JP2004124227A

JP2004124227A - 金属製品の表面硬化方法

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Publication number: JP2004124227A
Application number: JP2002293602A
Authority: JP
Inventors: Minoru Umemoto; 梅本　実; Koichi Tsuchiya; 土谷　浩一; Giichi Todaka; 戸高　義一; Yoji Shudo; 首藤　洋二
Original assignee: HAMAMATSU NETSUSHORI KOGYO KK
Current assignee: HAMAMATSU NETSUSHORI KOGYO KK
Priority date: 2002-10-07
Filing date: 2002-10-07
Publication date: 2004-04-22

Abstract

【課題】金属製品の表面部における硬化組織の形成を、マルテンサイト変態によらず、強加工のみで金属組織結晶粒をナノ結晶化することによって行い、これによって極めて高い表面硬度を有する金属製品を得ることができる金属製品の表面硬化方法を提供すること。
【解決手段】金属製品３０の表面に、金属製品３０の硬度と同等以上の硬度を有する直径が４０〜２００μｍのショット材２０を、１００ｍ／秒以上の速度で噴射し、金属製品３０の表面部を冷間加工することによってその結晶粒径を１００ｎｍ以下に微細化して金属製品３０の表面部を硬化させた。また、その際、金属製品３０を冷却室１９内で常温以下の温度に冷却しながらショット材２０の噴射を行った。さらに、金属製品３０を、マルテンサイト変態を生じない純鉄、低炭素鋼、非鉄金属またはそれらを含む合金で構成した。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属製品の表面に、ショット材を噴射して表面部の結晶粒を微細化することにより金属製品の表面部を硬化させる金属製品の表面硬化方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、ばねや鋳鋼品、鍛造品等の金属製品の疲労強度を向上させるために、金属製品における表面部を硬化させる表面硬化方法が用いられている。このような表面硬化方法として、焼き入れ焼き戻しなどの処理を施した鉄鋼製品や非鉄金属製品の表面の一部または全部に対して、冷間加工を施すショットピーニングや、マルテンサイト変態を生じさせることができる程度の炭素を含有する鉄鋼製品に対して、微粒子ショットピーニングを行うことにより、鉄鋼製品の表面温度をＡ_３変態点以上に上昇させてマルテンサイト変態を生じさせる表面加工熱処理方法がある。
【０００３】
この表面加工熱処理方法においては、粒径の小さなショット材を、高速の噴射速度で、鉄鋼製品に衝突させることにより、その衝突時に発生する熱で鉄鋼製品の表面部を加熱してマルテンサイト変態を生じさせる。そして、これを所定時間継続することによって、鉄鋼製品の表面部に焼き入れ焼き戻し処理を繰り返し行い、その表面部を硬化させる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述した従来の表面硬化方法のうちの、ショットピーニングによる冷間加工は、焼き入れ焼き戻しなどの熱処理を施した鉄鋼製品や非鉄金属製品の加工硬化を図るものであるため、前処理として熱処理を行う必要がある。また、この方法は、鉄鋼製品の表面部の残留オーステナイト組織を、加工応力の付与による加工誘起マルテンサイトへの組織変態によって、表面部の硬度を上昇させるとともに、圧縮残留応力の発生により製品強度の増加を図るものである。
【０００５】
