JP2020111803A - 表面硬化鋼部品の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】疲労強度向上効果を従来より高めることができる表面硬化鋼部品の製造方法を提供すること。【解決手段】 鋼部品に表面硬化処理を施し、鋼部品に第1ショットピーニングを行った後、さらに第2ショットピーニングを施す。第2ショットピーニングは、第1ショットピーニングに用いるものより大きさの小さい投射材を用いて行い、第1ショットピーニングと第2ショットピーニングの少なくとも一方は、鋼部品を50〜200℃に加熱した状態で行う。表面硬化処理を施した後、ショットピーニング処理前に焼戻し処理を行うことが好ましい。表面硬化処理は、浸炭焼入れ処理、浸炭浸窒焼入れ処理のいずれかであることが好ましい。【選択図】図1
Description
本発明は、浸炭、浸炭浸窒等により表面硬化処理を施した鋼部品の製造方法に関する。
自動車のCO2排出量低減のため、車両重量の軽量化による燃費向上を図るべく、自動車に用いられる鋼部品の小型・軽量化が求められている。鋼部品の小型・軽量化のためには、従来よりも高強度にすることが必要である。通常、鋼部品の高強度化には、表面硬化熱処理(浸炭処理等)の実施、焼入れ性の確保や様々な特性を付与するためのNi、Mo等の高価な元素を添加した合金鋼の使用、表面硬化熱処理後における疲労強度を向上させるためのショットピーニングの実施等が行われる。一方、例えば歯車に対する要求は、近年益々高まり、歯元曲げ疲労強度のさらなる向上が求められている。
ショットピーニングは、高硬度の球形の玉等の投射材を高速度で金属表面に衝突させる処理である。この投射材が高速度で材料の表面に衝突すると、材料表面が凹み、表面にくぼみを残す。従ってショットピーニングを行った面は無数のくぼみ(痕)で覆われるようになり梨子地模様となるが、表面の硬さが増す。また繰返し荷重に対しては表面層に付与された圧縮残留応力が相殺する形で作用し疲れ強さが増すこととなる。これがショットピーニングによる疲労強度向上のメカニズムである。
たとえば、特許文献1においては、高強度部品や金型を対象として、高い圧縮残留応力の付与を図るために、ビッカース硬さが920HV以上の被処理材に、ビッカース硬さが1000HV以上の投射材(ショット粒)を投射することが示されている。
上述した歯車においても、その歯元疲労強度向上に、ショットピーニングによる圧縮残留応力付与が有用であることが知られている。しかし、歯車においては、通常の製造方法で920HV以上の高硬度を確保することは難しく、このような部品に上記方法は適用できない。
以上のような背景から、歯車等の表面硬化鋼部品に対して、従来から知られているショットピーニングの効果を最大限発揮させ、疲労強度向上効果を従来より高めることができる製造方法の開発が望まれていた。
本願は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、疲労強度向上効果を従来より高めることができる表面硬化鋼部品の製造方法を提供しようとするものである。
本発明の一態様は、鋼部品に表面硬化処理を施し、
上記鋼部品に第1ショットピーニングを行った後、さらに第2ショットピーニングを施し、
上記第2ショットピーニングは、上記第1ショットピーニングに用いるものより大きさの小さい投射材を用いて行い、
かつ、上記第1ショットピーニングと上記第2ショットピーニングの少なくとも一方は、上記鋼部品を50〜200℃に加熱した状態で行うことを特徴とする表面硬化鋼部品の製造方法にある。
上記鋼部品に第1ショットピーニングを行った後、さらに第2ショットピーニングを施し、
上記第2ショットピーニングは、上記第1ショットピーニングに用いるものより大きさの小さい投射材を用いて行い、
かつ、上記第1ショットピーニングと上記第2ショットピーニングの少なくとも一方は、上記鋼部品を50〜200℃に加熱した状態で行うことを特徴とする表面硬化鋼部品の製造方法にある。
上記製造方法においては、鋼部品に表面硬化処理を施した後、第1ショットピーニングと第2ショットピーニングの2段のショットピーニングを施す。これら2段のショットピーニングのうち一方又は両方を、50〜200℃の温度範囲に鋼部品を加熱した状態で行う。鋼部品を上記特定の温度範囲に加熱することにより、室温の場合に比べて表面の塑性変形の度合いを高めることができ、従来よりも高い圧縮残留応力を発生させることができる。
