JP2022133587A - ショットピーニング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金属材料からなる対象物の長寿命化を更に図ることができるショットピーニング方法を提供する。【解決手段】ショットピーニング方法は、金属材料からなる対象物１の表面２に第１深さｄ１で残留応力を付与する第１ショットピーニングを行う工程Ｓ２と、第１ショットピーニング後に、対象物１の表面２に第１深さｄ１よりも深い第２深さｄ２で残留応力を付与する第２ショットピーニングを行う工程Ｓ４と、を含む。【選択図】図１

Description

本開示は、ショットピーニング方法に関する。

金属材料からなる対象物の表面に高硬度の投射材（ショット）を投射するショットピーニングが知られている（例えば、特許文献１）。ショットピーニングは、金属材料からなる製品の長寿命化に有効である。例えば、ダイカスト金型の破損は、熱膨張及び熱収縮を繰り返すことで生じるヒートチェック（ヒートクラック）によることが多い。ショットピーニングによれば、金型の表面に残留応力（圧縮残留応力）を付与し、ヒートチェックを抑制することができる。ショットピーニングにより金型が長寿命化すれば、製品の製造コストに含まれる型費を減少させることができる。

特開２０１１－２３５３１８号公報

本開示は、金属材料からなる対象物の長寿命化を更に図ることができるショットピーニング方法を提供する。

本開示の一側面に係るショットピーニング方法は、金属材料からなる対象物の表面に第１深さで残留応力を付与する第１ショットピーニングを行う工程と、第１ショットピーニング後に、対象物の表面に第１深さよりも深い第２深さで残留応力を付与する第２ショットピーニングを行う工程と、を含む。

このショットピーニング方法では、第１ショットピーニングにより対象物の表面に残留応力が付与されるので、ヒートチェックの抑制効果が得られる。対象物の使用中に第１ショットピーニングの効果が低下しても、第２ショットピーニングにより対象物の表面に残留応力が付与されるので、再びヒートチェックの抑制効果が得られる。特に、第１ショットピーニングでは、第１深さで残留応力が付与されるのに対し、第２ショットピーニングでは、第１深さよりも深い第２深さで残留応力が付与される。したがって、第１深さより深く進展した亀裂について、それ以上の進展を抑制することができる。以上のことから、金属材料からなる対象物の長寿命化を更に図ることができる。

一実施形態に係るショットピーニング方法では、第２ショットピーニングの投射材の粒径は、第１ショットピーニングの投射材の粒径よりも大きくてもよい。また、第２ショットピーニングの投射材の投射速度は、第１ショットピーニングの投射材の投射速度よりも大きくてもよい。また、第２ショットピーニングの投射材の硬さは、第１ショットピーニングの投射材の硬さよりも硬くてもよい。これらの場合、第２深さを第１深さよりも容易に深くすることができる。

一実施形態に係るショットピーニング方法では、対象物は、鉄系合金又はチタン系合金からなってもよい。鉄系合金及びチタン合金は広く用いられているので、更なる長寿命化が可能なショットピーニング方法の必要性が高い。

一実施形態に係るショットピーニング方法では、対象物は、ダイカスト金型又はトランスミッション用歯車であってもよい。ダイカスト金型は高温で使用されるので、ヒートチェックの抑制効果が低下し易い。トランスミッション用歯車は、非常に負荷がかかる部品である。また、特に建設機械に用いられる場合、稼働率が高いことや大型機械であることから交換が困難である。よって、ダイカスト金型及びトランスミッション用歯車では、更なる長寿命化が可能なショットピーニング方法の必要性が高い。

本開示に係るショットピーニング方法によれば、金属材料からなる対象物の長寿命化を更に図ることができる。

実施形態に係るショットピーニング方法を示すフローチャートである。 対象物における影響層及びヒートチェックについて説明するための模式的な断面図である。

以下、添付図面を参照して、実施形態について詳細に説明する。説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には同一符号を用い、重複する説明を省略する。

実施形態に係るショットピーニング方法は、金属材料からなる対象物にショットピーニングを行う方法である。対象物は、例えば、鉄系合金又はチタン系合金からなる。鉄系合金は、例えば、鉄鋼材料である。鉄鋼材料として、具体的には、炭素含有量が０．５％～０．６％である中炭素の焼入材、炭素含有量が０．８％～１．１％である高炭素の浸炭材等が挙げられる。中炭素の焼入材は、例えば、ばね材、アルミダイカスト用の金型材に用いられる。高炭素の浸炭材は、例えば、歯車材に用いられる。これらの鉄鋼材料は、いずれもマルテンサイト組織を有するマルテンサイト鋼である。

