JP4131389B2 - ショットピーニング方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転体形状の金属成品の表面にショットを投射して、被ショット面の硬度を向上させるショットピーニングの方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、金属成品の表面処理方法としては、バネや成品形状に鋳造した鋳鋼品、鋳造成品、ステンレス鋼などの金属成品を、その全部あるいは一部に、焼き入れ焼き戻し処理した後に冷間加工を施すショットピーニング法が知られている。この方法は、高周波誘導加熱などにより成品に約８５０℃前後で焼き入れし、６００℃前後で焼き戻すという処理を行って、表面組織の変態を行わせた後、空冷し、常温あるいは温間で通常のピーニング加工を施して圧縮残留応力を生じさせて、疲労強度を増加させるものである。
【０００３】
上記のようなショットピーニングでは、金属成品の表面にショットを投射させたときの衝突による塑性変形によって金属成品の表面に圧縮残留応力が生じる。そして、この圧縮残留応力は塑性変形部であるくぼみの大きさに比例する。また、塑性変形部であるくぼみの大きさは、ショット径に比例するので、圧縮残留応力とショット径も比例関係にあるといえる。
【０００４】
つまり表層からより深い内部での内部圧縮応力や硬化の深さを得るためには、ショット粒径の大きなショットが有効であり、従来は、ショット径が１．２〜０．６ｍｍ程度のショットを用いていた。
【０００５】
上記のような表面処理方法においては、熱処理工程とショットピーニング工程とを別個に行わなければならず、温度制御を伴う工程管理が煩雑でコスト高となるという問題があった。しかし、この問題に対して、金属成品の表面に、成品と同等以上の硬度を有する４０〜２００μｍのショットを噴射速度１００ｍ／ｓｅｃ以上で噴射し、表面付近の温度をＡ３変態点以上に上昇させて、ブラスト処理により、圧縮残留応力の発生に伴う成品表面の硬化や疲労強度の増加と共に熱処理による表面の改質をも可能とした加工熱処理方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
また、高強度、高硬度な材質からなり、ショット径が異なる混合ショットを用いてブラスト処理を行い、金属成品の表面内部までのより深い圧縮応力の発生と表面粗さの向上を可能とし、特に、従来の多工程のショットピーニングやピーニング加工後の研磨加工などの処理工程を不要とした金属成品の表面処理方法が提案されている（特許文献２参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特許第１５９４３９５号
【特許文献２】
特開平１１−３４７９４４号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記の特許文献１では、噴射速度および噴射密度（以降、カバレージと称する）との関係から、高速な噴射速度を得るためにショット径が４０〜２００μｍである小さなショットを用いているので、圧縮残留応力や熱処理硬化の生じる成品表層からの深さには限界があった。
【０００９】
また、前記の特許文献２におけるショットピーニングでは、ショット粒径が０．６ｍｍ〜０．０３ｍｍと１ｍｍ以下のショットを用いることを提案している。このような粒径のショットを用いたショットピーニングでは、図１に示すようにカバレージが５００％付近を頂点として被処理物の表面近傍の圧縮残留応力は低下し始めることが知られている。このために、通常のショットピーニングはカバレージが５００％以下の範囲で実施されている場合が多い。
【００１０】
また、カバレージが５００％以下のショットピーニングによって得られる硬さの増加分は、炭素鋼ではＨＶで５０〜３００程度であり必ずしも満足のゆくものではない。
【００１１】
そこで、本発明の課題は、より高い表面硬度を付与することのできるショットピーニング方法を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明のショットピーニング方法は、炭素鋼からなる回転体形状の金属成品の表面に、前記金属成品と同等以上の硬度を有するショットを投射し、前記金属成品の表面の硬度を向上させる金属成品のショットピーニング方法において、ｎ：ショットカバレージ（％／１００）、ρ：ショット粒密度（ｇ／ｃｍ 3 ）、Ｄ：ショット粒径（ｍｍ）、Ｖ：ショット速度（ｍ／ｓｅｃ）、θ：ワーク中心からの偏心角度としたとき、ショット速度（Ｖ）が５０〜２５０ｍ／ｓｅｃ、ショット粒径（Ｄ）が０．０３〜３．５ｍｍ、およびショットカバレージが３０００〜２００００％の範囲となり、かつ、ｎ×ρ×Ｄ×（Ｖｃｏｓθ） 2 ≧３．