JP4075187B2

JP4075187B2 - Shot peening method for metal plate

Info

Publication number: JP4075187B2
Application number: JP02891999A
Authority: JP
Inventors: 雅彦三林; 昌澄大西
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1999-02-05
Filing date: 1999-02-05
Publication date: 2008-04-16
Anticipated expiration: 2019-02-05
Also published as: JP2000225567A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はショットピーニング方法に関し、特に、曲げ応力を負荷する金属板の表面に、表面硬化処理を施すことによって、降伏応力を高めてショットピーニング後の疲労強度を向上する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関等の動力伝達には、無端金属ベルトが使用されている。この金属ベルトでは、繰り返しの曲げ応力が引張り状態下で負荷されるため、疲労による材料の破壊が問題となる。
この対策として、残留応力の付与による疲労強度の向上が図られている。この分野の公知技術として、特公平３−７７００２号公報には、金属ベルトの疲労強度向上方法として残留応力を付与する方法が開示されている。この方法では、金属ベルトを２つのローラーにより支持し、ベルトとローラーで支持した曲部にショットピーニングを施すものである。しかし、この曲部に付与できる残留応力は材料により決まり、余り大きくは出来ない。
【０００３】
また特開平７−２７６２３４号公報には、捻じり応力を付加しながら鋼線に、ショットピーニングを施し疲労特性を向上させる方法が開示されている。しかし、この捻り応力は小径の線材には有利であるが、金属ベルト等では形状から規制される。
そこで、金属ベルトのような、金属板に比較的簡単な方法で、従来法より向上代の大なる疲労特性の改善方法の開発が望まれている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、金属板の疲労特性を向上する方法を検討し、金属ベルト等の金属板に表面処理を施し、曲げ応力を予負荷して、ショットピーニングする方法を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、前記表面処理として、疲労特性に有利な方法を検討し、前処理として表面硬化の表面処理としての例えば窒化処理等によって、表面部の降伏応力を高めることによって達成できるショットピーニング方法を提供することにある。
【０００５】
さらに、本発明の別の目的は、予負荷として、曲げ応力の付与方法を検討し、金属板をプーリー等の回転体に巻掛けし、曲率部を付与することによって無端回転をさせながら当該曲率部にショットピーニングする方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的は、予負荷として曲げ応力を負荷するために、金属板に曲率を付与する工程と、該金属板の曲率部にショットピーニングを施す工程からなり、上記曲率を付与する工程の前処理として、該金属板に予め表面硬化処理が施されていることを特徴とする金属板のショットピーニング方法によって達成される。
上記の目的は更に、予負荷として曲げ応力を負荷するために、金属板に曲率を付与する工程と、該金属板の曲率部にショットピーニングを施す工程からなり、上記金属板に曲率を付与する工程の前処理として上記金属板の曲率部に予め表面硬化処理が施されていることを特徴とする金属板のショットピーニング方法によっても達成される。
【０００７】
また、上記の目的は前記において、曲げ応力は、金属板をローラーで無端回転させてローラー巻掛角度によって付与されることを特徴とする金属板のショットピーニング方法によっても達成される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明では、金属板表面の圧縮残留応力の層を高いレベルでかつ薄くすることが出来る。これによって、疲労強度が圧縮の残留応力によって、向上することになる。また、本発明では曲げによる予負荷であるために、引張による予負荷に比較して表面近くで、圧縮残留応力を集中することが出来る。さらに、この曲げによる予負荷の限界が降伏応力によって決まるので、表面部の降伏応力を大きくできる表面の硬化処理を施すことによって、圧縮残留応力を高めることができる。このため、本発明では表面硬化による効果と、曲げ予負荷の効果を最大限に利用することが可能となる。この点について、さらに具体的に説明する。
【０００９】
ベルト等の金属板のストレスピーニング（引張予負荷状態でのショットピーニング）の技術的要点は、前述のように、表面の圧縮残留応力の層をいかに高レベルでかつ薄くするかにある。これはベルト自体が一般に厚み０．３mmから０．１mmと極めて薄く、このため応力層が厚いと、応力線図が形状的に変形して多重化してしまうからである。また、残留応力は板厚方向で必然的につり合うため引張を受け持つ部分が少ないと、十分な圧縮残留応力が確保されないことになる。疲労強度は圧縮の残留応力レベルに強い正の相関があるため、これは実用上極めて不利となる。ストレスピーニングの原理から考えると付与される応力は予負荷レベルに強く依存している。このため、応力層を薄くするには、発明者等の実験から引張、または引張＋曲げの複合負荷よりも、曲げのみによる方が応力勾配が強くなり、表面に予負荷を集中させることができることがわかった。
【００１０】
その結果として、曲げ予負荷と引張予負荷の板厚方向応力分布状態の違いを図４（ａ），（ｂ）に示す。図４（ａ）の曲げによる予負荷が表面に予負荷が集中しているのに対し、図４（ｂ）の引張の場合は均等であることがわかる。
