JP2014213441A

JP2014213441A - 高い圧縮残留応力を得るショットピーニング方法

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Publication number: JP2014213441A
Application number: JP2013095582A
Authority: JP
Inventors: 澤田　俊之; Toshiyuki Sawada; 俊之澤田
Original assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Current assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Priority date: 2013-04-30
Filing date: 2013-04-30
Publication date: 2014-11-17
Anticipated expiration: 2033-04-30
Also published as: US9440329B2; US20160107292A1; JP6274743B2; WO2014178367A1

Abstract

【課題】投射材、被処理材の双方に、高硬度なものを用いることで、従来にない２２００ＭＰａ以上の高い圧縮残留応力を得るためのショットピーニング方法を提供する。
【解決手段】表面のビッカース硬さが９２０ＨＶ以上の鋼製部材に、ビッカース硬さが１０００ＨＶ以上、密度が５．５Ｍｇ／ｍ³以上を有し、かつ式（１）を満たす投射材を投射することを特徴とするショットピーニング方法。
投射材のビッカース硬さ（ＨＶ）≧０．４×鋼製部材表面のビッカース硬さ（ＨＶ）＋６２０・・・（１）
【選択図】図１

Description

本発明は、各種の高強度部品や金型に用いられる高強度鋼製部材を得るためのショットピーニング方法に関し、特に、従来に例のない２２００ＭＰａ以上の高い圧縮残留応力を得るためのショットピーニング方法に関する。

従来、各種の高強度部品や金型の寿命改善のため、高周波焼入れ、浸炭、浸炭窒化、窒化処理などの様々な熱処理と、様々な条件でのショットピーニングにより、これら高強度部品や金型の表面強化が行なわれてきた。例えば、特開２００９−１３１９１２号公報（特許文献１）に開示されているように、共析真空浸炭により鋼製材料の表面を高硬度化し、さらに高い硬度を有する投射材をショットピーニングすることで、１８００ＭＰａ以上の高い圧縮残留応力が得られることを提案している。

しかしながら、近年、各種高強度部品や金型の使用される環境は、ますます厳しくなっており、さらなる部材の強化および大きな圧縮残留応力を付与できる技術開発が急務となってきた。しかし、従来の投射材および被投射材の組み合わせでは、２２００ＭＰａ未満の圧縮残留応力しか得られなかった。これは投射材および被投射材の双方の硬さ不足が原因であった。また、汎用のショットピーニングを施した材料を、歯車や金型など温度上昇のある状況で使用すると表面の軟化が著しかったのが実状である。

特開２００９−１３１９１２号公報

ＵｌｔｒａｆｉｎｅＧｒａｉｎｅｄＭａｔｅｒｉａｌｓ，ｅｄ．ｂｙＲ．Ｓ．Ｍｉｓｈｒａ，Ｓ．Ｌ．Ｓｅｍｉａｔｉｎ，Ｃ．Ｓｕｒｙａｎａｒａｙａｎａ．Ｎ．Ｎ．ＴｈａｄｈａｎｉａｎｄＴ．Ｃ．Ｌｏｗｅ，ＴＭＳ．（２０００）２７７〜２８６（著者名：Ｙ．Ｋｉｍｕｒａ，Ｓ．Ｎａｋａｍｙｏ，Ｈ．Ｈｉｄａｋａ，Ｈ．ＧｏｔｏａｎｄＳ．Ｔａｋａｋｉ

上述したような課題を解決するために、発明者は鋭意開発を進めた結果、投射材および被投射材の双方に高硬度なものを用いることで、従来に全く報告例のなかった９２０ＨＶ以上の被加工材に、１０００ＨＶ以上の投射材をショットピーニングをすることで２２００ＭＰａ以上の高い圧縮残留応力が得られるショットピーニング方法を提供することにある。

その発明の要旨とするところは、
表面のビッカース硬さが９２０ＨＶ以上の鋼製部材に、ビッカース硬さが１０００ＨＶ以上、密度が５．５Ｍｇ／ｍ³以上を有し、かつ式（１）を満たす投射材を投射することを特徴とするショットピーニング方法にある。
投射材のビッカース硬さ（ＨＶ）≧０．４×鋼製部材表面のビッカース硬さ（ＨＶ）＋６２０・・・（１）

