CN114986399A - 喷丸硬化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供喷丸硬化方法。喷丸硬化方法包括：进行第一喷丸硬化的工序，在该工序中，对由金属材料构成的对象物的表面以第一深度施加残留应力；以及在第一喷丸硬化后进行第二喷丸硬化的工序，在该工序中，对对象物的表面以比第一深度深的第二深度施加残留应力。
Description
技术领域
本发明涉及喷丸硬化方法。
背景技术
公知有向由金属材料构成的对象物的表面投射高硬度的投射材料(喷丸材料)的喷丸硬化(例如，日本特开2011－235318号公报)。喷丸硬化有助于由金属材料构成的制品的寿命延长。例如，压铸模具的破损多是因为反复热膨胀以及热收缩而产生的热裂纹(热裂缝)。根据喷丸硬化，对模具的表面施加残留应力(压缩残留应力)，从而能够抑制热裂纹。若通过喷丸硬化使模具寿命延长，则能够减少制品的制造成本中包含的模具费用。
发明内容
本发明提供能够进一步实现由金属材料构成的对象物的寿命延长的喷丸硬化方法。
本发明的一个方面所涉及的喷丸硬化方法包括：进行第一喷丸硬化的工序，在该工序中，对由金属材料构成的对象物的表面以第一深度施加残留应力；以及在第一喷丸硬化后进行第二喷丸硬化的工序，在该工序中，对对象物的表面以比第一深度深的第二深度施加残留应力。
在该喷丸硬化方法中，通过第一喷丸硬化对对象物的表面施加残留应力，因此能够获得抑制热裂纹的效果。即便在对象物的使用中第一喷丸硬化的效果降低，由于还通过第二喷丸硬化对对象物的表面施加残留应力，所以能够再次获得抑制热裂纹的效果。特别是，在第一喷丸硬化中，以第一深度施加残留应力，与此相对，在第二喷丸硬化中，以比第一深度深的第二深度施加残留应力。因此，能够抑制进展到比第一深度深的龟裂继续进展。据此，能够进一步实现由金属材料构成的对象物的寿命延长。
在上述方面所涉及的喷丸硬化方法中，第二喷丸硬化的投射材料的粒径也可以大于第一喷丸硬化的投射材料的粒径。另外，第二喷丸硬化的投射材料的投射速度也可以大于第一喷丸硬化的投射材料的投射速度。另外，第二喷丸硬化的投射材料的硬度也可以比第一喷丸硬化的投射材料的硬度硬。在上述情况下，能够容易使第二深度比第一深度深。
在上述方面所涉及的喷丸硬化方法中，对象物也可以由铁合金或钛合金构成。由于铁合金以及钛合金被广泛使用，所以能够进一步延长寿命的喷丸硬化方法的必要性很高。
在上述方面所涉及的喷丸硬化方法中，对象物也可以是压铸模具或者变速器用齿轮。由于压铸模具在高温下使用，所以抑制热裂纹的效果容易下降。变速器用齿轮是负荷非常大的部件。另外，特别是在用于建筑机械的情况下，因为运行率高，且是大型机械，所以更换困难。因此，在压铸模具以及变速器用齿轮中，能够进一步延长寿命的喷丸硬化方法的必要性很高。
附图说明
图1是表示实施方式的喷丸硬化方法的流程图。
图2是用于对对象物中的影响层以及热裂纹进行说明的示意剖视图。
具体实施方式
以下，参照附图，对实施方式详细地进行说明。在说明中，对同一要素或具有同一功能的要素使用同一附图标记，并省略重复的说明。
实施方式的喷丸硬化方法是对由金属材料构成的对象物进行喷丸硬化的方法。对象物例如由铁合金或钛合金构成。铁合金例如是钢铁材料。作为钢铁材料，具体地可举出碳含量为0.5％～0.6％的中碳的淬火材料、碳含量为0.8％～1.1％的高碳的渗碳材料等。中碳的淬火材料例如被用于弹簧材料、铝压铸用的模具材料。高碳的渗碳材料例如被用于齿轮材料。这些钢铁材料均是具有马氏体组织的马氏体钢。