チタン系合金は、例えば、αチタン合金（例えば、Ｔｉ－５Ａｌ－１Ｍｏ－１Ｖ）、α－βチタン合金（例えば、Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ）、又は、βチタン合金（例えば、Ｔｉ－１４－３－３－３）である。チタン系合金の中では、α－βチタン合金であるＴｉ－６Ａｌ－４Ｖ、いわゆる６４チタンが最も使用されている。使用用途は、人工関節をはじめとしたインプラント、及び、航空機の骨組み部材等である。

対象物は、例えば、ダイカスト金型又はトランスミッション用歯車である。典型的なダイカスト金型の材料はＳＫＤ６１（ＪＩＳ規格）である。ＪＩＳ規格のＳＫＤ６１は、ＩＳＯ規格（ＩＳＯ４９５７：１９９９）のＸ４０ＣｒＭｏＶ５－１に対応している。ダイカスト金型では、一般的に焼き入れ焼き戻し後に窒化が適用される。窒化のタイプとして、塩浴軟窒化、ガス窒化、プラズマ窒化が挙げられる。なかでも塩浴軟窒化は、コストが低く、大物にも適用できるので、多用される。塩浴軟窒化は、鋼表面に化合物層が生成された後、窒素が拡散していくプロセスであり、表面には必ず化合物層が存在する。この化合物層には、鉄とアルミニウムの凝着を抑制する働きがある。母相である鋼と化合物層との間には明確な境目がなく、組成（化学成分）が母相から連続的に変化し化合物層となっている。化合物層は、硬い反面、脆く割れやすい性質も有し、母相の鋼の結晶粒界にも亀裂を引き起こすと言われている。

アルミ合金ダイカスト金型の場合を例に説明を更に続ける。アルミ合金ダイカスト金型の破損原因の約７０％は、ヒートチェックと呼ばれる亀裂の発生である。高温のアルミ溶湯及び低温の離型剤から金型が受ける熱サイクルによって、結晶粒の膨張収縮が生じる。その結果、ヒートチェックが結晶粒界から発生する。ヒートチェック抑制のために、ショットピーニングによる残留応力の付与が効果的であるとの文献が散見される。このとき、残留応力の評価には、Ｘ線を用いた方法が用いられる。ヒートチェックは、結晶粒界を起点とした亀裂である。これに対し、Ｘ線では、結晶粒内の残留応力が評価される。結晶粒内の残留応力がヒートチェック抑制に対してどのように寄与しているのか不明である。しかしながら、結果論として、ショットピーニングによってヒートチェックが抑制できていることは事実であると考えられる。

ダイカスト金型は、アルミ溶湯から受ける熱により、常に５５０度前後の温度になっている。この温度は、鋼の再結晶温度とほぼ同じである。仮にショットピーニングによって残留応力が付与されたとしても、この温度域では、応力が解放されてしまう。したがって、ヒートチェック抑制の理由をショットピーニングによる残留応力だけと考えるのはやや乱暴である。

ショットピーニングは、塑性変形を起こす加工である。ショットピーニングによれば、結果として結晶粒の微細化が発生している。ヒートチェックは結晶粒界から発生する。よって、結晶粒の微細化及び経路の複雑さは、ヒートチェックが発生する機会の損失という意味で、効果を発揮していると考えられる。結晶粒微細化は、Ｘ線による残留応力測定結果としての数値に表れない。Ｘ線応力測定により得られる数値としては、半価幅が結晶性を表すパラメータである。半価幅の数値が大きいほど、結晶粒が微細化及び複雑化していることを示している。

前述のとおり、ダイカスト金型は常に鋼の再結晶温度にさらされている。ショットピーニングにより結晶粒微細化が起こったとしても、ダイカスト金型の使用中に結晶粒の再結晶化が進み、ショットピーニングの効果は低下していく。ダイカスト金型の寿命を延ばすために、初期にショットピーニングを行うことはもちろん効果的である。しかしながら、ショットピーニングの効果は低下していく。よって、使用途中に再度ショットピーニングを行って結晶粒を微細化すれば、ダイカスト金型の更なる長寿命化が期待できる。ここでは、このようなショットピーニングを再ショットピーニングと呼ぶ。

