超微細晶體層生成方法、具有利用該超微細晶體層生成方法生成的超微細晶體層的機械...的製作方法
2023-05-30 16:23:31
專利名稱：超微細晶體層生成方法、具有利用該超微細晶體層生成方法生成的超微細晶體層的機械 ...的製作方法
技術領域：
本發明涉及超微細晶體層生成方法、具有利用該超微細晶體層生成方法生成的超微細晶體層的機械部件、製造該機械部件的機械部件製造方法、及納米晶體層生成方法、具有利用該納米晶體層生成方法生成的納米晶體層的機械部件、製造該機械部件的機械部件製造方法。
背景技術：
近年來，判明了下述事實通過在金屬材料的表層部生成超微細晶體層或納米晶體層，能得到具有以往沒有的優良特性的材料。
所謂超微細晶體層指晶粒的大小為100nm～1μm的晶體層，所謂納米晶體層指晶粒的大小為100nm以下的晶體層。超微細晶體層具有比母材的硬度更高的硬度，而且具有適於機械部件的優良特性，例如具有高壓縮殘餘應力等。同樣，納米晶體層具有比母材的硬度高得多的硬度，即使在高溫下也很難發生晶粒成長，而且具有適於機械部件的優良特性，例如具有高壓縮殘餘應力等。
若能將該超微細晶體層及納米晶體層用於工業，則可實現由金屬材料構成的製品的強度和性能的提高。
鑑於此，提出了多種在金屬材料的表層部生成超微細晶體層或納米晶體層(以下，稱為「納米晶體層等」)的技術。例如，在特開2003-39398號公報中記載有下述技術使設置於金屬制重錘的末端面上的突起與金屬製品的表面衝撞，而在突起衝撞的金屬製品表面部位生成納米晶體層等(專利文獻1)。
另外，作為另一現有技術，有利用噴丸處理的技術。圖16是就噴丸處理進行展示的示意圖。該噴丸處理，如圖16所示，是利用從噴射裝置100噴射的壓縮空氣的噴射壓力，而使鋼或陶瓷等硬質粒子G高速與金屬材料101的加工面101a衝撞，藉助該衝撞，而使加工面101a的表面產生塑性變形，生成納米晶體層等。
專利文獻1特開2003-39398號公報(段落 、圖2等)但是，在上述使金屬制重錘的突起進行衝撞的技術中，例如，在要生成納米晶體層的面為角部或孔的內周面等的情況下，不能使金屬制重錘的突起與該面衝撞，所以不能生成納米晶體層等，存在很難用於具有複雜形狀的實際工業製品中的問題。
另外，在上述現有技術中，另外需要金屬制重錘的衝撞裝置或硬質粒子G的噴射裝置100等特殊設備，存在裝置成本增大的問題，並且需要另外追加使用這些裝置的工序，所以還存在加工成本(生成納米晶體層等的成本)增大的問題。
進而，在使金屬制重錘的突起進行衝撞的技術中，一次衝撞所能生成的納米晶體層等的面積狹小，所以若要在較大的範圍內生成納米晶體層，則需要反覆多次進行加工，加工時間變長，所以相應地有加工成本(生成納米晶體層等的成本)增大的問題。
另外，上述現有技術，是通過使突起或硬質粒子G與製品的表面衝撞，而使該衝撞麵塑性變形，來生成納米晶體層等，所以納米晶體層等的生成面粗糙，存在不僅不能得到平滑的加工面，而且不能得到均勻的納米晶體層等的問題。
例如，在使突起進行衝撞的技術中，由於突起的中心部與外緣部向製品表面衝撞的壓力不同，所以形成於製品的衝撞面上的納米晶體層的厚度和特性在突起的徑向上不均勻。另外，在利用噴丸處理的技術中，不能使硬質粒子G與孔的內周面等處均勻地衝撞，所以與孔的底部附近相比，在口部附近會更為集中地產生納米晶體層。
另一方面，近年來，提出了利用軋制或拉絲加工等加強加工，得到納米晶體層等的技術。但是，該技術是在坯料狀態下強化，所以具有下述問題由於軋制等加工後的熱處理而導致高硬度化等效果消失的問題、和由於需要特殊的設備和加熱工序而導致成本增大的問題，所以很難用於實際的工業製品。
與此相對，本發明人就這些問題進行了專心研究，結果提出了利用鑽孔加工等將納米晶體層等形成為製品形狀的技術(特願2003-300354號、及特願2004-13487號，均未公開)，能實現納米晶體層等的工業利用。但是，該技術是將加工面的材料溫度維持在低溫狀態下賦予高的應變，所以在加工高硬度材料的被加工物的情況下，刀具的負荷變高，存在引起刀具破損的問題、和不能加工的問題。
發明內容
本發明是為解決上述問題而作成的，其目的在於提供能在金屬製品的表面上以低成本穩定地生成納米晶體層的超微細晶體層生成方法、具有利用該超微細晶體層生成方法生成的超微細晶體層的機械部件、製造該機械部件的機械部件製造方法、及納米晶體層生成方法、具有利用該納米晶體層生成方法生成的納米晶體層的機械部件、製造該機械部件的機械部件製造方法。
為達到該目的，技術方案1所述的超微細晶體層生成方法，通過對由金屬材料構成的被加工物實施使用加工刀具進行的機械加工，對其加工面賦予局部的較大應變，而在前述加工面的表層部生成超微細晶體層，前述使用加工刀具進行的機械加工，對前述被加工物的加工面實施產生至少1以上的真應變的塑性加工。
技術方案2所述的超微細晶體層生成方法，在技術方案1所述的超微細晶體層生成方法中，前述使用加工刀具進行的機械加工，是維持前述被加工物的加工面的材料溫度低於規定的上限溫度而進行的，在前述被加工物由鋼鐵材料構成的情況下，該規定的上限溫度為該鋼鐵材料的Ac1相變點，在前述被加工物由鋼鐵材料以外的其他金屬材料構成的情況下，該規定的上限溫度為該金屬材料的換算成絕對溫度的熔點的大約1/2的溫度。
技術方案3所述的超微細晶體層生成方法，在技術方案1所述的超微細晶體層生成方法中，前述使用加工刀具進行的機械加工是將前述被加工物的加工面的材料溫度維持在規定的溫度範圍內進行的，在前述被加工物由鋼鐵材料構成的情況下，該規定的溫度範圍為該鋼鐵材料的Ac1相變點以上且低於熔點的溫度範圍，在前述被加工物由鋼鐵材料以外的其他金屬材料構成的情況下，該規定的溫度範圍為下述溫度範圍該金屬材料的換算成絕對溫度的熔點的大約1/2的溫度以上且低於熔點。
技術方案4所述的超微細晶體層生成方法，在技術方案3所述的超微細晶體層生成方法中，在前述被加工物由鋼鐵材料構成的情況下，在實施前述使用加工刀具進行的機械加工後，以比前述被加工物的淬火所需的冷卻速度快的速度冷卻前述加工面。
技術方案5所述的超微細晶體層生成方法，在技術方案2至4中任一項所述的超微細晶體層生成方法中，前述使用加工刀具進行的機械加工，將前述被加工物的加工面的材料溫度維持在低於前述規定的上限溫度的溫度下或維持在前述規定的溫度範圍內，並且，使前述被加工物的加工面下層部或前述加工面附近的表層部的非超微細晶體層的材料溫度達到大約500℃以上的時間在大約1秒以內，確保母材硬度的大約80％的硬度。
技術方案6所述的機械部件，由金屬材料構成，在其表層部的至少一部分上具有利用前述技術方案1至5中任一項所述的超微細晶體層生成方法生成的超微細晶體層。
技術方案7所述的機械部件製造方法，製造由金屬材料構成且在其表層部的至少一部分上生成有超微細晶體層的機械部件，至少包括超微細晶體層生成工序，在所述超微細晶體層生成工序中，利用前述技術方案1至5中任一項所述的超微細晶體層生成方法在前述機械部件上生成超微細晶體層。
技術方案8所述的納米晶體層生成方法，通過對由金屬材料構成的被加工物實施使用加工刀具進行的機械加工，對其加工面賦予局部的較大應變，而在前述加工面的表層部生成納米晶體層，前述使用加工刀具進行的機械加工，對前述被加工物的加工面實施產生至少7以上的真應變的塑性加工，並且，是將前述被加工物的加工面的材料溫度維持在規定的溫度範圍內進行的，在前述被加工物由鋼鐵材料構成的情況下，該規定的溫度範圍為該鋼鐵材料的Ac1相變點以上且低於熔點的溫度範圍，在前述被加工物由鋼鐵材料以外的其他金屬材料構成的情況下，該規定的溫度範圍為下述溫度範圍該金屬材料的換算成絕對溫度的熔點的大約1/2的溫度以上且低於熔點。
技術方案9所述的納米晶體層生成方法，在技術方案8所述的納米晶體層生成方法中，前述使用加工刀具進行的機械加工，將前述被加工物的加工面的材料溫度維持在前述規定的溫度範圍內，並且，使前述被加工物的加工面下層部或前述加工面附近的表層部的非納米晶體層的材料溫度達到大約500℃以上的時間在大約1秒以內，確保母材硬度的大約80％以上的硬度。
技術方案10所述的納米晶體層生成方法，在由金屬材料構成的被加工物的加工面上，生成作為微細晶粒層的納米晶體層，通過對前述被加工物實施使用加工刀具進行的機械加工，對其加工面賦予局部的較大應變，而在前述加工面的表層部生成前述納米晶體層。
技術方案11所述的納米晶體層生成方法，在技術方案10所述的納米晶體層生成方法中，前述使用加工刀具進行的機械加工，對前述被加工物的加工面實施產生至少7以上的真應變的塑性加工，並且，是將前述被加工物的加工面的材料溫度維持在規定的上限溫度以下進行的，在前述被加工物由鋼鐵材料構成的情況下，該規定的上限溫度為該鋼鐵材料的A1及A3相變點，在前述被加工物由鋼鐵材料以外的其他金屬材料構成的情況下，該規定的上限溫度為該金屬材料的換算成絕對溫度的熔點的大約1/2的溫度。