０×１０ 6 となるように設定し、前記金属成品の被ショット部分を５００ｎｍ以下の超微細結晶粒組織にすることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明のショットピーニング方法においては、ワーク中心からの偏心角度θは、０〜４５゜であることが望ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明のショットピーニング方法は、炭素鋼からなる回転体形状の金属成品の表面に、前記金属成品と同等以上の硬度を有するショットを投射し、前記金属成品の表面の硬度を向上させる金属成品のショットピーニング方法において、ｎ：ショットカバレージ（％／１００）、ρ：ショット粒密度（ｇ／ｃｍ 3 ）、Ｄ：ショット粒径（ｍｍ）、Ｖ：ショット速度（ｍ／ｓｅｃ）、θ：ワーク中心からの偏心角度としたとき、ショット速度（Ｖ）が５０〜２５０ｍ／ｓｅｃ、ショット粒径（Ｄ）が０．０３〜３．５ｍｍ、およびショットカバレージが３０００〜２００００％の範囲となり、かつ、ｎ×ρ×Ｄ×（Ｖｃｏｓθ） 2 ≧３．０×１０ 6 となるように設定し、前記金属成品の被ショット部分を５００ｎｍ以下の超微細結晶粒組織にすることを特徴とする。
【００１５】
このショットによる衝突が連続して付加されることによって、金属成品の表面層の金属組織が微細化され、高強度で且つ高硬度な表面が生成される。特に、カバレージが３０００％以上になると、金属成品の単位面積当たりに付与されるショットによるエネルギはきわめて大きくなる。そして、表面部分の塑性変形が頻繁に繰り返されることにより金属成品の表面層は５００ｎｍ以下の超微細結晶粒からなる組織となる。
【００１７】
上記の関係式において、ｎはショットの投射密度（カバレージ）を表しており、金属成品の被ショット面を満遍なくｎ回ショットしたと考えることができる。一般に質量ｍの物体が速度ｖで運動するときの運動エネルギｅは、ｅ＝１／２ｍｖ2 で与えられるので、カバレージがｎの場合のショットによる総運動エネルギＥは、Ｅ＝ｎ（１／２）（４／３）πρ（Ｄ／２）3Ｖ2 で与えられる。これをショット粒子が接触した面積、０．３６×（π／４）Ｄ2で除すと、ショットによって付与された被ショット面の単位面積当たりのエネルギとなる。つまり、前記の関係式は、この単位面積当たりに付与されたエネルギ（以降、Ｋ値と呼ぶ）が３．０×１０6 以上であれば、金属成品の被処理表面は５００ｎｍ以下の超微細結晶からなる組織となることを示している。
【００１８】
以上は、静止している被処理物（ワーク）の表面に垂直にショットを投射する場合であって、回転体形状の金属成品の表面（主として側面）にショットを投射する場合には前式と同程度の運動エネルギの付与では被処理物の表面を所望の超微細結晶組織とすることはできない場合がある。つまり、被処理物（ワーク）表面にショットが付与する運動エネルギは、衝突した面に垂直の成分のみが表面の塑性変形やひずみの蓄積に有効であるからである。
【００１９】
回転体形状の金属成品としては、断面が円形の棒あるいはパイプなどを例示することができる。円形断面の被処理物（ワーク）の側面にショットピーニングを施す場合を図２によって説明する。図２は半径Ｒの円形断面のワークの側面に半径Ｌのショット発射口Ａよりショットを投射する場合の平面模式図である。ここで、ショットはショット発射口Ａより平行の束状となってワーク表面に投射される。
【００２０】
ショット投射口Ａの中心Ｑからワークの中心Ｏに向かって投射されたショットＳ1は、速度Ｖでワーク表面Ｐ1に垂直に衝突するので、Ｐ1にはショットＳ1の質量ｍと速度Ｖで与えられるエネルギｅ1が付与されることになる。しかし、ショット発射口Ａは直径が２Ｌの円形断面、すなわち面積を持つので、例えば、発射口Ａの最縁部から投射されるショットＳ2はワーク表面のＰ2点（ワーク中心からの偏心角度：θ）に速度Ｖで衝突する。しかし、Ｐ2点に作用する有効速度はＶｃｏｓθである。従って、Ｐ2に付与される有効エネルギｅ2は１／２ｍ（Ｖｃｏｓθ）2となる。すなわち、Ｐ1に付与されるエネルギｅ1よりも（ｃｏｓθ）2だけ小さいエネルギしか付与されないことになる。
【００２１】
以上は、ワークが静止している場合であるが、ワークが接線速度ｖで回転している場合についても同様である。いま、ショットＳ3が速度Ｖでワーク表面Ｐ3に衝突したとする。このとき、Ｐ3に働く力は、ショットの速度Ｖとワークの接線速度ｖとの合力Ｖ1となる。しかし、このＶ1のＰ3点での有効速度は、Ｐ3とワーク中心Ｏとを結んだ線上の分力Ｖ2であり、接線分力Ｖ3はＰ3点へのエネルギ付与という意味では無効である。すなわち、ショット速度Ｖの有効成分Ｖ2はＶｃｏｓθとなる。
【００２２】
ここで、ショットの投射速度は、５０〜２５０ｍ／ｓｅｃである。投射速度が５０ｍ／ｓｅｃ未満ではエネルギ不足であり、２５０ｍ／ｓｅｃを越えると設備的な制約があり困難な場合がある。より好ましくは１００〜２００ｍ／ｓｅｃである。
【００２３】