また、第2ショットピーニングは、これに用いる投射材として、第1ショットピーニングに用いるものより粒径等の大きさが小さいものを用いる。このように投射材を選択することによって、第1ショットピーニングによって鋼部品の表面に形成された梨地状の凹凸を、さらに細かい凹凸の梨地状ができるように塑性変形を加えることができる。これにより、特に表面から比較的浅い部分の圧縮残留応力をさらに高めることができると共に、面粗さを低減させることもできる。なお、本発明で使用できる投射材は、形状が球のものに限定されない。形状に関係なく市販の投射材を用い、効果を得ることができる。
このように、上記製造方法においては、上記第1ショットピーニングと第2ショットピーニングの少なくともいずれか一方を室温よりも高い温度に加熱した状態で行うことによって、疲労強度向上効果を従来より高めることができる。
上記製造方法においては、上記第1ショットピーニング及び第2ショットピーニングは、これらの少なくとも一方を、50〜200℃の温度範囲に鋼部品を加熱した状態で行う。この加熱する温度(処理温度)が低すぎると、圧縮の残留応力値に対する向上効果が、十分に得られなくなるため、処理温度の下限値は50℃とする。一方、処理温度が高すぎると鋼部材が焼戻されて、かえって得られる圧縮の残留応力値が低下し、疲労強度改善効果が低下するため、処理温度の上限値は200℃とする。
上記第1ショットピーニング及び第2ショットピーニングの少なくとも一方について鋼部品を上記温度範囲に加熱して実施することにより上述の効果が得られるが、最も好ましくは、上記第1ショットピーニング及び第2ショットピーニングの両方について、50〜200℃の温度範囲に鋼部品を加熱した状態で行うか、あるいは、より大きな投射材を用いる第1ショットピーニング時に鋼部品を加熱した状態で行うのが、より好ましい。
上記第1ショットピーニングと第2ショットピーニングに用いる投射材としては、少なくとも大きさを第1ショットピーニング時に大きいものを用い、第2ショットピーニング時により小さいものを用いることが重要である。具体的には、例えば、投射材が球状の場合にはその粒径で判断することができ、第1ショットピーニング用の投射材の粒径D1としては、φ0.3mm〜φ1.2mmの範囲から選択し、第2ショットピーニング用の投射材の粒径D2としては、φ0.05mm〜φ0.6mmの範囲から選択することができる。投射材が球状でない場合、例えば、円柱状その他の形状の場合には、投射材メーカーから得たデータから、同一体積からなる球状相当径を求めるようにしてもいいし、投射材を樹脂で固めて、顕微鏡で多数の投射材の断面積の平均値を測定し、その値から球状相当径を求めるようにしても良い。
また、投射材は、大きさの異なる複数種類のものを混合して用いてもよい。この場合の大きさの判断は、球状相当径の平均値で判断する。
また、第1ショットピーニングと第2ショットピーニングに用いる投射材の材質は公知の種々のものを用いることができる。
また、投射材の硬さは、処理対象の鋼部品の表面硬さに対して、硬いほど塑性変形効果が得られやすく圧縮の残留応力を付与させやすい一方、あまり硬さの差があり過ぎる場合には鋼部材の表面を削ってしまったり、割れを生じさせるため、適度な硬さ範囲にあることが好ましい。具体的には、投射材としては、鋼部品の表面硬さよりHVにおいて100〜200程度硬い材料を選定するのが好ましい。そして、同様の理由から、具体的な投射材の硬さは、600〜1200HVが好ましく、より好ましくは、750〜900HV程度がよい。
また、ショットピーニングの条件としては、投射材が衝突して鋼部材の表面に残った衝突痕が表面を覆う面積比に処理時間を加味した値であるカバレージが100%以上とする。なお、好ましくは得られる疲労強度のバラツキを抑制するために200%以上、より好ましくは300%以上とするのがよい。なお、カバレージはある程度までは高いほど好ましいが、高すぎると逆に強度が低下するオーバーピーニングが起きるおそれがあることから、400%以下の範囲で行うのが通常である。
上記表面硬化処理を施した後、ショットピーニングを行う前においては、焼戻し処理を施すことは必須ではない。ただし、表面硬化処理を施した後、そのままの状態で長時間放置すると、置き割れが発生するおそれがあるため、その場合は、長期間放置せず、本発明のショットピーニング処理を早期に実施し、圧縮の残留応力を付与するか、焼戻し処理を行うことが好ましい。これにより、置き割れを確実に防止することができる。