技術方案12所述的納米晶體層生成方法，在技術方案11所述的納米晶體層生成方法，維持前述被加工物的加工面的材料溫度，使得進行前述機械加工期間基於時間得到的平均材料溫度、及整個前述加工面內的熱分布的平均材料溫度在前述規定的上限溫度以下。
技術方案13所述的納米晶體層生成方法，在技術方案8至12中任一項所述的納米晶體層生成方法中，前述使用加工刀具進行的機械加工以在前述加工面的表層部賦予1/μm以上的應變梯度的方式進行。
技術方案14所述的機械部件，由金屬材料構成，並且在其表層部的至少一部分上具有利用前述技術方案8至13中任一項所述的納米晶體層生成方法生成的納米晶體層。
技術方案15所述的機械部件製造方法，製造由金屬材料構成且在其表層部的至少一部分上生成有納米晶體層的機械部件，至少包括納米晶體層生成工序，在所述納米晶體層生成工序中，利用前述技術方案8至13中任一項所述的納米晶體層生成方法在前述機械部件上生成納米晶體層。
根據技術方案1所述的超微細晶體層生成方法，通過對被加工物實施使用加工刀具進行的機械加工，而在其加工面的表層部生成超微細晶體層，所以，能夠抑制如現有技術那樣由於被加工物的形狀而使得可生成超微細晶體層的部位受到限制、或超微細晶體層的厚度和特性不均勻的問題，其結果，有能夠在機械部件等上穩定地生成超微細晶體層的效果。
而且，不必如現有技術那樣另外設置金屬制重錘的衝撞裝置或噴丸處理的噴射裝置等特別的裝置，所以有能夠抑制裝置成本的效果。另外，在制品的製造工序中，可將生成超微細晶體層用的工序變更抑制到最小限度，所以可減少超微細晶體層的生成成本，相應地，有能夠抑制製品成本的效果。
進而，在現有技術中，若在較大範圍內生成超微細晶體層則需要反覆多次進行突起或硬質粒子的衝撞，所以加工時間長，效率低，與此相對，採用技術方案1所述的超微細晶體層生成方法，是通過使用加工刀具進行的機械加工來生成超微細晶體層，所以可高效地生成超微細晶體層，相應地有能夠抑制超微細晶體層的生成成本的效果。
在此，由於使用加工刀具進行的機械加工對被加工物的加工面實施產生1以上的真應變的塑性加工，所以有能夠抑制刀具或加工機械的負擔的效果。其結果，即使在加工高硬度材料的被加工物的情況下，也能夠抑制刀具的破損等，有能夠在被加工物的加工面表層部穩定地生成超微細晶體層的效果。
根據技術方案2所述的超微細晶體層生成方法，除技術方案1所述的超微細晶體層生成方法起到的效果外，使用加工刀具進行的機械加工是將被加工物的加工面的材料溫度維持在低於規定的上限溫度的溫度下進行的，該規定的上限溫度，在被加工物由鋼鐵材料構成的情況下，為該鋼鐵材料的Ac1相變點，在被加工物由鋼鐵材料以外的其他金屬材料構成的情況下，為該金屬材料的換算成絕對溫度的熔點的大約1/2的溫度。其結果，有能夠在由硬度較低的材料構成的被加工物的加工面表層部穩定地生成超微細晶體層的效果。
根據技術方案3所述的超微細晶體層生成方法，除技術方案1所述的超微細晶體層生成方法起到的效果外，使用加工刀具進行的機械加工是將被加工物的加工面的材料溫度維持在規定的溫度範圍內進行的，該規定的溫度範圍，在被加工物由鋼鐵材料構成的情況下，為該鋼鐵材料的Ac1相變點以上且低於熔點的溫度範圍，在被加工物由鋼鐵材料以外的其他金屬材料構成的情況下，為該金屬材料的換算成絕對溫度的熔點的大約1/2的溫度以上且低於熔點的溫度範圍。
這樣，通過使被加工物的加工面的材料溫度上升到規定溫度以上，可使被加工物的加工面軟化，所以有下述效果能夠抑制刀具或加工機械的負擔，並對被加工物的加工面可靠地賦予真應變為1以上的應變。其結果，即使在加工由硬度比較高的材料形成的被加工物的情況下，也有能夠抑制刀具的破損等，在被加工物的加工面表層部穩定地生成超微細晶體層的效果。
根據技術方案4所述的超微細晶體層生成方法，除技術方案3所述的超微細晶體層生成方法起到的效果外，在被加工物由鋼鐵材料構成的情況下，在實施使用加工刀具進行的機械加工後，以比被加工物的淬火所需的冷卻速度快的速度冷卻加工面，所以有能夠確保超微細晶體層的硬度較高的效果。
根據技術方案5所述的超微細晶體層生成方法，除技術方案2到4中任一項所述的超微細晶體層生成方法起到的效果外，使用加工刀具進行的機械加工，將被加工物的加工面的材料溫度維持在低於前述規定的上限溫度的溫度下或維持在規定的溫度範圍內，並且，使被加工物的加工面下層部或加工面附近的表層部的非超微細晶體層的材料溫度達到大約500℃以上的時間在大約1秒以內，確保母材硬度的大約80％的硬度。
其結果，有下述效果能夠抑制被加工物的加工面下層部或加工面附近的表層部的非超微細晶體層受到回火或退火等熱影響，並抑制加工面下層部或加工面附近的表層部的非超微細晶體層的硬度降低。即，可在加工面上生成超微細晶體層，並確保加工面下層部或加工面附近的表層部的非超微細晶體層的硬度及強度。
根據技術方案6所述的機械部件，在其表層部的至少一部分上具有通過技術方案1至5中任一項所述的超微細晶體層生成方法生成的超微細晶體層。因此可使機械部件的表面硬度提高，並由於附加有壓縮殘餘應力而能夠提高疲勞強度，進而，即使在高溫下也很難再結晶，所以能提高耐磨損性，其結果有能夠提高該機械部件的特性的效果。
另外，通過利用技術方案1至5中任一項所述的超微細晶體層生成方法生成超微細晶體層，能以低成本生成該超微細晶體層，相應地，有能夠抑制作為機械部件整體的製品成本的效果。
根據技術方案7所述的機械部件製造方法，至少包括超微細晶體層生成工序，在所述超微細晶體層生成工序中，利用技術方案1至5中任一項所述的超微細晶體層生成方法在機械部件上生成超微細晶體層，所以有能夠穩定地生成超微細晶體層，並且抑制其生成成本，而製造機械部件的效果。
根據技術方案8所述的納米晶體層生成方法，通過對被加工物實施使用加工刀具進行的機械加工，而在其加工面的表層部生成納米晶體層，所以，能夠抑制如現有技術那樣，由於被加工物的形狀而使得可生成納米晶體層的部位受到限制或使納米晶體層的厚度和特性不均勻的問題，其結果，有能夠在機械部件等上穩定地生成納米晶體層的效果。
而且，由於不必如現有技術那樣，另外設置金屬制重錘的衝撞裝置或噴丸處理的噴射裝置等特別的裝置，所以有能夠抑制裝置成本的效果。另外，在制品的製造工序中，可將生成納米晶體層用的工序變更抑制到最小限度，所以可降低納米晶體層的生成成本，相應地，有能夠抑制製品成本的效果。
進而，在現有技術中，若在較大範圍內生成納米晶體層則需要多次反覆進行突起或硬質粒子的衝撞，所以加工時間長，效率低，與此相對，技術方案1所述的納米晶體層生成方法，由於是通過使用加工刀具進行的機械加工生成納米晶體層，所以可高效地生成納米晶體層，相應地有能夠抑制納米晶體層的生成成本的效果。
在此，使用加工刀具進行的機械加工，對被加工物的加工面實施產生7以上的真應變的塑性加工，並且，是將被加工物的加工面的材料溫度維持在規定的溫度範圍內進行的，該規定的溫度範圍，在被加工物由鋼鐵材料構成的情況下，為該鋼鐵材料的Ac1相變點以上且低於熔點的溫度範圍，在被加工物由鋼鐵材料以外的其他金屬材料構成的情況下，為該金屬材料的換算成絕對溫度的熔點的大約1/2的溫度以上且低於熔點的溫度範圍。
這樣，通過使被加工物的加工面的材料溫度上升到規定的溫度以上，可使被加工物的加工面軟化，所以有下述效果能夠抑制刀具或加工機械的負擔，並對被加工物的加工面可靠地賦予真應變為7以上的大應變。其結果，即使在加工由硬度比較高的材料形成的被加工物的情況下，也能夠抑制刀具的破損等，有可在被加工物的加工面表層部穩定地生成納米晶體層的效果。
根據技術方案9所述的納米晶體層生成方法，除技術方案8所述的納米晶體層生成方法起到的效果外，使用加工刀具進行的機械加工，將被加工物的加工面的材料溫度維持在規定的溫度範圍內，並且，使被加工物的加工面下層部或加工面附近的表層部的非納米晶體層的材料溫度達到大約500℃以上的時間在大約1秒以內，確保母材的硬度的大約80％以上的硬度。
其結果，有能夠抑制被加工物的加工面下層部或加工面附近的表層部的非納米晶體層受到回火或退火等熱影響，並抑制加工面的下層部或加工面附近的表層部的非納米晶體層的硬度降低的效果。即，可在加工面上生成納米晶體層，並確保加工面下層部或加工面附近的表層部的非納米晶體層的硬度及強度。
根據技術方案10所述的納米晶體層生成方法，通過對被加工物實施使用加工刀具進行的機械加工，而在其加工面的表層部生成納米晶體層，所以，能夠抑制如現有技術那樣，由於被加工物的形狀而使得可生成納米晶體層的部位受到限制或使納米晶體層的厚度和特性不均勻的問題，從而有能夠穩定地生成納米晶體層的效果。
而且，由於不必如現有技術那樣另外設置金屬制重錘的衝撞裝置或噴丸處理的噴射裝置等特別的裝置，所以有能夠抑制裝置成本的效果。另外，在制品的製造工序中，可將生成納米晶體層用的工序變更抑制到最小限度，所以可減少納米晶體層的生成成本，相應地有能夠抑制製品成本的效果。
