JP2004181535A

JP2004181535A - Shot-peening method

Info

Publication number: JP2004181535A
Application number: JP2002347484A
Authority: JP
Inventors: Shinji Shibata; 新次柴田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-11-29
Filing date: 2002-11-29
Publication date: 2004-07-02
Anticipated expiration: 2022-11-29
Also published as: JP4131389B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a shot-peening method for obtaining a highly hard surface. <P>SOLUTION: This shot-peening method is a shot peening method of a metallic mold for improving hardness of a surface of the metallic mold by projecting a shot having hardness equal to or higher than the metallic mold on the surface of the metallic mold of a rotary body shape, and is characterized in that a structure of a shot object part of the metallic mold is composed of a superfine crystal grain not more than 500 nm by setting shot coverage to 900% or more. This shot-peening method is a method for expressing the relationship among n : the shot coverage (%/100), ρ : a shot grain specific gravity (g/cm<SP>3</SP>), D : the shot grain size (mm), V : a shot speed (m/s), and θ: an eccentric angle from the work center, by n × ρ × D × (Vcosθ)<SP>2</SP>≥ 3.0 × 10<SP>6</SP>. Here, the shot speed V is 50 to 250 m/sec, and the shot grain size is desirably 0.03 to 3.5 mm. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転体形状の金属成品の表面にショットを投射して、被ショット面の硬度を向上させるショットピーニングの方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、金属成品の表面処理方法としては、バネや成品形状に鋳造した鋳鋼品、鋳造成品、ステンレス鋼などの金属成品を、その全部あるいは一部に、焼き入れ焼き戻し処理した後に冷間加工を施すショットピーニング法が知られている。この方法は、高周波誘導加熱などにより成品に約８５０℃前後で焼き入れし、６００℃前後で焼き戻すという処理を行って、表面組織の変態を行わせた後、空冷し、常温あるいは温間で通常のピーニング加工を施して圧縮残留応力を生じさせて、疲労強度を増加させるものである。
【０００３】
上記のようなショットピーニングでは、金属成品の表面にショットを投射させたときの衝突による塑性変形によって金属成品の表面に圧縮残留応力が生じる。そして、この圧縮残留応力は塑性変形部であるくぼみの大きさに比例する。また、塑性変形部であるくぼみの大きさは、ショット径に比例するので、圧縮残留応力とショット径も比例関係にあるといえる。
【０００４】
つまり表層からより深い内部での内部圧縮応力や硬化の深さを得るためには、ショット粒径の大きなショットが有効であり、従来は、ショット径が１．２〜０．６ｍｍ程度のショットを用いていた。
【０００５】
上記のような表面処理方法においては、熱処理工程とショットピーニング工程とを別個に行わなければならず、温度制御を伴う工程管理が煩雑でコスト高となるという問題があった。しかし、この問題に対して、金属成品の表面に、成品と同等以上の硬度を有する４０〜２００μｍのショットを噴射速度１００ｍ／ｓｅｃ以上で噴射し、表面付近の温度をＡ３変態点以上に上昇させて、ブラスト処理により、圧縮残留応力の発生に伴う成品表面の硬化や疲労強度の増加と共に熱処理による表面の改質をも可能とした加工熱処理方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
また、高強度、高硬度な材質からなり、ショット径が異なる混合ショットを用いてブラスト処理を行い、金属成品の表面内部までのより深い圧縮応力の発生と表面粗さの向上を可能とし、特に、従来の多工程のショットピーニングやピーニング加工後の研磨加工などの処理工程を不要とした金属成品の表面処理方法が提案されている（特許文献２参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特許第１５９４３９５号
【特許文献２】
特開平１１−３４７９４４号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記の特許文献１では、噴射速度および噴射密度（以降、カバレージと称する）との関係から、高速な噴射速度を得るためにショット径が４０〜２００μｍである小さなショットを用いているので、圧縮残留応力や熱処理硬化の生じる成品表層からの深さには限界があった。
【０００９】
また、前記の特許文献２におけるショットピーニングでは、ショット粒径が０．６ｍｍ〜０．０３ｍｍと１ｍｍ以下のショットを用いることを提案している。このような粒径のショットを用いたショットピーニングでは、図１に示すようにカバレージが５００％付近を頂点として被処理物の表面近傍の圧縮残留応力は低下し始めることが知られている。このために、通常のショットピーニングはカバレージが５００％以下の範囲で実施されている場合が多い。
【００１０】
また、カバレージが５００％以下のショットピーニングによって得られる硬さの増加分は、炭素鋼ではＨＶで５０〜３００程度であり必ずしも満足のゆくものではない。
【００１１】
