求項７は、炭素鋼または鋳鉄で構成される被加工部材（１０）を備え、被加工部材（１０）の表面（１０ａ）側には、焼入層（１１）が形成されており、焼入層（１１）は、表面側に位置する硬化被膜層（１１ａ）と、硬化被膜層を挟んで表面側と反対側に位置するマルテンサイト含有層（１１ｂ）とを有し、硬化被膜層（１１ａ）は、マルテンサイト含有層（１１ｂ）より硬度が高くされており、焼入層は、０．５ｍｍ以上１．１ｍｍ以下の深さとされている。

【0010】

これによれば、被加工部材（１０）には、硬化被膜層（１１ａ）とマルテンサイト含有層（１１ｂ）とを含み、硬化被膜層（１１ａ）がマルテンサイト含有層（１１ｂ）より硬度が高くされて表面（１０ａ）側に位置する焼入層（１１）が形成されている。したがって、耐摩耗性を向上できる。また、このような硬化被膜層は、黒鉛含有材料を塗布した後にレーザビームを照射することによって形成されるため、レーザビームを照射する際に他の制御を実行する必要がない。したがって、製造工程の簡略化が図られる。

【0011】

なお、上記および特許請求の範囲における括弧内の符号は、特許請求の範囲に記載された用語と後述の実施形態に記載される当該用語を例示する具体物等との対応関係を示すものである。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】第１実施形態における浸炭部品を示す断面模式図である。

【図2】図１に示す浸炭部品の製造工程を示す断面模式図である。

【図3A】レーザビームを照射する前のＳ２５Ｃの断面図である。

【図3B】黒鉛含有材料を塗布してレーザビームを照射した後のＳ２５Ｃの断面図である。

【図3C】図３Ｂにおける焼入層の４倍の拡大図である。

【図3D】図３Ｂにおける焼入層の１０倍の拡大図である。

【図4A】レーザビームを照射する前のＦＣＤ４００の断面図である。

【図4B】黒鉛含有材料を塗布してレーザビームを照射した後のＦＣＤ４００の断面図である。

【図4C】図４Ｂにおける焼入層の４倍の拡大図である。

【図4D】図４Ｂにおける焼入層の１０倍の拡大図である。

【図5A】レーザビームを照射する前のＳ５０Ｃの断面図である。

【図5B】黒鉛含有材料を塗布してレーザビームを照射した後のＳ５０Ｃの断面図である。

【図5C】図５Ｂにおける焼入層の４倍の拡大図である。

【図5D】図５Ｂにおける焼入層の１０倍の拡大図である。

【図6A】黒鉛含有材料を塗布せずにレーザビームを照射した後のＳ２５Ｃの断面図である。

【図6B】図６Ａの４倍の拡大図である。

【図7A】黒鉛含有材料を塗布せずにレーザビームを照射した後のＦＣＤ４００の断面図である。

【図7B】図７Ａの４倍の拡大図である。

【図8A】黒鉛含有材料を塗布せずにレーザビームを照射した後のＳ５０Ｃの断面図である。

【図8B】図８Ａの４倍の拡大図である。

【図9A】実施例１〜３を纏めた結果である。

【図9B】比較例１〜３を纏めた結果である。

【図10】Ｓ２５Ｃにおける硬化被膜層とマルテンサイト含有層とに対して行ったｘ線回折法の結果である。

【図11A】Ｓ５０Ｃにおける従来の焼入部品に対して行ったスクラッチ試験の結果である。

【図11B】Ｓ５０Ｃにおける第１実施形態の浸炭部品に対して行ったスクラッチ試験の結果である。

【図12】Ｓ５０Ｃにおける従来の焼入部品および第１実施形態の浸炭部品に対して行ったボールオンディスク試験の結果である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

【0014】

（第１実施形態）
第１実施形態における浸炭部品について、図面を参照しつつ説明する。なお、本実施形態の浸炭部品は、耐摩耗性および耐疲労強度が要求される全ての部品に対して採用可能であり、例えば、各種ギヤ、各種シャフト、ロッカーム、精密プレス部品等に適用されると好適である。