進而，在以往的納米晶體層生成方法中，若在較大範圍內生成納米晶體層則需要多次進行突起或硬質粒子的衝撞，所以加工時間長，效率低，與此相對，技術方案1所述的納米晶體層生成方法是通過使用加工刀具進行的機械加工生成納米晶體層，所以可高效地生成納米晶體層，相應地有能夠抑制納米晶體層的生成成本的效果。
根據技術方案11所述的納米晶體層生成方法，除技術方案10所述的納米晶體層生成方法起到的效果外，使用加工刀具進行的機械加工，對被加工物的加工面實施產生至少7以上的真應變的塑性加工，並且，是在將其加工面的材料溫度維持在低於規定的上限溫度的溫度下進行的，所以有能在被加工物的加工面表層部可靠地生成納米晶體層的效果。
根據技術方案12所述的納米晶體層生成方法，除技術方案11所述的納米晶體層生成方法起到的效果外，維持被加工物的加工面的材料溫度，使得進行機械加工期間基於時間得到的平均材料溫度、及整個加工面內的熱分布的平均材料溫度在規定的上限溫度以下。即，即使上述材料溫度瞬間或局部上升到比上限溫度高的溫度，只要平均材料溫度維持在規定的上限溫度以下即可，所以可降低該材料溫度的管理成本，相應地有抑制納米晶體層的生成成本的效果。
根據技術方案13所述的納米晶體層生成方法，除技術方案8至12中任一項所述的納米晶體層生成方法起到的效果外，使用加工刀具進行的機械加工以在加工面的表層部賦予1/μm以上的應變梯度的方式進行，所以有能可靠地在被加工物的加工面的表層部生成納米晶體層的效果。
根據技術方案14所述的機械部件，在其表層部的至少一部分上具有通過技術方案8至13中任一項所述的納米晶體層生成方法生成的納米晶體層。因此，可使機械部件的表面硬度提高，並且由於附加有壓縮殘餘應力而能夠使疲勞強度提高，進而，即使在高溫下也很難發生晶粒成長，所以能使耐磨損性提高，其結果有可使該機械部件的特性提高的效果。
另外，通過利用技術方案8至13中任一項所述的納米晶體層生成方法生成納米晶體層，能以低成本生成該納米晶體層，相應地，有能夠抑制作為機械部件整體的製品成本的效果。
根據技術方案15所述的機械部件製造方法，至少包括納米晶體層生成工序，在所述納米晶體層生成工序中，利用技術方案8至13中任一項所述的納米晶體層生成方法在機械部件上生成納米晶體層，所以有能穩定地生成超微細晶體層，並且抑制其生成成本，而製造機械部件的效果。
圖1是說明本發明第1實施方式的超微細晶體層生成方法的圖，(a)是利用鑽頭進行的開孔加工中的被加工物的剖視圖，(b)是利用鑽頭進行開孔加工後的被加工物的剖視圖。
圖2是表示作為第1加工條件的切削條件的圖。
圖3是表示孔部的截面組織的圖。
圖4是說明第2實施方式的超微細晶體層生成方法的圖，是利用立銑刀進行的切削加工中的被加工物的立體圖。
圖5是說明第3實施方式的超微細晶體層生成方法的圖，(a)是利用推壓刀具進行的滑動加工中的被加工物的立體圖，(b)是(a)的Vb-Vb線上的被加工物的橫剖視圖。
圖6是說明第4實施方式的納米晶體層生成方法的圖，(a)是利用鑽頭進行的開孔加工中的被加工物的剖視圖，(b)是利用鑽頭進行開孔加工後的被加工物的剖視圖。
圖7是表示作為第4加工條件的切削條件的圖。
圖8是表示孔部的截面組織的圖。
圖9是表示孔部的截面組織的照片。
圖10是示意性表示圖9的截面組織的示意圖。
圖11(a)是表示孔部距表面的深度和晶體變位之間的關係的圖，(b)是表示深度與剪應變之間的關係的圖，(c)是表示深度與應變梯度之間的關係的圖。
圖12是說明第5實施方式的納米晶體層生成方法的圖，是利用立銑刀進行的切削加工中的被加工物的立體圖。
圖13是說明第6實施方式的納米晶體層生成方法的圖，(a)是利用鑽頭進行的開孔加工中的被加工物的剖視圖，(b)是利用鑽頭進行開孔加工後的被加工物的剖視圖。
圖14是對以往的切削條件與作為第6加工條件的切削條件進行比較並展示的圖。
圖15是說明第7實施方式的納米晶體層生成方法的圖，(a)是利用推壓刀具進行的滑動加工中的被加工物的立體圖，(b)是(a)的XIVb-XIVb線上的被加工物的橫剖視圖。
圖16是表示以往的納米晶體層等生成方法(噴丸處理)的示意圖。
附圖標記說明
W 被加工物C1 超微細晶體層11 表層(超微細晶體層)C2 納米晶體層31 表層(納米晶體層)C3 納米晶體層D 鑽頭(加工刀具)E 立銑刀(加工刀具)P 推壓刀具(加工刀具)具體實施方式
下面，參照附圖，對本發明的優選實施方式進行說明。首先，在第1實施方式中，作為超微細晶體層生成方法，就通過使用鑽頭D(加工刀具)進行的開孔加工(機械加工)而在被加工物的加工面表層部生成超微細晶體層的方法進行說明。
在此，所謂超微細晶體指其晶粒的大小(長度)為100nm～1μm的晶體，所謂超微細晶體層指其晶體組織的至少50％以上包含前述超微細晶體的組織。技術方案1～7中任一項所述的「超微細晶體層」也指同樣的意思。
另外，對於超微細晶體，其晶粒的大小(長度)不必在任一方向上都為100nm～1μm，只要至少在一方向上為100nm～1μm即可。即，超微細晶體不必一定是截面為圓形的晶體，也可以是截面為扁平形狀的晶體。
另外，超微細晶體層只要是含有至少50％以上的前述超微細晶體即可，當然可以為混晶組織，超微細晶體的剩餘部分可以由任意形態的晶體構成。
圖1是說明本發明第1實施方式的超微細晶體層生成方法的圖，圖1(a)是利用鑽頭D進行的開孔加工中的被加工物W的剖視圖，圖1(b)是利用鑽頭D進行開孔加工後的被加工物W的剖視圖。另外，在圖1中，省略鑽頭D及被加工物W的一部分而進行圖示。
利用第1實施方式的超微細晶體層生成方法，通過對被加工物W，在分別滿足下面所示的第1及第2這兩個加工條件的情況下，利用鑽頭D進行孔部1的開孔加工(參照圖1(a))，而能夠在該孔部1的內周面(加工面的表層部)，生成超微細晶體層C1(參照圖1(b))。
首先，作為第1加工條件，是以對孔部1的內周面實施產生至少1以上的真應變的塑性加工為條件，這可以通過遵從圖2所示的切削條件而實現。在此，參照圖2，對切削條件進行說明。
圖2是表示作為本發明的第1加工條件的切削條件(超微細晶體層生成切削條件)的圖，橫軸表示被加工物W的硬度(Hv)，縱軸表示鑽頭D的圓周速度(m/min)。
如圖2所示，第1加工條件是對應於被加工物W的硬度H[Hv]而對鑽頭D的圓周速度V[m/min]進行規定，按照該第1加工條件，利用鑽頭D進行孔部1的開孔加工，便可對孔部1的內周面實施產生至少1以上的真應變的塑性加工。
具體地說，如圖2所示，在被加工物W的硬度H低於500[Hv]的情況下，鑽頭D的圓周速度V規定為V≥175-H/4[m/min]，在被加工物W的硬度H為500[Hv]以上的情況下，鑽頭D的圓周速度V規定為V≥50[m/min]。
另外，鑽頭D的進給速度優選地為每轉0.3mm以下。這是為了抑制鑽頭D的負荷，而對孔部1的內周面可靠地實施產生1以上的真應變的塑性加工。
在此，作為第1加工條件的切削條件，更優選地，在被加工物W的硬度H低於500[Hv]的情況下，鑽頭D的圓周速度V設為V≥175-H/4[m/min]，並且鑽頭D的進給速度設為每轉0.05mm以下，在被加工物W的硬度H為500[Hv]以上的情況下，鑽頭D的圓周速度V設為75[m/min]以上，並且鑽頭D的進給速度設為每轉0.05mm以下。這是為了抑制鑽頭D的負荷，而對孔部1的內周面更可靠地實施產生1以上的真應變的塑性加工。
另外，對於利用鑽頭D進行的孔部1的開孔加工，說明了如圖1所示，不預先在被加工物W上穿設預鑽孔的情況，但是並不限於此，也可預先穿設預鑽孔後進行。
具體地說，在進行孔部1的開孔加工時，也可如下進行首先預先用比規定的直徑小的鑽頭穿設預鑽孔2(圖1(a)中用單點劃線表示)，接著，用具有規定外徑的上述鑽頭D或鉸刀，將孔部1精加工成規定的直徑。在這種情況下，預鑽孔2的開孔加工按照通常的切削條件(例如，圓周速度為每分鐘20m以下)進行，而另一方面，利用鑽頭D或鉸刀進行的孔部1的精加工則按照圖2所示的第1加工條件(超微細晶體層生成切削條件)進行。
接著，作為第2加工條件，以在利用鑽頭D進行開孔加工期間，將孔部1的加工面的材料溫度維持在規定溫度範圍(以下稱為「溫度範圍」)內為條件。即，調整向加工部供給的切削油等的量或鑽頭D的切削條件(圓周速度V或進給速度等)，而將孔部1的加工面的材料溫度保持在溫度範圍內。
在此，對於溫度範圍，在被加工物W由鋼鐵材料構成的情況下，設為該鋼鐵材料的Ac1相變點以上且低於熔點，在被加工物W由鋼鐵材料以外的金屬材料(例如，鋁合金或鈦合金等)構成的情況下，設為該金屬材料熔點的大約1/2的溫度以上且低於熔點。
另外，熔點以絕對溫度計算，例如，若熔點為1500℃，則該熔點的大約1/2的溫度為大約886.5K(＝1773K/2)。
在此，所謂第2加工條件的「維持在溫度範圍內」，只要利用鑽頭D開始孔部1的開孔加工後基於時間求得的平均材料溫度、和孔部1的整個加工面內的熱分布的平均材料溫度，分別維持在溫度範圍內，即滿足。
因此，即使利用鑽頭D進行的孔部1的開孔加工剛開始後，加工面的材料溫度達不到溫度範圍的最低溫度，只要此後上述平均溫度維持在溫度範圍內，也滿足第2加工條件。
