JP5283180B2

JP5283180B2 - 金属部品の表面処理方法

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Publication number: JP5283180B2
Application number: JP2009062249A
Authority: JP
Inventors: 崎精彦野
Original assignee: UD Trucks Corp
Current assignee: UD Trucks Corp
Priority date: 2009-03-16
Filing date: 2009-03-16
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2029-03-16
Also published as: JP2010214494A

Description

本発明は、例えば自動車用トランスミッションのギヤのような金属部品の表面処理方法に関する。

例えば、自動車用トランスミッションのギヤのように、常時大きな曲げ応力及び捩じり応力を発生するような金属部品には、曲げ疲労強度及び捩じり疲労強度を向上させる目的で、ショットピーニング加工が施される。
従来技術では、粒径が０．０５〜１．０ｍｍの鋼球を用いて１回若しくは複数回、ショットピーニングを行っている。

ショットピーニングを施した金属部品は、その表面に存在する圧縮残留応力及び加工硬化によって曲げ疲労強度及び捩じり疲労強度は向上する。その一方で、金属部品の表面の面粗度が悪化してしまうので、ショットピーニングを施した金属部品には、表面に対して研削加工を行っている。
例えば、金属部品がギヤである場合に、ギヤ歯面に研削加工を施すことで、ショットピーニングによって荒れたギヤ歯面の面粗度は改善される。しかしながら、ショットピーニングにより付加された圧縮残留応力積分値は、研削加工により金属部品表面から除去された領域の分だけ減少してしまう。そして、圧縮残留応力積分値が減少するため、疲労強度が低下してしまうと言う問題があった。
また、ショットピーニングで使用される鋼球の大きさが大きいと、圧縮残留応力は金属部品の表面から内側の領域がピークとなり、金属部品の表面に十分な圧縮残留応力が存在しないという問題も存在する。

また、自動車用トランスミッションのギヤのように、常時大きな曲げ応力及び捩じり応力を受けるような金属部品では、切削加工した金属部品の表面の曲げ疲労強度及び捩じり疲労強度を向上させるだけではなく、摺動部である表面の摩擦係数や磨耗量の低減が求められている。
ショットピーニングで使用される鋼球の大きさが大きいと、金属部品表面が粗くなり、摺動部である表面の摩擦係数や磨耗量の低減が困難である。

その他の従来技術として、例えば、ショットピーニング処理を２段階に分けて行い、ギヤの歯元部の曲げ疲労強度を向上させるギヤの製造方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
しかし、特許文献１では、２段階に分けて行われるショットピーニングで用いられる鋼球には大きな差が無く、図１０、図１１で後述する鋼球の大きさによる残留応力の増大領域の特性を十分に活かしきれていない。そのため、上述した各種問題点を解決することは出来ない。

また、ショットピーニングに関する従来技術として、その他にも種々提案されているが（例えば、特許文献２〜特許文献５参照）、上述した問題点を解消することは出来ない。

特開平５−７１６４８号公報特開平４−７７７３１号公報特開平３−３２５７３号公報特開平４−１３５７３号公報特開平４−１６４９３２号公報

本発明は上述した従来技術の問題点に鑑みて提案されたものであり、ショットピーニングが施された金属部品（例えばギヤ）の曲げ疲労強度及び捩じり疲労強度を向上させ、且つ、摺動部である表面の摩擦係数や磨耗量を低減させることのできる金属部品の表面処理方法の提供を目的としている。

発明者は、ショットピーニングの条件（例えば鋼球の粒径等）によって、残留応力の分布が異なることに着目した。図１０において、粒径が０．６〜０．８ｍｍの比較的大径の鋼球を用いて、加工対象物（例えばギヤ）にショットピーニングを施した場合における、ショットピーニング処理された表面からの深さと、その深さにおける残留応力との特性を、符号σＡで模式的に示している。一方、図１１においては、粒径が０．０５〜０．２ｍｍの比較的小径の鋼球を用いて、加工対象物にショットピーニングを施した場合における、ショットピーニング処理された表面からの深さと、その深さにおける残留応力との特性を、符号σＢで模式的に示している。
ショットピーニングに用いられる鋼球の粒径の違いや、鋼球が金属に衝突する際の速度等によって、残留応力の絶対値や、残留応力の及ぶ深さ方向の領域には相違が出ることも確認されている。図１０の特性曲線σＡと、図１１の特性曲線σＢとを比較すれば明らかなように、鋼球の粒径が大きい場合（図１０）は、表面よりも内側に離隔した領域に残留圧縮応力のピークが生じており、鋼球の粒径が小さい場合（図１１）は、表面に近い領域に残留圧縮応力のピークが生じている。
本発明は、ショットピーニングの条件（例えば鋼球の粒径等）と、残留圧縮応力のピークが生じる領域（加工対象物表面からの距離）との関係に着目して、創作された。

