JP2010247244A - 金属製品の表面仕上げ方法 - Google Patents

Abstract

【課題】研削加工した金属表面の曲げ、捩じり疲労強度を向上させ、且つ、摺動部である表面の摩擦係数、磨耗量を低減させることのできる金属製品の表面仕上げ方法の提供。
【解決手段】金属製品における機械加工した金属表面に粒径が大きい鋼球のショットにより第１のショットピーニングを行う工程（Ｓ１）と、第１のショットピーニングを施した金属表面に第１のショットピーニングで用いたショットよりも小径で且つ潤滑性のある材質のショットにより第２のショットピーニングを行う工程（Ｓ２）とを有することを特徴としている。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば自動車用トランスミッションのギヤのような金属製品の表面仕上げ方法に関する。

自動車用トランスミッションのギヤのように、常時大きな曲げ応力及び捩じり応力を発生するような金属製品の表面には、曲げ、捩じり疲労強度を向上させる目的でショットピーニング加工が施される。
係るショットピーニング加工は、粒径が０．０５〜１．０ｍｍの鋼球を用いて１〜３回若しくはそれ以上の処理工程で行っている。

ここで、ショットピーニングを施した金属部材は、表面に付加された圧縮残留応力により、曲げ・捩じり疲労強度は向上するものの、金属表面の面粗度が悪化するため、摺動による磨耗係数の減少や磨耗量が増加する傾向にあった。
自動車用トランスミッションのギヤのように、常時大きな曲げ応力及び捩じり応力を受けるような金属製品では、切削加工した金属表面の曲げ・捩じり疲労強度を向上させるだけではなく、摺動部である表面の摩擦係数や磨耗量の低減が求められている。自動車用トランスミッションのギヤ等では、高速回転時には油膜切れが生じる場合があり、そのような場合には磨耗係数が増大して接触表面が引っ張られてクラッキングが生じ易いため、摺動部である表面の摩擦係数や磨耗量の低減が要請されているのである。

従来技術におけるショットピーニング処理において、粒径が０．２ｍｍ以下のショットで２〜３回、金属表面の面粗度を改善した後、固体潤滑剤として錫、モリブデン等を使用する例もある。しかし、処理工程が増加するため、時間とコストが増大してしまうと言う問題があった。

その他の従来技術として、例えば、ショットピーニング処理を２段階に分けて行い、ギヤの歯元部の曲げ疲労強度を向上させるギヤの製造方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
従来技術（特許文献１）では、表面硬化処理の後、第１段階では粒径が０．８〜１．０ｍｍの鋼球を用いて歯元フィレット部にショットピーニング加工を施し、第２段階では、０．３〜０．８ｍｍの鋼球を用いて表面の平滑化と圧縮残留応力及び表面硬さの向上を行っている。しかし、この２回に分けたショットピーニングは、鋼球の大きさに大きな差が無い。そして、疲労強度の向上や、摩擦係数及び磨耗量の低減という効果を奏していない。

上記従来技術の他に、ショットピーニングに関する技術として種々提案がされているが（例えば、特許文献２〜特許文献４参照）、上述した問題点を解消するものではない。

特開平５−７１６４８号公報 特開平３−３２５７３号公報 特開平４−１３５７３号公報 特開平６−７６８号公報

本発明は上述した従来技術の問題点に鑑みて提案されたものであり、金属製品の表面における曲げ、捩じり疲労強度を向上させるとともに、摺動部の摩擦係数、磨耗量を低減させることのできる金属部品の表面仕上げ方法の提供を目的としている。

発明者は、種々の研究の結果、ショットピーニングによって残留応力を付加する場合、鋼球の粒径によって、残留応力の分布は異なることに着目した。
図１２は、加工対象物に粒径が０．６〜０．８ｍｍを用いてショットピーニングを施した場合の、処理面の表面からの深さとその深さでの残留応力の大きさを特性曲線σＡとして示している。
また、図１３は、加工対象物に粒径が０．０５〜０．２ｍｍを用いてショットピーニングを施した場合の、処理面の表面からの深さとその深さでの残留応力の大きさを特性曲線σＢとして示している。
図１２、図１３を比較して明らかなように、粒径が大きい場合（図１２）は、主として表面よりも内部に残留圧縮応力が生じており、一方、粒径が小さい場合（図１３）は、表面に近い領域に大きな残留圧縮応力が生じている。
本発明は、係る知見に基づいて提案されたものである。