次に、Ｋ値を３．０×１０6 以上とした根拠について説明する。ショット後の金属成品の表面硬さとＫ値との関係を図３に示す。図３はショット粒径、ショット速度、カバレージといったショットピーニング条件を変化して炭素鋼の表面を処理し、得られた表面の硬度を測定して、Ｋ値との関係をプロットしたものである。多少のばらつきはあるものの、ショット後の表面硬度とＫ値とはほぼ比例関係にあり、Ｋ値が増加するとショット後の表面硬度も増加することが分かる。ここで、ショット後の表面硬度をＨｖ６００以上とするには、Ｋ値は３．０×１０6 以上であれば良い。なお、カバレージ５００％（すなわち、前述の圧縮残留応力が最高となるカバレージ）の場合には、ショット後の炭素鋼の表面硬度はＨｖ６００程度であることから、本発明のショットピーニング方法ではショット後の表面硬度をＨｖ６００以上とすることを目標とした。
【００２４】
また、図４にはショット速度によるショット粒径とカバレージとの関係を示した。すなわち、横軸にショット粒径（ｍｍ）をとり、縦軸をカバレージ（％）として、ショット速度を、各々５０ｍ／ｓ（◆）、１００ｍ／ｓ（■）、１５０ｍ／ｓ（▲）２００ｍ／ｓ（●）一定として計算で求めたものである。得られた各曲線の上方の範囲が本発明の範囲である。なお、ショットは鉄製のショットとし、比重は、７．８７ｇ／ｃｍ3として計算した。図４からショット速度が一定ならば、ショット粒径の減少に伴いカバレージは急激に増大することが分かる。ショット粒を細かくすればショットの投射速度を速くすることができるので、低カバレージで目的が達成できるわけである。例えば、粒径１ｍｍのショットを１００ｍ／ｓの速度で投射して効果を得るには、５０００％以上のカバレージが必要である。しかし、ショット粒径を０．６ｍｍとして１５０ｍ／ｓの速度で投射すれば、カバレージは３０００％以上で同様の効果を得ることができる。
【００２５】
本発明のショットピーニング方法によって得られたＳＣｒ３０の焼鈍材の極表層の断面を図５に示す。図５のショットピーニング条件は、ショット粒径：１．４ｍｍ、ショット粒の硬さ：ＨＶ７００、投射圧：０．３ＭＰａ、ショット速度：５０ｍ／ｓｅｃ、カバレージ：１５０００％で、Ｋ値は４．１×１０6であった。図５は、ピーニング表面から約２００μｍの範囲を示しているが、Ｓが最表面であり、ショットピーニングによって大きく波打っていることが分かる。黒く渦巻き状に見える部分（Ａ）は直接ショットを受けて硬化した部分であり、その直下の白と黒との層状に見える部分（Ｂ）はショットの投射圧力で加工硬化した部分である。図５では示されていないが、（Ｂ）のさらに下の部分はショットピーニング処理の影響を受けていない未加工部分となっている。
【００２６】
（Ａ）のショット部位の組織は５００ｎｍ以下の超微細結晶粒からなっており、硬度測定したところ（ＨＶ２５ｇとした）ＨＶ６８１であった。また、（Ｂ）の加工硬化部位は７００〜２０００ｎｍの微細結晶粒からなる組織であり、ＨＶ３４７であった。未加工部位は５〜１０μｍの結晶粒径であり、硬度はＨＶ１８２であった。なお、（Ａ）のショット部位の超微細結晶粒径は走査型電子顕微鏡によって測定した。
【００２７】
ここで、ショットの投射速度は、５０〜２５０ｍ／ｓｅｃであることが望ましい。投射速度が５０ｍ／ｓｅｃ未満ではエネルギ不足であり、２５０ｍ／ｓｅｃを越えると設備的な制約があり困難な場合がある。より好ましくは１００〜２００ｍ／ｓｅｃである。
【００２８】
ワーク中止からの偏心角度θは、０〜４５゜が好ましい。 θが４５゜を越えるとエネルギ不足となるので適当ではない。
【００２９】
また、ショット粒径は０．０３〜３．５ｍｍである。ショット粒径が０．０３ｍｍ未満では、上記の式を満足するショット速度を得ることが困難な場合があり、一方、３．５ｍｍを越えるとショット速度不足となって十分なエネルギを付与することができない。より好ましくは、０．１〜３ｍｍである。
【００３０】
さらに、カバレージは偏心角度θが０゜の場合には３０００〜２００００％である。カバレージが３０００％未満では、必要なＫ値が得られない。一方、２００００％を越えても被ショット面の硬度が飽和してしまって効果が得られない上に生産性を阻害するので適当ではない。より好ましくは、３０００〜１００００％である。なお、カバレージは偏心角度θによって変化し、例えば、θが４５゜の場合にはｃｏｓ2θが１／２となるので、０゜の場合の２倍となる。
【００３１】
ショットの材質については特に制限はないが、被処理物である金属成品と同等またはそれ以上の硬さを有するものが望ましく、具体的には、ＨＶ６００以上であることが好ましい。例えば、鋳鉄、鋳鋼、高速度工具鋼、合金工具鋼、非鉄合金鋼などからなるショットを例示することができる。
【００３２】
なお、Ｋ値は前記のように３．０×１０6以上であることが好ましいが、前記の投射速度の上限と、カバレージの上限とを考慮すると、Ｋ値の上限は７×１０7であることが適当である。
【００３３】
【実施例】
（試験条件）
被処理物として炭素鋼（外径３０ｍｍ×長さ３０ｍｍ）の側面に、硬さＨｖ７００の鋼球（比重：７．８７ｇ／ｃｍ3）からなるショットを直径１０ｍｍのショット発射口から投射した。投射圧は０．３ＭＰａ一定とし、その他のショット粒径（Ｄ）、ショットカバレージ（％）、投射速度（ｍ／ｓｅｃ）の条件を変化させて、実施例１ａ〜実施例４ａと比較例１および比較例２の６水準のショットピーニングを施した。それぞれの条件と、算出されたＫ値とを表１に示した。
（評価方法）
