JP2012139790A

JP2012139790A - 投射材の寿命に優れたショットピーニング方法

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Publication number: JP2012139790A
Application number: JP2011000132A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Sawada; 俊之澤田
Original assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Current assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Priority date: 2011-01-04
Filing date: 2011-01-04
Publication date: 2012-07-26
Anticipated expiration: 2031-01-04
Also published as: JP5705553B2

Abstract

【課題】本発明は、被投射材の表面を過度に粗くすることなく、高い圧縮残留応力を付与し、さらに投射材寿命が長くコスト低減を図れる投射材寿命に優れたショットピーニング方法を提供する。
【解決手段】ビッカース硬さが１０００〜１４００ＨＶ、密度が７．０〜８．５Ｍｇ／ｍ³を有する投射材を、１０〜５０ｍ／ｓの速度で金属製の被処理品に投射することを特徴とする投射材寿命に優れたショットピーニング方法、および上記方法により、高周波焼入れ処理、浸炭処理、窒化処理、浸炭窒化処理のいずれかを施した金属製の被処理品を処理してなるショットピーニング方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、被投射材の表面を過度に粗くすることなく、高い圧縮残留応力を付与し、さらに投射材寿命が長くコスト低減を図れる投射材の寿命に優れたショットピーニング方法に関する。

一般にショットピーニングは被処理材の表面に投射材と呼ばれる粒子を投射し、圧縮残留応力を付与し、疲労強度などを改善できる有効な表面処理方法であり、ばねやギヤ等の自動車部品、あるいは金型材などにも適用されている。また、近年では高周波焼入れ、浸炭、窒化、浸炭窒化処理など様々な表面処理を行なった、例えば６５０ＨＶを超えるような表面硬度の高い被処理物へのショットピーニングの適用が進んでおり、これら部材への投射材にも高硬度化が求められている。

すなわち、表面硬度の高い被処理材に対し、低硬度な投射材を用いたショットピーニングでは高い圧縮残留応力が得られない。また、自動車部品等の更なる軽量化要求に伴い、益々高硬度な被処理材をショットピーニングする必要があるため、さらに高硬度を有する投射材が求められている。

高硬度な投射材としては、ジルコニアビーズやアルミナビーズなどのセラミックス系の投射材があるが、これらのセラミックスは金属粉末と比較し靭性が低いため、ショットピーニングにより破砕しやすく、投射材としての寿命が短くランニングコストが高い。また、例えば特開２００７−８４８５８号公報（特許文献１）にはＦｅＢ系投射材も提案されている。なお、この投射材は鉄系硼化物の優れた機械特性（例えば高融点化合物便覧，日・ソ通信社，ゲ・ヴェ・サムソノフら著，１９７６）を利用した高硬度投射材である。

一方、高硬度な投射材を用いてショットピーニングすると、被処理品の表面が過度に粗くなる場合があり、例えば、特開２００２−３６１１５号公報（特許文献２）では、ヤング率の低いアモルファス投射材を用いることで、高硬度な投射材でありながら被処理物の表面粗度の上昇を抑制している。一般に鋳鋼などの鉄系結晶質材料のヤング率は２００〜２１０ＧＰａ程度であるが、アモルファス相とすることにより、これを低くすることができる。

しかしながら、構成相をアモルファスとするためには、高価な添加元素や製造時に十分な冷却速度を要するなど課題もある。また、投射材の粒径も表面粗度に大きく影響し、一般に微粒子（例えば０．３ｍｍ以下）を投射することにより表面粗度の上昇を抑制できる。例えば、特開昭６２−２７８２２４号公報（特許文献３）では、２０〜２００μｍの投射材を用いることで被加工面の粗さ上昇を抑えている。なお、この例では投射材の粒径を小さくすることにより、投射速度を上昇させることができ、１００ｍ／ｓ以上とする処理法を提案している。

また、投射材の粒径を小さくすることにより、エア式ショットピーニング装置による投射速度が大きく出来ることは、例えば、日本機械学会論文集（Ｃ編）の６０巻５７１号Ｐ１１２０（小川ら）（非特許文献１）にも記述されている。一般的に多く用いられている鋳鋼投射材はビッカース硬さの上限が８５０ＨＶ程度であり、十分な圧縮残留応力を得るためには１００ｍ／ｓを超えるような、比較的高い投射速度が必要となる。しかしながら、高い投射速度を得るためには、ショットピーニング装置への負荷も大きくなってしまう課題がある。