【0015】

本実施形態の浸炭部品は、図１に示されるように、被加工部材１０を備え、被加工部材１０の表面１０ａ側に焼入層１１が形成された構成とされている。焼入層１１は、表面１０ａに位置する硬化被膜層１１ａと、硬化被膜層１１ａを挟んで表面１０ａ側と反対側に位置するマルテンサイト含有層１１ｂとを有する構成とされている。つまり、焼入層１１は、異なる２つの層を有する構成とされている。

【0016】

被加工部材１０は、炭素鋼または鋳鉄が採用される。本実施形態では、炭素鋼として低炭素鋼または中炭素鋼を例に挙げて説明し、鋳鉄としてフェライト率が高いものを例として説明する。なお、フェライト率が高いとは、具体的には後述するが、フェライト率が６５％以上のことである。

【0017】

また、具体的には後述するが、硬化被膜層１１ａは、セメンタイト（Ｆｅ_３Ｃ）、マルテンサイト、フェライト、マグネタイト（Ｆｅ_３Ｏ_４）、ヘマタイト（Ｆｅ_２Ｏ_３）等を含んで構成されている。マルテンサイト含有層１１ｂは、マルテンサイト、フェライト、オーステナイト等を含んで構成されている。そして、硬化被膜層１１ａは、硬度が高いセメンタイトを有する構成とされていることにより、マルテンサイト含有層１１ｂよりも硬度が高くなっている。

【0018】

次に、上記浸炭部品の製造方法について説明する。

【0019】

まず、図２（ａ）に示されるように、表面１０ａを有する被加工部材１０を用意する。本実施形態では、被加工部材１０として、低炭素鋼、中炭素鋼、鋳鉄のうちのフェライト率が高いものが用意される。次に、被加工部材１０の表面１０ａを研磨紙やレーザクリーニング等で適宜研磨する。

【0020】

そして、図２（ｂ）に示されるように、被加工部材１０の表面１０ａのうちの上記焼入層１１を形成する部分に、黒鉛の粉末に有機溶剤を加えて撹拌した黒鉛含有材料（すなわち、黒鉛ペースト）２０を塗布する。なお、有機溶剤は、黒鉛含有材料２０が塗布された後に短時間で揮発するものを用いることが好ましく、本実施形態では、エタノールが採用される。

【0021】

黒鉛含有材料２０は、本実施形態では、エタノールと黒鉛の比率が５：１（含有量ｗｔ％）となるように、黒鉛の粉末にエタノールが加えられて構成されている。また、本実施形態では、黒鉛含有材料２０は、さらにブタン、プロパン等のガスが混入された状態で密封保存されている。そして、黒鉛含有材料２０は、スプレー噴霧されることによって被加工部材１０の表面１０ａに塗布される。

【0022】

ここで、黒鉛の粉末は、粒子が２μｍ未満になると、飛散し易くなって取り扱い難くなる。したがって、本実施形態では、黒鉛の粉末は、粒子が２μｍ以上とされている。また、本実施形態では、後述するように、黒鉛含有材料２０にレーザビームを照射することにより、黒鉛を分解して被加工部材１０に吸収させることで焼入層１１を形成する。この際、黒鉛の粉末は、粒子が大きすぎると、短時間のレーザビームの照射で分解され難くなり、被加工部材１０の表面１０ａに吸収され難くなる可能性がある。例えば、本実施形態では、後述するように、波長を９００〜１０７０ｎｍ、レーザ出力を１．８〜３．５ＫＷ、走査速度を２〜６ｍｍ／ｓｅｃ、レーザ系を５×５〜１０×３０ｍｍとしてレーザビームを照射する。この際、黒鉛の粉末の粒子が１０μｍより大きくなると、黒鉛が分解され難くなって被加工部材１０の表面１０ａに吸収され難くなる可能性がある。したがって、本実施形態では、黒鉛の粉末は、粒子が１０μｍ以下とされている。つまり、本実施形態では、黒鉛の粉末は、粒子が２〜１０μｍとされている。