これは、金属製品への純粋な加工硬化と圧縮残留応力の付与が目的である。また、加工誘起マルテンサイト変態による硬度上昇は、熱処理済みの鉄鋼材料にのみ発現する現象である。このため、この方法では、対象となる材料をマルテンサイト変態が生じる材料に限定する必要と、前処理として熱処理を実施する必要とが生じるという問題がある。
【０００６】
また、前述した従来の表面硬化方法のうちの、マルテンサイト変態を生じさせる表面加工熱処理方法では、マルテンサイト変態が起こり得ない純鉄や低炭素鋼およびそれを含む合金材料、非鉄金属材料およびそれを含む合金材料は、対象にならず、金属製品に使用される材料が限られるという問題がある。また、微粒子ショットピーニング工程で金属製品を構成する鉄鋼製品をＡ_３変態点以上に加熱する必要があるため、噴射密度を大きくする必要がある。
【０００７】
【発明の概要】
本発明は、上記問題に対処するためになされたもので、その目的は、金属製品の表面部における硬化組織の形成を、マルテンサイト変態によらず、強加工のみで金属組織結晶粒をナノ結晶化することによって行い、これによって極めて高い表面硬度を有する金属製品を得ることができる金属製品の表面硬化方法を提供することである。
【０００８】
上記の目的を達成するため、本発明にかかる金属製品の表面硬化方法の構成上の特徴は、金属製品の表面に、金属製品の硬度と同等以上の硬度を有する直径が４０〜２００μｍのショット材を、１００ｍ／秒以上の速度で噴射し、金属製品の表面部の結晶粒径を１００ｎｍ以下にすることにより表面部を硬化させることにある。
【０００９】
このように構成した本発明の金属製品の表面硬化方法では、金属製品に対して噴射されるショット材の噴射速度を大きくして金属製品の表面部に高ひずみ速度で大きな変形を起こさせる。これによって、金属製品の表面部の転位密度が臨界に達すると、その表面部の結晶組織は、その場再結晶（温度を上げないで加工したまま、または加工中に生じる再結晶）により転位密度（長さ／単位体積）の高い硬化組織から結晶粒径が１００ｎｍ以下のナノ結晶粒組織に変わり、同時に硬さが、例えば、ビッカース硬度で２倍程度に上昇する。
【００１０】
すなわち、本発明では、種々の材質や形状からなる金属製品の表面部に、ナノ結晶粒組織を形成するための手段として、金属製品に対して微粒子からなるショット材を衝撃するショットピーニングなどの方法が用いられる。高速で噴射したショット材を金属製品の表面に衝突させると、金属製品の衝撃部分は高ひずみ速度の超強加工を受ける。この超強加工によって、金属製品の表面部は、加工硬化し転位密度が上昇する。したがって、金属製品へのショット材の噴射を所定時間継続して、金属製品の表面部を繰り返し変形させると、金属製品の表面部の転位密度が臨界に達して、ナノ結晶粒組織を得ることができる。
【００１１】
本発明において、ショット材の噴射速度を高速にするのは、ひずみ速度を高くすることによって組織変化に必要な臨界転位密度を得るためであり、この噴射速度は、１００ｍ／秒以上に設定する。また、ショット材の直径は、噴射速度との関係で決定され、この場合、４０〜２００μｍに設定する。これによって、金属製品の表面部の結晶粒径を１００ｎｍ以下にすることができ、表面部の硬化ができる。
【００１２】
また、ショット材の直径は、前述したように、４０〜２００μｍに設定するが、より好ましくは、４０〜１００μｍに設定することである。さらに、金属製品を構成する材料としては、鉄鋼材料、非鉄金属材料およびそれらを含む合金材料を用いることができる。また、ショット材を構成する材料としては、金属製品の硬度と同程度以上の硬度を有するものを用いる。金属製品に鋼球等の物が衝突すると、金属製品の表面部は硬化するが、ショット材の硬度は、この表面部の硬化を生じさせることのできる大きさであればよく、金属製品の硬度よりも小さなものでもよい。さらに、表面硬化処理中の金属製品の温度は、例えば、金属製品を構成する材料として鉄鋼材料を用いた場合には、Ａ_３変態点を超えないように維持することが必要である。
