Hard-faclngOfIronAlloysbyCoupledDiffusionMethod 複合拡散法による鉄合金の耐摩耗表面処理

複合拡散法 による鉄合金の耐摩耗表面処理

香 川 明 男

Ha r d ‑ f a c l n gO fI r o nAl l o y sb yCo u p l e dDi f f u s i o nMe t h o d

by

AkioKAGAWA

[ 概 要]

鋼材表面 に耐摩耗性 に優 れた

を接合 あ るいは コー テ ィン グす る際 に,界面 に発生 す る応 力 を分散 させ る効果 が期待 され る傾斜組成 を銅材表面近傍 に形成 させ る方法 として複合拡散法 を適用 した｡

中間層 に純鉄 を用 い,その表 ･裏面 か らチ タンあ るいはバナ ジウム と炭素 を順 次拡散 させた ときの炭化物 の形成条件 とその分布 の制御条件 につ いて調 べた｡拡散能の大 きな炭素 の拡散処理 に先立 ってチ タンやバ ナ ジウム を拡散 させ,逆方 向か ら炭素 を拡散 させ る こ とに よって,表面 か ら内部 へ 向か うなだ らかな炭化 物 分 布 が得 られ る こ とが知 られ た｡ またチ タンの拡散 に おい て拡 散 層 内 に形 成 され る金 属 間化 合物 ,

TiFe

及 び

:あ るいはバ ナ ジウムの拡散処理時 に形成 され る q相 はその後の炭素の拡散 処理時 に分解 して

あ るいは

を形 成 し,炭素拡散 後 の炭 化物 分布 はチ タンやバ ナ ジウム拡散 時 のそれ らの濃度 分布 に依存 す る こ とが知 られた｡最適条件下 で複 合拡散処理 を施 した試料 の表面近 傍 には

あ るいは

VC

炭化物単層 が形成 され,内部 に向か って緩 やかに減少す る炭化物 分･ 布 が得 られた｡残留応 力の シ ミュ レーシ ョンか ら,その ような傾斜組成 を有す る材料 においては クラ ックの発生 を抑制 す る応 力分散効果 が 期待 で きるこ とを示 した｡

1 .緒 言

近年 ,材料 に対す る要求 が高 ま る中で,金属 とセ ラ ミックス との接 合,複合や コー テ ィングが重要 な課題 とな って きてい るが,多 くの場 合 , これ らの材料 間の 比較 的大 きな熱膨張差 によ り生 じる熱応 力 に よって界 面強度の低下 や界面剥離 が生 じ,その ような接合不 良 が接合体 の強度 や信頼性 の低下 の一 国 とな ってい る｡

この ような熱応 力の緩和策 と して, これまで インサー トメ タル法や傾斜組成法 な どの対策 が採 られて来 てい る1 ) ｡ これ らの方 法 の内,傾 斜組成法 は応 力分散 効果 が期待 され,温度上昇 を伴 う複合 ,接合材料 な どの界 面 において発生 す る熱応 力の緩和策 として幅広 い応用 が期待 されてい る｡

他方 ,耐摩耗表面処理 については,鋼材表面 か らク ロムやチ タン,バナ ジウムな どの炭化物形成元素 を拡 散 させ る と同時 に銅 材 中の炭素 と反応 させて, これ ら

の元素の炭化物 を表面 に形成 させ る研究が数多 く報告 されて い る

｡ しか し,例 えばチ タンを工具鋼 や鋳鉄 に直接拡散 させ る と,チ タンに比 べて炭素 は拡散 係数 が大 きいためにチ タン/ 基材界面 においてチ タン と基 材 中の炭 素 との反 応 に よ り

が形 成 され

と 基材 との間 には明瞭 な界面 が形成 され る｡ その際 ,両 者 の熱膨張 係数 が大 き く異 な るために,高温 で拡散処 理 を行 った試料 の

と基 材 との界面 には室温 への 冷却過程 で非常 に大 きな熱応力が発生 し,界面剥離 を 生 じ易い｡ この ような界面 への応 力集 中を避け る対策 として,予 めチ タンな どの炭化物形成元素 を適 当な拡 散媒 体中 に拡散 させた後 に,炭素 を拡散 させれば,炭 化物形成元素 と炭素 の反応 に よ り形成 され る炭化物の 割合 が表面 か ら内部 に向か ってなだ らかに減少 してい