另外，當然可以在利用鑽頭D進行的孔部1的開孔加工開始前，預先利用加熱機構(例如，氣體爐或電爐等)加熱被加工物W。由此，可促進超微細晶體層C1的生成，並且可使被加工物W軟化，所以可減輕鑽頭D(加工刀具)或加工機械的負擔，抑制其破損等問題的產生。
接著，就使用上述超微細晶體層生成方法進行開孔加工的結果進行說明。該開孔加工中使用的被加工物W由碳素鋼(JIS-S55C)構成，通過淬火處理，其硬度達到約7.8GPa(800Hv)。
對該被加工物W，按照上述第1及第2加工條件，使用鑽頭D穿設孔部1，結果，如圖1(b)所示，在孔部1的內周面上生成了超微細晶體層C1。在此，參照圖3，對詳細觀察孔部1的內周面所得的結果進行說明。
圖3是表示孔部1的截面組織的圖。在孔部1的內周面上，如圖3所示，從表面側(圖3上側)起依次觀察到表層11、第2層12。另外，第2層12的下層側(圖3下側)為未加工區域(沒有受到鑽頭D加工的影響的區域)13。
在孔部1的表層11，觀察到了粒徑為大約600nm大小的超微細晶體層C1。確認在該超微細晶體層C1中硬度提高到了1000Hv。認為表層11發生了下述變化由於鑽頭D加工時的加熱而在α相中再結晶之後，在進一步被加熱到(α+γ)兩相狀態的區域中，殘留α形成島狀，固溶了碳的γ在冷卻過程中相變成(α+馬氏體)。另外，對表層11賦予了真應變1以上的塑性變形。
在此，第1實施方式中表層11的厚度(從表面到表層11下表面的深度)為大約10μm。但觀察到鑽頭D的圓周速度V越高則該層的厚度(深度)越增加。另外，觀察到若鑽頭D的圓周速度V一定，則鑽頭D的直徑越大，該層的厚度(深度)越增加。
認為第2層12是由於鑽頭D的開孔加工而被加熱到大約700℃並通過靜態再結晶生成的區域(即，由於開孔加工時的熱影響而被回火的區域)。另外，該第2層12與技術方案5所示的「被加工物的加工面下層部的非超微細晶體層」對應。
在此，優選地，利用鑽頭D進行的開孔加工(機械加工)，通過調整切削油等的供給量或切削條件(圓周速度V或進給速度等)而加以控制，使得加工面的材料溫度滿足上述第2加工條件，並控制成，第2層12的材料溫度達到大約500℃以上的時間在大約1秒以內。這是因為，這樣可以抑制第2層12被回火的情況，而確保其硬度及強度。
另外，優選地，在利用鑽頭D進行的開口加工結束後，以比被加工物W的回火所需的冷卻速度快的速度冷卻表層11(超微細晶體層C1)。由此，利用鑽頭D得到的塑性變形和熱處理相變，可使組織微細化，所以更可確保超微細晶體層C1的硬度。
接著，就對生成了超微細晶體層C1的被加工物W進行退火處理的結果進行說明。另外，退火處理通過將被加工物W在600℃的氣氛溫度中保持1小時而進行。
退火處理後的被加工物W，表層11的超微細晶體層C1的粒徑保持在大約600nm。這樣確認了下述事實超微細晶體層C1即使通過退火處理，晶粒也很難再結晶，溫度鈍感性好。
接著，將上述第1實施方式的超微細晶體層生成方法用於自動變速器用的輸入軸的製造，並進行其扭轉疲勞強度試驗，對其結果進行說明。輸入軸由與上述被加工物W相同的材料構成，形成為內部具有沿軸向延伸的油導入用橫孔的長的帶孔軸。
在該輸入軸的外周面，穿設有多個與上述橫孔連通的油供給用分支孔，在該分支孔的開孔加工中，採用上述超微細晶體層生成方法。因此，在各分支孔的內周面上，生成超微細晶體層C1，提高了其硬度。
分支孔形成部的輸出軸的扭轉疲勞強度，在外加轉矩為392Nm的情況下，平均為378653次，在外加轉矩為451Nm的情況下，平均為95727次，確認了下述事實與在分支孔的內周面上不具有超微細晶體層C1的以往產品相比，其強度(與9萬次相當時的轉矩比)提高了大約20％。
接著，參照圖4，說明第2實施方式，在第1實施方式的超微細晶體層生成方法中，通過使用鑽頭D進行的開孔加工而生成了超微細晶體層C1，但是第2實施方式的超微細晶體層生成方法，是通過使用立銑刀E進行切削加工而生成超微細晶體層C1。另外，與上述第1實施方式同樣的部分，賦予同樣的附圖標記，省略其說明。
圖4是說明第2實施方式的超微細晶體層生成方法的圖，是利用立銑刀E進行切削加工過程中的被加工物W的立體圖。另外在圖4中，省略了保持立銑刀E並傳遞來自加工機械的旋轉力的保持器的圖示。
利用第2實施方式的超微細晶體層生成方法，如圖4所示，通過對被加工物W，在分別滿足上述第1及第2這兩個加工條件的情況下，利用立銑刀E(加工刀具)進行切削加工(機械加工)，能夠在其加工面的表層部生成超微細晶體層C1。
首先，對被加工物W及立銑刀E的詳細參數進行說明。被加工物W，材質碳素鋼(JIS-SUJ2)；熱處理淬火；硬度790[Hv]，立銑刀E，材質硬質合金；塗層TiAlN塗層；刀具直徑Φ10mm。另外，切削條件，圓周速度150m/min；進給速度0.18mm/rev；軸向切入深度2mm；徑向切入深度0.1mm；切削油不使用。
利用這樣的條件進行被加工物W的切削加工，結果，對被加工物W的加工面實施了產生1以上的真應變的塑性加工(上述第1加工條件)，該加工面的材料溫度上升到Ac1相變點以上(上述第2加工條件)，在加工面上生成了超微細晶體層C1。
詳細觀察該切削加工後的被加工物W，結果確認，在被加工物W上生成了厚度為2.5μm左右的超微細晶體層C1。
接著，參照圖5說明第3實施方式，在第1實施方式的超微細晶體層生成方法中，通過使用鑽頭D進行開孔加工而生成了超微細晶體層C1，而第3實施方式的超微細晶體層生成方法，是通過使用推壓刀具P進行滑動加工而生成超微細晶體層C1。另外，與前述第1實施方式同樣的部分，賦予同樣的附圖標記，省略其說明。
圖5是說明第3實施方式的超微細晶體層生成方法的圖，圖5(a)是利用推壓刀具P進行滑動加工過程中的被加工物W的立體圖，圖5(b)是圖5(a)的Vb-Vb線上的被加工物W的橫剖視圖。
另外，在圖5(a)中，省略了保持被加工物W並傳遞來自車床的旋轉力的保持器。另外，圖5(b)表示利用推壓刀具P進行滑動加工後的被加工物W的橫剖視圖。
第3實施方式的超微細晶體層生成方法是用於在由硬度較低的材料形成的被加工物W的加工面表層部穩定地生成超微細晶體層C1的方法。具體地說，通過對被加工物W，在滿足上述第1加工條件的情況下，利用推壓刀具P(加工刀具)進行外周加工面21的滑動加工(機械加工)(參照圖5(a))，而在其外周加工面21的表層部(加工面的表層部)生成超微細晶體層C1(參照圖5(b))。
在第3實施方式的超微細晶體層生成方法中，採用與上述第2加工條件不同的條件(以下，稱為「第3加工條件」)。
在此，第3加工條件為下述條件在利用鑽頭D進行開孔加工期間，使加工外周面21的材料溫度維持在比規定溫度(以下稱為「上限溫度」)低的溫度下。即，通過調整冷卻液向加工部的供給量和被加工物W的旋轉速度、推壓刀具P的推壓力等，而抑制外周加工面21上的材料溫度的上升。
對於上限溫度，在被加工物W由鋼鐵材料構成的情況下，為該鋼鐵材料的Ac1相變點，在被加工物W由鋼鐵材料以外的金屬材料(例如，鋁合金或鈦合金等)構成的情況下，上限溫度為該金屬材料的熔點的大約1/2的溫度。熔點與上述情況同樣，用絕對溫度計算。
另外，第3加工條件中的「維持在比上限溫度低的溫度下」，只要利用推壓刀具P進行加工外周面21的滑動加工期間基於時間求得的平均材料溫度、和整個該加工外周面21內熱分布的平均材料溫度，分別維持在比上限溫度低的溫度下，即滿足。因此，即使在加工面的材料溫度瞬間或局部成為比上限溫度高的溫度的情況下，只要上述平均溫度維持在比上限溫度低的溫度下，則滿足第3加工條件。
所謂滑動加工是指如下進行的加工在對被加工物W賦予旋轉(圖5(a)箭頭R方向)的同時，以規定的壓力將推壓刀具P推壓到被加工物W的外周加工面21上並使其滑動，而對被加工物W的外周加工面21實施塑性加工。
對被加工物W及推壓刀具P的詳細參數進行說明。被加工物W，材質碳素鋼(JIS-S10C)；硬度3.9GPa(400Hv)；加工外周面21的外徑Φ10mm，推壓刀具P，材質工具鋼(JIS-SKD61)；硬度8.3GPa(850Hv)；刀具寬度(圖5(a)左右方向寬度)5mm。
在此，為生成超微細晶體層C1，適當調整推壓刀具P的推壓面壓(例如100MPa)、滑動加工時間(例如3分鐘)、被加工物W的旋轉速度、冷卻液的供給量等，以滿足上述第1加工條件(實施產生1以上的真應變的塑性加工的條件)及第3加工條件(溫度條件)。
接著，就使用第3實施方式的超微細晶體層生成方法進行滑動加工的結果進行說明。如圖5(a)所示，對被加工物W，在滿足上述第1及第3加工條件的情況下，使用推壓刀具P對加工外周面21進行滑動加工，結果如圖5(b)所示，在其加工外周面21上生成了超微細晶體層C1。
詳細觀察該滑動加工後的被加工物W，結果可知，被加工物W中，沒有生成超微細晶體層C1的內部的硬度為3.9GPa(400Hv)，而超微細晶體層C1的硬度提高到1.5倍以上的硬度。
