JP2021192029A - 物理的表面調整を使用する金属部品の素早い有効ケース深度測定 - Google Patents

物理的表面調整を使用する金属部品の素早い有効ケース深度測定 Download PDF

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Abstract

【課題】金属部品の有効ケース深度を特定するための方法を提供する。【解決手段】ブラスト媒体を用いて金属部品１０の露出面をブラスティング又はショットピーニングすることによって調整されたコア表面の露出面は、ケース１４及びコア１６の連続露出面であり、方法は、表面計測センサを使用して、調整されたコア表面の表面組織、圧縮応力、又は別の適切な特性を測定し、測定された特性を使用してケース‐コア境界１８を特定する。ケース‐コア境界１８を特定することは、特性における所定の差異又は勾配が露出面内に存在する位置を特定することを含む。方法は、有効ケース深度ＤＥＣを、ケースの基準面１１Ｒとケース‐コア境界１８との間の垂直距離として測定する。【選択図】図１

Description

[0001] 金属部品は、しばしば、臨界作業面（critical working surface）に沿った摺動接触を受ける。それは、経時的に部品の損傷及び故障をもたらす。この理由から、臨界作業面を選択的に硬くすることが有益である。例えば、所望の機械特性を有する最終製品を生成するために、回転歯車要素や回転軸の相互作用する表面には、その用途に適した要素（application-suitable element）が選択的に注入され得る。そのような工程は、当該技術分野でケース硬化（case hardening）と称され、硬化される／注入される（1以上の）層又はケースは、増加した耐摩耗抵抗及び耐疲労抵抗と共に、部品未注入エリアすなわちコアに対して増加した表面硬さを有する。より軟らかいコア材料は、金属部品を介して伝達される荷重を吸収するのにより適している。今度は、それが、金属部品の性能及び長期間の耐久性に必要不可欠である。同様の有益な効果は、両立可能な硬質合金と軟質合金とを複合材金属材料として共に被覆することによって得られ得る。
[0002] ケース硬化工程のパラメータは、部品製造中に細かく制御及びモニタされるが、そうであっても、金属部品の有効ケース深度（effective case depth）の検証が必要である。硬度検査技法は、金属部品のアクセス可能な表面に適用されるときに、比較的単純である。表面硬化技法が利用される航空宇宙、輸送、及び他の産業では、ケース硬化データが利用可能なだけでは不十分である。結果として、有効ケース深度又は他の機械的特性を向上させる表面若しくは層の比較可能な深度を正確且つ再現可能に測定することは、典型的には、犠牲試験サンプルの使用、並びに、切除／切断、取り付け、及び試験サンプルの研磨などの時間がかかる処理ステップの広範な使用と、引き続いての硬度測定及びデータ処理とを必要とする。
[0003] 金属部品の表面硬度を測定するためには、典型的には、刻み目ベース（Indentation-based）の巨視的な硬度試験システムが使用される。一般に硬度は、較正された荷重下での所与の金属部品の塑性変形に対する抵抗力を指し、そのような硬度試験システムは、ダイヤモンドやタングステンカーバイドのようなベースライン硬質材料から構築された圧子（indenter）を、特定の荷重又は一組の荷重下で、単一／離散位置で試験面の中に押し込み、その後、圧子の試験面の中への侵入の深さを測定することによって動作する。ケース硬化された層の有効ケース深度を評価する場合、一連の微視的なサイズの硬度圧子が、部品の表面から特定の距離に配置され、測定が行われる。結果として生じる硬度プロファイルは、有効ケース深度、すなわち、硬化されたケースの表面から硬度レベルが特定材料／特定用途値（application-specific value）に等しくなるポイントまでの垂直距離を特定するために利用される。理解されることとなるように、「有効ケース深度」は「全硬化深度（total case depth）」とは異なる。後者は、ケースの表面から、化学的又は物理的な特性における差異が、もはや金属部品の微視的構造において区別できないポイントまでの垂直距離である。
[0004] 巨視的な硬度試験とは対照的に、侵入の深さの代わりに、結果として生じる刻み目のサイズ及び形状が、硬度値をもたらす専用ソフトウェアを使用して測定される点を除いて、硬度プロファイルは、前述の巨視的な硬度試験システムと技術的な原理が略同一な巨視的な硬度試験システムを使用して生成され得る。金属部品の表面の幾何学的形状寸法が比較的複雑な場合、有効ケース深度の検証は、幾つかの離散した位置で必要とされ得る。結果として、必要とされる重要部位（critical area）内の有効ケース深度を検証するために、数百又は数千の個別の刻み目が必要とされる可能性がある。
[0005] 微視的な硬度試験の感度によって、テスター又はオペレータの小さなばらつきが、報告される深度及び硬度値に影響を与え得る。例えば、較正ブロック、刻み目の間隔、顕微鏡の照明、及びトラバースの位置／方向などである。同様に、硬度深度の大まかな推定を提供するために使用される視覚技法は、表面のエッチング、したがって、試験サンプルの化学的曝露に頼る傾向がある。これによって、エッチャント（etchant）の使用年数、エッチング時間、試験される表面の微視的な構造の均一性などの要因による測定のばらつきが導入される。
[0006] 比較的軟らかい層に隣接して配置された比較的硬い層を有する金属部品の有効ケース深度又は同様な深度測定値を素早く測定するための方法及び関連システムが本明細書で開示される。説明の一貫性のために、本教示を特に表面硬化された金属に限定することなしに、本明細書で、より硬い層はケース（case）と称され、より軟らかい層はコアと称される。すなわち、本開示は、被覆及び／又は他の積層材料構築を使用することによって実質的に変化した金属部品の種々の層の有効深度測定、ならびに熱処理又は他の工程によって選択的に硬化される表面を有する金属部品にも適用され得る。
