JP2007056333A - 窒化処理部材のショットピーニング方法及びその方法で処理された窒化処理部材 - Google Patents

Abstract

【課題】部材を窒化処理することにより、部材に形成される窒化物緻密層と、窒化物緻密層に形成される窒化物孔質層とを有する窒化処理部材に、ショット材を投射してショットピーニングし、窒化物孔質層を除去する窒化処理部材のショットピーニング方法及びその方法で処理された窒化処理部材を提供することである。
【解決手段】本発明に係る窒化処理部材のショットピーニング方法及びその方法で処理された窒化処理部材は、部材１４を窒化処理することにより、部材１４に形成される窒化物緻密層１６と、窒化物緻密層１６に形成される窒化物孔質層１８とを有する窒化処理部材１０に、ショット材を投射してショットピーニングする窒化処理部材１０のショットピーニング方法であって、窒化物孔質層１８より硬質なショット材を、５０ｍ／ｓｅｃ以上２００ｍ／ｓｅｃ以下の投射速度で投射する投射工程を有し、窒化物孔質層１８を除去することを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、窒化処理部材のショットピーニング方法及びその方法で処理された窒化処理部材に係り、特に、部材を窒化処理することにより、部材に形成される窒化物緻密層と、窒化物緻密層に形成される窒化物孔質層とを有する窒化処理部材に、ショット材を投射してショットピーニングする窒化処理部材のショットピーニング方法及びその方法で処理された窒化処理部材に関する。

車両用の部材である、例えば、ばねや歯車等の耐摩耗性、疲労強度等を向上させるために、部材の表面に硬質な窒化物層を形成する窒化処理が行われている。窒化処理は、一般的に、部材として使用される合金鋼等を、アンモニアガス雰囲気中で所定の温度で処理することにより、アンモニアガスが分解して発生する窒素と合金鋼等と反応させて行われる。部材が窒化処理されると、部材の表面に、Ｆｅ_２ＮやＦｅ_３Ｎ等からなる窒化物層が形成される。そして、この窒化物層は、一般的に、ビッカース硬さでＨＶ１０００以上と硬質であるため、部材の耐摩耗性、疲労強度等を向上させることができる。ここで、窒化物層は、部材に形成される緻密な層である窒化物緻密層と、窒化物緻密層に形成される気泡を含んだポーラスな層である窒化物孔質層とを有している。

また、窒化処理された部材である窒化処理部材について、耐疲労特性等を向上させるためにショットピーニングすることが行われている。窒化処理部材へのショットピーニングは、ショット材を遠心力または圧縮空気等を用いて投射して、窒化処理部材に衝突させて加工硬化させる処理である。そして、窒化処理部材を加工硬化させて圧縮残留応力を付与することにより、窒化処理部材の耐疲労特性等を向上させることができる。このようなショットピーニングに使用されるショット材は、一般的に、ガラスビーズやスチールが用いられている。そして、これらのショット材は、ビッカース硬さでＨＶ４００以上ＨＶ７００以下の硬さを有している。

ここで、従来のショットピーニングは、上述したように窒化物層よりも硬度が小さいショット材を使用している。そのため、ショットピーニングした窒化処理部材には、窒化物層である窒化物緻密層と窒化物孔質層とが残存する。このうち、窒化物孔質層は、脆弱であるため疲労破壊の起点となりやすく、窒化処理部材の耐疲労特性を低下させる可能性がある。

そこで、本発明の目的は、部材を窒化処理することにより、部材に形成される窒化物緻密層と、窒化物緻密層に形成される窒化物孔質層とを有する窒化処理部材に、ショット材を投射してショットピーニングし、窒化物孔質層を除去する窒化処理部材のショットピーニング方法及びこの方法で処理された窒化処理部材を提供することである。

本発明に係る窒化処理部材のショットピーニング方法は、部材を窒化処理することにより、部材に形成される窒化物緻密層と、窒化物緻密層に形成される窒化物孔質層とを有する窒化処理部材に、ショット材を投射してショットピーニングする窒化処理部材のショットピーニング方法であって、窒化物孔質層より硬質なショット材を、５０ｍ／ｓｅｃ以上２００ｍ／ｓｅｃ以下の投射速度で投射する投射工程を有し、窒化物孔質層を除去することを特徴とする。また、ショット材は、０．００５ｍｍ以上０．０８ｍｍ以下の粒径を有することが好ましい。