以上述べたように、投射材、被処理材の双方に、高硬度なものを用いることで、従来にない２２００ＭＰａ以上の高い圧縮残留応力を得るためのショットピーニング方法を提供することにある。

被処理材（鋼製部材）の表面硬さと投射材の硬さとの関係を示す図である。

以下、本発明について詳細に説明する。
本発明における特徴は、表面のビッカース硬さが９２０ＨＶ以上の鋼製部材に、ビッカース硬さが１０００ＨＶ以上、密度が５．５Ｍｇ／ｍ³以上を有し、投射材のビッカース硬さ（ＨＶ）≧０．４×鋼製部材表面のビッカース硬さ（ＨＶ）＋６２０の条件を満たす投射材を投射することで、従来の方法では得ることが出来なかった、２２００ＭＰａ以上もの極めて高い圧縮残留応力が得られることである。さらにこのようにして得られた鋼製部材の表面は、５００℃以下程度の熱履歴を受けても、表面硬さの低下幅が小さいことも見出し本発明に至った。

なお、熱履歴に対する表面硬さ低下幅が小さいことに関し、詳細な原理は不明であるが、以下のことが予想される。本発明による被ショットピーニング材の表面は結晶粒がナノ結晶化することにより高硬度化していると考えられる。このように、被加工材の結晶粒をナノ結晶化する機械的な強加工は、いわゆる巨大ひずみ加工と呼ばれており、本発明の方法も、メカニカルミリング、ＡＲＢ（ＡｃｃｕｍｕｌａｔｉｖｅＲｏｌｌ−Ｂｏｎｄｉｎｇ）、ＨＰＴ（Ｈｉｇｈ−ＰｒｅｓｓｕｒｅＴｏｒｓｉｏｎ）、ＥＣＡＰ（Ｅｑｕａｌ−ＣｈａｎｎｅｌＡｎｇｕｌａｒＰｒｅｓｓｉｎｇ）などに代表される巨大ひずみ加工と類似の現象が発現していると考えられる。

ここで、これら巨大ひずみ加工によりナノ結晶粒となった材料は、ナノ結晶の粒界に酸素や炭素などの侵入型元素が過飽和に含まれ、熱履歴によりこれらが粒界に化合物として超微細析出し、ナノ結晶粒をピン止めすることにより、熱履歴による結晶粒粗大化を抑制し、硬度低下を小さくする可能性が指摘されている（例えば非特許文献１など）。本発明の方法で得られる被ショットピーニング表面にも、類似の現象が起こっている可能性が推測される。

また、ローラーピッチングによる疲労試験や金型のヒートチェック試験などは、試験中に昇温をともない、これによる硬度低下幅が小さいことが有利に働く。したがって、本発明のように熱履歴による硬度低下幅の小さい表面を持つ鋼製部材は、これらの特性に優れると考えられ、特に温度上昇をともなう各種疲労部材や温間および熱間金型として最適である。

また、投射材の粒径は一般に０．０２〜１ｍｍのものが用いられるが、本発明においてはこれらの粒度のものが使用可能である。またさらに、一般にショットピーニングは必要に応じ様々な投射速度で投射材をショットピーニングするが、本発明においては一般的な投射条件で施工可能である。例えば、エア式装置であれば０．２〜０．８ＭＰａの投射圧で一般に実施されるが、本発明においはこれらの投射圧での施工が可能である。

以下、本発明に関わる限定理由を説明する。
表面のビッカース硬さが９２０ＨＶ以上の鋼製部材
本発明において、ショットピーニングされる鋼製部材の表面硬さは得られる圧縮残留応力の大きさに影響する。すなわち、硬度の高い部位でないと、高い圧縮残留応力が得られないと考えられる。これが９２０ＨＶ未満では得られる圧縮残留応力値が小さくなる。好ましくは９５０ＨＶを超え、より好ましくは１０００ＨＶを超えるビッカース硬さである。