く傾斜組成 が得 られ る こ とが予想 され る｡

本研究 では工具鋼 や鋳鉄 の表面 に優 れた耐摩耗性 を

平成

年

月

日受理

材料工学科

有す る炭化物 を形成 させると同時に,内部へ向かって なだ らかに減少する炭化物分布を もつ傾斜組成 を材料 表面近傍に形成 させる

段拡散処理法 ( 複合拡散法 と 呼ぶ)の開発 を 目的 として,鉄を中間層 として用い, その表 ･裏面か らチタンあるいはバナジウム. と炭素を 順次拡散 させた ときの炭化物の形成条件 と炭化物分布 の制御条件な らびにこの ような表面改質処理 による応 力分･ 散効果について調べた｡

2.

実 験 方 法

表面処理

Fig.la

に示 す ように

系

においては

へのチ タンの固溶限は非常 に小 さ く,約

と

において

や

な どの金属間化合物 が生 じる｡ また,さらに高チタン濃度側においては約

以上 で液相 が生 じる｡ そ こで本研究 では,以 下 に示す実験 により, これ らの金属間化合物 と液相の 存在 がチタンの濃度分布 に どの ような影響 を及ぼすか について調べ,さらに,これ らの化合物 と炭素 との反 応 により

を形成する条件 について調べた｡

a)Fe‑Ti

N.9JnleJOduo1 642iiLl■̲

00

. 0 0 ^‑‑‑

L

【00 ₁

5 2 3 K

13

β¶ TiFe モ■'#5.さじ.Ti父 F0

2

β¶ TiFe モ■'#5.さじ.Ti父 F0

2

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

¶ wt%Fe Fe

b)Fe･V

抑Ⅷ16｡｡Ⅷ120010｡

｡

N.aJnteJaduK)i

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Vanadium .mass%

Fig.1 Fe‑TiandFe‑Vphasediagrams3).

2.1.1

チタンの拡散条件

中間層 としての純鉄へのチタンの拡散条件 とチタン の濃度分布な らびに拡散距離の関係を調べ るために,

に示すチ タン拡散処理用お よび接合用真空加熱 炉 を用いて,厚 さ

のチ タン箔を直径

,厚 さ

の純鉄の円板で上下か ら挟み,炉 内の工具鋼 製の支柱の間に装着 した｡ この際,秩/ チ タン/鉄サ ン ドイ ッチ試料 には上部の支柱 と重 りの重 さの計

の荷重 を負荷 したO炉内を

に減圧 した のち,アル ゴンガス雰囲気下で

ある いは

の所定の温度 まで

分の速度で昇温 し, その温度 に

分

時間保持 してチ タンを拡散 させ た｡拡散処理後,炉冷 した試料の断面において組織観 察な らびに

によるチ タンの濃度分布の測定 を 行 った｡

WeJlght

Fig.2 Schematicdrawingofvacuumfurnacefordif‑ fusionheat‑treatmen

t .

2.1.2

チタンの拡散および浸炭条件

純鉄へのチ タンの拡散 によ り形成 される

及 び

と炭素 との反応 による

の形成条件な らびに

分布の制御条件 を検討 す るために,厚 さ

の純鉄箔 と厚 さ

のチ タン箔 を重ねて

の

炉 内に装着 し,所定の温度な らびに保持時間でチ タン

を拡散 させた試料 に固体浸炭処理 を施 した｡固体浸炭

は,黒鉛粉末 と炭酸バ リウムの混合粉中に試料 を埋込 衣,

の減圧下で行 った｡ この際 ,チ タンを 拡散 させた表面 と同一表面 か ら浸炭 した場合 と裏面か ら浸炭 した場 合 について

の生成 ･分布状態 を調 べた｡

2.1.3

チ タン拡散試料 と工具鋼 お よび鋳鉄 との接合 上記の純鉄へのチ タンの拡散処理 ( 第 1段拡散処理) においてなだ らかな濃度分布 が形成 され る条件でチ タ ンを拡散 させた厚 さ

