JP2010125548A - ショットピーニング用投射材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】材料コストを抑えつつ、安定した高硬度化を実現することが可能なショットピーニング用投射材の製造方法を提供することを課題とする。
【解決手段】投射材製造工程Ｓ１０では、焼き入れ性のある鋼を材料として用い、焼き入れ工程Ｓ２０にて、水アトマイズ法によって焼き入れ処理を施した粒体４を形成した後、焼き戻し工程Ｓ３０にて、粒体４を加熱炉５内で所定の温度（１３０℃〜２３０℃、より好ましくは１６０℃〜２００℃）で所定時間焼き戻し、加工硬化工程Ｓ４０にて、ショットピーニング機６を用いて粒体４をターゲット材７に投射・衝突させることによって、粒体４に応力を加える加工硬化処理を施す。
【選択図】図２

Description

本発明は、ショットピーニング用投射材の製造方法に関する。

従来、ギア、シャフト等の自動車部品の疲労強度を向上するために、硬質粒子を部品へ投射することにより、部品表面に圧縮残留応力を加えるショットピーニング処理の技術が広く知られている。

近年、自動車車両軽量化ニーズに伴い、部品小型化が求められている。これにより、更なる部品疲労強度の向上が必要とされている。そのため、ショットピーニング分野において、より高硬度な投射材を製造する技術の要請が強い。
また、ショットピーニング処理において、より安定した品質保証のために、投射材硬度の調整・管理技術が求められている。

例えば、高硬度投射材として、セラミック、アモルファス金属、ＷＣ複合金属等が市販され、利用されているが、材料コストが高く実用的ではない。
また、材料コストの比較的安い鋼素材の硬度向上技術の一例である焼き入れ、焼き入れ焼き戻しのみでは、高硬度化に限界があり、十分な硬度を担保することは困難であった。

上記のような課題を解決する一手段として、金属ショット材の表面に、同材の硬度と同等以上の硬度を有するショットを噴射し、金属ショット材の表面付近に高温となる局部的な温度上昇を生じさせ、所定温度以上に昇温させて、その後急冷して、金属ショット材の疲労強度を向上する技術が特許文献１に開示されている。
特許文献１に開示される金属ショット材の製造方法によれば、表面硬度を向上できる。さらに、金属ショット材にショットを投射する工程を繰り返す過程で、金属ショット材を所定温度以上に昇温することによって焼き入れ処理を行ない、また、所定温度より低い温度となる場合等に金属ショット材を焼き戻す処理が行なわれる。これにより、金属ショット材の靭性も向上できる。
しかしながら、ショットを金属ショット材に噴射する工程を繰り返していく際に、偶然的に金属ショット材の靭性を向上する過程が含まれることとなり、金属ショット材全体の靭性を十分に管理できず、金属ショット材の安定した量産管理に向かない点で不利である。また、特許文献１等に開示される技術を用いた場合、コストの低い材料を用いて十分な高硬度化を実現することは困難であった。
特開平８−３６３３号公報

本発明は、材料コストを抑えつつ、安定した高硬度化を実現することが可能なショットピーニング用投射材の製造方法を提供することを課題とする。

請求項１に記載のショットピーニング用投射材の製造方法は、ショットピーニング処理に用いる投射材を製造するショットピーニング用投射材製造方法であって、前記投射材を急冷によって焼き入れる焼き入れ工程と、前記投射材を所定の焼き戻し温度で焼き戻す焼き戻し工程と、前記投射材に応力を加えて加工硬化させる加工硬化工程と、を含み、前記投射材の材料として鋼を用いる。