【００１３】
本発明にかかる金属製品の表面硬化方法の他の構成上の特徴は、金属製品を常温以下の温度に冷却しながらショット材の噴射を行うことによる。
【００１４】
このように構成した本発明の金属製品の表面硬化方法では、金属製品が過度に加熱されないように、金属製品を冷却して低温に維持する。すなわち、金属製品の表面部の結晶粒径を１００ｎｍ以下にするためには、表面硬化処理中における金属製品の温度管理が重要である。結晶の転位は、表面硬化処理により温度が上昇すると回復速度が高くなるため、その場再結晶が発生する臨界転位密度まで蓄積されにくいが、低温領域においては、表面硬化処理によって微細化された結晶組織の回復が遅くなるために転位密度が蓄積され易い。すなわち、ナノ結晶粒化が生じる臨界転位密度に到達しやすくなるためである。したがって、効果的にナノ結晶領域を生成するためには、金属製品の温度を低く維持することが好ましい。
【００１５】
この場合、液体窒素（温度−１９６℃）や液化炭酸ガス（温度−７９℃）等を用いて金属製品を冷却することができ、金属製品を構成する材質に応じて、常温から−１５０℃程度の間で適宜最適温度に冷却することが好ましい。これによって、室温で表面硬化処理した場合と比べ、より多くのナノ結晶粒組織が生成する。また、特に、金属製品を構成する材料として鉄鋼材料を用いた場合には、金属製品が、Ａ_３変態点以上に加熱されないことが重要である。Ａ_３変態点以上に加熱されて金属製品の結晶組織がオーステナイトに変態すると、フェライト領域での表面硬化処理により得られた転位が消滅し、表面硬化処理による結晶微細化の効果が失われるためである。
【００１６】
本発明にかかる金属製品の表面硬化方法のさらに他の構成上の特徴は、金属製品を、マルテンサイト変態を生じない金属材料で構成したことにある。これによると、従来の方法では、加工硬化のみによってしか硬化できなかった金属材料に対しても、ナノ結晶粒組織を形成することができ、種々の材料からなる金属製品の表面部の微細化処理による硬化が可能になる。
【００１７】
本発明にかかる金属製品の表面硬化方法のさらに他の構成上の特徴は、金属材料を、純鉄、低炭素鋼、非鉄金属またはそれらを含む合金で構成したことにある。これによると、従来、ショットピーニングによる加工では、Ａ_３変態点以上の加熱によるマルテンサイトの硬化層を形成することができず、しかも金属製品として多くの分野で使用されている純鉄、低炭素鋼、非鉄金属またはそれらを含む合金に対してもナノ結晶粒組織を形成することができるようになる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面を用いて説明する。図１は、本発明にかかる金属製品の表面硬化方法で用いられるショットピーニング装置１０を示している。このショットピーニング装置１０は、直径が５０μｍのスチールビーズからなるショット材２０を収容するタンク１１を備えている。タンク１１は、円筒状の胴部１１ａと、胴部１１ａの下方に形成され、下端が先細りになった漏斗状の下部１１ｂとで構成されている。そして、天井部には、ショット材２０をタンク１１内に供給するための穴部が設けられ、この穴部に蓋１２が着脱可能に取り付けられている。
【００１９】
また、タンク１１の天井部上面には、ホッパー１３が設けられており、蓋１２を開けて、タンク１１内にショット材２０を供給する際、ホッパー１３によってショット材２０はタンク１１内にガイドされる。さらに、タンク１１の胴部１１ａには、圧縮空気供給管１４と排気管１５とが接続され、タンク１１の下部１１ｂの下端には、タンク１１内のショット材２０を吐出させるための吐出管１６が接続されている。また、圧縮空気供給管１４からは、圧縮空気供給管１４ａが分岐して吐出管１６の上流端に接続されている。そして、圧縮空気供給管１４および排気管１５には、それぞれ圧縮空気供給管１４および排気管１５を開閉するための開閉バルブ１７ａ，１７ｂが設けられ、吐出管１６の下流端には、ショット材２０を外部に噴出するための噴射ノズル１８が設けられている。