[0007] 本開示の解決策は、概して上述された種類の従来の刻み目ベースの硬度試験方法の代わりに又はそれと併せて、品質検査工程又は品質保証工程の不可欠な部分として使用され得る。提案される解決策は、ユーザが、かなり大きなエリアにわたり有効ケース深度を素早く測定するために、従来の硬度試験プロセスの最も時間がかかるステップのうちの幾つかを迂回することを可能にする。結果として、刻み目ベースの硬度試験ストラテジーに一般的に関連付けられた余剰の時間及びばらつきが、大幅に低減される。
[0008] 本アプローチの信頼性は、非限定的に、金属部品の表面組織又は内部応力、及び対応する表面硬度などの、硬度関連特性の間の特定可能な相関に基づく。したがって、開示される一実施形態による方法は、金属部品の露出面を物理的に調整し、それによって、そのような特性を生成することによって進む。「物理的に調整」という用語は、本開示の実施形態における露出面のより広いエリアの
制御された塑性変形に好適な化学的エッチャント及び他の化学的表面処理工程の使用を排除する。
[0009] 本開示の範囲内に入る適切な物理的表面調整は、その用途に適したブラスティング（blasting）用媒体、例えば、良く規定された媒体硬度レベルを集合的に有する球状ビーズ及び／又はガラス、金属、若しくはセラミックの非対称片を用いて、金属部品の露出面をブラスティング或いはショットピーニングすることによって実現され得る。ブラスト媒体の所与のロットで使用されるブラスト媒体の各個別の片又はビーズは、正確に同じ硬度レベルを有する必要はなく、バルク媒体材料又はショットの集合的なロットの媒体硬度レベルは、規定された硬度の許容誤差又は最大‐最小硬度範囲に入り、媒体の硬度レベルは、典型的には、所与のロットの製造業者によって設定される。したがって、媒体の硬度レベルは、本開示の方法の部分として選択可能な固定されたパラメータである。露出面を物理的表面調整に曝露した後で、表面計測センサを使用して、結果として生じる特性を測定し定量化する。
[0010] 本明細書で説明されるように、適切に選択され適用される制御パラメータを使用して、コア及びケースの露出された連続的表面を含む、露出面の均一な物理的調整は、露出されたケース表面のわずかな或いは存在しない表面変形をもたらすことになる。ケース表面とは対照的に、露出されたコア表面は、測定可能及び定量化可能なやり方で変化して、調整されたコア表面を生成する。ケースとコアとの間の遷移又は境界は、そのような境界は本明細書で以後ケース‐コア境界と称されるが、したがって、本方法の部分として表面計測センサを使用して検出されてよく、その後、有効ケース深度を測定するために使用される。
[0011] 提案される解決策は、したがって、良く規定されたパラメータを使用して、物理的な媒体のブラスティング動作の使用を採用し得る。そのようなパラメータは、例えば、ブラスト圧、平均及びピークブラスト媒体硬度、媒体形状及びサイズ分布、スタンドオフ距離（standoff distance）、カバー率などであり、それらの全ては、工程の再現性を保証する助けにもなる。同様に、提案された解決策は、既存の刻み目ベースの巨視的な硬度試験システムに対して、より大きくより複雑なサンプル及び複数の試験位置を同時に評価するのにより良く役立つ。
[0012] 例示的な一実施形態によれば、金属部品の有効ケース深度を特定するための方法は、金属部品の露出面を物理的に調整し、それによって、調整された表面を形成することを含む。それは、金属部品のケース及びコアの連続エリアを物理的表面調整工程に曝露することを含む。調整された表面は、ケースの調整された表面及びコアの調整された表面を含む。その場合、そのような表面は連続的である。この実施形態による方法は、表面計測センサを使用して調整された表面の特性を測定し、次いで、測定された特性を使用してケース‐コア境界を位置特定することを含む。ケース‐コア境界の位置特定は、ケース‐コア境界を示す測定された特性における所定の差異又は勾配が調整された表面上に存在する位置を特定することを含む。該方法はまた、有効ケース深度を、ケースの基準面とケース‐コア境界との間の垂直距離として測定することも含む。
[0013] 露出面の物理的調整は、ブラスト媒体を使用する露出面のブラスティング又はショットピーニングを含み得る。例えば、金属部品が、任意選択的に、約５０HRCのケース硬度を有する浸炭鋼、例えば９３１０スチールから構築されたときに、ブラスト媒体の硬度レベルは、約４８HRCから５２HRCの範囲内であってよく、金属部品の露出面を物理的に調整することは、約６インチのスタンドオフ距離から、約４０psigの圧力で、約２００パーセントのカバレージレベル（coverage level）で、露出面をブラスティング又はショットピーニングすることを含み得る。
[0014] 幾つかの実施形態において測定される特性は、測定される表面組織又は表面粗さを含み、そのような実施形態では、表面計測センサが粗面計（profilometer）を含む。粗面計は、レーザー粗面計、走査干渉計（scanning interferometer）、又は反射率計（reflectometer）などの、非接触式の粗面計として構成され得る。計測センサの他の構成には、Ｘ線回折計（X-ray diffractometer）が含まれ、測定される特性は、内部圧縮応力のレベルである。
[0015] 金属部品は、ある蓄積量又はロットを代表していてよい。そのような用途では、該方法が、任意選択的に、測定された有効ケース深度を、例えば金属部品又は別の較正された基準の見取り図からの閾値有効ケース深度と比較すること、並びに、測定された有効ケース深度が閾値有効ケース深度未満であるときに、品質保証動作及び／又は制御動作を、その蓄積された量若しくはロットに対して自動的に実行することを含む。
[0016] 本方法の幾つかの実施形態は、露出面が金属部品の断面エリアであるように、金属部品を切断して、露出面を形成することを含み得る。更に、本開示は、歯車の端面などのケース及びコアの連続エリアの断面積を視認可能とする、後方設計変更を推進し、そのような切断なしに有効ケース深度の測定を可能にする。
