JP2006346761A

JP2006346761A - ショットピーニング処理方法およびショットピーニング処理の検出法

Info

Publication number: JP2006346761A
Application number: JP2005172508A
Authority: JP
Inventors: Yuji Kobayashi; 祐次小林
Original assignee: Sintokogio Ltd
Current assignee: Sintokogio Ltd
Priority date: 2005-06-13
Filing date: 2005-06-13
Publication date: 2006-12-28
Anticipated expiration: 2025-06-13
Also published as: WO2006134878A1; US20080202183A1; JP4662205B2; US7677070B2

Abstract

【課題】表面異常層の全部を削食することなく一部残しつつピーニング効果を発揮することができるショットピーニング処理方法を提供する。
【解決手段】浸炭焼入れまたは浸炭窒化焼入れされた金属表面に生成される粒界酸化層に対して、粒径が０．２ｍｍをこえて１．０ｍｍ以下で、かつ被投射物と同等以上の硬度を有する投射材を、カバレージが１００〜５００％になるように投射速度が３０〜１００ｍ/sまたは圧力が０．１〜０．５ＭＰａで投射して、前記粒界酸化層を削食したのち、少なくとも５μｍ残す。
【選択図】なし

Description

本発明はショットピーニング処理方法およびショットピーニング処理の検出法に関する。さらに詳しくは、浸炭焼入れまたは浸炭窒化焼入れされた金属表面に生成される粒界酸化層（粒界酸化に伴う不完全焼入れ層、以下、単に表面異常層という）を一部残しつつ、ピーニング効果を発揮させることができるショットピーニング処理方法および該粒界酸化層の残存を非破壊で検出することができるショットピーニング処理の検出法に関する。

従来より、自動車に使用される部品のうち、ガス浸炭されたトランスミッション歯車の疲労強度を向上させるために、ショットピーニング処理が行われている。このショットピーニング処理では、とくに歯車に要求される面圧疲労強度の向上を目的として、可能な限り表面近傍に圧縮残留応力を発揮するとともに、表面粗さを小さくするために、粒径が０．２ｍｍ以下の投射材（ショット）を使用する方法が実施されている。しかし、ショット粒径が小さいと、単位重量あたりの粒数が多いため、所定のカバレージに到達する時間が短いが、投射設備の安定性の問題（たとえば、投射材の噴射量を制御するのが困難）から、ある程度の処理時間が必要となる。この結果として、通常のショットピーニングよりも、５００〜１０００％という多いカバレージとなる場合が多い。

また、粒径の小さいショットの場合、ヘルツの応力理論で表現される最大せん断応力の発生位置は浅い位置にあるため、より浅い位置に形成される影響が強い。

また、ＲＸガスを用いた浸炭品の表面には、厚さが数十μｍの表面異常層が生成される。また、Ｍｎ、Ｃｒなど本来焼入性を高める目的で添加された元素は、酸素と親和力が強く、浸炭・拡散中に結晶粒界で酸化物となる。その結果、これらの元素の濃度が低くなった部分は硬度が低くなるため、粒径が小さいほど削食されやすい。

ところで、特許文献１では、切欠き効果に基づいて疲労クラックが生じないショットピーニング後の表面粗さおよび耐摩耗性の観点から必要なショットピーニング後の表面粗さが約１μｍ以下であることから、その表面粗さを約１μｍ以下にするには、ショットピーニング前の表面異常層の深さを約１５μｍ以下にする必要があると記載されている。また、この特許文献１では、ショットピーニング後に鋼表面に形成される圧縮残留応力を高くするために、浸炭焼入れもしくは浸炭窒化焼入れ処理により、表面異常層の深さを約１５μｍ以下とされた鋼部品に対して、ショット径が０．１〜１．０ｍｍであり、ショット粒子投射速度が６０〜１２０ｍ／ｓである条件でショットピーニング処理を施すことが記載されている。したがって、従来では、表面異常層を積極的に削食している。

特開平９−１７６７９２号公報

しかしながら、同種金属同士が接触し、摺動している状況を考慮すると、たとえ潤滑油が存在したとしても、微視的には固体同士が直接接触する固体潤滑状態にある。一般に同種金属同士が固体潤滑状態にある場合、凝着力が増え摩擦係数が高くなり、結果として磨耗量が多くなる。したがって、凝着力を減少させるためには、固体同士の接触界面に何らかの薄い膜が存在するのが望ましいことになる。

