表面被覆した球状黒鉛鋳鉄の摩耗特性

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(1)Title. 表面被覆した球状黒鉛鋳鉄の摩耗特性. Author(s). 長澤, 徹; 相馬, 詢; 井上, 平治; 三谷, 將之. Citation. 北海道教育大学紀要. 第二部. A, 数学・物理学・化学・工学編, 45(1) : 31-37. Issue Date. 1994-10. URL. http://s-ir.sap.hokkyodai.ac.jp/dspace/handle/123456789/6241. Rights. Hokkaido University of Education.

(2) . ５巻第１号北海道教育大学紀要（第２部Ａ）第４. 平成６年１０月. ＩＡ）ＶｏｌｉｉｄｏＵｎｉｖｅｒｉｉｏｎ（ＳｅｃｔｌｏｆＨａｋｋａｔｙｏｆＥｄｕｃａｔＪｏｕｍａｏｎｌｓ．４５．１，Ｎｏ. ｏｃｔｏｂｅｒ，１９９４. 表面被覆した球状黒鉛鋳鉄の摩耗特性長運. 徹・相馬. 諭＊・井上. 平治＊＊・三谷. 北海道教育大学釧路校機械工学研究室＊北海道大学工学部機械材料学講座. 蒋之＊＊＊. 釧路０８５札幌０６０. ＊＊北海道教育大学函館校技術教室. 函館０４０. ＊＊＊北海道教育大学札幌校機械工学研究室. 札幌００２. ｉｃｓｏｆＳｕｒｆａｃｅ－ＣｏａｔｅｄＮｏｄｕ１ａｒＧｒａｐｈｉｖｖｅａｒＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｔｅＣａｓｔｌｒｏｎ. ＴＯ脳ｕＮＡＧＡＳＡＷＡＭａｋｏｔｏＳＯＨＭＡ＊ＨｅｉＩＮＯＵＥ＊＊ａｎｄＭａｓａ肌ｌｋｉＭＩＴＡＮＩ＊＊＊ｊ，，ｉＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＭ［ｉ１ＥｎｇｉｉｉｎｅｅｒｉｄｏＵｎｉｉｉｏｎｉｔｙｏｆＥｄｕｃａｔｅｃｈａｎｃａｎｇｒｏＣａｍｐｕｓｓｖｅｒｒｏｏ８５，Ｋｕｓｈ，Ｈｏｋｋａ，Ｋｕｓｈ＊ＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＥｎｇｉｉｄａｔｅｒｉｌｉｎｅｅｒｉｎｇｉｄｏＵｎｉｉｔｙｏｆＥｎｇｔｙｎｅｅｒｎｇＤｄａｃｈｉｎｅｒｙＤａｌｓｖｅｒｓ，Ｆａｃｕ，Ｈｏｋｋａ，Ｓａｐｐｏｒｏ０６０＊＊ＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＥｎｇｉｄｏＵｎｉｖｅｒｉｉｉｎｅｅｒｉｔｙｏｆＥｄｕｃａｔｓｏｎｎｇ，Ｈｏｋｋａ，ＨａｋｏｄａｔｅＣａｍｐｕｓ，Ｈａｋｏｄａｔｅ０４０＊＊＊ＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＮｉｉ［ｉｉｏｎｉｄｏＵｎｉｖｅｒｉｔｙｏｆＥｄｕｃａｔｎｅｅｒｎｇｅｃｈａｎｓｃａＩＥｎｇ，Ｓａｐｐｏｒｏｏ０２，ＳａｐｐｏｒｏＣａｍｐｕｓ，Ｈｏｋｋａ. Ａｂｓｔｒａｃｔｆｌｎｏｒｄｅｒｔｏｒａｉｓｅｔｈｅｗｅａｒ－ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｏｆｎｏｄｕ１ａｒｇｒａｐｈｉｔｅＣａｓｔｉｖｃｂｙｔｈｅｔｈｖｒｏｎ，ｔｈｅｓｕｒａｃｅｗａｓｃｏａｔｅｄｗｉ. ｌｍｉｎ／Ｃｍ２ｉｍｅｓｗｅｒｅｌｍｉｎｕｔｅｐｅｒｃｍ２（）ａｎｄ２ｍｉｎｕｔｅｓｐｅｒｃｍ２ｓｐａｒｋｈａｒｄｅｎｉｎｇｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅｓｐａｒｋｔ）‐ ２ｍｉｎ／ｃｍ２（Ａｈａｒｄｅｎｅｄｌａｙｅｒｏｆａｂｏｕｔｌｏ”ｍｗａｓｏｂｔａｉｎａｂｌｔｈｌｍｉｔｈ２ｍｉｎ／Ｃｍ２ａｎｄ２０〃ｍｗｉｎ／Ｃｍ２ｅｗｉ ‐ ｏｆｔｈｅｈａｒｄｅｎｅｄｌａｙｅｒａｎｄｆｆａｃｅ２０”ｍｗａｓｆｕｓｉｏｎ‐Ｃｏａｔｅｄａｎｄｔｈｅｉｎｓｉｆｆｕｓｅｄｉｄｅ２０”ｍｏｆｔｈｅｃａｓｔｉｏｒ２ｍｉｎ／Ｃｍ２ｒｏｎｗａｓａｄ，，ｔｈｅｓｕｒ. ｈａｒｄｅｎｅｄＬａｙｅｒ．ＴｈｅｓｕｒｆａｃｅｈａｒｄｎｅｓｓｗａｓａｂｏｕｔＨＶＩＯＯ０ａｎｄｉｔｉｓｆｕｓｉｏｎ－Ｃｏａｔｅｄｌａｙｅｒｉｓｅｆｆｅｃｔｉｖｅｔｏｔｈｅｇｒｅａｔｓｎｏｔａｂｌｅｔｈａｔｔｈｉｈａｔｉｉｎｇｗｅａｒ－ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ．ｔｉｅｘｔｅｎｔｔｓ，ｒｅｇａｒｄ ’ Ｔｏｓｈｏｗｏｎｅｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｅｗｅａｒａｍｏｕｎｔｂｙｏｈｋｏｓｈｉｔｄｅｃｒｅａｓｅｄａｂｏｕｔ６０％ｆｏｒｔｈｅｌｍｉｎ／Ｃｍ２Ｌａｙｅｒｓｗｅａｒｔｅｓａｎｄ７０％ｆｏｒｔｈａｔｏｆ２ｍｉｎ／Ｃｍ２ｃｏｍｐａｒｅｄｔｏｔｈａｔｏｆｎｏｎ‐Ｃｏａｔｅｄｉｒｏｎ．. １．緒. 言. 近年金属材料の表面を改質して従来以上の耐熱性，耐摩耗性，耐蝕性，耐疲労性，装飾生などを持たせようとする研究が注目されている．すなわち材料の高機能化，高イホガロ価値化が求められているが，これには相変態の利用，元素の浸）がある具体的には機械的処理法（ショットピーニング透による合金化，高機能物質の被覆さらに気相合成法など１，．，ｉＣなどの超硬粒子の埋め込みなど）Ｓ，表面化学変化法（黒皮の形成など），レーザー表面熱処理（イオン窒化法，イオン浸炭法，ホウ化法，金属拡散法，イオン注入法）さらに溶射法，めっき法，ＰＶＤ法，ＣＶＤ法などが上げられ，それぞ３４）））しかし鋳鉄に対しては黒鉛組織が材料表面に露出しているので処理時れにおいて有益な成果が報告されている２，．，の熱応力による割れ，黒鉛組織の機能性，密着性に問題が多いので，今だ方法が確立されたとは言いがたく，ボライディ）などの元素拡散浸透法が最も適切と推奨されているにすぎない一方著者らは切削工具金型歯車さくング処理５．，，，，）を鋳鉄に試み摩耗岩用ドリルの耐摩耗，耐久性向上のために古くから行われている放電被覆加工（放電加工と呼称）６，１）（３.