[0017] 金属部品の有効ケース深度を特定するためのシステムも開示される。そのようなシステムの一実施形態には、上述の表面計測センサ、ならびに電子制御ユニット（ECU）及び測定ツールが含まれる。表面計測センサは、金属部品の調整されたコア表面の特性を測定するように構成される。調整されたコア表面は、ケースとコアとが連続する表面を有する露出面が物理的表面調整工程に均一に暴露された後の、金属部品の露出面の一部分である。ECUは、表面計測センサと通信し、測定された特性を使用して露出面のケース‐コア境界を特定するように構成される。ケース‐コア境界は、測定された特性における所定の差異又は勾配が露出面上に存在する位置を含む。測定ツールは、同様にECUと通信し、ケースの基準面とケース‐コア境界との間の垂直距離として有効ケース深度を測定するように構成される。
[0018] 別の一実施形態による方法は、ケース及びコアを有する浸炭鋼部品の有効ケース深度を特定するために使用され得る。ケース硬度レベルは、約５０HRCを超える。コア硬度レベルは、約４８HRC未満である。該方法は、調整されたコア表面を形成することを含む。それは、約５０HRCから５２HRCの範囲内の媒体硬度レベルを有するブラスト媒体で、金属部品の露出面を均一にブラスティング又はショットピーニングすることを含む。金属部品の露出面は、ケース及びコアの連続面である。該方法はまた、粗面計を使用して調整されたコア表面の表面組織を測定し、次いで、表面組織を使用してケース‐コア境界を特定することも含む。ケース‐コア境界を特定することは、表面組織における所定の差異又は勾配が露出面にわたり存在する位置を特定することを含む。所定の差異又は勾配は、ケース‐コア境界を示している。
[0019] 更に、この実施形態における方法は、有効ケース深度を、ケースの基準面とケース‐コア境界との間の垂直距離として測定することを含む。調整されたコア表面を形成することは、約４０psigで、約２００％のカバー率で、ブラスト媒体又はショットを用いて浸炭鋼部品の露出面をブラスティング又はショットピーニングすることを含む。
[0020] 上述の概要は、本開示の全ての実施形態又は全ての態様を表すことを意図していない。むしろ、前述の概要は、本明細書で説明される新規な概念及び特徴のうちの幾つかの例示を提供するのみである。上述の特徴及び利点、及び他の特徴及び利点は、本開示を実行するための例示的な実施形態及び代表的なモードの以下の詳細な説明を、付随する図面及び添付の特許請求の範囲と組み合わせたときにただちに明らかになるであろう。更に、本開示は、上述された及び後述される要素及び特徴の任意の及び全ての組み合わせ及びサブコンビネーションを明示的に含む。
[0021] 本計測学を使用して有効深度が測定可能な比較的硬い層すなわちケースを有する代表的な金属部品の概略図である。 [0022] 金属部品の有効ケース深度を特定するための例示的な方法を描く概略フロー図である。 [0023] 図２で示された方法の部分として金属部品の１以上の表面を物理的に調整するために使用可能なブラスト媒体／ショットピーニングの概略図である。 [0024] 本方法の部分として表面組織及び有効ケース深度を測定するためのシステムの概略図である。 [0025] それぞれ、表面硬度（水平軸上）と表面粗さ（垂直面上）との代表的なプロットである。
[0026] 本開示は、図面内の且つ以下で詳細に説明される実施例として示されている代表的な実施形態を用いて、変形例及び代替例に拡張することができる。本開示の発明の態様は、本開示の実施形態に限定されない。むしろ、本開示は、添付の特許請求の範囲によって規定される本開示の範囲内に入る変形例、均等物、組み合わせ、及び代替例をカバーすることが企図される。
[0027] 本開示は、多くの異なる形態にある実施形態を受け入れる余地がある。本開示の代表的な実施形態は、図面で示され、本明細書で詳細に説明されることになる。これらの実施形態は、本開示の原理の例示として提供され、本開示の態様の範囲を限定しないことを理解されたい。その程度において、例えば、要約、背景、概要、及び詳細な説明のセクションで説明されているが、特許請求の範囲内で明示的に説明されていない実施例及び限定は、単一で又は集合的に、言外の意味で、推論によって、又はそれ以外の方法で、特許請求の範囲の中に組み込まれるべきではない。
[0028] 本詳細な説明の目的では、特段に除外されていない限り、単数形は複数形を含み、逆もそうであり、例えば、「１つの（a）」は、「少なくとも１つの」又は「１以上の」を意味し、「及び」及び「又は」という用語は、接続後と離接語との両方であってよく、「任意の」及び「全ての」という用語は、「任意且つ全ての」を意味してよく、並びに、「含む」、「包含する」、「備える」、「有する」などの用語は、それぞれ、「限定することなしに含む」ことを意味する。更に、「約」、「ほとんど」、「実質的に」、「近似的な」、「近似的に」、「概して」などの近似的な用語は、本明細書で、「において、の近くで、又はの略近くで」、「の０〜５％以内」、「の許容可能な製造誤差の範囲内」、又はそれらの任意の論理的な組み合わせの意味で使用されてよい。
[0029] 図面を参照するときに、幾つかの図を通して同様な参照番号は同様な特徴を指し、金属部品１０の簡略化された実施形態が、図１で概略的に描かれている。例示的な単純化のために、金属部品１０は、外径面１１及び長手中心軸１２を有する非限定的で例示的な回転軸１０Ｒの軸方向端面図として図示されている。しかし、本教示は、金属部品１０の無数の他の実施形態、例えば、歯車要素、パネル、梁、タービンブレードなどまで拡張可能であり、したがって、図１の単純化された実施形態は、例示的であり非限定的であることを意図している。