請求項２に記載のように、前記所定の焼き戻し温度は、１３０℃〜２３０℃の範囲内で設定されることが好ましい。

請求項３に記載のように、前記所定の焼き戻し温度は、１６０℃〜２００℃の範囲内で設定されることが好ましい。

本発明によれば、材料コストを抑えつつ、安定した高硬度化を実現できる。

以下では、図１を参照して、本発明に係るショットピーニング用投射材の実施の一形態であるショットピーニング用投射材（以下「投射材」と記す。）１について説明する。
投射材１は、所定の粒径を有する鋼製のショット材である。この投射材１がショットピーニング機２によってターゲット部品３に向かって投射されて、ターゲット部品３と衝突して、その表面に圧縮残留応力を付与することによって、ターゲット部品３の疲労強度を向上する。
ショットピーニング機２は、圧縮エア等によって投射材１を投射する装置であり、投射材１を所定距離離間した位置に配置されるターゲット部品３に向けて、所定の速度にて投射する。
ターゲット部品３は、例えばギア、シャフト等の自動車部品であり、ショットピーニング機２によって投射材１をその表面に投射・衝突させることにより当該表面に圧縮残留応力が付与される、ショットピーニング処理の対象物である。

以下では、図２〜図５を参照して、投射材１を製造する投射材製造工程Ｓ１０について説明する。
図２に示すように、投射材製造工程Ｓ１０は、焼き入れ工程Ｓ２０、焼き戻し工程Ｓ３０、加工硬化工程Ｓ４０等を具備する。

図３に示すように、焼き入れ工程Ｓ２０は、投射材１の材料となる鋼を溶融させた状態（溶湯状態）で水中に噴霧することによって、所定の径を有する急冷粒体を得る、いわゆる水アトマイズ法を用いる熱処理工程である。
焼き入れ工程Ｓ２０では、造粒の材料として焼き入れ性のある鋼が用いられる。この鋼が溶融状態、つまりオーステナイト組織の状態で水中に噴霧されることにより、急冷されてマルテンサイト組織の状態になる、いわゆる焼き入れが行われている。この焼き入れ工程Ｓ２０を経ることによって、投射材１の材料である鋼が所定の粒径を有する粒体４として形成され、かつ、焼き入れによって硬度が増大した状態となる。また、この焼き入れ工程Ｓ２０によって、粒体４の靭性が低下している。
なお、焼き入れ工程Ｓ２０は、水アトマイズ法を用いる工程に限定されず、ガスアトマイズ法、ディスクアトマイズ法等、溶融状態の金属材料を用いて急冷粒体を得る工程でも良く、急冷による焼き入れが行われる工程であれば良い。

図４に示すように、焼き戻し工程Ｓ３０は、焼き入れ工程Ｓ２０にて形成された粒体４を加熱炉５内にて所定時間加熱し、その後徐冷する熱処理工程である。
焼き戻し工程Ｓ３０では、焼き入れ後の粒体４を、炉内の温度を一定温度に調整可能な加熱炉５内で、所定の温度（１３０℃〜２３０℃、より好ましくは、１６０℃〜２００℃）で、所定時間加熱することにより焼き戻している。このように比較的低温で焼き戻すことにより、焼き入れ時にマルテンサイト組織化せずに残留したオーステナイト組織（残留オーステナイト）が焼き戻し後も残留する状態を作り出している。また、この焼き戻し工程Ｓ３０により、焼き入れ工程Ｓ２０によって低下した粒体４の靭性が向上されている。
なお、焼き戻し工程Ｓ３０は、加熱炉５内にて加熱する工程に限定されず、所定の温度にて焼き戻しが行われる工程であれば良い。但し、粒体４の靭性、ひいては投射材１の靭性を確保して使用寿命を担保する観点から、焼き戻しの効果が十分に得られる温度（１３０℃）以上で焼き戻すことが望ましい。

図５に示すように、加工硬化工程Ｓ４０は、焼き戻し工程Ｓ３０にて焼き戻された粒体４を、ショットピーニング機６を用いて所定回数繰り返してターゲット材７に投射することにより、粒体４の硬度を向上する加工処理工程である。
加工硬化工程Ｓ４０では、焼き戻し後の粒体４を、ショットピーニング機６を用いて所定条件（所定速度、所定距離等）下で、粒体４と同程度又はそれ以上の硬度を有するターゲット材７に向けて投射することにより、粒体４とターゲット材７とを衝突させて粒体４の表面を加工硬化している。このとき、粒体４内の残留オーステナイトが加工誘起してマルテンサイト化するため、粒体４の硬度がより向上する。この粒体４の投射を所定回数（又は所定時間）繰り返すことによって、十分に加工硬化された粒体４が得られる。
なお、加工硬化工程Ｓ４０における投射条件（投射速度、投射距離等）は、粒体４の大きさ、質量等に応じて適宜変更可能である。
また、加工硬化工程Ｓ４０は、ショットピーニング機６を用いてターゲット材７に投射・衝突させることによって粒体４に衝撃力を加える工程に限定されず、粒体４に所定の応力を加え、粒体４を塑性変形させて硬化させる工程であれば良い。