高硬度と高密度を有する投射材として超硬製投射材、例えば、特開平８−３２３６２６号公報（特許文献４）にも提案されているが、汎用の鋳鋼製投射材などと比較し非常に高価であり、また、鋳鋼投射材などの鉄系材料と比較すると密度が２倍程度と著しく高く、被処理品の表面粗度を過度に粗くしてしまう。
特開２００７−８４８５８号公報特開２００２−３６１１５号公報特開昭６２−２７８２２４号公報特開平８−３２３６２６号公報日本機械学会論文集（Ｃ編）の６０巻５７１号Ｐ１１２０（小川ら）

上述したような従来の方法では高価な投射材を用いず、しかも低い投射速度で、被加工品に高い圧縮残留応力を付与し、表面粗度を低く保つことは困難であった。

上述した問題を解消するために、発明者は鋭意開発を進めた結果、高硬度で中密度の投射材を低い圧力で投射することにより、高硬度（１０００〜１４００ＨＶ）のために低速度投射（１０〜５０ｍ／ｓ）でも大きな圧縮残留応力を付与させると共に、表面粗度の上昇が少なく、さらに、高硬度投射材を低圧投射すると極端に投射材寿命が向上し、高圧縮残留応力を付与し、かつ表面粗度の増大を抑制することができる投射材寿命に優れたショットピーニング方法を提供する。

その発明の要旨とするところは、
（１）ビッカース硬さが１０００〜１４００ＨＶ、密度が７．０〜８．５Ｍｇ／ｍ³を有する投射材を、１０〜５０ｍ／ｓの速度で金属製の被処理品に投射することを特徴とする投射材寿命に優れたショットピーニング方法。
（２）前記（１）に記載の方法により、高周波焼入れ処理、浸炭処理、窒化処理、浸炭窒化処理のいずれかを施した金属製の被処理品を処理してなるショットピーニング方法にある。

以上述べたように、本発明により、投射材の寿命が著しく長くなり投射材にかかるランニングコストを大幅に低減できるとともに、投射材の廃却量をも減らすことができる効果を奏するものである。

以下、本発明に係る発明の限定理由を説明する。
ビッカース硬さが１０００〜１４００ＨＶ
ビッカース硬さが１０００ＨＶ未満では大きな圧縮残留応力が得られず、投射材の寿命にも劣る。一方、１４００ＨＶを超えると被加工品の表面を過度に粗くし、投射材の寿命にも劣る。したがって、好ましくは１１００〜１３５０ＨＶ、より好ましくは１１５０〜１３５０ＨＶとした。

密度が７．０〜８．５Ｍｇ／ｍ³
密度が７．０Ｍｇ／ｍ³未満では大きな圧縮残留応力が得られず、一方、８．５Ｍｇ／ｍ³を超えると被加工品の表面を過度に粗くしてしまう。したがって、好ましくは７．２〜７．８Ｍｇ／ｍ³、より好ましくは７．２〜７．６Ｍｇ／ｍ³とした。

１０〜５０ｍ／ｓの投射速度
投射速度が１０ｍ／ｓ未満では大きな圧縮残留応力が得られず、５０ｍ／ｓを超えると被加工品の表面を過度に粗くし、投射材の寿命にも劣る。したがって、好ましくは１０〜４０ｍ／ｓ、より好ましくは１５〜３０ｍ／ｓとした。

以下、本発明について実施例によって具体的に説明する。
先ず、最大圧縮残留応力および表面粗度に及ぼす投射材硬さ、密度および投射速度の影響についての実施例を述べる。投射材は表１に示す市販の投射材を用いた。まず、各投射材の硬さをビッカース硬さ計、密度をガス置換法により測定した。いずれの投射材も直径０．１ｍｍのものを用いた。また、顕微鏡で確認したところ、いずれの投射材も概ね球状を呈していた。その後、直径２０ｍｍ、長さ１００ｍｍ、表面粗さが算術平均（Ｒａ）０．４μｍのＳＣＭ４２０を高周波焼入れ、浸炭、窒化、浸炭窒化処理した鋼材を被処理材として、エア式および遠心式のショットピーニング装置で、表１に示す通り投射速度を変化させてショットピーニングを行った。これらの表面粗度をＲａで評価し、さらに電解研磨で表層を除去しながら深さ方向にＸ線法で残留応力を測定しその最大値を評価した。その結果を表１に示す。なお、実施例１０と比較例１３は高周波焼入れ材（表面硬さ６５０ＨＶ）、実施例１と比較例１４は窒化材（表面硬さ９００ＨＶ）、実施例９と比較例２０は浸炭窒化材（表面硬さ９００ＨＶ）であり、その他は全て浸炭材（表面硬さ７５０ＨＶ）を被処理材として用いた。