の純鉄箔の裏面 に,直径

,厚 さ約

の工具鋼

l l),片状黒鉛鋳

あ るいは球状黒鉛鋳鉄

の 円 板 を重 ね

で種 々の時 間保 持 して接 合 す る と 同時 に基材中の炭素 をチタンの拡散 とは逆方 向に拡散 させた ( 第

段拡散処理 )｡第

段拡散処理 後の試料 の断面 におけ る表層近傍の溶質元素の濃度分布 を EP‑

MA

に よ り測定 し

の面積分率分布 を

秩 中間層の界面 に平行 に

間隔で点算法 に よ り測定 した｡ また硬 さ測定 はアカシ製 ミクロヴ ィッカース硬 度計 によ り荷重

g,負荷時間

秒の条件 で行 った｡

2.2 VC

表面処理

複合拡散処理 におけ る第

段の純鉄へのバナ ジウム の拡 散 条 件 につ いて は

に示 す

Ⅴ 状 態 図

で q相 と

相が共存す る温度

か ら q相, γ相 と

相の

相が現れ る温度域

相 とγ相 が現 れ る温度

お よび

単相の温度

(1673K)

につ いて調 べ た｡ 直径

,厚 さ

のバナ ジウム箔 を直径

,厚 さ

の純鉄板 の 間に挟 み込んだサン ドイ ッチ試料 を

の上下の 工具鋼製 の支柱 の間に固定 して炉 内の均熱帯の中央部 にセ ッ トした｡炉 内をアル ゴン ガスで置換 し,

分 あ るいは

分の加熱速度 で所定 の温 度 に昇温保 持 したのち,同一速度で室温 まで冷却 した｡拡散処理 試料の中心 を通 る断面 において組織観察 な らびに EP‑

MA

に よるバ ナ ジウムの濃度分布 の測定 を行 い,バ ナジウム濃度分布 な らびに拡散距離 と拡散処理条件 と の関係 につ いて調 べた｡第

段 の工具鋼

と の拡散接合条件 においては,直径

,厚 さ

のバナ ジウム箔 と直径

,厚 さ

の純鉄箔 を 重 ねた ものを第

段処理 と同様 に して所定の温度で拡 散接合 させた｡ ひ き続いて, このバナジウム拡散試料 の裏面 を

と

の条件 で拡散接 合 し,断面 におけ るバナジウム と炭素の濃度分布,

炭 化物 の面積 分率 分布 と硬 さ分布 をチ タン拡散 処理

( 前項

と同様 の方法 で測定 した｡

3.

結果 と考察

3.1

チ タンお よびバナジウムの第

段拡散処理

に一例 として

でチ タンを拡散 させた 純鉄試料な らびに種 々の条件 でバナ ジウムを拡散 させ た純鉄試料の断面 におけ るチ タンお よびバナジウムの 濃度分布 を示 す｡チ タン拡散試料 においては,液相 を 生 じな

の拡散処理温 度 では,チ タン/ 拡 散 層界面 のチ タン濃度 は,ほぼ

であ ったが,界面 か ら内部 に

n入った領域 で急激 に減少 し,そ の後 ,曲線 の勾配 は幾分緩 やかにな り

領域 と

相共存域 の境界近傍 で顕著な折 れ曲が りがみ られた｡この ような急峻 な濃度変化は

2や

中のチ タンの拡散能 が非常 に小 さい こ とを示唆 してい る｡一方 ,液相 を生 じる

では

にみ られ るように,チ タン/拡散層界面のチ タン濃度 は

の状態 図 に対応 した液 相濃 度 にな り, また

鞘

0 50 100 150 200 250 300 350

Distance,Llm

Fig.3 a)Titanium and b)Vanadium concentration profilesonthesectionofFe/TiandFe/Vdif‑ f

usion couplessubjected to the lststage heat‑treatmen

t .

