JP2007191755A - 金属材の疲労強度向上方法 - Google Patents

Abstract

【課題】マスキング処理無しで、かつ、軟窒化処理した金属材の所望の表面に形成された化合物層を破壊、剥離することなく、金属材の表面に圧縮残留応力を導入できる金属材の疲労強度向上方法を提供するものである。
【解決手段】本発明に係る金属材の疲労強度向上方法は、耐摩耗性と疲労強度が共に要求される金属材１１に軟窒化処理を施して金属材１１の表面に硬い化合物層を形成し、その化合物層にキャビテーション・ショットレス・ピーニング処理を施し、化合物層を破壊、剥離させることなく、金属表面に圧縮残留応力を導入するものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、耐摩耗性と疲労強度が共に要求される金属材の疲労強度向上方法に係り、特に、フィレットＲ部を有するクランクシャフトの疲労強度向上方法に関するものである。

ディーゼルエンジンの高出力化に伴い、自動車部品においてはなお一層の疲労強度の向上が必要となってきている。例えば、ディーゼルエンジンのクランクシャフトでは、筒内圧の上昇によりフィレットＲ部により大きな負荷がかかるようになってきている。ピストンの往復運動を回転運動に変えるクランクシャフトには、筒内圧による曲げとトルク伝達によるねじりの双方の負荷が入力される。このため、摺動部の耐摩耗性に加えて、高い曲げとねじり疲労強度が要求される。

曲げ疲労における最弱部は応力集中部のフィレットＲ部、ねじり疲労における最弱部は油孔である。クランクシャフトの疲労強度を向上させる主な表面硬化法として、高周波焼入れ法や軟窒化法等がある。フィレットＲ部に、高い硬さと大きな圧縮残留応力を導入できる高周波焼入れクランクシャフトは、軟窒化クランクシャフトより曲げ疲労強度が高いが、ねじり疲労は細い油孔も含めた全体硬化ができる軟窒化クランクシャフトの方が高く、それぞれ得失がある。

クランクシャフトは複雑な形状をしており、かつ高い寸法精度が要求される。この点、フェライト領域の低温で処理される軟窒化法は、熱処理ひずみが極めて少なく、規則的であり、クランクシャフト以外にギアにも採用されている。例えば、軟窒化クランクシャフトは、母材表面に、硬く、脆い化合物層が形成されている。この化合物層を形成する目的は、ピン部及びジャーナル部の耐摩耗性向上のためである。

クランクシャフトの疲労強度を向上させるために、単純にクランクシャフトの径を大きくすることは重量増を招いてしまい、燃費を悪化させることから、環境問題の点などからも好ましくない。そこで、一般的には、疲労強度（曲げ疲労強度）向上のためにショットピーニングが多用されている。このショットピーニングにより、被処理材の表面に圧縮残留応力を付与し、疲労強度を向上させている（例えば、特許文献１，２参照）。

特開平０８−１３４７００号公報 特開昭６３−０９３８２１号公報

しかしながら、軟窒化クランクシャフトにショットピーニング処理を施した場合、前述した化合物層が破壊され、剥離してしまう。フィレットＲ部は摺動部ではないため、化合物層は剥離してもよいが、ピン部及びジャーナル部は摺動部であるため、化合物層は必要である。このため、ピン部及びジャーナル部については、マスキング処理を施す必要がある。

このマスキング処理は、クランクシャフトにおける全てのピン部及びジャーナル部に対して施す必要があることから、工数の増加を招いてしまい、量産性に難があった。

以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、マスキング処理無しで、かつ、軟窒化処理した金属材の表面に形成された化合物層を破壊、剥離することなく、金属材の所望の表面に圧縮残留応力を導入できる金属材の疲労強度向上方法を提供することにある。

上記目的を達成すべく請求項１に係る発明は、耐摩耗性と疲労強度が共に要求される金属材の疲労強度を向上させる方法において、上記金属材に軟窒化処理を施して金属材表面に硬い化合物層を形成した後、その化合物層にキャビテーション・ショットレス・ピーニング（以下、ＣＳＰという）処理を施し、化合物層を破壊、剥離させることなく、金属表面に圧縮残留応力を導入することを特徴とする金属材の疲労強度向上方法である。

