JP5857070B2 - 傾斜ショットピーニングによる金属部品の表面処理 - Google Patents

Description

本発明は、金属表面の処理、特に、ピーニングによる処理に関する。

ショットピーニング（short peening）は、疲労寿命（fatigue life）のような金属の特定の特定を向上させるために広く使われている。ショットピーニング処理は、ピーニングの影響を受けた表面の比率を説明する範囲（degree of coverage）、および、領域あたり適用された動力エネルギーの量を説明する強度（intensity）を特徴とする。ショットピーニング分野における文献は、範囲および強度パラメタ−を限度（limit）を規定しているが、それを超えるとピーニング処理済み材料はクラッキング（crakicng）または疲労寿命の減少といった劣化（degradation）を引き起こす。これらの劣化を引き起こす状態を、通常、オバーピーニング（overpeening）という。

ピーニング処理に対するその後の研究は、正常に規定された制限（normally prescribed limit）を超えてのピーニング処理によって材料の表面層におけるナノ構造化（nanostructuring）を生成する可能性に焦点が当てられていた。用語「ナノ構造化（nanostructuring）」は、粒の大きさ（grain size）が数十ナノメートル程度の安定した相を得ることをいう。特定の条件下で、材料のナノ構造化は、マイクロクラック（microcrack）の広がりを防ぐので前述した劣化が起こらない。

材料のナノ構造化は、疲労寿命、硬度、腐食耐性、原子拡散性（atomic diffusivity）、生体適合性の増加、トリボロジー特性の改善、といった有利な効果をもたらす。ナノ構造化された表面層を生成する周知のプロセスの中では、次のようなものがある：
−処理すべきサンプル上へ高いまたは非常に高い速度で微細または極微細粒子の垂直入射投射技術（Fine Particle Bombarding or Air Blast Shot Peening）。この技術は、特に文献［Iron and Steel Institute of Japan, ISIJ International, Vol. 47 (2007), No. 1, pp 157-162］に記載されている
−「UltraSonic Shot Peening or Surface Mechanical Attrition Treatment」として知られた、より大きい粒子の低速振動技術。この技術は、特に文献［Japan Institute of Metals Materials Transactions, Vol. 45, No. 2 (2004), pp376-379］に記載されている。

WO02/10461には、金属部品の表面でナノ構造を生成するプロセスが記載されている。ここでは、ボールベアリングボールに類似した完全に球状のボールが可変入射下で前記部品の衝突点上へ投射される。数十から数百ミクロンのナノ構造の厚さを得るためには、処理すべき金属部品の表面に、機械的におよび／又は熱的にストレスを加える必要があることが記載されている。

ＷＯ０２／１０４６２号には、ナノ構造を生成するプロセスが記載され、そこには、ボールが任意の方向を有する変形を生じるように、ボール投射源（ball projection source）によって異なる、変化した入射方向（direction of incidence）に沿って部品の衝突点上に投射される。１０マイクロメートルの層厚は、３００μｍの直径を有するボールで得られ、そして、２０マイクロメートルの層厚は３ｍｍの直径を有するボールで得られる。

ＷＯ０２／１０４６３号には、ナノ構造を生成するプロセスが記載されているが、ボールモーション（ball motion）は、ボールを含有するチャンバーの円運動と、そのチャンバーの円運動の面に垂直な方向に沿った振動運動（vibirating motion）との組み合わせによってトリガーされる。１０マイクロメートルのナノ構造化層の厚さは、３００マイクロメートルの直径を有するボールで得られ、２０マイクロメートルの層厚さは、３ｍｍの直径を有するボールで得られる。

ＥＰ１５７７４０１号には、材料に衝撃（衝突）を与える振動ロッドが記載されている。その最大衝突速度は、３．６ｍ／ｓである。

第１の実施形態において、ＪＰ２００３２０１５４９には、垂直入射（normal incidence）に沿った金属部品への粒子のストリームをどのように投射するのかが記載されている。別の実施形態において、前記文献には、比較的小さい投射速度を含む投射を生成するために振動運動をどのように生じさせるのかが記載されている。

本発明の一実施形態によれば、金属部品の表面処理方法であって、ナノ構造の表面層が得られるまでに、実質的に球状の粒子のストリームに対して金属部品の表面をさらして、前記表面の任意の部分がいくつかの主な入射（primary incidence）に沿って前記粒子を受け入れるステップを含み、前記表面の部分上の前記粒子の前記主な入射は、円錐体または円錐形フィルムに実質的に分布され、前記円錐体または円錐形フィルムは、１０°〜４５°の外側半頂角（α、α＋β、α‐β）を有し、そして、前記粒子は、２ｍｍより小さく、０．１ｍｍより大きい直径を有するとともに、４０ｍ／ｓ〜１００ｍ／ｓの速度で投射される、金属部品の表面処理方法が提供される。

本発明の本質の一つは、変化され、かつ、制御された入射に沿って処理すべき表面を打って、多数の材料の原子スリップ面にストレスを与えることができる粒子の１以上のストリームを生成することである。一実施形態によれば、前記ナノ構造の表面層は、５０マイクロメートルよりも大きい平均厚さを有し、そして、前記ナノ構造の表面層の境界が、前記部品の金属材料に依存する硬度閾値よりも硬度の大きい前記金属部品の領域であることが判明される。

一実施形態によれば、前記硬度閾値は、前記金属部品の処理済み表面において得られた硬化の５０％である表面処理前の状態についての前記材料の硬化といして定義される。別のケースでは、前記閾値は、他のパラメータ、特に、結晶相転移(crystalline phase transition)が生じるときに材料における結晶相転移の位置の関数として定義され得る。

他の有利な実施形態によれば、前記方法は、次の特徴のうち１以上を有し得る。

一実施形態によれば、前記粒子は、０．３ｍｍより大きく、かつ、１．４ｍｍより小さい直径を有する。

一実施形態によれば、前記粒子の入射は、前記円錐体または円錐形フィルム内に実質的に連続して分布されている。

一実施形態によれば、前記円錐体または円錐形のフィルムは、１０°〜３０°の外側半頂角（outer half apex angle）を有している。

一実施形態によれば、前記粒子のストリームは中心方向に沿って投射された粒子のジェットを含み、前記金属部品は、支持体に固定されて、前記中心方向に対し傾斜して配向された前記表面を提示し、そして、前記支持体は、前記粒子のジェットの前記中心方向と同軸の周りを回転される。