図１は、実施形態に係るショットピーニング方法を示すフローチャートである。図１に示されるように、実施形態に係るショットピーニング方法は、第１ショットピーニングのための第１ショットピーニング条件を設定する工程Ｓ１と、第１ショットピーニングを行う工程Ｓ２と、第２ショットピーニングのための第２ショットピーニング条件を設定する工程Ｓ３と、第２ショットピーニングを行う工程Ｓ４と、を含む。第２ショットピーニングは、再ショットピーニングに相当する。工程Ｓ１及び工程Ｓ２は、例えば、対象物の製造時に行われる。工程Ｓ３及び工程Ｓ４は、例えば、対象物のメンテナンス時に行われる。以下、各工程について説明する。

工程Ｓ１では、第１ショットピーニング条件として、対象物に最大残留応力を付与するための条件を設定する。最大残留応力とは、対象物に付与可能な圧縮残留応力の最大値である。最大残留応力は、対象物によって異なる。工程Ｓ１で設定される第１ショットピーニング条件は、例えば、投射材の硬さ、投射材の粒径、投射材の投射速度等である。

ヒートチェックの原因は、結晶の熱膨張収縮による応力なので、応力が最大となる表面だけが破壊の起点である。もともとショットピーニングは、表面に応力を付与する処理である。したがって、新規に製造された対象物に対して行う第１ショットピーニングでは、対象物の硬さ等にあわせた適当な第１ショットピーニング条件が設定される。

ショットピーニングでは、投射材の硬さを高めることにより、対象物に付与される残留応力を高めることができる。しかしながら、対象物の硬さが投射材の硬さに見合っていないと、投射材の硬さを高めることにより、対象物に付与される残留応力がかえって低下する場合がある。つまり、対象物に最大残留応力を付与するには、対象物の硬さと投射材の硬さとのバランスを適正化する必要がある。

第１ショットピーニングによって対象物に最大残留応力を付与するには、例えば、投射材の硬さを対象物の硬さよりも５０ＨＶ（ビッカース硬さ）以上２５０ＨＶ以下の範囲内で高く設定する。５０ＨＶ以上とすることで、対象物の表面部分に残留応力を付与することができる。２５０ＨＶよりも高く設定すると、投射のエネルギーが対象物の表面の削食に使われるので、対象物の表面部分に効果的かつ安定的に残留応力を付与することができない。削食量が大きくなると、対象物の寸法の変化量も大きくなる。対象物の削食量を５μｍ以下とすることで、対象物の表面部分に効果的かつ安定的に残留応力を付与することができる。また、対象物の寸法の変化を抑制することができる。更に、対象物の表面粗度の悪化を抑制することができる。

ただし、対象物の硬さが７５０ＨＶよりも低いと、対象物の表面部分に十分な残留応力を付与することができない場合がある。対象物の硬さは、例えば、対象物の表面から深さ０．０５０ｍｍまでの表面部分の硬さを意味する。

硬さの場合と同様に、投射材の粒径を大きくすることにより、対象物に付与される残留応力を高めることができる。投射材の粒径が大きくなるにつれて、ピーニング影響層が深くまで形成される。しかしながら、投射材の粒径が大きすぎると、対象物に付与される残留応力がかえって低下する場合がある。対象物のダメージが大きくなり、材料自体の脆化、対象物の表面粗度の悪化、又は、寸法の変化が生じるおそれもある。例えば、表面粗さは、投射材の粒径に依存する。また、投射材の粒径が大きすぎると、投射設備の能力的に加工できないおそれもある。更に、単位流量当たりのショット数が減るので、加工時間が長くなる。

投射材の粒径は、例えば、投射材が球状である場合、投射材の直径である。第１ショットピーニングによって対象物に最大残留応力を付与するには、投射材の粒径は、例えば、５０μｍ以上１０００μｍ以下である。投射材の粒径を５０μｍ以上とすることにより、対象物の表面直下の改質を行うことができる。対象物の硬さや用途にもよるが、投射材の粒径を１０００μｍ以下（１ｍｍ以下）とすることにより、表面粗さの悪化を抑制することができる。投射材の粒径を１０００μｍとして得られるピーニング影響層の深さ（厚さ）は、５００μｍ程度である。表面粗さが悪化するので、ピーニング影響層をこれ以上厚くすることは困難である。