[0030] 本開示による金属部品１０は、比較的硬い金属材料の１以上の層を含む。そのような層は、本明細書で以後集合的にケース１４と称され、比較的軟らかい金属材料の１以上の更なる層は、本明細書で以後集合的にコア１６と称される。ケース１４とコア１６との両方が、金属から構築され、したがって、標準的な意味で「硬い」が、ケース１４は、コア１６とは異なり、硬化工程を受けてよく又はより硬い金属の被覆を介して構築されてよい。いずれの実施形態でも、当業者によって理解されるように、ケース１４の硬度レベルは、コア１６の硬度レベルを超えている。このケース‐コア硬度の差異によって、ケース１４とコア１６との間にケース‐コア境界１８が存在する。ケース１４の基準面１１Ｒとケース‐コア境界１８との間の垂直距離は、有効ケース深度（DEC）と称される。本明細書で提供される様々なケース硬化例では、すなわち、被覆又は他の代替的なシナリオを含まず、硬度は、それがコアの硬度に一致するまで、深度の関数として減少することになる。
[0031] 示されている例示的な実施形態では、外径面１１が、基準面１１Ｒとして働く。しかし、他の実施形態は、複雑な外面及び／又は内面の幾何学的形状寸法を有すると想像されてよく、したがって、基準面１１Ｒの同一性は、用途又は最終使用に基づいて変動することになる。同様に、単純さ及び明瞭さのためにケース１４及びコア１６は、ケース‐コア境界１８によって互いから分離された区別可能な均一のエリアとして図１で表されているが、実際の実施形態でのケース１４の硬度レベルは、上述されたように、コア１６の硬度レベルと最終的に一致するまで徐々に減少し得る。そのような一実施形態では、ケース‐コア境界１８が、表面１１の下方のどこかの位置にある。その位置の硬度は、例えば、金属部品１０の見取り図（blueprint）又は別の較正された部品固有／用途固有の基準からの特定の閾値硬度レベルと等しいか又はそれより下である。
[0032] 硬化された金属部品、例えば図１で描かれている例示的な金属部品１０の有効ケース深度（DEC）は、本方法１００を使用して素早く特定され得る。その例示的な一実施形態は、図２を参照しながら以下で説明される。方法１００の基本的な一態様として、金属部品１０の露出面２０は、良く制御された媒体ブラスティング又はショットピーニング工程を使用することなどによって、物理的に調整される。物理的表面調整のこの予備的な工程に使用される特定の媒体は、ケース‐コア境界１８の硬度と実質的に一致する硬度レベルを有するべきである。すなわち、その硬度レベルは、以下で説明されるように小さい許容可能な誤差の範囲内にある。
[0033] 例示として非限定的に、ロックウェル硬度（Rockwell hardness）Ｃの尺度（HRC）で約５０HRCの閾値硬度レベル、及び約４８HRC未満のコア硬度レベルを有するコア１６を使用して、図３の３０で示され、金属部品１０を物理的に表面調整するために使用される、特定のブラスト媒体又はショットは、約５０HRCの硬度レベルを有するべきであり、したがって、この実施例の閾値硬度レベルに一致するか又は等しくなる。しかし、例示的な一実施態様では、ケース‐コア境界１８の約１０２％から１０５％すなわち約５１〜５２HRCなどの、わずかに高い硬度レベルを有するブラスト媒体３０を使用することができる。そのような硬度レベルは、閾値境界硬度レベルと正確に一致する硬度レベルを有するブラスト媒体３０を使用して可能であり得るよりも少し効果的に、ケース‐コア境界１８を明らかにすることが可能である。言い換えると、ブラスト媒体３０の硬度レベルは、本開示の範囲内で閾値境界硬度レベルと正確に一致する必要はない。それは、ブラスト媒体３０が、ケース１４の露出面をも塑性変形させることなしに、コア１６の露出面を塑性変形させるのに十分なマージンだけコア１６の硬度レベルを超え得るとすればである。
[0034] 金属部品１０の露出面２０は、図１で示されているように外面であってよく、又は種々の実施形態で断面であってよく、したがって、コア１６の特性、例えば、その表面組織若しくは内部応力が検出可能なやり方で変化するように、物理的に調整される。上述されたように、硬度レベルが、ケース‐コア境界１８の硬度レベル又は閾値境界硬度レベルに十分に一致するブラスト媒体３０を選択することによって、コア１６は、ケース１４の表面を変化させることなしに、制御された程度まで物理的に変形される。ケース１４とコア１６との表面組織、内部応力、又は他の特性における結果として生じる差異は、したがって、本開示の範囲内で自動検出、定量化、及び解釈を受けることができる。今度は、そのようなアプローチが、ケース‐コア境界１８の位置が、正確に究明され、その後に、有効ケース深度（DEC）を測定するために使用されることを可能にする。
[0035] 図２を参照すると、方法１００の一実施形態が、金属部品１０の露出面２０（図３参照）の制御された表面調整を伴うブロックＢ１０２（「物理的表面調整」）で開始する。ブロックＢ１０２は、任意選択的に、サンプル調製ステップを実行し得る。例えば、金属部品１０の内部表面で有効ケース深度（DEC）を測定することが所望されるときに、ブロックＢ１０２は、露出面２０が金属部品１０の断面エリアであるように、例えば、帯のこ（bland saw）又はレーザー切断デバイスを使用して、金属部品１０を切断することを必然的に伴い得る。図１の露出された端面を有するなど、他のアプローチでは、ケース１４及びコア１６が、既に十分に露出されていてよい。それは、金属部品１０の断面化又は切断の必要性を低減させ又は排除し得る。
[0036] ブロックＢ１０２について情報を提供すると、表面調整の後で、金属部品１０の所与の表面組織特性又は他の特性を表面硬度に相関させる、一組のベースラインデータが特定され得る。そのようなデータは、その有効ケース深度（DEC）が方法１００を使用して最終的に特定される、特定の材料に固有のものである。そのような硬度の相関の非限定的な例が、図５で描かれている。
[0037] 図５を短く参照すると、ロックウェルＣの尺度（HRC）での硬度が、水平軸上に描かれている。非限定的な実施例の特性は、この事例では、マイクロインチで示されている平均表面粗さ（Ra）の形態を採る表面組織特性が、垂直軸上に描かれているが、別の一実施形態では、内部圧縮残余応力として具現化されることが可能である。一連のデータポイント５５及び最良適合５５Ｌの線によって示されているように、表面粗さと硬度との間に相関が存在し、より高いレベルの表面粗さが、より軟らかい材料と緊密に相関する。したがって、図１で概略的に示されているコア１６のより軟らかい材料とは異なり、ケース１４のより硬い材料が、注意深く計画され実行される媒体ブラスティング工程中に組成変形に対するより高い抵抗を有するはずである。したがって、図５で表されている種類の相関を、本明細書で説明されるように使用してよく、ブロックＢ１０２を実行するための有用な制御パラメータを設定する助けとすることができる。