上述の焼き入れ工程Ｓ２０→焼き戻し工程Ｓ３０→加工硬化工程Ｓ４０を順に経て得られた粒体４が投射材１として、ショットピーニング機２を用いてターゲット部品３に投射・衝突させるショットピーニング処理に用いられる。

以上のように、投射材製造工程Ｓ１０では、焼き入れ性のある鋼を材料として用い、焼き入れ工程Ｓ２０にて、水アトマイズ法によって焼き入れ処理を施した粒体４を形成した後、焼き戻し工程Ｓ３０にて、粒体４を加熱炉５内で所定の温度で所定時間焼き戻し、加工硬化工程Ｓ４０にて、ショットピーニング機６を用いて粒体４をターゲット材７に投射・衝突させることによって、粒体４に応力を加え塑性変形を引き起こして加工硬化させるので、投射材１の材料コストを抑えつつ、安定した高硬度化を実現できる。
また、加工硬化工程Ｓ４０において十分に加工硬化処理が施された投射材１をショットピーニング処理に用いることによって、ショットピーニング処理中の投射材１の硬度変化が抑制され、品質の安定したショットピーニング処理が可能となる。

以下では、図６を参照して、焼き戻し工程Ｓ３０において、焼き戻し温度を変更した場合の粒体４の硬度の推移について説明する。なお、図６において、横軸は焼き戻し温度（℃）、縦軸は硬度（Ｈｖ）を示す。
図６は、焼き戻し工程Ｓ３０において焼き戻し温度を変更した場合における焼き戻し温度Ｔと、焼き戻し処理後の粒体４の硬度Ｈ１及び加工硬化処理後の粒体４の硬度Ｈ２との関係を示しており、より具体的には、異なる焼き戻し温度Ｔにて焼き戻し処理を経た検体Ｂ１〜Ｂ５に対して、加工硬化工程Ｓ４０と同様の加工硬化処理を施した場合の焼き戻し処理後の硬度Ｈ１と加工硬化処理後のＨ２を適宜の測定装置を用いて測定した結果を示す。

以下では、検体Ｂ１〜Ｂ５に施した一連の処理を示す。
全ての検体Ｂ１〜Ｂ５に対して、水アトマイズ法により造粒された平均粒径７０μｍの鋼製の粒体を用いることによって焼き入れ処理を施した。
検体によって焼き戻し温度を変更して（Ｂ１：１５０℃、Ｂ２：１８０℃、Ｂ３：２３０℃、Ｂ４：２５０℃、Ｂ５：２９０℃）、焼き戻し処理を施した。
全ての検体Ｂ１〜Ｂ５に対して、エア圧力式のショットピーニング機を用いて適宜の加工硬化処理を施した。なお、その際の投射条件は、（エア圧：０．１２ＭＰａ、エア流量：１．３ｍ^３／ｍｉｎ、ショット重量：２．２ｋｇ／ｍｉｎ、ターゲット材質：ＳＫ３焼き入れ、投射距離：１５ｍｍ）とした。

図６に示すように、焼き戻し処理後に加工硬化処理を行うことによって、全ての検体Ｂ１〜Ｂ５の硬度を向上することができた。これは、検体Ｂ１〜Ｂ５に応力を加えることによって塑性変形が起こり、硬化したことに加えて、焼き戻し処理時の検体Ｂ１〜Ｂ５の残留オーステナイトが、加工硬化処理時に加工誘起されてマルテンサイト化したことによる。