そこで、本発明の課題は、より高い表面硬度を付与することのできるショットピーニング方法を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明のショットピーニング方法は、回転体形状の金属成品の表面に、前記金属成品と同等以上の硬度を有するショットを投射し、前記金属成品の表面の硬度を向上させる金属成品のショットピーニング方法において、ショットカバレージを９００％以上として前記金属成品の被ショット部分の組織が５００ｎｍ以下の超微細結晶粒からなる組織とすることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明のショットピーニング方法は、ｎ：ショットカバレージ（％／１００）、ρ：ショット粒比重（ｇ／ｃｍ^３）、Ｄ：ショット粒径（ｍｍ）、Ｖ：ショット速度（ｍ／ｓｅｃ）、θ：ワーク中心からの偏心角度、の関係が、ｎ×ρ×Ｄ×（Ｖｃｏｓθ）^２ ≧３．０×１０^６、で表すことができる方法である。ここで、ショット粒径Ｄは０．０３〜３．５ｍｍであり、ショット速度Ｖは５０〜２５０ｍ／ｓｅｃであり、ワーク中心からの偏心角度θは、０〜４５゜であることが望ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明のショットピーニング方法は、回転体形状の金属成品の表面に、前記金属成品と同等以上の硬度を有するショットを投射し、前記金属成品の表面の硬度を向上させる金属成品のショットピーニング方法において、ショットカバレージを９００％以上として前記金属成品の被ショット部分の組織が５００ｎｍ以下の超微細結晶粒からなる組織とすることを特徴とする。
【００１５】
このショットによる衝突が連続して付加されることによって、金属成品の表面層の金属組織が微細化され、高強度で且つ高硬度な表面が生成される。特に、カバレージが９００％以上になると、金属成品の単位面積当たりに付与されるショットによるエネルギはきわめて大きくなる。そして、表面部分の塑性変形が頻繁に繰り返されることにより金属成品の表面層は５００ｎｍ以下の超微細結晶粒からなる組織となる。
【００１６】
本発明のショットピーニング方法は、ｎ：ショットカバレージ（％／１００）、ρ：ショット粒比重（ｇ／ｃｍ^３）、Ｄ：ショット粒径（ｍｍ）、Ｖ：ショット速度（ｍ／ｓｅｃ）、θ：ワーク中心からの偏心角度、の関係が、ｎ×ρ×Ｄ×（Ｖｃｏｓθ）^２ ≧３．０×１０^６、で表すことができる。
【００１７】
この関係式において、ｎはショットの投射密度（カバレージ）を表しており、金属成品の被ショット面を満遍なくｎ回ショットしたと考えることができる。一般に質量ｍの物体が速度ｖで運動するときの運動エネルギｅは、ｅ＝１／２ｍｖ^２で与えられるので、カバレージがｎの場合のショットによる総運動エネルギＥは、Ｅ＝ｎ（１／２）（４／３）πρ（Ｄ／２）^３Ｖ^２で与えられる。これをショット粒子が接触した面積、０．３６×（π／４）Ｄ^２で除すと、ショットによって付与された被ショット面の単位面積当たりのエネルギとなる。つまり、前記の関係式は、この単位面積当たりに付与されたエネルギ（以降、Ｋ値と呼ぶ）が３．０×１０^６以上であれば、金属成品の被処理表面は５００ｎｍ以下の超微細結晶からなる組織となることを示している。
【００１８】
以上は、静止している被処理物（ワーク）の表面に垂直にショットを投射する場合であって、回転体形状の金属成品の表面（主として側面）にショットを投射する場合には前式と同程度の運動エネルギの付与では被処理物の表面を所望の超微細結晶組織とすることはできない場合がある。つまり、被処理物（ワーク）表面にショットが付与する運動エネルギは、衝突した面に垂直の成分のみが表面の塑性変形やひずみの蓄積に有効であるからである。
【００１９】
回転体形状の金属成品としては、断面が円形の棒あるいはパイプなどを例示することができる。円形断面の被処理物（ワーク）の側面にショットピーニングを施す場合を図２によって説明する。図２は半径Ｒの円形断面のワークの側面に半径Ｌのショット発射口Ａよりショットを投射する場合の平面模式図である。ここで、ショットはショット発射口Ａより平行の束状となってワーク表面に投射される。
【００２０】
ショット投射口Ａの中心Ｑからワークの中心Ｏに向かって投射されたショットＳ_１は、速度Ｖでワーク表面Ｐ_１に垂直に衝突するので、Ｐ_１にはショットＳ_１の質量ｍと速度Ｖで与えられるエネルギｅ_１が付与されることになる。しかし、ショット発射口Ａは直径が２Ｌの円形断面、すなわち面積を持つので、例えば、発射口Ａの最縁部から投射されるショットＳ_２はワーク表面のＰ_２点（ワーク中心からの偏心角度：θ）に速度Ｖで衝突する。しかし、Ｐ_２点に作用する有効速度はＶｃｏｓθである。従って、Ｐ_２に付与される有効エネルギｅ_２は１／２ｍ（Ｖｃｏｓθ）^２となる。すなわち、Ｐ_１に付与されるエネルギｅ_１よりも（ｃｏｓθ）^２だけ小さいエネルギしか付与されないことになる。
【００２１】
以上は、ワークが静止している場合であるが、ワークが接線速度ｖで回転している場合についても同様である。いま、ショットＳ_３が速度Ｖでワーク表面Ｐ_３に衝突したとする。このとき、Ｐ_３に働く力は、ショットの速度Ｖとワークの接線速度ｖとの合力Ｖ_１となる。しかし、このＶ_１のＰ_３点での有効速度は、Ｐ_３とワーク中心Ｏとを結んだ線上の分力Ｖ_２であり、接線分力Ｖ_３はＰ_３点へのエネルギ付与という意味では無効である。すなわち、ショット速度Ｖの有効成分Ｖ_２はＶｃｏｓθとなる。
【００２２】
以上のように回転体形状のワークの側面にショットを投射する場合には、ワークの平面に垂直に速度Ｖでショットを投射する場合に比べて、（ｃｏｓθ）^２分だけＫ値が小さくなることが分かる。従って、この（ｃｏｓθ）^２分を例えば、投射速度を上げる、ショット粒径を大きくする、あるいはショットカバレージを増大させる、などという方法で補正する必要が生じるわけである。
【００２３】
次に、Ｋ値を３．０×１０^６以上とした根拠について説明する。ショット後の金属成品の表面硬さとＫ値との関係を図３に示す。図３はショット粒径、ショット速度、カバレージといったショットピーニング条件を変化して炭素鋼の表面を処理し、得られた表面の硬度を測定して、Ｋ値との関係をプロットしたものである。多少のばらつきはあるものの、ショット後の表面硬度とＫ値とはほぼ比例関係にあり、Ｋ値が増加するとショット後の表面硬度も増加することが分かる。ここで、ショット後の表面硬度をＨｖ６００以上とするには、Ｋ値は３．０×１０^６以上であれば良い。なお、カバレージ５００％（すなわち、前述の圧縮残留応力が最高となるカバレージ）の場合には、ショット後の炭素鋼の表面硬度はＨｖ６００程度であることから、本発明のショットピーニング方法ではショット後の表面硬度をＨｖ６００以上とすることを目標とした。
【００２４】