金属間化合物中のチ タンの拡散能 も大 き くなるため, それ らの化合物 を生 じるチ タン濃度域 において も比較 的緩 やかな減少 を示 したが, この場合に も

領域 での折れ曲が りがみ られた｡ この ような

領域で の拡散距離 は

では さ らに長 くな り, また保 持時間の増加 によ?て も増大 した

のバナジ ウム拡散試料 において

o相 を生 じる

以下の拡 散処理温度では

界面近傍 でバナジウム濃度は 急激 に低下 し

α相境界のバナジウム 濃度 を境 に低濃度域では緩やかに減少 している

を生 じない

で保持時間ゼ ロの拡散処理 を行 っ た試料のバナジウム濃度分布は,図の ように表面か ら 内部へ向かって比較的なだ らかに減少す る濃度分布 を 示 した｡ しか し

お よび

ではバ ナ ジウム の拡散能 は大 きいために

では

分保持 で,

では加熱 中に拡散層 の厚 さは数百 ミクロンに 達 した

にチ タンお よびバナ ジウムの拡散層厚 さ ( L) と保 持 時 間 ( t) の関 係 を示 す｡ 両者 の間 には 各温度 において

で表 わ され る直線関係 がみ ら れた｡拡散距離

と保持時 間の関数

0.30

0.25

0.20

N

E

12:

J

O.10

0.05

0

0.30

0.25

0

. 2 0

NE o.15

〜.｣

0.10

0

.

5

0 1 2 3 4 5

Holdingtime,hr

0 0.5 1.0 1.5 2.0

HoldingtimeI,hr

Fig.4 L2‑tplot(L:thicknessofdiffusionlayer)

として

∝Jf Wで与 え られ 拡散係数は

で与 え られ るか ら

RT)

｡すなわち

の直線の勾配の

乗の対数 と 温度の逆数 との間には直線関係がみ られ, この懐 きよ り求めたみかけの活性化 エネルギ

は,チ タン とバ ナジウムに対 して,それぞれ

lお よび

とな った｡前者 の値 は γ ‑

中のチ タンの拡 散の活性化 エネルギ

にはば等 しいが, 後者 では γ ‑

や

中のバナジウムの拡散 の活性 化エネルギ,それぞれ

に比べてかな

り小 さな値であ った｡

3.2

チ タン複合拡散処理

チ タン拡散処理 後の純 鉄試料 に浸炭処理 を施 す と き,試料 中のチ タンは

及 び r

に固 溶 した状態 あるいは

や

の ような金属間化 合物 の状態 で存在 す る

と炭素 は容易に反応 し て

を形成す る ｡γ ‑

^{固溶体中の}

^{の溶解度積}

は次式で与 え られる

0

log[%Ti][%C]‑5.13‑10780/T

‑ i ‑ ‑ ‑ ( 1 ) いま,浸炭温度 を

とし

]を

とす る と

の

中では

が生成 す る｡ 同様 に

中において も

が形成 され る ことが知 られる

｡他方

と炭素 との反応 により

を生成す る条件は,以下の式で与 え られる

TiFe+Cg‑Fe+Tic

AG ニー34200+6.8T (cal/mo

l ) ‑‑‑ ･ ‑ ‑

ここで

で,炭素活量 を

≒【 %C1 とする と,

Cg‑^C̲,(0･1%)

AG‑ 10800‑14.8T(Cal/mol)5)

