JP5316298B2 - 浸炭処理部品の強化方法 - Google Patents

Description

本発明は、表面硬化のために浸炭処理を施した鋼製部品の疲労強度を、ショットピーニングによりさらに高める技術に関する。

従来、鋼製部品の耐摩耗性や疲労強度を向上させるために、前記鋼製部品に浸炭処理を施した後にショットピーニングを行う技術が用いられている。
前記浸炭処理は、炭素原子を鋼製部品の表面から拡散させることにより、炭素含有量の高い表面層を形成する技術である。また、前記ショットピーニングは、ショット粒と呼ばれる鋼製粒子等の硬質な粒子を圧搾空気流等で被処理部品に打ち付けることにより、前記被処理部品の表面に圧縮残留応力を付与する技術である。

前記ショットピーニングは、ショット粒の粒径や硬さを変更することにより、被処理部品の表面に付与する圧縮残留応力の分布を変化させることが可能である。
ショット粒の粒径と圧縮残留応力の分布との関係を、図４を用いて説明する。図４における曲線Ｌ１１からＬ１３は、処理部品の表面からの深さと圧縮残留応力との関係を示しており、この順にショット粒の粒径が大きくなっているものとする。図４に示す如く、曲線Ｌ１１・Ｌ１２・Ｌ１３とショット粒の粒径が大きくなるに従って、各曲線のピークにおいて処理部品の表面からの深さが大きい箇所に圧縮残留応力を付与することができるのである。

さらに、ショット粒の硬さと圧縮残留応力の分布との関係を、図５を用いて説明する。図５における曲線Ｌ２１からＬ２３は、処理部品の表面からの深さと圧縮残留応力との関係を示しており、この順にショット粒の硬さが大きくなっているものとする。図５に示す如く、曲線Ｌ２１・Ｌ２２・Ｌ２３とショット粒の硬さが大きくなるに従って、各曲線のピークにおいて大きな圧縮残留応力を付与することができるのである。

一方、浸炭処理を施した鋼製部品（以下、浸炭処理部品とする）の表面には、厚さ２０μｍから３０μｍの浸炭異常層であるトルースタイト等が形成される。この浸炭異常層は軟質であるため、前記の如く浸炭処理の後にショットピーニングを施しても、浸炭処理部品の表面に圧縮残留応力を付与することが困難であり、疲労強度の向上代が少なくなるという問題があった。

具体的に、従来技術によってショットピーニングした浸炭処理部品における圧縮残留応力の分布を図６に示す。従来技術は浸炭処理を行った後、ショット粒のみをショットピーニングするものである。図６においては、横軸に浸炭処理部品の表面からの深さ（μｍ）、縦軸に付与した圧縮残留応力（ＭＰａ）を示している。

図６に示す如く、従来技術におけるショットピーニングにおいては、ショット前と比較して大きな圧縮残留応力を付与できるものの、浸炭処理部品の表面からの深さが約３０μｍよりも浅い部分では上記の如く浸炭異常層が残存したことにより、充分な圧縮残留応力を付与することができなかった。具体的には、浸炭異常層の生成した深さの部分では、−５００ＭＰａから−１１００ＭＰａ程度の圧縮残留応力にとどまっていたのである。

上記の問題を解決するための第一の方法として、例えば真空浸炭のように浸炭異常層を発生させない熱処理に関する技術が提案されている。
しかし、前記技術は一般的な浸炭方法と比較してリードタイム及び作業コストが肥大化するという問題があることから、浸炭処理部品の表面に圧縮残留応力を付与するために適用することは困難であった。

上記の問題を解決するための第二の方法として、ショットピーニングを行う前に浸炭異常層を除去する技術が提案されている。具体的には、電解研磨を用いて化学的に浸炭異常層を除去する方法（例えば、特許文献１参照）や、別途ショットピーニングを行うことにより浸炭異常層を除去する方法（例えば、特許文献２参照）等である。
しかし、前記特許文献１及び特許文献２のいずれに記載の技術についても、浸炭異常層を除去するために別途新たな工程を追加する必要が生じるため、リードタイム及び作業コストが肥大化するという問題があった。