【0023】

また、黒鉛含有材料２０は、塗布された際に０．００２ｇ／ｃｍ^２未満になると、レーザビームを照射しても黒鉛（すなわち、炭素）が少なすぎて浸炭され難くなり、焼入層１１の深さが浅くなる。このため、本実施形態では、黒鉛含有材料２０を０．００２ｇ／ｃｍ^２以上となるように塗布する。また、本実施形態では、後述するように、波長を９００〜１０７０ｎｍ、出力を１．８〜３．５ＫＷ、走査速度を２〜６ｍｍ／ｓｅｃ、レーザ系を５×５〜１０×３０ｍｍとしてレーザビームを照射する。この際、黒鉛含有材料２０が０．０１ｇ／ｃｍ^２より大きくなると、黒鉛の粉末が厚すぎるために障壁となってしまい、焼入層１１の深さが浅くなる可能性がある。このため、本実施形態では、黒鉛含有材料２０を０．０１ｇ／ｃｍ^２以下となるように塗布する。つまり、本実施形態では、黒鉛含有材料２０を０．００２〜０．０１ｇ／ｃｍ^２となるように塗布する。

【0024】

その後、図２（ｃ）に示されるように、被加工部材１０の表面１０ａにおける黒鉛含有材料２０が塗布されている部分にレーザビームを照射しながら走査させる。本実施形態では、大気圧雰囲気の条件下において、レーザビームを一度のみ照射する。これにより、図２（ｄ）に示されるように、被加工部材１０の表面１０ａ側に、硬化被膜層１１ａおよびマルテンサイト含有層１１ｂを有する焼入層１１が形成される。

【0025】

なお、本発明者らの検討によれば、黒鉛含有材料２０を塗布したとしても、レーザ出力が低すぎたり、走査速度が速すぎると、レーザビームを照射しても硬化被膜層１１ａを有する焼入層１１が形成されない場合があることが確認されている。具体的には、本発明者らは、焼入層（すなわち、マルテンサイト含有層１１ｂ）は、被加工部材１０の表面温度が１１００〜１２００℃程度の黒鉛が拡散し易い温度であれば形成されることを確認している。しかしながら、硬化被膜層１１ａは、被加工部材１０の表面温度が１２００〜１３００℃程度まで上昇されないと形成されないことを確認している。このため、本実施形態では、波長を９００〜１０７０ｎｍ、レーザ出力を１．８〜３．５ＫＷ、走査速度を２〜６ｍｍ／ｓｅｃ、レーザ系を５×５〜１０×３０ｍｍとしてレーザビームを照射する。これにより、被加工部材１０の表面温度が１２００〜１３００℃程度まで上昇し、硬化被膜層１１ａとマルテンサイト含有層１１ｂとを有する焼入層１１が形成される。

【0026】

（実施例および比較例）
次に、詳細な実施例および比較例について説明する。なお、各実施例および比較例にて参照する図３Ａ〜図３Ｄ、図４Ａ〜図４Ｄ、図５Ａ〜図５Ｄ、図６Ａ、図６Ｂ、図７Ａ、図７Ｂ、図８Ａ、図８Ｂは、ナイタール液で５秒間の腐食を行った後のＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）写真に基づくものである。

【0027】

まず、鋼材は、主にパーライトとフェライトの２種類の分子から構成されている。そして、鋼材は、パーライト率が高くなると焼入層が形成され易く、フェライト率が高くなると焼入層が形成され難いことが知られている。つまり、鋼材における焼入層の形成され易さは、炭素量ではなく、パーライトの割合が優先される。例えば、安定的に焼入れ可能な炭素鋼は、Ｓ２８Ｃ（ＪＩＳ）以上であることが知られており、フェライト率が６５％未満であることが知られている。このため、高炭素鋼および中炭素鋼は、パーライト率が高いために焼入層が形成され易く、フェライト率が６５％以上となる低炭素鋼は、フェライト率が高いために焼入層１１が形成され難くなる。

【0028】

また、鋳鉄は、全て高炭素鋼であるが、フェライト率が６５％以上であるために焼入層が形成され難い種類が存在する。例えば、鋳鉄のうちのＦＣ１００、ＦＣＤ４００（ＪＩＳ）等は、フェライト率が高いために焼入層が形成され難い材料として認識されている。

【0029】

このため、以下では、焼入層が形成され難い低炭素鋼および鋳鉄のうちのフェライト率が６５％以上であるものを例に挙げて説明し、さらに焼入層が形成され易い中炭素鋼についても例に挙げて説明する。