本発明に係る窒化処理部材は、部材を窒化処理することにより、部材に形成される窒化物緻密層と、窒化物緻密層に形成される窒化物孔質層とを有する窒化処理部材に、ショット材を投射してショットピーニングする窒化処理部材のショットピーニング方法により処理される窒化処理部材であって、窒化物孔質層より硬質なショット材を、５０ｍ／ｓｅｃ以上２００ｍ／ｓｅｃ以下の投射速度で投射する投射工程を有し、窒化物孔質層を除去することを特徴とする。また、ショット材は、０．００５ｍｍ以上０．０８ｍｍ以下の粒径を有することが好ましい。

上記の窒化処理部材のショットピーニング方法及びその方法で処理された窒化処理部材によれば、部材を窒化処理することにより、部材に形成される窒化物緻密層と、窒化物緻密層に形成される窒化物孔質層とを有する窒化処理部材に、ショット材を投射してショットピーニングし、窒化物孔質層を除去することができる。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。図１は、窒化処理部材のショットピーニング方法の工程を示す図である。

部材準備工程（Ｓ１０）は、窒化処理用の部材を準備する工程である。部材には、Ａｌ，Ｃｒ，ＶまたはＴｉ等の合金成分を含んでいる合金鋼を用いることができる。これらの合金成分は、窒素と化学的親和力が強いからである。部材としては、例えば、ＪＩＳに規定されている窒化用鋼ＳＡＣＭ６４５等のＡｌ―Ｃｒ―Ｍｏ系合金鋼、Ａｌ−Ｃｒ系合金鋼、Ａｌ−Ｃｒ−Ｖ系合金鋼、Ｃｒ−Ｍｏ系合金鋼、Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ系合金鋼、Ｎｉ−Ｃｒ−Ａｌ系合金鋼、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ａｌ系合金鋼等を用いることができる。勿論、部材は、特に、これらの合金鋼だけに限定されることなく、炭素鋼等を用いることもできる。

窒化処理工程（Ｓ１２）は、部材準備工程（Ｓ１０）で準備した部材を窒化処理する工程である。部材の窒化処理は、部材と窒素供給剤から供給される窒素とを反応させて行われる。窒素供給剤としては、例えば、アンモニアガスを用いることができるが、勿論、これに限定されることはない。窒化処理温度は、４００℃以上６００℃以下の温度範囲が好ましい。勿論、窒化処理温度は、他の条件次第では、この範囲に限定されることはない。また、窒化処理時間は、１０時間以上１００時間以下の時間が好ましい。勿論、窒化処理時間は、他の条件次第では、この範囲に限定されることはない。

窒化処理は、一般的な窒化処理に用いられる設備により行うことができる。窒化処理のための設備は、主に、窒素供給剤を供給するためのガスボンベ等の供給装置と、窒素と部材とを反応させる加熱炉と、反応ガス等を排気するための排気装置とを含んで構成される。窒素供給剤、例えば、アンモニアガスをガスボンベから加熱炉の中に流し込み、上述した窒化処理温度に加熱することで、アンモニアガスが窒素と水素に分解する。そして、分解して生成した窒素が、加熱炉内に置かれた部材である上述した合金鋼等と反応することにより部材の表面に窒化物層が形成される。図２は、窒化処理部材の断面組織の模式図である。窒化処理部材１０の窒化物層１２は、部材１４に形成される緻密な層である窒化物緻密層１６と、窒化物緻密層１６に形成される気泡を含んだポーラスな層である窒化物孔質層１８とを有している。窒化物層１２の膜厚は、窒化処理条件にもよるが、例えば、５μｍ以上２０μｍ以下である。また、窒化物孔質層１８の膜厚は、窒化処理条件にもよるが、例えば、２．５μｍ以上１０μｍ以下である。