請求項２に係る発明は、疲労強度が要求される応力集中部の上記化合物層にＣＳＰ処理を施す請求項１記載の金属材の疲労強度向上方法である。

請求項３に係る発明は、上記ＣＳＰ処理のアークハイトが０．０６ｍｍＮ以上である請求項１又は２記載の金属材の疲労強度向上方法である。

請求項４に係る発明は、上記金属材の被ＣＳＰ処理面に二重管構造のノズルを近接して設けると共に、そのノズルの内層側を高圧ノズル、外層側を低圧ノズルとし、金属材の被ＣＳＰ処理面に上記ノズル先端から高圧及び低圧のキャビテーション噴流を噴射し、上記化合物層にＣＳＰ処理を行う請求項１から３いずれかに記載の金属材の疲労強度向上方法である。

請求項５に係る発明は、上記被ＣＳＰ処理面に対して、上記両ノズルの先端位置をオフセット配置し、上記高圧ノズルの先端位置を上記低圧ノズルの先端位置よりも被ＣＳＰ処理面から離して設ける請求項４記載の金属材の疲労強度向上方法である。

請求項６に係る発明は、上記高圧ノズルのノズル径を０．８ｍｍ、上記低圧ノズルのノズル径を１３ｍｍとし、高圧ノズルから３０ＭＰａの圧力で、低圧ノズルから０．３ＭＰａの圧力でキャビテーション噴流をそれぞれ気中噴射する請求項４又は５記載の金属材の疲労強度向上方法である。

請求項７に係る発明は、上記オフセット量が８〜１２ｍｍである請求項４から６いずれかに記載の金属材の疲労強度向上方法である。

請求項８に係る発明は、上記低圧ノズルと上記被ＣＳＰ処理面とのクリアランスが０．５〜２．５ｍｍである請求項４から７いずれかに記載の金属材の疲労強度向上方法である。

請求項９に係る発明は、上記ノズルからのキャビテーション噴流による上記被ＣＳＰ処理面の所定箇所の処理時間が５〜１５秒である請求項４から８いずれかに記載の金属材の疲労強度向上方法である。

一方、請求項１０に係る発明は、金属材表面に軟窒化処理による硬い化合物層を形成し、その化合物層にＣＳＰ処理を施して金属表面に圧縮残留応力を導入してなることを特徴とする金属製品である。

請求項１１に係る発明は、上記金属製品が、耐摩耗性が要求される摺動部と、その摺動部に近接した部分に曲げや捩り等の応力が集中する応力集中部とを有し、その応力集中部に上記ＣＳＰ処理を施してなる請求項１０記載の金属製品である。

請求項１２に係る発明は、上記金属製品がクランクシャフトであり、上記摺動部がピン部及びジャーナル部、上記応力集中部がフィレットＲ部である請求項１０又は１１記載の金属製品である。

本発明によれば、軟窒化処理された金属材の所望の表面に、化合物層を破壊、剥離することなく、圧縮残留応力を導入することができるという優れた効果を発揮する。

以下、本発明の好適一実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

先ず、耐摩耗性と疲労強度が共に要求される金属材、例えばクランクシャフトに軟窒化処理を施し、クランクシャフトの表面に硬く脆い化合物層を形成する。この化合物層の層厚は例えば２０μｍ程度、硬さは例えば７００ＨＶ以上とされる。また、化合物層の下層には拡散層が形成される。軟窒化処理は、例えば、Ｎ₂＋ＮＨ₃雰囲気で、８４３Ｋ×１０．８ｋｓ（３ｈｒ）の加熱処理を施した後、油冷するという条件で行う。

次に、図１（ａ），図１（ｂ）に示すように、大気中に配置されたクランクシャフト（金属材）１１のフィレットＲ部（被ＣＳＰ処理面）１２に二重管構造のノズル１３を近接して設ける。フィレットＲ部１２は、ジャーナル部２２とクランク・アーム部２１の境界、及びピン部２３とクランク・アーム部２１の境界に位置する。

ノズル１３は、内層側が高圧ノズル１４、外層側が低圧ノズル１５となっている。ノズル１３の先端はほぼ“くの字”状に屈曲しており、また、その先端面はフィレットＲ部１２の表面形状に倣った３次元形状を有している。具体的には、図１（ａ）に側面視を示すように、ノズル１３のクランク・アーム部２１に対向する先端面１７は、クランク・アーム部２１に倣って平面状に形成される。また、図１（ｂ）に平面視（軸方向視）を示すように、ノズル１３のジャーナル部２２（又はピン部２３）に対向する先端面１８は、ジャーナル部２２（又はピン部２３）の円周に沿うように凹面状に湾曲形成される。さらに、先端面１７，１８は直角をなしている。