钛合金例如是α钛合金(例如Ti－5Al－1Mo－1V)、α－β钛合金(例如Ti－6Al－4V)或者β钛合金(例如Ti－14－3－3－3)。在钛合金中，作为α－β钛合金的Ti－6Al－4V、所谓的64钛最常用。使用用途是以人工关节为首的植入物以及飞机的骨架部件等。
对象物例如是压铸模具或者变速器用齿轮。典型的压铸模具的材料是SKD61(JIS规格)。JIS规格的SKD61与ISO规格(ISO4957：1999)的X40CrMoV5－1对应。在压铸模具中，一般在淬火回火后适用氮化。作为氮化的类型，可举出盐浴软氮化、气体氮化、等离子氮化。其中，盐浴软氮化因成本低，也能应用于大件，因此经常使用。盐浴软氮化是在钢表面生成化合物层之后使氮气扩散的工序，在表面必然存在化合物层。该化合物层具有抑制铁和铝的粘连的作用。在作为母相的钢与化合物层之间没有明确的分界线，组成(化学成分)从母相连续地变化而成为化合物层。化合物层坚硬，但另一方面也具有脆、容易破裂的性质，从而被认为也在母相的钢的晶界引起龟裂。
以铝合金压铸模具的情况为例进一步继续说明。铝合金压铸模具的破损原因的约70％是产生被称为热裂纹的龟裂。因模具从高温的熔融铝以及低温的脱模剂受到的热循环而产生晶粒的膨胀收缩。其结果，从晶界产生热裂纹。为了抑制热裂纹，通过喷丸硬化施加残留应力是有效的这样的文献随处可见。此时，残留应力的评价应用使用了X射线的方法。热裂纹是以晶界为起点的龟裂。与此相对，利用X射线评价晶粒内的残留应力。晶粒内的残留应力如何有助于抑制热裂纹并不清楚。然而，作为结论，被认为通过喷丸硬化能够抑制热裂纹却是事实。
压铸模具因从熔融铝受到的热而始终成为550度前后的温度。该温度与钢的再结晶温度大致相同。假使通过喷丸硬化施加残留应力，则应力在该温度区域也会被释放。因此，将抑制热裂纹的理由仅认为是通过喷丸硬化而产生的残留应力则是不够严谨的。
喷丸硬化是引起塑性变形的加工。根据喷丸硬化，作为结果，产生了晶粒的微小化。热裂纹从晶界产生。因此，晶粒的微小化以及路径的复杂度会使产生热裂纹的机会损失，而被认为发挥了效果。晶粒微小化不表现成利用X射线测定的残留应力的结果的数值。作为通过X射线应力测定而得到的数值，半高宽是表示结晶性的参数。半高宽的数值越大，越表示晶粒微小化以及复杂化。
如上所述，压铸模具始终暴露在钢的再结晶温度下。即便通过喷丸硬化产生了晶粒微小化，在压铸模具的使用中晶粒的再结晶化也会进行，从而喷丸硬化的效果降低。为了延长压铸模具的寿命，早期进行喷丸硬化当然有效。然而，喷丸硬化的效果降低。因此，若在使用中途再次进行喷丸硬化而将晶粒微小化，则能够期待压铸模具的进一步的寿命延长。这里，将这样的喷丸硬化称为再喷丸硬化。
图1是表示实施方式的喷丸硬化方法的流程图。如图1所示，实施方式的喷丸硬化方法包括：设定第一喷丸硬化用的第一喷丸硬化条件的工序S1、进行第一喷丸硬化的工序S2、设定第二喷丸硬化用的第二喷丸硬化条件的工序S3、以及进行第二喷丸硬化的工序S4。第二喷丸硬化相当于再喷丸硬化。工序S1以及工序S2例如在制造对象物时进行。工序S3以及工序S4例如在维护对象物时进行。以下，对各工序进行说明。