一実施形態において、前記中心方向に対する前記部品の前記表面の傾斜は、１０°〜３０°、好ましくは、約１５°である。

一実施形態によれば、前記粒子は５０ｍ／ｓ〜８０ｍ／ｓの速度で投射される。

一実施形態によれば、前記粒子は、処理前の前記部品の表面の硬度よりも高い硬度を有している。

一実施形態によれば、本発明は、前述した方法によって処理された表面を含む金属部品であって、前記表面は、５０マイクロメートルよりも大きい平均厚さを有するナノ構造の表面層を含み、前記ナノ構造の表面層の境界が、前記部品の金属材料に依存する硬度閾値よりも硬度の大きい前記金属部品の領域であることが判明された、金属部品を提供する。

一実施形態によれば、前記硬度閾値は、前記金属部品の処理済み表面において得られた硬化の５０％である表面処理前の状態についての前記材料の硬化として定義される。

一実施形態によれば、前記ナノ構造の表面層は、１００マイクロメートルよりも大きい平均厚さを有している。

一実施形態によれば、本発明は、金属部品の表面処理装置であって、０．１ｍｍより大きく、２ｍｍより小さい直径を有する実質的に球状の粒子のストリーム（４０ｍ／ｓ〜１００ｍ／ｓの速度で投射される）を生成することができる投射手段と、前記金属部品を保持できる、前記粒子のストリームにさらされた表面を含む、支持体と、前記粒子のストリームに対して前記支持体の向きを変えて、前記支持体の表面に対する前記粒子の主な入射を、１０°〜４５°の外半頂角を有する円錐体または円錐形フィルムに実質的に分布させるアクチュエータ（actuator）と、を含む、表面処理装置を提供する。

一実施形態によれば、前記投射手段は、中心方向に沿って投射された粒子のジェットを生成することができ、前記支持体の表面は、前記中心方向に対し傾斜して配向され、そして、前記アクチュエータは、前記粒子のジェットの前記中心方向と同軸の周りに前記支持体を旋回させることができる。

本発明の特徴は、比較的短い時間で比較的厚いナノ構造化表面層を生成するよう、高生産性を有する材料のナノ構造化方法を設計するという思想にある。また、本発明の特徴は、比較的均質の（homogeneous）ナノ構造化表面層を生成するという思想にある。また、本発明の特徴は、様々な形状、特に、凹状に適用することができる材料のナノ構造化方法を設計するという思想に基づく。また、本発明の特徴は、比較的簡単で経済的な材料のナノ構造化方法を設計するという思想に基づく。

以下の本発明の特定の実施形態（専ら例示のために提供された非制限的な図面に基づいく。）に関する説明に基づいて、本発明をより良く理解することができ、かつ、その目的、詳細、特徴、および、利点が明確になるだろう。

金属表面をナノ構造化するプロセスの概略図である。 本発明の一実施形態に係るプロセスを実施するのに適したピーニング装置の概略的な斜視図である。 図２の装置によって生成した粒子ジェットの概略図である。 図２の装置の動作を示すダイヤグラムである。 いくつかのピーニング条件について、処理済みの表面下の深さの関数として金属部品の硬度における変化を示すグラフである。 図５のピーニング装置の範囲の関数としてナノ構造化表面層の厚さにおける変化を示すグラフである。 いくつかのショットサイズ（shot size）の範囲の関数として処理時間における変化を示すグラフである。 ピーニング条件の範囲の関数としてナノ構造化表面層の厚さにおける変化および表面硬度における変化を示すグラフである。 処理済みの部品のさまざまな取付モードに対する範囲（degree of coverage）の関数としてナノ構造化表面層の厚さにおける変化を示すグラフである。 いくつかのピーニング条件について、図２の装置における支持体の傾斜の関数としてナノ構造化表面層の厚さにおける変化を示すグラムである。 処理済みの表面下の深さの関数としてさまざまな金属材料で作られた部品の硬度における変化を示すグラフである。 さまざまな金属材料の範囲の関数としてナノ構造化表面層の厚さにおける変化を示すグラフである。 ２つの異なる投射速度（rate of projection）についての範囲の関数としてナノ構造化表面層の厚さにおける変化および表面硬度における変化を示すグラフである。 ２つの異なる投射速度（rate of projection）についての範囲の関数としてナノ構造化表面層の厚さにおける変化および表面硬度における変化を示すグラフである。 別のピーニング条件の範囲の関数としてナノ構造化表面層の厚さにおける変化および表面硬度における変化を示すグラフである。 衝突の影響を受ける領域を示す、ピーニングプロセスによって処理された部品の概略的な断面図である。 ナノ構造化表面層の光学顕微鏡写真である。 ナノ構造化表面層の光学顕微鏡写真である。 ナノ構造化表面層の光学顕微鏡写真である。 ナノ構造化表面層の光学顕微鏡写真である。 別の硬度測定方法を使用した、いくつかのピーニング条件についての、処理済みの表面下の深さの関数として金属部品の硬度における変化を示すグラフである。 測定された硬度曲線が重ね合わせられた、処理済み表面下の深さの関数としてナノ構造化表面層を有する金属部品の概略的な断面図である。 範囲の関数としてナノ構造化表面層の厚さにおける変化およびピーニングによって処理された部品の表面硬度における変化を示すグラフである。

以下に、金属部品上にナノ構造化表面層を得ることを可能にするピーニングプロセスの一例を示す。特に指示がない限り、以下に示す実験データは、フラットな金属サンプルで得られる。

金属部品上にナノ構造の表面層を得ることができるピーニングプロセスの実施形態を、以下に示す。特に指摘のない限り、以下に示す実験結果は、フラットな金属サンプルで得られたものである。