【0030】

（実施例）
各実施例について説明する。以下の各実施例は、上記図２を参照して説明した製造工程を行って得られた浸炭部品である。各実施例のさらに詳細な工程について説明すると、図２（ａ）の工程では、被加工部材１０の表面１０ａをエメリー紙＃４００等で研磨した後、表面に付着した異物や、表面の濡れ性を変化させて黒鉛含有材料２０を塗布し易くするためにレーザクリーニングを行う。なお、レーザクリーニングは、例えば、レーザ出力を０．９〜１．１Ｋｗ、走査速度を４ｍｍ／ｓｅｃとして行われる。

【0031】

続いて、図２（ｂ）の工程として、２〜１０μｍである黒鉛の粉末にエタノールで構成される有機材料を加えて黒鉛含有材料２０を構成する。そして、黒鉛含有材料２０を０．００５ｇ／ｃｍ^２となるように塗布する。

【0032】

その後、図２（ｃ）の工程として、波長を９８０ｎｍ、レーザ出力を２．２ＫＷ、走査速度を２ｍｍ／ｓｅｃ、レーザ系を７×２０ｍｍとしてレーザビームを照射する。なお、以下の各実施例では、レーザライン社製、型式：ＬＤＦ４０００−１００、ズームホモジナイザ２軸可変タイプである半導体レーザを用いてレーザビームを照射している。また、以下の各実施例では、この条件でレーザビームを照射することにより、被加工部材１０の実質表面温度が１２００℃前後となる。

【0033】

（実施例１）
実施例１では、被加工部材１０として、低炭素鋼であるＳ２５Ｃを用いた。なお、Ｓ２５Ｃは、パーライト率が約３２％、フェライト率が約６８％であるフェライト率が高い部材であり、後述するように、単にレーザビームを照射したのみでは焼入層１１が形成されない部材である。

【0034】

図３Ａに示されるように、レーザビームを照射する前には焼入層１１が形成されていないが、図３Ｂ〜図３Ｄに示されるように、レーザビームを照射した後には、表面１０ａから約０．５ｍｍの深さまで焼入層１１が形成されている。また、図３Ｃおよび図３Ｄに示されるように、焼入層１１は、表面１０ａ側に層状の層が形成され、層状の層を挟んで表面１０ａ側と反対側に針状の層が形成されている。つまり、焼入層１１には、異なる２つの層が形成されている。本実施形態では、層状の層を硬化被膜層１１ａとし、針状の層をマルテンサイト含有層１１ｂとしている。そして、硬化被膜層１１ａは、表面１０ａから約０．１ｍｍの深さまで形成されている。

【0035】

硬化被膜層１１ａおよびマルテンサイト含有層１１ｂのロックウェル硬さ（以下では、単にＨＲＣという）は、硬化被膜層１１ａが表面１０ａ側から６６〜６４であり、マルテンサイト含有層１１ｂが５０〜４６であった。つまり、硬化被膜層１１ａは、マルテンサイト含有層１１ｂよりも硬度が高い層である。

【0036】

（実施例２）
実施例２では、被加工部材１０として、鋳鉄であるＦＣＤ４００を用いた。なお、ＦＣＤ４００は、パーライト率が約２０％、フェライト率が約８０％であるフェライト率が高い部材であり、後述するように、単にレーザビームを照射したのみでは焼入層１１が形成されない部材である。

【0037】

図４Ａに示されるように、レーザビームを照射する前には焼入層１１が形成されていないが、図４Ｂ〜図４Ｄに示されるように、レーザビームを照射した後には、表面１０ａから約０．５ｍｍの深さまで焼入層１１が形成されている。また、図４Ｃおよび図４Ｄに示されるように、焼入層１１は、実施例１と同様に、表面１０ａ側に硬化被膜層１１ａが形成され、硬化被膜層１１ａを挟んで表面１０ａ側と反対側にマルテンサイト含有層１１ｂが形成されている。そして、硬化被膜層１１ａは、表面１０ａから約０．１ｍｍの深さまで形成されている。

【0038】

硬化被膜層１１ａおよびマルテンサイト含有層１１ｂのＨＲＣは、硬化被膜層１１ａが表面１０ａ側から６６〜６４であり、マルテンサイト含有層１１ｂが表面１０ａ側から６２〜５２であった。つまり、硬化被膜層１１ａは、マルテンサイト含有層１１ｂよりも硬度が高い層である。

