JP2011025348A - 軟質金属で被覆されたショットピーニング用粉末 - Google Patents

Abstract

【課題】 圧縮残留応力を付与するために使用されている鋼球にＳｎなどの軟質金属皮膜をめっきなどの方法で形成した粉末を用いてショットピーニングするためのショットピーニング用粉末を提供する。
【解決手段】 鋼球に軟質金属で被覆された粉末をショットピーニング用粉末とすることを特徴とする軟質金属で被覆されたショットピーニング用粉末。上記軟質金属がＳｎ、Ｓｎ合金、Ｚｎ、Ｚｎ合金であることを特徴とする軟質金属で被覆されたショットピーニング用粉末。
【選択図】 図２

Description

本発明は、軟質金属で被覆されたショットピーニング用粉末に関するものである。

摺動部の潤滑は油などの液体潤滑剤を使用して行われることが多いが、設計上の理由により液体潤滑剤を使用することができない場合や、真空中において使用されるなどのように使用環境における制約がある場合、固体潤滑剤が用いられる。また、近年、エネルギー問題への社会的要請が高まるにつれて、自動車用のエンジンやトランスミッションに使用される摺動部材のさらなる摩擦低減が求められている。

そのため摺動部に使用される液体潤滑材の摩擦抵抗を低減するために粘性の低いものが使用される傾向にあり、摺動部における潤滑材の厚みが薄くなり、摺動部材同士が接触する可能性のある境界潤滑環境で使用される軸受が増加しているため、境界潤滑環境下でも高い摺動性を持った、剥離寿命の長い部材の開発が必要とされており、固体潤滑剤で摺動部を被覆することが行われている。

この摺動部材への固体潤滑剤の被覆方法として、特開２００２−１６１３７１号公報（特許文献１）、特開２００７−１００５９号公報（特許文献２）にあげられるように、亜鉛や錫などの軟質金属粉末と二硫化モリブデンといった固体潤滑剤粉末の混合粉末や、軟質金属粉末もしくは固体潤滑剤粉末単体をショットピーニングする成膜技術が開示されている。特許文献１においては、二硫化モリブデンなどの固体潤滑剤粉末が軟質金属中に分散した被膜を形成することで、従来、密着強度が低かった固体潤滑剤単体の被膜の密着性を改善しているため、固体潤滑剤の潤滑性を保ったまま、耐久性の高い被膜を形成できるとしている。

また、特許文献２においては、摺動面に形成する被膜の被覆面積、厚み、表面粗さを制御することで摩擦係数が小さく、優れた摺動性能を有する摺動部材ができるとしている。また、［トライボロジー会議 ２００７年春 予稿集 第１２３〜１２４頁「固体潤滑剤ショットコーティングによる転がり軸受の長寿命化」］（非特許文献１）にあげられるように、錫もしくは亜鉛の軟質金属粉末を摺動部材にショットピーニングし、軟質金属被膜を形成することで摺動部材の摩擦係数を低減させる技術が開示されている。

また、摺動面の長寿命化のために、鋼球やセラミックスなどの硬質粒子をショットピーニングすることにより、摺動面に圧縮残留応力を付与することが一般的に行なわれており、例えば特開２０００−２３０５４４号公報（特許文献３）があげられる。これらの方法を組み合わせた例としては特開２００４−２５５５２２号公報（特許文献４）に示されるように鋼球と固体潤滑材である二硫化モリブデン粉末を混合してショットピーニングを行なう方法が開示されている。
特開２００２−１６１３７１号公報 特開２００７−１００５９号公報 特開２０００−２３０５４４号公報 特開２００４−２５５５２２号公報 ［トライボロジー会議 ２００７年春 予稿集 第１２３〜１２４頁「固体潤滑剤ショットコーティングによる転がり軸受の長寿命化」］

以上に示すように、摺動部の寿命向上を目的として、固体潤滑材を用いる手法、摺動面に圧縮残留応力を付与する手法の２つの手法があり、更に寿命を向上させるためにそれらを組み合わせた手法が提示されているが、２種類の粉末を混合する手法は、ショットピーニングを行なうことで固体潤滑材の粉末が減少するため、摺動面の固体潤滑材被膜の膜厚、被覆率を一定に保つことが困難であるという課題がある。また、固体潤滑材は高速で摺動面に衝突させる際に、その衝突エネルギーによって粉末表面が摺動面に付着することから、リサイクルできない条件で使用する場合、ショットピーニング量に対して付着量はごくわずかとなり、非常に粉末の利用効率が悪いという課題がある。

上述したような問題を解消するために発明者らは鋭意開発を進めた結果、圧縮残留応力を付与するために使用されている鋼球にＳｎなどの軟質金属皮膜をめっきなどの方法で形成した粉末を用いてショットピーニングすることにより、鋼球により圧縮残留応力を付与しつつ粉末表面の軟質金属が摺動面に効率よく付着することを発見した。Ｓｎなどの軟質金属皮膜を形成した粉末を用いると、ショットピーニングによる軟質金属の皮膜形成効率（軟質金属付着重量／軟質金属投射重量）が、従来に比べ大幅に向上し、効率よく軟質金属皮膜を形成できる。

その発明の要旨とするところは、
（１）鋼球に軟質金属で被覆された粉末をショットピーニング用粉末とすることを特徴とする軟質金属で被覆されたショットピーニング用粉末。
（２）前記（１）に記載の軟質金属がＳｎ、Ｓｎ合金、Ｚｎ、Ｚｎ合金であることを特徴とする軟質金属で被覆されたショットピーニング用粉末にある。