【００２０】
噴射ノズル１８は、先端の噴射口を冷却室１９内に位置させて設置されており、冷却室１９内における噴射ノズル１８の前方には、金属製品３０を着脱可能に、取り付けるための取付装置（図示せず）が設けられている。また、この取付装置は、金属製品３０を、噴射ノズル１８の噴射口に対して移動可能に保持する。また、冷却室１９には、冷却室１９内を常温から−１５０℃程度の間で温度制御する冷却装置（図示せず）が設けられており、圧縮空気供給管１４には、圧縮空気供給装置（図示せず）が接続されている。また、ショット材２０は金属製品３０よりも硬度の大きな材質のもので構成されている。
【００２１】
つぎに、以上のように構成したショットピーニング装置１０を用いて図１に示した円柱状の金属製品３０を表面硬化処理（以下、加工処理と記す。）する方法について説明する。金属製品３０の加工処理に際しては、まず、蓋１２を外してタンク１１の穴部を開けて、ホッパー１３に、ショット材２０を供給する。これによって、ショット材２０は、ホッパー１３からタンク１１内に落下し、タンク１１の下部１１ｂから順次胴部１１ａの上部に向って充填される。タンク１１内のショット材２０が所定量に達すると、ショット材２０の供給を停止し、蓋１２でタンク１１の穴部を閉塞する。
【００２２】
つぎに、冷却室１９の取付装置に、金属製品３０を取り付けて、冷却装置を作動させることにより、冷却室１９内を所定の低温に維持する。そして、開閉バルブ１７ｂを閉じるとともに、開閉バルブ１７ａを開けて、圧縮空気供給装置を作動させる。これによって、圧縮空気供給装置から吐出される圧縮空気は、圧縮空気供給管１４を介して、タンク１１に圧入され、タンク１１内のショット材２０をタンク１１の下端部に加圧するとともに、圧縮空気供給管１４ａを介して吐出管１６に供給される。この結果、タンク１１から吐出管１６に落下するショット材２０は、圧縮空気によって、吐出管１６の下流端に送られ、噴射ノズル１８から金属製品３０に向けて噴射される。
【００２３】
この場合、ショット材２０の噴射速度が、１５０〜２００ｍ／秒になるように、圧縮空気供給装置を調節する。また、金属製品３０の全周面について加工処理を行う場合には、取付装置で金属製品３０を回転移動させることにより、金属製品３０の全周面に、ショット材２０が衝突するようにする。これによって、金属製品３０の表面部には、結晶粒径が、１００ｎｍ以下の微細結晶からなる層が形成される。この微細結晶からなる層は、硬度も大幅に上昇したものとなる。
【００２４】
以上のように、本実施形態によって加工処理された金属製品３０では、表面部に、微細結晶からなる層が形成されるため、表面硬度が極めて大きくなる。したがって、金属製品３０は、強度が向上し、疲労強度や耐久性の優れたものとなる。また、加工処理が終了すると、開閉バルブ１７ｂを開けて、タンク１１内を排気しておく。
【００２５】
このように、金属製品３０にショットピーニングによる加工処理を施すと、その表面部に加工硬化が生じるが、この加工硬化は、転位密度の平方根に比例することが知られている。一般的に、金属製品３０に対する加工処理を継続していくと、結晶に生じる転位同士の合体消滅の速度も大きくなるので加工硬化の割合は加工量が増加すると次第に小さくなる。しかしながら、高ひずみ速度で金属製品３０を強加工すると、結晶の転位が消滅することなく、転位密度は高い値に達する。そして、転位密度がある臨界値に達すると、転位セル組織が粒界構造に変化する。
【００２６】
このときに生成する結晶粒径は、鉄鋼材料を用いた場合で、１００ｎｍ以下のナノ結晶粒組織であり、組織変化と同時に強度が大幅に上昇する。このような変化は、すべての炭素鋼において生じ、また、純鉄やその他の多結晶金属材料においても生じる。また、多結晶金属材料の強度σと結晶粒径ｄとの間には、下記の数式１で表したホールペッチ（Ｈａｌｌ−Ｐｅｔｃｈ）の関係が成り立つことが知られている。なお、下記の数式１において、σ_０およびｋは定数である。
