JP5766476B2 - ショットピーニング投射材用粉末およびそのショットピーニング方法 - Google Patents

Description

本発明は、高硬度で安価な高硬度ショットピーニング投射材用粉末およびそのショットピーニング方法に関するものである。

一般にショットピーニングは被処理材の表面に投射材（または、「ショット」、「ショット材」、「メディア」、「研磨材」などとも呼ばれる）と呼ばれる粒子を投射し、圧縮残留応力を付与し、疲労強度を改善できる有効な表面処理方法であり、ばねやギヤ等の自動車部品、あるいは金型材などにも適用されている。浸炭焼入れ処理を行なったギヤなど、被処理材の高硬度化が進んでおり、これら部材への投射材にも高硬度化が求められている。すなわち、表面硬度の高い被処理材に対し、低硬度な投射材を用いたショットピーニングでは高い圧縮残留応力が得られない。また、自動車部品等の更なる軽量化要求に伴い、ますます高硬度な被処理材をショットピーニングする必要があるため、さらに高硬度を有する投射材が求められている。

一方、通常のショットピーニングに用いる５００〜１０００μｍ程度の平均粒径を持つ投射材だけでなく、１００μｍ程度の平均粒径を持つ投射材が、微粒子ショットピーニングに用いられている。この微粒子ショットピーニングは、被投射材の表面を過度に粗くすることがなく、より処理表面に近い部分に大きな圧縮残留応力を付与できることにより、通常のショットピーニング以上に疲労強度の改善が見込まれる。また、近年では、これらの微粒子ショットピーニングの特徴を、より活かすために、更に粒径の小さい投射材を用いる検討も行なわれている。

高硬度で安価な投射材として、本発明者らは特開２００７−８４８５８号公報（特許文献１）において、Ｆｅ₂Ｂ系硼化物とＢＣＣおよび／またはＦＣＣの鉄基固溶体よりなる、Ｂを５〜８％含む投射材を提案してきた。この投射材の特徴の１つは、５％以上のＢを添加することにより、高硬度なＦｅ₂Ｂを多量に生成し、粒子全体の硬度を高くすることにある。
特開２００７−８４８５８号公報

上述した特許文献１においては、５％以上のＢを添加することにより、高硬度なＦｅ₂Ｂを多量に生成し、粒子全体の硬度を高くすることは解明されている。しかしながら、本合金系の投射材において、粒度に関する研究例は未だ解明されていない。そこで、発明者らは近年の微粒子ショットピーニング用投射材の細粒化に対応するため、本合金系投射材の硬度に及ぼす粒径の影響を詳細に調査した結果、粒径が小さくなるにしたがい、硬度が上昇する現象を見出し、本発明に至った。

その発明の要旨とするところは、
（１）質量％で、Ｂを２〜８％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物よりなり、その粒径が７５μｍ以下の高硬度アトマイズ粉末を、３０％以上含むことを特徴とするショットピーニング投射材用粉末。
（２）Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃの１種または２種以上含有し、かつ、下記（１）式の範囲を満たす前記（１）に記載のショットピーニング投射材用粉末。
（Ｔｉ％／１０）＋（Ｃｒ％／２５）＋（Ｍｏ％／１０）＋（Ｗ％／６）＋（Ｎｉ％／１０）＋（Ａｌ％／１０）＋（Ｃ％／１）≦１．００ … （１）

（３）前記（１）または（２）に記載のショットピーニング投射材用粉末を投射材に用いるショットピーニング方法にある。

以上述べたように、本発明により高硬度で安価なショットピーニング投射材用粉末およびそのショットピーニング方法を提供することにある。

以下、本発明について詳細に説明する。
本発明の特徴は、Ｂを２〜８％含む本合金系投射材において、微粒子になると硬度が上昇することを見出し、この投射材を一定割合以上含む投射材をショットピーニングに用いることにより、被処理材表面に大きな圧縮残留応力を付与できることを見出したことである。特に本合金系投射材は、粒径が小さくなるにしたがい、Ｆｅ−Ｂ系状態図には存在しない、Ｆｅ₃ ＢやＦｅ₂₃Ｂ₆ などの非平衡硼化物が多量に生成することを見出し、単なる組織の微細化ではなく、構成相が非平衡相へ変化することにより、大幅に硬度が上昇する現象を見出したことにある。

以下、本発明に係る構成の限定理由について説明する。
Ｂ：２〜８％
本発明合金においてＢは平衡相であるＦｅ₂Ｂを生成するとともに、粒径が小さくなるにしたがい、Ｆｅ₃ＢやＦｅ₂₃Ｂ₆ といった非平衡相を生成し、高硬度化を図るための必須元素であり、２％未満では粒径が小さくなるとともに硬度が上昇する効果が小さい。８％を超えると、粒子が著しく脆化する。また、Ｂは添加量の増加に従い、同一粒度における、硬度上昇と脆化を同時に進めるため、その添加量は、好ましくは２〜７％、より好ましくは３〜５％である。