また、従来、表面処理層の測定、とくに有無の方法としては、断面を顕微鏡で直接観察する方法があるが、この方法では、製品を切断し、研磨する必要があるため、検査するのに時間がかかるという問題がある。

そこで、本発明は、凝着力の高い表面接触状態の問題を解決するためになされたものであり、表面異常層の全部を削食することなく一部残しつつピーニング効果を発揮することができるショットピーニング処理方法およびショットピーニング処理後の表面異常層の有無を非破壊で検出するショットピーニング処理の検出法を提供することを目的とする。

本発明のショットピーニング処理方法は、浸炭焼入れまたは浸炭窒化焼入れされた金属表面に生成される粒界酸化層に対して、粒径が０．２ｍｍをこえて１．０ｍｍ以下で、かつ被投射物と同等以上の硬度を有する投射材を、カバレージが１００〜５００％になるように投射速度が３０〜１００ｍ/sまたは圧力が０．１〜０．５ＭＰａで投射して、前記粒界酸化層を削食したのち、少なくとも５μｍ残すことを特徴としている。

また、本発明のショットピーニング処理の検出法は、前記ショットピーニング処理方法により残存する粒界酸化層の検出を半価幅で行うことを特徴としている。

本発明によれば、ショットピーニングにより高い面圧疲労強度が得られるとともに、浸炭品の表面には、少なくとも５μｍの表面異常層が残っているため、金属接触状態における凝着力を減少させることができる。

また、半価幅により、表面異常層の有無が判断できるので、粒界酸化層の残存を非破壊で検査することができる。

以下、添付図面に基づいて本発明のショットピーニング処理方法およびショットピーニング処理の検出法を説明する。

本発明は、ＳＣｒやＳＣＭなどの機械構造用合金鋼などで作製された、たとえば自動車用トランスミッション歯車に対して、たとえばＲＸガスを用いたガス浸炭焼入れ熱処理または浸炭窒化焼入れ処理を行った製品に適用することができる。

また、本発明のショットピーニング処理方法に用いられるピーニング装置としては、インペラー（ホイール）またはエヤ噴射により投射材をノズル投射できる装置であればとくに限定されるものではない。

本発明では、ショットピーニングの投射材として、粒径が０．２ｍｍをこえて１．０ｍｍ以下で、かつ被投射物と同等以上の硬度、たとえばＨｖ７００以上を有する鋼球が用いられる。粒径が０．２ｍｍ以下では、単位重量あたりの玉数が多く、カバレージの識別が困難であるのと同時に削食力が強すぎるため、制御が困難であり、１．０ｍｍをこえる場合は、削食力が低く効果的ではないからである。

また、本発明においては、カバレージが１００〜５００％になるように投射速度が３０〜１００ｍ/sまたは圧力が０．１〜０．５ＭＰａとなるように調整されている。なお、カバレージは、加工面積に対する投射材の投射痕面積の総和の比より求めることができる。なお、１回のピーニングのカバレージがＣ_１であるとき、Ｃ_ｎ＝１−（１−Ｃ_１）^ｎの式で表わされ、その算出値は９８％程度になり、これをフルカバレージとみなし、１００％とする。カバレージ２００％とはカバレージが１００％に達する時間を２倍にした状態をいう。本発明では、このカバレージと投射速度の関係から、カバレージが１００〜５００％であり投射速度が３０〜１００ｍ/sに設定されている。投射速度が３０ｍ/s未満では、削食力が弱く、処理に時間がかかるとともに、投射速度が１００ｍ/sをこえる場合では、削食力が強すぎて投射時間を短くする必要があるが、設備の安定稼動を行う上で問題があるからである。また、本発明では、前記投射速度に代えて、安定性（制御しやすさ）を考慮して、エアの噴射圧力を０．１〜０．５ＭＰａと設定することもできる。

これらの条件のもとでショットを行うことにより、ＲＸガス浸炭品の表面には、表面異常層が少なくとも５μｍ残るため、高い面圧疲労強度とともに、金属接触状態における凝着力を減少させることができる製品を得ることができる。したがって、固体潤滑効果を得るため表面異常層を必ず残したい場合は、本発明の条件内でショットを実施するのが効果的である。