また、図４にはショット速度によるショット粒径とカバレージとの関係を示した。すなわち、横軸にショット粒径（ｍｍ）をとり、縦軸をカバレージ（％）として、ショット速度を、各々５０ｍ／ｓ（◆）、１００ｍ／ｓ（■）、１５０ｍ／ｓ（▲）２００ｍ／ｓ（●）一定として計算で求めたものである。得られた各曲線の上方の範囲が本発明の範囲である。なお、ショットは鉄製のショットとし、比重は、７．８７ｇ／ｃｍ^３として計算した。図４からショット速度が一定ならば、ショット粒径の減少に伴いカバレージは急激に増大することが分かる。ショット粒を細かくすればショットの投射速度を速くすることができるので、低カバレージで目的が達成できるわけである。例えば、粒径１ｍｍのショットを１００ｍ／ｓの速度で投射して効果を得るには、５０００％以上のカバレージが必要である。しかし、ショット粒径を０．６ｍｍとして１５０ｍ／ｓの速度で投射すれば、カバレージは３０００％以上で同様の効果を得ることができる。
【００２５】
本発明のショットピーニング方法によって得られたＳＣｒ３０の焼鈍材の極表層の断面を図５に示す。図５のショットピーニング条件は、ショット粒径：１．４ｍｍ、ショット粒の硬さ：ＨＶ７００、投射圧：０．３ＭＰａ、ショット速度：５０ｍ／ｓｅｃ、カバレージ：１５０００％で、Ｋ値は４．１×１０^６であった。図５は、ピーニング表面から約２００μｍの範囲を示しているが、Ｓが最表面であり、ショットピーニングによって大きく波打っていることが分かる。黒く渦巻き状に見える部分（Ａ）は直接ショットを受けて硬化した部分であり、その直下の白と黒との層状に見える部分（Ｂ）はショットの投射圧力で加工硬化した部分である。図５では示されていないが、（Ｂ）のさらに下の部分はショットピーニング処理の影響を受けていない未加工部分となっている。
【００２６】
（Ａ）のショット部位の組織は５００ｎｍ以下の超微細結晶粒からなっており、硬度測定したところ（ＨＶ２５ｇとした）ＨＶ６８１であった。また、（Ｂ）の加工硬化部位は７００〜２０００ｎｍの微細結晶粒からなる組織であり、ＨＶ３４７であった。未加工部位は５〜１０μｍの結晶粒径であり、硬度はＨＶ１８２であった。なお、（Ａ）のショット部位の超微細結晶粒径は走査型電子顕微鏡によって測定した。
【００２７】
ここで、ショットの投射速度は、５０〜２５０ｍ／ｓｅｃであることが望ましい。投射速度が５０ｍ／ｓｅｃ未満ではエネルギ不足であり、２５０ｍ／ｓｅｃを越えると設備的な制約があり困難な場合がある。より好ましくは１００〜２００ｍ／ｓｅｃである。
【００２８】
ワーク中止からの偏心角度θは、０〜４５゜が好ましい。 θが４５゜を越えるとエネルギ不足となるので適当ではない。
【００２９】
また、ショット粒径は０．０３〜３．５ｍｍであることが望ましい。ショット粒径が０．０３ｍｍ未満では、上記の式を満足するショット速度を得ることが困難な場合があり、一方、３．５ｍｍを越えるとショット速度不足となって十分なエネルギを付与することができない。より好ましくは、０．１〜３ｍｍである。
【００３０】
さらに、カバレージは偏心角度θが０゜の場合には９００〜２００００％であることが好ましい。カバレージが９００％未満では、必要なＫ値が得られない。一方、２００００％を越えても被ショット面の硬度が飽和してしまって効果が得られない上に生産性を阻害するので適当ではない。より好ましくは、１５００〜１００００％である。なお、カバレージは偏心角度θによって変化し、例えば、θが４５゜の場合にはｃｏｓ^２θが１／２となるので、０゜の場合の２倍となる。すなわち、偏心角度θが４５゜の場合のより好ましいカバレージは、３０００〜２００００％である。
【００３１】
ショットの材質については特に制限はないが、被処理物である金属成品と同等またはそれ以上の硬さを有するものが望ましく、具体的には、ＨＶ６００以上であることが好ましい。例えば、鋳鉄、鋳鋼、高速度工具鋼、合金工具鋼、非鉄合金鋼などからなるショットを例示することができる。
【００３２】
なお、Ｋ値は前記のように３．０×１０^６以上であることが好ましいが、前記の投射速度の上限と、カバレージの上限とを考慮すると、Ｋ値の上限は７×１０^７であることが適当である。
【００３３】
【実施例】
（試験条件）
被処理物として炭素鋼（外径３０ｍｍ×長さ３０ｍｍ）の側面に、硬さＨｖ７００の鋼球（比重：７．８７ｇ／ｃｍ^３）からなるショットを直径１０ｍｍのショット発射口から投射した。投射圧は０．３ＭＰａ一定とし、その他のショット粒径（Ｄ）、ショットカバレージ（％）、投射速度（ｍ／ｓｅｃ）の条件を変化させて、実施例１ａ〜実施例４ａと比較例１および比較例２の６水準のショットピーニングを施した。それぞれの条件と、算出されたＫ値とを表１に示した。
（評価方法）
ショット後の金属成品表面のビッカース硬度をｍＨＶ２５ｇで測定した。また、各供試材の表面近傍からサンプルを切り出して断面を研磨、腐食して、走査型電子顕微鏡でショット部位の結晶粒径を測定した。結果を表１に併記した。
（偏心角度による調整）
本試験においては、ワーク中心からの偏心角度：θは、ワーク半径（図２のＲ）が１５ｍｍでワークオフセット量（図２のＬ）が５ｍｍであるからｓｉｎθ＝５／１５を満足する角度であり、約１９゜である。
【００３４】
表１の各実施例のａ欄はこの偏心角度が０゜の場合のデータであるので、何らかの方法で偏心角度による有効ショット速度の低下分を補わなければならない。具体的にこの場合には、粒径、投射速度、あるいはカバレージのいずれかを少なくとも１２．５％（１／ｃｏｓ^２θ）以上増加させることが必要となるわけである。
【００３５】
各実施例のｂはカバレージを高めた場合のデータであり、ｃは粒径を変化させた場合のデータ、ｄは投射速度を速くしてＫ値を補正した場合のデータである。
【００３６】
【表１】

【００３７】
実施例１ａ〜実施例４ａは、すべてＫ値が３．０×１０^６以上であり、ショット後の表面硬さは、ＨＶ７５０〜８７９であった。そしてショット部位の結晶粒径は８５〜１２０ｎｍと超微細な結晶組織となっていた。
【００３８】
一方、比較例１は、ショット粒径が１．１ｍｍで、投射速度が１１０ｍ／ｓｅｃと実施例１ａと同一の条件であったが、カバレージが１０００％と実施例１ａの１／３であった。そのためＫ値は０．９×１０^６と小さくなり、ショット後の表面硬さはＨＶ４４５と低い値しか得られなかった。そして、結晶粒径は５０００ｎｍ（５μｍ）と大きなものであった。また、比較例２はショット粒径と投射速度は実施例４ａと同じであったが、これもカバレージが１０００％と非常に小さいために、Ｋ値は０．３×１０^６ときわめて小さな値であった。この結果、ショット後の表面硬さはＨＶ４００で、また、結晶粒径は８０００ｎｍ（８μｍ）と実施例に比べて約４０倍も大きな値であった。
【００３９】