両ノズル１４，１５の先端位置はオフセット配置されており、高圧ノズル１４の先端位置は低圧ノズル１５の先端位置よりも被ＣＳＰ処理面から離して設けられる。つまり、高圧ノズル１４の先端は、低圧ノズル１５の先端よりも奥まっている。オフセット量は例えば８〜１２ｍｍとされる。低圧ノズル１５とフィレットＲ部１２とのクリアランスは０．５〜２．５ｍｍとされる。高圧ノズル１４のノズル径は例えばφ０．８ｍｍ、低圧ノズル１５のノズル径は例えばφ１３ｍｍとされる。

次に、クランクシャフト１１のフィレットＲ部１２にノズル１３の先端から高圧及び低圧の水（キャビテーション噴流）を気中噴射すると共に、クランクシャフト１１を回転軸を中心にしてある方向（図１（ｂ）中では右回り方向）に回転させ、フィレットＲ部１２全面にＣＳＰ処理を行う。この時、ＣＳＰ処理されるフィレットＲ部１２の、所定箇所におけるノズル１３からのキャビテーション噴流による処理時間（合計被噴射時間）は例えば５〜１５秒とされる。高圧ノズル１４から３０ＭＰａの圧力、５Ｌ／分の流量で、低圧ノズル１５から０．３ＭＰａの圧力、８０Ｌ／分の流量でキャビテーション噴流がそれぞれ気中噴射される。また、ＣＳＰ処理のアークハイトは０．０６ｍｍＮ以上、好ましくは０．０８ｍｍＮ以上となるように、ＣＳＰ処理条件が調整される。

このＣＳＰ処理では、水を高圧噴射し、大気解放することで、水中に含まれていた空気が微小気泡となって発生する。この高圧のキャビテーション噴流は、低圧噴射されたキャビテーション噴流によってその外周部を拘束されていることから、拡散することなく所望のフィレットＲ部１２に集中して衝突する。この衝突時、多数の微小気泡が破壊、破裂する際の衝撃力により、化合物層の表面（又は表面近傍）に圧縮残留応力が導入される。微小気泡の気泡径は１０μｍ程度である。

ＣＳＰ処理によって、軟窒化処理により形成された化合物層及び拡散層が剥離したり、研削、破壊され易い化合物層が破壊、除去されることはない。よって、クランクシャフト１１のクランク・アーム部２１及びジャーナル部２２にマスキング処理を施さなくても、化合物層が破壊、剥離されることはなく、金属表面（化合物層直下の拡散層を含む金属表面）に圧縮残留応力を導入することができる。また、ショットピーニング（ＳＰ）処理では、表面よりも内層側の位置で圧縮残留応力が最大になっていたが、ＣＳＰ処理では、表面（又は表面近傍）において圧縮残留応力が最大となるので、ＳＰ処理よりもＣＳＰ処理の方が表面を起点とする破壊に対して疲労強度をより向上させることができる。さらに、ＣＳＰ処理で用いるのは水であり、ＣＳＰ処理後の水は処理によって再利用可能であり、ＳＰ処理のようにショットの後処理、廃棄という問題もない。

本実施の形態においては、ノズル１３の先端がほぼ“くの字”状に屈曲している場合を例に挙げて説明を行ったが、ノズル１３の先端は二股に分岐していてもよい。この場合、クランク・アーム部２１間に存在する２つのフィレットＲ部１２に対してノズル１３の先端が同時に臨むことになることから、１回の噴射で２つのフィレットＲ部１２に同時にＣＳＰ処理を行うことができ、生産性が向上する。

また、本実施の形態においては、フィレットＲ部１２の法線方向に対して、ノズル１３の先端の延長方向が全く傾いていない場合を例に挙げて説明を行ったが、この法線方向に対して延長方向を傾けてもよい。例えば、ＣＳＰ処理の際のクランクシャフト１１の回転方向と反対側（図１（ｂ）中では左側）に、ノズル１３全体を傾けてもよい。

また、本実施の形態においては、気中噴射によるＣＳＰ処理を例に挙げて説明を行ったが、水中に配置したクランクシャフト１１に対してＣＳＰ処理を施す水中噴射であってもよい。