図1には、金属表面１をナノ構造化するプロセスが概略的に記載されている。左側には、処理前に、表面１までに材料の粒２のサイズが、一貫して数十マイクロメートルから数百マイクロメートルである。右側には、処理後に、表面層３における材料の粒のサイズが、数十ナノメートル、例えば、約２０ナノメートルに減少される。その一方で、より大きいサイズの粒は、材料のより深く存在し続ける。次に、表面１に対して垂直な、かつ、表面から材料の内部に向かって配向された、軸ｚを定める。表面層３と改質されてない（非改質）深い材料間の粒度推移は、実際のところ、図面に記載されたものよりは緩やかである。

層３における材料のナノ構造化は、少なくとも６００℃の温度まで安定している。こうしたナノ構造化層で被覆された金属部品は、様々な産業、例えば、耐摩耗性、および、耐疲労性（fatigue resistance）が重要な適用（使用）において使用され得る。

図２は、かかるナノ構造化層を生成するのに使用され得るピーニング装置１０を示す。
装置１０は、ショット粒子のサイズに基づいて変化し得る速度Ｖで投射されるショットのジェットを生成するように、空気圧縮機およびショット貯留層（shot reservoir）（図示せず）から供給された投射ノズル１１を含む。または、ショット粒子の投射（projection）は、周知技術に基づいて、羽根タービン（vane turbine）を使用して行われ得る。通常のピーニング設備によって、２０ｍ／ｓ〜約１２０ｍ／ｓの速度を得ることができる。

使用されたショットは、原子化（automization）によって得られた粒子で構成されているのが好ましい。かかる粒子は、比較的有利なコストで大量に生成することができ、かなり良い球形度（sphericity）、例えば、８５％以上の球形度を有している。そのコストは、実質的にボールベアリングボール（ball baearing ball）よりも安く、その製造工程も実質的に統一化されて、９９％を超える球形度を達成する。

または、他の従来のピーニング媒体、例えば、調整済みのカットワイヤー（conditioned cut wire）、ガラスビーズ、または、セラミックビーズなどを使用することができる。

投射ノズル１１は、以下のように構成された移動性支持装置１２に向かって固定されている金属製のディスク１３は、固定されたフレーム１９に対してピボットできるように、例えば、電気モータのような回転モータ(rotary motor)(図示せず)の軸上に設けられている。ディスク１３の中心ピボット軸は、ノズル１１の中心投射軸（central projection axis）と同軸上にある。ディスク１３上には傾斜可能な支持体１４が設けられ、ディスク１３に対するその傾斜可能な支持体１４の角度はスクリューによって調整することができる。傾斜可能な支持体１４の中心部近くには固定クランプ（fastening clamp）１５によって固定されている。その固定クランプ１５には、支持体１４に平行なスクリュー１６が設けられている。そのスクリュー１６は、処理すべき部品上へ締め付けられて、クランプ１５間にその部品を固定し、処理後にその部品を撤去するために緩められる。

図３には、投影ノズル１１によって生成された粒子のジェット２０が概略的に示されている。ジェット２０は、半頂角（half apex angle）βを有する略円錐形状を有している。その角度βは、例えば、影響を受けた領域２１の半径 ρと、領域２１からノズル１１のオリフィス２２までの距離Ｌ間の比率として測定することができる。

図４には、ピーニング装置１０の作動原理が説明されている。支持体14に対して平行なサンプルの場合、ジェット２０の中心軸２５の周りに配された表面部は、局所の法線方向（normal direction）２６に対してαの入射角（angle of incidence）で粒子を受け入れる。ジェット２０のエッジの周りに配された表面部は、局所の法線方向２７に対して（α‐β）の入射角でその粒子を受け入れる。ジェット２０の反対側エッジの周りに配された表面部は、局所の法線方向２８に対して（α＋β）の入射角で粒子を受け入れる。

粒子投射の間に支持装置１２が向きを変える（turn）と、ジェット２０に配されたサンプルの任意の部分は、多少広い円錐形フィルムに配された入射角で打たれる。この円錐形フィルムは、それが正確に角度αで同じ空間をしめる（合致する）ジェットの中心に向かって薄く、（α−β）および（α＋β）間のすべての角度を含む、ジェットの周囲（periphery）に向かってより広い。βがα以上であれば、円錐形フィルムは、錐体（cone）に劣化する。支持装置１２の回転時に、処理済み表面部は、円錐形フィルムに配された上昇値のすべての角度で打たれ得る。装置１０のこうした特性によって、以下のテストにおいて詳細に説明するように、比較的高い生産性で異なる金属上にナノ構造化層を生成することができる。以下のテストにおいて、角度βは、約８°であり、距離Ｌは約３００ｍｍである。もちろん、粒子の小部分がジェット２０の主方向の外側の非定型軌跡（atypical trajectory）に沿って投射されるのは除外されない。

以下に説明するテストは、様々なタイプのショットで行われた。その主な特性は、ＳＡＥ Ｊ４４４標準に基づいて、表１にて説明される。ショットタイプの名目上の直径（nominal diameter）は、分布の中央径（median diameter）として定義される：想定されたショットタイプの粒子の５０重量％は、名目上の直径よりも小さい直径を有し、５０％はより大きい直径を有する。

＜テスト１＞
表２は、傾斜α＝１５°で支持体１４への固定（clamping）によって留められたＥ２４スチール（低合金スチール：０．２％Ｃ，１．５％Ｍｎ，９８．２Ｆｅ）のフラットなサンプル上で装置１０で行われた第１のテストの結果を説明する。この表には、テストに使用されたショットタイプ、投射速度Ｖ，範囲（degree of coverage）R、得られたナノ構造化層の厚さＺ_n、その表面がピーニングにさらされたサンプルのビッカース硬度（Vicker hardness）、その反対面におけるサンプルのビッカース硬度、および、２つの硬度間の比率（「硬度増加」として知られている）が記載されている。