I ‑ ･ ･ ･ ･ . ･ ･ ･ ･ ･

これ よ り,

TiFe+ C̲,‑Fe+Tic

･ ‑･ ･ ･ ･ ‑ ‑･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ‑ ･ ･ ･ . ･ ･

l ). ･ ･ ･ ‑･ ･ ･ ･ ･ ･

式の反応 は

においては,

で

と炭素 との反応 に よ り

が形成 され るこ とが知 ら れ る｡文献

には

の標準生成 自由エネルギが 与 え られて いないが,

と炭素 との反応 に よ り

が生成す ることも同様 に予想 され る

に厚

さ

の純鉄 箔 に

で

時間チ タンを拡散 さ

せた表面 と同一表面 か ら

で

時間の条件 で

30

㌔ J看

>r 20 U l二

10

0 50 一oo 15

0

DIStanCefromthesurface,叩 DIStanCefronlthesurfaK=e･p･m

Fig.5 MicrostmctureandTic distributionofthe specimenssubjectedtothecoupleddiffusion treatmentwithdifferentschemeofthe2nd stage diffusion beat‑treatment.Tiand C weresuccesivelydiffusedfrom a)thesame surfaceofironinterlayer,andb)fromtheop‑

positesurfaceofironinterlaye

r .

浸炭 した場合 と裏面 か ら浸炭 した場合の,断面 におけ る組織 とチ タンお よび炭 素 の濃 度分布 な らび に

の分布状態 を示 した｡チ タン と炭素 を同一表面 か ら拡 散 させた試料 では裏面 に

が生成 し, 内部 への炭 素の拡散はみ られなか った｡ そ こで高チ タン濃度の表 層 を削 り落 とした表面 か ら浸炭 させた場合には

5a

にみ られ るように炭素 は内部 へ拡散 し

の形 成 がみ られたが,表面 の

面帯分率 は低 い もの し か得 られなか った｡一方,チ タン と炭素 を表 ･裏面 か

ら拡 散 させ た試 料 で は , チ タン を拡 散 させ た表 面

の左側 )近 くに黒 い帯状 の

層 が形成 さ れ,内部 に向か ってなだ らか に減少 して い く

分 布が得 られた｡

Fig.6

にチ タン拡 散 処 理 (

時 間 ) 級 ,

と

で

拡散接 合 した試料 の断面組織 ,

の面積 分率 ( 近 似的 に体積分 率 に等 しい と考 え られ る)分布 と硬 さ分布 を示 した｡チ タン// 鉄 中間層 界面近傍 には厚 さ約

の

層 が形成 されて お り,内部 に向か ってなだ らか に減少 す る

分布 がみ られ,基地は少量のパー ライ トを含むフ ェライ ト であ った｡ また

層 ,傾斜複 合層 と基材 の間 に は クラ ックはみ られなか った

にみ られ る よ うに

分布 はチ タン拡散処理 後 の チ タン濃 度分 布 に対応 して い る｡ この こ とは

での拡散接 合 処理 においてはチ タンは拡散する間 もな く炭素 と反応 して

を形成 した こ とを示 してい る｡

Cに み られ るように

層

の黒 い帯状) の硬 さは約

で,その内部の数

の領域 におい て硬 さは急減 し,その後は比較的緩 やかに減少 してい

00射釦00

加

%

( E t c h i n g b yMu r a k a ml l sr e a g e n t

)

0 50 100 150 200 250 300

Distance,tJ,m

Fig.6 a)Microstructure,b)Tic vo1% andc)hard‑

ness distribution on the section of the specimensubjectedtothecoupleddiffusion treatment.(thelststageTidiffusionat1423 Kfor2handthe2ndstagediffusionbonding withSKDat1323Kfor2h)