また、本実施の形態においては、耐摩耗性と疲労強度が共に要求される金属材としてクランクシャフト１１を例に挙げて説明を行ったが、特にこれに限定するものではなく、軸受のベアリング支持部や、ギアなどにも適用することができる。

次に、本実施の形態の作用を説明する。

軟窒化処理によって形成された化合物層を破壊、剥離させることなく、金属表面に圧縮残留応力を導入できるピーニング法として、ＣＳＰ処理が考えられる。

図２に▲印を結んだ線で示すように、通常のショットピーニング（ＳＰ）処理では、最大残留応力（最大圧縮残留応力）は最表面よりも内層側（ｚ＝１００μｍ弱の部分）に発生し、最表面における応力値は低い。これに対して、図２に●印、□印、◇印を結んだ各線で示すように、ＣＳＰ処理では、最大圧縮残留応力が最表面に発生する。また、圧縮残留応力が付与される深さ（距離ｚ）はせいぜい数十μｍ程度であり、ＳＰ処理と比べると浅い。ここで、ＳＰ処理、ＣＳＰ処理を施す対象は、浸炭材（ＳＣＭ４１５（硬さ：ＨＲｃ＝５８〜６２））であり、また、ｔ（＝ｓ／ｍｍ）は長さ１ｍｍあたりの処理時間を表している（D.Odhiambo,H.Soyama、「Cavitation shotless peening for improvement of fatigue strength of carbonized steel」、International Journal of Fatigue 25、2003、pp.1220参照）。

つまり、ＳＰ処理は深い位置に大きな残留応力を導入できるが、最表面の圧縮残留応力は小さい。一方、ＣＳＰ処理は残留応力を導入できる深さは浅いが、最表面又は最表面近傍にピークがくる残留応力分布となる。両者の違いは、ＳＰ処理のショットと比べて、ＣＳＰ処理のキャビテーションの質量が著しく小さいことに起因しているためと考えられる。その結果、ＳＰ処理のショットでは最表面よりも内層側に残留応力が導入され、ＣＳＰ処理のキャビテーションでは最表面又は最表面近傍に残留応力が導入される。表面起点の疲労破壊を起こすような部品、例えばクランクシャフトには、最表面の圧縮残留応力が重要であるため、ＣＳＰ処理のような残留応力分布でも疲労強度向上には有効である。

図３に示すように、軟窒化処理＋ＳＰ処理を施したもの（以下、ＳＰ処理材という）と、軟窒化処理＋ＣＳＰ処理を施したもの（以下、ＣＳＰ処理材という）の斜線領域の面積をそれぞれ比べると、明らかにＳＰ処理材よりもＣＳＰ処理材の方が表面に与えているエネルギーが小さい。このことが、金属材に軟窒化処理を施すことによって形成される化合物層が剥離しない理由と考えられる。

また、図４に、ＣＳＰ処理におけるアークハイトの大きさをパラメータとした場合の、表面からの深さと残留応力との関係を示すように、０．０５ｍｍＮでは圧縮残留応力は殆ど導入されない。しかし、０．１０ｍｍＮ、０．１２ｍｍＮでは−４００ＭＰａ以上の大きな圧縮残留応力が導入される。その際、化合物層の表面粗さが若干大きくなるが、化合物層の剥離が生じることはない。化合物層の剥離が生じるアークハイトの上限は、今のところはっきりとわかっていないが、キャビテーションの崩壊エネルギーが一定なら、圧縮残留応力の付与される深さは変わらないはずであるので、アークハイトが０．１２ｍｍＮ超の場合でも化合物層の剥離はないと考えられる。

アークハイトは、処理時間の増大と共に上昇する。これは、処理時間が増大しても、圧縮残留応力の深さは変わらず、最表面の圧縮残留応力が大きくなっていくからであると考えられる。

また、低圧ノズルとクランクシャフトのクリアランスと、壊食量の関係を図５に示す。壊食試験の試験片としてはアルミニウム材（Ａ１０５０）を用いた。噴射位置固定で２０分間ＣＳＰ処理した時、試験片の重量がどれだけ減少するかを比較した。壊食量が大きいほど、ＣＳＰの処理能力が高いと言える。ＣＳＰ条件は、高圧ノズルのノズル径をφ０．８ｍｍ、噴射圧を３０ＭＰａ、低圧ノズルのノズル径をφ１３ｍｍ、噴射圧を０．３ＭＰａ、高圧ノズルと低圧ノズルのオフセット量を１０ｍｍとし、低圧ノズルとクランクシャフトのクリアランスを０．５〜５ｍｍまで変化させた。