なお、窒化処理などにより高い鋼製部材の表面硬さを得る場合、処理表面に窒化物からなる化合物層（いわゆる白色層）が生成する場合がある。この相は非常に脆く、ショットピーニングにより一部破損するため、この部位に高い圧縮残留応力が付与されるわけではない。したがって、この場合、化合物層の直下の母相のビッカース硬さが９２０ＨＶ以上であることが必要となる。なお、鋼製部材表面のビッカース硬さは、高ければ高いほど得られる圧縮残留応力が大きくなる傾向があるため、特に上限は設定しないが、１３００ＨＶを超えるものは汎用的に入手することが困難である。

ビッカース硬さが１０００ＨＶ以上、密度が５．５Ｍｇ／ｍ³以上の投射材
本発明において投射材のビッカース硬さおよび密度は、得られる圧縮残留応力値に影響する。１０００ＨＶ未満の投射材では得られる圧縮残留応力が小さくなる。好ましくは１１００ＨＶを超え、より好ましくは１２００ＨＶを超えるビッカース硬さである。なお、投射材のビッカース硬さは、高ければ高いほど得られる圧縮残留応力が大きくなるため、特に上限は設定しないが、１６００ＨＶを超える投射材は汎用的に入手することが困難である。

また、密度が５．５Ｍｇ／ｍ³未満を超える投射材の場合、得られる圧縮残留応力が小さくなる。５．５Ｍｇ／ｍ³未満では投射材の運動エネルギーが小さくなるために、大きな圧縮残留応力が得られないと考えられる。好ましくは６．０Ｍｇ／ｍ³を超え、より好ましくは７．０Ｍｇ／ｍ³を超える投射材である。なお、投射材の密度は、ある程度の高さが必要であるが、それ以上の密度は得られる圧縮残留応力に大きな影響を与えない。したがって、特に上限は設定しないが、超鋼製の１４．０Ｍｇ／ｍ³以上のものを入手するのは一般に困難である。また、超硬製投射材は、ＣｏやＷなど希少元素を使用するため比較的コストが高い。したがって、好ましくは、Ｆｅ−Ｂ系の投射材を用いる。

投射材のビッカース硬さ（ＨＶ）≧０．４×鋼製部材表面のビッカース硬さ（ＨＶ）＋６２０
本発明において、２２００ＭＰａ以上の高い圧縮残留応力を得るためには、高いビッカース硬さの表面を持つ鋼製部材に対しては、より高いビッカース硬さの投射材を用いる必要がある。すなわち、用いる投射材のビッカース硬さが、０．４×鋼製部材表面のビッカース硬さ（ＨＶ）＋６２０未満では、圧縮残留応力が小さくなってしまう。好ましくは、０．４×鋼製部材表面のビッカース硬さ（ＨＶ）＋７２０を超え、より好ましくは、０．４×鋼製部材表面のビッカース硬さ（ＨＶ）＋８２０を超えるビッカース硬さの投射材である。

以下、本発明について実施例によって具体的に説明する。
まず、表面のビッカース硬さを変化させた鋼製部材と、ビッカース硬さの異なる投射材を作製し、これらによりショットピーニングを行い、得られる圧縮残留応力に及ぼす両因子の影響を評価した（実験Ａ）。次に、投射材の粒径と投射圧を変化させた実験を行なった。さらにこの実験においては、ショットピーニング加工後の試験片について、熱処理を行い、熱処理前後におけるショットピーニング面のビッカース硬さを測定した（実験Ｂ）。

（実験Ａ）
表１に示す鋼製部材（被処理材）と表２に示す投射材を作製した。鋼製部材の方は、いずれもＪＩＳに規格された材質で、通常の熱処理を施された市販のものを用いた。なお、表面に化合物層が生成した鋼製部材は化合物を研磨により除去し、金属面でビッカース硬さを測定した。ただし、ショットピーニングは化合物層が生成したまま施工した。鋼製部材のサイズは直径６０ｍｍ、厚さ１０ｍｍで、直径６０ｍｍの片面にショットピーニングした。

鋳鋼製およびジルコニア製投射材については、市販のものを用いた。Ｆｅ−Ｂ系投射材については、表２に示す組成（％は質量％）の粉末をガスアトマイズ法により作製し、これを分級し投射材として用いた。粒径はいずれも０．１ｍｍである。また、ショットピーニング装置は吸引式エアタイプのものを使用し、投射圧は０．６ＭＰａ、投射時間は１０秒とした。ショットピーニングした後の鋼製部材試験片の表面の圧縮残留応力をＸ線法により測定した。ショットピーニングした最表面から、１０μｍずつ電解研磨し、その都度、その深さの圧縮残留応力を測定した。