る.硬 さが急減 す る位置 は

分率 が

q )位置 に ほぼ対応 している｡一般 に複合材料の硬 さは複合則 か ら大 き く負 に変位 す る｡ これは

間 に連 が りが み られ る高

分率 の額域 においては比較 的高 い硬 さが得 られ るが

間の連 が りが失われ る低

分率 の領域 においては

マ トリックスの硬 さを反 映 した もの と考 え られ る｡

複合拡散処理 の第

段炭素拡散処理 においては,塞

材 に炭素 を含む鋳鉄 を用 い るこ とがで きる｡厚 さ

のチ タン箔 と厚 さ

の純鉄箔を

で

時

間拡散接合 させた試料の純鉄側の表面 に片状黒鉛鋳鉄

あ るいは球状黒鉛鋳鉄

を

で

時間

拡散接 合 した試料 の断面組織 を

に示 した｡ こ

れ らの試 料 のチ タン/ 鉄 中間層界面 には黒 い帯状 の

層 がみ られ,内部 に向か って なだ らか に減少 す

る

分布が界面か ら約

にわた って得 られた｡

この帯状 の

層 は鉄 中間層/ 基材界面 か ら

270fLm

の位置 にあ ることか ら

に示 したチ タ ン/鉄中間層界面 よ り幾分チタン側 に入 った位置 に形 成 されることが知 られた｡ また, ここでは

か ら知 られるチ タンの拡散層厚 さよ り少 し厚めの鉄中間 層 を用 いたが,鉄 中間層 内には

の未生成域 が約

あ るこ とか ら

の条件では,鉄 中間層 の厚 さは

m が適当である と考 えられ る｡

(

a k a m ■ ■ s r e g e a n t ) ( E t c h e d b y N i t a l ) F C

級 . t ､ 4. ?

< .

:

闘 ‑ . 露L 七 , 等 デ I ー : : . i ∴ . ! 7 〝 . 'J ト r ん T i r ' l

T , 玩T i

e I n t

FCD1̲ FCD ';‑

当≡喜 ̲i hL‑ ･,､一一 ‑.〜

ill一一一 .､.r; ‑i:,‑r.,I; L竺竺｣

Fig.7 MicrostmctureoftheFCandFCDspecimens subjectedtothecoupleddiffusiontreatment.

(thelststageTidiffusionat1423K for2h a

ndthe2ndstagediffusionbondingwithFC andFCDcastironsat1323Kfor2h)

3.3

バナジウム複合拡散処理

バナジウム複合拡散試料 における第

段炭素拡散処 理時の

炭化物の形成条件 は

お よび

に おける

炭化物の溶解度積か ら知 られる｡

log(%V)(%C)‑2.72‑6080/T(a‑Fe

8 ) ) ･ ･ ･ ･ ･

･ ･ ･ ･

いま

において

とする と, α

においては

におい ては

の領域で

炭化物が生成 す る｡

では

において も

で

炭化物 が生成 する こ とか ら,第

段拡 散処理後の冷却時 には

中のバ ナ ジウムはは

炭化物 に変わる もの と考 え られる

よ り

の炭素拡散処理温度 においては

のバ ナジウム濃度域 に α相が存在す るが,級 述 す る ように q相 は第 2段拡散処理後 には消失 して いることか ら,第

段拡散処理時 に拡散 して きた炭素

.ps｡

pJ

0075

l I ^b) l

l

I

l

V

l

l

c

0 50 1tX) 150 2(泊 250

Distance,pm

Fig.8 a)Microstructure,b)solutedistributionpro‑

files,C)distributionofVCvol% andd)hard一 mess distribution on the section of the specimensubjectedtothecoupleddiffusion treatment.(thelststageVdiffusionat1528 Kwi仇outholdingandthe2mdstagediffusion bondingwithSK3steelat1273Kfor3h)