また、本発明のショットピーニングは、事前に焼戻し処理を施してから行うと、事前に焼戻し処理を施さずに行った場合に比較して、圧縮残留応力付与の効果を鋼部品の表面からより深い位置まで拡大させ、疲労強度をより高めることができるため、好ましい。焼戻し処理の条件は、最適な条件が鋼部品の材質及び加工履歴により異なるが、一般的には、100℃〜200℃に30分〜90分程度保持することにより実施することができる。
本発明のショットピーニング処理により効果の得られる対象となる表面硬化処理としては、浸炭焼入れ処理、浸炭浸窒焼入れ処理のいずれかであることが好ましい。また、浸炭処理については、いわゆる減圧(真空)浸炭処理、通常のガス浸炭処理、その他公知の種々の方法を用いることができる。また、浸窒処理についても、大気圧あるいは減圧状態でアンモニアガスを用いて行う方法等を用いることができる。浸炭処理の後、あるいは、浸炭処理及び浸窒処理の後、直接油中等に投入して急冷され、その後必要に応じ焼戻し処理される。
上記鋼部品としては、様々な用途が想定されるが、特に歯車に適用した場合に有効である。
上記した本発明のショットピーニング処理は、表面に浸炭、浸炭浸窒処理等の表面硬化処理がされて使用される鋼部品においては、幅広い材質に対し同様の効果を得ることができるため、材質は特に限定されるものではない。ただし、次の化学成分を採用して上記製造方法を適用することによって、より確実に優れた表面硬化鋼部品を得ることが可能となる。以下に、好ましい化学成分を示す。
上記鋼部品は、質量比において、C:0.10〜0.30%、Si:0.25〜1.50%、Mn:0.20〜2.00%、P:0.035%以下、S:0.035%以下、Cr:0.20〜2.00%、Al:0.020〜0.060%、N:0.0080〜0.0250%、Mo:0.01〜1.00%を含有し、残部がFeおよび不可避不純物からなることが好ましい。各元素について好ましい含有範囲と判断した理由は以下の通りである。
C:0.10〜0.30%、
C(炭素)は、内部硬さを確保するために0.10%以上含有させることが好ましい。一方、C含有率が高すぎると、被削性の劣化や冷鍛性の劣化を招くおそれがあるため、0.30%以下とすることが好ましい。
C(炭素)は、内部硬さを確保するために0.10%以上含有させることが好ましい。一方、C含有率が高すぎると、被削性の劣化や冷鍛性の劣化を招くおそれがあるため、0.30%以下とすることが好ましい。
Si:0.25〜1.50%、
Si(ケイ素)は、焼き戻し軟化抵抗性を向上させる効果を得るために0.25%以上含有させることが好ましい。一方、Si含有率が高すぎると、靭性の劣化や加工性の劣化を招くおそれがあるため、1.50%以下とすることが好ましい。
Si(ケイ素)は、焼き戻し軟化抵抗性を向上させる効果を得るために0.25%以上含有させることが好ましい。一方、Si含有率が高すぎると、靭性の劣化や加工性の劣化を招くおそれがあるため、1.50%以下とすることが好ましい。
Mn:0.20〜2.00%、
Mn(マンガン)は、内部硬さ(強度)を確保するために0.20%以上含有させることが好ましい。一方、Mn含有率が高すぎると、被削性の劣化や浸炭異常層の増加等を招くおそれがあるため、2.00%以下とすることが好ましい。
Mn(マンガン)は、内部硬さ(強度)を確保するために0.20%以上含有させることが好ましい。一方、Mn含有率が高すぎると、被削性の劣化や浸炭異常層の増加等を招くおそれがあるため、2.00%以下とすることが好ましい。
P:0.035%以下、
P(リン)は、製造上不可避に少量含有する元素であるが、含有率が高すぎると粒界に偏析し疲労強度を低下させる要因となるため、0.035%以下とすることが好ましい。
P(リン)は、製造上不可避に少量含有する元素であるが、含有率が高すぎると粒界に偏析し疲労強度を低下させる要因となるため、0.035%以下とすることが好ましい。
S:0.035%以下、
S(硫黄)は、Pと同様に製造上不可避に含有する元素であるが、その含有率が高すぎると疲労破壊起点となり強度低下の要因となるため、0.035%以下とすることが好ましい。
S(硫黄)は、Pと同様に製造上不可避に含有する元素であるが、その含有率が高すぎると疲労破壊起点となり強度低下の要因となるため、0.035%以下とすることが好ましい。
Cr:0.20〜2.00%、