評価として、得られた圧縮残留応力のピーク値が、２８００ＭＰａ以上のものを●、２５００ＭＰａ以上２８００ＭＰａ未満のものを○、２２００ＭＰａ以上２５００ＭＰａ未満のものを△、２２００ＭＰａ未満のものを×とした。その結果を図１に示す。なお、本明細書中の残留応力は全て圧縮であるため、マイナスの符号は使用せず、圧縮残留応力値として、プラスの数値で扱っている。

図１における、黒実線より右上の領域が本発明の範囲であり、その範囲内において、２２００ＭＰａ以上の圧縮残留応力が得られていることがわかる。一方、その範囲外では、２２００ＭＰａ未満の圧縮残留応力に留まっている。

表１は実験Ａに用いた鋼製部材（被処理材）、表２は実験Ａに用いた投射材である。

（実験Ｂ）
鋼製部材（被処理材）には、実験Ａで用いたＳＡＣＭ６４５をガス窒化処理したものを用いた。投射材として、Ｆｅ−８．５％Ｂの組成でガスアトマイズした粉末、超硬製、アルミナ製投射材を用いた。Ｆｅ−８．５％Ｂは、０．０２、０．０５、０．１、０．５、０．８ｍｍとなるよう分級した。超硬製は市販のもので粒径０．１ｍｍ、アルミナ製は市販のもので粒径０．１、０．６ｍｍのものを用いた。超硬製投射材の硬さは１４００ＨＶ、密度は１４．０Ｍｇ／ｍ³、アルミナ製投射材の硬さは１９００ＨＶ、密度は４．０Ｍｇ／ｍ³である。また、投射装置は実験Ａと同様で、投射圧を０．２、０．４、０．６、０．８ＭＰａに変化させ、１０秒施工した。これらについて、実験Ａと同様に圧縮残留応力の評価を実施した。

さらに、Ｆｅ−８．５％Ｂ、超硬製、アルミナ製投射材の粒径０．１ｍｍのものを投射した試験片について、真空中で５００℃、保持３０分の熱処理を行い、その前後で試験片表面のビッカース硬さを測定した。その結果、熱処理により１５０ＨＶ以上硬さが低下したものを×、１５０ＨＶ未満の硬度低下に留まったものを○として評価した。

実験Ｂの圧縮残留応力の結果を表３、熱処理によるビッカース硬さ変化の結果を表４に示す。表３に示すように、本発明の条件では、汎用の投射材粒度および汎用の投射圧において、いずれも２２００ＭＰａ以上の圧縮残留応力が得られている。一方、密度の低いアルミナ製投射材によるショットピーニングでは、２２００ＭＰａ未満の圧縮残留応力に留まっている。また、表４に示すように、本発明による試験片の表面は、熱履歴によるビッカース硬さ低下幅が小さいことがわかる。

表３は実験Ｂの圧縮残留応力の結果、表４は実験Ｂの熱処理によるビッカース硬さ低下幅の結果を示す。

以上述べたように、本発明による投射材、被処理材の双方に、高硬度なものを用いることで、従来にない２２００ＭＰａ以上の高い圧縮残留応力が得られ、また、この処理において、処理表面は巨大ひずみの導入によりナノ結晶化しており、その粒界に多くの侵入型元素が不純物として過飽和に入っており、これが熱履歴により超微細化合物を分散し、ナノ結晶粒をピン止めするため、温度上昇に伴う硬度低下が抑えられる等極めて優れた効果を奏するものである。

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

表面のビッカース硬さが９２０ＨＶ以上の鋼製部材に、ビッカース硬さが１０００ＨＶ以上、密度が５．５Ｍｇ／ｍ³以上を有し、かつ式（１）を満たす投射材を投射することを特徴とするショットピーニング方法。
投射材のビッカース硬さ（ＨＶ）≧０．４×鋼製部材表面のビッカース硬さ（ＨＶ）＋６２０・・・（１）