硬さの場合と同様に、投射材の投射速度を大きくすることにより、対象物に付与される残留応力を高めることができる。しかしながら、投射材の投射速度が大きすぎると、対象物に付与される残留応力がかえって低下する場合がある。材料自体の脆化、対象物の表面粗度の悪化、又は、寸法の変化が生じるおそれもある。第１ショットピーニングによって対象物に最大残留応力を付与するには、投射材の投射速度は、例えば、５０ｍ／ｓ以上１５０ｍ／ｓ以下である。ノズルを使ったエア式ピーニング装置を用いる場合、投射圧（エア圧力）を、例えば、０．０５ＭＰａ以上０．５ＭＰａ以下とすることにより、上記投射速度を実現できる。

工程Ｓ２では、対象物に対し、工程Ｓ１で設定された第１ショットピーニング条件で第１ショットピーニングを行う。これにより、図２（ａ）に示されるように、対象物１の表面２にピーニング影響層３が形成される。ピーニング影響層３には、第１ショットピーニングにより歪が導入され、残留応力が付与されている。すなわち、第１ショットピーニングは、対象物１の表面２に、ピーニング影響層３の厚さと等しい第１深さｄ１で歪を導入し、残留応力を付与する処理である。ピーニング影響層３では、結晶粒が微細化され、結晶粒界が複雑化されている。ピーニング影響層３は、歪が導入された歪導入層であると共に、残留応力が付与された残留応力付与層である。

工程Ｓ２後の対象物１をある程度使用すると、図２（ｂ）に示されるように、対象物１の表面２にヒートチェック４が発生し、対象物１の内部に向かって進行する。前述のように、ダイカスト金型の使用環境は再結晶が起こる温度領域であるため、結晶粒が第１ショットピーニングの影響から回復していく。つまり、対象物１における結晶粒微細化及び歪の導入の効果が低下していく。その過程で、ヒートチェック４も進展してしまう。ヒートチェック４は、図２（ｃ）に示されるように、いずれはピーニング影響層３を超えて進展する。

工程Ｓ３では、第２ショットピーニングのための第２ショットピーニング条件を設定する。第２ショットピーニング条件は、例えば、投射材の硬さ、投射材の粒径、投射材の投射速度等である。第２ショットピーニングは、ヒートチェック４が進展した状態の対象物１に対して行われる。対象物１の更なる寿命延長を狙うためには、ヒートチェック４よりも深い位置までピーニング影響層３を形成する必要がある。すなわち、第２ショットピーニング条件は、第１ショットピーニング条件よりもピーニング影響層３がより深くなるように設定される。

例えば、第２ショットピーニングの投射材の粒径は、第１ショットピーニング条件の投射材の粒径よりも大きくなるように設定される。第２ショットピーニングの投射材の投射速度は、第１ショットピーニングの投射材の投射速度よりも大きくなるように設定される。第２ショットピーニングの投射材の硬さは、第１ショットピーニングの投射材の硬さよりも硬くなるように設定される。工程Ｓ３では、このような設定が少なくとも１つ行われればよい。例えば、第２ショットピーニングの投射材の粒径が、第１ショットピーニング条件の投射材の粒径よりも大きくなるように設定されれば、第２ショットピーニングの投射材の投射速度及び硬さは、第１ショットピーニングの投射材の投射速度及び硬さと同じであってもよい。

工程Ｓ４では、工程Ｓ２後の対象物１に対し、工程Ｓ３で設定された第２ショットピーニング条件で第２ショットピーニングを行う。これにより、図２（ｄ）に示されるように、対象物１の表面２に第１深さｄ１よりも深い第２深さｄ２で残留応力が付与され、第２深さｄ２と等しい厚さのピーニング影響層３が形成される。第２ショットピーニングは、投射材の衝突により塑性流動を起こし、既に発生しているヒートチェック４を閉じる作用をもたらす。対象物１の内部ではこの作用が弱いため、ヒートチェック４の全部は改善されず、一部が残存する場合もある。しかしながら、ヒートチェック４は対象物１の最表面から発生するため、最表面に対する作用が重要である。