また、図６に示すように、従来の焼き戻し温度域内（２５０℃〜２９０℃）で焼き戻した検体Ｂ４及びＢ５では、焼き戻し後の硬度Ｈ１がＨｖ６５０〜Ｈｖ７００程度、加工硬化後の硬度Ｈ２がＨｖ７００〜Ｈｖ８００程度であるのに対し、本発明における焼き戻し温度域内（１３０℃〜２３０℃）で焼き戻した検体Ｂ１〜Ｂ３では、焼き戻し後の硬度Ｈ１がＨｖ６５０〜Ｈｖ８００程度、加工硬化後の硬度Ｈ２がＨｖ８５０以上と高硬度化が達成された。これは、検体内に残留する残留オーステナイトの量の多少に起因する。つまり、焼き戻し処理における焼き戻し温度の高低（焼き戻しの程度の多少）に起因する。
以上のように、加工硬化処理後の検体Ｂ１〜Ｂ３に対して、鋼を材料とする投射材としては非常に高硬度であるＨｖ８５０を達成でき、特に検体Ｂ１及びＢ２ではＨｖ９５０を達成できた。これは、加工硬化処理による硬度向上に加えて、比較的低温域で焼き戻したことにより、焼き戻し後もオーステナイト組織が多く残留し、その残留オーステナイトが加工硬化処理時に加工誘起することによってマルテンサイト化し、硬度が向上したためである。

なお、図６によれば、焼き戻し温度Ｔが低温であればあるほど、加工硬化処理後の硬度が増加する傾向があるが、靭性を向上するという本来の焼き戻しの効果を奏するためには、１３０℃以上で焼き戻されていることが必要であり、さらに、投射材１として用いるための繰り返し使用寿命を担保するという観点からは、１６０℃以上で焼き戻されていることが望ましい。このため、本発明では、焼き戻し工程Ｓ３０における焼き戻し温度の好ましい温度域として、１３０℃以上を採用し、より好ましい温度域として、１６０℃以上を採用している。
また、図６によれば、焼き戻し温度Ｔが２３０℃程度のときに、加工硬化処理後の硬度Ｈ２がＨｖ８５０以上となることが読み取れるが、実際の投射材１の製造工程における製造環境、品質管理、量産性等を考慮し、本発明では、加工硬化処理後の硬度Ｈ２についてＨｖ８５０以上（本明細書における「高硬度」）を確実に達成する２００℃以下を焼き戻し工程Ｓ３０における焼き戻し温度のより好ましい温度域として採用している。

また、投射材製造工程Ｓ１０によって製造される投射材１の所望の硬度に応じて、焼き戻し工程Ｓ３０における焼き戻し温度を選択することが可能である（例えば、Ｈｖ９５０以上の硬度を所望する場合の焼き戻し温度は１３０℃〜１８０℃とする。）。言い換えれば、焼き戻し工程Ｓ３０において、焼き戻し温度を調整することによって、投射材１の硬度を調整可能である。

以下では、図７を参照して、本発明の投射材製造工程Ｓ１０によって製造された投射材１を、ショットピーニング機２を用いてターゲット部品３に投射した場合に奏する効果について説明する。なお、図７において、横軸はターゲット部品３の表面からの深さ（μｍ）、縦軸は圧縮残留応力（ＭＰａ）を示す。
図７は、表１に示す投射材Ｅ１〜Ｅ４を用いて、表２に示す条件下でショットピーニング機２を用いて、ターゲット部品３に投射した場合のターゲット部品３に付与される圧縮残留応力を表３に示す条件下で測定した結果を示す。

表１に示すように、投射材Ｅ１は、本発明の投射材製造工程Ｓ１０（焼き戻し工程Ｓ３０における焼き戻し温度は１８０℃）によって製造された投射材であり、投射材Ｅ２は、本発明の投射材製造工程Ｓ１０（焼き戻し工程Ｓ３０における焼き戻し温度は２３０℃）によって製造された投射材であり、投射材Ｅ３は、高硬度投射材であるセラミック製投射材であり、投射材Ｅ４は、焼き入れ・焼き戻し処理のみを施した加工硬化未処理の鋼製投射材である。