Cr(クロム)は、焼入性の向上による内部硬さ(強度)の確保に有効であるため、その効果を得るために0.20%以上含有させることが好ましい。一方、Cr含有率が高すぎても、前記効果が飽和し、コスト高になるとともに、表面硬化処理として浸窒処理を採用した場合には、浸炭浸窒層に粗大なCrNが生成しやすくなり、周囲のマトリックスのCr含有率が低下して焼入性が低下し、浸炭浸窒層の硬さが低下するおそれがあるため、上限を2.00%とするのが好ましい。
Cr(クロム)は、焼入性の向上による内部硬さ(強度)の確保に有効であるため、その効果を得るために0.20%以上含有させることが好ましい。一方、Cr含有率が高すぎても、前記効果が飽和し、コスト高になるとともに、表面硬化処理として浸窒処理を採用した場合には、浸炭浸窒層に粗大なCrNが生成しやすくなり、周囲のマトリックスのCr含有率が低下して焼入性が低下し、浸炭浸窒層の硬さが低下するおそれがあるため、上限を2.00%とするのが好ましい。
Al:0.020〜0.060%、
Al(アルミニウム)は、AlNとして鋼中に存在し、ピン止め効果により、結晶粒粗大化を抑制する効果があるため、その効果を得るために0.020%以上含有させることが好ましい。一方、Al含有率が高すぎてもその効果が飽和するとともに、アルミナ系介在物が増加して、疲労強度低下に繋がるおそれがあるため、0.060%以下とすることが好ましい。
Al(アルミニウム)は、AlNとして鋼中に存在し、ピン止め効果により、結晶粒粗大化を抑制する効果があるため、その効果を得るために0.020%以上含有させることが好ましい。一方、Al含有率が高すぎてもその効果が飽和するとともに、アルミナ系介在物が増加して、疲労強度低下に繋がるおそれがあるため、0.060%以下とすることが好ましい。
N:0.0080〜0.0250%、
N(窒素)は、Alの場合と同様に、結晶粒粗大化を抑制する効果があるため、その効果を得るために0.0080%以上含有させることが好ましい。一方、N含有率が高すぎてもその効果が飽和するとともに、疲労強度低下に繋がるおそれがあるため、0.0250%以下とすることが好ましい。
N(窒素)は、Alの場合と同様に、結晶粒粗大化を抑制する効果があるため、その効果を得るために0.0080%以上含有させることが好ましい。一方、N含有率が高すぎてもその効果が飽和するとともに、疲労強度低下に繋がるおそれがあるため、0.0250%以下とすることが好ましい。
Mo:0.01〜1.00%、
Mo(モリブデン)は、内部硬さ(強度)確保に有効であるため、その効果を得るために0.01%以上含有させることが好ましい。一方、Mo含有率が高すぎると、コストアップ及び切削加工性劣化のおそれがあるため、1.00%以下とすることが好ましい。
Mo(モリブデン)は、内部硬さ(強度)確保に有効であるため、その効果を得るために0.01%以上含有させることが好ましい。一方、Mo含有率が高すぎると、コストアップ及び切削加工性劣化のおそれがあるため、1.00%以下とすることが好ましい。
上記表面硬化鋼部品の製造方法に係る実施例について説明する。
本例では、表1に示すごとく、化学成分が異なる6種類の鋼材(鋼種1〜6)を用いて各種試験片を作製し、評価した。
本例では、表1に示すごとく、化学成分が異なる6種類の鋼材(鋼種1〜6)を用いて各種試験片を作製し、評価した。
<回転曲げ試験片の作製>
上記各鋼材からなる丸棒鋼を準備し、当該丸棒鋼から平行部直径φ10mmであって平行部にこれと直角方向の深さ1mmの切欠き(切欠き係数:1.78)を全周にわたって設けた回転曲げ疲労試験片を作製した。その後、これらの試験片に対して、表面硬化処理の後、一部のものは焼戻し処理を施し、その後所定の条件でショットピーニングを施して、回転曲げ疲労試験片とした。
上記各鋼材からなる丸棒鋼を準備し、当該丸棒鋼から平行部直径φ10mmであって平行部にこれと直角方向の深さ1mmの切欠き(切欠き係数:1.78)を全周にわたって設けた回転曲げ疲労試験片を作製した。その後、これらの試験片に対して、表面硬化処理の後、一部のものは焼戻し処理を施し、その後所定の条件でショットピーニングを施して、回転曲げ疲労試験片とした。
表面硬化処理としては、表2に示すように、以下の4種類の処理方法から選択して実施した。
(1)ガス浸炭焼入れ処理(表2〜表5においては「ガス浸炭」と記載。)
プロパンガスおよびプロパンガスの変成ガスにより、浸炭処理温度950℃で150分間浸炭処理した後、850℃に降温して30分間保持した後、130℃の油に投入して焼入れを行った。
プロパンガスおよびプロパンガスの変成ガスにより、浸炭処理温度950℃で150分間浸炭処理した後、850℃に降温して30分間保持した後、130℃の油に投入して焼入れを行った。