と反応 して

炭化物 を形成するもの と考 えられる｡

また

でのバ ナジウム と炭素 の拡散能 の違 い か ら,. 炭素拡散処理時にはバナジウムはほ とん ど拡散 することな く

炭化物に変わる と考 え られる｡

鉄中へのバナジウムの拡散条件 として比較的なだ ら

かな濃度分布 が得 られた

で保持時間ゼ ロの条

件 を採用 し, この拡散条件で予 めバナジウムを拡散 さ

せた鉄箔試料の裏面 を

と拡散接合 した

に

で

時間の炭素拡散処理 を行 った試料の断

面組織 と溶質濃度分布

炭化物の面済分率分布 お

よび硬 さ分布 を示 した｡バナ ジウム/鉄中間層界面 に は,バナ ジウム と基材 の

か ら拡散 して きた炭素 との反応 に よ り形成 された厚 さ約

の

炭化物 層 が認 め られ る

層 は約

の高硬度 を示 し,

層の厚 さは拡散接 合時 間 とともに増大 した

8

Cにみ られ るように

層 と複合層

基地) の界面近傍 においては

分率 は幾分急激 に低下 す る が,その内部 ではなだ らかな

分布がみ られ,基地 は フ ェライ トとパ ー ライ トの混合組織 であ った

分布は図中に破線で示 した第 1段の拡散処理後のバナ ジウム濃度分布 に対応 してい る. これは

とq )紘 散接合温度

におけ る炭素の拡散 係数 がバナ ジウムの約

倍大 きいため

,バ ナジウムが拡散 す る 前 に炭素 との反応 に よ り

炭化物 が形成 された もの と考 え られ る

の硬 さ分布 は

Cのチ タン複 合拡散試料 と同様 に

鉄 中間層界面 か ら 約

の領域 で急激 に減少 したりち緩 やかに低下 し てい る｡

以上の ことか ら,第

段 の拡散処理時間が長 くなる と,複合層の基地中の炭素濃度 は基材の

のそれ に近 づ くが

炭化物分布は第 1段処理時のバ ナジ ウムの濃度分布 に強 く依存す ることが知 られた｡また, 第

段の炭素拡散処理の保持時間が長 くな る と,表面 近傍の

炭化物層の厚 さは増大す るが,複合層の組 織 には顕著な違 いはみ られなかった｡

3.4

複合拡散処理試料 におけ る応 力分散効果

Fig.9

はチ タン箔 を直接工具鋼 で挟 んだサン ドイ ッ チ試料 を

で

時間拡散接 合 させた試 料 の断面 組織 で,約

厚 さの

が界面 に形成 されている が,基材 との界面 には明瞭な界面剥離が見 られ る｡界 面近傍 に形成 される

の熱膨張係数

(EbhedbyMurakami'sreagcnt) A100LLm1

Fig.9 MicrostructureonthesectionofTifoil/tool steel(SKDl1)sandwichspecimensubjected tothedirectdiffusion‑bondingwithoutiron interlayerat1423Kfor2h.

K 1)9)

は基材のそれ

Ⅹ1 0

の約

で あ り

で拡散接 合 させた試料 においては,袷 却 中 に塑性 変形 が生 じない とす る と,室温 では

を超 え る大 きな熱応 力が界面 に生 じるこ とにな る

は表面 に厚 さ

の

を生成す る条件

に対応 )で反応拡散処理 を行 った厚 さ

の工 具鋼

と工 具鋼裏 面 に直接 厚 さ

の

を同一温度で接 合 した場合

に,室温 において 両試 料 の表層 近傍 に生 じる応 力分布 を平板 積層 モ デ ル

を使 って計算 した結果 であ る｡ 図には傾斜複合 層

中の

分布が直線的であ る場合

に つ いての計算 結果 を併 せて示 したo シ ミ ュレー シ ョ ンにおいては,厚 さ

の

層 ,厚 さ

の

層 と界面近傍 の

を

間隔 で分割 し, 各層 の熱膨張 係数 な らびに弾性定数 は

と工 具 鋼の文献値

を使 い

分率の一次関数 として 与 えた

を直接

に接 合 した

モ デ ル には

か ら室温 まで冷却 した ときに約

の大 きな残留応 力が Ti C /基材界面 に生 じ

にみ ら れ る ような界面剥離 が生 じるこ とが予想 され る｡ 他 方,複合拡散処理 を行 った

モデルでは, この ような 応 力集 中は軽減 されて お り

層 中の

分布 が直線的である場合 ( Bモデル) には, さらに顔著 な 応 力集中の軽減効果が期待 で きるこ とを示 している｡

lmodelA,B]

ed H

SS 巴 1S

500 Tension

q

.