另外，就生成了這樣的超微細晶體層C1的被加工物W進行退火處理後的結果進行說明。另外，退火處理是通過將被加工物W在600℃的氣氛溫度中保持1小時而進行的。
退火處理後的被加工物W，沒有生成超微細晶體層C1的內部的硬度為1.5GPa(150Hv)，而超微細晶體層C1的硬度提高到2倍以上的硬度，維持了較高的硬度。這樣，超微細晶體層C1即使通過退火處理，晶粒也很難再結晶，溫度鈍感性好，所以通過將第3實施方式的超微細晶體層生成方法用於例如旋轉軸的滑動面，可提高該滑動面的耐磨損性，提高旋轉軸的壽命。
以上，基於第1到第3實施方式說明了本發明，但是本發明並不限於上述各實施方式，可容易地知道在不脫離本發明宗旨的範圍內，可進行各種改良變形。
例如在上述第1到第3實施方式中，作為生成超微細晶體層C1用的機械加工，以使用鑽頭D進行的開孔加工、使用立銑刀E進行的切削加工、或者使用推壓刀具P進行的滑動加工為例進行了說明，但是並不限於這些機械加工，只要是同時滿足上述第1及第2(或第3)加工條件的機械加工即可，當然可將其他種類的機械加工用於本發明。
作為所述機械加工，例示有以例如使用車刀進行的車床加工、使用銑刀進行的銑削加工、使用車刀進行的刨削加工、使用滾刀進行的切齒加工等為代表的切削加工、以使用磨具進行的精加工等為代表的磨削加工、使用拋光工具進行的拋光加工等。
另外，在上述第1實施方式中，作為具有超微細晶體層C1的機械部件，以自動變速器用的輸入軸為例進行了說明，但是並不限於此，只要是由金屬材料構成，可以為任何機械部件，不必一定為汽車用的構造部件。作為其他機械部件，例示有例如建築用的構造部件等。
另外，在上述第1到第3實施方式中，說明了被加工物W由鋼鐵材料構成的情況，但是並不限於此，當然可由鋼鐵材料以外的其他金屬材料構成被加工物W。作為鋼鐵材料以外的其他金屬材料，例示有例如鋁、鎂、鈦、銅等金屬材料及其合金。即，技術方案1到7任一項所述的金屬材料並不限於鋼鐵材料或在此例示出的金屬材料，而是包含各種金屬材料。
接著，參照圖6到圖10，對本發明的第4實施方式進行說明。在第4實施方式中，作為納米晶體層生成方法，就通過使用鑽頭D(加工刀具)進行的開孔加工(機械加工)而在被加工物的加工面表層部生成納米晶體層的方法進行說明。
在此，所謂納米晶體指其晶粒的大小(長度)為100nm以下的晶體，所謂納米晶體層指其晶體組織的至少50％以上包含前述納米晶體的組織。技術方案8～15中任一項所述的「納米晶體層」也指同樣的意思。
另外，納米晶體意味著，其晶粒的大小(長度)不必在任一方向上都為100nm以下，至少在一方向上為100nm以下即可。即，納米晶體不必一定是截面為圓形的晶體，也可以是截面為扁平形狀的晶體。
另外，納米晶體層只要是含有至少50％以上的前述納米晶體即可，當然可以為混晶組織，納米晶體的剩餘部分可以由任意形態的晶體構成。
圖6是說明本發明第4實施方式的納米晶體層生成方法的圖，圖6(a)是利用鑽頭D進行開孔加工過程中的被加工物W的剖視圖，圖6(b)是利用鑽頭D進行開孔加工後的被加工物W的剖視圖。另外，在圖6中，省略鑽頭D及被加工物W的一部分進行圖示。
利用第4實施方式的納米晶體層生成方法，通過對被加工物W，在分別滿足下面所示的第4及第5這兩個加工條件的情況下，利用鑽頭D進行孔部1的開孔加工(參照圖6(a))，而能夠在該孔部1的內周面(加工面的表層部)生成納米晶體層C2(參照圖6(b))。
首先，作為第4加工條件，以對孔部1的內周面實施產生至少7以上的真應變的塑性加工為條件，這可以通過遵從圖7所示的切削條件而實現。在此，參照圖7對切削條件進行說明。
圖7是表示作為本發明的第4加工條件的切削條件(納米晶體層生成切削條件)的圖，橫軸表示被加工物W的硬度(Hv)，縱軸表示鑽頭D的圓周速度(m/min)。
如圖7所示，第4加工條件是對應於被加工物W的硬度H[Hv]而對鑽頭D的圓周速度V[m/min]進行規定，通過按照該第4加工條件，利用鑽頭D進行孔部1的開孔加工，可對孔部1的內周面實施產生至少7以上的真應變的塑性加工。
具體地說，如圖7所示，在被加工物W的硬度H低於500[Hv]的情況下，鑽頭D的圓周速度V規定為V≥175-H/4[m/min]，在被加工物W的硬度H高於500[Hv]的情況下，鑽頭D的圓周速度V規定為V≥50[m/min]。
另外，鑽頭D的進給速度優選地為每轉0.2mm以下。這是為了抑制鑽頭D的負荷，而對孔部1的內周面可靠地實施產生7以上的真應變的塑性加工。
在此，作為第4加工條件的推薦切削條件(生成納米晶體層C2所優選的條件)，將被加工物W的硬度H規定為500[Hv]以上，鑽頭D的圓周速度V規定為50[m/min]以上，鑽頭D的進給速度規定為每轉0.2mm以下。
另外，作為更優選的推薦切削條件，將被加工物W的硬度H規定為500[Hv]以上，鑽頭D的圓周速度V規定為75[m/min]以上，鑽頭D的進給速度規定為每轉0.05mm以下。這是因為，這樣能夠抑制鑽頭D的負荷，而對孔部1的內周面可靠地實施產生7以上的真應變的塑性加工。
另外，對於利用鑽頭D進行的孔部1的開孔加工，如圖6所示，說明了不預先在被加工物W上穿設預鑽孔的情況，但是並一定不限於此，也可預先穿設預鑽孔後進行。
具體地說，在進行孔部1的開孔加工時，也可如下進行首先預先用比規定的直徑小的鑽頭穿設預鑽孔2(圖6(a)中用單點劃線表示)，接著，用具有規定外徑的上述鑽頭D或鉸刀，將孔部1精加工成規定的直徑。在這種情況下，預鑽孔2的開孔加工按照通常的切削條件(例如，圓周速度為每分鐘20m以下)進行，而另一方面，利用鑽頭D或鉸刀進行的孔部1的精加工按照圖7所示的第4加工條件(納米晶體層生成切削條件)進行。
接著，作為第5加工條件，是指下述條件在利用鑽頭D進行開孔加工期間，將孔部1的加工面的材料溫度維持在規定的溫度範圍(以下稱為「溫度範圍」)內。即，調整切削油等向加工部的供給量或鑽頭D的切削條件(圓周速度V或進給速度等)，而將孔部1的加工面的材料溫度保持在溫度範圍內。
在此，在被加工物W由鋼鐵材料構成的情況下，溫度範圍為該鋼鐵材料的AC1相變點以上且低於熔點，在被加工物W由鋼鐵材料以外的金屬材料(例如，鋁合金或鈦合金等)構成的情況下，溫度範圍為該金屬材料的熔點的大約1/2的溫度以上且低於熔點。
另外，熔點以絕對溫度計算，例如，若熔點為1500℃，則該熔點的大約1/2的溫度為大約886.5K(＝1773K/2)。
在此，第5加工條件中的所謂「維持在溫度範圍內」，只要利用鑽頭D開始孔部1的開孔加工後基於時間求得的平均材料溫度、和孔部1的整個加工面內熱分布的平均材料溫度，分別維持在溫度範圍內，即滿足。
因此，即使利用鑽頭D進行的孔部1的開孔加工剛開始後，加工面的材料的溫度達不到溫度範圍的最低溫度，只要此後上述平均溫度維持在溫度範圍內，則滿足第5加工條件。
另外，在利用鑽頭D進行的孔部1的開孔加工開始前，當然可以預先利用加熱機構(例如，氣體爐或電爐等)加熱被加工物W。由此，可促進納米晶體層C2的生成，並且可使被加工物W軟化，所以可減輕鑽頭D(加工刀具)或加工機械的負擔，抑制其破損等。
接著，就使用上述納米晶體層生成方法進行的開孔加工的結果進行說明。該開孔加工中使用的被加工物W由碳素鋼(JIS-S55C)構成，通過淬火處理，其硬度達到約7.8GPa(800Hv)。
對該被加工物W，按照上述第4及第5加工條件，使用鑽頭D穿設孔部1，結果如圖6(b)所示，在孔部1的內周面上，生成了納米晶體層C2。在此，參照圖8，說明詳細觀察孔部1的內周面所得的結果。
圖8是表示孔部1的截面組織的圖。在孔部1的內周面上，如圖8所示，從表面側(圖8上側)依次觀察到表層31、第2層32及第3層33。另外，第3層33的下層側(圖8下側)為未加工區域(沒有受到鑽頭D加工的影響的區域)14。
在孔部1的表層31，觀察到了粒徑為大約20nm大小的納米晶體層C2。在該納米晶體層C2中，確認硬度提高到了1150Hv。認為表層31發生了下述變化由於鑽頭D進行的開孔加工而被加熱成γ相，並且受到較大變形(真應變為7以上)而成為微細γ粒，在此後的冷卻中因擴散相變而生成了納米晶體層C2。
在第2層32中，觀察到了粒徑為大約100nm大小的超微細晶體層。在該微細晶體層中，確認硬度提高到了1000Hv。認為第2層13發生了下述變化因加工後的加熱而在α相中再結晶後，在進一步被加熱到(α+γ)兩相狀態的區域中，殘留α形成島狀，固溶了碳的γ在冷卻中相變成(α+馬氏體)。另外，對第2層32賦予了真應變為1以上(並且真應變不足7)的塑性變形。
在此，第4實施方式中的表層31及第2層32合計的厚度(從表面到第2層32下表面的深度)為大約10μm。觀察到鑽頭D的圓周速度V越快則該層的厚度(深度)越增加。另外，觀察到若鑽頭D的圓周速度V一定，則鑽頭D的直徑越大，該層的厚度(深度)越增加。
認為第3層33是由於鑽頭D的開孔加工而被加熱到大約700℃並通過靜態再結晶生成的區域(即，由於開孔加工時的熱影響而被回火了的區域)。另外，該第3層33與技術方案9所述的「被加工物的加工面下層部的非納米晶體層」對應。