投射工程（Ｓ１４）は、窒化処理工程（Ｓ１２）で窒化処理された部材である窒化処理部材１０に、ショット材を投射してショットピーニングする工程である。

投射工程（Ｓ１４）に使用されるショット材は、窒化物孔質層１８よりも硬質なショット材が用いられる。窒化物孔質層１８よりも硬質なショット材を用いるのは、ショット材を窒化処理部材１０に投射することにより、ショット材で窒化物孔質層１８を削ったりまたは粉砕したりして除去するためである。窒化物孔質層１８の硬さは、窒化処理条件にもよるが、一般的に、ビッカース硬さでＨＶ１０００以上である。そのため、ショット材は、ビッカース硬さでＨＶ１０００以上のショット材が用いられる。勿論、ショット材の硬さは、他の条件次第では、特に、これに限定されることはない。ここで、ショット材には、例えば、超硬合金やセラミックスのショット材を使用することができる。超硬合金のショット材には、例えば、ＷＣ−Ｃｏ系合金鋼、ＷＣ−ＴｉＣ−Ｃｏ系合金鋼、ＷＣ−ＴｉＣ−ＴａＣ−Ｃｏ系合金鋼等を用いることができる。セラミックスのショット材には、例えば、アルミナや炭化珪素等を用いることができる。勿論、ショット材は、これらの材料に限定されることはない。

投射工程（Ｓ１４）に使用されるショット材は、０．００５ｍｍ以上０．０８ｍｍ以下の粒径を有するショット材が用いられる。ショット材の粒径を０．００５ｍｍ以上としたのは、ショット材の粒径が０．００５ｍｍ未満であると、窒化処理部材１０に所定の圧縮残留応力を付与することができないからである。また、ショット材の粒径が０．００５ｍｍ未満であると、窒化処理部材１０にショット材を投射したときに、窒化物孔質層１８を除去することができないからである。また、ショット材の粒径が０．０８ｍｍ以下としたのは、ショット材の粒径が０．０８ｍｍを越えると、窒化物層１２を破砕してしまい、窒化物孔質層１８だけでなく窒化物緻密層１６も除去されてしまうからである。そして、窒化物緻密層１６が除去されることにより、面粗度が粗くなるからである。勿論、ショット材の粒径は、他の条件次第では、特に、この範囲に限定されることはない。また、ショット材の形状は、球状だけでなくスチールワイヤー形状のショット材を用いることができる。

投射工程（Ｓ１４）におけるショット材の投射速度は、５０ｍ／ｓｅｃ以上２００ｍ／ｓｅｃ以下が用いられる。ショット材の投射速度を５０ｍ／ｓｅｃ以上としているのは、ショット材の投射速度が５０ｍ／ｓｅｃ未満であると、窒化処理部材１０に所定の圧縮残留応力を付与することができないからである。また、ショット材の投射速度が５０ｍ／ｓｅｃ未満であると、窒化処理部材１０にショット材を投射したときに、窒化物孔質層１８を除去することができないからである。ショット材の投射速度が２００ｍ／ｓｅｃ以下であるのは、ショット材の投射速度が２００ｍ／ｓｅｃを越えると窒化物層１２を破砕してしまい、窒化物孔質層１８だけでなく窒化物緻密層１６も除去されてしまうからである。勿論、ショット材の投射速度は、他の条件次第では、特に、この範囲に限定されることはない。

投射工程（Ｓ１４）におけるアークハイトは、０．４ｍｍ以下が用いられる。ここで、アークハイトは、ショットピーニングの処理強度の指標であり、規格で決められた板にショット材を投射したときの反り量を示している。アークハイトが０．４ｍｍ以下であるのは、アークハイトが０．４ｍｍを越える条件でショット材を投射すると、窒化物層１２を破砕してしまい、窒化物孔質層１８だけでなく窒化物緻密層１６も除去されてしまうからである。勿論、投射工程（Ｓ１４）におけるアークハイトは、他の条件次第では、特に、この範囲に限定されることはない。