ショット後の金属成品表面のビッカース硬度をｍＨＶ２５ｇで測定した。また、各供試材の表面近傍からサンプルを切り出して断面を研磨、腐食して、走査型電子顕微鏡でショット部位の結晶粒径を測定した。結果を表１に併記した。
（偏心角度による調整）
本試験においては、ワーク中心からの偏心角度：θは、ワーク半径（図２のＲ）が１５ｍｍでワークオフセット量（図２のＬ）が５ｍｍであるからｓｉｎθ＝５／１５を満足する角度であり、約１９゜である。
【００３４】
表１の各実施例のａ欄はこの偏心角度が０゜の場合のデータであるので、何らかの方法で偏心角度による有効ショット速度の低下分を補わなければならない。具体的にこの場合には、粒径、投射速度、あるいはカバレージのいずれかを少なくとも１２．５％（１／ｃｏｓ2θ）以上増加させることが必要となるわけである。
【００３５】
各実施例のｂはカバレージを高めた場合のデータであり、ｃは粒径を変化させた場合のデータ、ｄは投射速度を速くしてＫ値を補正した場合のデータである。
【００３６】
【表１】
【００３７】
実施例１ａ〜実施例４ａは、すべてＫ値が３．０×１０6以上であり、ショット後の表面硬さは、ＨＶ７５０〜８７９であった。そしてショット部位の結晶粒径は８５〜１２０ｎｍと超微細な結晶組織となっていた。
【００３８】
一方、比較例１は、ショット粒径が１．１ｍｍで、投射速度が１１０ｍ／ｓｅｃと実施例１ａと同一の条件であったが、カバレージが１０００％と実施例１ａの１／３であった。そのためＫ値は０．９×１０6と小さくなり、ショット後の表面硬さはＨＶ４４５と低い値しか得られなかった。そして、結晶粒径は５０００ｎｍ（５μｍ）と大きなものであった。また、比較例２はショット粒径と投射速度は実施例４ａと同じであったが、これもカバレージが１０００％と非常に小さいために、Ｋ値は０．３×１０6ときわめて小さな値であった。この結果、ショット後の表面硬さはＨＶ４００で、また、結晶粒径は８０００ｎｍ（８μｍ）と実施例に比べて約４０倍も大きな値であった。
【００３９】
実施例１ｂは実施例１ａのカバレージを約１３％増大させて３４００％とした場合である。Ｋ値は、３．２×１０6となり、表面硬さはＨＶ８２５で、結晶粒径は２００ｎｍと、ａとほとんど変わらない効果が得られた。実施例１ｃは、カバレージと投射速度はａと同じとして、ショット粒径のみを１．１ｍｍから１．４ｍｍと大きくしてショットピーニングしたデータである。Ｋ値は、３．６×１０6となり、表面硬さはＨＶ８４０で、結晶粒径は１８０ｎｍと、ａとほとんど変わらない効果が得られた。また、実施例１ｄは、ショット粒径とカバレージとはａと同じとして、投射速度のみを１１０ｍ／ｓから１３０ｍ／ｓと大きくしてショットピーニングしたデータである。Ｋ値は、３．９×１０6となり、表面硬さはＨＶ８２５で、結晶粒径は１７０ｎｍと、ａとほとんど変わらない効果が得られた。
【００４０】
実施例２、３および４についても実施例１と同様に、ショット投射の偏心角度を考慮して、カバレージ、粒径、および投射速度を変化させたデータを採取した。その結果、いずれかのパラメータを変化させることで、ａと同様の効果の得られることが分かった。
【００４１】
また、ショットピーニング処理を施すことによって得られる硬さの増分は、ショット後の表面硬さからショットピーニング処理前の表面硬さを減じた値である。本実施例では、この値が４８０〜７００ときわめて大きな値が得られた。これは通常の焼き入れ焼き鈍し処理によって得られる硬さの増加分（ＨＶで３００程度）に比べて約１．５倍以上であり、きわめて大きな表面改質効果の得られることが分かる。
【００４２】
【発明の効果】
本発明は通常行われるショットピーニング処理よりも数倍大きなショットカバレージとしているので、金属成品の被ショット面に付与されるショットの運動エネルギは極めて大きい。その結果被ショット面は５００ｎｍ以下と超微細な結晶組織となるため、金属成品の表面硬度をＨＶ６００以上と、大きく向上することができる。従って、バルブやシャフトなどの耐摩耗性や曲げ疲労といった特性を大きく改善する好適な方法である。
【図面の簡単な説明】
【図１】炭素鋼のショットピーニング処理によるカバレージ（％）と圧縮残留応力との関係を示す概念図である。
【図２】ショットの投射速度と有効速度との関係を示す説明図である。
【図３】炭素鋼のショット後の表面硬さとＫ値との関係を示す図である。
【図４】比重７．８７ｇ／ｃｍ3の鉄ショットを用いた場合の投射速度によるショット粒径とカバレージとの関係を示す図である。
【図５】クロム炭素鋼のショット後の表面近傍の結晶組織を示す写真である。
【符号の説明】
Ａ：ショット部位 Ｂ：加工硬化部位
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転体形状の金属成品の表面にショットを投射して、被ショット面の硬度を向上させるショットピーニングの方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、金属成品の表面処理方法としては、バネや成品形状に鋳造した鋳鋼品、鋳造成品、ステンレス鋼などの金属成品を、その全部あるいは一部に、焼き入れ焼き戻し処理した後に冷間加工を施すショットピーニング法が知られている。この方法は、高周波誘導加熱などにより成品に約８５０℃前後で焼き入れし、６００℃前後で焼き戻すという処理を行って、表面組織の変態を行わせた後、空冷し、常温あるいは温間で通常のピーニング加工を施して圧縮残留応力を生じさせて、疲労強度を増加させるものである。