粒径が７５μｍ以下
本合金系投射材は、粒径が小さくなるにしたがい硬度が上昇する。７５μｍを超える粒度では、大きな硬度上昇が見られない。好ましくは４５μｍ以下、より好ましくは２５μｍ以下である。

Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃの１種または２種以上含有し、かつ、下記式の範囲を満たすこと。
（Ｔｉ％／１０）＋（Ｃｒ％／２５）＋（Ｍｏ％／１０）＋（Ｗ％／６）＋（Ｎｉ％／１０）＋（Ａｌ％／１０）＋（Ｃ％／１）≦１．００
本合金系投射材において、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃは硬度上昇に効果のある添加元素であり、Ｃｒ、Ｎｉ、Ａｌは耐食性を改善する効果のある添加元素であり、いずれの元素も必要に応じて添加することができる。しかしながら、（Ｔｉ％／１０）＋（Ｃｒ％／２５）＋（Ｍｏ％／１０）＋（Ｗ％／６）＋（Ｎｉ％／１０）＋（Ａｌ％／１０）＋（Ｃ％／１）が１．００を超える範囲で添加してしまうと、粒子が著しく脆化する。

なお、これらの添加元素は硬度上昇や耐食性改善の効果があるが、いずれも過剰添加すると脆化する。著しく脆化する添加量の限度は元素の種類によって異なり、Ｔｉが１０％、Ｃｒが２５％、Ｍｏが１０％、Ｗが６％、Ｎｉが１０％、Ａｌが１０％、Ｃが１％である。したがって、複合添加する場合は、各元素の添加量をその限度の濃度で規格化し、合計した値が１を超えない範囲で添加できる。

７５μｍ以下の粒子を３０％以上含む
７５μｍ以下の粒子は硬度上昇効果が大きく、この粒子を３０％以上含む粒子を投射材として用いることにより、大きな圧縮残留応力が得られる。好ましくは５０％以上、より好ましくは７０％以上である。

次に、同じ組成の投射材においても粒径によって硬度変化が起こる。その理由は、図１
に示す投射材のＸ線回折パターンから分かるように、例えば、図１の本発明例である表２のＮｏ．１（粒径２５μｍ以下）と比較例である表２のＮｏ．１３（粒径１２６〜２５０μｍ）の場合の投射材のＸ線回折パターンに示すように、粒径の違いによる構成相の変化を示している。このように本合金系の投射材は、同じ組成であっても、その構成相は粒径によって全く異なる。このような構成相の変化が、粒径による硬度変化の原因になっていると推測される。

以下、本発明について実施例によって具体的に説明する。
表１〜４に示す供試粉末として、所定の組成に秤量した原料を耐火物製坩堝でアルゴン雰囲気中にて誘導溶解し、坩堝底部の出湯ノズルより出湯し、ガスアトマイズにて粉末を製造した。得られた粉末を２５μｍ以下、２６〜４５μｍ、４６〜７５μｍ、７６〜１２５μｍ、１２６〜２５０μｍに分級し、樹脂埋め、研磨した試料を用い、ミクロビッカース硬度計により荷重２５ｇで硬さを測定した。この時、各組成の粉末ごとに、１２６〜２５０μｍの粒子の硬さを１００とし、各粒径の硬さを相対硬さで評価し、粒径が小さくなることにともなう硬度上昇を評価した。

上記、成分別に評価するのは、成分によって硬度が変化することから成分の影響と粉末の構成相に相関のある粒径の影響とが混在し、粉末の構成相に相関のある粒径の影響が純粋に評価できず、このため本発明の効果が明確に示すことが出来なくなるためである。本発明では相対硬さが１１０以上になる粒度については、粒度を小さくする効果があると認め本発明例とした。

脆さについては、前述の樹脂埋め試料を用い、ミクロビッカース硬度計にて３００ｇの荷重で５点圧痕を打ち、５点中１点もクラックを発生しなかった場合は○、１点でもクラックが発生した場合は脆いと判断し×とした。
また、耐食性については、ガラス板に貼った両面テープ上に、４６〜７５μｍに分級した表３に示す組成の粉末を敷詰め、これを温度７０℃、湿度９５％、９６時間の条件で、湿潤試験し、耐食性に及ぼす添加元素の影響を評価した。全面に発銹したものを△、一部の発銹に留まったものを○とした。

ショットピーニング評価としては、ＳＣＭ４２０母材を直径１２ｍｍに熱間鍛造し、長さ１００ｍｍに切断した試験片を、旋盤加工により直径１０ｍｍに切削した。これをガス浸炭、焼入焼戻処理したものをショットピーニングの被処理材とした。この被処理材の表面硬さは７００〜８００ＨＶで、有効硬化層深さは約１ｍｍである。ショットピーニング装置はエア式のものを用い、投射圧０．３ＭＰａで３０秒間、被処理材に投射した。処理後の試験片について、処理表面を５μｍづつ４０μｍ深さまで電解研磨し、その都度Ｘ線回折法により圧縮残留応力を測定した。この方法で、最も大きい圧縮残留応力値を最大圧縮残留応力とした。全ての試験片において、最大圧縮残留応力値は表面から４０μｍ以下の部位に見られた。