本発明によれば、金属部品における機械加工した金属部品の表面に１回目のショットピーニングを行う工程（Ｓ１）と、１回目のショットピーニングを施した金属部品の表面を所定量研削する工程（Ｓ２）と、所定量研削した金属部品の表面に２回目のショットピーニングを行う工程（Ｓ３）とを有する金属部品の表面処理方法において、前記金属部品は歯車であり、前記一回目のショットピーニングでは粒径が０．６〜０．８ｍｍでビッカース硬度が９００〜１４００の鋼球を使用し、ピーニング加工による残留圧縮応力は深さ５０〜７５μｍで最大値であり、前記金属部品の表面を所定量研削する工程では、その所定量の深さ（λ_１）は前記最大値の深さより浅く、そして前記２回目のショットピーニングでは粒径が０．０１〜０．０８ｍｍでビッカース硬度が９００~１４００の鋼球を使用したものである。

上述した構成を具備する本発明によれば、比較的大径の１回目のショットピーニングを行う工程（Ｓ１、図１）では金属部品（例えば、鋼製品、自動車用トランスミッションのギヤ等）の表面から内部側に離隔した領域に残留圧縮応力のピークが生じるので、金属部品の表面を所定量研削する工程（Ｓ２、図２）では、１回目のショットピーニングを施した表面から残留圧縮応力のピークまでの領域を（研削により）除去する。
研削加工の結果、金属部品表面の残留圧縮応力が高くなる。その様な状態で、２回目のショットピーニング（Ｓ３、図３）を行えば、残留圧縮応力が高い金属部品表面は、２回目のショットピーニング（Ｓ３、図３）により、さらに残留圧縮応力が高くなり、十分な加工硬化が生じる。そして、金属部品の曲げ疲労強度及び捩じり疲労強度を十分に向上させることが出来る。

ここで、２回目のショットピーニングを行う工程（Ｓ３）で用いる鋼球の大きさを、１回目のショットピーニングを行う工程（Ｓ１）で用いる鋼球よりも小さくすれば（請求項２）、小径の鋼球を用いたショットピーニング（２回目のショットピーニングＳ３）による残留圧縮応力のピークは対象物（金属部品）表面近傍になるので、１回目のショットピーニングの後に研削加工されて表面における残留圧縮応力が高くなった金属部品表面は、小径の鋼球を用いた２回目のショットピーニング（Ｓ３）により、さらに残留圧縮応力が高くなる。その結果、曲げ疲労強度及び捩じり疲労強度が更に向上する。

また、小径の鋼球を用いた２回目のショットピーニング（Ｓ３）により、金属部品表面における加工硬化がより顕著になる。それと共に、２回目のショットピーニング（Ｓ３）が比較的小径の鋼球により行なわれるため、２回目のショットピーニング後の金属部品の表面における面粗度が細かくなり、潤滑剤による潤滑作用が発揮され易い状態になる。その結果、金属部品表面における摩擦係数が低下して、金属部品の耐摩耗性が向上する。

本発明の実施形態における手順を示すフローチャートである。実施形態において、１回目のショットピーニング加工を施した後の金属材料の表面からの距離と、その距離における残留応力との特性を示す特性図である。１回目のショットピーニング加工を行なった後、加工対象物の表面を所定量だけ研削加工した状態における、図２と同様な特性図である。２回目のショットピーニング加工を施した後の金属材料の表面からの距離と、その距離における残留応力との特性を示す特性図である。実験例で１回目のショットピーニング加工を施した後の、金属材料の表面からの距離と、その距離における残留応力との特性を示す実験データである。実験例で、１回目のショットピーニング加工を行なった後、加工対象物の表面を所定量だけ研削加工した状態における、図５と同様な実験データである。実験例で、２回目のショットピーニング加工を施した後の金属材料の表面からの距離と、その距離における残留応力との特性を示す実験データである。実験例と比較例との疲労強度を示すＳ−Ｎ線図である。実験例において、１回目のショットピーニングの後に研削加工を施したサンプルの摩擦係数と、２回目のショットピーニングを施したサンプルの摩擦係数とを比較して示す図である。粒径の大きな鋼球でショットピーニング加工を行った場合の、被加工物の表面からの深さと、その深さにおける残留応力の一般的な特性を示す特性図である。粒径の小さな鋼球でショットピーニング加工を行った場合の、被加工物の表面からの深さと、その深さにおける残留応力の一般的な特性を示す特性図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
最初に図１に基づいて、且つ、図２〜図４をも参照して、実施形態に係る金属部品の表面処理の手順について説明する。
図１のステップＳ１では、成形されたギヤに１回目のショットピーニングを施す。この時のショットピーニングに使用する鋼球の粒径は、後述する２回目のショットピーニングに使用する鋼球の粒径よりも大きなものが使用される。図示の実施形態では、１回目のショットピーニングを行う工程で用いる鋼球の粒径は、０．４〜１．０ｍｍに設定されている。