在此，優選地，對利用鑽頭D進行的開孔加工(機械加工)，通過調整切削油等的供給量或切削條件(圓周速度V或進給速度等)而加以控制，使得加工面的材料溫度滿足上述第5加工條件，並控制成，能使第3層33的材料溫度達到大約500℃以上的時間在大約1秒以內。這是因為，這樣能抑制第3層33被回火，而可確保其硬度及強度。
另外，利用鑽頭D進行的開孔加工(機械加工)優選地以在加工面的表層部賦予1/μm以上的應變梯度的方式進行。這是因為，這樣能更可靠地生成納米晶體層C2。
即，若賦予1/μm以上的應變梯度，則位錯密度達到每平方米大約10的16次冪左右，但若位錯密度高到這種程度，則與產生位錯所需的能量相比，晶體微細化所需的能量變小。因此，在利用機械加工從該狀態進一步賦予應變(變形)的情況下，可使被加工物W的狀態從產生位錯向晶體微細化遷移。其結果，通過賦予1/μm以上的應變梯度，可更可靠地生成納米晶體層C2。
另外，如果這樣預先判明應變梯度的必要值，則在納米晶體層C2的生成中，可以基於該必要值而調整各加工條件(例如冷卻方法、加工速度、或材料硬度等)。因此，在設定各加工條件時，可將應變梯度的值作為大致標準，所以可容易且高效地進行各加工條件的設定，其結果，可提高作業效率。
另外，在利用鑽頭D進行開孔加工(機械加工)時，可將被加工物W預先浸漬於液態氮等極低溫的液化氣體中進行冷卻。由此，在加工時，可對其加工面的表層部賦予較大的溫度梯度，所以可容易地賦予一定值以上的應變梯度，而可靠地生成納米晶體層C2。特別是對較難賦予應變梯度的硬度較低的材料(例如鋁合金等)是有效的。
在此，第4實施方式的機械加工由於是利用鑽頭D進行的開孔加工，所以在加工面的表層部主要產生剪應變。因此，上述應變梯度的應變指剪應變。
但技術方案13所述的應變梯度並不限於剪應變，除剪應變外，還包含壓縮應變和拉伸應變。即，在利用鑽頭D進行的開孔加工以外的其他加工方法中，加工面表層部的應變(變形)的方式不同，也存在壓縮應變或拉伸應變為主的情況。因此，在該情況下，技術方案13所述的「1/μm以上的應變梯度」指壓縮應變或拉伸應變的應變梯度為1/μm以上。
另外，利用鑽頭D進行的開孔加工(機械加工)若對加工面的表層部賦予1/μm以上的應變梯度，則加工面的材料溫度並沒有特別的限定。即，這是因為，即使不滿足上述第5加工條件(將加工面的材料溫度維持在規定的溫度範圍內)，若能對加工面的表層部賦予1/μm以上的應變梯度，則也能生成納米晶體層C2。
因此，該情況的納米晶體層生成方法是下述方法「對由金屬材料構成的被加工物實施使用加工刀具進行的機械加工，通過對其加工面賦予局部的大應變，而在前述加工面的表層部生成納米晶體層，其特徵在於，前述使用加工刀具進行的機械加工以下述方式進行對前述被加工物的加工面實施產生至少7以上的真應變的塑性加工，並且對前述加工面的表層部賦予1/μm以上的應變梯度」。
接著，參照圖9～圖11，就應變梯度的計算方法進行說明。圖9是表示孔部1的截面組織的照片，圖10是為了簡化圖示以便於理解，而示意性表示圖9的截面組織的示意圖，圖11(a)是表示孔部1距表面的深度z和晶體變位x之間的關係的圖，圖11(b)是表示深度z與剪應變γ之間的關係的圖，(c)是表示深度z與應變梯度g之間的關係的圖。
另外，圖9及圖10是與鑽頭D的進給方向垂直的截面，假想線Lz是與切削方向垂直的假想線。另外，深度z是以孔部1的表面為原點沿假想線Lz測量的，變位x是沿與假想線Lz垂直的方向測量的。
利用鑽頭D進行開孔加工前，在被加工物W上沿著假想線Lz排列有層狀晶體(未圖示)，在利用鑽頭D進行開孔加工後，各層狀晶體如圖9及圖10所示，向滑動方向大幅彎曲。在這種情況下，層狀晶體的彎曲(變位x)可大致表示為深度z的指數函數x(z)。
在此，著眼於一層狀晶體，如圖9及圖10所示，在多個部位(圖10中，從z＝5.8μm到z＝13.2μm的10個部位)對距利用鑽頭D進行開孔加工前的初始位置(即，假想線Lz)的變位x進行測量，如圖11(a)所示，將各測量值(變位x)繪成深度z的函數圖。由此，可得到近似式x(z)＝71.3exp(-0.341z)。
其結果，用深度z將上述近似式x(z)微分，可得到γ(z)＝24.3exp(-0.341z)，能夠以深度z的函數γ(z)的形式得到剪應變γ。根據函數γ(z)，剪應變γ在孔部1的表面最大，隨著深度z的增加而急劇減少。另外，將剪應變γ(z)除以3的平方根而得的值作為真應變ε(z)求出。
然後，進一步用深度z將剪應變γ(z)微分，可得到g(z)＝8.29exp(-0.341z)，能夠以深度z的函數的形式得到應變梯度g。即，如圖9到圖11所示，通過測量深度z與變位x之間的關係，使兩者關係近似為指數函數，而能得到規定深度位置上的應變梯度g。
另外，根據函數g(z)，孔部1表面的應變梯度g為g(0)＝8.29。另外，若假定納米晶體層C2的生成深度平均為z＝6.0左右(參照圖9)，則該深度(z＝6.0)處的應變梯度g為g(6.0)＝1.07，由此可知，對納米晶體層C2的生成來說，賦予1/μm以上的應變梯度g是有效的。
接著，就對生成了納米晶體層C2的被加工物W進行退火處理的結果進行說明。另外，退火處理通過將被加工物W在600℃的氣氛溫度中保持1小時而進行。
對於退火處理後的被加工物W，表層31的納米晶體層C2的粒徑保持為大約200nm。這樣確認了下述事實納米晶體層C2即使通過退火處理，晶粒也很難成長，溫度鈍感性好。
接著，將上述第4實施方式的納米晶體層生成方法用於自動變速器用的輸入軸製造中，並進行其扭轉疲勞強度試驗，對其結果進行說明。輸入軸由與上述被加工物W相同的材料構成，形成為內部具有沿軸向延伸的油導入用橫孔的長的帶孔軸。
在該輸入軸的外周面，穿設有多個與上述橫孔連通的油供給用的分支孔，在該分支孔的開孔加工中，採用上述納米晶體層生成方法。因此，在各分支孔的內周面上生成了納米晶體層C2，提高了其硬度。
對於分支孔形成部處的輸出軸的扭轉疲勞強度，在外加轉矩為392Nm的情況下，平均為378653次，在外加轉矩為451Nm的情況下，平均為95727次，從而確認了，與在分支孔的內周面上不具有納米晶體層C2的以往產品相比，其強度(與9萬次相當時的轉矩比)提高了大約20％。
接著，參照圖12說明第5實施方式。在第4實施方式的納米晶體層生成方法中，通過使用鑽頭D進行的開孔加工生成了納米晶體層C2，但是第5實施方式的納米晶體層生成方法，是通過使用立銑刀E進行的切削加工而生成納米晶體層C2。另外，與上述第4實施方式同樣的部分，賦予同樣的附圖標記，省略其說明。
圖12是說明第5實施方式的納米晶體層生成方法的圖，是利用立銑刀E進行切削加工過程中的被加工物W的立體圖。另外，在圖12中，省略了保持立銑刀E並傳遞來自加工機械的旋轉力的保持器的圖示。
如圖12所示，利用第5實施方式的納米晶體層生成方法，通過對被加工物W，在分別滿足上述第4及第5這兩個加工條件的情況下，利用立銑刀E(加工刀具)進行切削加工(機械加工)，而能在其加工面的表層部生成納米晶體層C2。
首先，對被加工物W及立銑刀E的詳細參數進行說明。被加工物W，材質碳素鋼(JIS-SUJ2)；熱處理淬火；硬度790[Hv]，立銑刀E，材質硬質合金；塗層TiAlN塗層；刀具直徑Φ10mm。另外，切削條件，圓周速度150m/min；進給速度0.18mm/rev；軸向切入深度2mm；徑向切入深度0.1mm；切削油不使用。
利用這樣的條件進行被加工物W的切削加工，結果對被加工物W的加工面實施了產生7以上的真應變的塑性加工(上述第4加工條件)，並且該加工面的材料溫度上升到AC1相變點以上(上述第5加工條件)，在加工面上生成了納米晶體層C2。
詳細觀察該切削加工後的被加工物W的結果可知，在被加工物W上，生成了厚度為2.5μm左右的納米晶體層C2。
以上，基於第4及第5實施方式說明了本發明，但是本發明並不限於上述各實施方式，可容易地知道在不脫離本發明宗旨的範圍內可進行各種改良變形。
例如，在上述第4實施方式中，作為用於可靠地賦予應變梯度的方法，說明了對加工面的表層部賦予溫度梯度，即、將被加工物W浸漬到極低溫的液化氣體中，使其冷卻後進行加工的方法，但是並不限於此，當然可以利用其他方法。
例如，在車削加工中，例示有對加工面照射雷射而預先只加熱表面後再進行加工(機械加工)的方法。在這種情況下，也與上述情況一樣，能對加工面的表層部賦予較大的溫度梯度，所以可容易地賦予應變梯度，而可靠地生成納米晶體層C2。
另外，對被加工物W實施例如脫碳處理而對加工面的表層部賦予硬度梯度，也是優選的。這是因為，通過這樣賦予硬度梯度，與上述賦予溫度梯度的情況一樣，可容易地賦予應變梯度，而可靠地生成納米晶體層C2。
另外，在上述第4及第5實施方式中，作為生成納米晶體層C2用的機械加工，以使用鑽頭D進行的開孔加工和使用立銑刀E進行的切削加工為例進行了說明，但是並不限於這些機械加工，只要是同時滿足上述第4及第5加工條件的機械加工即可，當然可將其他種類的機械加工用於本發明。