また、曲げによる圧縮残留応力の板厚方向の分布を図１（ａ）に示す。一方、図１（ｂ）は同様に引張予負荷によるものである。この場合のショット投射のみの効果はそれぞれ符号１，３で同じである。しかし、予負荷の効果２，４は前者が符号２のように表面近くになるほど大きくなるのに対し、後者は符号４のように板厚方向に均等であることを示している。この様に曲げによる予負荷は圧縮残留応力を表面に集中させる効果が極めて大きいことがわかる。
【００１１】
従来より、曲げ疲労強度を要求される金属ベルト等の金属板では、軟窒化処理等の表面硬化処理を施されるのが一般的である。図２に、板厚０．１９mmのマルエージング鋼製金属ベルトに、窒化処理を施した場合の硬さ分布を示した。図２から表面と内部では材質的な強度に違いがある。ストレスピーニングにおける予負荷は材料の弾性範囲内であることが前提であるため、引張予負荷の限界は材料内部の降伏応力によって決まる。これに対し、曲げ予負荷の場合、負荷応力は内部では小さいため、表面硬化部の降伏応力によって決定される。従って、最表面の予負荷限界で比較した場合、曲げの方が約６０％程度高レベルの予負荷応力を付与することができる。
【００１２】
さらに、予負荷の安定性から考慮しても、治具精度等の影響を受けやすい引張負荷よりも純曲げによる負荷の方が、曲率部の曲げ半径Ｒと板厚のみで予負荷が決定されるため、安定した負荷が可能である。
以下に、本発明について、実施例の図面に基づいてさらに詳述する。
【００１３】
【実施例】
本実施例では、マルエージング鋼製ベルトを被処理材として、ローラー及びプーリーによって予負荷を付与しながら、ショットピーニングしたものである。
ショットピーニング条件および予め施される軟窒化処理条件は次のとおりである。
【００１４】
ショットピーニング条件として、ショット球は鋳鋼製、粒径；φ４４μｍ、圧力；０．３MPa 、エア直圧式ショットピーニング装置で、投射時間；３５秒、投射距離；１５０mmとした。
応力レベルは、予負荷として、引張応力は図３（ａ）で２kg／mm²、図３（ｂ）で０、曲げ応力はともに２０４kg／mm²で、残留圧縮応力は−２１０kg／mm²とした。なお、従来の未窒化品引張負荷としては、予負荷１４６kg／mm²である。
【００１５】
軟窒化処理条件は４９０℃×３hr、Ｎ₂ベース雰囲気とした。
本実施例による板厚０．１８５mmφの金属ベルトの実際の処理例を図３（ａ），（ｂ）に示す。図３（ｂ）では、ローラー１（符号９），２（１０），３（１１）が図に示す方向に回転することで処理部位を送り、ベルト全体に処理を施す。予負荷レベルは板厚とローラー２（符号１０）の半径Ｒ２によって決定される。この時のローラー径はＲ₁，Ｒ₃＝３．５mm、Ｒ₂＝４．５mmである。この装置でストレスピーニング処理を行ったマルエージング鋼製ベルトの疲労強度を調査した。ベルトには予め軟窒化処理が施され、その硬さ分布を図２に示す。板厚は０．１９mm、幅は１２．５mmである。この図では、横軸は表層からの板厚方向位置をとったものである。その硬度の傾向は、表面部を高硬度値を示し、中心部でＨｖ約５５０の硬度を示し、表層部はＨｖ９００の硬度を示している。その結果では、疲労強度は引張予負荷のものが未処理に対し５％程度であるのに対し、本発明材では２０％の向上効果が確認された。
【００１６】
処理装置としては図３（ａ）に示す構成も考えられる。曲げ負荷はプーリー１（符号５）の半径Ｒ１と板厚によって決定される。この時のプーリー径はＲ₁＝４．５mm、Ｒ₂＝１０mmである。この場合、プーリー１（符号５）、または２（６）を回転させてベルトを送りベルト全体への処理を行うが、ベルトとプーリーが滑らないための最低限の張力は必要である。この場合曲げ応力に対し、張力により発生する応力が十分に小さいことが必要で、その割合が５％を超えると疲労強度の急激な低下を招くためそれ以下であることが必要である。
【００１７】
【発明の効果】
本発明によれば、金属ベルト表面に予め軟窒化処理を施して、かつ、予負荷として曲げによる圧縮残留応力のみを表面に集中させることが出来るので当該ベルトの疲労強度を著しく改善することが出来る。また、その処理方法が簡便であるので、製造効率がよく、コスト的にも有利となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る予負荷による残留応力を示し、（ａ）曲げ応力、（ｂ）引張応力の場合を示す図である。
【図２】本発明の軟窒化処理による硬度分布を示す図である。
【図３】本発明の実施例の予負荷を示し、（ａ）プーリーによるもの、（ｂ）ローラーによるものを示す図である。
【図４】予負荷の応力状態を示し、（ａ）曲げ（弾性範囲）によるもの（ｂ）引張（弾性範囲）によるものを示す図である。
【符号の説明】
１…曲げ時のショットブラストによる残留応力
２…曲げ予負荷による残留応力
３…引張り時のショットブラストによる残留応力
４…引張予負荷による残留応力
５…プーリー１
６…プーリー２
７…ショット
８…ノズル
９…ローラー１
１０…ローラー２
１１…ローラー３
１２…金属ベルト[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a shot peening method, and more particularly, to a method for improving the fatigue strength after shot peening by increasing the yield stress by subjecting the surface of a metal plate loaded with bending stress to a surface hardening treatment.
[0002]
[Prior art]
An endless metal belt is used for power transmission of an internal combustion engine or the like. In this metal belt, since repeated bending stress is loaded under a tensile state, the material breaks down due to fatigue.