【0039】

なお、ＦＣＤ４００におけるマルテンサイト含有層１１ｂの方がＳ２５Ｃにおけるマルテンサイト含有層１１ｂよりも硬度が高くなるのは、Ｓ２５Ｃよりもマルテンサイト含有層１１ｂにおけるマルテンサイトの割合が高くなるためである。すなわち、後述するように、マルテンサイト含有層１１ｂは、マルテンサイト、フェライト、オーステナイト等を主に含んで構成されるが、これらの中ではマルテンサイトが最も硬度が高い。そして、ＦＣＤ４００は、元々の炭素の含有率がＳ２５Ｃよりも高いため、マルテンサイト含有層１１ｂが形成される際、Ｓ２５Ｃよりもマルテンサイトが形成され易くなる。つまり、ＦＣＤ４００のマルテンサイト含有層１１ｂは、Ｓ２５Ｃのマルテンサイト含有層１１ｂよりもマルテンサイト率が高くなる。したがって、ＦＣＤ４００におけるマルテンサイト含有層１１ｂの方がＳ２５Ｃにおけるマルテンサイト含有層１１ｂよりも硬度が高くなる。

【0040】

（実施例３）
実施例３では、被加工部材１０として、中炭素鋼であるＳ５０Ｃを用いた。なお、Ｓ５０Ｃは、パーライト率が約６５％、フェライト率が約３５％であるフェライト率が低い部材である。このため、後述の比較例３のように、Ｓ５０Ｃは、黒鉛含有材料２０を塗布せずにレーザビームを照射しても焼入層Ｊ１１が形成される。

【0041】

図５Ａに示されるように、レーザビームを照射する前には焼入層１１が形成されていないが、図５Ｂ〜図５Ｄに示されるように、レーザビームを照射した後には、表面１０ａから約１．１ｍｍの深さまで焼入層１１が形成されている。また、図５Ｃおよび図５Ｄに示されるように、焼入層１１は、実施例１と同様に、表面１０ａ側に硬化被膜層１１ａが形成され、硬化被膜層１１ａを挟んで表面１０ａ側と反対側にマルテンサイト含有層１１ｂが形成されている。そして、硬化被膜層１１ａは、表面１０ａから約０．１ｍｍの深さまで形成されている。

【0042】

硬化被膜層１１ａおよびマルテンサイト含有層１１ｂのＨＲＣは、硬化被膜層１１ａが表面１０ａ側から６６〜６４であり、マルテンサイト含有層１１ｂが表面１０ａ側から６２〜５２であった。つまり、硬化被膜層１１ａは、マルテンサイト含有層１１ｂよりも硬度が高い層である。

【0043】

なお、Ｓ５０Ｃにおけるマルテンサイト含有層１１ｂの方がＳ２５Ｃにおけるマルテンサイト含有層１１ｂよりも硬度が高くなるのは、実施例２と同様に、Ｓ５０Ｃの方がＳ２５Ｃよりも元々の炭素の含有率が高いためである。

【0044】

（比較例）
上記実施例における比較例として、黒鉛含有材料２０を塗布せずにレーザビームを照射した結果について説明する。なお、以下の比較例では、黒鉛含有材料２０を塗布しないため、図２（ａ）の工程における研磨では、被加工部材１０の表面１０ａをエメリー紙＃４００等でのみ研磨し、レーザクリーニングは行っていない。また、以下の比較例は、波長を９８０ｎｍ、レーザ出力を１．７ＫＷ、走査速度を２ｍｍ／ｓｅｃ、レーザ系を７×２０ｍｍとしてレーザビームを照射した結果である。そして、以下の比較例では、この条件でレーザビームを照射することにより、被加工部材Ｊ１０の実質表面温度が溶解寸前の温度まで上昇する。

【0045】

（比較例１）
比較例１は、実施例１に対応する比較例であり、被加工部材Ｊ１０として２５Ｃを用いた結果である。図６Ａおよび図６Ｂに示されるように、黒鉛含有材料２０を塗布せずにレーザビームを照射したのみでは、焼入層が形成されない。

【0046】

（比較例２）
比較例２は、実施例２に対応する比較例であり、被加工部材Ｊ１０としてＦＣＤ４００を用いた結果である。図７Ａおよび図７Ｂに示されるように、ＦＣＤ４００では、黒鉛含有材料２０を塗布せずにレーザビームを照射したのみでは、焼入層が形成されない。