また、残存する粒界酸化層の検出は、金属表面の半価幅を測定することにより、該表面異常層の有無を検出することができる。半価幅は、Ｘ線残留応力測定装置で残留応力を測定するときに得られるＸ線回折波形の拡がりを示す数値であるが、この半価幅による表面異常層の検出法を用いると、非破壊で検査を行うことができる。

つぎに、本発明の一実施例を説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
実施例１〜３

被投射物として、直径が８ｍｍの浸炭鋼材（材料記号：ＳＣｒ４２０Ｈ）にガス浸炭焼入れ処理（硬度はＨｖ８００）をしたのち、表１に示される条件で、この被投射物にショットピーニング処理を行った。また、表１には、このときのカバレージも示している。

ついで、０．６ｍｍ、０．８ｍｍおよび１．０ｍｍの粒径を投射したときの深さ方向の半価幅分布を図１〜３に示す。なお、半価幅はＸ線応力測定器を用いて測定した。また、図１〜３において、Ｓａ、ＳｂおよびＳｃはそれぞれ０．６ｍｍ、０．８ｍｍおよび１．０ｍｍの粒径を示しており、100、200および500の数字はカバレージがそれぞれ１００％、２００％および５００％であることを示している。図１〜３に示されるように、表面からの距離０ｍｍ、すなわち最表面において、半価幅が粒径またはカバレージによって異なることがわかる。この半価幅は、いずれのショット条件でも、内部の値が１０〜１１であるのに対し、表面付近では４〜８程度になっている。この数値の変化は、たとえば図４〜６に示されるように、粒径が０．８ｍｍにおけるカバレージ１００％（Ｓｂ100）、２００％（Ｓｂ200）および５００％（Ｓｂ500）でショットした被投射物の断面組織の写真（倍率は４００）によりわかるように、表面異常層が原因であり、表面異常層がまったく削食されてしまった場合はより内部における半価幅と一致している。なお、図４における表面異常層は約２０μｍであり、図５における表面異常層は約１０μｍであり、図６における表面異常層は約５μｍ以上であった。

また、とくに注目すべきは図１と図２の粒径０．６ｍｍと０．８ｍｍのショットを使用した場合、カバレージにより半価幅の値に序列がついているのがわかる。図３の粒径１．０の場合、カバレージ１００％、２００％ではほとんど変わらないが、５００％では半価幅に違いが出てきている。よって、表面に異常層が残っているかいないかは半価幅で検出でき、表面異常層の有無は粒径やカバレージによって自由に制御できることがわかる。なお、図４〜図６に示される図面写真から見ても、表面異常層の厚さがカバレージによって制御できていることがわかる。

粒径が０．６ｍｍで、硬度がＨｖ８００の投射材をカバレージ１００％、２００％および５００％投射したときの深さ方向の半価幅分布である。粒径が０．８ｍｍで、硬度がＨｖ８００の投射材をカバレージ１００％、２００％および５００％投射したときの深さ方向の半価幅分布である。粒径が１．０ｍｍで、硬度がＨｖ８００の投射材をカバレージ１００％、２００％および５００％投射したときの深さ方向の半価幅分布である。粒径が０．８ｍｍにおけるカバレージ１００％での断面観察写真である。粒径が０．８ｍｍにおけるカバレージ２００％での断面観察写真である。粒径が０．８ｍｍにおけるカバレージ５００％での断面観察写真である。

Claims

浸炭焼入れまたは浸炭窒化焼入れされた金属表面に生成される粒界酸化層に対して、粒径が０．２ｍｍをこえて１．０ｍｍ以下で、かつ被投射物と同等以上の硬度を有する投射材を、カバレージが１００〜５００％になるように投射速度が３０〜１００ｍ/sまたは圧力が０．１〜０．５ＭＰａで投射して、前記粒界酸化層を削食したのち、少なくとも５μｍ残すことを特徴とするショットピーニング処理方法。
請求項１記載のショットピーニング処理方法により残存する粒界酸化層の検出を半価幅で行うことを特徴とするショットピーニング処理の検出法。