【０００３】
上記のようなショットピーニングでは、金属成品の表面にショットを投射させたときの衝突による塑性変形によって金属成品の表面に圧縮残留応力が生じる。そして、この圧縮残留応力は塑性変形部であるくぼみの大きさに比例する。また、塑性変形部であるくぼみの大きさは、ショット径に比例するので、圧縮残留応力とショット径も比例関係にあるといえる。
【０００４】
つまり表層からより深い内部での内部圧縮応力や硬化の深さを得るためには、ショット粒径の大きなショットが有効であり、従来は、ショット径が１．２〜０．６ｍｍ程度のショットを用いていた。
【０００５】
上記のような表面処理方法においては、熱処理工程とショットピーニング工程とを別個に行わなければならず、温度制御を伴う工程管理が煩雑でコスト高となるという問題があった。しかし、この問題に対して、金属成品の表面に、成品と同等以上の硬度を有する４０〜２００μｍのショットを噴射速度１００ｍ／ｓｅｃ以上で噴射し、表面付近の温度をＡ３変態点以上に上昇させて、ブラスト処理により、圧縮残留応力の発生に伴う成品表面の硬化や疲労強度の増加と共に熱処理による表面の改質をも可能とした加工熱処理方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
また、高強度、高硬度な材質からなり、ショット径が異なる混合ショットを用いてブラスト処理を行い、金属成品の表面内部までのより深い圧縮応力の発生と表面粗さの向上を可能とし、特に、従来の多工程のショットピーニングやピーニング加工後の研磨加工などの処理工程を不要とした金属成品の表面処理方法が提案されている（特許文献２参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特許第１５９４３９５号
【特許文献２】
特開平１１−３４７９４４号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記の特許文献１では、噴射速度および噴射密度（以降、カバレージと称する）との関係から、高速な噴射速度を得るためにショット径が４０〜２００μｍである小さなショットを用いているので、圧縮残留応力や熱処理硬化の生じる成品表層からの深さには限界があった。
【０００９】
また、前記の特許文献２におけるショットピーニングでは、ショット粒径が０．６ｍｍ〜０．０３ｍｍと１ｍｍ以下のショットを用いることを提案している。このような粒径のショットを用いたショットピーニングでは、図１に示すようにカバレージが５００％付近を頂点として被処理物の表面近傍の圧縮残留応力は低下し始めることが知られている。このために、通常のショットピーニングはカバレージが５００％以下の範囲で実施されている場合が多い。
【００１０】
また、カバレージが５００％以下のショットピーニングによって得られる硬さの増加分は、炭素鋼ではＨＶで５０〜３００程度であり必ずしも満足のゆくものではない。
【００１１】
そこで、本発明の課題は、より高い表面硬度を付与することのできるショットピーニング方法を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明のショットピーニング方法は、炭素鋼からなる回転体形状の金属成品の表面に、前記金属成品と同等以上の硬度を有するショットを投射し、前記金属成品の表面の硬度を向上させる金属成品のショットピーニング方法において、ｎ：ショットカバレージ（％／１００）、ρ：ショット粒密度（ｇ／ｃｍ 3 ）、Ｄ：ショット粒径（ｍｍ）、Ｖ：ショット速度（ｍ／ｓｅｃ）、θ：ワーク中心からの偏心角度としたとき、ショット速度（Ｖ）が５０〜２５０ｍ／ｓｅｃ、ショット粒径（Ｄ）が０．０３〜３．５ｍｍ、およびショットカバレージが３０００〜２００００％の範囲となり、かつ、ｎ×ρ×Ｄ×（Ｖｃｏｓθ） 2 ≧３．０×１０ 6 となるように設定し、前記金属成品の被ショット部分を５００ｎｍ以下の超微細結晶粒組織にすることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明のショットピーニング方法においては、ワーク中心からの偏心角度θは、０〜４５゜であることが望ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明のショットピーニング方法は、炭素鋼からなる回転体形状の金属成品の表面に、前記金属成品と同等以上の硬度を有するショットを投射し、前記金属成品の表面の硬度を向上させる金属成品のショットピーニング方法において、ｎ：ショットカバレージ（％／１００）、ρ：ショット粒密度（ｇ／ｃｍ 3 ）、Ｄ：ショット粒径（ｍｍ）、Ｖ：ショット速度（ｍ／ｓｅｃ）、θ：ワーク中心からの偏心角度としたとき、ショット速度（Ｖ）が５０〜２５０ｍ／ｓｅｃ、ショット粒径（Ｄ）が０．０３〜３．５ｍｍ、およびショットカバレージが３０００〜２００００％の範囲となり、かつ、ｎ×ρ×Ｄ×（Ｖｃｏｓθ） 2 ≧３．０×１０ 6 となるように設定し、前記金属成品の被ショット部分を５００ｎｍ以下の超微細結晶粒組織にすることを特徴とする。