【００２７】
【数１】

【００２８】
鉄鋼材料における結晶粒径と硬度との関係は、結晶粒径が小さくなって、５０ｎｍ程度になるまでは、上記数式１にしたがって、結晶粒微細化とともに、硬度は上昇するが、結晶粒径が５０ｎｍ以下になると、上記数式１によって求められる値よりも硬度は低くなる。そして、硬度の上昇は、結晶粒径が１０ｎｍ程度になるまで続く。
【００２９】
比較例として、Ｆｅ−３ｗｔ％Ｓｉの珪素鋼からなる粉末材を、ボールミル法（回転する円筒体内でボールと被加工物とを一緒に回転させる加工方法）を用いて加工硬化処理を行った。図２は、粉末材にボールミル加工を施すことにより、生成したナノ結晶の断面ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）像を示している。また、図３は、ボールミル加工後の粉末材を、６００℃の温度で１時間焼鈍したのちの断面ＳＥＭ像を示している。図２および図３から分かるように、粉末材の表面部（図２の左上の部分および図３の左側部分）には、ナノ結晶領域が確認できる。また、図２におけるナノ結晶領域の右下部分および図３における右側部分には、加工硬化領域が形成されている。
【００３０】
ナノ結晶領域は、通常の加工硬化領域、母材領域に比べて加熱による粒成長が極めて遅いため、加熱することにより視覚的、硬度的に通常の加工硬化領域、母材領域と明確に区別することができる。図２と図３とからわかるように、ボールミル加工後の粉末材を加熱することによって、通常の加工硬化領域の結晶粒は大幅に粗大化し硬度も低下（ビッカース硬度で、ＨＶ４５０からＨＶ３１０に低下）しているのに対して、ナノ結晶領域は、粒成長が極めて遅く、硬度低下も小さい（ＨＶ７００からＨＶ６５０に低下）ことが判る。このような、加熱による再結晶挙動からもナノ結晶領域の生成を確認することができる。
【００３１】
つぎに、試料として、Ｆｅ−０．０３ｗｔ％Ｃの純鉄、Ｆｅ−３ｗｔ％Ｓｉの珪素鋼、高張力鋼板を選択し、それらの材質からなる試料に加工処理を行ったのちの硬度、強度等を比較した。その結果を、表１に示す。なお、各試料の比較試験では、すべて、ショット材２０としては、粒径が５０μｍのスチールビーズを用い、噴射速度を１５０〜２００ｍ／秒、噴射圧力を０．５１ＭＰａ、噴射距離を１００ｍｍ、噴射時間を１０秒とした。また、各試料は、取付装置に一定の姿勢で固定し、冷却室１９内の温度は常温（略２０℃）に維持して行った。
【００３２】
【表１】

【００３３】
実施例１は、Ｆｅ−０．０３ｗｔ％Ｃの純鉄からなる板材を試料１として、前記条件で、加工化処理を行った。そして、試料１の加工処理前と加工処理後におけるビッカース硬度を測定したところ、加工処理前が、ＨＶ１００で、加工処理後が、ＨＶ７５０であった。これによって、本発明の表面硬化方法によると、Ｆｅ−０．０３ｗｔ％Ｃの純鉄の表面硬度を大幅に上昇できることがわかる。
【００３４】
また、図４は、加工処理後の試料１の断面ＳＥＭ像を示しており、図５は、加工処理後の試料１を、６００℃の温度で１時間焼鈍したのちの断面ＳＥＭ像を示している。図４および図５から判るように、試料１の表面部（図示の上部側部分）には、ナノ結晶領域が確認できる。また、図示におけるナノ結晶領域の下方には、従来の表面硬化方法によって形成される加工硬化領域と同様の加工硬化領域が形成されている。
【００３５】
試料１が、Ｆｅ−０．０３ｗｔ％Ｃの純鉄からなっていることから、実施例１によるナノ結晶化は、マルテンサイト変態とは無関係に発現することが示されており、この結果から、本発明の効果は純鉄以外の多結晶金属材料およびその合金への応用も可能であると考えられる。また、図４および図５に示すように、表面領域の下部側に表れている加工硬化領域が、焼鈍によって大幅に結晶粒が粗大化しているのに対し、表面部の結晶粒は粗大化せず成長が極めて遅いことからもこの表面部の結晶組織がナノ結晶であることが判る。