図５に示すように、低圧ノズルとクランクシャフトのクリアランスが０．５〜２．５ｍｍの範囲において、６ｍｇ／ｍｍ²を超える大きな壊食量が得られることが確認できた。クリアランスが２．５ｍｍを超えると、壊食量が急激に減少し、ＣＳＰ処理能力が大幅に低下してしまう。

また、ＣＳＰ処理時間と残留応力の関係を図６に示す。壊食試験の試験片としてはアルミニウム材（Ａ１０５０）を用いた。ＣＳＰ条件は、高圧ノズルのノズル径をφ０．８ｍｍ、噴射圧を３０ＭＰａ、低圧ノズルのノズル径をφ１３ｍｍ、噴射圧を０．３ＭＰａ、高圧ノズルと低圧ノズルのオフセット量を１０ｍｍ、低圧ノズルとクランクシャフトのクリアランスを２ｍｍとし、２０分間ＣＳＰ処理した時の、単位面積当たりの壊食量は７．８ｍｇ／ｍｍ²（0.0065ｍｇ／ｍｍ²・ｓｅｃ）であった。このＣＳＰ処理条件で、軟窒化材の１箇所に４．８秒、６．０秒、１２．０秒、３１．６秒の噴射を行った。３１．６秒、１２．０秒、６．０秒、４．８秒を送り速度に換算すると、それぞれ0.2054ｍｇ／ｍｍ²（１９ｍｍ／ｍｉｎ）、0.078ｍｇ／ｍｍ²（５０ｍｍ／ｍｉｎ）、0.039ｍｇ／ｍｍ²（１００ｍｍ／ｍｉｎ）、0.0312ｍｇ／ｍｍ²（１２４ｍｍ／ｍｉｎ）となる。

図６に示すように、いずれの処理を行った場合においても、軟窒化のみの残留応力よりも改善が見られるが、３１．６秒では、オーバーピーニングにより最表面の圧縮残留応力が若干低下した。また、４．８秒では、最表面値は−４４３ＭＰａと大きいが、その他の条件と比べると残留応力が導入される範囲（深さ）が浅かった。これに対して、６．０秒、１２．０秒では、最表面値及び深さが共に改善されていた。よって、処理時間が５〜１５秒、又は0.035〜0.1ｍｇ／ｍｍ²の範囲において、最表面値及び深さのバランスが良好となる。

以上、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、他にも種々のものが想定されることは言うまでもない。

次に、本発明を実施例に基づいて説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

供試材として市販の機械構造用炭素鋼（Ｓ５０Ｃ（ＪＩＳ Ｚ ２２７５の１号試験片））を用いた。Ｓ５０Ｃの化学成分を表１に示す。

この供試材を硬さ約２９０ＨＶに調質した後、図７に示す疲労試験片形状に機械加工した。この試験片の板厚は３ｍｍとした。機械加工後、図８に示す条件で軟窒化処理を施した。その後、軟窒化処理による化合物層にＣＳＰ処理を施した。ＣＳＰ処理は気中ＣＳＰ処理により行った。

気中ＣＳＰ処理の模式図を図９に示すように、ノズル９１は二重構造となっており、中心から高圧水を噴射し、その周りに低圧水を噴射している。高圧水のノズル径と圧力はφ０．８ｍｍ、３０ＭＰａ、低圧水のノズル径と圧力はφ２０ｍｍ、０．２１ＭＰａである。試験片９４と低圧ノズル９３の距離は３０ｍｍであり、また、高圧ノズル９２は低圧ノズル９３より上流側にオフセットさせて設置される。疲労試験片９４は送り速度３．７５ｍｍ／ｍｉｎ、１パスで処理した。この送り速度で１パス処理した際のアークハイトは０．１０ｍｍＮであった。

試験片の残留応力測定には、微小部Ｘ線測定装置を用い、特性Ｘ線ビーム径＝φ１ｍｍ、ｓｉｎ²ψ−２θ法で計測した。また、測定部位は、曲げ疲労強度上特に重要な最細部（幅１０ｍｍ部）の長手方向とした。

疲労試験には、平面曲げ疲労試験機を用いた。負荷条件は、応力比（Ｒ）＝−１（一定）、周波数２５Ｈｚ、応力波形＝正弦波である。なお、疲労限度は１０⁷回での繰返し応力とした。応力比とは、疲労試験時の繰返し応力の最小値／最大値であり、Ｒ＝−１は引張側と圧縮側に等しい応力が負荷されていることを示している。