範囲（degree of coverage）Rは、ピーニングの影響を受けた表面の部分を測定したものである。本明細書では、次の定義が採用される：基準（reference）１００％は、投射された露出面の９８％に影響を与えるのに統計的に十分な量のショットを意味する。１００％を超えると、この基準量について線形則（linear law）が適用される。したがって、１０００％の範囲というのは、基準量の１０倍が投射されたことを意味する。したがって、一定の流速（流量）において、範囲（degree of coverage）は、サンプルの処理時の測定値である。

ナノ構造層厚さＺ_nは、２つの方法によって得られる：光学顕微鏡による観察および深さｚの関数として材料の硬度プロファイルの観察。

光学顕微鏡を通じて、測定された厚さは、ナノ構造化領域３に相当する視覚的に無定形の層の厚さに対する９回の観察の算術的な平均である。３つの領域上に処理済みサンプルの幅を測定し、領域毎に３つの測定値を得た。それは、測定方法の再現性を保証する。

その後、顕微鏡観察（結果）を硬度プロファイルに相関させて、観察された視覚的に無定形の領域がナノメートルサイズの粒の効果による硬化に由来した硬度のピークに相当することを確認する。

硬度プロファイルを生成するのに使用された方法は、レンズを備えた１００ｇのロード（ＨＶ０．１）を有するプラミッド先端部を有するマイクロビッカース硬度テスター（micro Vickers hardness tester）で最も外側の表面から始めて５０マイクロメートルのステップ（step）の圧入線（indentation line）を作ることからなる。ナノ構造化層およびサンプルの表面は、光学顕微鏡において視覚化される。こうして得られた硬度プロファイルは、５０マイクロメートルから５００マイクロメートルである。伝えられた（communicated）値は、３つの圧入線の平均であるので、信頼性のあり、再現性のある測定（値）となる。

硬度プロファイルと厚さＺ_n間の関係は、図５に基づいてより詳細に説明することができる。図５は、Ｒ＝３０００％のテスト１のサンプルにおいて前述した方法によって得られた硬度プロファイルを示す。曲線３０は、タイプＳ１７０ショットに相当する。曲線３１は、タイプＳ２８０ショットに相当する。曲線３２は、タイプＳ３３０ショットに相当する。曲線３３は、タイプＳ５５０ショットに相当する。すべての曲線３０〜３３上で、非常に高い硬度３４の領域（それは、ナノ構造化層３に相当する）、および、厚さとともに硬度がより徐々に減少する第２の領域３５（それは、材料の歪み硬度（strain hardening）に相当する）が現れる。したがって、ナノ構造化層３の境界は硬度スロープの急な変化に相当する。この点は、視覚的観察によって得られた厚さＺ_nが各々のショットタイプについて点鎖線にてプロットされた図５において証明される。

より詳細に、図５においてテストされた４つのタイプについて、視覚的に観察されたナノ構造化層３の境界は、その硬度が、（ここでは）深さ５０マイクロメートルにおける第１の測定点によって示される表面の硬度値と、材料がピーニングの影響を受けていない、表面から離れた硬度値（ここでは、５００マイクロメートルにおける最後の測定点によって示される）間の中央値と同じである領域に実質的に相応する。

したがって、ナノ構造化層３の定量的な定義は、硬度曲線の関数として設けても良い：ナノ構造化層３は、ピーニング処理によって生成された材料の硬化（hardening）がサンプルの表面で得られた最大硬化（maximum hardening）の５０％以上である領域である。この実験的な定義は、以下に説明するように、７５０％超の範囲について実験によって検証された。

図６は、４つショットタイプによる、範囲Ｒによって測定された、ピーニング処理時間の関数として視覚的に観察された厚さＺ_nにおける変化を示す。曲線３６は、タイプＳ１７０ショットに相当する。曲線３７は、タイプＳ２８０ショットに相当する。曲線３８は、タイプＳ３３０ショットに相当する。曲線３９は、タイプＳ５５０ショットに相当する。曲線３６〜３９は、その厚さの飽和閾値（saturation threshold）およびナノ構造化層３の検出閾値（detection threshold）を示す。特に、テスト１では、Ｒ＝３０００％の範囲を超えるとその厚さはそれ以上有意に変化しないことが分かった。

図６は、テスト１からのすべてのショットにおいて１００マイクロメートルを超える、または、１４０マイクロメートルを超える厚さＺｎを得ることが可能であることを示す。この図はまた、タイプＳ２８０およびＳ３３０ショット（曲線３７および３８）の２つの利点を説明する。一方で、ナノ構造化層３は、より大きい粒子（Ｓ５５０）またはより小さい粒子（Ｓ１７０）よりも低い範囲Ｒ（約３００％）において有意に現れる。これに対して、厚さＺｎは、より大きい粒子（Ｓ５５０）またはより小さい粒子（Ｓ１７０）で得られたものよりも高いレベルのピークに達する。

最も大きい粒子（Ｓ５５０，曲線３９）で最大厚さＺｎが得られないことは驚くべきことである。しかし、この観察は、投射体のサイズが増加するときに、各々の粒子衝突における材料のより深くかつより強力な塑性変性にかかわる、粒子あたり動力学的エネルギーの増加と、衝突のより偏った空間分布にかかわる、衝突間の平均間隔（mean spacing）の増加間に存在する、競争効果によって説明することができる。

この競争は、図１６に概略的に示されている。図１６には、衝突の影響を受けた領域（名の結晶化ローブとも呼ばれる）が、半球にて示されている。近い衝突は、処理済み表面全体上に比較的均一な厚さＺｎを生成するが、（空間的に）比較的に離れた衝突は、比較的小さい深さＺ₀上に変形されるエッジ領域と、材料が比較的大きい厚さＺ₁上に変形される中心領域を生じさせる。観察される厚さＺｎは、Ｚ₀とＺ１の間にある。

粒子のサイズが観察可能な効果を奏する別の特性は、処理済み表面に沿った厚さＺｎの均一性（uniformity）である。その特性は、厚さＺｎの標準偏差σを特徴とし得る。表３は、テスト１から得られたサンプルで測定した値を説明する。その顕微鏡写真が図１７〜１９にて再生されている。選択された範囲について、最も大きいタイプＳ５５０ショットは、タイプＳ３３０で得られた厚さに匹敵する平均厚さを提供するが、標準偏差σは２倍である。また、図１７〜１９は、ナノ結晶化ローブ（nanocrystallization lobe）の観察を可能にする。

また、投射ノズル１１の性質によっては、所定の範囲を得るのに必要とされる時間は粒子のサイズとともに増加し得る。図７は、通常のピーニングノズルモデルにおいて、２つの異なる粒子サイズについての投射時間に伴う範囲Ｒの変化を示す。ここで、その他の条件は全く同じである。曲線４０は、タイプＳ５５０に関し、曲線４１は、タイプＳ２８０に関する。テスト１において、１００マイクロメートルの厚さを形成するために、タイプＳ５５０では１０７ｓが必要で、タイプＳ３３０では３０ｓが必要で、タイプＳ２８０では７５ｓが必要である。したがって、生産性の観点からの最適なショットタイプ、すなわち、単位時間あたりもっとも大きいナノ構造化厚さを生産するショットタイプは、Ｓ５５０粒子サイズ（粒度）を下回ることが分かる。

したがって、テスト１は、最も大きい粒子の非生産的な効果（counter-productive effect）がタイプＳ５５０で起こり始めること、および、さらに大きいサイズを使用することは有利でないことを示す。

図８は、処理済みサンプルの表面にて観察された硬化およびナノ構造化厚さＺｎ間の関係を示す。曲線４２は、厚さＺｎ（左側軸）を示し、曲線４３は、テスト１におけるタイプＳ２８０の範囲Ｒの関数として表面におけるビッカース硬度（右側軸）を示す。曲線４３は、ナノメートルサイズの粒を形成することなく、初期硬度４４から始めて領域４５における硬度を第一に増加させる歪み硬化効果（strain-hardening effect）、および、領域４６における硬度を第二に増加させる材料のナノ構造化効果を示す。

＜テスト２＞
テスト１においてクランプ１５によってその部品を固定する（留める）最適な効果を評価するために、任意の固定ストレスを与えることなく、サンプルを支持体１４に取り付ける（付着する）ことによって、テスト１と同様の条件下でタイプＳ２８０ショットでテスト２を行った。図９は、テスト１からの曲線４２上に重ね合わせられたテスト２（□印）における範囲Ｒの関数として厚さＺｎの変化を示す。２つのテストの結果（厚さ測定、および、硬度測定）間には何ら有意な差異は見られない。それは、テスト１における固定による部品の留め（fastening）は、観察されたナノ構造化効果と何ら偶然の関係（casual relationship）をも有しない。

＜テスト３＞
ショットジェットについて処理すべき部品の配向の効果を評価するために、０〜４５°の角度αおよび支持体装置１２の回転を変えながら、テスト１と同様の条件下でタイプＳ１７０，Ｓ２８０，および、Ｓ３３０ショットを用いてテスト３を行った。テスト３において得られたナノ構造化厚さを表４に記録した。

各々のショットタイプについて、角度αとともに厚さＺｎが変わり、α＝１５°において非常に明確にピークに達することが観察される。支持体の回転は、α＝０°について何ら有意な効果を生じさせないが、支持体が傾斜されているときに厚さＺｎを実質的に増加させることが観察される。これらの観察によれば、処理済み表面の任意の点において変化された入射での粒子の衝突の生成は、実質的にナノ構造化プロセスの生産性を向上させる。特に、これらのインスタンス（instance）は、このテストの範囲内で約１０〜４５°間の外側半頂角（outer half apex angle）を有する円錐体または円錐形フィルム内に分布される。

図１０は、支持体の回転に伴う表４からの結果をグラフで示す。曲線５０は、タイプＳ１７０ショットに相当し、曲線５１は、タイプＳ２８０ショットに相当し、曲線５２はタイプＳ３３０ショットに相当する。

ナノ構造化プロセスに対する処理済み材料の特性の効果を評価するために、異なる材料を用いて他のテストを行た。理論上、異なる材料は、厳しい（severe）塑性変性、つまり、ナノ結晶化メカニズムに対する異なる感受性を有する。厳しい塑性変形下の粒精練（grain refinement）プロセスは、材料の構造および積層欠陥エネルギー（stacking fault energy; SFE）のような内因性および外因性の要因に依存する。例えば、純粋な鉄のような材料のＳＦＥエネルギーが大きければ大きいほど、様々なスリップ面（slip plane）の活性化、および、粒要求プロセス（grain requirement procedure）に必要な転位（dislocation）の生成はより難しくなる。したがって、特に、転位（dislocation）の形成に有利な沈殿の形態の、炭素またはその他の合金元素のような、他の元素の選択的な（任意の）存在および金属の結晶学的構造は、ナノ構造化プロセスの生産性に影響を及ぼす。

＜テスト４＞
タイプＳ２８０ショットを使用して、テスト１と同様の条件下で、３０４Ｌステンレス鋼および３２ＣＤＶ１３構造鋼（structural steel）のサンプルを用いた比較テストを行った。図１１は、図５に類似した形で、Ｒ＝３０００％の硬度プロファイルの観点から、これらのテストの結果を示す。曲線５３は、３０４Ｌステンレス鋼に相当し、曲線５４は３２ＣＤＶ１３構造鋼に相当する。これらの材料の硬度プロファイルは、テスト１において観察された傾向に合致する。図１１の領域３４および３５は、図５におけるものと同じ意味を有している。テスト１からの曲線３１（Ｅ２４鋼）は、比較のためにプロットされる。観察された厚さＺｎは、（視覚的に）Ｅ２４については１４３マイクロメートルであり、３２ＣＤＶ１３構造鋼については１７６マイクロメートルであり、３０４Ｌステインレス鋼については１５５マイクロメートルである。

もう一度、曲線５４、３１について前述した実験的定量的な定義の有効性を観察する。
この定義は、硬化の基準が深さ３００マイクロメートルで選択されたときに、曲線５３（３０４Ｌ鋼）に明確に合致する。基準の選択は、材料のピーニングの間に、より具体的には、材料の歪み硬化ステップに相当するピーニングの最初のステップの間に、３０４Ｌ鋼に特異的な微小構造（microstructure）の変化によって説明される。