【００３６】
実施例２は、Ｆｅ−３ｗｔ％Ｓｉの珪素鋼からなる板材を試料２として、前記実施例１と同じ条件で、加工処理を行った。そして、試料２の加工処理前と加工処理後におけるビッカース硬度を測定したところ、加工処理前が、ＨＶ２４０で、加工処理後が、ＨＶ７００であった。これによって、本発明の表面硬化方法によると、Ｆｅ−３ｗｔ％Ｓｉの珪素鋼の表面硬度を大幅に上昇できることがわかる。
【００３７】
また、図６は、加工処理後の試料２の断面ＳＥＭ像を示しており、図７は、加工処理後の試料２を、６００℃の温度で１時間焼鈍したのちの断面ＳＥＭ像を示している。図６および図７から分かるように、試料２の表面部（図示の上部側部分）にも、ナノ結晶領域が確認できる。また、この場合も、図示におけるナノ結晶領域の下方には、従来の表面硬化方法によって得られる加工硬化領域と同様の加工硬化領域が形成されている。また、実施例１と同様、図６および図７に表れているように、表面領域の下部側の加工硬化領域の結晶粒が、焼鈍によって大幅に粗大化しているのに対し、表面部の結晶粒が粗大化せず成長が極めて遅いことからもこの組織がナノ結晶であることが判る。
【００３８】
実施例３は、引張強さが、６５０Ｎ／ｍｍ^２の高張力鋼板からなる平板疲労試験片を試料３として、実施例１，２と同じ条件で、加工処理を行った。そして、試料３の加工処理前と加工処理後において平面曲げ疲れ試験を行ったところ、加工処理前の強度σ（Ａ１０^７）が８０Ｎ／ｍｍ^２で、加工処理後の強度σ（Ａ１０^７）が２２０Ｎ／ｍｍ^２であった。これによって、本発明の表面硬化方法によると、高張力鋼板の平面曲げ疲労強度を大幅に上昇できることがわかる。なお、この場合の「強度σ（Ａ１０^７）が８０Ｎ／ｍｍ^２」は、試料３に、８０Ｎ／ｍｍ^２の力を１０^７回繰り返し付加したときに試料３が、疲労破壊したことを示している。
【００３９】
また、図８は、加工処理後の試料３の断面ＳＥＭ像を示しており、図９は、加工処理後の試料３を、６００℃の温度で１時間焼鈍したのちの断面ＳＥＭ像を示している。図８および図９から分かるように、試料３の表面部（図示の上部側部分）にも、ナノ結晶領域が確認できる。また、この場合も、図示におけるナノ結晶領域の下方には、従来の表面硬化方法によっても形成される加工硬化領域と同様の加工硬化領域が形成されており、その下方には、母材の組織が確認できる。また、前述した実施例１，２と同様、ナノ結晶化加工後の焼鈍前後での結晶粗大化を比較しても、ナノ結晶領域の加熱による粒成長が、加工硬化領域に比べて極めて微小であることを確認できる。
【００４０】
以上の結果から、実施例１ないし３によって得られた各試料１〜３の表面部は、ショットピーニングによって、高ひずみ速度で超強加工されることにより加工硬化することがわかる。そして、各試料１〜３の表面部は、加工硬化したのち、転位密度が所定の臨界値を越えるとその場再結晶が起こり、転位が殆ど消滅すると同時に、結晶粒がナノ結晶化することで、加工硬化状態のほぼ２倍という高い強度になる。この現象は、純粋に加工による効果であり、マルテンサイト変態とは異なるため、マルテンサイト変態が生じない純鉄や珪素鋼においても発現する。
【００４１】
また、従来の方法による加工硬化と異なることは、強度が２倍も高くなることである。この場合の加工硬化による強度の変化は、連続して変化していくものでなく、加工硬化が所定のレベルに達したときに、突然大きく変化する。したがって、本発明の効果を得るためには、所定の臨界値以上のひずみ速度とひずみ量を得るために、ショット材２０の大きさ、噴射速度およびショット時間を最適値に設定することが極めて重要になる。
【００４２】