投射材は２５μｍ以下、２６〜４５μｍ、４６〜７５μｍ、７６〜１２５μｍ、１２６
〜２５０μｍの粒度のものを、表４に示す割合で混合して用いた。なお、評価は、各組成の投射材について７６〜１２５μｍの投射材を１００％用いた時の最大圧縮残留応力値を１００とし、他の粒径を所定の割合で混合したものの最大圧縮残留応力値の相対値で評価した。成分別に評価するのは成分によって最大圧縮残留応力値が変化することから成分の影響と粉末の構成相に相関のある粒径の影響とが混在し、粉末の構成相に相関のある粒径の影響が純粋に評価できず、このため本発明の効果が明確に示すことが出来なくなるためである。本発明では最大圧縮残留応力値の相対値が１０７以上になる粒度については粒度を小さくする効果があると認め本発明例とした。

表１は、Ｆｅ−Ｂ系投射材の硬さに及ぼす粒径の影響を示すもので、Ｎｏ．１〜１２は本発明例であり、Ｎｏ．１３〜３０は比較例である。

表１に示す比較例Ｎｏ．１３〜１７は、Ｂが１％と低く、また、Ｎｏ．１６〜１７は粒径が７６μｍ以上と大きく、粒径の減少にともなう硬度上昇効果が十分得られていない。比較例Ｎｏ．１８〜２５は、それぞれ粒径が７６μｍ以上であるため、粒径の減少にともなう硬度上昇効果が十分得られていない。比較例Ｎｏ．２６〜３０は、Ｂが１０％と高いため、著しく脆化している。これに対し、本発明例Ｎｏ．１〜１２は、いずれも本発明の条件である成分組成のＢ、粒径を満足していることから、硬さ、脆さに対する性能も十分得ることが出来ることが分かる。

表２は、Ｆｅ−Ｂ系に他の元素を添加した投射材の硬さ、脆さに及ぼす粒径の影響を示すもので、Ｎｏ．１〜１１は本発明例であり、Ｎｏ．１２〜３０は比較例である。

比較例Ｎｏ．１２〜１３は、粒径が７６μｍ以上であるため、粒径の減少にともなう硬度上昇効果が十分得られていない。比較例Ｎｏ．１４〜２１も同様に粒径が７６μｍ以上であるため、粒径の減少にともなう硬度上昇効果が十分得られていない。比較例Ｎｏ．２２〜３０はいずれも式の値が１を超えているため著しく脆化している。

表３は、耐食性に及ぼす添加元素の影響を示している。

この表３に示すように、Ｆｅ−Ｂの２元系からなるＮｏ．１、３、５は耐食試験により全面に発銹が見られるのに対し、Ｃｒ、Ｎｉ、Ａｌをそれぞれ添加したＮｏ．２、４、６は一部の発銹に留まっており、耐食性の改善が見られる。すなわち、Ｆｅ−Ｂ系にＣｒ，Ｎｉ，Ａｌを添加した場合には耐食性が改善されていることが分かる。

表４は、ショットピーニングにより付与される最大圧縮残留応力値に及ぼす投射材粒度の影響を示す。

この表４に示すように、最大圧縮残留応力値に及ぼす投射材の混合比の影響を示したものである。本発明例であるＮｏ．１〜１１は、粒径が７５μｍ以下の投射材の混合比が３０％以上である。比較例Ｎｏ．１２〜１８の場合は、粒径が７６μｍ以上のものがほぼ１００％近く含まれており、その結果、最大圧縮残留応力値が十分に得られていない。

また、単純に粒径の影響を検討した本発明例であるＮｏ．１〜３と比較例１２、１３のショットピーニング後の試験片表面の粗さ（算術平均粗さＲａ）を測定したところ、Ｎｏ．３＜Ｎｏ．２＜Ｎｏ．１＜Ｎｏ．１３＜Ｎｏ．１２の順であり、背景の部分で記述したとおり、投射材の粒径を小さくすることにより、被処理材の表面粗度の上昇が抑制されていることが分かる。

以上のように、本合金系投射材は、粒度が小さくなるにつれ、単なるミクロ組織の微細化ではなく、状態図には見られない非平衡硼化物が著しく生成されることを見出し、この構成相変化により、粒度の低下に伴う硬度上昇で、優れた投射材が得られた極めて優れた効果を奏するものである。

投射材のＸ線回折パターンを示す概略図である。

Claims (3)

1. 質量％で、Ｂを２〜８％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物よりなり、その粒径が７５μｍ以下の高硬度アトマイズ粉末を、３０％以上含むことを特徴とするショットピーニング投射材用粉末。
2. Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃの１種または２種以上含有し、かつ、下記（１）式の範囲を満たす請求項１に記載のショットピーニング投射材用粉末。
   （Ｔｉ％／１０）＋（Ｃｒ％／２５）＋（Ｍｏ％／１０）＋（Ｗ％／６）＋（Ｎｉ％／１０）＋（Ａｌ％／１０）＋（Ｃ％／１）≦１．００ … （１）
3. 請求項１または２に記載のショットピーニング投射材用粉末を投射材に用いるショットピーニング方法。

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