本発明の金属部品の表面仕上げ方法は、金属製品における機械加工した金属表面に粒径が大きい鋼球のショットにより第１のショットピーニングを行う工程（Ｓ１）と、第１のショットピーニングを施した金属表面に第１のショットピーニングで用いたショットよりも小径で且つ潤滑性のある材質のショットにより第２のショットピーニングを行う工程（Ｓ２）とを有することを特徴としている（請求項１）。

ここで、第１のショットピーニングを行うショットである前記粒径が大きい鋼球は、粒径が０．４ｍｍ〜１．０ｍｍ、好ましくは０．６ｍｍ〜０．８ｍｍである。
そして、第２のショットピーニングを行うショットの粒径は０．３ｍｍ以下、好ましくは０．０５ｍｍ〜０．２ｍｍである。

本発明において、前記第２のショットピーニングを行う工程で用いるショットは、錫、亜鉛、モリブデン、フッ素樹脂の何れかであるのが好ましい（請求項２）。
あるいは、前記第２のショットピーニングを行う工程で用いるショットは、粒径が小さな鋼球に、錫、亜鉛、モリブデン、フッ素樹脂の何れかをコーティングしたものであるのが好ましい（請求項３）。
ここで、本発明の実施に際して、前記金属製品は常時大きな曲げ応力及び捩じり応力を発生する金属製品、例えば歯車であるのが好ましい（請求項４）。

上述する構成を具備する本発明によれば、第１のショットピーニング（Ｓ１）を行うことにより、金属製品（例えば、自動車用トランスミッションのギヤ等）に残留圧縮応力が付加され、金属製品の曲げ・ねじり疲労強度の向上が図られる。
ここで、第１のショットピーニング（Ｓ１）に際しては、粒径が大きなショットが用いられるので、残留圧縮応力のピークが金属製品の表面よりも内側の領域で生じる。
それに加えて本発明では、第１のショットピーニング（Ｓ１）で用いられたショットよりも小径のショットにより第２のショットピーニング（Ｓ２）が行われ、第２のショットピーニングによる残留圧縮応力のピークは金属製品の表面近傍に生じる。その結果、本発明によれば、金属製品の表面よりも内側の領域の残留圧縮応力に加えて、表面近傍の残留圧縮応力が高くなるため、金属製品の曲げ・ねじり疲労強度が、より一層向上する。

それに加えて、本発明によれば、第２のショットピーニング（Ｓ２）で用いられるショットは潤滑性の高い材料であるので、施工対象である金属表面に潤滑性の高い材料が付着する。そのため、施工対象である金属製品の摩擦係数および磨耗量は、付着した潤滑性の高い材料によって大幅に低減される。
すなわち、本発明によれば、金属製品の曲げ・ねじり疲労強度の向上とともに、摩擦係数の低下が図られ、耐摩耗性が向上する。

本発明の実施形態の手順を示すフローチャートである。 実験例１に先立って行った試験における金属表面からの深さと圧縮残留応力との関係を示す特性図である。 実験例１における金属表面からの深さと圧縮残留応力との関係を示した特性図である。 実験例１における疲労線図である。 実験例１の摩擦係数と、比較例の摩擦係数を示す図である。 実験例２における金属表面からの深さと圧縮残留応力との関係を示した特性図である。 実験例２における疲労線図である。 実験例２の摩擦係数と、比較例の摩擦係数を示す図である。 実験例３における金属表面からの深さと圧縮残留応力との関係を示した特性図である。 実験例３のサンプルの表面組織を示した電子顕微鏡写真（倍率４００倍）である。 実験例３のサンプルの内部組織を示した電子顕微鏡写真（倍率４００倍）である。 粒径の大きな鋼球でショットピーニング加工を行った際の被加工物の表面からの深さと残留応力値との関係を示した特性図である。 粒径の小さな鋼球でショットピーニング加工を行った際の被加工物の表面からの深さと残留応力値との関係を示した特性図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
長時間高負荷で稼動する金属部品、例えば、自動車のトランスミッション用ギヤ等では、歯元に常時大きな曲げとねじり及び転動（ピッチング）が同時に作用している。
例えば自動車のトランスミッション用ギヤのように、常時大きな曲げとねじりが作用する金属製品に対して、または、噛み合う歯の接触面に転動（ピッチング）が同時に作用する金属部品に対して、図示の実施形態は適用される。