(3) . ３２. 長運長運. 徹・相馬徹・相馬. 諭・井上平治・三谷料之. 特性を調べ，新たな表面改質法の可能性を検討した．. ）２．放電加工法について７工業技術の向上に伴い一般機械部品には種々の複雑な要素が増大しまた，使用する際の耐久度の点からその工具鋼には難加工材の使用が多くなった．すなわち一般工作機械での加工が困難な場合が多くなったので，工具鋼材に対しては，近年放電現象を応用する各種の工作法が研究されると共に工業化されている．放電加工法は，１９４３年にソ連のラザレンコによって初めて提案されたと言われている．わが国では，１９４８年頃からこの方法が導入されて，研究と実用化が進み，近年では電解加工法，電解研削法などの特殊加工法の領域にも達している．放電加工法は，図１に示したように電極物質に超高硬度の金属を（＋）極に，被加工物を（－）極にして両極間を直流に接続して，これによって充電（短絡された時）または放電（両者が離れた時）を繰返し行うことによって，被加工物の表面層に電極物質が置換され，拡散されて著しい硬化層を生成させる．すなわち放電現象によって，被加工物表面の局部をイオン化し，大気中の酸素，炭酸ガスその他の酸化性ガスの反応しない雰囲気をつくり，同時に著しい生成温度（約２５０００Ｋ）によって電極の超高硬度物質が，被加工物表面層に拡散，移行して，著しい表面硬化層を形成する現象である．その用途は，図２に示したようにはなはだ広い．また耐久性は２～３倍から１０倍にも達すると報告されている．. ３．実. 験. 法. 方. 実験に使用した試料は，ＦＣＤ５００級の球状黒鉛鋳鉄である‐ 顕微鏡組織は，図３に示したようにブルスアイ組織とパーライト基質からなっている．化学組成と諸性質を表１に示した‐ 放電加工は，図１に示した回路を有するユニツール社製のペネトロン装置（図４）によって行ったが，陽極の電極を電磁気的に振動させ陰極の試料との接触を繰返して断続して火花放電を生じさせた．電極物質は，タングステンカーバイド（ＷＣ）でこれが放電現象によって試料表面に溶融して付着，さらに拡散して著しい高硬度の拡散層（放電皮膜）が）当たりｏｍｉ形成される．放電処理時間は，三種類で単位面積（））そして２ｍｉ（Ｎ２（ＮＩ（ＮＯ：鋳造のまま）ｎｎｎｃｍ２，ｌｍｉとした．図３の左端部の白色縦帯状組織が放電皮膜で，放電時間２ｍｉｎ／ｃｍ２の場合である．なおｌｍｉｎの放電加工による皮膜の厚さは，おおよそ１０〆ｍ，２ｍｉｎでは２０”ｍであった．. ）は下記の上記の方法で放電加工した三種類の試料について大越式迅速摩耗試験機で摩耗試験を行ったが，その原理８，通りである．図５に示したように半径ｒ，厚さＢの回転する円盤を荷重Ｐで平面試験片に押し付けて摩擦させた場合，摩耗量（体積）Ｗは，ｂ：摩耗痕幅，ｈ：摩耗深さとすると２１（ｂ／２ｒ）－（ｂ／２－（ｂ２ｉｎ－）｝Ｗ＝Ｂ｛ｒ２）×ｒ／４ｓｌａｕｒｉｎ展開をすると，と表せる．ここでＭａｃ. 電. 源. Ｒ. Ｃ. 丁. １図１放電加工法の回路図. （３２）. 電. 極. 被加工物ー. （＋）. 工－，.

(4) . . . ３３. 表面被覆した球状黒鉛鋳鉄の摩耗特性. 」纏お．勝繋”. ブローチ. カッターミーリング. まと玲成深いり間形. 謝璽跡. バイト. ． “. タップ. 嘘 ◎ －Ｉ. イス六角醸造ダ. ↓. ー犠飛韓＝Ｎ『Ｎ－. ／. ドリル. ◎. ｉ＝ｄ－≠ ≦ ｉリーマー. 脚唖郡唖漁. ミー纏ミ細. ？〔１. ル邑竺亨ージ切ネロ. チジ蘭パン木ネ. 図２放電加工法の用途例. 鋳造のままの組織. ｉｌ. 放電加工皮膜. 纏弾農；．腰メすも山．・－も湖ト. . ．●曙. . . . . . ；！．．， . . . 誓“. 、. ‐. ，一. ５０仏ｍ. 図３球状黒鉛鋳鉄の鋳造のままの組織と放電加工皮膜（左端縦白色部）. 表１球状黒鉛鋳鉄の化学組成と諸性質（ｍａｓｓ％）. ＦＣＤ５００. Ｔ．Ｃ. Ｓｉ. Ｍｎ. Ｐ. Ｓ. Ｍｇ. ３．３０. ２．３８. ０‐４１. ０．０１８. ０‐０１３. ０．０４４. 球状黒鉛鋳鉄の諸性質. ）（Ｍｐａ. （％）. フリネル硬さ（）１０／３０００. ５６６. １５．８. １９０. 引張強さ. ＦＣＤ５００. 〉. 伸. び. （３３）. 密. 度. （Ｍｇ／ｍ３）７．０４. －.