【００１５】
このショットによる衝突が連続して付加されることによって、金属成品の表面層の金属組織が微細化され、高強度で且つ高硬度な表面が生成される。特に、カバレージが３０００％以上になると、金属成品の単位面積当たりに付与されるショットによるエネルギはきわめて大きくなる。そして、表面部分の塑性変形が頻繁に繰り返されることにより金属成品の表面層は５００ｎｍ以下の超微細結晶粒からなる組織となる。
【００１７】
上記の関係式において、ｎはショットの投射密度（カバレージ）を表しており、金属成品の被ショット面を満遍なくｎ回ショットしたと考えることができる。一般に質量ｍの物体が速度ｖで運動するときの運動エネルギｅは、ｅ＝１／２ｍｖ2 で与えられるので、カバレージがｎの場合のショットによる総運動エネルギＥは、Ｅ＝ｎ（１／２）（４／３）πρ（Ｄ／２）3Ｖ2 で与えられる。これをショット粒子が接触した面積、０．３６×（π／４）Ｄ2で除すと、ショットによって付与された被ショット面の単位面積当たりのエネルギとなる。つまり、前記の関係式は、この単位面積当たりに付与されたエネルギ（以降、Ｋ値と呼ぶ）が３．０×１０6 以上であれば、金属成品の被処理表面は５００ｎｍ以下の超微細結晶からなる組織となることを示している。
【００１８】
以上は、静止している被処理物（ワーク）の表面に垂直にショットを投射する場合であって、回転体形状の金属成品の表面（主として側面）にショットを投射する場合には前式と同程度の運動エネルギの付与では被処理物の表面を所望の超微細結晶組織とすることはできない場合がある。つまり、被処理物（ワーク）表面にショットが付与する運動エネルギは、衝突した面に垂直の成分のみが表面の塑性変形やひずみの蓄積に有効であるからである。
【００１９】
回転体形状の金属成品としては、断面が円形の棒あるいはパイプなどを例示することができる。円形断面の被処理物（ワーク）の側面にショットピーニングを施す場合を図２によって説明する。図２は半径Ｒの円形断面のワークの側面に半径Ｌのショット発射口Ａよりショットを投射する場合の平面模式図である。ここで、ショットはショット発射口Ａより平行の束状となってワーク表面に投射される。
【００２０】
ショット投射口Ａの中心Ｑからワークの中心Ｏに向かって投射されたショットＳ1は、速度Ｖでワーク表面Ｐ1に垂直に衝突するので、Ｐ1にはショットＳ1の質量ｍと速度Ｖで与えられるエネルギｅ1が付与されることになる。しかし、ショット発射口Ａは直径が２Ｌの円形断面、すなわち面積を持つので、例えば、発射口Ａの最縁部から投射されるショットＳ2はワーク表面のＰ2点（ワーク中心からの偏心角度：θ）に速度Ｖで衝突する。しかし、Ｐ2点に作用する有効速度はＶｃｏｓθである。従って、Ｐ2に付与される有効エネルギｅ2は１／２ｍ（Ｖｃｏｓθ）2となる。すなわち、Ｐ1に付与されるエネルギｅ1よりも（ｃｏｓθ）2だけ小さいエネルギしか付与されないことになる。
【００２１】
以上は、ワークが静止している場合であるが、ワークが接線速度ｖで回転している場合についても同様である。いま、ショットＳ3が速度Ｖでワーク表面Ｐ3に衝突したとする。このとき、Ｐ3に働く力は、ショットの速度Ｖとワークの接線速度ｖとの合力Ｖ1となる。しかし、このＶ1のＰ3点での有効速度は、Ｐ3とワーク中心Ｏとを結んだ線上の分力Ｖ2であり、接線分力Ｖ3はＰ3点へのエネルギ付与という意味では無効である。すなわち、ショット速度Ｖの有効成分Ｖ2はＶｃｏｓθとなる。
【００２２】
ここで、ショットの投射速度は、５０〜２５０ｍ／ｓｅｃである。投射速度が５０ｍ／ｓｅｃ未満ではエネルギ不足であり、２５０ｍ／ｓｅｃを越えると設備的な制約があり困難な場合がある。より好ましくは１００〜２００ｍ／ｓｅｃである。
【００２３】
次に、Ｋ値を３．０×１０6 以上とした根拠について説明する。ショット後の金属成品の表面硬さとＫ値との関係を図３に示す。図３はショット粒径、ショット速度、カバレージといったショットピーニング条件を変化して炭素鋼の表面を処理し、得られた表面の硬度を測定して、Ｋ値との関係をプロットしたものである。多少のばらつきはあるものの、ショット後の表面硬度とＫ値とはほぼ比例関係にあり、Ｋ値が増加するとショット後の表面硬度も増加することが分かる。ここで、ショット後の表面硬度をＨｖ６００以上とするには、Ｋ値は３．０×１０6 以上であれば良い。なお、カバレージ５００％（すなわち、前述の圧縮残留応力が最高となるカバレージ）の場合には、ショット後の炭素鋼の表面硬度はＨｖ６００程度であることから、本発明のショットピーニング方法ではショット後の表面硬度をＨｖ６００以上とすることを目標とした。
【００２４】