実施例１ｂは実施例１ａのカバレージを約１３％増大させて３４００％とした場合である。Ｋ値は、３．２×１０^６となり、表面硬さはＨＶ８２５で、結晶粒径は２００ｎｍと、ａとほとんど変わらない効果が得られた。実施例１ｃは、カバレージと投射速度はａと同じとして、ショット粒径のみを１．１ｍｍから１．４ｍｍと大きくしてショットピーニングしたデータである。Ｋ値は、３．６×１０^６となり、表面硬さはＨＶ８４０で、結晶粒径は１８０ｎｍと、ａとほとんど変わらない効果が得られた。また、実施例１ｄは、ショット粒径とカバレージとはａと同じとして、投射速度のみを１１０ｍ／ｓから１３０ｍ／ｓと大きくしてショットピーニングしたデータである。Ｋ値は、３．９×１０^６となり、表面硬さはＨＶ８２５で、結晶粒径は１７０ｎｍと、ａとほとんど変わらない効果が得られた。
【００４０】
実施例２、３および４についても実施例１と同様に、ショット投射の偏心角度を考慮して、カバレージ、粒径、および投射速度を変化させたデータを採取した。その結果、いずれかのパラメータを変化させることで、ａと同様の効果の得られることが分かった。
【００４１】
また、ショットピーニング処理を施すことによって得られる硬さの増分は、ショット後の表面硬さからショットピーニング処理前の表面硬さを減じた値である。本実施例では、この値が４８０〜７００ときわめて大きな値が得られた。これは通常の焼き入れ焼き鈍し処理によって得られる硬さの増加分（ＨＶで３００程度）に比べて約１．５倍以上であり、きわめて大きな表面改質効果の得られることが分かる。
【００４２】
【発明の効果】
本発明は通常行われるショットピーニング処理よりも数倍大きなショットカバレージとしているので、金属成品の被ショット面に付与されるショットの運動エネルギは極めて大きい。その結果被ショット面は５００ｎｍ以下と超微細な結晶組織となるため、金属成品の表面硬度をＨＶ６００以上と、大きく向上することができる。従って、バルブやシャフトなどの耐摩耗性や曲げ疲労といった特性を大きく改善する好適な方法である。
【図面の簡単な説明】
【図１】炭素鋼のショットピーニング処理によるカバレージ（％）と圧縮残留応力との関係を示す概念図である。
【図２】ショットの投射速度と有効速度との関係を示す説明図である。
【図３】炭素鋼のショット後の表面硬さとＫ値との関係を示す図である。
【図４】比重７．８７ｇ／ｃｍ^３の鉄ショットを用いた場合の投射速度によるショット粒径とカバレージとの関係を示す図である。
【図５】クロム炭素鋼のショット後の表面近傍の結晶組織を示す写真である。
【符号の説明】
Ａ：ショット部位Ｂ：加工硬化部位[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a shot peening method for projecting a shot on the surface of a metal product having a rotating body shape to improve the hardness of a shot surface.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as a surface treatment method for metal products, a cast steel product, a cast product, a metal product such as stainless steel cast in the shape of a spring or a product is subjected to a quenching and tempering treatment on all or a part of the metal product, and then cold working. The applied shot peening method is known. In this method, the product is quenched at about 850 ° C. by high-frequency induction heating or the like, tempered at about 600 ° C., and the surface structure is transformed. A normal peening process is performed to generate compressive residual stress, thereby increasing fatigue strength.
[0003]
In shot peening as described above, compressive residual stress is generated on the surface of a metal product due to plastic deformation caused by collision when a shot is projected on the surface of the metal product. Then, the compressive residual stress is proportional to the size of the depression that is the plastic deformation portion. In addition, since the size of the depression, which is the plastic deformation portion, is proportional to the shot diameter, it can be said that the compressive residual stress and the shot diameter are also in a proportional relationship.
[0004]
In other words, in order to obtain the internal compressive stress and the depth of hardening deeper from the surface layer, a shot having a large shot particle size is effective. Conventionally, a shot having a shot diameter of about 1.2 to 0.6 mm is used. Was used.
[0005]