在工序S1中，作为第一喷丸硬化条件，设定用于对对象物施加最大残留应力的条件。最大残留应力是能够施加于对象物的压缩残留应力的最大值。最大残留应力因对象物而不同。在工序S1中设定的第一喷丸硬化条件例如是投射材料的硬度、投射材料的粒径、投射材料的投射速度等。
热裂纹的原因在于结晶的热膨胀收缩而引起的应力，因此仅应力最大的表面是破坏的起点。喷丸硬化原本是对表面施加应力的处理。因此，在对新制造出的对象物进行的第一喷丸硬化中，设定与对象物的硬度等匹配的适当的第一喷丸硬化条件。
在喷丸硬化中，提高投射材料的硬度，由此能够提高施加于对象物的残留应力。然而，若对象物的硬度与投射材料的硬度不相称，则提高投射材料的硬度，由此会存在施加于对象物的残留应力反而降低的情况。即，为了对对象物施加最大残留应力，需要使对象物的硬度与投射材料的硬度的平衡合理化。
为了通过第一喷丸硬化对对象物施加最大残留应力，例如，将投射材料的硬度设定在比对象物的硬度高50HV(维氏硬度)以上250HV以下的范围内。通过形成50HV以上，能够对对象物的表面部分施加残留应力。若设定为比250HV高，则投射的能量被用于削去对象物的表面，因此无法对对象物的表面部分有效且稳定地施加残留应力。若削去量变大，则对象物的尺寸的变化量也变大。通过使对象物的削去量为5μm以下，能够对对象物的表面部分有效且稳定地施加残留应力。另外，能够抑制对象物的尺寸的变化。并且，能够抑制对象物的表面粗糙度的恶化。
但是，若对象物的硬度比750HV低，则存在无法对对象物的表面部分施加足够的残留应力的情况。对象物的硬度例如是指从对象物的表面至深度0.050mm为止的表面部分的硬度。
与硬度的情况相同，增大投射材料的粒径，由此能够提高施加于对象物的残留应力。随着投射材料的粒径增大，硬化影响层形成至更深。然而，若投射材料的粒径过大，则存在施加于对象物的残留应力反而降低的情况。对象物的损伤增大，从而也存在产生材料本身的脆化、对象物的表面粗糙度的恶化或者尺寸变化的担忧。例如，表面粗糙度取决于投射材料的粒径。另外，若投射材料的粒径过大，则也存在投射设备在能力上无法进行加工的担忧。另外，单位流量的喷丸材料数量减少，因此加工时间延长。
例如，在投射材料是球状的情况下，投射材料的粒径是投射材料的直径。为了通过第一喷丸硬化对对象物施加最大残留应力，投射材料的粒径例如为50μm以上1000μm以下。通过使投射材料的粒径为50μm以上，能够进行对象物的表面正下方的改性。虽也取决于对象物的硬度、用途，但通过使投射材料的粒径为1000μm以下(1mm以下)，能够抑制表面粗糙度的恶化。使投射材料的粒径为1000μm而得到的硬化影响层的深度(厚度)为500μm左右。表面粗糙度恶化，因此难以使硬化影响层继续增厚。
与硬度的情况相同，增大投射材料的投射速度，由此能够提高施加于对象物的残留应力。然而，若投射材料的投射速度过大，则存在施加于对象物的残留应力反而降低的情况。也存在产生材料本身的脆化、对象物的表面粗糙度的恶化或者尺寸变化的担忧。为了通过第一喷丸硬化对对象物施加最大残留应力，投射材料的投射速度例如为50m/s以上150m/s以下。在应用使用了喷嘴的空气式硬化装置的情况下，通过使投射压力(空气压力)例如为0.05MPa以上0.5MPa以下，能够实现上述投射速度。