（表面粗さ）
各試験片の表面粗さ測定結果を図１０（ａ），図１０（ｂ）に示す。測定方向は長手方向とした。

図１０（ａ）に示すように、軟窒化試験片（以下、ＮＨ試験片という）の表面粗さは１０点平均粗さ（Ｒｚ）で１．１μｍであった。これに対して、図１０（ｂ）に示すように、軟窒化処理＋ＣＳＰ処理試験片（以下、ＣＳＰ試験片という）の表面粗さは１０点平均粗さ（Ｒｚ）で１．６μｍであった。このことから、アークハイト０．１０ｍｍＮ程度のピーニング強度でＣＳＰ処理を施しても、表面粗さは殆ど変化しないことがわかる。

（断面組織観察）
ＮＨ試験片とＣＳＰ試験片の横断面顕微鏡観察図を図１１（ａ），図１１（ｂ）に示す。

図１１（ａ），図１１（ｂ）に示すように、化合物層の深さ（層厚）はいずれも約２０μｍであった。また、ＣＳＰ試験片の表面に、大きな起伏は認められなかった。このことから、アークハイト０．１０ｍｍＮ程度のピーニング強度でＣＳＰ処理を施しても、化合物層の剥離は生じないと推察される。

（硬さ分布）
各試験片の硬さ分布を図１２に示す。硬さ分布は幅１０ｍｍ部の中央部を測定した。化合物層は、摩耗に対する耐摩耗性付与を目的としたものであって、ＮＨ試験片及びＣＳＰ試験片における疲労強度には影響がないため、硬さの比較は拡散層で行った。

図１２に示すように、ＮＨ試験片における拡散層の最高硬さは３７７ＨＶであった。一方、ＣＳＰ試験片における拡散層の最高硬さは４１３ＨＶであり、ＮＨ試験片と比べて３６ＨＶ（約９．５％）上昇した。また、表面からの深さが８０μｍ以下の範囲で、ＣＳＰ試験片の硬さは、ＮＨ試験片よりも高くなっていた。

（残留応力分布）
各試験片の測定面をマスキングし、電解研磨で約２０μｍ深さの化合物層を除去した面を原点とし、残留応力を計測した。各試験片で得られた残留応力分布を図１３に示す。

図１３に示すように、硬さ分布と同様にＣＳＰ試験片では、ＮＨ試験片と比べて圧縮残留応力が増大した。ＮＨ試験片の圧縮残留応力は−３０５ＭＰａであるのに対して、ＣＳＰ試験片の圧縮残留応力は−４３４ＭＰａであり、１２９ＭＰａ（約４２％）増大した。また、いずれの試験片においても、最大圧縮残留応力は化合物層直下であった。

このように、ＮＨ試験片と比べて、化合物層直下の圧縮残留応力及び硬さが増大したＣＳＰ試験片においては、曲げ疲労強度の向上が期待できる。

（曲げ疲労強度）
各試験片の曲げ疲労試験を図１４に示す。

図１４に示すように、ＮＨ試験片の曲げ疲労限度は±６６８ＭＰａであった。これに対して、ＣＳＰ試験片の曲げ疲労限度は±７７２ＭＰａであり、ＮＨ試験片と比べて１５％向上していた。このように、ＣＳＰ試験片の曲げ疲労強度が向上した原因は、ＣＳＰ処理による硬さと圧縮残留応力の増大による。

（破面観察）
各試験片における破面のマクロ観察図を図１５（ａ），図１５（ｂ）に示す。図１５（ａ）は±６８２ＭＰａ×3,430,500回で破損したＮＨ試験片の破面観察図、図１５（ｂ）は±７９０ＭＰａ×1,768,500回で破損したＣＳＰ試験片の破面観察図である。また、これらのＳＥＭ観察図を図１６（ａ），図１６（ｂ）に示す。

図１５（ａ），図１５（ｂ）、図１６（ａ），図１６（ｂ）に示すように、いずれの試験片においても、両面から疲労破壊しているが、起点は特定できなかった。これは、ＮＨ試験片表面には、硬くて脆い化合物層が存在するので、特定箇所に疲労亀裂が発生すると、即座に試験片幅方向に亀裂が伝播することによるものと考えられる。