(5) . ３４. 長運. 徹・相馬. 諭・井上平治・三谷料之. Ｐ. 半. 径：ｒ. 摩耗痕幅：ｂ図４. 放電加工装置（ユニツール社のペネトロン装置）. Ｗ＝Ｂｂ３月２ｒ. 厚. さ：Ｂ. 摩耗深さ：ｈ. 荷. 重：Ｐ. 摩耗量：Ｗ. 図５大越式迅速摩耗試験機の原理. （ｈ／ｒ → ０）. 本実験では，ｒ＝１５ｍｍ，Ｂ＝３ｍｍ（相手リング材厚さ）であるから，Ｗ＝ｂ３／６０. と簡単な式に変換できる．一方，重量摩耗量ｗは，ｗ＝〃→Ｗ（ｐ：密度）＝Ｐ・ｂ３／６０. 従って重量摩耗量は，摩耗痕幅（ｍｍ）と密度を測定してｗの式に代入すれば簡単に求められることが理解される．本実験における摩耗試験条件は，１０×２５×６０ｍｍの一面（２５×６０ｍｍ）のみに放電加工をした試料について，摩擦距離：２００ｍ，摩擦速度：０．１００９１０ｍｍの合，．５， ‐９５，３‐６２ｍ／ｓ，最終荷重：２１，３１，６２Ｎで行った．また，相手材として直径が３金工具鋼：ＳＫＤ‐１１（ＨＲＣ６０）を使用した‐ なお，本研究では，体積摩耗量で摩耗特性を評価した．. ４．実験結果および考察図６は，図３の放電加工した皮膜端部から中心部に向かって４０〆ｍほどマイクロビッカース硬さを測定した結果である．試料は，Ｎ２ｎ間放電加工をしたものであるが，白色皮膜の端部付近の硬さはＨＶＩＯＯＯ，すなわち単位面積当り２ｍｉから１１００にも達した．その後は，皮膜厚さ２０”ｍ付近まで連続的に硬さが低下し，ＨＶ４００～５００になった．さらに内部に向かって硬さが減少して４０”ｍ付近から素材の硬さＨＶ３００に達した‐ 硬さの測定から球状黒鉛鋳鉄の表面にＷＣを放電加工をすると確実に硬質の皮膜が形成されると共に硬さの変化が連続的であることから，電極物質が試料表面に置換されるのみならず内部に拡散されることが理解できる．これを模式的に示すと図７のようになると考えられる．すなわち表面の黒色層が皮膜で，その内側は電極物質が粒内拡散をした様子を示す．したがって放電加工した皮膜は，単に試料表面に付着しているのではなく試料の基質と連続性のある構造を有していることが理解できる．図８は，摩耗試験結果である．一般的に摩擦速度と共に，また最終荷重と共に摩耗量が増大した．しかし，放電加工をすることにより著しい耐摩耗傾向が生じることが明確に認められる‐ すなわち，最終荷重２１Ｎの場合，加工しない場合の摩耗量は，摩擦速度０‐９５ｍ／ｓまではほぼ等しいが，その後の増大傾向が大きく，３．６２ｍ／ｓでは，０‐９５ｍ／ｓのおおよそ３倍に達した．これに対して放電加工をすると，摩耗量が連続的に増大はするが，いずれの摩擦速度の場合も放電４）（３.