In the surface treatment method as described above, the heat treatment step and the shot peening step have to be performed separately, and there has been a problem that the step management involving temperature control is complicated and the cost is high. However, in response to this problem, a shot of 40 to 200 μm having a hardness equal to or higher than that of the metal product is jetted at a jet speed of 100 m / sec or more on the surface of the metal product, and the temperature near the surface is raised to the A3 transformation point or higher. In addition, there is known a thermomechanical heat treatment method in which the blast treatment enables the surface of the product to be hardened due to the generation of compressive residual stress, increases the fatigue strength, and also modifies the surface by heat treatment (for example, see Patent Document 1). .
[0006]
In addition, high-strength, high-hardness material, blasting is performed using mixed shots with different shot diameters, enabling the generation of deeper compressive stress up to the inside of the surface of the metal product and improving the surface roughness, especially There has been proposed a surface treatment method for metal products that does not require a conventional processing step such as shot peening or polishing after peening (see Patent Document 2).
[0007]
[Patent Document 1]
Patent No. 1594395 [Patent Document 2]
JP-A-11-347944
[Problems to be solved by the invention]
However, in Patent Document 1 described above, a small shot having a shot diameter of 40 to 200 μm is used in order to obtain a high injection speed from the relationship between the injection speed and the injection density (hereinafter, referred to as coverage). There is a limit to the compressive residual stress and the depth from the surface of the product at which heat treatment hardening occurs.
[0009]
Also, in the shot peening described in Patent Document 2, it is proposed to use a shot having a shot particle diameter of 0.6 mm to 0.03 mm and 1 mm or less. In shot peening using shots having such a particle size, it is known that the compressive residual stress near the surface of the object to be treated starts to decrease with the coverage at the peak near 500% as shown in FIG. For this reason, normal shot peening is often performed in a range of coverage of 500% or less.
[0010]
In addition, the increase in hardness obtained by shot peening with a coverage of 500% or less is about 50 to 300 in HV for carbon steel, which is not always satisfactory.
[0011]
Therefore, an object of the present invention is to provide a shot peening method that can provide higher surface hardness.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The shot peening method of the present invention is directed to a method of shot peening a metal product in which a shot having a hardness equal to or higher than that of the metal product is projected onto the surface of the metal product having a rotating body shape to improve the hardness of the surface of the metal product. The shot coverage is 900% or more, and the structure of the shot portion of the metal product is a structure composed of ultrafine crystal grains of 500 nm or less.