上記の問題を解決するための第三の方法として、一度のショットピーニングによって、浸炭異常層の除去と圧縮残留応力の付与とを同時に行う方法が提案されている（例えば、特許文献３参照）。
しかし、前記特許文献３に記載の技術については、浸炭異常層を有効に除去するために、ショットピーニングにおけるショット粒の粒径や硬さが限定される。具体的には、浸炭異常層を優先的に剥離しやすくするため、ショット粒の粒径は０．１５ｍｍから０．３ｍｍの間に限定されている。また、正常な浸炭層を除去せずに浸炭異常層のみを除去するため、ショット粒の硬さはＨｖ６００から７５０の間に限定されているのである。
このため、前記特許文献３に記載の技術については、ショットピーニングでショット粒の粒径や硬さを変更し、所望の圧縮残留応力を付与することができないという問題を招来するのである。また、圧縮残留応力の分布が一つのパターンに決まってしまうため、対象部品によって圧縮残留応力の分布を変化させることができなかった。

さらに、ショット粒と二硫化モリブデンとを混合してショットピーニングを行う技術についても提案されている（例えば、特許文献４参照）。
しかし、前記特許文献４に記載の技術については、浸炭処理部品の強度の向上を目的とするものではあるものの、浸炭異常層を除去するためのものではなかった。即ち、浸炭異常層の生成による圧縮残留応力の低減を解消することはできなかった。

特開昭６２−２０３７６６号公報 特開昭６１−２６５２７１号公報 特開平４−２６９１６６号公報 特開２００５−１８７８５０号公報

そこで本発明は上記現状に鑑み、浸炭処理とショットピーニングとを併用して行う際に、新たな工程を追加することなく、安価かつ簡易に所望の圧縮残留応力を付与することができ、かつ、対象部品によって圧縮残留応力の分布を変化させることができる、浸炭処理部品の強化方法を提供するものである。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、請求項１においては、浸炭処理部品の表面に、鋼製粒子からなるショット粒と、セラミックス粒子からなる研磨剤とを混合して投射することにより、前記浸炭処理部品の表面に形成された浸炭異常層を除去すると同時に、前記浸炭処理部品の表面に圧縮残留応力を付与するものである。

本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。

本発明により、浸炭処理とショットピーニングとを併用して行う際に、新たな工程を追加することなく、浸炭処理部品の最表面において高い圧縮残留応力を安価かつ簡易に付与することができ、かつ、対象部品によって圧縮残留応力の分布を変化させることができる。

（ａ）は本発明の一実施形態に係る浸炭処理部品の強化方法が適用される基材の概略図、（ｂ）は同じく浸炭処理の条件を示した図。 （ａ）は従来技術によってショットピーニングした浸炭処理部品の拡大断面図、（ｂ）は本発明の一実施形態に係る浸炭処理部品の強化方法によってショットピーニングした浸炭処理部品の拡大断面図。 本発明の一実施形態に係る浸炭処理部品の強化方法によってショットピーニングした浸炭処理部品における圧縮残留応力の分布を示した図。 ショット粒の粒径と圧縮残留応力の分布との関係を示した図。 ショット粒の硬さと圧縮残留応力の分布との関係を示した図。 従来技術によってショットピーニングした浸炭処理部品における圧縮残留応力の分布を示した図。

次に、発明の実施の形態を説明する。
なお、本発明の技術的範囲は以下の実施例に限定されるものではなく、本明細書及び図面に記載した事項から明らかになる本発明が真に意図する技術的思想の範囲全体に、広く及ぶものである。

本発明の一実施形態に係る浸炭処理部品の強化方法に関して本願出願人が行った実験について、図１を用いて説明する。
本実施形態に係る浸炭処理部品の強化方法においては、図１（ａ）に示す如く、材質がＳＣｒ４２０であり、底面が２０ｍｍの正方形、長さが５０ｍｍの直方体部材を基材Ｗとした。
そして、浸炭炉で前記基材Ｗに対する浸炭を行った。浸炭条件は図１（ｂ）に示すように、浸炭温度を９５０度、浸炭雰囲気のカーボンポテンシャルを０．８とし、次いで８５０度まで降温した後、最後に１３０度の焼入れ油へ被処理物を油焼入れ（油冷）した。

その後、浸炭処理を施した基材Ｗである浸炭処理部品の表面に、ショット粒と研磨剤とを混合して投射（ショットピーニング）した。前記ショット粒は、粒径０．８ｍｍ、硬度Ｈｖ８００の鋼製粒子を使用した。また、前記研磨剤は、粒径０．５ｍｍの酸化アルミニウム製粒子を使用した。該研磨剤は、セラミックス粒子の一般的な研磨剤であれば適用可能である。
さらに、前記ショット粒及び前記研磨剤は、前記ショット粒の重量が前記研磨剤の重量の２倍となるように混合した状態のものを使用した。加えて、前記投射のカバレージを３００％とし、かつ、圧力を０．３ＭＰａとして、前記ショット粒と前記研磨剤とを混合して投射を行った。