As a countermeasure, the fatigue strength is improved by applying residual stress. As a publicly known technique in this field, Japanese Patent Publication No. 3-77002 discloses a method of applying residual stress as a method for improving the fatigue strength of a metal belt. In this method, a metal belt is supported by two rollers, and shot peening is performed on a curved portion supported by the belt and the rollers. However, the residual stress that can be applied to the curved portion is determined by the material and cannot be too large.
[0003]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-276234 discloses a method for improving fatigue characteristics by applying shot peening to a steel wire while applying torsional stress. However, this torsional stress is advantageous for a small-diameter wire, but is restricted by the shape of a metal belt or the like.
Therefore, it is desired to develop a method for improving fatigue characteristics, which is a relatively simple method for a metal plate, such as a metal belt, and has a larger allowance than the conventional method.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to examine a method for improving the fatigue characteristics of a metal plate, and to provide a method for performing shot peening by applying a surface treatment to a metal plate such as a metal belt and preloading a bending stress.
Another object of the present invention is to examine a method advantageous to fatigue characteristics as the surface treatment, and to increase the yield stress of the surface portion by, for example, nitriding as a surface treatment for surface hardening as a pretreatment. It is to provide a shot peening method that can be achieved.
[0005]
Furthermore, another object of the present invention is to consider a method for applying a bending stress as a preload, wrap a metal plate around a rotating body such as a pulley, and provide the curvature portion while performing endless rotation by providing a curvature portion. It is to provide a method of shot peening to a part.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The above-mentioned object includes a step of applying a curvature to the metal plate and a step of shot peening the curvature portion of the metal plate in order to apply a bending stress as a preload, and a pretreatment of the step of applying the curvature As described above, this is achieved by a shot peening method for a metal plate, in which the metal plate is subjected to surface hardening treatment in advance.