[0038] 図３を短く参照すると、ブロックＢ１０２の部分として使用され得る媒体ブラスティング工程１５０の単純化された図解が提供される。金属部品１０の露出面２０が、ブラストノズル２２に対して配置される。ブラストノズル２２は、コンプレッサ（図示せず）から空気圧（矢印ＡＡ）が供給され、ブラスト媒体３０、例えば球状及び／又は非対称媒体の供給も行われ、それによって、ブラスト媒体３０は、矢印Ａによって示されているように、ブラストノズル２２の端部２４から圧力下で排出される。排出されたブラスト媒体３０が、入射ブラスト媒体３０の硬度未満の表面硬度を有する露出面２０の一部分を打撃すると、ブラスト媒体３０は、より軟らかいコア１６に対応する露出面２０のそれらの部分を塑性変形させ、このやり方で、調整されたコア表面２０‐COREを形成することになる。調整されたコア表面２０‐CORE内に表面の凹凸２５が生じる。そのような表面の凹凸２５は、露出面２０の広いエリアにわたり、表面組織、表面粗さ、又は表面下／内部応力などの別の検出可能な特性として、集合的に検出可能である。
[0039] 同時に、ブラスト媒体３０は、その構築により、図３で示されているようなより硬いケース１４、すなわち調整されたケース表面２０‐CASEに対応する露出面２０の部分を塑性変形させないことになる。したがって、露出面２０がその全体で均一に調整されるが、調整されたケース表面２０‐CASEは、少なくとも本方法１００を実行する目的で意義があると考えられる程度まで影響を受けない。言い換えると、既知の表面硬度を有する構築の材料は、より硬いブラスト媒体３０との接触が維持されることに応じて、検出可能及び定量化可能なやり方で塑性変形することになる。図２のブロックＢ１０２を実行することにおいて使用されるパラメータは、したがって、そのような結果を確実にするために選択され、制御される。
[0040] 図３の露出面２０にわたる図１のコア１６の（特にコア１６の材料の）塑性変形の最適な再現性及び十分な均一性を保証するために、用途が特定された一組の表面調整制御パラメータが、金属部品１０の所与の構築向けに確立される。そのようなパラメータは、ブラスト媒体３０の組成、形状、及び硬度、そのようなブラスト媒体３０が露出面２０に向けて排出されるノズル圧力、ノズル端部２４と露出面２０との間のスタンドオフ距離、カバー率などのうちのいずれか又は全部を含み得る。ブラスト媒体３０の所与のロット又は供給は、少なくともある程度まで、硬度、サイズ、及び形状のばらつきがあり得るので、適切なブラスト媒体３０を選択するために使用されるパラメータは、平均及び／又は最大／最小範囲であってよい。
[0041] 代表的な実施例として且つ非限定的に、金属部品１０は、浸炭鋼（carburized steel）、例えば９３１０浸炭鋼から構築されてよく、ブラスト媒体３０は、AM２４３１／６に従って４８〜５２HRCの硬度レベルを有する#１３ガラスビーズとして具現化されてよい。そのような一実施形態では、約６インチのスタンドオフ距離で、約４０psigのノズル圧力、及び少なくとも２００％のカバー率を確実にするのに十分なブラスト持続時間が使用されて、図３の調整されたコア表面２０‐COREを構築することができる。全体の露出面２０が、同じ媒体のブラスティング条件を使用して調整されるが、露出面２０のより軟らかい部分のみが塑性変形し、及び／又は、それに対して与えられた圧縮応力を有するので、ケース１４が、同様に識別可能な変形の影響を有するそのような曝露ではない曝露を受けることに留意されたい。
[0042] 当業者によって理解され得るように、「カバレージ（coverage）」又は「カバー率（coverage rate）」は、ショットが誘発する刻み目、へこみ、又は窪みを受けた表面積の百分率を指し、より高いカバー率が、最終的には生成される表面の均一なへこみ又は窪みをもたらす。１００％のカバレージは、肉眼で、すなわち、デバイス援用拡大なしに見られたときに、その全体の表面内の均一なへこみとして規定される。拡大（例えば３０倍まで）の下で見たときに、個々のピーニングされていない島は、そのような島がランダムに分布していて、任意の単一のピーニングされていない島の幅が典型的な刻み目の直径未満である場合に限り許容される。１００％を超えるカバレージは、１００％のショットブラストの曝露時間の倍数の時間として規定される。したがって、この非限定的な実施例の代表的な２００％は、フルカバレージを実現するために必要な時間の２倍の媒体ブラスティング／ショットピーニングを必要とする。近似的に垂直なブラスト角度、例えば８０〜１００度が、この特定の実施形態において使用されてよい。ブロックＢ１０２で使用される規定されたパラメータは、他の実施形態では異なることがあり、したがって、前述の実施例は、方法１００を実施するための１つの可能なアプローチに過ぎないことを、当業者は理解するだろう。
[0043] 図２及び図４を参照すると、方法１００は、一旦露出面２０が物理的に調整されると、ブロックＢ１０４に進む。図２のブロックＢ１０４（「表面組織特性を測定」）は、図４で概略的に描かれているように、例えば、表面計測センサ３２を使用して、調整されたコア表面２０‐COREの１以上の表面組織特性又は他の特性を測定することを含む。ある実施形態における表面組織特性は、調整されたコア表面２０‐COREの表面粗さを含み得る。そのような一実施形態では、表面計測センサ３２が、粗面計３２Ｐとして具現化され得る。当業者によって理解され得るように、粗面計３２Ｐは、表面粗さを特定するやり方として表面の凹凸を測定するための機器である。幾つかの実施形態では、スタイラス又は他の接触式のゲージを使用して、表面粗さを測定することができる。