以上説明したように、実施形態に係るショットピーニング方法は、金属材料からなる対象物１の表面２に第１深さｄ１で残留応力を付与する第１ショットピーニングを行う工程Ｓ２と、第１ショットピーニング後に、対象物１の表面２に第１深さｄ１よりも深い第２深さｄ２で残留応力を付与する第２ショットピーニングを行う工程Ｓ４と、を含む。

このショットピーニング方法では、第１ショットピーニングにより対象物１の表面２に残留応力が付与されるので、ヒートチェック４の抑制効果が得られる。対象物１の使用中に第１ショットピーニングの効果が低下しても、第２ショットピーニングにより対象物１の表面２に残留応力が付与されるので、再びヒートチェック４の抑制効果が得られる。特に、第１ショットピーニングでは、第１深さｄ１で残留応力が付与されるのに対し、第２ショットピーニングでは、第１深さｄ１よりも深い第２深さｄ２で残留応力が付与される。したがって、第１深さｄ１より深く進展した亀裂について、それ以上の進展を抑制することができる。以上のことから、金属材料からなる対象物１の長寿命化を更に図ることができる。

第２ショットピーニングの投射材の粒径は、第１ショットピーニングの投射材の粒径よりも大きくてもよい。また、第２ショットピーニングの投射材の投射速度は、第１ショットピーニングの投射材の投射速度よりも大きくてもよい。また、第２ショットピーニングの投射材の硬さは、第１ショットピーニングの投射材の硬さよりも硬くてもよい。これにより、第２深さｄ２を第１深さｄ１よりも容易に深くすることができる。すなわち、第２ショットピーニングにより形成されるピーニング影響層３を、第１ショットピーニングにより形成されるピーニング影響層３よりも容易に厚くすることができる。

対象物１は、鉄系合金又はチタン系合金である。鉄系合金及びチタン合金は広く用いられているので、更なる長寿命化が可能なショットピーニング方法の必要性が高い。

対象物１は、ダイカスト金型である。ダイカスト金型は、高温で使用されるので、ヒートチェックの抑制効果が低下し易い。よって、ダイカスト金型では、更なる長寿命化が可能なショットピーニング方法の必要性が高い。また、対象物１はトランスミッション用歯車である。トランスミッション用歯車は、非常に負荷がかかる部品である。特に建設機械に用いられる場合、稼働率が高いことや大型機械であることから交換が困難である。よって、トランスミッション用歯車では、更なる長寿命化が可能なショットピーニング方法の必要性が高い。

本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。

ショットピーニング方法は、工程Ｓ４後に再ショットピーニングを行う工程を更に含んでもよい。工程Ｓ４後の対象物１を使用すると、新たなヒートチェック４が再び表面２から発生し、対象物１の内部に向かって進行する。新たなヒートチェック４は、内部に残存したヒートチェック４と結合して進展する場合がある。したがって、工程Ｓ４後に再ショットピーニングを行う場合は、直前に行ったショットピーニングで残留応力を付与した深さよりも深い深さで残留応力を付与する必要がある。したがって、再ショットピーニングを逐次行う場合は、例えば、投射材の粒径を逐次大きくしていくことになる。

１…対象物、２…表面、３…ピーニング影響層、４…ヒートチェック、ｄ１…第１深さ、ｄ２…第２深さ。

Claims (6)

1. 金属材料からなる対象物の表面に第１深さで残留応力を付与する第１ショットピーニングを行う工程と、
   前記第１ショットピーニング後に、前記対象物の表面に前記第１深さよりも深い第２深さで残留応力を付与する第２ショットピーニングを行う工程と、を含む、
   ショットピーニング方法。
2. 前記第２ショットピーニングの投射材の粒径は、前記第１ショットピーニングの投射材の粒径よりも大きい、
   請求項１に記載のショットピーニング方法。
3. 前記第２ショットピーニングの投射材の投射速度は、前記第１ショットピーニングの投射材の投射速度よりも大きい、
   請求項１又は２に記載のショットピーニング方法。
4. 前記第２ショットピーニングの投射材の硬さは、前記第１ショットピーニングの投射材の硬さよりも硬い、
   請求項１～３のいずれか一項に記載のショットピーニング方法。
5. 前記対象物は、鉄系合金又はチタン系合金からなる、
   請求項１～４のいずれか一項に記載のショットピーニング方法。
6. 前記対象物は、ダイカスト金型又はトランスミッション用歯車である、
   請求項１～５のいずれか一項に記載のショットピーニング方法。

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