投射工程（Ｓ１４）におけるカバレージは、１００％以上３００％以下が用いられる。カバレージは、ショット材を窒化処理部材１０に投射するときの面積率を示している。例えば、カバレージ７０％とは、ショットピーニング後の窒化処理部材の表面を観察したときに、ショットピーニング前の表面が３０％残っていることを示している。そして、カバレージ３００％は、カバレージ１００％となる時間の３倍の時間ショット材を投射することを示している。ここで、カバレージを１００％以上としているのは、カバレージが１００％未満であると窒化物孔質層１８が残存してしまうからである。また、カバレージを３００％以下としているのは、カバレージが３００％を超えると、窒化物孔質層１８だけでなく窒化物緻密層１６も除去されてしまうからである。勿論、カバレージは、他の条件次第では、特に、この範囲に限定されることはない。

投射工程（Ｓ１４）は、一般的に、ショットピーニングで使用されている設備を用いることができる。例えば、投射工程（Ｓ１４）で用いられる設備は、空気式ショットピーニング装置や機械式ショットピーニング装置等を使用することができる。空気式ショットピーニング装置は、圧縮空気によりショット材を加速してショットピーニングする装置であり、機械式ショットピーニング装置は、遠心力等によりショット材を加速してショットピーニングする装置である。勿論、投射工程（Ｓ１４）で用いられる設備は、特に、これらのショットピーニング装置に限定されることはない。

以上、上記の窒化処理部材１０のショットピーニング方法によれば、窒化処理部材１０について、窒化物孔質層１８を除去し、窒化物緻密層１６を残存させるとともに、窒化処理部材１０に、加工硬化により圧縮残留応力を付与し、耐疲労特性を向上させることができる。図３は、ショットピーニングした窒化処理部材の断面組織の模式図である。ショットピーニングした窒化処理部材２０には、窒化物孔質層１８が除去されているとともに、窒化物緻密層１６が残存し、圧縮残留応力が付与されていることを示している。また、本発明に係る窒化処理部材１０のショットピーニング方法によれば、窒化物孔質層１８をグラインダー等で除去してからショットピーニングする場合に比べて、窒化物孔質層１８の除去とショットピーニングによる圧縮残留応力の付与を同時に行うことができるので生産性を向上させることができる。

部材準備工程（Ｓ１０）、窒化処理工程（Ｓ１２）により作製した窒化処理部材１０について、ショットピーニング試験を実施した。まず、部材準備工程（Ｓ１０）により、部材１４としてＡｌ−Ｃｒ−Ｖ系合金鋼を準備した。そして、窒化処理工程（Ｓ１２）により、アンモニアガス等を用いて、窒化処理温度５００℃以上６００℃以下で、Ａｌ−Ｃｒ−Ｖ系合金鋼に窒化処置を行った。図４は、実施例１から実施例４、比較例１から比較例７の供試体についてのショットピーニング試験条件と試験結果とを示す図である。実施例１から実施例４は、上述した投射工程（Ｓ１４）によりショット材を投射した供試体である。ショット材の粒径は、実施例１から実施例３が０．０７ｍｍ、実施例４が０．００５ｍｍのショット材を使用した。ショット材の硬さは、実施例１から実施例４についていずれもビッカース硬さでＨＶ１０００であるショット材を使用した。ショット材の投射速度は、実施例１と実施例２とが５０ｍ／ｓｅｃ、実施例３と実施例４とが２００ｍ／ｓｅｃで行った。カバレージは、実施例１と実施例４とが１００％、実施例２と実施例３とが３００％とした。そして、アークハイトは、実施例１から実施例４のいずれも０．３ｍｍとした。

比較例１は、粒径０．００４ｍｍ、比較例２は、粒径０．０９ｍｍのショット材を使用して投射した供試体である。比較例１と比較例２は、いずれも比較のためにショット材の粒径が０．００５ｍｍ以上０．０８ｍｍ以下の範囲外のショット材を使用した。比較例３は、ショット材の硬さがビッカース硬さでＨＶ９００であるショット材を使用して投射した供試体である。比較例４は、投射速度４０ｍ／ｓｅｃ、比較例５は、投射速度３００ｍ／ｓｅｃを用いてショット材を投射した供試体である。比較例４と比較例５は、いずれも比較のためにショット材の投射速度が５０ｍ／ｓｅｃ以上２００ｍ／ｓｅｃ以下の範囲外の投射速度を用いた。比較例６は、カバレージ８０％、比較例７は、カバレージ３３０％を用いてショット材を投射した供試体である。比較例６と比較例７は、いずれも比較のためにカバレージが１００％以上３００％以下の範囲外のカバレージを用いた。そして、比較例１から比較例７のアークハイトは、いずれも０．３ｍｍとした。