(2)減圧浸炭焼入れ処理(表2においては「減圧浸炭」と記載。)
アセチレンを用いて、1030Paの減圧条件で、浸炭処理温度950℃で45分間浸炭処理した後、850℃に降温して30分間保持後、130℃の油に投入して焼入れを行った。
アセチレンを用いて、1030Paの減圧条件で、浸炭処理温度950℃で45分間浸炭処理した後、850℃に降温して30分間保持後、130℃の油に投入して焼入れを行った。
(3)ガス浸炭浸窒焼入れ処理(表2においては「ガス浸炭浸窒」と記載。)
プロパンガスおよびプロパンガスの変成ガスにより、浸炭処理温度950℃で150分間浸炭処理した後、850℃に降温し、アンモニアおよび変成ガスにより240分間浸窒処理を行った後、その温度のまま、130℃の油に投入して焼入れを行った。
プロパンガスおよびプロパンガスの変成ガスにより、浸炭処理温度950℃で150分間浸炭処理した後、850℃に降温し、アンモニアおよび変成ガスにより240分間浸窒処理を行った後、その温度のまま、130℃の油に投入して焼入れを行った。
(4)減圧浸炭浸窒焼入れ処理(表2においては「減圧浸炭浸窒」と記載。)
アセチレンを用いて、1030Paの減圧条件で、浸炭処理温度950℃で45分間浸炭処理した後、950℃のままアンモニアを用いて100000Pa(=大気圧)の圧力条件で60分間浸窒処理を行った後、その温度のまま、130℃の油に投入して焼入れを行った。
アセチレンを用いて、1030Paの減圧条件で、浸炭処理温度950℃で45分間浸炭処理した後、950℃のままアンモニアを用いて100000Pa(=大気圧)の圧力条件で60分間浸窒処理を行った後、その温度のまま、130℃の油に投入して焼入れを行った。
表面硬化処理を行った後、焼戻し処理を行う場合には、150℃に60分間保持する焼戻し処理を行った。
その後、さらにショットピーニングを行った。ショットピーニングは、一部の比較例について1段で行った場合を除き、2段で行った。それぞれの処理温度、投射材の粒径、その他の条件については後述する。
<ローラーピッチング試験片の作製>
上記各鋼材からなる直径32mmの丸棒鋼を準備し、当該丸棒鋼から直径が26mm、幅(軸方向長さ)28mmの円筒部を有するローラー状小試験片(小ローラー)を切削加工により作製した。さらに同材質の直径140mmの丸棒鋼を準備し、当該丸棒鋼から直径130mm、幅(軸方向長さ)18mmの円筒部を有するローラー状大試験片(大ローラー)を作製した。その後、これらの試験片に対して、表面硬化処理の後、焼戻し処理を施し、その後所定の条件でショットピーニングを施して、ローラーピッチング試験片とした。面疲労強度は、2段目のショットピーニング時の投射材の大きさの影響を受けやすいと考えられるため、後述するローラーピッチング試験では、投射材の大きさ(粒径)の影響を調査する試験を実施した。
上記各鋼材からなる直径32mmの丸棒鋼を準備し、当該丸棒鋼から直径が26mm、幅(軸方向長さ)28mmの円筒部を有するローラー状小試験片(小ローラー)を切削加工により作製した。さらに同材質の直径140mmの丸棒鋼を準備し、当該丸棒鋼から直径130mm、幅(軸方向長さ)18mmの円筒部を有するローラー状大試験片(大ローラー)を作製した。その後、これらの試験片に対して、表面硬化処理の後、焼戻し処理を施し、その後所定の条件でショットピーニングを施して、ローラーピッチング試験片とした。面疲労強度は、2段目のショットピーニング時の投射材の大きさの影響を受けやすいと考えられるため、後述するローラーピッチング試験では、投射材の大きさ(粒径)の影響を調査する試験を実施した。
<回転曲げ疲労試験>(後述の試験A〜D)
疲労強度の評価として回転曲げ疲労試験を行った。具体的には、株式会社島津製作所製の小野式回転曲げ試験装置(型番:H6型)に、上記のように作成した回転曲げ試験片をセットして、回転数3600rpmで繰り返し曲げ応力を付与して行った。曲げ疲労限度は、繰り返し回数107回における疲労限度をJISZ2274の基準に従って求めた。そして、基準とする試料の曲げ疲労限度の値に対して+10%以上に向上した場合を(◎)、+5%以上〜10%未満に向上した場合を(○)、±5%未満の場合を(□)、−5%以上〜−10%未満に低下した場合を(△)、−10%以上に低下した場合を(×)として示すこととした。なお、後述の面疲労強度、応力分布測定結果についても、同様に表2に◎○□△×を記載した。