図２は、１回目のショットピーニングを施した場合において、被加工金属部品の表面からの深さ（横軸）と、残留応力（縦軸：残留圧縮応力）との特性（曲線σＡ）を示している。
図２において、金属部品の表面から深さλ_ｘの位置において、残留圧縮応力の値σ_ｐａは最大となる。係る最大残留圧縮応力σ_ｐａに比較して、金属部品の表面（図２における左端の位置）では残留圧縮応力の値σ_ｆａは大きくない。すなわち、金属部品の表面から深さλ_ｘの位置に至るまでの領域では、金属部品の表面から離れるほど（或いは、深さが深くなるほど）残留圧縮応力は大きくなる。

図２において（図３〜図７、図１０、図１１でも同様）、残留圧縮応力は縦軸がゼロの直線よりも下側の領域であり、縦軸がゼロの直線よりも上側の領域は残留引張応力を示す。
そして、図示の実施形態や実験例において、残留圧縮応力が大きい場合には、その絶対値も大きいので、縦軸がゼロの直線から離れて表示されることになる。

図１におけるステップＳ２では、金属部品の表面から所定量の深さλ_１まで研削する（図３参照）。ここで、金属部品の表面から所定量の深さλ_１に相当する位置は、図２において、最大残留圧縮応力σ_ｐａの位置となる金属部品の表面からの深さλ_ｘの近傍の位置であり、金属部品の表面からの深さλ_ｘの位置よりも金属部品の表面よりも位置である。
換言すれば、金属部品の表面から所定量の深さλ_１は、最大残留圧縮応力σ_ｐａの位置となる金属部品の表面からの深さλ_ｘよりも浅い（短い）。

図２を参照して上述した様に、金属部品の表面から深さλ_ｘの位置に至るまでの領域では、金属部品の表面から離れるほど、その深さにおける残留圧縮応力は大きくなる。すなわち、深さλ_１における残留圧縮応力は、金属製品の表面における残留圧縮応力よりも大きくなる。
従って、ステップＳ２の研削加工を施した後、新たに形成される金属部品の表面における残留圧縮応力の値σ_ｆａ１は、研削加工を施す前における金属部品の表面における残留圧縮応力の値σ_ｒａよりも大きくなる。
なお、ステップＳ２における研削量、或いは所定量の深さλ_１は、加工される金属材料の組成、１回目のショットピーニングにおける処理条件（例えば、鋼球の大きさや、衝突の速度等）その他の条件によって、ケース・バイ・ケースで設定するべき量である。

ステップＳ３では、研削加工を施した金属部品の表面Ｍｆに、２回目のショットピーニングを施す。図示の実施形態では、２回目のショットピーニングを行う工程Ｓ３で用いる鋼球の粒径は、０．０１〜０．０８ｍｍの範囲である。
係る２回目のショットピーニングを施した金属部品における、表面Ｍｆからの距離（深さ）と、残留圧縮応力との特性が、図４の特性曲線σＣで示されている。
なお、図４においては、１回目のショットピーニングＳ１を施さずに、２回目のショットピーニングＳ３と同じ条件でショットピーニングを１回だけ施した金属部品における、表面Ｍｆからの深さと残留圧縮応力との特性を、本発明との比較のために破線σＢで示している。

図４から明らかなように、金属部品の表面Ｍｆにおける残留圧縮応力は、１回目のショットピーニング前の残留圧縮応力の値σ_ｆａ１から、残留圧縮応力値σ_ｆａ２に、大幅に増加している。
また、金属部品の表面からの深さがλ_２よりも深い領域でも、残留圧縮応力は、１回目のショットピーニングを施した後における残留圧縮応力（図２参照）よりも、大きくなる。
なお、ショットピーニングに使用される鋼球は、ビッカース硬度が４００〜１４００のものを選択する。