[0044] 他の実施形態では、ブロックＢ１０４は、非接触式の粗面計、例えば、レーザー粗面計、走査干渉計、光学表面プロファイラ（optical surface profiler）、３Ｄ光学顕微鏡、及び／又は他のその用途に適した非接触式の粗面計を使用して実施されてよい。それらは、適用可能な波長又は範囲内の電磁エネルギーを有する光線ＬＬを、調整されたコア表面２０‐COREに向けて発する。更に別の一実施形態では、図４の表面計測センサ３２が、反射率計（reflectometer）３２Ｒ、例えば、レーダー、ライダー、粒子線、超音波、又は他の入射電磁エネルギー光線としても具現化され得る。そのような一実施形態では、表面組織特性が、調整されたコア表面２０‐COREの反射率のレベルを含む。一旦表面組織特性又は他の特性の測定が完了すると、方法１００は、図２のブロックＢ１０６に進む。
[0045] 上述したように、他の種類の表面計測センサ３２を接触及び非接触式の粗面計３２Ｐの可能な代替物として使用することができる。その場合、ケース‐コア境界１８を検出するために、表面組織以外の特性が使用される。例えば、Ｘ線回折計３２Ｘを使用して、調整されたコア表面２０‐COREが、光線ＬＬの入射Ｘ線ビーム又は中性子ビームの実施形態によって照射されたときに、そのようなコア表面２０‐COREからのＸ線回折を使用して、内部圧縮応力を測定することができる。理解されるように、Ｘ線回折を使用して、原子レベルの格子間隔を測定することができ、したがって、Ｘ線回折は、調整されたコア表面２０‐COREの測定可能な特性を定量化するこの課題に適用されたときに有益であり得る。そのようなアプローチは、表面粗さよりもむしろ表面下微細構造の内部圧縮を、同様な終端効果（end effect）で頼りにする。
[0046] 図２のブロックＢ１０６では、方法１００が、測定された表面組織特性又は別の測定された特性をデータファイルとして出力すること及び／若しくは記録すること（「出力STCデータ」）を含む。そのようなデータファイルは、デジタル出力信号及び／又は物理的ファイル、例えばプリントアウト又は表示された結果として、様々に具現化され得る。一旦STCデータが生成され記録されてしまうと、方法１００は、ブロックＢ１０８に進む。
[0047] ブロックＢ１０８は、ブロックＢ１０６からのデータファイル、例えば、表面組織特性データ（「STC解析」）又は他の特性データを解析し、それによって、ケース‐コア境界１８（図１参照）を位置特定することを含む。ブロックＢ１０８は、所与の一実施形態において使用された表面組織特性又は他の特性における閾値差異又は勾配が、今調整されたケース１４及びコア１６の連続エリアにわたり存在する位置を特定することを含む。その場合、そのような閾値差異は、ケース‐コア境界１８の存在を示している。ブロックＢ１０２で行われる物理的表面調整工程は、露出ケース面２０‐CASE（図３参照）を変化させたり塑性変形させたりしないように構成されるので、ケース‐コア境界１８の位置は、より軟らかいコア１６を示す塑性変形表面エリア（又は圧縮応力）から、より硬いケース１４を示す影響を受けない又は比較的影響を受けない表面への、遷移を検出することによって直ちに特定可能である。例えば、ノギス（caliper）、ゲージ、又は他の光学測定ツールを使用して、一旦ケース‐コア境界１８の座標が知られると、方法１００はブロックＢ１１０に進む。
[0048] ブロックＢ１１０（「有効ケース深度」）は、有効ケース深度（DEC）を、ケース‐コア境界１８とケース１４の基準面１１Ｒとの間の線形垂直距離として測定することを含む。図１の実施形態では、例えば、有効ケース深度（DEC）が、ブロックＢ１０８で使用されたのと同様なゲージ、ノギス、又は光学測定ツールを使用することなどによって、ケース１４の外径面１１とケース‐コア境界１８との間の垂直距離として測定され得る。一旦測定されると、有効ケース深度（DEC）は、非限定的に、品質保証工程及び／又は最後尾（end-of-line）品質検査工程を含む、無数の自動又は手動工程で使用され得る。
[0049] 実施例として、その有効ケース深度（DEC）が方法１００に従って特定される金属部品１０は、それ自体、特定の蓄積量又はロットを代表し得る。例示として、ケース硬化されたピニオン歯車の製造業者は、ロットからサンプルピニオン歯車を選択し、そのサンプルピニオン歯車に方法１００を実行して、その有効ケース深度（DEC）を導出し、その後、測定された有効ケース深度（DEC）を閾値有効ケース深度と比較する。その閾値は、例えば、部品及び／又は用途に固有の見取り図、表、チャート、又は他の較正された基準若しくは要件からのものであり、そのような閾値有効ケース深度の一例は、約２mmである。次いで、有効ケース深度（DEC）が閾値ケース深度未満であるところではどこでも、品質保証動作又は他の制御動作が、その蓄積量又はロットに対して行われ得る。この特定の例示的な実施例では、有効ケース深度（DEC）が２mm未満であることに応じて行われる適切な動作が、更なるサンプルピニオンを試験することから、その蓄積量又はロットを不合格にすることまでの範囲に及ぶ。
[0050] 図４で概略的に示されているように、且つ、当業者によって理解されるように、方法１００の様々なブロックは、説明されるブロックに関連付けられた必須のハードウェア及びソフトウェアが装備されたホストコンピュータデバイス又は電子制御ユニット（ECU）５０の補助によって及び／又はその補助を伴って、自動的に実行され得る。すなわち、金属部品１０の有効ケース深度（DEC）を特定するためのシステム６０は、非限定的に、粗面計３２Ｐ、Ｘ線回折計３２Ｘ、及び／又は反射率計３２Ｒを含む、上述された実施形態のいずれか又は全部の中にある表面計測センサ３２を含み得る。システム６０は、上述された（１以上の）表面組織特性を使用して、ケース‐コア境界１８を特定するように構成された１以上のECU５０を更に含む。システム６０は、図１で例示された有効ケース深度（DEC）を、ケース１４の基準面１１Ｒとケース‐コア境界１８との間の線形直線距離として測定するように構成された、接触式又は光学／非接触式の測定ツール（「MSMT TOOL」）７０も含み得る。