また、図４にはショット速度によるショット粒径とカバレージとの関係を示した。すなわち、横軸にショット粒径（ｍｍ）をとり、縦軸をカバレージ（％）として、ショット速度を、各々５０ｍ／ｓ（◆）、１００ｍ／ｓ（■）、１５０ｍ／ｓ（▲）２００ｍ／ｓ（●）一定として計算で求めたものである。得られた各曲線の上方の範囲が本発明の範囲である。なお、ショットは鉄製のショットとし、比重は、７．８７ｇ／ｃｍ3として計算した。図４からショット速度が一定ならば、ショット粒径の減少に伴いカバレージは急激に増大することが分かる。ショット粒を細かくすればショットの投射速度を速くすることができるので、低カバレージで目的が達成できるわけである。例えば、粒径１ｍｍのショットを１００ｍ／ｓの速度で投射して効果を得るには、５０００％以上のカバレージが必要である。しかし、ショット粒径を０．６ｍｍとして１５０ｍ／ｓの速度で投射すれば、カバレージは３０００％以上で同様の効果を得ることができる。
【００２５】
本発明のショットピーニング方法によって得られたＳＣｒ３０の焼鈍材の極表層の断面を図５に示す。図５のショットピーニング条件は、ショット粒径：１．４ｍｍ、ショット粒の硬さ：ＨＶ７００、投射圧：０．３ＭＰａ、ショット速度：５０ｍ／ｓｅｃ、カバレージ：１５０００％で、Ｋ値は４．１×１０6であった。図５は、ピーニング表面から約２００μｍの範囲を示しているが、Ｓが最表面であり、ショットピーニングによって大きく波打っていることが分かる。黒く渦巻き状に見える部分（Ａ）は直接ショットを受けて硬化した部分であり、その直下の白と黒との層状に見える部分（Ｂ）はショットの投射圧力で加工硬化した部分である。図５では示されていないが、（Ｂ）のさらに下の部分はショットピーニング処理の影響を受けていない未加工部分となっている。
【００２６】
（Ａ）のショット部位の組織は５００ｎｍ以下の超微細結晶粒からなっており、硬度測定したところ（ＨＶ２５ｇとした）ＨＶ６８１であった。また、（Ｂ）の加工硬化部位は７００〜２０００ｎｍの微細結晶粒からなる組織であり、ＨＶ３４７であった。未加工部位は５〜１０μｍの結晶粒径であり、硬度はＨＶ１８２であった。なお、（Ａ）のショット部位の超微細結晶粒径は走査型電子顕微鏡によって測定した。
【００２７】
ここで、ショットの投射速度は、５０〜２５０ｍ／ｓｅｃであることが望ましい。投射速度が５０ｍ／ｓｅｃ未満ではエネルギ不足であり、２５０ｍ／ｓｅｃを越えると設備的な制約があり困難な場合がある。より好ましくは１００〜２００ｍ／ｓｅｃである。
【００２８】
ワーク中止からの偏心角度θは、０〜４５゜が好ましい。 θが４５゜を越えるとエネルギ不足となるので適当ではない。
【００２９】
また、ショット粒径は０．０３〜３．５ｍｍである。ショット粒径が０．０３ｍｍ未満では、上記の式を満足するショット速度を得ることが困難な場合があり、一方、３．５ｍｍを越えるとショット速度不足となって十分なエネルギを付与することができない。より好ましくは、０．１〜３ｍｍである。
【００３０】
さらに、カバレージは偏心角度θが０゜の場合には３０００〜２００００％である。カバレージが３０００％未満では、必要なＫ値が得られない。一方、２００００％を越えても被ショット面の硬度が飽和してしまって効果が得られない上に生産性を阻害するので適当ではない。より好ましくは、３０００〜１００００％である。なお、カバレージは偏心角度θによって変化し、例えば、θが４５゜の場合にはｃｏｓ2θが１／２となるので、０゜の場合の２倍となる。
【００３１】
ショットの材質については特に制限はないが、被処理物である金属成品と同等またはそれ以上の硬さを有するものが望ましく、具体的には、ＨＶ６００以上であることが好ましい。例えば、鋳鉄、鋳鋼、高速度工具鋼、合金工具鋼、非鉄合金鋼などからなるショットを例示することができる。
【００３２】
なお、Ｋ値は前記のように３．０×１０6以上であることが好ましいが、前記の投射速度の上限と、カバレージの上限とを考慮すると、Ｋ値の上限は７×１０7であることが適当である。
【００３３】
【実施例】
（試験条件）
被処理物として炭素鋼（外径３０ｍｍ×長さ３０ｍｍ）の側面に、硬さＨｖ７００の鋼球（比重：７．８７ｇ／ｃｍ3）からなるショットを直径１０ｍｍのショット発射口から投射した。投射圧は０．３ＭＰａ一定とし、その他のショット粒径（Ｄ）、ショットカバレージ（％）、投射速度（ｍ／ｓｅｃ）の条件を変化させて、実施例１ａ〜実施例４ａと比較例１および比較例２の６水準のショットピーニングを施した。それぞれの条件と、算出されたＫ値とを表１に示した。
（評価方法）
ショット後の金属成品表面のビッカース硬度をｍＨＶ２５ｇで測定した。また、各供試材の表面近傍からサンプルを切り出して断面を研磨、腐食して、走査型電子顕微鏡でショット部位の結晶粒径を測定した。結果を表１に併記した。
（偏心角度による調整）
本試験においては、ワーク中心からの偏心角度：θは、ワーク半径（図２のＲ）が１５ｍｍでワークオフセット量（図２のＬ）が５ｍｍであるからｓｉｎθ＝５／１５を満足する角度であり、約１９゜である。
【００３４】