[0013]
In the shot peening method of the present invention, n: shot coverage (% / 100), ρ: shot grain specific gravity (g / cm ³ ), D: shot particle diameter (mm), V: shot speed (m / sec) , Θ: the eccentric angle from the center of the work can be expressed as n × ρ × D × (Vcos θ) ² ≧ 3.0 × 10 ⁶ . Here, it is desirable that the shot particle diameter D is 0.03 to 3.5 mm, the shot speed V is 50 to 250 m / sec, and the eccentric angle θ from the work center is 0 to 45 °.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The shot peening method of the present invention is directed to a method of shot peening a metal product in which a shot having a hardness equal to or higher than that of the metal product is projected onto the surface of the metal product having a rotating body shape to improve the hardness of the surface of the metal product. The shot coverage is 900% or more, and the structure of the shot portion of the metal product is a structure composed of ultrafine crystal grains of 500 nm or less.
[0015]
By continuously applying the collision by the shots, the metal structure of the surface layer of the metal product is refined, and a high-strength and high-hardness surface is generated. In particular, when the coverage becomes 900% or more, the energy given by the shot given per unit area of the metal product becomes extremely large. Then, due to frequent repetition of plastic deformation of the surface portion, the surface layer of the metal product has a structure composed of ultrafine crystal grains of 500 nm or less.
[0016]
In the shot peening method of the present invention, n: shot coverage (% / 100), ρ: shot grain specific gravity (g / cm ³ ), D: shot particle diameter (mm), V: shot speed (m / sec), θ : Eccentric angle from the center of the work can be expressed by n × ρ × D × (Vcos θ) ² ≧ 3.0 × 10 ⁶ .
[0017]
In this relational expression, n represents the shot projection density (coverage), and it can be considered that the shot surface of the metal product has been shot n times uniformly. In general, a kinetic energy e when an object having a mass m moves at a velocity v is given by e = １／ mv ² , so that a total kinetic energy E by a shot when the coverage is n is E = n (１／) ) (4/3) πρ (D / 2) ³ V ² . Dividing this by the area of the shot particles in contact, 0.36 × (π / 4) D ² , gives the energy per unit area of the shot surface imparted by the shot. In other words, the above relational expression indicates that if the energy applied per unit area (hereinafter referred to as the K value) is 3.0 × 10 ⁶ or more, the surface of the metal product to be treated is an ultrafine crystal of 500 nm or less. This indicates that the organization will consist of
[0018]
The above is the case where a shot is projected perpendicularly to the surface of a stationary workpiece (work), and the case where the shot is projected onto the surface (mainly the side surface) of a rotating metal-shaped metal component is expressed by the following formula. When the same level of kinetic energy is applied, the surface of the object to be processed may not have a desired ultrafine crystal structure. That is, only the component perpendicular to the colliding surface of the kinetic energy imparted by the shot to the surface of the workpiece (work) is effective for accumulating plastic deformation and strain on the surface.
[0019]
Examples of the metal product having a rotating body shape include a rod or a pipe having a circular cross section. The case where shot peening is performed on the side surface of the workpiece (work) having a circular cross section will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a schematic plan view of a case where a shot is projected from a shot ejection opening A having a radius L onto a side surface of a work having a circular cross section having a radius R. Here, the shots are projected from the shot emission port A in a parallel bundle to the work surface.
[0020]
Shot projection opening shot S ₁ projected toward the center O of the workpiece from the center Q of A, since impinges perpendicularly on the workpiece surface P ₁ at a velocity V, the mass m and the velocity V of the shot S ₁ to P ₁ energy e ₁ given is to be granted. However, the shot ejection port A in diameter of 2L round cross-section, that is, having an area, for example, shot S ₂ projected from the top edge of the ejection port A is eccentric from P ₂ points (the work center of the work surface angles : Θ) at a velocity V. However, the effective speed acting on the _two points _P is Vcosshita. Thus, the effective energy _{e 2} applied to _{P 2} becomes 1 / 2m ^{(Vcosθ) 2.} That is, only energy smaller by (cos θ) ² than energy e _{1 applied} to P ₁ is applied.
[0021]
The above is the case where the work is stationary, but the same applies to the case where the work is rotating at the tangential speed v. Now, the shot S ₃ has collided with the surface of the workpiece P ₃ at a speed V. In this case, the force acting on the P ₃ is a resultant force V ₁ of the tangential velocity v of the velocity V and the work of the shot. However, the effective speed at P ₃ points of the V ₁ was a P ₃ and the work center O and a component force V ₂ on the line connecting the, the tangential force V ₃ in the sense that energy imparted to P ₃ points Invalid. That is, the active ingredient _{V 2} shots velocity V becomes Vcosshita.
[0022]
As described above, when projecting a shot on the side surface of a rotator-shaped workpiece, the K value is reduced by (cos θ) ² minutes as compared with the case of projecting a shot at a speed V perpendicular to the plane of the workpiece. I understand. Therefore, it is necessary to correct the (cos θ) ² minutes by, for example, increasing the projection speed, increasing the shot particle diameter, or increasing the shot coverage.
[0023]
Next, the grounds for setting the K value to 3.0 × 10 ⁶ or more will be described. FIG. 3 shows the relationship between the surface hardness of the metal product after the shot and the K value. FIG. 3 is a graph in which the surface of the carbon steel is treated by changing the shot peening conditions such as the shot grain size, the shot speed, and the coverage, and the hardness of the obtained surface is measured, and the relationship with the K value is plotted. Although there is some variation, the surface hardness after the shot is approximately proportional to the K value, and it can be seen that the surface hardness after the shot increases as the K value increases. Here, in order to make the surface hardness after the shot Hv600 or more, the K value only needs to be 3.0 × 10 ⁶ or more. When the coverage is 500% (that is, the coverage at which the above-described compressive residual stress is the highest), the surface hardness of the carbon steel after the shot is about Hv600. The target was to make the surface hardness Hv600 or more.