[実験例]
図５〜図９を参照して、上述した実施形態に係る表面処理方法により、自動車のトランスミッション用ギヤの表面処理を実行した場合の実験例について説明する。
実験例で用いられたトランスミッション用ギヤの素材として、ＳＣＭ４２０Ｈ材（ＪＩＳＧ４０５２）に浸炭焼入れを施したものを使用した。
そして、ショットとして使用される鋼球は、ビッカース硬度８５０のものを選択した。

図５において、実験例で１回目のショットピーニング加工を施した場合における、対象金属部品である自動車のトランスミッション用ギヤの表面からの深さと、残留圧縮応力との関係（特性）が、符号σＡで示されている。
実験例で用いられた鋼球の粒径は、０．６ｍｍ〜０．８ｍｍである。より具体的には、ショットをエアで噴射する場合（いわゆる「エアショット」）には粒径０．６ｍｍの鋼球をショットとして使用し、はずみ車を用いてショットを噴射する場合（いわゆる「インペラショット」）には粒径０．８ｍｍの鋼球をショットとして使用した。
１回目のショットピーニング加工では、ギヤ表面の残留圧縮応力の値σ_ｆａは約３５０ＭＰａであり、残留圧縮応力の最大値σ_ｐａは深さ５０〜７５μｍの範囲にあり、その値は約１１００ＭＰａである。

図５における点線σＢは、上述した１回目のショットピーニングは行わずに、後述する２回目のショットピーニングと同一条件でショットピーニングを施した場合における、ギヤ表面からの深さと残留圧縮応力との関係（特性）を、参考までに示している。
換言すれば、特性曲線σＢは、粒径が小さな鋼球（２回目のショットピーニングで用いられる鋼球）により、自動車のトランスミッション用ギヤの表面処理を行なった場合における、ギヤ表面からの深さと残留圧縮応力との関係（特性）を示している。

図５では、特性σＡ、σＢは、共に、ギヤ表面からの深さ１５０μｍの領域で示されている。
実験例ではギヤ表面からの深さ１５０μｍ以上の領域についても、残留圧縮応力を計測したが、実験データとしての表示は省略した。

図６は、１回目のショットピーニング施工の後に、符号Ｍｆ０で示すギヤ表面から、深さ２５μｍの領域を研削した状態を示している。ここで、図６では、研削後のギヤ表面（研削前のギヤ表面から深さ２５μｍのレベル）が、符号Ｍｆで示されている。
すなわち、図６は、研削加工後におけるギヤ表面からの深さ（図６における下段の距離：符号Ｍｆで示す縦軸がギヤ表面となっている）と、残留圧縮応力との特性σＡを示している。
図６において、研削後におけるギヤ表面Ｍｆの残留圧縮応力値σ_ｆａ１は、約９００ＭＰａである。

図７は、自動車のトランスミッション用ギヤを研削加工した後、その表面Ｍｆに対して、２回目のショットピーニングを施工した場合における、ギヤ表面Ｍｆからの深さと残留圧縮応力との特性σＣを示している。
２回目のショットピーニングは、粒径０．２ｍｍの鋼球をショットとして使用した。

図７において、ギヤ表面の残留圧縮応力値σ_ｆ２は、約１３５０ＭＰａを示している。
図７では、ギヤ表面Ｍｆでは、残留圧縮応力値σ_ｆ２（約１３５０ＭＰａ）は、１回目のショットピーニングのみの場合（約３５０ＭＰａ：σ_ｆａ）、或いは１回目のショットピーニングの表面を所定量研削した場合（約９００ＭＰａ：σ_ｆａ１）に比べて、十分に大きくなっている。
また、ギヤ表面よりも内部の領域においても、図５、図６で示す残留圧縮応力の最大値σ_ｐａ（約１１００ＭＰａ）或いはそれ以上の残留圧縮応力が計測された。
そして、図８から明らかなように、係る大きな残留圧縮応力は、実験例におけるギヤの疲労強度を向上している。