材料のピーニングの最初のステップの間に、３０４Ｌ鋼の一定量のオーステナイト（austenite）が歪みによって誘導されたマルテンサイト（strain-induced martensite）に転換される。こうした歪みによって誘導されたマルテンサイトへの転換は、硬度に有意な増加をもたらす。曲線５３上で、硬度の有意な減少は、３００〜３５０マイクロメートル間で可視的である。硬度におけるこうした減少は、全体として、歪みによって誘導されたマルテンサイト高含量を有する相、および、オーステナイト相遷移（転移）に相当する。第２のステップにおいて、ナノ構造化層３はマルテンサイト相に現れる。したがって、３５０マイクロメートルよりも大きい厚さから始まり、３０４Ｌ鋼のサンプルは、オーステナイトの元の硬度を有し、３００マイクロメートルよりも小さい厚さについては、材料の硬度は、ナノ構造化層および歪みによって誘導されたマルテンサイトの両方によって増加される。したがって、ナノ構造化層を決定するにの使われた基準硬度（reference hardness）は、ここでは約３００マイクロメートルである、歪みによって誘導されたマルテンサイトの最も深い層における硬度である。

＜テスト５＞
タイプＳ１７０ショットを使用したテスト１と同様の条件下で、０．０３Ｃ（９９．８％Ｆｅ）を含有する純粋な鉄のサンプルで比較実験を行った。純粋な鉄は、フェライト構造および高いＳＦＥエネルギー（約２００ｍＪ／ｍ²）に基づいて、粒精練用の最も好ましくない材料の一つであると考えられる。図１２からの曲線５５は、範囲Ｒの関数としての、視覚的に観察された、このテストから得られた厚さＺｎを示す。テスト１からの曲線３６（Ｅ２４鋼）は、比較のためにプロットされる。

したがって、Ｅ２４鋼は純粋な鉄（Ｒ＝１０００％におけるナノ構造化層の出現）よりも迅速にナノ結晶化し、飽和時により厚いナノ構造化層（Ｚｎ＝１３０マイクロメートル対Ｚｎ＝１００マイクロメートル）を有する。テスト５は、このプロセスによって、予想される材料の大部分において１００マイクロメートルよりも厚いナノ構造化層を得ることができることを示す。

＜テスト６＞
より小さい粒子の効果を評価するために、０．０３Ｃ（９９．８％Ｆｅ）を含有する純粋な鉄のサンプル、および、タイプＳ０７０ショットでテストを行った。他の条件はテスト１と同様である。

図１３は、図８と同様に、投射速度Ｖ＝６０ｍ／ｓで得られた結果を示す。曲線６０は、表面におけるビッカース硬度を示し、曲線６１は視覚的に観察された厚さＺｎを示す。厚さＺｎはR=3000％から前方に６０マイクロメートルに近いレベルで飽和状態に達する（saturate）ことが分かった。タイプＳ０７０のような小さい粒子で、この範囲は、例えば、通常のピーニング材料で、例えば、３００ｓよりも短く、急速に得られ得る。

図１４は、図８と同様に、投射速度Ｖ＝９２ｍ／ｓで得られた結果を示す。曲線６２は、表面におけるビッカース硬度を示し、曲線６３は厚さＺｎを示す。厚さＺｎは、Ｒ＝３０００％から前方に８０〜９０マイクロメートルに近いレベルで飽和状態に達することが分かる。

これらの結果は、前述した文献（International ISIJ publication）の図４に示したようなものと比較すべきである。上記文献によれば、使用されたＦｅ−３．３Ｓｉ合金はＦｅ−０．０３Ｃに匹敵するフェライト結晶性構造を有している。テスト６は、範囲（degree of coverage）、粒子のサイズ、および、投射速度（これらのいずれもこの文献よりも低い）でより大きいナノ構造化厚さを得ることを示す。範囲の比較は、２つのケースにおける異なる定義のため校正を必要とする。より低い投射速度の使用は、マイクロクラック（microcrack）により弱い材料を保護し、または、処理済みサンプルの粗度（roughness）を減少させるのに有利であることを証明し得る。

＜テスト７＞
テスト７は、０．０３Ｃ（９９．８％Ｆｅ）を含有する純粋な鉄のサンプルおよびタイプＳ１７０ショットを使用して行った。その他の条件はテスト１と同様である。

図１５は、図８と同様に、投射速度Ｖ＝５７ｍ／ｓで得られた結果を示す。曲線６４は、表面におけるビッカース硬度を示し、曲線６５は厚さＺｎを示す。数字４４、４５、４６は、図８と同じ意味を有する。厚さＺｎは１００マイクロメートルに近いレベルで飽和状態に達することが観察される。

＜テスト８＞
第２の一連のテストを説明する。これらの第２のシーリズのテストにおいては、より正確な方法を使用してサンプルの硬度プロファイルを測定して、材料の硬度曲線にのみ基づいたナノ構造化層の定義を提供する。

表５は、表２に示したテスト１と同様の条件に基づいて行われた第２の一連のテストの結果を示す。

第２の一連のテストの間に硬度プロファイルを生成するのに使用された方法は、最も外側にある表面から２０マイクロメートルから始まって１００マイクロメートルの深さまで１０マイクロメートルのステップで圧入線（indentation line）を作ることからなる。その後、圧入線は、深さ３００マイクロメートルまで５０マイクロメートルのステップで続く。その圧入線は、レンズを有する２５ｇのロード（ＨＶ０．０２５）を備えたピラミッド状の先端を有するマイクロビッカース硬度テスターで作成される。それは、１マイクロメートルのステップを有する電動式テーブルと、Ｂｕｅｈｌｅｒ Ｏｍｎｉｍｅｔ Ｍｈｔｓａ制御および測定ソフトウェアと、を含むをＢｕｅｈｌｅｒ Ｍｉｃｒｏｍｅｔ ５１０４マイクロハードネステストーである。その硬度プロファイルは、２０マイクロメートルから３００マイクロメートルの深さから得られる。伝えられた数値は、３つの圧入線の平均であるので、信頼できる、再現性のある測定値である。前述したテストと同様に、サンプルの表面およびナノ構造化層を、光学顕微鏡によって可視化した。サンプルの観察は、Zeiss axio scope A1顕微鏡、Qimaging Micropublisher 5.0 RTVカメラ、a Zeiss EC EPIPLAN X10/0.2HDレンズ、および、Axiovision 4.8ソフトウェアを使用して行う。