表１に示すように、Ｎｏ．１〜１１は本発明例、Ｎｏ．１２〜２０は比較例である。

比較例Ｎｏ．１２は、投射材が鋳鋼系で投射材の硬さが低いために、圧縮残留応力の付与が低い。比較例Ｎｏ．１３は、Ｎｏ．１２と同様に、投射材が鋳鋼系で投射材の硬さが低いために、圧縮残留応力の付与が低い。また、比較例Ｎｏ．１４は、投射材がハイス系で投射材の硬さが低いために、圧縮残留応力の付与が低い。比較例Ｎｏ．１５は、投射材が本発明例と同じＦｅＢ系ではあるがこの比較例のＦｅＢ系では投射材の硬さが高過ぎて、被加工品の表面を粗くし、投射材の寿命も劣る。

比較例Ｎｏ．１６は、投射材の密度が低いために、大きな圧縮残留応力が得られない。比較例Ｎｏ．１７は、投射材の密度が高いために、加工品の表面が粗くなる。比較例Ｎｏ．１８は、投射速度が遅いために大きな圧縮残留応力が得られない。比較例Ｎｏ．１９は、投射速度が速いために、加工品の表面を粗くし、投射材の寿命も劣る。

比較例Ｎｏ．２０は、比較例Ｎｏ．１９と同様に、投射速度が速いために加工品の表面を粗くし、投射材の寿命も劣る。これに対し、本発明例Ｎｏ．１〜１１は、投射材の硬さ、投射材の密度、投射速度等いずれも本発明の条件を満足していることから大きな圧縮残留応力が得られ、かつ良好な表面粗度を得ることが分かる。

次に、投射材の寿命に及ぼす投射速度の影響に関する実施例として、本発明例Ｎｏ．５、比較例Ｎｏ．１２および比較例Ｎｏ．１５に用いた投射材を、数水準の投射速度でＳＣＭ４２０をガス浸炭した鋼材をターゲットに２４時間投射した。投射材は繰返しターゲットと衝突することにより破砕され、約２５μｍ以下の微粉となったものがショットピーニング装置外へ排出されるように集塵装置を設定した。ショットピーニング装置はエア式の循環式とし、装置内に投射材を２０ｋｇ装入し、２４時間投射した後、投射材を回収し、最初の投入量である２０ｋｇと比べて減った重量の大小を投射材の寿命として評価した。すなわち、投入材の減量が大きくなる投射速度は投射材の寿命が短いということになる。なお、ターゲットは４時間投射するごとに取り替えた。

その結果を図１に示す。図１は、投射材の寿命に及ぼす投射材の速度の影響を示すもので、縦軸は５８ｍ／ｓの速度で投射した場合の投射材の減量を１としたときの減量の相対値を示している。この図１に示す通り、実施例Ｎｏ．５の投射材を５０ｍ／ｓ以下の投射速度とすることにより、大幅に投射材の減量を少なくすることが出来ることが分かる。

以上のように、本発明により、被投射材の表面を過度に粗くすることなく、高い圧縮残留応力を付与し、さらに投射材の寿命が長く、かつコスト低減を図れるショットピーニング方法を提供するもので、特にこの方法によって高周波焼入れ処理、浸炭処理、窒化処理、浸炭窒化処理した金属製の被処理品をショットピーニング処理することを可能とし、工業上極めて優れた効果を奏するものである。

投射材の寿命に及ぼす投射材の速度の影響を示す図である。

Claims

ビッカース硬さが１０００〜１４００ＨＶ、密度が７．０〜８．５Ｍｇ／ｍ³を有する投射材を、１０〜５０ｍ／ｓの速度で金属製の被処理品に投射することを特徴とする投射材寿命に優れたショットピーニング方法。
請求項１に記載の方法により、高周波焼入れ処理、浸炭処理、窒化処理、浸炭窒化処理のいずれかを施した金属製の被処理品を処理してなるショットピーニング方法。