作為所述機械加工，例示有以例如使用車刀進行的車床加工、使用銑刀進行的銑削加工、使用車刀進行的刨削加工、使用滾刀進行的切齒加工等為代表的切削加工、以使用磨具進行的精加工等為代表的磨削加工、使用拋光工具進行的拋光加工等。
另外，在上述第4實施方式中，作為具有納米晶體層C2的機械部件，以自動變速器用的輸入軸為例進行了說明，但是並不限於此，只要是由金屬材料構成，可以為任何機械部件，不必一定為汽車用的構造部件。作為其他機械部件，例示有例如建築用的構造部件等。
另外，在上述第4及第5實施方式中，說明了被加工物W由鋼鐵材料構成的情況，但是並不限於此，當然可由鋼鐵材料以外的其他金屬材料構成被加工物W。作為鋼鐵材料以外的其他金屬材料，例示有例如鋁、鎂、鈦、銅等金屬材料及其合金。即，技術方案1到4任一項所述的金屬材料並不限於鋼鐵材料或在此例示出的金屬材料，而是包含各種金屬材料。
接著，參照附圖，對本發明的第6實施方式進行說明。在第6實施方式中，作為納米晶體層生成方法，就通過使用鑽頭D(加工刀具)進行的開孔加工(機械加工)而在被加工物的加工面表層部生成納米晶體層的方法進行說明。
圖13是說明本發明第6實施方式的納米晶體層生成方法的圖，圖13(a)是利用鑽頭D進行開孔加工過程中的被加工物W的剖視圖，圖13(b)是利用鑽頭D進行開孔加工後的被加工物W的剖視圖。另外，在圖13中，省略鑽頭D及被加工物W的一部分進行圖示。
利用第6實施方式的納米晶體層生成方法，通過對被加工物W，在分別滿足下面所示的第6及第7這兩個加工條件的情況下，利用鑽頭D進行孔部1的開孔加工(參照圖13(a))，而能夠在該孔部1的內周面(加工面的表層部)生成納米晶體層C3(參照圖13(b))。
首先，作為第6加工條件，以對孔部1的內周面實施產生至少7以上的真應變的塑性加工為條件，這可以通過遵從圖14所示的切削條件而實現。圖14是比較以往的切削條件與作為本發明第6加工條件的切削條件(納米晶體層生成切削條件)而表示的圖，橫軸表示鑽頭D的進給速度(mm/rev)，縱軸表示鑽頭D的圓周速度(m/min)。
如圖14所示，第6加工條件將鑽頭D的圓周速度規定為每分鐘50m以上，並且將鑽頭D的進給速度規定為每轉0.2mm以下，按照該第6加工條件利用鑽頭D進行孔部1的開孔加工，可以對孔部1的內周面實施產生至少7以上的真應變的塑性加工。
第6加工條件更優選地將鑽頭D的圓周速度設為每分鐘75m以上並且將鑽頭D的進給速度設為每轉0.05mm以下。這是因為，這樣能更可靠地對孔部1的內周面實施產生7以上的真應變的塑性加工。
在進行孔部1的開孔加工時，也可如下進行首先預先用比規定的直徑小的鑽頭穿設預鑽孔2(圖13中用單點劃線表示)，接著，用具有規定外徑的上述鑽頭D或鉸刀，將孔部1精加工成規定的直徑。在這種情況下，預鑽孔2的開孔加工按照圖14所示的以往的切削條件進行，而另一方面，利用鑽頭D或鉸刀進行的孔部1的精加工則按照圖14所示的第6加工條件(納米晶體層生成的切削條件)進行。
接著，作為第7加工條件，以在利用鑽頭D進行開孔加工期間，將孔部1的加工面的材料溫度維持在比規定溫度(以下稱為「上限溫度」)低的溫度下為條件。即，向加工部供給切削油等，抑制該加工面的材料溫度上升。
在此，在被加工物W由鋼鐵材料構成的情況下，上限溫度設為該鋼鐵材料的A1及A3相變點，在被加工物W由鋼鐵材料以外的其他金屬材料構成的情況下，上限溫度設為該金屬材料的熔點的大約1/2的溫度。另外，熔點以絕對溫度計算，例如，若熔點為1500℃，則上限溫度為大約886.5K(＝1773K/2)。
另外，第7加工條件中的「維持在比上限溫度低的溫度下」，只要利用鑽頭D進行孔部1的開孔加工期間基於時間得到的平均材料溫度、和孔部1的整個加工面內熱分布的平均材料溫度，分別維持在比上限溫度低的溫度下，即滿足。因此，即使在加工面的材料溫度瞬間或局部成為比上限溫度高的溫度的情況下，只要上述平均溫度維持在比上限溫度低的溫度下，則也滿足第7加工條件。
接著，就使用上述納米晶體層生成方法進行開孔加工的結果進行說明。用於該開孔加工的被加工物W由合金鋼(JIS-SCM420H)構成，通過滲碳淬火等熱處理，進行表面硬化處理。另外，被加工物W的硬度中，表面硬度約為6.8GPa(700Hv)，內部硬度約為3.4GPa(350Hv)。
對該被加工物W，按照上述第6及第7加工條件，使用鑽頭D穿設孔部1，結果如圖13(b)所示，在孔部1的內周面上生成了納米晶體層C3。詳細觀察生成的納米晶體層C3，結果可知，納米晶體層C3中，粒徑為大約100nm(0.1μm)，硬度提高到9.8GPa(980Hv)。另外，納米晶體層C3的表面粗糙度為Ra0.7。
接著，將上述第6實施方式的納米晶體層生成方法用於自動變速器用的輸入軸的製造，並進行其扭轉疲勞強度試驗，對其結果進行說明。輸入軸由與上述被加工物W相同的材料構成，形成為內部具有沿軸向延伸的油導入用橫孔的長的帶孔軸。
在該輸入軸的外周面，穿設有多個與上述橫孔連通的油供給用的分支孔，在該分支孔的開孔加工中，使用上述納米晶體層生成方法。因此，在各分支孔的內周面上，生成納米晶體層，提高了其硬度。
分支孔形成部處的輸出軸的扭轉疲勞強度，在外加轉矩為392Nm的情況下，平均為378653次，在外加轉矩為451Nm的情況下，平均為95727次，從而確認了，與在分支孔的內周面上不具有納米晶體層的以往產品相比，其強度(與9萬次相當時的轉矩比)提高了大約20％。
接著，參照圖15說明第7實施方式，在第6實施方式的納米晶體層生成方法中，通過使用鑽頭D進行的開孔加工而生成了納米晶體層，但是第7實施方式的納米晶體層生成方法，是通過使用推壓刀具P進行的滑動加工而生成納米晶體層。另外，與上述第6實施方式同樣的部分，賦予同樣的附圖標記，省略其說明。
圖15是說明第7實施方式的納米晶體層生成方法的圖，圖15(a)是利用推壓刀具P進行滑動加工過程中的被加工物W的立體圖，圖15(b)是圖15(a)的XIVb-XIVb線上的被加工物W的橫剖視圖。另外，在圖15(a)中，省略了保持被加工物W並傳遞來自車床的旋轉力的保持器的圖示。另外，圖15(b)表示利用推壓刀具P進行滑動加工後的被加工物W的橫剖視圖。
根據第7實施方式的納米晶體層生成方法，通過對被加工物W，在滿足上述第6及第7這兩個加工條件的情況下，利用推壓刀具P(加工刀具)進行外周加工面41的滑動加工(機械加工)(參照圖15(a))，而能夠在其外周加工面41的表層部(加工面的表層部)生成納米晶體層C3(參照圖15(b))。
所謂滑動加工是指下述加工在對被加工物W賦予旋轉(圖15(a)中箭頭R方向)的同時，以規定的壓力將推壓刀具P推壓到被加工物W的外周加工面41上並使其滑動，而對被加工物W的外周加工面41實施塑性加工。
首先，對被加工物W及推壓刀具P的詳細參數進行說明。被加工物W，材質碳素鋼(JIS-S10C)；加工外周面41的外徑Φ10mm，推壓刀具P，材質工具鋼(JIS-SKD61)；硬度8.3GPa(850Hv)；刀具寬度(圖15(a)左右方向寬度)5mm。
在此，為生成納米晶體層，需要將推壓刀具P的推壓面壓設為100MPa以上，而且將滑動加工時間設為3分鐘以上，以滿足上述第6加工條件(實施產生7以上的真應變的塑性加工的條件)。但被加工物W的旋轉速度可以任意。
另外，更優選地，將被加工物W的旋轉速度設在每分鐘25轉以上，推壓刀具P的推壓面壓設在400MPa以上，滑動加工時間設在5分鐘以上，進而，冷卻液(例如，甲醇)的供給量設為每分鐘50ml左右。這是因為，這樣能更可靠地對加工外周面41實施產生7以上的真應變的塑性加工。
接著，就使用第7實施方式的納米晶體層生成方法進行滑動加工的結果進行說明。如圖15(a)所示，對被加工物W，在滿足上述第6及第2加工條件的情況下，使用推壓刀具P，對加工外周面41進行滑動加工，結果如圖15(b)所示，在其加工外周面41上生成了納米晶體層C3。
詳細觀察該滑動加工後的被加工物W，結果可知，被加工物W中，沒有生成納米晶體層C3的內部的硬度為3.9GPa(400Hv)，而納米晶體層C3的硬度提高到7.0GPa(720Hv)。
另外，就對生成了這樣的納米晶體層C3的被加工物W進行退火處理後的結果進行說明。另外，退火處理是通過將被加工物W在600℃的氣氛溫度中保持1小時而進行的。
退火處理後的被加工物W，沒有生成納米晶體層C3的內部的硬度為1.5GPa(155Hv)，而納米晶體層C3的硬度為3.9GPa(400Hv)，可維持較高的硬度。這樣，納米晶體層C3即使通過退火處理，晶粒也很難再結晶，溫度鈍感性好，所以例如將第7實施方式的納米晶體層生成方法用於旋轉軸的滑動面，可提高該滑動面的耐磨損性，提高旋轉軸的壽命。