【0047】

（比較例３）
比較例３は、実施例３に対応する比較例であり、被加工部材Ｊ１０としてＳ５０Ｃを用いた結果である。図８Ａおよび図８Ｂに示されるように、Ｓ５０Ｃでは、黒鉛含有材料２０を塗布せずにレーザビームを照射したのみであっても、フェライト率が低いために焼入層Ｊ１１が形成されることが確認される。

【0048】

しかしながら、比較例３では、焼入層Ｊ１１は形成されるものの、焼入層Ｊ１１は単一の層で形成されている。また、比較例３では、焼入層Ｊ１１が０．９ｍｍの深さまで形成されるが、実施例３より焼入層Ｊ１１の深さが浅くなる。

【0049】

そして、焼入層Ｊ１１のＨＲＣは、表面１０ａ側から６２〜５２であった。つまり、比較例３の焼入層Ｊ１１は、実施例３よりも表面硬度が低くなっている。

【0050】

以上が実施例および比較例の結果であり、図９Ａおよび図９Ｂのように纏められる。そして、本実施例では、フェライト率が高いＳ２５ＣやＦＣＤ４００にも十分な焼入層１１が形成されていることが確認される。また、Ｓ５０Ｃのように、レーザビームを照射するのみで焼入層Ｊ１１が形成されるものに対しては、焼入層１１をさらに深くまで形成できていることが確認される。

【0051】

そして、黒鉛含有材料２０を塗布してレーザビームを照射した場合には、黒鉛含有材料２０を塗布せずにレーザビームを照射するのみでは形成されない新たな層として、硬化被膜層１１ａが形成されていることが確認される。

【0052】

次に、本発明者らは、焼入層１１の構成について更なる鋭意検討を行い、以下の結果を得た。なお、以下の結果は、Ｓ２５Ｃにおける焼入層１１を形成していない部分と、Ｓ２５Ｃにおける焼入層１１を形成した部分とに対し、波長分散型ｘ線分析を行った結果である。

【0053】

まず、焼入層１１を形成していない部分では、体積積は、Ｆｅ：Ｏ：Ｃ＝８８．６：３．９：５．１（Ｍｏｌ％）であった。また、重量比は、Ｆｅ：Ｏ：Ｃ＝９５．９：１．２：１．２（Ｗｔ％）であった。なお、体積比および重量比における残りの部分は、Ｍｎ、Ｓｉ等の元素である。

【0054】

一方、焼入層１１を形成した部分では、体積比は、Ｆｅ：Ｏ：Ｃ＝２５．２：３８．１：３２．４（Ｍｏｌ％）であった。また、重量比は、Ｆｅ：Ｏ：Ｃ＝５５．２：２３．９：１５．３（Ｗｔ％）であった。なお、体積比および重量比における残りの部分は、Ｍｎ、Ｓｉ等の元素である。

【0055】

すなわち、この結果より、焼入層１１では、炭素と酸素が多く検出されていることが確認される。特に、体積比においては、炭素および酸素が鉄よりも多く検出され、十分に炭素が供給されていることが確認される。

【0056】

続いて、本発明者らは、Ｓ２５Ｃの焼入層１１における硬化被膜層１１ａおよびマルテンサイト含有層１１ｂの組成について検討を行い、図１０に示す結果を得た。

【0057】

図１０に示されるように、硬化被膜層１１ａは、主にセメンタイト、マルテンサイト、フェライト、マグネタイト、ヘマタイト等で構成されていることが確認される。また、マルテンサイト含有層１１ｂは、主にマルテンサイト、フェライト、オーステナイト等で構成されていることが確認される。つまり、硬化被膜層１１ａは、マルテンサイト含有層１１ｂよりもセメンタイトの割合が高くなっている。このため、硬化被膜層１１ａは、硬度の高いセメンタイトの割合が高くなる構成となっていることにより、マルテンサイト含有層１１ｂよりも硬度が高くなる。なお、特に図示しないが、ＦＣＤ４００およびＳ５０Ｃにおいても、同様の構成となる。