図７に示すように、投射材Ｅ１を用いた場合は、投射材Ｅ３を用いた場合と同等の圧縮残留応力値を示している。つまり、材料コストの比較的安い鋼を用いた場合でも、材料コストの比較的高い（鋼製のものと比べて約２倍程度）セラミック製の投射材と同等の疲労強度向上を実現していることが分かる。
これは、焼き戻し工程Ｓ３０において、比較的低温域で焼き戻すことによって、残留オーステナイト量を多く残せることによる。つまり、この残留オーステナイトが加工硬化工程Ｓ４０において、加工誘起してマルテンサイト化するため、応力付与による塑性変形に起因する硬化に加えて、金属組織の遷移に起因する硬化が起きることによる。

また、Ｈｖ９５０程度の投射材Ｅ１より硬度は低いが、高硬度である（Ｈｖ８５０程度の）投射材Ｅ２（図６参照）を用いた例では、投射材Ｅ１と比較した場合に、付与される圧縮残留応力値は若干小さく、投射材Ｅ１及び投射材Ｅ３と同程度の値としての加工硬化は実現されていないが、投射材Ｅ４と比較した場合では、約１．５倍程度の十分に大きな圧縮残留応力を付与できており、投射材Ｅ２についても投射材Ｅ１と略同等の効果が得られていることが分かる。

一方、ショットピーニング処理においては、ショット数等に基づいて投射材の投射量を把握することがターゲット部品３の品質保証の観点で重要となる。つまり、所望の疲労強度を実現する投射量が予め設定されており、ショットピーニング処理において所定の投射量に到達していない場合は、ターゲット部品３の疲労強度が所望の値に到達していないと判断されている。
この点で、鋼製の投射材である投射材Ｅ１、Ｅ２、Ｅ４では、投射材の有する磁気を計測してショット数をカウントする適宜の磁気計測装置等によって容易にショット数をカウントすることができるのに対し、投射材Ｅ３のようなセラミック製の投射材はショット数計測が非常に困難であり、係る計測を可能とする特殊な計測装置が別途必要となる。このように、投射材Ｅ１は、安価な鋼を材料としつつ、セラミック製の投射材Ｅ３と同等の疲労強度向上を実現するとともに、ショットピーニング処理にかかる品質管理が簡単であるという点でも有利である。また、投射材Ｅ２についても、投射材Ｅ１と同様に安価な鋼を材料としつつ、セラミック製の投射材Ｅ３と略同等の疲労強度向上を実現するとともに、ショットピーニング処理にかかる品質管理が簡単であるという点で有利である。

本発明のショットピーニング用投射材の使用態様を示す図である。 本発明のショットピーニング用投射材の製造工程を示すフロー図である。 本発明の焼き入れ工程を示す図である。 本発明の焼き戻し工程を示す図である。 本発明の加工硬化工程を示す図である。 焼き戻し工程において焼き戻し温度を変更させた場合の、焼き戻し温度と焼き戻し工程後の硬度及び加工硬化工程後の硬度との関係を示す図である。 本発明のショットピーニング用投射材の製造工程によって製造されたショットピーニング用投射材及び比較用の投射材を用いてショットピーニング処理を行った場合の、被投射材に付与される圧縮残留応力値を示す図である。

符号の説明

１ 投射材（ショットピーニング用投射材）
２ ショットピーニング機
３ ターゲット部品
４ 粒体
５ 加熱炉
６ ショットピーニング機
７ ターゲット材

Claims (3)

1. ショットピーニング処理に用いる投射材を製造するショットピーニング用投射材製造方法であって、
   前記投射材を急冷によって焼き入れる焼き入れ工程と、
   前記投射材を所定の焼き戻し温度で焼き戻す焼き戻し工程と、
   前記投射材に応力を加えて加工硬化させる加工硬化工程と、を含み、
   前記投射材の材料として鋼を用いることを特徴とするショットピーニング用投射材製造方法。
2. 前記所定の焼き戻し温度は、１３０℃〜２３０℃の範囲内で設定される請求項１に記載のショットピーニング用投射材製造方法。
3. 前記所定の焼き戻し温度は、１６０℃〜２００℃の範囲内で設定される請求項１に記載のショットピーニング用投射材製造方法。

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