(6) . ３５. 表面被覆した球状黒鉛鋳鉄の摩耗特性. ０．５０．４. １. ＦＣＤ. １棚. デヤノ. ０．３０．２０．Ｉ. . 。. ｌ. ｒ. . ○. ｉ. ミ処＠ ○. . 蕪０．２. 塾章. ／／／. Ｏ・１. －○．Ｃ. 一. ≧ メヱメー．ー. ー. Ｉ. ‐ 最終荷重：６２Ｎ. ２．－ ○：Ｎ０（鋳造のまま） ● ：Ｎ１（ｌｍｉｎ／ｃｍ２）－１１：Ｎ２（２ｍｉｎ／ｃｍ２. さ、 “ ｍ. １．Ｏ：. 図６放電加工した球状黒鉛鋳鉄の硬さ分布曲線. ‐ ０．皮. Ｐー／／. ー. ′ ０．３. Ｏ・深. ー. ０．５. …. 豪５ｏｏ. ▲－－－ーー. ‐０．Ｃ－Ｔ「０，６一最終荷重：３１Ｎ. 豹. う一 □. 最終荷重：２１Ｎ. Ｐ／／. ／. ー. １／－. ↓ ｝′ ÷：コ￥－－－１０．０１．０. 膜. ）. ２．０. 摩擦速度、. ３．０. ｍ／ｓ. ４．０ｊ. 図８摩耗試験結果. 図７放電硬化層の模式図加工しない場合に比較して著しく減少している．また図８からは明瞭な差異が認められないが放電加工時間の増大によって耐摩耗性が向上する傾向がうかがえる．最終荷重３１Ｎの場合も同様な傾向が認められたが，注目することは，摩擦速度の増大とともに耐摩耗性が著しくなっ９５ｍ／た．そして最終荷重が６２Ｎの場合には，摩擦速度１‐ ｓまでの低速側では放電加工の効果が顕著でないが，摩擦速２ｍ／度が最高の３．６ｓの場合には，加工による著しい耐摩耗向上が生じた．２ｍ／図９は，摩擦速度３．６ｓにおける各最終荷重の摩耗量を比較して，放電加工による摩耗特性を調べたグラフである最終荷重が２１Ｎの場合，放電加工をしない鋳造のままの球状黒鉛鋳鉄の摩耗量に対してｌｍｉｎ放電加工をした場合，）ではおおよそ７０％減少した．これに対して最終荷重０％も減少した．また２ｍｉすなわちＮＩ試料の摩耗量は，６ｎ（Ｎ２３１Ｎの場合には，ｌｍｉｎでは実におおよそ９８％以上も減少した．最終荷重が最ｎの放電加工により７０％そして，２ｍｉ. ０％と９５％以上であった．大の６２Ｎの場合には，それぞれ７図１０は，四つの摩擦速度に対する放電加工した球状黒鉛鋳鉄の摩耗量を放電加工をしない場合に対する割合で示した結果で，黒色部がそれを示す．５）（３.

(7) . . ３６. 長運. ３１Ｎ. ２１Ｎ. Ｎ６２. 謝. １ぴ９. 徹・相馬. 諭・井上平治・三谷略之. ００. 渓. ５０. コ２０. 讃１１. 且旦型. 一言言. １回１咽. ー摩納り合. ２ｉ肌. １００６０. ／／伽２２ｉｌｉｎｃがｎｍｍ. １，６０. ｌＩｄ. ２１Ｎ. 最図９. ３１Ｎ. 終. ６２Ｎ. 荷. １００‐. 重. 摩擦速度、. 最終荷重：２１Ｎ. １. . ０１. . コ. 川. . 最終荷重：３１Ｎ２０. ３０. １０. 卿触圧力、Ｍｐａ接. ３．６２. ｍ／ｓ. 図１０放電加工による耐摩耗向上効果. 摩擦速度３．６２ｍ／ｓにおける摩耗量の比較. １０. ９５１０．．９５. 最終荷重：６２Ｎ. ２００. 畑触圧力、ＭＰａ接. １０２０３０. ４０５０. ６０. 接触圧力、Ｍｐａ. 図１１接触圧力に対する比摩耗量の変化. 最終荷重２１Ｎの場合，摩擦速度０‐１ｏｍ／ｓと他の三つの速度との結果には大きな相違が認められる．