The above object further comprises a step of giving a curvature to the metal plate and a step of shot peening the curvature portion of the metal plate in order to apply a bending stress as a preload, and the curvature is given to the metal plate. It is also achieved by a shot peening method for a metal plate, in which a surface hardening treatment is applied in advance to the curvature portion of the metal plate as a pretreatment of the process.
[0007]
The above object is also achieved by a shot peening method for a metal plate characterized in that the bending stress is applied by a roller winding angle by rotating the metal plate endlessly with a roller.
[0008]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the present invention, the layer of compressive residual stress on the surface of the metal plate can be thinned at a high level. As a result, the fatigue strength is improved by the compressive residual stress. In the present invention, since the preload is caused by bending, the compressive residual stress can be concentrated near the surface as compared with the preload caused by tension. Furthermore, since the limit of the preload due to this bending is determined by the yield stress, the compressive residual stress can be increased by performing a surface hardening process that can increase the yield stress of the surface portion. For this reason, in this invention, it becomes possible to utilize the effect by surface hardening and the effect of a bending preload to the maximum extent. This point will be described more specifically.
[0009]
The technical point of stress peening (shot peening in a tension preload state) of a metal plate such as a belt lies in how to make the surface layer of compressive residual stress high and thin as described above. This is because the belt itself is generally very thin with a thickness of 0.3 mm to 0.1 mm. Therefore, if the stress layer is thick, the stress diagram is deformed in shape and multiplexed. Further, since the residual stress inevitably balances in the plate thickness direction, if there are few portions responsible for tension, sufficient compressive residual stress cannot be ensured. This is extremely disadvantageous in practice because fatigue strength has a strong positive correlation with the compressive residual stress level. Considering the principle of stress peening, the applied stress strongly depends on the preload level. For this reason, in order to make the stress layer thinner, the stress gradient becomes stronger only by bending than the combined load of tension or tension + bending from the inventors' experiments, and the preload can be concentrated on the surface. I understood.
[0010]
As a result, the difference in the stress distribution state in the thickness direction between the bending preload and the tensile preload is shown in FIGS. It can be seen that the preload due to bending in FIG. 4A is concentrated on the surface, whereas the tension in FIG. 4B is equal.
In addition, the distribution of compressive residual stress due to bending in the thickness direction is shown in FIG. On the other hand, FIG.1 (b) is based on a tension | pulling preload similarly. The effects of only the shot projection in this case are the same with reference numerals 1 and 3, respectively. However, the effects 2 and 4 of the preload increase as the former becomes closer to the surface as indicated by reference numeral 2, while the latter indicates that the effect is equal in the plate thickness direction as indicated by reference numeral 4. Thus, it can be seen that the preload by bending has an extremely large effect of concentrating the compressive residual stress on the surface.
[0011]
Conventionally, a metal plate such as a metal belt that requires bending fatigue strength is generally subjected to surface hardening treatment such as soft nitriding treatment. FIG. 2 shows the hardness distribution when a maraging steel metal belt having a thickness of 0.19 mm is subjected to nitriding treatment. From FIG. 2, there is a difference in material strength between the surface and the inside. Since the preload in stress peening is premised on being within the elastic range of the material, the limit of tensile preload is determined by the yield stress inside the material. On the other hand, in the case of bending preload, since the load stress is small inside, it is determined by the yield stress of the surface hardened portion. Therefore, when compared with the preload limit on the outermost surface, bending can give a preload stress of about 60% higher level.
[0012]
Furthermore, considering the stability of the preload, the preload is determined only by the bending radius R of the curvature portion and the plate thickness for the load by pure bending rather than the tensile load that is easily affected by jig accuracy. Therefore, a stable load is possible.
Below, this invention is further explained in full detail based on drawing of an Example.
[0013]
【Example】
In this example, a maraging steel belt is used as a material to be treated, and shot peening is performed while applying a preload by a roller and a pulley.
Shot peening conditions and pre-soft nitriding conditions are as follows.
[0014]
As shot peening conditions, the shot ball was made of cast steel, particle size: φ44 μm, pressure: 0.3 MPa, air direct pressure type shot peening apparatus, projection time: 35 seconds, projection distance: 150 mm.