＼ ＼ l A l l

500 ＼

B＼ ＼

DOO C

mp r e s s i

n ＼ ＼

0 50 1 00 150 200 220

DIStanCefromthesurface.けm

Fig.10 a)Sandwich models for Tic hardfacing specimenandb)residualstressdistribution atroom temperature.

a)E一ement No

.

mode一ら)

b) 1 000

ー 2000

C ) 500 0

† q

& ‑ 500 U ) u ) 4 ) 去 ‑ 1 000

‑ 1 500

‑ 200 0

l l

日

tension :.model I

B

A

compression

0 1 00 200 300

Distancefromthesurface,pm

300 50 0 7 0 0 9 0 0 1 1 00 1 3 00

Temperature,K

Fig.ll a)Sandwich models for VC hardfacing specimen,b)residualstressdistributionat room temperatureandc)variationofstress generatedoncoolingfrom the2ndstagedif‑ fusion‑bondingtemperature.

Fig.8

のバナジウム複合拡散試料 について も同様の応 力集中の軽減効果 を示すシ ミュレーシ ョン結果が得 ら れた

)｡ これ らの シ ミ ュレー シ ョン結果 は

と

の実験結果 の相違 を良 く説 明 してお り,複合拡散処理 を行 った試料 において債斜複合層に よる応力分散効果が働 いていることを裏付けている｡

4.

結 論

鉄箔をチタンあるいはバナジウムの拡散媒体 として の中間層 として用い,予めその表面か らそれ らの元素 を拡散 させたのちに裏面を工具鋼 あるいは鋳鉄 と接合 す ると同時に炭素 を,チタンやバナジウム とは逆 に, 表面 に向かって拡散 させる複合拡散処理 によって表層 近傍 に形成 される炭化物の生成条件 とその分布の制御

条件な らびにその ような炭化物の傾斜分布 を もつ試料 の応力分散効果 について調べ,以下の結論 を得た｡

1)純鉄にチ タンやバナジウムを拡散 させた試料の溶 質濃度分布 においては

及 び

あ るい は q相 を生 じる濃度近傍 において折 れ曲が りが み られたが,チタン及びバナジウムの拡散距離の 二乗 と時間の間には直線関係がみ られた｡それ よ り得 られた見かけの活性化エネルギは,チ タンの 場合は

Fe中のチ タン拡散の活性化エネルギに 等 しかったが,バナジウムの場合はフェライ トお よびオーステナイ ト中のバナジウム拡散の活性化 エネルギ よりかな り小 さい値 となった｡

2)TiC

及び

面積分率の分布は第

段のチタンや バナジウムの拡散処理の条件 に左右 されるが,そ れ より低温で行 う炭素拡散の条件 にはほ とん ど影 響 されない｡

3)チ タン と炭素 を同一表面か ら拡散 させた試料では

表面の

分率 が低 い もの しか得 られなか った が,チ タン と炭素 を表 ･裏面か ら拡散 させた試料 では表面近傍 に

層 が生成 し,内部 へ向か っ てなだ らかな分布 を もった組織が得 られた｡後者 の方法でバナジウムの複合拡散処理 を行 った試料 の表面 には

炭化物層が生成 し,内部へ向かっ てなだ らかに減少する

体賛分率分布 をもった 組織 が得 られた｡ この ような

あ るいは

分布を もった試料では残留応力の分散効果が期待 されることを示 した｡

参 考 文 献

1)岩本信也,宗官重行編 : ̀ 金属 とセ ラミックスの 接合'内田老鶴圃

,

2)

ゲ ･ヴ ェ ･ゼムスコ7,エル ･エ リ ･コ‑ガン :

̀ 金属材料の複合拡散浸透法 ' 日ソ通信社

,

3)T.B.Massalski:̀BinaryAlloyPhaseDiagrams'

,

.

4)

日本金属学会編 : ̀ 金属 デー タブ ック'丸善

26,p.116

及び

5)

成 田貴‑ :日本金属学会会報

6)F.D.Richardson:∫.Iron Steellnst.,175,p.33 (1953).

7)0.KubaschewskiandC.

B

ford,p.284 (1979).

8)

小山伸二,石井照朗,成 田貴‑ :日本金属学会誌

.