【0058】

さらに、本発明者らは、硬化被膜層１１ａの特性について検討を行い、図１１Ａおよび図１１Ｂに示す結果を得た。なお、図１１Ａは、Ｓ５０Ｃを用い、黒鉛含有材料２０を塗布せずにレーザビームを照射して形成した焼入部品（以下では、従来の焼入部品という）におけるスクラッチ試験の結果である。図１１Ｂは、黒鉛含有材料２０を塗布した後にレーザビームを照射して形成した浸炭部品（以下では、本実施形態の浸炭部品という）におけるスクラッチ試験の結果である。つまり、図１１Ａは、図８Ａおよび図８Ｂのように単一の焼入層Ｊ１１が形成されている従来の焼入部品に対する結果である。図１１Ｂは、図５Ｂ〜図５Ｄのように硬化被膜層１１ａを有する焼入層１１が形成されている本実施形態の浸炭部品に対する結果である。また、図１１Ａおよび図１１Ｂは、垂直荷重を１００Ｎまで上げ、テーブル移動速度を１０ｍｍ／ｍｉｎ、漸増荷重を１０Ｎ／ｍｉｎとしたスクラッチ試験を３回行った結果を示している。

【0059】

図１１Ａに示されるように、従来の焼入部品では、垂直荷重が７５Ｎ時の摩擦力は平均１４．３Ｎであり、垂直荷重が８５Ｎ時の摩擦力は平均１９．２Ｎであり、垂直荷重が９５Ｎ時の摩擦力は平均２４．７Ｎであった。

【0060】

一方、図１１Ｂに示されるように、本実施形態の浸炭部品では、垂直荷重が７５Ｎ時の摩擦力は平均１２．５Ｎであり、荷重８５Ｎ時の摩擦力は平均１６．０Ｎであり、垂直荷重が９５Ｎ時の摩擦力は、平均１８．５Ｎであった。

【0061】

すなわち、本実施形態の浸炭部品の方が従来の焼入部品より摩擦力を低減できることが確認される。つまり、硬化被膜層１１ａが形成されることにより、摩擦力を低減できることが確認される。そして、垂直荷重が大きいほど、硬化被膜層１１ａによって摩擦量を大きく低減できることが確認される。なお、従来の焼入部品および本実施形態の浸炭部品において、外観に割れ、剥がれ、クラック等は見受けられなかった。

【0062】

また、本発明者らは、硬化被膜層１１ａの別の特性についても検討を行い、図１２の結果を得た。なお、図１２は、摺動方向を往復方向、使用ボールをタングステンカーバイド、ボールサイズを直径６ｍｍ、摺動幅を片道１０ｍｍ、荷重を２Ｎ、速度を１００ｍｍ／ｓｅｃ、摺動距離を７５０ｍとしてボールオンディスク試験を行った結果を示している。また、図１２は、図１１と同様に、従来の焼入部品と本実施形態の浸炭部品との結果を示す図である。

【0063】

図１２に示されるように、従来の焼入部品では、動摩擦係数は、最少で０．０５５μ、最大で０．８１３μ、平均で０．６７６μとなった。一方、本実施形態の浸炭部品では、動摩擦係数は、最少で０．１３３μ、最大で０．７１３μ、平均で０．６２０μとなった。

【0064】

すなわち、本実施形態の浸炭部品の方が従来の焼入部品より動摩擦係数の平均が低い結果となることが確認される。また、動摩擦係数は、摺動距離が長くなるにつれて大きくなるが、本実施形態の浸炭部品の方が従来の焼入部品よりも動摩擦係数の変動（すなわち、ブレ）が小さい状態で摺動距離に応じて大きくなることが確認される。

【0065】

以上説明したように、本実施形態では、被加工部材１０の表面１０ａ側に焼入層１１が形成されており、焼入層１１は、硬化被膜層１１ａとマルテンサイト含有層１１ｂとを有している。そして、硬化被膜層１１ａは、マルテンサイト含有層１１ｂよりも硬度が高くされている。したがって、浸炭部品における表面硬度を高くでき、耐摩耗性および耐疲労強度の向上を図ることができる。