（疲労試験後の残留応力分布）
疲労限度まで到達した４試験片の磁粉探傷試験を行った結果、亀裂は認められなかった。

また、疲労強度に対する圧縮残留応力の有効性を確認するため、疲労限度（１０⁷回）まで到達した試験片の残留応力分布を計測した。計測した試験片は、応力振幅±６６８ＭＰａのＮＨ試験片と±７７２ＭＰａのＣＳＰ試験片である。各計測結果を図１７に示す。

図１７に示すように、いずれの試験片においても、疲労試験後に圧縮残留応力が低下していた。すなわち、ＮＨ試験片の試験前後における最大圧縮残留応力（σ_rmax）はそれぞれ−３０５ＭＰａ、−２４６ＭＰａであり、疲労試験によりσ_rmaxが５９ＭＰａ減衰（低下）していた。また、ＣＳＰ試験片の場合も、疲労試験によりσ_rmaxが９９ＭＰａ減衰（低下）したが、それでも−３３５ＭＰａなるσ_rmaxが残っていた。

応力比Ｒ≧０の場合には、疲労試験後に圧縮残留応力は殆ど変化しないが、今回のように、Ｒ＜０の場合は圧縮残留応力が減衰するので、［圧縮残留応力＋圧縮側の負荷応力］≦降伏応力となるような圧縮残留応力の導入が効果的であると考えられている。そこで、疲労試験前後の表面特性と疲労限度から、疲労破壊過程で残留応力が変化する可能性があるかを検討してみる。表面特性と疲労限度をまとめた結果を表２に示す。ここで、降伏応力（σ_γ）は拡散層最高硬さ（ＨＶ_max）から計算した値であり、σ_γ＝［ＨＶ_max／３］×9.80665×0.8＝2.615ＨＶ_max（単位はＭＰａ）とした。

表２に示すように、ＮＨ試験片では、試験前σ_rmaxと圧縮側の負荷応力（σ_W）の和が降伏応力とほとんど同じであるが、ＣＳＰ試験片では、試験前σ_rmaxと圧縮側の負荷応力の和が降伏応力を超えていることがわかる。このため、ＮＨ試験片よりＣＳＰ試験片の方が、σ_rmaxの低下が大きくなったと推察される。しかし、実際のクランクシャフトの応力比は−１より大きいので、今回のように圧縮残留応力が減衰するかどうかは今後の検討課題である。

（表面特性が曲げ疲労限度に及ぼす影響）
降伏応力（σ_γ）と最大圧縮残留応力（σ_rmax）の和と、曲げ疲労限度（σ_W）との間には、比例関係があることが知られている。また、応力比が負の場合には、疲労試験前ではなく、疲労試験後の残留応力で整理する方法が提案されている。そこで、表２の結果を用いて、ＮＨ試験片のσ_γ＋σ_rmaxとＣＳＰ試験片のσ_γ＋σ_rmaxの比を計算してみた。その結果、疲労試験前のσ_rmaxを用いた場合の比は１．１７、疲労試験後のσ_rmaxを用いた場合の比は１．１５となった。したがって、どちらのσ_rmaxを用いても殆ど同じであり、実際の疲労試験におけるＮＨ試験片に対するＣＳＰ試験片の曲げ疲労限度向上率（１５％）とよく一致した。

以上より、ＣＳＰ処理におけるアークハイトが０．０６ｍｍＮ以上、特に０．１０ｍｍＮ以上の条件では、ＣＳＰ処理による化合物層の剥離が生じるおそれはなく、また、化合物層の表面粗さも殆ど変化しなかった。

また、ＣＳＰ処理により拡散層の最高硬さが３６ＨＶ（約９．５％）、最大圧縮残留応力が−１２９ＭＰａ（約４２％）増大した。これらの効果により、曲げ疲労限度が＋１５．６％向上した。

また、本実施例においては、図１（ａ），図１（ｂ）に示したノズル１３とは形状、サイズの異なるノズルを用いて実験を行ったが、図１（ａ），図１（ｂ）に示したノズル１３を用いたとしても、本実施例と同様の効果が得られることは勿論のことである。