在工序S2中，对对象物以在工序S1中设定的第一喷丸硬化条件进行第一喷丸硬化。由此，如图2的(a)所示，在对象物1的表面2形成硬化影响层3。在硬化影响层3中，通过第一喷丸硬化导入形变，从而施加残留应力。即，第一喷丸硬化是在对象物1的表面2以与硬化影响层3的厚度相等的第一深度d1导入形变从而施加残留应力的处理。在硬化影响层3中，晶粒被微小化，晶界被复杂化。硬化影响层3是导入形变的形变导入层，且是施加残留应力的残留应力施加层。
若在一定程度内使用工序S2后的对象物1，则如图2的(b)所示，会在对象物1的表面2产生热裂纹4，且该热裂纹4朝向对象物1的内部行进。如上所述，压铸模具的使用环境是引起再结晶的温度区域，因此晶粒从第一喷丸硬化的影响中被重获。即，对象物1中的晶粒微小化以及形变导入的效果降低。在该过程中，热裂纹4也进展。如图2的(c)所示，热裂纹4均超过硬化影响层3而进展。
在工序S3中，设定第二喷丸硬化用的第二喷丸硬化条件。第二喷丸硬化条件例如是投射材料的硬度、投射材料的粒径、投射材料的投射速度等。第二喷丸硬化相对于热裂纹4进展了的状态下的对象物1而进行。为了实现对象物1的进一步的寿命延长，需要将硬化影响层3形成至比热裂纹4深的位置。即，与第一喷丸硬化条件相比，第二喷丸硬化条件被设定为使硬化影响层3更深。
例如，第二喷丸硬化的投射材料的粒径被设定为比第一喷丸硬化条件的投射材料的粒径大。第二喷丸硬化的投射材料的投射速度被设定为比第一喷丸硬化的投射材料的投射速度大。第二喷丸硬化的投射材料的硬度被设定为比第一喷丸硬化的投射材料的硬度硬。在工序S3中，上述的设定至少进行一个即可。例如，若将第二喷丸硬化的投射材料的粒径设定为比第一喷丸硬化条件的投射材料的粒径大，则第二喷丸硬化的投射材料的投射速度以及硬度也可以与第一喷丸硬化的投射材料的投射速度以及硬度相同。
在工序S4中，对工序S2后的对象物1以在工序S3中设定的第二喷丸硬化条件进行第二喷丸硬化。由此，如图2的(d)所示，对对象物1的表面2以比第一深度d1深的第二深度d2施加残留应力，而形成与第二深度d2相等的厚度的硬化影响层3。对于第二喷丸硬化而言，通过投射材料的碰撞而引起塑性流动，从而带来使已产生的热裂纹4关闭的作用。该作用在对象物1的内部较弱，因此也存在热裂纹4未被全部改善而残存一部分的情况。然而，由于热裂纹4从对象物1的最外表面产生，所以相对于最外表面的作用尤为重要。
如以上说明的那样，实施方式的喷丸硬化方法包括：进行第一喷丸硬化的工序S2，在该工序中，对由金属材料构成的对象物1的表面2以第一深度d1施加残留应力；以及在第一喷丸硬化后进行第二喷丸硬化的工序S4，在该工序中，对对象物1的表面2以比第一深度d1深的第二深度d2施加残留应力。
在该喷丸硬化方法中，通过第一喷丸硬化对对象物1的表面2施加残留应力，因此能够获得抑制热裂纹4的效果。即便在对象物1的使用中第一喷丸硬化的效果降低，也通过第二喷丸硬化对对象物1的表面2施加残留应力，因此能够再次获得抑制热裂纹4的效果。特别是，在第一喷丸硬化中，以第一深度d1施加残留应力，与此相对，在第二喷丸硬化中，以比第一深度d1深的第二深度d2施加残留应力。因此，能够抑制进展到比第一深度d1深的龟裂继续进展。据此，能够进一步实现由金属材料构成的对象物1的寿命延长。
第二喷丸硬化的投射材料的粒径也可以大于第一喷丸硬化的投射材料的粒径。另外，第二喷丸硬化的投射材料的投射速度也可以大于第一喷丸硬化的投射材料的投射速度。另外，第二喷丸硬化的投射材料的硬度也可以比第一喷丸硬化的投射材料的硬度硬。由此，能够容易使第二深度d2比第一深度d1深。即，能够容易使通过第二喷丸硬化形成的硬化影响层3比通过第一喷丸硬化形成的硬化影响层3厚。