[0051] 図４のECU５０は、単一のスタンドアロン又は複数のネットワーク化された物理的コンピュータデバイスを包含し得る。複数のネットワーク化された物理的コンピュータデバイスのそれぞれは、１以上のプロセッサ（P）及び関連付けられた非一過性のメモリ（Ｍ）、すなわち、リードオンリーメモリ、プログラマブルリードオンリーメモリ、ランダムアクセスメモリ、光学メモリ又は磁気メモリなどを有する。本明細書で考慮される非一過性のメモリは、ソフトウェア及び／又はファームウェアのプログラム、ならびに表面計測センサ及びケース深度測定デバイスの非接触式／光学の実施形態を含む周辺機器と相互作用するためのホスト入力／出力回路及びデバイスに使用され得る。そのようなECU５０は、必須の信号調整及びバッファ回路、ならびに本方法１００の説明された機能性を提供するようにアクセスされ得る他のハードウェア部品も含み得る。電子制御信号（矢印ＣＣ３２及びＣＣ７０）は、方法１００の部分として、それぞれ、（１以上の）計測センサ３２と測定ツール７０とに送信され、それらから送信され得る。
[0052] 本開示の方法１００及びその可能なハードウェアの実施態様の結果としての利益は、当業者によって直ちに理解されるだろう。例えば、本教示は、サンプルの調製を大幅に単純化し、促進し、刻み目ベースの巨視的な硬度トラバース試験システムに一般的に関連付けられた人と人又は機械と機械との試験のばらつきを低減させることを企図している。
更に、露出面全体の均一な表面調整は、本明細書で記述されたように、異なる調整される材料の表面組織に等しく影響を与えず、既存の方法に対してより多くのケースが評価され得る。それに対応して、有効ケース深度（DEC）を評価するために必要とされる消耗品は低減され、ケース深度データを収集するためにより少ない時間が必要とされる。従来の巨視的な硬度及び微視的な硬度の試験工程は、多数の離散した位置における刻み目の精密なサイズ／深度測定に頼り、したがって、より硬い材料に対してより軟らかい材料のより大きな塑性変形に頼る。本開示によって可能になるような拡張によって、露出面２０の均一な表面調整は、コア１６のより広いエリアの塑性変形をもたらして、表面組織又は表面下応力などの別の適切な特性が、上述の結果としての利益を伴って広いエリアにわたり使用されることを可能にする。これら及び他の利益は、前述の開示を見ることで当業者によって直ちに理解されるだろう。
条項１．
比較的硬い層すなわちケース及び比較的軟らかい層すなわちコアを有する金属部品の有効ケース深度を決定するための方法であって、調整された表面を形成するために前記金属部品の露出面を物理的に調整することであって、前記ケース及び前記コアの連続エリアを物理的表面調整工程に曝露することを含む、前記金属部品の露出面を物理的に調整すること、表面計測センサを使用して前記調整された表面の特性を測定された特性として測定すること、前記測定された特性を使用してケース‐コア境界を位置特定することであって、前記ケース‐コア境界を示す前記測定された特性における所定の差異又は勾配が前記調整された表面上に存在する位置を特定することを含む、ケース‐コア境界を位置特定すること、並びに、前記有効ケース深度を測定された深度として決定することであって、前記ケースの基準面と前記ケース‐コア境界との間の垂直距離を測定することを含む、前記有効ケース深度を測定された深度として決定することを含む、方法。
条項２．
前記金属部品の前記露出面を物理的に調整することは、ブラスト媒体を使用して前記露出面をブラスティング又はショットピーニングすることを含む、条項１に記載の方法。
条項３．
前記金属部品は、浸炭鋼から構築され、前記ブラスト媒体の硬度レベルは、４８HRCから５２HRCの範囲内にあり、前記金属部品の前記露出面を物理的に調整することは、約６インチのスタンドオフ距離から、約４０psigの圧力で、約２００パーセントのカバレージレベルで、前記金属部品の前記露出面をブラスティング又はショットピーニングすることを含む、条項２に記載の方法。
条項４．
前記測定された特性は、測定された表面組織又は表面粗さを含み、前記表面計測センサは、粗面計を含む、条項２に記載の方法。
条項５．
前記粗面計は、非接触式の粗面計を含む、条項４に記載の方法。
条項６．
前記非接触式の粗面計は、レーザー粗面計又は走査干渉計を含む、条項５に記載の方法。
条項７．
前記非接触式の粗面計は、反射率計を含む、条項５に記載の方法。
条項８．
前記表面計測センサは、Ｘ線回折計を含み、前記特性は、前記金属部品の内部圧縮応力のレベルである、条項１に記載の方法。
条項９．
前記金属部品は、ある蓄積量又はロットを代表し、前記方法は、前記測定された深度を所定の閾値深度と比較すること、及び、前記測定された深度が前記所定の閾値深度未満であるときに、前記蓄積量又は前記ロットに対して品質保証動作又は制御動作を自動的に実行することを更に含む、条項１に記載の方法。
条項１０．
前記露出面が前記金属部品の断面エリアであるように、前記金属部品を切断し、それによって、前記金属部品の前記露出面を形成することを更に含む、条項１に記載の方法。
条項１１．
基準面を含む比較的硬い層すなわちケース、及び比較的軟らかい層すなわちコアを有する、金属部品の有効ケース深度を特定するためのシステムであって、前記金属部品の調整されたコア表面の特性を測定された特性として測定するように構成された表面計測センサであって、前記調整されたコア表面は、前記金属部品の露出面が物理的表面調整工程に均一に曝露された後の前記露出面の一部分である、表面計測センサ、前記表面計測センサと通信し、前記測定された特性を使用して前記露出面のケース‐コア境界を特定するように構成された電子制御ユニット（ECU）であって、前記ケース‐コア境界は、前記測定された特性における所定の差異又は勾配が前記露出面上に存在する位置を含む、ECU、並びに、前記ECUと通信する測定ツールであって、前記有効ケース深度を前記ケースの前記基準面と前記ケース‐コア境界との間の垂直距離として測定するように構成された測定ツールを備える、システム。
条項１２．