図示の実施形態に係る金属製品の表面仕上げ方法の手順の概要が、図１において、フローチャートとして示されている。
図１のステップＳ１では、例えば、機械加工によって成形された自動車のトランスミッション用ギヤに、第１のショットピーニングが施される。
第１のショットピーニングに使用するショットは鋼球であり、その粒径は比較的大きく、例えば０．４〜１．０ｍｍの範囲から設定される。

ステップＳ２では、第１のショットピーニングを施した金属表面に、第２のショットピーニングを施す。
第２のショットピーニングで使用されるショットは、潤滑性のある素材、例えば、固体潤滑材として用いられる錫、亜鉛、モリブデン、フッ素樹脂の内の何れかの粒体である。そして、第２のショットピーニングで使用されるショットの粒径は比較的小さく、例えば０．３ｍｍ以下である。
或いは、第２のショットピーニングに使用するショットは、鋼球に、潤滑性のある素材、例えば、固体潤滑材として用いられる錫、亜鉛、モリブデン、フッ素樹脂の内の何れかをコーティングしたものであり、その粒径は、例えば０．３ｍｍ以下である。

［実験例１］
図２〜図５は、実験例１を示している。
実験例１では、金属製品として自動車のトランスミッション用ギヤを選択し、粒径０．８ｍｍの鋼球を用いて１回目のショットピーニングを施し、その後、粒径０．２ｍｍの錫の粒子により２回目のショットピーニングを施している。
実験例１の説明に先立って、粒径の異なる２種類の鋼球を用いたショットピーニングを行った場合において、自動車のトランスミッション用ギヤの表面からの深さと残留応力との関係を示す図２について、説明する。
図２及び図３で示す実験で使用された金属製品の材質としては、ＪＩＳ Ｇ ４０５４におけるＳＣＭ４２０Ｈに浸炭焼入れを行ったものと、ＳＣｒ４２０Ｈに浸炭焼入れを行ったものが選択されている。

図２において、特性線σＡは、粒径０．８ｍｍの鋼球（粒径が大きい鋼球）をショットとして用いたショットピーニングを施した場合において、金属製品の表面からの深さと残留応力との関係を示している。
特性線σＢは、粒径０．２ｍｍの鋼球（粒径が小さい鋼球）をショットして用いたショットピーニングを施した場合において、金属製品の表面からの深さと残留応力との関係を示している。
特性線σＣ線は、粒径０．８ｍｍの鋼球をショットとして用いたショットピーニングを施した後、粒径０．２ｍｍの鋼球をショットとして用いたショットピーニングを施した場合において、金属製品の表面からの深さと残留応力との関係を示している。

図２で明らかなように、特性線σＣは、特性線σＡと特性線σＢとを重畳させた特性となっている。
このことから、大径のショットを用いたショットピーニング（Ｓ１）の後、それよりも小径のショットによるショットピーニング（Ｓ２）を行えば、残留圧縮応力のピークは金属製品の表面近傍に生じることが明らかである。このことは、図示の実施形態によれば、金属製品の表面よりも内側の領域の残留圧縮応力に加えて、表面近傍の残留圧縮応力が高くなるため、金属製品の曲げ・ねじり疲労強度が、より一層向上することを意味している。

ここで、図２では、２回目のショットピーニング（特性線σＢ）として、粒径０．２ｍｍの鋼球ショットを使用した場合について示しているが、固体潤滑材の粒径０．２ｍｍの粒子（実験例１参照）、或いは、固体潤滑材をコーティングした粒径０．２ｍｍの鋼球（実験例２参照）を用いて、２回目のショットピーニングを行った場合についても、図２の特性線σＣと同様の結果を示すことが、発明者による図示しない実験の結果により明らかになっている。
なお、図２及び後述の図３において、縦軸のマイナス（−）は、圧縮応力であることを示している。