次に、本実施形態に係る浸炭処理部品の強化方法に関する実験結果を、従来技術における実験結果と対比して、図２及び図３を用いて説明する。なお、従来技術における実験は、本実施形態と同様に浸炭処理を行った後、ショット粒のみを投射（ショットピーニング）したものである。

図２（ａ）は従来技術によってショットピーニングした浸炭処理部品の拡大断面図、同じく図２（ｂ）は本実施形態に係る浸炭処理部品の強化方法によってショットピーニングした浸炭処理部品の拡大断面図である。
本実施形態に係る浸炭処理部品については前記浸炭処理部品に形成された浸炭異常層を除去することができた。具体的には、従来技術における実験結果については、図２（ａ）に示す如く、浸炭処理部品の表面から２０μｍから３０μｍの厚さで浸炭異常層が残存したのに対し、本実施形態に係る浸炭処理部品については、ショット粒と研磨剤とを混合して投射したことにより、該研磨剤によって図２（ｂ）に示す如く浸炭異常層を除去することができたのである。

本実施形態に係る浸炭処理部品の強化方法によってショットピーニングした浸炭処理部品における圧縮残留応力の分布を図３に示す。図３においては、横軸に浸炭処理部品の表面からの深さ（μｍ）、縦軸に付与した圧縮残留応力（ＭＰａ）を示している。

図３に示す如く、本実施形態に係る浸炭処理部品の強化方法を用いた実験結果においては、上記の如く浸炭異常層を除去できたことにより、充分な圧縮残留応力を付与することができた。具体的には、浸炭処理部品の表面から３０μｍよりも浅い部分において、−１２００ＭＰａから−１４００ＭＰａ程度の圧縮残留応力を付与することができたのである。即ち、図６に示した従来技術に係る浸炭処理部品と比較して、最表面において圧縮残留応力を約２．３倍程度向上させることができたのである。

本実施形態によれば上記の如く、浸炭処理とショットピーニングとを併用して行う際に、新たな工程を追加することなく、浸炭処理部品の最表面において高い圧縮残留応力を安価かつ簡易に付与することができるのである。

また、一度のショットピーニングにより、浸炭異常層を除去すると同時に対象部品によって圧縮残留応力の分布を変化させることができる。具体的には、ショット粒に混合した研磨剤によって浸炭異常層を除去する構成としているため、ショット粒を圧縮残留応力の付与のためだけに利用することができるのである。
具体的には、圧縮残留応力を付与する浸炭処理部品の表面からの深さが大きくなるにつれて、ショット粒の粒径を大きく変更し、また、浸炭処理部品に付与する圧縮残留応力が大きくなるにつれて、ショット粒の硬さを大きく変更するのである。

より詳細には、前記浸炭処理部品の表面からの深さが小さい箇所に圧縮残留応力を付与する場合は、前記ショット粒の粒径を０．０５ｍｍから０．３ｍｍの範囲内とし、前記浸炭処理部品の表面からの深さが中程度の箇所に圧縮残留応力を付与する場合は、前記ショット粒の粒径を０．３ｍｍから０．８ｍｍの範囲内とし、前記浸炭処理部品の表面からの深さが大きい箇所に圧縮残留応力を付与する場合は、前記ショット粒の粒径を０．８ｍｍから１．１ｍｍの範囲内とするのである。

また、前記浸炭処理部品に小さな圧縮残留応力を付与する場合は、前記ショット粒の硬さをＨｖ４５０から６００の範囲内とし、前記浸炭処理部品に中程度の圧縮残留応力を付与する場合は、前記ショット粒の硬さをＨｖ６００から７００の範囲内とし、前記浸炭処理部品に大きな圧縮残留応力を付与する場合は、前記ショット粒の硬さをＨｖ７００から９００の範囲内とするのである。

Ｗ 基材

Claims (1)

1. 浸炭処理部品の表面に、鋼製粒子からなるショット粒と、セラミックス粒子からなる研磨剤とを混合して投射することにより、前記浸炭処理部品の表面に形成された浸炭異常層を除去すると同時に、前記浸炭処理部品の表面に圧縮残留応力を付与する、
   ことを特徴とする、浸炭処理部品の強化方法。

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