如以上說明的那樣，本發明的納米晶體層生成方法是使用鑽頭D或推壓刀具P對被加工物W進行機械加工(開孔加工、滑動加工)，而在其加工面(孔部1的內周面、加工外周面41)的表層部生成納米晶體層C3，所以在用以往的、採用噴丸處理等的納米晶體層生成方法不能生成納米晶體層C3的部位，也能生成納米晶體層C3，而且，可穩定地生成均勻的納米晶體層C3。
另外，利用本發明的納米晶體層生成方法，不必如以往的納米晶體層生成方法那樣，另外設置噴丸處理的噴射裝置100(參照圖4)等特別的裝置，所以能夠抑制裝置的成本。而且，在制品的製造工序中，可將為生成納米晶體層C3而產生的工序變更抑制到最下限度，降低納米晶體層的生成成本，相應地能夠抑制製品的成本。
例如，在第6實施方式的例子中，可在利用鑽頭D進行的孔部1的開孔加工的同時，生成納米晶體層C3，所以不需要追加用於生成納米晶體層C3的工序。另外，在第7實施方式的例子中，利用車刀對加工外周面41進行外徑切削後，僅將該車刀變更成推壓刀具P，即將被加工物W原樣保持在保持器上，便可生成納米晶體層C3，所以可將工序變更抑制到最小限度。
進而，在以往的納米晶體層生成方法中，若在較大範圍內生成納米晶體層C3，則需要多次反覆進行突起或硬質粒子G(參照圖4)的衝撞，所以加工時間長，效率低，與此相對，採用本發明的納米晶體層生成方法，通過使用鑽頭D或推壓刀具P進行機械加工(開孔加工、滑動加工)，而生成納米晶體層C3，所以可高效地生成納米晶體層C3，相應地能夠抑制納米晶體層C3的生成成本。
以上，基於第6及第7實施方式說明了本發明，但是本發明並不限於上述各實施方式，可容易地知道在不脫離本發明宗旨的範圍內，可進行各種改良變形。
例如，在上述第6及第7實施方式中，作為生成納米晶體層用的機械加工，以使用鑽頭D進行的開孔加工、使用推壓刀具P進行的滑動加工為例進行了說明，但是並不限於這些機械加工，只要是同時滿足上述第6及第7加工條件的機械加工即可，當然可將其他種類的機械加工用於本發明。
作為所述機械加工，例示有以例如使用車刀進行的車床加工、使用銑刀進行的銑削加工、使用車刀進行的刨削加工、使用滾刀進行的切齒加工等為代表的切削加工、以使用磨具進行的精加工等為代表的磨削加工、以使用拋光工具進行的拋光加工等為代表的研磨加工等。
另外，在上述第6實施方式中，作為具有納米晶體層C3的機械部件，以自動變速器用的輸入軸為例進行了說明，但是並不限於此，只要是由金屬材料構成，可以為任何機械部件，不必一定為汽車用的構造部件。作為其他機械部件，例示有例如建築用的構造部件等。
另外，在上述第6及第7實施方式中，說明了被加工物W由鋼鐵材料構成的情況，但是並不限於此，當然可由鋼鐵材料以外的其他金屬材料構成被加工物W。作為鋼鐵材料以外的其他金屬材料，例示有例如鋁、鎂、鈦、銅等金屬材料及其合金。即，技術方案1至5中任一項所述的金屬材料並不限於鋼鐵材料或在此例示出的金屬材料，而是包含各種金屬材料。
權利要求
1.一種超微細晶體層生成方法，通過對由金屬材料構成的被加工物實施使用加工刀具進行的機械加工，對其加工面賦予局部的較大應變，而在前述加工面的表層部生成超微細晶體層，其特徵在於，前述使用加工刀具進行的機械加工，對前述被加工物的加工面實施產生至少1以上的真應變的塑性加工。
2.如權利要求1所述的超微細晶體層生成方法，其特徵在於，前述使用加工刀具進行的機械加工，是維持前述被加工物的加工面的材料溫度低於規定的上限溫度而進行的，在前述被加工物由鋼鐵材料構成的情況下，該規定的上限溫度為該鋼鐵材料的Ac1相變點，在前述被加工物由鋼鐵材料以外的其他金屬材料構成的情況下，該規定的上限溫度為該金屬材料的換算成絕對溫度的熔點的大約1/2的溫度。
3.如權利要求1所述的超微細晶體層生成方法，其特徵在於，前述使用加工刀具進行的機械加工是將前述被加工物的加工面的材料溫度維持在規定的溫度範圍內進行的，在前述被加工物由鋼鐵材料構成的情況下，該規定的溫度範圍為該鋼鐵材料的Ac1相變點以上且低於熔點的溫度範圍，在前述被加工物由鋼鐵材料以外的其他金屬材料構成的情況下，該規定的溫度範圍為下述溫度範圍該金屬材料的換算成絕對溫度的熔點的大約1/2的溫度以上且低於熔點。
4.如權利要求3所述的超微細晶體層生成方法，其特徵在於，在前述被加工物由鋼鐵材料構成的情況下，在實施前述使用加工刀具進行的機械加工後，以比前述被加工物的淬火所需的冷卻速度快的速度冷卻前述加工面。
5.如權利要求2至4中任一項所述的超微細晶體層生成方法，其特徵在於，前述使用加工刀具進行的機械加工，將前述被加工物的加工面的材料溫度維持在低於前述規定的上限溫度的溫度下或維持在前述規定的溫度範圍內，並且，使前述被加工物的加工面下層部或前述加工面附近的表層部的非超微細晶體層的材料溫度達到大約500℃以上的時間在大約1秒以內，確保母材硬度的大約80％的硬度。
6.一種機械部件，其特徵在於，由金屬材料構成，並且在其表層部的至少一部分上具有利用前述權利要求1至5中任一項所述的超微細晶體層生成方法生成的超微細晶體層。
7.一種機械部件製造方法，製造由金屬材料構成且在其表層部的至少一部分上生成有超微細晶體層的機械部件，其特徵在於，至少包括超微細晶體層生成工序，在所述超微細晶體層生成工序中，利用前述權利要求1至5中任一項所述的超微細晶體層生成方法在前述機械部件上生成超微細晶體層。
8.一種納米晶體層生成方法，通過對由金屬材料構成的被加工物實施使用加工刀具進行的機械加工，對其加工面賦予局部的較大應變，而在前述加工面的表層部生成納米晶體層，其特徵在於，前述使用加工刀具進行的機械加工，對前述被加工物的加工面實施產生至少7以上的真應變的塑性加工，並且，是將前述被加工物的加工面的材料溫度維持在規定的溫度範圍內進行的，在前述被加工物由鋼鐵材料構成的情況下，該規定的溫度範圍為該鋼鐵材料的Ac1相變點以上且低於熔點的溫度範圍，在前述被加工物由鋼鐵材料以外的其他金屬材料構成的情況下，該規定的溫度範圍為下述溫度範圍該金屬材料的換算成絕對溫度的熔點的大約1/2的溫度以上且低於熔點。
9.如權利要求8所述的納米晶體層生成方法，其特徵在於，前述使用加工刀具進行的機械加工，將前述被加工物的加工面的材料溫度維持在前述規定的溫度範圍內，並且，使前述被加工物的加工面下層部或前述加工面附近的表層部的非納米晶體層的材料溫度達到大約500℃以上的時間在大約1秒以內，確保母材硬度的大約80％以上的硬度。
10.一種納米晶體層生成方法，在由金屬材料構成的被加工物的加工面上，生成作為微細晶粒層的納米晶體層，其特徵在於，通過對前述被加工物實施使用加工刀具進行的機械加工，對其加工面賦予局部的較大應變，而在前述加工面的表層部生成前述納米晶體層。
11.如權利要求10所述的納米晶體層生成方法，其特徵在於，前述使用加工刀具進行的機械加工，對前述被加工物的加工面實施產生至少7以上的真應變的塑性加工，並且，是將前述被加工物的加工面的材料溫度維持在規定的上限溫度以下進行的，在前述被加工物由鋼鐵材料構成的情況下，該規定的上限溫度為該鋼鐵材料的A1及A3相變點，在前述被加工物由鋼鐵材料以外的其他金屬材料構成的情況下，該規定的上限溫度為該金屬材料的換算成絕對溫度的熔點的大約1/2的溫度。
12.如權利要求11所述的納米晶體層生成方法，其特徵在於，維持前述被加工物的加工面的材料溫度，使得進行前述機械加工期間基於時間得到的平均材料溫度、及整個前述加工面內的熱分布的平均材料溫度在前述規定的上限溫度以下。
13.如權利要求8至12中任一項所述的納米晶體層生成方法，其特徵在於，前述使用加工刀具進行的機械加工以在前述加工面的表層部賦予1/μm以上的應變梯度的方式進行。
14.一種機械部件，其特徵在於，由金屬材料構成，並且在其表層部的至少一部分上具有利用前述權利要求8至13中任一項所述的納米晶體層生成方法生成的納米晶體層。
15.一種機械部件製造方法，製造由金屬材料構成且在其表層部的至少一部分上生成有納米晶體層的機械部件，其特徵在於，至少包括納米晶體層生成工序，在所述納米晶體層生成工序中，利用前述權利要求8至13中任一項所述的納米晶體層生成方法在前述機械部件上生成納米晶體層。
全文摘要
本發明提供一種超微細晶體層生成方法等，其能以低成本在金屬製品的表層穩定地生成超微細晶體層等。通過對被加工物(W)進行利用鑽頭(D)實施的孔部(1)的開孔加工，對該孔部(1)的內周面賦予較大的應變而生成超微細晶體層(C1)。在這種情況下，對孔部(1)的內周面實施產生至少1以上的真應變的塑性加工，並且，將孔部(1)的加工面的材料溫度維持在Ac1相變點以上且低於熔點的溫度範圍內。另外，維持在不超過Ac1相變點的溫度下。由此，能夠以低成本在孔部(1)的內周面上穩定地生成超微細晶體層(C1)。
文檔編號B23B35/00GK1905986SQ20048004042
公開日2007年1月31日 申請日期2004年12月14日 優先權日2004年1月21日
發明者梅本實, 戶高義一, 鈴木正, 太田利一, 山下晃浩, 田中修二 申請人:國立大學法人豐橋技術科學大學, 株式會社尤尼萬斯