図３は、実験例１に係るショットピーニングを施している。すなわち、図３では、金属製品である自動車のトランスミッション用ギヤに、粒径０．８ｍｍの鋼球を用いて１回目のショットピーニングを施し、その後、粒径０．２ｍｍの錫の粒子により２回目のショットピーニングを施している。
図３では、実験例１に係るショットピーニングを施した自動車のトランスミッション用ギヤにおいて、表面からの深さと、残留応力との関係が、特性線σｄで示されている。
図３における特性線σａは、ショットピーニングを行わなかった金属片における、表面からの深さと残留応力との関係である。
図３から明らかなように、実験例１に係る自動車のトランスミッション用ギヤでは、ギヤの表面から、表面からの深さ１５０μｍに至る領域において、十分な圧縮残留応力が得られている（特性線σｄ参照）。

図４は、疲労試験の結果を示している。
図４において、実験例１に係る自動車のトランスミッション用ギヤの疲労特性が符号ＮＡで示されている。
また図４では、比較対象として、第１のショットピーニング（粒径０．８ｍｍの鋼球によるショットピーニング）のみを施したサンプルの疲労特性ＮＢと、ショットピーニングを行わない浸炭焼入れ材料のサンプルＮＣも示している。
図４から明らかなように、実験例１に係る自動車のトランスミッション用ギヤの疲労特性ＮＡは、比較例ＮＢ、ＮＣを上回っており、実験例１に係る表面処理を施した場合に疲労強度が向上している。

図５は、実験例１に係る自動車のトランスミッション用ギヤの摩擦係数（図５における「錫ショット」）と、粒径０．８ｍｍの鋼球によるショットのみを行なったサンプル（比較例）の摩擦係数（図５における「鋼球ショット」）とを比較して示している。
図５において、比較例（鋼球ショット）の摩擦係数が約０．４５であるのに対して、実験例１（錫ショット）では約０．１４であり、摩擦係数が大幅に低減している。
なお、固体潤滑材として、錫に代えて、亜鉛、モリブデン、フッ素樹脂を用いた場合でも、摩擦係数が大幅に減少することが、図示しない実験により確認されている。

上述したように、実験例１によれば、自動車のトランスミッション用ギヤの表面からそれよりも深い領域に至るまで、高い残留圧縮応力が付加され、ギヤの曲げ・ねじり疲労強度の向上が図られる。
そして、第２のショットの潤滑性の高い材料、錫が金属表面に付着し、付着した錫によって摩擦係数および摩耗量が大幅に低減して、耐摩耗性が向上した

［実験例２］
図６〜図８は、実験例２を示している。
実験例１では、第２回目のショットピーニングに用いるショットとして、粒径０．２ｍｍの錫の粒子を用いている。
これに対して、実験例２では、第２回目のショットピーニングに用いるショットとして、錫をコーティングした粒径０．２ｍｍの鋼球を用いている。
実験例２においても、試験サンプルとしては、実験例１と同素材の自動車のトランスミッション用ギヤが選択されている。

図６において、実験例２を施した自動車のトランスミッション用ギヤの表面からの深さと、残留応力の大きさとの関係を、特性線σｆで示している。
図６の特性線σｆと図３の特性線σｄとを比較すれば、実験例２においても実験例１と同程度の圧縮残留応力が得られている。

図７は、実験例２を施した自動車のトランスミッション用ギヤの疲労強度特性を、符号「ＮＦ」で示している。
図７においても、比較対象として、粒径０．８ｍｍの鋼球によるショットピーニングのみを施したサンプルの疲労強度特性（符号ＮＢ）と、ショットピーニングを施していない浸炭焼入れ材料の疲労強度特性（符号ＮＣ）とを示している。
図７から明らかなように、実験例２を施した自動車のトランスミッション用ギヤの疲労強度（特性ＮＦ）は、比較対象（特性ＮＢ、ＮＣ）を上回っている。
このことから、実験例２の表面処理を施せば、疲労強度が向上することが確認された。