図８は、実験例の表面処理方法を施工した場合の疲労強度を示すＳ−Ｎ線図である。
図８では、実験例の疲労特性（符号ＮＡ）以外に、比較対象として、２種類のサンプルの疲労特性（符号ＮＢ、符号ＮＣで示す）を示している。
疲労特性ＮＢのサンプルは、１回目のショットピーニングの後、研削加工のみを行い、２回目のショットピーニングを施していないサンプルである。
疲労特性ＮＣのサンプルは、１回目及び２回目のショットピーニングを行っておらず、研削加工も行っていないサンプル（単なる浸炭材料品）である。

図８によれば、実験例では、疲労特性ＮＡで示すように、繰り返し回数Ｎが１０^７における応力振幅σ_ａは約５５０ＭＰａであり、疲労特性ＮＣのサンプルの約４２０ＭＰａに対して、大幅に向上している。
また、実験例において、繰り返し回数Ｎが１０^６における応力振幅σ_ａは約６８０ＭＰａであり、疲労特性ＮＢのサンプルの約６００ＭＰａに対して、大幅に向上している。

図９は、実験例に係るサンプルＡの摩擦係数（μ）と、１回目のショットピーニングの後、研削加工のみを行い、２回目のショットピーニングを施していないサンプルＢの摩擦係数（μ）とを比較して示している。
図９によれば、サンプルＡの摩擦係数（μ＝０．１６）は、サンプルＢの摩擦係数よりも大きいが、非常に大きな数値とは言い得ない。すなわち、実験例における摩擦係数の増大は、問題にはならない程度であることが分かった。

図示の実施形態に係る表面処理方法によれば、１回目のショットピーニングにより、対象金属部品（例えば、自動車用トランスミッションのギヤ）の表面から内部側に残留圧縮応力が付加される。そして、係る金属部品の表面を所定量研削することにより、金属部品内部側の残留圧縮応力が高い部分が表面となる。その状態で、さらに２回目のショットピーニングを行うことにより、金属部品表面及びその内側領域の残留圧縮応力が更に高くなる。

その結果、例えば自動車用トランスミッションのギヤのように、常時高負荷が作用して、曲げと捩じりが同時に作用する部材において、曲げ疲労強度及び捩じり疲労強度を十分に向上させることが出来る。
そして、２回目のショットピーニングが粒径の小さな鋼球で行われる結果、図示の実施形態に係る表面処理方法が施された金属部品の表面の摩擦係数はさほど大きくならない。
そのため、潤滑剤による潤滑効果が十分に発揮され、摩擦係数を低減して、摩耗量を減少することが出来る。

図示の実施形態はあくまでも例示であり、本発明の技術的範囲を限定する趣旨の記述ではないことを付記する。
例えば、図示の実施形態では、繰り返し曲げ、捩じりが作用する金属材料（例えば、トランスミッション用ギヤ）に適用する場合を記載している。しかしながら、本発明は、例えば、繰り返し引張荷重が作用する金属部品、繰り返し圧縮荷重が作用する金属部品に対しても適用可能である。

Ｍｆ、Ｍｆ０・・・金属部品の表面
σＡ・・・１回目のショットピーニングを施した際における、金属部品の表面からの深さと残留圧縮応力との関係を示す特性線
σＢ・・・２回目のショットピーニングと同一の条件でショットピーニングを施した際における、金属部品の表面からの深さと残留圧縮応力との関係を示す特性線
σ_ｆａ・・・１回目のショットピーニング施工時の金属部品表面における残留圧縮応力値
σ_ｆａ１・・・所定の深さまで研削加工をした後の金属部品表面における残留圧縮応力値
σ_ｆ２・・・１回目のショットピーニング施工後に所定の深さまで研削を行い、更にその表面に２回目のショットピーニングを施工した場合の金属部品の表面における残留圧縮応力値

Claims

金属部品における機械加工した金属部品の表面に１回目のショットピーニングを行う工程（Ｓ１）と、１回目のショットピーニングを施した金属部品の表面を所定量研削する工程（Ｓ２）と、所定量研削した金属部品の表面に２回目のショットピーニングを行う工程（Ｓ３）とを有する金属部品の表面処理方法において、前記金属部品は歯車であり、前記一回目のショットピーニングでは粒径が０．６〜０．８ｍｍでビッカース硬度が９００〜１４００の鋼球を使用し、ピーニング加工による残留圧縮応力は深さ５０〜７５μｍで最大値であり、前記金属部品の表面を所定量研削する工程では、その所定量の深さ（λ_１）は前記最大値の深さより浅く、そして前記２回目のショットピーニングでは粒径が０．０１〜０．０８ｍｍでビッカース硬度が９００~１４００の鋼球を使用したことを特徴とする金属部品の表面処理方法。