[0024]
FIG. 4 shows the relationship between the shot diameter and the coverage depending on the shot speed. That is, taking the shot particle diameter (mm) on the horizontal axis and the coverage (%) on the vertical axis, the shot speed is 50 m / s (◆), 100 m / s (■), 150 m / s (▲) 200 m / s (●) is obtained by calculation as constant. The range above each of the obtained curves is the range of the present invention. The shot was an iron shot, and the specific gravity was calculated as 7.87 g / cm ³ . It can be seen from FIG. 4 that if the shot speed is constant, the coverage sharply increases as the shot particle size decreases. If the shot particles are made finer, the shot projection speed can be increased, so that the object can be achieved with low coverage. For example, to obtain an effect by projecting a shot having a particle diameter of 1 mm at a speed of 100 m / s, a coverage of 5000% or more is required. However, if the shot diameter is 0.6 mm and the projection is performed at a speed of 150 m / s, the same effect can be obtained with a coverage of 3000% or more.
[0025]
FIG. 5 shows a cross section of the very surface layer of the annealed SCr30 material obtained by the shot peening method of the present invention. The shot peening conditions in FIG. 5 are as follows: shot grain size: 1.4 mm, shot grain hardness: HV700, projection pressure: 0.3 MPa, shot speed: 50 m / sec, coverage: 15000%, and the K value is 4.1. × was 10 ^6. FIG. 5 shows a range of about 200 μm from the peened surface. It can be seen that S is the outermost surface and is greatly wavy due to shot peening. The black spiral part (A) is a part which is hardened by directly receiving the shot, and the part (B) immediately below it which looks like a layer of white and black is a part which is work hardened by the shot projection pressure. Although not shown in FIG. 5, the portion further below (B) is an unprocessed portion that is not affected by the shot peening process.
[0026]
The structure at the shot site in (A) was composed of ultrafine crystal grains of 500 nm or less, and the hardness was measured to be HV681 (with an HV of 25 g). Further, the work hardened part in (B) was a structure composed of fine crystal grains of 700 to 2000 nm, and was HV347. The unprocessed part had a crystal grain size of 5 to 10 μm and a hardness of HV182. Note that the ultrafine crystal grain size at the shot site in (A) was measured by a scanning electron microscope.
[0027]
Here, the shot projection speed is desirably 50 to 250 m / sec. When the projection speed is less than 50 m / sec, the energy is insufficient, and when the projection speed exceeds 250 m / sec, there is a case where it is difficult due to facility restrictions. More preferably, it is 100 to 200 m / sec.
[0028]
The eccentric angle θ from the stop of the work is preferably 0 to 45 °. If θ exceeds 45 °, the energy will be insufficient, which is not appropriate.
[0029]
Also, the shot particle size is desirably 0.03 to 3.5 mm. If the shot particle size is less than 0.03 mm, it may be difficult to obtain a shot speed that satisfies the above equation, while if it exceeds 3.5 mm, the shot speed becomes insufficient and sufficient energy may be applied. Can not. More preferably, it is 0.1 to 3 mm.
[0030]
Further, the coverage is preferably 900% to 20,000% when the eccentric angle θ is 0 °. If the coverage is less than 900%, the required K value cannot be obtained. On the other hand, if it exceeds 20,000%, the hardness of the shot surface is saturated, so that no effect can be obtained and productivity is impaired, which is not appropriate. More preferably, it is 1500 to 10000%. Note that the coverage varies depending on the eccentric angle θ. For example, when θ is 45 °, cos ² θ is １／, which is twice that of 0 °. That is, more preferable coverage when the eccentric angle θ is 45 ° is 3000 to 20000%.
[0031]
The material of the shot is not particularly limited, but preferably has a hardness equal to or higher than that of a metal product to be processed, and specifically, HV600 or more. For example, shots made of cast iron, cast steel, high speed tool steel, alloy tool steel, non-ferrous alloy steel, and the like can be exemplified.
[0032]
Although the K value is preferably 3.0 × 10 ⁶ or more as described above, the upper limit of the K value is 7 × 10 ⁷ in consideration of the upper limit of the projection speed and the upper limit of the coverage. Is appropriate.
[0033]
【Example】
(Test condition)
A shot made of a steel ball having a hardness of Hv700 (specific gravity: 7.87 g / cm ³ ) was projected from a shot outlet having a diameter of 10 mm onto the side surface of a carbon steel (outside diameter 30 mm × length 30 mm) as a workpiece. The projection pressure was kept constant at 0.3 MPa, and the conditions of the other shot particle diameter (D), shot coverage (%), and projection speed (m / sec) were changed to obtain Examples 1a to 4a and Comparative Examples 1 and Six levels of shot peening of Comparative Example 2 were performed. Table 1 shows the respective conditions and the calculated K value.
(Evaluation method)
The Vickers hardness of the surface of the metal product after the shot was measured with 25 g of mHV. Further, a sample was cut out from the vicinity of the surface of each test material, the cross section was polished and corroded, and the grain size of the shot portion was measured with a scanning electron microscope. The results are shown in Table 1.