図８は、粒径０．８ｍｍの鋼球によるショットピーニングのみを施したサンプル（比較例：図８の「鋼球ショット」）の摩擦係数と、第２実験例を施した自動車のトランスミッション用ギヤの摩擦係数（図８の「錫ショット」）とを比較して示している。
図８によれば、比較例（粒径０．８ｍｍの鋼球によるショットピーニングのみ）の摩擦係数が約０．４５であるのに対して、第２実験例では、約０．１６であり、やはり摩擦係数が大幅に低減している。
なお、粒径０．２ｍｍの鋼球にコーティングする固体潤滑材を、錫に代えて、亜鉛、モリブデン、フッ素樹脂を用いた場合でも、摩擦係数が大幅に減少することが、図示しない実験により確認されている。

上述した実験例２においても、実験例１と同様に、金属製品の曲げ・ねじり疲労強度が向上した。それと共に、摩擦係数が大幅に低減し、耐摩耗性が向上した。

［実験例３］
実験例３では、表面処理の対象である金属の硬度がＨＲＣ４５以下では、疲労強度の向上と、摩擦係数の低減という効果が殆ど発揮されないことを確認した。
図９〜図１１は、係る実験例３を示している。
図９は、自動車の緩衝用バネ鋼材（硬度：ＨＲＣ３９）に対して、鋼球０．８ｍｍの鋼球により第１のショットピーニングを施工した後、鋼球０．２ｍｍの錫の粒子をショットにして第２のショットピーニングを施した場合における、自動車の緩衝用バネ鋼材表面からの深さと、残留応力の大きさとの関係を示している（特性線σｅ）。

図９における、金属表面から２５μｍ毎の深さ毎の残留応力の値（単位はＭＰａ）を、下表に示す。
表

図９に示すとおり、施工後のバネ鋼表面の残留圧縮応力は、約３００ＭＰａであり、内部における残留圧縮応力は、約５００ＭＰａである。
図９及び上表から明らかなように、実験例３では、自動車の緩衝用バネ鋼材表面の圧縮残留応力は上昇していない。
したがって、疲労強度は向上しないことが理解出来る。

図１０、図１１は、実験例３の実験後の表面組織及び内部組織（ソルバイト組織）の電子顕微鏡写真（何れも倍率は４００倍）を示している。
図１０では硬さはＨＲＣ３９であり、図１１では硬さはＨＲＣ４２であった。
このことから、第１及び第２のショットピーニングを施す前の段階においても、自動車の緩衝用バネ鋼材の硬さは、ＨＲＣ４５未満であることが推定できる。

明示はされていないが、第２のショットピーニングとして、錫をコーティングした粒径０．２ｍｍの鋼球をショットとして用いた場合においても、発明者の実験によれば、自動車の緩衝用バネ鋼材表面の圧縮残留応力は上昇していない。そのため、疲労強度も向上しないと推定される。

図示の実施形態はあくまでも例示であり、本発明の技術的範囲を限定する趣旨の記述ではないことを付記する。

Claims (4)

1. 金属製品における機械加工した金属表面に粒径が大きい鋼球のショットにより第１のショットピーニングを行う工程と、第１のショットピーニングを施した金属表面に第１のショットピーニングで用いたショットよりも小径で且つ潤滑性のある材質のショットにより第２のショットピーニングを行う工程とを有することを特徴とした金属製品の表面仕上げ方法。
2. 前記第２のショットピーニングを行う工程で用いるショットは、錫、亜鉛、モリブデン、フッ素樹脂の何れかである請求項１記載の金属製品の表面仕上げ方法。
3. 前記第２のショットピーニングを行う工程で用いるショットは、粒径が小さな鋼球に、錫、亜鉛、モリブデン、フッ素樹脂の何れかをコーティングしたものである請求項１記載の金属製品の表面仕上げ方法。
4. 前記金属製品は、常時大きな曲げ応力及び捩じり応力を発生する金属製品である請求項１〜請求項３の何れか１項の金属製品の表面仕上げ方法。

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