本発明の好適一実施の形態に係る金属材の疲労強度向上方法を説明するための図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）の１ｂ−１ｂ線断面図である。 ＳＰ処理及びＣＳＰ処理の残留応力分布を示す図である。 軟窒化処理＋ＳＰ処理材と、軟窒化処理＋ＣＳＰ処理材の残留応力分布を示す図である。 ＣＳＰ試験片の残留応力分布を示す図である。 クランクシャフトと低圧ノズルのクリアランスと、壊食量との関係を示す図である。 ＣＳＰ処理時間が残留応力分布に及ぼす影響を示す図である。 疲労試験片形状を示す平面図である。 軟窒化処理条件を示す図である。 気中ＣＳＰ処理の模式図である。 各試験片の表面粗さ分布を示す図である。図１０（ａ）はＮＨ試験片、図１０（ｂ）はＣＳＰ試験片である。 各試験片の横断面顕微鏡観察図である。図１１（ａ）はＮＨ試験片、図１１（ｂ）はＣＳＰ試験片である。 各試験片の硬さ分布を示す図である。 各試験片の残留応力分布を示す図である。 各試験片の曲げ疲労試験時におけるＳ−Ｎ線図である。 各試験片における破面のマクロ観察図である。図１５（ａ）はＮＨ試験片、図１５（ｂ）はＣＳＰ試験片である。 各試験片における破面のＳＥＭ観察図である。図１６（ａ）はＮＨ試験片、図１６（ｂ）はＣＳＰ試験片である。 ＮＨ試験片及びＣＳＰ試験片における疲労試験前後の残留応力分布を示す図である。

符号の説明

１１ クランクシャフト（金属材）

Claims (12)

1. 耐摩耗性と疲労強度が共に要求される金属材の疲労強度を向上させる方法において、上記金属材に軟窒化処理を施して金属材表面に硬い化合物層を形成した後、その化合物層にキャビテーション・ショットレス・ピーニング（以下、ＣＳＰという）処理を施し、化合物層を破壊、剥離させることなく、金属表面に圧縮残留応力を導入することを特徴とする金属材の疲労強度向上方法。
2. 疲労強度が要求される応力集中部の上記化合物層にＣＳＰ処理を施す請求項１記載の金属材の疲労強度向上方法。
3. 上記ＣＳＰ処理のアークハイトが０．０６ｍｍＮ以上である請求項１又は２記載の金属材の疲労強度向上方法。
4. 上記金属材の被ＣＳＰ処理面に二重管構造のノズルを近接して設けると共に、そのノズルの内層側を高圧ノズル、外層側を低圧ノズルとし、金属材の被ＣＳＰ処理面に上記ノズル先端から高圧及び低圧のキャビテーション噴流を噴射し、上記化合物層にＣＳＰ処理を行う請求項１から３いずれかに記載の金属材の疲労強度向上方法。
5. 上記被ＣＳＰ処理面に対して、上記両ノズルの先端位置をオフセット配置し、上記高圧ノズルの先端位置を上記低圧ノズルの先端位置よりも被ＣＳＰ処理面から離して設ける請求項４記載の金属材の疲労強度向上方法。
6. 上記高圧ノズルのノズル径を０．８ｍｍ、上記低圧ノズルのノズル径を１３ｍｍとし、高圧ノズルから３０ＭＰａの圧力で、低圧ノズルから０．３ＭＰａの圧力でキャビテーション噴流をそれぞれ気中噴射する請求項４又は５記載の金属材の疲労強度向上方法。
7. 上記オフセット量が８〜１２ｍｍである請求項４から６いずれかに記載の金属材の疲労強度向上方法。
8. 上記低圧ノズルと上記被ＣＳＰ処理面とのクリアランスが０．５〜２．５ｍｍである請求項４から７いずれかに記載の金属材の疲労強度向上方法。
9. 上記ノズルからのキャビテーション噴流による上記被ＣＳＰ処理面の所定箇所の処理時間が５〜１５秒である請求項４から８いずれかに記載の金属材の疲労強度向上方法。
10. 金属材表面に軟窒化処理による硬い化合物層を形成し、その化合物層にＣＳＰ処理を施して金属表面に圧縮残留応力を導入してなることを特徴とする金属製品。
11. 上記金属製品が、耐摩耗性が要求される摺動部と、その摺動部に近接した部分に曲げや捩り等の応力が集中する応力集中部とを有し、その応力集中部に上記ＣＳＰ処理を施してなる請求項１０記載の金属製品。
12. 上記金属製品がクランクシャフトであり、上記摺動部がピン部及びジャーナル部、上記応力集中部がフィレットＲ部である請求項１０又は１１記載の金属製品。
    

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