【0066】

また、本実施形態では、被加工部材１０の表面１０ａに黒鉛含有材料２０を塗布し、レーザビームを照射することで焼入層１１を形成している。このため、低炭素鋼やフェライト率が高い鋳鉄においても、０．５ｍｍという十分な深さまで焼入層１１を形成することができる。また、中炭素鋼のように黒鉛含有材料２０を塗布せずにレーザビームを照射しても焼入層Ｊ１１が形成されるものを用いた場合には、さらに深くまで焼入層１１を形成することができる。そして、黒鉛含有材料２０を塗布してレーザビームを照射することにより、マルテンサイト含有層１１ｂよりも硬度が高い硬化被膜層１１ａを形成することができる。したがって、耐摩耗性および耐疲労強度を向上させた浸炭部品を製造できる。また、レーザビームを照射する際に他の制御を実行する必要がないため、製造工程の簡略化を図ることができる。

【0067】

さらに、本実施形態では、被加工部材１０の表面１０ａに黒鉛含有材料２０を塗布した後、１回のレーザビームを照射するのみで硬化被膜層１１ａを含む焼入層１１を形成するようにしている。つまり、１回のレーザビームを照射するのみで硬化被膜層１１ａを含む焼入層１１が形成されるように、レーザビームの照射条件を調整している。このため、硬化被膜層１１ａを有する焼入層１１を形成するための製造時間の短縮を図ることができる。

【0068】

そして、黒鉛含有材料２０を構成する黒鉛の粉末は、粒径が２〜１０μｍのものを用いている。したがって、黒鉛の粉末の取り扱いが困難になることを抑制でき、また、レーザビームを照射した際に黒鉛が分解し難くなるということを抑制できる。

【0069】

また、黒鉛含有材料２０は、０．００２〜０．０１ｇ／ｃｍ^２となるように被加工部材１０の表面１０ａに塗布される。このため、十分な深さの焼入層１１を形成できる。

【0070】

（他の実施形態）
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。

【0071】

例えば、上記第１実施形態では、被加工部材１０として、炭素鋼のうちの低炭素鋼および中炭素鋼を例に挙げたが、高炭素鋼を用いてもよい。また、上記第１実施形態では、被加工部材１０として、鋳鉄のうちのフェライト率が高いものを例に挙げたが、鋳鉄のうちのフェライト率が６５％未満のような低いものを用いてもよい。被加工部材１０をこのような構成としても、黒鉛含有材料２０を塗布してレーザビームを照射することにより、硬化被膜層１１ａを有する焼入層１１を形成することができる。

【0072】

そして、上記第１実施形態では、被加工部材１０の表面１０ａに黒鉛含有材料２０をスプレー噴霧する例について説明したが、黒鉛含有材料２０の塗布方法は適宜変更可能である。例えば、被加工部材１０の表面１０ａに黒鉛含有材料２０を印刷法等で塗布するようにしてもよい。

【0073】

さらに、上記第１実施形態において、黒鉛含有材料２０を構成する有機溶剤は、エタノールではなく、例えば、アセトン、ガソリン等を用いてもよい。但し、好ましくは、取り扱いが容易であるエタノールを採用するのがよい。

【0074】

また、黒鉛含有材料２０を構成する黒鉛の粉末は、２μｍ未満とされていてもよく、１０μｍ以上とされていてもよい。なお、黒鉛含有材料２０を構成する黒鉛の粉末を１０μｍ以上とする場合には、適宜レーザ出力や走査速度等を調整し、黒鉛の粉末が確実に分解されて被加工部材１０に吸収されるようにすることが好ましい。

【0075】

さらに、黒鉛含有材料２０は、０．００２ｇ／ｃｍ^２未満となるように塗布されていてもよい。このように黒鉛含有材料２０を塗布しても、深さは浅くなるものの、低炭素鋼や鋳鉄のうちのフェライト率が高いものに対しても硬化被膜層１１ａを有する焼入層１１を形成することができる。また、黒鉛含有材料２０は、０．０１ｇ／ｃｍ^２より大きくなるように塗布されていてもよい。なお、このように黒鉛含有材料２０をする場合には、適宜レーザ出力や走査速度等を調整し、黒鉛の粉末が確実に分解されて被加工部材１０に吸収されるようにすることが好ましい。

【符号の説明】

【0076】

１０ 被加工部材
１０ａ 表面
１１ 焼入層
１１ａ 硬化被膜層
１１ｂ マルテンサイト含有層
２０ 黒鉛含有材料

【図1】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図3C】

【図3D】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図4D】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図5D】

【図6A】

【図6B】

【図7A】

【図7B】

【図8A】

【図8B】

【図9A】

【図9B】

【図10】

【図11A】

【図11B】

【図12】