疲労強度の評価として回転曲げ疲労試験を行った。具体的には、株式会社島津製作所製の小野式回転曲げ試験装置(型番:H6型)に、上記のように作成した回転曲げ試験片をセットして、回転数3600rpmで繰り返し曲げ応力を付与して行った。曲げ疲労限度は、繰り返し回数107回における疲労限度をJISZ2274の基準に従って求めた。そして、基準とする試料の曲げ疲労限度の値に対して+10%以上に向上した場合を(◎)、+5%以上〜10%未満に向上した場合を(○)、±5%未満の場合を(□)、−5%以上〜−10%未満に低下した場合を(△)、−10%以上に低下した場合を(×)として示すこととした。なお、後述の面疲労強度、応力分布測定結果についても、同様に表2に◎○□△×を記載した。
ここで、基準とする試料の評価結果の値とは、室温においてショットピーニングした場合の値(試験Aについては、試験A1(焼戻しなし)、試験A2(焼戻しあり)、試験B〜Dにおいては、それぞれ試験B2、試験C2、試験D2の結果の値)を意味する。測定した評価値は、鋼種によって同じ表面硬化処理、ショットピーニング処理を行った場合でも、その値が異なるため、後述の他の評価結果も含めて、対応する同一鋼種の室温にてショットピーニングした結果を基準とし、結果を比較して、◎○□△×の評価を行った。
<面疲労強度の測定:ローラーピッチング試験>(後述の試験B〜C)
ローラーピッチング試験は、株式会社ニッコークリエート製ローラーピッチング試験機に、上記のように作製した小ローラー及び大ローラーを両者の間に所定の負荷応力をかけてセットして行った。面疲労限度は、小ローラーの回転が107回に達した時点において、折損せずに耐えうる負荷応力の値とした。試験条件は、回転数(小ローラー):2000rpm、周速差:40%、潤滑剤:オートマチックトランスミッション用オイル、油温:120℃とした。
ローラーピッチング試験は、株式会社ニッコークリエート製ローラーピッチング試験機に、上記のように作製した小ローラー及び大ローラーを両者の間に所定の負荷応力をかけてセットして行った。面疲労限度は、小ローラーの回転が107回に達した時点において、折損せずに耐えうる負荷応力の値とした。試験条件は、回転数(小ローラー):2000rpm、周速差:40%、潤滑剤:オートマチックトランスミッション用オイル、油温:120℃とした。
<応力分布測定>
X線応力測定装置により残留応力を測定した。測定に際し、表面からの深さ位置に応じて応力を測定するため、各測定位置において電解研磨を施して評価面とした。
X線応力測定装置により残留応力を測定した。測定に際し、表面からの深さ位置に応じて応力を測定するため、各測定位置において電解研磨を施して評価面とした。
(試験A)
表2に示すように、各種の鋼種(表1参照)に対して、表面硬化処理、焼戻し及びショットピーニングの処理温度を設定して、上述した試験片を作製し、回転曲げ疲労試験と応力分布測定を実施した。試験Aにおける第1段のショットピーニングは、投射材としては、形状が球であって、硬度:800HV、粒径:φ0.6mmのものを用い、カバレージは300%とした。試験Aにおける第2段のショットピーニングは、投射材としては、形状が球であって、硬度:900HV、粒径:φ0.05mmのものを用い、カバレージは300%とした。処理温度は表2に記載の通りである。
表2に示すように、各種の鋼種(表1参照)に対して、表面硬化処理、焼戻し及びショットピーニングの処理温度を設定して、上述した試験片を作製し、回転曲げ疲労試験と応力分布測定を実施した。試験Aにおける第1段のショットピーニングは、投射材としては、形状が球であって、硬度:800HV、粒径:φ0.6mmのものを用い、カバレージは300%とした。試験Aにおける第2段のショットピーニングは、投射材としては、形状が球であって、硬度:900HV、粒径:φ0.05mmのものを用い、カバレージは300%とした。処理温度は表2に記載の通りである。
図1には、横軸に試料の表面からの深さをとり、縦軸には残留応力値(−は圧縮残留応力を意味する)をとり、焼戻し処理を行い、1段目及び2段目のショットピーニングを室温で行った基準としての試験A2の鋼種1との結果と、焼戻し処理を行い、1段目及び2段目のショットピーニングをいずれも150℃に加熱した状態で行った試験A17(鋼種1)の結果を示した。
図2には、横軸に試料の表面からの深さをとり、縦軸には残留応力値をとり、焼戻し処理があり、1段目及び2段目のショットピーニングをいずれも150℃に加熱した状態で行った試験A17(鋼種1)の結果と、焼戻し処理があり、1段目のショットピーニングを150℃に加熱して行い、2段目のショットピーニングを行わなかった比較例である試験A35(鋼種1)の結果を示した。