对象物1是铁合金或者钛合金。由于铁合金以及钛合金被广泛使用，所以能够进一步延长寿命的喷丸硬化方法的必要性很高。
对象物1是压铸模具。压铸模具在高温下使用，因此抑制热裂纹的效果容易降低。因此，在压铸模具中，能够进一步延长寿命的喷丸硬化方法的必要性很高。另外，对象物1是变速器用齿轮。变速器用齿轮是负荷非常大的部件。特别是在用于建筑机械的情况下，因为运行率高，且是大型机械，所以更换困难。因此，在变速器用齿轮中，对能够进一步延长寿命的喷丸硬化方法的必要性很高。
本发明不必限定于上述实施方式，能够在不脱离其主旨的范围内进行各种变更。
喷丸硬化方法也可以还包括在工序S4后进行再喷丸硬化的工序。若使用工序S4后的对象物1，则新的热裂纹4再次从表面2产生，并朝向对象物1的内部行进。存在新的热裂纹4与在内部残存的热裂纹4结合而进展的情况。因此，在工序S4后进行再喷丸硬化的情况需要以比通过之前刚进行的喷丸硬化施加了残留应力的深度深的深度施加残留应力。因此，在依次进行再喷丸硬化的情况下，例如依次增大投射材料的粒径。
Claims (12)
1.一种喷丸硬化方法，对由金属材料构成的对象物进行喷丸硬化，
所述喷丸硬化方法的特征在于，包括：
进行第一喷丸硬化的工序，在该工序中，对所述对象物的表面以第一深度施加残留应力；以及
在所述第一喷丸硬化后进行第二喷丸硬化的工序，在该工序中，对所述对象物的表面以比所述第一深度深的第二深度施加残留应力。
2.根据权利要求1所述的喷丸硬化方法，其特征在于，
所述第二喷丸硬化的投射材料的粒径比所述第一喷丸硬化的投射材料的粒径大。
3.根据权利要求1或2所述的喷丸硬化方法，其特征在于，
所述第二喷丸硬化的投射材料的投射速度比所述第一喷丸硬化的投射材料的投射速度大。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的喷丸硬化方法，其特征在于，
所述第二喷丸硬化的投射材料的硬度比所述第一喷丸硬化的投射材料的硬度硬。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的喷丸硬化方法，其特征在于，
所述对象物由铁合金构成。
6.根据权利要求5所述的喷丸硬化方法，其特征在于，
所述对象物由钢铁材料构成。
7.根据权利要求1～4中任一项所述的喷丸硬化方法，其特征在于，
所述对象物由钛合金构成。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的喷丸硬化方法，其特征在于，
所述对象物是压铸模具。
9.根据权利要求1～7中任一项所述的喷丸硬化方法，其特征在于，
所述对象物是变速器用齿轮。
10.根据权利要求1～9中任一项所述的喷丸硬化方法，其特征在于，
所述第一喷丸硬化的投射材料的硬度在比所述对象物的硬度高50HV以上250HV以下的范围内。
11.根据权利要求1～10中任一项所述的喷丸硬化方法，其特征在于，
所述第一喷丸硬化的投射材料的粒径为50μm以上1000μm以下。
12.根据权利要求1～10中任一项所述的喷丸硬化方法，其特征在于，
所述第一喷丸硬化的投射材料的投射速度为50m/s以上150m/s以下。
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