(Adjustment by eccentric angle)
In this test, the eccentric angle from the center of the work: θ is an angle satisfying sin θ = 5/15 because the work radius (R in FIG. 2) is 15 mm and the work offset amount (L in FIG. 2) is 5 mm. Yes, about 19 °.
[0034]
The column a in each embodiment of Table 1 is data in the case where the eccentric angle is 0 °, and therefore, the decrease in the effective shot speed due to the eccentric angle must be compensated by some method. Specifically, in this case, it is necessary to increase at least 12.5% (1 / cos ² θ) of the particle diameter, the projection speed, or the coverage.
[0035]
In each embodiment, b is data when the coverage is increased, c is data when the particle diameter is changed, and d is data when the K value is corrected by increasing the projection speed.
[0036]
[Table 1]

[0037]
In all of Examples 1a to 4a, the K value was 3.0 × 10 ⁶ or more, and the surface hardness after the shot was HV750 to 879. The crystal grain size at the shot portion was 85 to 120 nm, which was an ultrafine crystal structure.
[0038]
On the other hand, in Comparative Example 1, the shot particle diameter was 1.1 mm, and the projection speed was 110 m / sec, which was the same condition as in Example 1a, but the coverage was 1000%, which was 1/3 of that in Example 1a. . Therefore, the K value was as small as 0.9 × 10 ^6, and the surface hardness after the shot was as low as HV445. The crystal grain size was as large as 5000 nm (5 μm). In Comparative Example 2, the shot particle size and the projection speed were the same as those in Example 4a. However, since the coverage was also very small at 1000%, the K value was very small at 0.3 × 10 ^6. there were. As a result, the surface hardness after the shot was HV400, and the crystal grain size was 8000 nm (8 μm), which was about 40 times larger than that of the example.
[0039]
Example 1b is a case where the coverage of example 1a is increased by about 13% to 3400%. The K value was 3.2 × 10 ⁶ , the surface hardness was HV825, and the crystal grain size was 200 nm, which was almost the same as a. Example 1c is data obtained by performing shot peening while increasing the shot particle size from 1.1 mm to 1.4 mm, assuming that the coverage and the projection speed are the same as those of a. The K value was 3.6 × 10 ⁶ , the surface hardness was HV840, and the crystal grain size was 180 nm, an effect almost the same as a. In Example 1d, shot peening was performed by increasing the projection speed only from 110 m / s to 130 m / s, assuming that the shot particle size and the coverage were the same as a. The K value was 3.9 × 10 ⁶ , the surface hardness was HV825, and the crystal grain size was 170 nm, which was almost the same as a.
[0040]
In Examples 2, 3, and 4, data in which the coverage, the particle diameter, and the projection velocity were changed were taken in consideration of the eccentric angle of shot projection as in Example 1. As a result, it was found that by changing any of the parameters, the same effect as in a was obtained.
[0041]
The increase in hardness obtained by performing the shot peening process is a value obtained by subtracting the surface hardness before the shot peening process from the surface hardness after the shot. In this embodiment, this value was as large as 480 to 700. This is about 1.5 times or more the increase in hardness (about 300 in HV) obtained by ordinary quenching and annealing, and it can be seen that an extremely large surface modification effect can be obtained.
[0042]
【The invention's effect】
In the present invention, the shot coverage is several times larger than the shot peening process that is usually performed, so that the kinetic energy of the shot applied to the shot surface of the metal product is extremely large. As a result, the surface to be shot has an ultrafine crystal structure of 500 nm or less, so that the surface hardness of the metal product can be greatly improved to HV600 or more. Therefore, it is a suitable method for greatly improving characteristics such as wear resistance and bending fatigue of valves and shafts.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual diagram showing the relationship between coverage (%) and compressive residual stress by shot peening of carbon steel.
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a relationship between a shot projection speed and an effective speed.
FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the surface hardness after shot of carbon steel and the K value.
FIG. 4 is a diagram showing a relationship between a shot particle size and a coverage by a projection speed when an iron shot having a specific gravity of 7.87 g / cm ³ is used.
FIG. 5 is a photograph showing a crystal structure near the surface of a chromium carbon steel after a shot.
[Explanation of symbols]
A: Shot area B: Work hardened area

Claims

A shot having a hardness equal to or higher than that of the metal product is projected on the surface of the metal product in the form of a rotating body, and in the shot peening method of the metal product for improving the hardness of the surface of the metal product, the shot coverage is set to 900% or more. A shot peening method, wherein the structure of the shot portion of the metal product is a structure composed of ultrafine crystal grains of 500 nm or less.

In the shot peening, n: shot coverage (% / 100), ρ: shot grain specific gravity (g / cm ³ ), D: shot particle diameter (mm), V: shot speed (m / sec), θ: work center The relationship between the eccentric angle from
n × ρ × D × (Vcos θ) ² ≧ 3.0 × 10 ⁶
The shot peening method according to claim 1, wherein

The shot peening method according to claim 2, wherein the shot speed (V) is 50 to 250 m / sec.

The shot peening method according to claim 2, wherein the shot particle diameter (D) is 0.03 to 3.5 mm.

The shot peening method according to claim 2, wherein an eccentric angle (θ) from the center of the work is 0 to 45 °.