図3には、横軸に試料の表面からの深さをとり、縦軸には残留応力値をとり、焼戻し処理がなく、1段目及び2段目のショットピーニングをいずれも150℃に加熱した状態で行った試験A16(鋼種1)の結果と、焼戻し処理を行った以外は同一条件で行った試験A17(鋼種1)の結果を示した。
表2における、基準としての試験A1及びA2と、試験A3〜A27との対比、及び図1の結果からわかるように、ショットピーニングを2段で行う場合でも、少なくとも一方を適切な処理温度(50〜200℃)に加熱した状態で行うことにより、両方を室温(25℃)で行う場合に比べて、より大きな圧縮残留応力を付与することができ、疲労強度のさらなる向上効果が得られることがわかる。
表2において、本発明に満足する条件で処理した試験A3〜A27と、ショットピーニング時の温度を2段のうちいずれか一方で200℃超とした試験A28〜A33の結果からわかるように、ショットピーニングを2段で行い、かつ、何れか一方を積極的に加熱した処理温度で行う場合であっても、いずれか一方の処理温度が200℃を超えて高くなりすぎると、処理後に得られる圧縮残留応力の値が小さくなり、疲労強度改善効果が低下することがわかる。
また、本発明はショットピーニングを2段で行うことを特徴としているが、図2の結果から明らかなように、2段目のショットピーニングを行わない場合には、特に表面近くの圧縮残留応力に差異が大きくみられ、その結果を反映し、表2のA35の結果のように、疲労強度改善効果はある程度得られるものの、室温で2段ショットした場合と同レベル程度に改善効果が低下することがわかる。
表2における試験A12とA13との対比、試験A16とA17との対比、及び図3の結果からわかるように、ショットピーニングを2段で適切な温度範囲で行う場合であって、ショットピーニング前の焼戻し処理を行うか否かの相違については、焼戻し処理を行った方が、50μmを超える比較的深い位置において、より大きな圧縮残留応力を付与することができ、疲労強度の改善効果が向上することがわかる。
(試験B)
表3に示すように、鋼種1に対して、表面硬化処理及び焼戻しを施した後の第1及び第2ショットピーニングの条件を変更した3種類の試験を実施し、試験Aの場合と同様に圧縮残留応力向上効果と曲げ疲労強度の評価を行うとともに、さらに面疲労強度の評価も実施した。第1及び第2ショットピーニングの条件は、試験B2及びB18は、投射材の粒径の組合せは同じとし、処理温度のみを変更し、試験B18及びB36は、処理温度は同じとし、投射材の粒径の組合せを第1と第2で逆転させる条件とした。
表3に示すように、鋼種1に対して、表面硬化処理及び焼戻しを施した後の第1及び第2ショットピーニングの条件を変更した3種類の試験を実施し、試験Aの場合と同様に圧縮残留応力向上効果と曲げ疲労強度の評価を行うとともに、さらに面疲労強度の評価も実施した。第1及び第2ショットピーニングの条件は、試験B2及びB18は、投射材の粒径の組合せは同じとし、処理温度のみを変更し、試験B18及びB36は、処理温度は同じとし、投射材の粒径の組合せを第1と第2で逆転させる条件とした。
表3からかわるように、基準の試験B2に比べて、第1及び第2ショットピーニングについて鋼部材を所定温度に加熱して行った試験B18及びB36は、圧縮残留応力向上効果及び曲げ疲労強度についてはいずれも向上した。一方、面疲労強度については、試験B36が、基準の試験B2にも劣る結果となった。このことから、第1及び第2ショットピーニングにおいて投射材の粒径を変化させる場合、1段目より2段目の粒径が大きい場合には、面疲労強度が低下することがわかった。これは、2段目の大きさ(粒径)を大きくすると、表面粗さが大きくなることが影響していると思われる。
(試験C)
試験Cは、表4に示すように、試験Bにおける第1及び第2ショットピーニングの投射材の粒径のみを変更して、3種類の試験を実施したものである。表4からかわるように、試験Cにおいても、基準の試験C2に比べて、第1及び第2ショットピーニングについて鋼部材を所定温度に加熱して行った試験C18及びC36は、圧縮残留応力向上効果及び曲げ疲労強度についてはいずれも向上した。一方、面疲労強度については、試験C36が、基準の試験C2にも劣る結果となった。この結果からも、第1及び第2ショットピーニングにおいて投射材の粒径を変化させる場合、1段目より2段目の粒径が大きい場合には、面疲労強度が低下することがわかった。
