電子ビーム照射処理を応用した粉体付着抑制及び耐摩耗表面改質処理技術の開発

2013 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 25420020
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Research Institution: The University of Tokushima
• Principal Investigator: 米倉 大介 徳島大学, ソシオテクノサイエンス研究部, 准教授 (70314846)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Keywords: 機械材料 / 材料加工・処理 / 表面処理 / 電子ビーム / 摩擦摩耗 / 合金化

Research Abstract

平成25年度は母材に冷間金型用の合金工具鋼SKD11を用い，粉体の付着抑制及び耐摩耗性の向上に効果的な処理条件（使用粉末，電子ビーム照射条件）を明らかにすることを目的とした．そのために以下の項目について検討を行った．
1.使用粉末の検討：母材表面中に分散・反応させる粉末として，固体潤滑剤である六方晶窒化ホウ素（hBN），高い摩耗特性を有するタングステン(W)，炭化タングステン(WC)を用いた．これらの粉末をそれぞれ水のりと混ぜ合わせた後，母材表面に塗布し，真空チャンバー内で電子ビーム照射処理を行い，合金化と共に未反応の粉末粒子が分散した表面層の形成を試みた．処理によって得られた表面層については，X線回折法，エネルギ分散型X線分析，走査電子顕微鏡観察及び光学顕微鏡観察を行い，表面処理層の構造，成分，組織分析を行った．その結果，いずれの粉末を用いても粉末の成分が溶け込むこと，処理深さは20μm程度であること，母層の結晶構造がα-Feからγ-Feに変わること，硬度が大幅に上昇することおよび摩擦係数が下がることがわかった．また，WC，W粉末を用いると高い耐摩耗性が得られることがわかった．
2.効果的な電子ビーム照射処理条件の検討：上記1で使用した3種類の粉末を用い，処理中の粉末の飛散を抑制するためにビーム電流を2mAから1mAに下げて1と同様の評価を行った．その結果，高い電流で処理を行った方が高い耐摩耗性を得られることがわかった．
3.基板材料の影響：本年度は当初の計画に加えて，母材の合金元素の影響を検討するため，工業用純鉄および中炭素鋼S45Cも母材として使用し，上記と同様の評価を行った．その結果，これらの母材では処理を行っても組織がα-Feのままであること，S45Cを用いると自己焼入れが生じて耐摩耗性がさらに上がることがわかった．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本年度の結果より，粉末を用いることで粉末を用いない場合よりも耐摩耗性を向上できること，処理電流は高い方が適していること，処理層の各種特性に及ぼす母材中の合金成分の影響などを明らかにできた．したがって研究の目的は，当初の計画通り順調に進展していると考えている．

Strategy for Future Research Activity

今後の方針としては，処理時の粉末の飛散を抑え，粉末を母材表面に効率的に含有できる合金用粉末の固定化手法を検討する．その一つの方法として，塗布した粉末層の上からスパッタリング法で金属膜を薄く被覆する方法を試みる．また，平成25年度に得られた知見に基づき新しい固定化手法を用いた場合での効果的な電子ビーム照射処理条件の検討を行う．さらにSKD11を母材とした場合に生じたγ-Fe化の原因を明らかにするため，S45Cを母材としてCr粉末等の金属粉末を使用して検討を行う．これらの検討に際しては，各種表面分析を用い，効率的な処理方法及び表面処理条件を明らかにする．

Expenditure Plans for the Next FY Research Funding

処理前の母材表面を磨く際の研磨条件の見直しを行った結果，ダイヤモンドスラリーの使用量が予想使用量よりも少なくなったことと，本年度は学生への謝金が必要なくなったこと，旅費の使用額が予定よりも少なかったため，次年度使用額が生じた．
次年度使用額は既に使用している分もあるが，本年度は主に母材，粉末，母材研磨用具，切断砥石，洗浄用有機溶媒の購入に充てる予定である．