表１の各実施例のａ欄はこの偏心角度が０゜の場合のデータであるので、何らかの方法で偏心角度による有効ショット速度の低下分を補わなければならない。具体的にこの場合には、粒径、投射速度、あるいはカバレージのいずれかを少なくとも１２．５％（１／ｃｏｓ2θ）以上増加させることが必要となるわけである。
【００３５】
各実施例のｂはカバレージを高めた場合のデータであり、ｃは粒径を変化させた場合のデータ、ｄは投射速度を速くしてＫ値を補正した場合のデータである。
【００３６】
【表１】
実施例１ａ〜実施例４ａは、すべてＫ値が３．０×１０6以上であり、ショット後の表面硬さは、ＨＶ７５０〜８７９であった。そしてショット部位の結晶粒径は８５〜１２０ｎｍと超微細な結晶組織となっていた。
【００３８】
一方、比較例１は、ショット粒径が１．１ｍｍで、投射速度が１１０ｍ／ｓｅｃと実施例１ａと同一の条件であったが、カバレージが１０００％と実施例１ａの１／３であった。そのためＫ値は０．９×１０6と小さくなり、ショット後の表面硬さはＨＶ４４５と低い値しか得られなかった。そして、結晶粒径は５０００ｎｍ（５μｍ）と大きなものであった。また、比較例２はショット粒径と投射速度は実施例４ａと同じであったが、これもカバレージが１０００％と非常に小さいために、Ｋ値は０．３×１０6ときわめて小さな値であった。この結果、ショット後の表面硬さはＨＶ４００で、また、結晶粒径は８０００ｎｍ（８μｍ）と実施例に比べて約４０倍も大きな値であった。
【００３９】
実施例１ｂは実施例１ａのカバレージを約１３％増大させて３４００％とした場合である。Ｋ値は、３．２×１０6となり、表面硬さはＨＶ８２５で、結晶粒径は２００ｎｍと、ａとほとんど変わらない効果が得られた。実施例１ｃは、カバレージと投射速度はａと同じとして、ショット粒径のみを１．１ｍｍから１．４ｍｍと大きくしてショットピーニングしたデータである。Ｋ値は、３．６×１０6となり、表面硬さはＨＶ８４０で、結晶粒径は１８０ｎｍと、ａとほとんど変わらない効果が得られた。また、実施例１ｄは、ショット粒径とカバレージとはａと同じとして、投射速度のみを１１０ｍ／ｓから１３０ｍ／ｓと大きくしてショットピーニングしたデータである。Ｋ値は、３．９×１０6となり、表面硬さはＨＶ８２５で、結晶粒径は１７０ｎｍと、ａとほとんど変わらない効果が得られた。
【００４０】
実施例２、３および４についても実施例１と同様に、ショット投射の偏心角度を考慮して、カバレージ、粒径、および投射速度を変化させたデータを採取した。その結果、いずれかのパラメータを変化させることで、ａと同様の効果の得られることが分かった。
【００４１】
また、ショットピーニング処理を施すことによって得られる硬さの増分は、ショット後の表面硬さからショットピーニング処理前の表面硬さを減じた値である。本実施例では、この値が４８０〜７００ときわめて大きな値が得られた。これは通常の焼き入れ焼き鈍し処理によって得られる硬さの増加分（ＨＶで３００程度）に比べて約１．５倍以上であり、きわめて大きな表面改質効果の得られることが分かる。
【００４２】
【発明の効果】
本発明は通常行われるショットピーニング処理よりも数倍大きなショットカバレージとしているので、金属成品の被ショット面に付与されるショットの運動エネルギは極めて大きい。その結果被ショット面は５００ｎｍ以下と超微細な結晶組織となるため、金属成品の表面硬度をＨＶ６００以上と、大きく向上することができる。従って、バルブやシャフトなどの耐摩耗性や曲げ疲労といった特性を大きく改善する好適な方法である。
【図面の簡単な説明】
【図１】炭素鋼のショットピーニング処理によるカバレージ（％）と圧縮残留応力との関係を示す概念図である。
【図２】ショットの投射速度と有効速度との関係を示す説明図である。
【図３】炭素鋼のショット後の表面硬さとＫ値との関係を示す図である。
【図４】比重７．８７ｇ／ｃｍ3の鉄ショットを用いた場合の投射速度によるショット粒径とカバレージとの関係を示す図である。
【図５】クロム炭素鋼のショット後の表面近傍の結晶組織を示す写真である。
【符号の説明】
Ａ：ショット部位 Ｂ：加工硬化部位
Claims (2)
- 炭素鋼からなる回転体形状の金属成品の表面に、前記金属成品と同等以上の硬度を有するショットを投射し、前記金属成品の表面の硬度を向上させる金属成品のショットピーニング方法において、
ｎ：ショットカバレージ（％／１００）、ρ：ショット粒密度（ｇ／ｃｍ 3 ）、Ｄ：ショット粒径（ｍｍ）、Ｖ：ショット速度（ｍ／ｓｅｃ）、θ：ワーク中心からの偏心角度としたとき、
ショット速度（Ｖ）が５０〜２５０ｍ／ｓｅｃ、ショット粒径（Ｄ）が０．０３〜３．５ｍｍ、およびショットカバレージが３０００〜２００００％の範囲となり、かつ、ｎ×ρ×Ｄ×（Ｖｃｏｓθ） 2 ≧３．０×１０ 6 となるように設定し、
前記金属成品の被ショット部分を５００ｎｍ以下の超微細結晶粒組織にすることを特徴とするショットピーニング方法。 - 前記ワーク中心からの偏心角度（θ）は、０〜４５゜である請求項１に記載のショットピーニング方法。
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