試験Cは、表4に示すように、試験Bにおける第1及び第2ショットピーニングの投射材の粒径のみを変更して、3種類の試験を実施したものである。表4からかわるように、試験Cにおいても、基準の試験C2に比べて、第1及び第2ショットピーニングについて鋼部材を所定温度に加熱して行った試験C18及びC36は、圧縮残留応力向上効果及び曲げ疲労強度についてはいずれも向上した。一方、面疲労強度については、試験C36が、基準の試験C2にも劣る結果となった。この結果からも、第1及び第2ショットピーニングにおいて投射材の粒径を変化させる場合、1段目より2段目の粒径が大きい場合には、面疲労強度が低下することがわかった。
(試験D)
試験Dは、試験B、Cと同様に、表5に示すように、試験Bにおける第1及び第2ショットピーニングの投射材の粒径のみを変更して、3種類の試験を実施したものである。表5からかわるように、試験Dにおいても、基準の試験D2に比べて、第1及び第2ショットピーニングについて鋼部材を所定温度に加熱して行った試験D18及びD36は、圧縮残留応力向上効果及び曲げ疲労強度についてはいずれも向上した。一方、面疲労強度については、試験D36が、基準の試験D2にも劣る結果となった。この結果からも、第1及び第2ショットピーニングにおいて投射材の粒径を変化させる場合、1段目より2段目の粒径が大きい場合には、面疲労強度が低下することがわかった。
試験Dは、試験B、Cと同様に、表5に示すように、試験Bにおける第1及び第2ショットピーニングの投射材の粒径のみを変更して、3種類の試験を実施したものである。表5からかわるように、試験Dにおいても、基準の試験D2に比べて、第1及び第2ショットピーニングについて鋼部材を所定温度に加熱して行った試験D18及びD36は、圧縮残留応力向上効果及び曲げ疲労強度についてはいずれも向上した。一方、面疲労強度については、試験D36が、基準の試験D2にも劣る結果となった。この結果からも、第1及び第2ショットピーニングにおいて投射材の粒径を変化させる場合、1段目より2段目の粒径が大きい場合には、面疲労強度が低下することがわかった。
Claims (5)
- 鋼部品に表面硬化処理を施し、
上記鋼部品に第1ショットピーニングを行った後、さらに第2ショットピーニングを施し、
上記第2ショットピーニングは、上記第1ショットピーニングに用いるものより大きさの小さい投射材を用いて行い、
かつ、上記第1ショットピーニングと上記第2ショットピーニングの少なくとも一方は、上記鋼部品を50〜200℃に加熱した状態で行うことを特徴とする表面硬化鋼部品の製造方法。 - 上記表面硬化処理を施した後、上記第1ショットピーニングの前に焼戻し処理を行う、請求項1に記載の表面硬化鋼部品の製造方法。
- 上記表面硬化処理は、浸炭焼入れ処理、浸炭浸窒焼入れ処理のいずれかである、請求項1又は2に記載の表面硬化鋼部品の製造方法。
- 上記鋼部品は、歯車である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の表面硬化鋼部品の製造方法。
- 上記鋼部品は、質量比において、C:0.10〜0.30%、Si:0.25〜1.50%、Mn:0.20〜2.00%、P:0.035%以下、S:0.035%以下、Cr:0.20〜2.00%、Al:0.020〜0.060%、N:0.0080〜0.0250%、Mo:0.01〜1.00%を含有し、残部がFeおよび不可避不純物からなる、請求項1〜4のいずれか1項に記載の表面硬化鋼部品の製造方法。
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JP2019004200A JP2020111803A (ja) | 2019-01-15 | 2019-01-15 | 表面硬化鋼部品の製造方法 |
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CN116463483A (zh) * | 2023-03-29 | 2023-07-21 | 宁波北仑博优模具技术有限公司 | 一种压铸模具表面的喷丸强化方法 |
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2019
- 2019-01-15 JP JP2019004200A patent/JP2020111803A/ja active Pending
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