As the preload, the tensile stress is 2 kg / mm ² in FIG. 3A, 0 in FIG. 3B, the bending stress is 204 kg / mm ² , and the residual compressive stress is −210 kg / mm ² . did. The conventional non-nitrided product tensile load is a preload of 146 kg / mm ² .
[0015]
The soft nitriding conditions were 490 ° C. × 3 hr and an N ₂ base atmosphere.
3A and 3B show an actual processing example of a metal belt having a plate thickness of 0.185 mmφ according to the present embodiment. In FIG. 3B, the roller 1 (reference numeral 9), 2 (10), 3 (11) is rotated in the direction shown in the drawing to feed the treatment site and to treat the entire belt. The preload level is determined by the plate thickness and the radius R2 of the roller 2 (reference numeral 10). The roller diameters at this time are R ₁ , R ₃ = 3.5 mm, and R ₂ = 4.5 mm. The fatigue strength of a maraging steel belt subjected to stress peening treatment with this apparatus was investigated. The belt is pre-nitrogenized and the hardness distribution is shown in FIG. The plate thickness is 0.19 mm and the width is 12.5 mm. In this figure, the horizontal axis represents the thickness direction position from the surface layer. The tendency of the hardness shows a high hardness value at the surface portion, a hardness of about 550 Hv at the center portion, and a hardness of Hv900 at the surface layer portion. As a result, the fatigue strength of the pre-tensioned load was about 5% with respect to the untreated, whereas the material of the present invention was confirmed to have an improvement effect of 20%.
[0016]
As the processing apparatus, a configuration shown in FIG. The bending load is determined by the radius R1 of the pulley 1 (reference numeral 5) and the plate thickness. The pulley diameter at this time is R ₁ = 4.5 mm and R ₂ = 10 mm. In this case, the pulley 1 (symbol 5) or 2 (6) is rotated to feed the belt to the entire belt, but a minimum tension is required to prevent the belt and the pulley from slipping. In this case, it is necessary that the stress generated by the tension is sufficiently small with respect to the bending stress, and if the ratio exceeds 5%, the fatigue strength is drastically reduced, so that it is necessary to be less than that.
[0017]
【The invention's effect】
According to the present invention, the surface of the metal belt is subjected to soft nitriding in advance, and only the compressive residual stress due to bending can be concentrated on the surface as a preload, so that the fatigue strength of the belt can be remarkably improved. . Further, since the processing method is simple, the production efficiency is good and the cost is advantageous.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing residual stress due to a preload according to the present invention, and shows (a) bending stress and (b) tensile stress.
FIG. 2 is a diagram showing a hardness distribution by soft nitriding treatment of the present invention.
FIGS. 3A and 3B are diagrams showing a preload according to an embodiment of the present invention, wherein FIG. 3A shows a preload, and FIG. 3B shows a preload.
FIG. 4 is a diagram showing a stress state of a preload, (a) by bending (elastic range) and (b) by tensile (elastic range).
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Residual stress by the shot blasting at the time of bending 2 ... Residual stress by the bending preload 3 ... Residual stress by the shot blasting at the time of tension 4 ... Residual stress by the tension preload 5 ... Pulley 1
6 ... Pulley 2
7 ... shot 8 ... nozzle 9 ... roller 1
10 ... Roller 2
11 ... Roller 3
12 ... Metal belt

Claims

To load a bending stress as preload, and applying a curvature to the metal plate consists of the step of shot peening the curvature portion of the metal plate, as a pretreatment step of imparting the curvature, the metal plate A metal plate shot peening method, characterized in that a surface hardening treatment is applied in advance.

In order to apply a bending stress as a preload, the method includes a step of applying a curvature to the metal plate and a step of performing shot peening on the curvature portion of the metal plate, and the pretreatment of the step of applying a curvature to the metal plate. A shot peening method for a metal plate, wherein the curvature portion of the metal plate is subjected to surface hardening treatment in advance.

3. The shot peening method for a metal plate according to claim 1, wherein the surface hardening treatment is performed on the metal plate, a curvature is imparted to the metal plate, and the shot peening is performed.

4. The shot peening method for a metal plate according to claim 1, wherein the bending stress is applied by a roller hooking angle by rotating the metal plate endlessly with a roller. 5.