実施例１から実施例４、比較例１から比較例７のショットピーニング後の供試体について、表面粗さ測定、残留応力測定、ピッチング強度試験、表面状態観察を行った。表面粗さ測定は、ＪＩＳ Ｂ ０６０１の十点平均粗さにより測定した。残留応力測定は、Ｘ線により残留応力を測定した。ピッチング強度試験は、ローラーピッチング試験により、すべり率−２０％、回転率２０００ｒｐｍで行った。図４に示すように、表面粗さ測定の結果は面粗度Ｒｚ（μｍ）、残留応力測定の結果は残留応力ピーク値（ＭＰａ）、ピッチング強度試験の結果はピッチング強度（ＭＰａ）、表面状態観察の結果は表面状態で表している。

実施例１から実施例４の供試体は、いずれも窒化物孔質層１８のみ除去されていた。また、これらの供試体の面粗度Ｒｚは、６μｍ以上１１μｍ以下であり、いずれの供試体も表面粗さは小さかった。これらの供試体の残留応力ピーク値は、−７８１ＭＰａ以上−５１０ＭＰａ以下であり、いずれの供試体も高い圧縮残留応力が付与されていた。そして、これらの供試体のピッチング強度は、２８４０ＭＰａ以上３１３０ＭＰａ以下であり、いずれの供試体も高いピッチング強度が得られた。

ショット材の粒径が０．００４ｍｍの場合である比較例１は、窒化物孔質層１８が残存した。ショット材の粒径が０．０９ｍｍの場合である比較例２は、窒化物層１２が破砕し、窒化物孔質層１８だけでなく窒化物緻密層１６も除去された。ショット材の硬さが９００ＨＶである比較例３は、窒化物孔質層１８が残存した。ショット材の投射速度が４０ｍ／ｓｅｃの場合である比較例４は、窒化物孔質層１８が残存した。ショット材の投射速度３００ｍ／ｓｅｃの場合である比較例５は、窒化物層１２が破砕し、窒化物孔質層１８だけでなく窒化物緻密層１６も除去された。カバレージが８０％の場合である比較例６は、窒化物孔質層１８が残存した。カバレージが３３０％の場合である比較例７は、窒化物層１２が破砕し、窒化物孔質層１８だけでなく窒化物緻密層１６も除去された。

本発明に係る実施形態である窒化処理部材のショットピーニング方法の工程を示す図である。 本発明に係る実施形態である窒化処理部材の断面組織の模式図である。 本発明に係る実施形態であるショットピーニングした窒化処理部材の断面組織の模式図である。 本発明に係る実施形態である実施例１から実施例４、比較例１から比較例７の供試体についてのショットピーニング試験条件と試験結果とを示す図である。

符号の説明

１０ 窒化処理部材、１２ 窒化物層、１４ 部材、１６ 窒化物緻密層、１８ 窒化物孔質層、２０ ショットピーニングした窒化処理部材。

Claims (3)

1. 部材を窒化処理することにより、部材に形成される窒化物緻密層と、窒化物緻密層に形成される窒化物孔質層とを有する窒化処理部材に、ショット材を投射してショットピーニングする窒化処理部材のショットピーニング方法であって、
   窒化物孔質層より硬質なショット材を、５０ｍ／ｓｅｃ以上２００ｍ／ｓｅｃ以下の投射速度で投射する投射工程を有し、
   窒化物孔質層を除去することを特徴とする窒化処理部材のショットピーニング方法。
2. 請求項１に記載の窒化処理部材のショットピーニング方法であって、
   ショット材は、０．００５ｍｍ以上０．０８ｍｍ以下の粒径を有することを特徴とする窒化処理部材のショットピーニング方法。
3. 請求項１または２に記載の窒化処理部材のショットピーニング方法により処理されることを特徴とする窒化処理部材。

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