以上述べたように、本発明によるスチールショットなどの硬質粒子表面をめっきなどの手段を用いて軟質金属で被覆したショットピーニング用粉末を用いることにより、摺動面に圧縮残留応力が付与されると同時に表面の軟質金属が摺動部材の表面を被覆し潤滑材としての効果をもち、鋼球と比較して、高価な軟質金属の皮膜を効率よく摺動部材に形成させることができる効果を奏するものである。

以下、本発明について図面に従って詳細に説明する。
図１は、本発明に係る硬質粒子に軟質金属膜を形成した状態を示す模式図である。この図に示すように、鋼球などの硬質粒子１の表面に軟質金属膜２が被覆された状態を示している。また、図２は、被覆粒子を被処理部材の表面にショットしたときの衝突状態を示す模式図である。この図２に示すように、図１で示す鋼球などの硬質粒子１の表面に軟質金属膜２を被覆した被覆粒子３を被処理部材４に投射した際、被処理部材４の表面に衝突し、この衝突時に被覆粒子３の表面が被処理部材４と凝着を起こし、移着５が行われ、軟質金属の被膜が形成される。

上述した本発明に係る鋼球としては、粉末ハイス鋼やＦｅ−Ｃｒ−Ｂ、Ｆｅ−Ｎｉ−２５Ｃｒ系合金等を掲げることができる。また、軟質金属としては、Ｓｎ、Ｓｎ合金、Ｚｎ、Ｚｎ合金を掲げることができる。これらの鋼球の表面に軟質金属を被覆されたショットピーニング用粉末にある。また、軟質金属の被覆方法としては、めっき、溶射、スパッタリング、イオンプレーティングおよびショットピーニングが挙げられるが、膜厚の制御、コストの面からめっきが望ましい。

また、被処理部材としては、特に摺動部材に適し、ここで摺動部材とは、相手部材と相対的にすべり接触する摺動面を有する部材で、このような摺動部材の具体例としては、円筒面、球面、平面等において接触運動を行う機械部品であって、例えば、自動車のエンジンを構成するカムおよびカムフォロア、ピストンリング、燃料噴射装置、クラック部品や、すべり軸受を構成するすべり部材や転がり軸受けやすべり軸受けのリテーナが挙げられる。

また、軟質金属を被覆した鋼球はビッカース硬さ８００〜１５００ＨＶ、平均粒径３０〜６０μｍなる大きさのものを用い、ショットピーニング条件は、ショットピーニング装置を用いて圧力０．４〜１．０ＭＰａ、噴射時間５〜２０分の条件下で加速して噴射することにより、摺動面に軟質金属を形成させるものである。

以下、本発明について実施例により具体的に説明する。
成分がＦｅ−９Ｃｒ−６Ｂで、粒径４４μｍ、ビッカース硬さ１２００ＨＶのショットピーニング用鋼球である粉末の表面にＳｎを１５質量％めっきして、鋼球の表面にＳｎ皮膜を形成する。このとき、粉末の表面に被膜したＳｎの厚さを走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）にて観察したところ、約１μｍであった。ＳＵＪ２製の硬さをＨＲＣ６０、表面粗さＲａを０．１μｍとした直径が２６ｍｍで厚さが２８ｍｍの軸受のレースの表面に、この粉末をショットピーニングする。ショットピーニング条件は圧力０．６ＭＰａで行なった。この際に使用した粉末の重量は１００ｇで、この内Ｓｎの重量は１５ｇであった。

ショット後の表面の圧縮残留応力をＸ線にて測定したところ、１０００ＭＰａ、表面のＳｎ被覆率は表面からＥＰＭＡ（電子プローブマイクロアナライザ）を用いて、１０００倍で５視野観察し、Ｆｅに対してＳｎが２５重量％以上となった領域の面積率を平均したところ５０％であった。Ｓｎの厚みはＳＥＭ×５０００で５視野観察し、各視野６点の測定を行い、平均して求めたところ、０．７μｍであった。

粒径４４μｍのＳｎ粉末で同様のショットピーニング条件でショットを行なったところ、Ｓｎの被覆率、膜厚ともほぼ同様の値が得られた。よって、皮膜の形成効率を比べると、Ｓｎ粉末を使用する場合に比べ、Ｓｎを被覆した鋼球は約６．７倍効率よく皮膜を形成することができた。

以上のように、鋼球に被覆された軟質金属を高速で被処理部材に衝突させることにより、その衝突時に粉末表面が被処理部材と凝着を起こし、移着することにより、軟質金属の皮膜が形成される。その結果、表面に軟質金属皮膜を有するショット粉末でショットピーニングを行うと、核となる粉末により圧縮残留応力が付与されると同時に表面の軟質金属が被処理部材に安定して被覆され、潤滑材として働き、低摩擦係数が長期的に持続して、摺動特性が長期的に安定して維持される。また、鋼球粉末の投射により表面硬さが増すと共に、表面に大きな圧縮残留応力が付与されるので、耐摩耗性が十分となるばかりか、疲労強度も向上し、本発明の及ぼす効果は大きい。

本発明に係る硬質粒子に軟質金属膜を形成した状態を示す模式図である。 被覆粒子を被処理部材の表面にショットしたときの衝突状態を示す模式図である。

１ 硬質粒子
２ 軟質金属膜
３ 被覆粒子
４ 被処理部材
５ 移着


特許出願人 山陽特殊製鋼株式会社
代理人 弁理士 椎 名 彊

Claims (2)

1. 鋼球に軟質金属で被覆された粉末をショットピーニング用粉末とすることを特徴とする軟質金属で被覆されたショットピーニング用粉末。
2. 請求項１に記載の軟質金属がＳｎ、Ｓｎ合金、Ｚｎ、Ｚｎ合金であることを特徴とする軟質金属で被覆されたショットピーニング用粉末。

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