また、従来の微粒子ショットピーニングによる表面加工熱処理方法により、マルテンサイト変態を利用して硬化組織を形成する場合には、金属製品３０の表面部をＡ_３変態点以上に加熱することが必要となるが、本発明では、金属製品３０の温度を上げるとその効果を得難くなり、冷却することによりより好ましい結果が得られる。
【００４３】
また、金属製品３０として、鉄鋼材料を用いた場合、その鉄鋼材料に含有される炭素の含有量は、ナノ結晶粒領域の硬度に影響を及ぼす。この場合、炭素の含有量の増加にしたがって、鉄鋼材料の硬度が上昇する。この硬度上昇への炭素の影響としては、結晶組織への炭素の固溶も一部にあるが、その殆どは、炭素の含有量が多くなるにしたがって、フェライト粒が微細になることに起因する。
【００４４】
また、本発明によって得られるナノ結晶粒組織は、加熱による再結晶挙動が、従来の表面硬化方法による加工硬化とは、全く異なる。すなわち、従来の表面硬化方法による加工硬化状態では、不連続再結晶が生じ、例えば、６００℃の温度で、１時間の焼鈍を行うと、数μｍ以上の大きさの結晶粒が形成されるが、本発明による表面硬化方法では、ゆっくりとした粒成長のみが生じ、結晶粒の大きさが１００ｎｍ以下のナノ結晶粒組織が維持される。結晶粒成長が遅いということは、熱的に安定しているということであり、焼き戻し軟化抵抗が大きいということである。したがって、本発明による表面硬化方法によって加工処理される金属製品３０が、高温条件下で使用される機械部品等であれば、特に、好ましい効果が得られる。
【００４５】
以上のように、本発明によれば、ショット材２０を高速で金属製品３０に噴射することにより、金属製品３０の表面部に、強加工によるナノ結晶化効果を容易に発現させることができる。また、表面から数μｍの深さを従来の加工硬化法やマルテンサイト変態では、到達し得ない高い硬度にするとともに、圧縮残留応力を発生させて、優れた疲労特性、靭性などを得ることができ、これによって金属製品３０の強度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態で使用するショットピーニング装置を示す概略図である。
【図２】ボールミル加工処理を施した珪素鋼からなる試料の断面の電子顕微鏡写真の複写図である。
【図３】ボールミル加工処理を施したのちに焼鈍した珪素鋼からなる試料の断面の電子顕微鏡写真の複写図である。
【図４】本発明による加工処理を施した純鉄からなる試料の断面の電子顕微鏡写真の複写図である。
【図５】本発明による加工処理を施したのちに焼鈍した純鉄からなる試料の断面の電子顕微鏡写真の複写図である。
【図６】本発明による加工処理を施した珪素鋼からなる試料の断面の電子顕微鏡写真の複写図である。
【図７】本発明による加工処理を施したのちに焼鈍した珪素鋼からなる試料の断面の電子顕微鏡写真の複写図である。
【図８】本発明による加工処理を施した高張力鋼板からなる試料の断面の電子顕微鏡写真の複写図である。
【図９】本発明による加工処理を施したのちに焼鈍した鋼張力鋼板からなる試料の断面の電子顕微鏡写真の複写図である。
【符号の説明】
１０…ショットピーニング装置、１４，１４ａ…圧縮空気供給管、１６…排気管、１８…噴射ノズル、１９…冷却室、２０…ショット材、３０…金属製品。

Claims

金属製品の表面に、前記金属製品の硬度と同等以上の硬度を有する直径が４０〜２００μｍのショット材を、１００ｍ／秒以上の速度で噴射し、前記金属製品の表面部の結晶粒径を１００ｎｍ以下にすることにより前記表面部を硬化させることを特徴とする金属製品の表面硬化方法。
前記金属製品を常温以下の温度に冷却しながら前記ショット材の噴射を行う請求項１に記載の金属製品の表面硬化方法。
前記金属製品を、マルテンサイト変態を生じない金属材料で構成した請求項１または２に記載の金属製品の表面硬化方法。
前記金属製品を、純鉄、低炭素鋼、非鉄金属またはそれらを含む合金で構成した請求項３に記載の金属製品の表面硬化方法。