すなわち０‐１ｏｍ／ｓの場合には放電加工による耐摩耗傾向が特に著しく，Ｎ２ではほとんど摩耗が生じなかった．０．９ｏｍ／ｓ以上の場合には，ｌｍｉｎの放電加工による摩耗量は，加工しない場合のおおよそ２０％，２ｍｉｎでは，１０～１５％であった３１Ｎ．. の場合は，２１Ｎとは異なり摩擦速度０．１ｏｍ／ｓの摩耗量が他の速度よりも大きい．６２Ｎの場合，いずれの摩擦速度においてもｌｍｉｎの加工による摩耗量はおおよそ２０％，２ｍｉ０％前後であるが，摩擦速度１ｎではおおよそ１ｓの放電 ‐９５ｍ／時間ｌｍｉｎによる摩耗量が５０％と他の場合に比較して耐摩耗傾向が減少した．これに対して３‐６２ｍ／ｓの２ｍｉｎによる摩耗量が著しく小さいのが注目される．図１１は，接触圧力に対する比摩耗量の変化を示したグラフである．最終荷重の増大とともに摩耗量は，図８に示したように増大はするが，いずれの場合も接触圧力が増大すると共に比摩耗量が減少した．これは耐摩耗性が増大したことを示しているが，それは，放電加工によると共に放電加工時間がｌｍｉｎより２ｍｉｎの方が顕著になることが理解できる．特に，最終荷重２１Ｎの場合，２ｍｉｎの放電加工による耐摩耗性の著しい増大が注目される．. ６）（３.

(8) . 表面被覆した球状黒鉛鋳鉄の摩耗特性. ５．ま. と. ３７. め. 球状黒鉛鋳鉄の高品位化のためにＷＣを電極物質として放電加工により表面改質を行い，摩耗特性を調べた．得られた結果をまとめると次のようになる．１）球状黒鉛鋳鉄の表面にペネトロン装置（スイス，ユニツール社）でＷＣを電極物質として放電加工を行うと，ｌｍｉｎの放電時間で１０“ｍ，２ｍｉｎでは２０”ｍの白色の高硬質皮膜が形成された．ＯＯから１１００に達した．硬さ分布は，内部に行くに従って次第に減少し基質の２）皮膜の最高硬さは，皮膜端部でＨＶＩＯ硬さに達するは，膜厚２０“ｍの場合，４０”ｍ付近からであった．２１３）摩耗試験において，いずれの最終荷重（，３１及び６２Ｎ）においても放電加工によって耐摩耗性が著しく増大した．６２ｍ／ｎでは７０％も加工しない場合に比較すなわち，例えば摩擦速度３．ｎの加工により平均６０％，２ｍｉｓの場合，ｌｍｉして摩耗量が減少した．４）四つの摩擦速度０．１０ｎ加工による平均摩耗量は，最終荷重２１Ｎと３１Ｎの場合，０．９５，１．９５及び３．６２ｍ／ｓのｌｍｉ. は，加工しない場合のおおよそ１５％，６２Ｎでは３０％であった．５）２ｍｉｎの加工では，いずれの最終荷重も加工しない場合のおおよそ１０％であった．すなわち９０％近くも摩耗量が減少し耐摩耗性が著しく向上した．. 参考文献）５８１９８７１）沖：熱処理，２７（，５，２）１９８５２）松永：特殊表面処理の最新技術，（，ＣＮＮＣｏ．５（１９８）４３）杉山：最近のＣＶＤ研究動向，金属表面技術，３，５３８）１９９０１２３４）喜多：鋳鍛造と熱処理，（，，）１９９１５）堀江：鋳鍛造と熱処理，（，３，３１９７２ｉｋＭａｓｋｉｎｎｓｉｙａ６）Ｌｔ（）ｔｎｒｋｉｎ：Ｖｅｓｒｏｅｎ，４８．Ａ．Ｍｉ，３５. ２）１９７５７）小川：関東学院大学工学部研究報告，１６（，１，２ＩＳＬ‐ ０５（理化学研究所）８）大越式迅速摩耗試験機取扱い説明書，Ｍｏｄｅ. ７）（３.

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