前記測定された特性は、前記調整されたコア表面の表面粗さ又は表面組織を含み、前記表面計測センサは、粗面計を含む、条項１１に記載のシステム。
条項１３．
前記粗面計は、非接触式の粗面計である、条項１２に記載のシステム。
条項１４．
前記非接触式の粗面計は、レーザー粗面計又は走査干渉計を含む、条項１３に記載のシステム。
条項１５．
前記非接触式の粗面計は、反射率計であり、前記表面組織特性は、前記均一に調整されたコア表面の反射率のレベルを含む、条項１３に記載のシステム。
条項１６．
前記表面計測センサは、Ｘ線回折計であり、前記測定された特性は、内部圧縮応力の測定されたレベルを含む、条項１１に記載のシステム。
条項１７．
ケース及びコアを有する浸炭鋼部品の有効ケース深度を特定するための方法であって、前記ケースのケース硬度レベルは、５０HRCより大きく、前記コアのコア硬度レベルは、４８HRC未満であり、前記方法は、調整されたコア表面を形成することであって、約５０HRCから５２HRCの範囲内の媒体硬度レベルを有するブラスト媒体を用いて、前記浸炭鋼部品の露出面を均一にブラスティング又はショットピーニングすることを含み、前記浸炭鋼部品の前記露出面は、前記ケースと前記コアとの連続面である、調整されたコア表面を形成すること、粗面計を使用して前記調整されたコアの表面組織を測定すること、前記表面組織を使用してケース‐コア境界を特定することであって、前記表面組織における所定の差異又は勾配が前記露出面にわたり存在する位置を特定することを含み、前記所定の差異又は勾配は前記ケース‐コア境界を示す、前記表面組織を使用してケース‐コア境界を特定すること、並びに、前記有効ケース深度を測定された深度として測定することであって、前記測定された深度は、前記ケースの基準面と前記ケース‐コア境界との間の垂直距離である、前記有効ケース深度を測定された深度として測定することを含み、前記調整されたコア表面を形成することは、約４０psigで、約２００パーセントのカバー率で、ブラスト媒体又はショットを用いて前記浸炭鋼部品の前記露出面をブラスティング又はショットピーニングすることを含む、方法。
条項１８．
前記粗面計は、非接触式のレーザー粗面計又は走査干渉計である、条項１７に記載の方法。
条項１９．
前記鋼鉄部品は、ある蓄積量又はロットを代表し、前記方法は、前記測定された深度を所定の閾値深度と比較すること、及び、前記測定された深度が前記所定の閾値深度未満であるときに、前記蓄積量又は前記ロットに対して品質保証動作又は制御動作を自動的に実行することを更に含む、条項１７に記載の方法。
条項２０．
前記露出面が前記浸炭鋼部品の断面エリアであるように、前記浸炭鋼部品を切断し、それによって、前記浸炭鋼部品前記露出面を形成することを更に含む、条項１７に記載の方法。
[0053] 本開示の態様が、例示的な実施形態を参照しながら詳細に説明された。しかし、本開示の範囲から逸脱することなしに、本開示の構造及び／又は方法に特定の修正が行われ得ることを、当業者は理解するだろう。本開示はまた、本明細書で開示された正確な構築及び組成に限定されない。前述の説明から明らかな修正は、添付の特許請求の範囲によって規定される本開示の範囲内にある。更に、本概念は、前述の要素及び特徴の組み合わせ及びサブコンビネーションを明示的に含む。

Claims (10)

  1. 比較的硬い層すなわちケース及び比較的軟らかい層すなわちコアを有する金属部品の有効ケース深度を決定するための方法であって、
    調整された表面を形成するために前記金属部品の露出面を物理的に調整することであって、前記ケース及び前記コアの連続エリアを物理的表面調整工程に曝露することを含む、前記金属部品の露出面を物理的に調整すること、
    表面計測センサを使用して前記調整された表面の特性を測定された特性として測定すること、
    前記測定された特性を使用してケース‐コア境界を位置特定することであって、前記ケース‐コア境界を示す前記測定された特性における所定の差異又は勾配が前記調整された表面上に存在する位置を特定することを含む、ケース‐コア境界を位置特定すること、並びに
    前記有効ケース深度を測定された深度として決定することであって、前記ケースの基準面と前記ケース‐コア境界との間の垂直距離を測定することを含む、前記有効ケース深度を測定された深度として決定することを含む、方法。
  2. 前記金属部品の前記露出面を物理的に調整することは、ブラスト媒体を使用して前記露出面をブラスティング又はショットピーニングすることを含む、請求項１に記載の方法。
  3. 前記金属部品は、浸炭鋼から構築され、前記ブラスト媒体の硬度レベルは、４８HRCから５２HRCの範囲内にあり、前記金属部品の前記露出面を物理的に調整することは、約６インチのスタンドオフ距離から、約４０psigの圧力で、約２００パーセントのカバレージレベルで、前記金属部品の前記露出面をブラスティング又はショットピーニングすることを含む、請求項２に記載の方法。
  4. 前記測定された特性は、測定された表面組織又は表面粗さを含み、前記表面計測センサは、粗面計を含む、請求項２に記載の方法。
  5. 前記粗面計は、非接触式の粗面計を含む、請求項４に記載の方法。
  6. 前記非接触式の粗面計は、レーザー粗面計又は走査干渉計を含む、請求項５に記載の方法。
  7. 前記非接触式の粗面計は、反射率計を含む、請求項５に記載の方法。
  8. 前記表面計測センサは、Ｘ線回折計を含み、前記特性は、前記金属部品の内部圧縮応力のレベルである、請求項１に記載の方法。
  9. 前記金属部品は、ある蓄積量又はロットを代表し、前記方法は、
    前記測定された深度を所定の閾値深度と比較すること、及び
    前記測定された深度が前記所定の閾値深度未満であるときに、前記蓄積量又は前記ロットに対して品質保証動作又は制御動作を自動的に実行することを更に含む、請求項１に記載の方法。
  10. 前記露出面が前記金属部品の断面エリアであるように、前記金属部品を切断し、それによって、前記金属部品の前記露出面を形成することを更に含む、請求項１に記載の方法。
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