表５の最初の３つのカラムは、表２の最初の３つのカラムに相当する。第４番目のカラムに記載されているのは、硬度に関してＺ_nhと示されている、ナノ構造化層の厚さである。テスト８では、ナノ構造化層Ｚ_nhの厚さは、深さｚの関数として硬度プロファイルにのみ基づいた方法によって得られた。このため、硬度閾値は、材料がピーニングによって実質的に変えられていない（改質されていない）深い層におけるサンプルの硬度と、表面層上で測定された硬度間の硬度の中央値（median value）を計算することによって決定される。

したがって、ナノ構造化層Ｚ_nhの厚さは、厚さの増加分が、この表面処理後のサンプルの表面において観察された硬度における増加の半分である、厚さに相当する。

第5番目および第6番目のカラムは、処理済み面および未処理面上のサンプルの表面での硬度を言及する。これらの値は、測定された硬度曲線の第1の測定点（つまり、20マイクロメートルの深さである）。総合すると、硬度は、テスト１よりも表面近くで測定されて、硬度値は、表２よりも高い。表面周辺の粒のサイズは、勾配（または、傾斜（gradient））によって異なる。従って、最も外側の表面領域において、粒のサイズは１０〜５０ナノメートルで分布し、より深い領域において、粒のサイズ（粒度）は数十ナノメートルから数百ナノメートルで分布する。また、硬度は、テスト２よりもテスト１においてより大きいロード（load）で測定される。材料に生じる影響（impresssion）は、テスト１においてより大きい直径を有するので、測定の正確性に劣る。

表５の最後のカラムは、マイクロハードネス（microhardness）テスターの不確実性限界（uncertainty margin）から得られた厚さ測定値Ｚ_nhの不確実性限界を言及する。硬度測定は、Ｅ２４鋼について±１０ビッカースの不確実性を有し、３２ＣＤＶ１３鋼については±９．５ビッカースの不確実性を有し、そして、３０４Ｌ鋼については±１３．５ビッカースの不確実性を有している。硬度測定の精度をよりよくするために、硬度テスターロードは材料の硬度の関数として適合させる：より硬い材料にはより大きいロード（load）を使用する。従って、３２ＣＤＶ１３鋼および３０４Ｌ鋼については、５０ｇのロード（ＨＶ０．０５０）を使用する。

図２１は、Ｒ＝３０００％のテスト１からのサンプルに相当するサンプルについて前述した方法によって得られた硬度プロファイルを示す。曲線７０は、タイプＳ１７０ショットに相当し、曲線７２は、タイプＳ３３０ショットに相当し、曲線８７３は、タイプＳ５５０ショットに相当する。すべての曲線７０、７２、および７３上で、ナノ構造化層３に相当する非常に高い硬度の区間（zone）が現れ、そして、硬度が深さとともに徐々に減少する、材料の歪み硬化（strain hardening）に相当する、第２の区間が現れる。

例えば、図２１において、曲線７０に関連したサンプルの深い層で測定された硬度値７４、および、表面層上で測定された最大硬度値７５は、それざれ１４２ビッカースおよび３００ビッカースである。相応する閾値７１は、２２１ビッカースの値を有するが、それは、サンプルの深い層で測定された硬度値７４と、サンプルの表面層上で測定された最大硬度値７５間の中央値に相当する。

この閾値によって、Ｓ１７０ショットに相応するテストにおいて約８１．５マイクロメートルの値を有するナノ構造化層の厚さＺ_nhを決定することができる。

したがって、ナノ構造化層の厚さＺ_nhの不確実性範囲（uncertainty range）は、硬度の不確実性範囲および硬度閾値から決定される。例えば、前述した２２１ビッカースの閾値７１について、ナノ構造化層の厚さの境界値（boundary vaule）を２３１ビッカースおよび２１１ビッカースそれぞれの硬度値８５および８６に対してプロットする。したって、ナノ構造化層の厚さは、約６９〜約９２マイクロメートルの範囲内に存在する。ナノ構造化層の厚さの不確実性範囲を表５に示す。従って、硬度の不確実性に基づいて、それ自体グラフにて測定されたナノ構造化層の厚さはまた測定可能な不確実性を有する。

前述したように、硬度に基づく第２の測定方法は、視覚的な決定方法と一致する：図２２は、図２１からの曲線７０に相当するサンプル（Ｒ＝３０００％でＳ１７０ピーニング）の光学顕微鏡写真上で観察された領域を概略的に示す。サンプルの表面からの深さｚの関数としての硬度プロファイル７０は、これらの領域を概略的に示す図上にプロットされている。

図２２では、材料が実質的に無定形であり、かつ均一（近質）（homogeneous）である領域に相当するナノ構造化層７７が観察される。層７７は、図１７〜１９における観察されたより暗い区間（zone ）に相当する。層７７は、部品の表面７６から第２の層７８まで延在する。この第２の層７８は、粒の境界が観察され、粒の境界によって区切られた粒のサイズ（粒度）が深さとともに増加する領域に相当する。光学顕微鏡写真では、層７８は層７７から始まるコントラストにおける急な増加から延在する領域に相当する。この第２の層７８は、材料の歪み硬化領域（strain-hardening region）に相当する。第３の層７９は、粒のサイズが一定に保たれる領域を含む。硬度閾値７１は、ナノ構造化表面層７７および層７８間に視覚的に観察される境界８４と実質的に一致する。

表２に記載した視覚的に観察された厚さ値Ｚｎと、表５に記載した厚さとの間の差異は、表２に記載した測定値が、通常±３０マイクロメートルの比較的高い不確実性限界を有することに起因する。実際、表２に記載した視覚的観察は、転移層（転位層）（transition layer）７８の一部を含むが、それによってより高い厚さ値が説明される。

前述した硬度に基づく厚さの測定方法は、ナノ構造化層が薄いとき（７５０％未満の範囲でテスト８からのサンプルの場合に相当する）光学的観察と相違し得る。ナノ構造化層の厚さを決定する別の方法を使用することも可能である。こうした別の方法はまた、硬度閾値からナノ構造化層の厚さを決定するという原則に基づく。この方法は、ナノ構造化層がサンプル上に現れ、つまり、非常に薄い厚さを有するときに、そのナノ構造化層３が該閾値に相応する表面における硬度値を有しているという観察から出発する。一例をあげると、図２３によれば、曲線８０は、範囲の関数としてナノ構造化層の厚さを示し、曲線８１はＳ１７０ピーニングテストについての範囲の関数としてサンプルの表面硬度を示す。ナノ構造化層の検出可能な厚さの最小値８２は、１５０％の範囲において現れる。しかし、ナノ構造化層のこうした出現の際に測定された表面硬度８３は、２２６ビッカースである。この硬度閾値２２６は、７５０％未満の範囲での処理後のナノ構造化層の厚さを決定するための硬度閾値の実際値（realistic value）をなす。この代案的な数値は、Ｒ＝３０００％（２２１ビッカース）での中央値を用いて決定された硬度閾値に近い数値を有する。表５に示したテスト８において、硬度閾値は、７５０％未満の範囲についてのこうした別の方法で測定された。表５において、この別の方法で決定された数値には、星印をつけてある。

これらの結果は、前述した文献（Materials Transactions publication）の図３（ａ）および４（ｂ）に示された結果と比較すべきである。特に、厚さが大きくなればなるほど、同じショットサイズについての超音波ショットピーニング（ＵＳＳＰ）よりもはるかに柔軟なプロセスで、かつより短時間で得られる。

前述した結果は、フラットな金属サンプルで得られたものであるが、使用されたプロセスは、任意の形状の金属部品に適用可能である。特に、非平面状の表面を処理するために、毎回処理済み表面部分を配向させて、フラットな表面に対しての前述した角度条件を、非平面状の表面の連続的な部分各々に対して考慮（適用）することによって、非表面状の表面の限られた部分を連続して処理することができる。ここで、表現「連続的な部分」は、（表面部分が）局所曲率半径に対して比較的小さいと、表面部分の平均配向（average orientation）を定義することができ、かつ、（表面部分が）投射されるショットのサイズに対して比較的大きいと、多数の衝突が統計学的に予想される、表面部分を意味する。

特定の非平面状の形状（geometry）は、部品上の一つの同じ粒子による複数の衝突を生じること、すなわち、跳ね返り（rebound）ができる。しかし、跳ね返りが、非常に高いエネルギー損失をもたらすことを考えると、それは粒子の主な入射、つまり、最も有意である部品への最初の衝突以前の入射であると考えられる。

処理すべき部品の各々の表面部について前述した配向条件を実行することが望まれなく、また可能でない場合、最終的な使用において最もストレスを受けると予想される金属部品の部分（「部品の作業面」と呼ぶ）を同定（確認）することが好ましい。 例えば、ギアーピニオン（gear pinion）の作業面（working surface）は、概して歯の基部（base of teeth）である。したがって、一例において、ピニオンのナノ構造化処理は、粒子ジェットに向かい合う歯の基部面を連続的に配向して、歯の基部面上で粒子の主な入射の特定の配向を実施することによって、行われ得る。

単一の投射ノズルは、図２からの装置の例に示されている。しかし、複数の投射ノズルを備えたピーニング装置も考えられる。これらの投射ノズルは、複数の異なる入射（incidence）に沿って部品の該表面を標的化するように配置され得る。投射ノズルは、処理すべき部品の様々な表面を標的化するよう配置され得る。

１０〜４５°の外側半頂角を有する円錐体または円錐形フィルムに分布される粒子の主な入射（発生）を生じさせるよう、投射ノズルおよび部品の支持体の他の相対的な配置も考えられる。

本発明は、いくつかの実施形態とついて説明されているが、これらに限定されないこと、および、それが、本発明の範囲に入る、説明された手段の全ての技術的手段およびそれらの組み合わせを含むことは明らかである。

特に、実施例に記載された実施形態は、ピーニング処理によって比較的厚いナノ構造化層を形成することができる同質の（homogeneous）材料に関する。その範囲によって得ることができたナノ構造化層の厚さによって所定の材料に適用された範囲を特徴とすることができる。したって、他の事前処理を経た材料への同様の範囲の適用によって、たとえこの事前処理済み材料が前述した実施形態に該当しない、例えば、異質の（heterogeneous）材料であるとしても、ナノ構造化表面層を効率よく生成することができる。

「有する」、「含む」の動詞は、特許請求に記載されたその他の要素やステップの存在を排除しない。要素またはステップについて使用された単数形は、特に言及しない限り、かかる要素またはステップの複数形を排除しない。いくつかの手段またはモジュールは、一つの同じ材料要素によって示され得る。

特許請求の範囲に使用された符号は、特許請求の範囲を限定するものと解釈されてはならない。

Claims (9)

1. 金属部品の表面処理方法であって、
   ナノ構造の表面層が得られるまでに、球形度８５％以上の粒子のストリームに金属部品の表面をさらして、前記表面がいくつかの主な入射に沿って前記粒子を受け入れるステップを含み、
   前記粒子のストリームが、中心軸に沿って投射される粒子のジェットを含み、
   前記粒子のジェットが、半頂角（β）を有する円錐形状を有し、
   前記表面上の入射角が、１０°〜４５°であり、
   前記粒子は、２ｍｍより小さく、０．１ｍｍより大きい直径を有するとともに、４０ｍ／ｓ〜１００ｍ／ｓの速度で投射され、
   前記金属部品が、支持体に固定されて、前記中心軸に対して前記ストリームにさらされた前記部品の前記表面の傾斜(α)が１０°〜３０°であり、そして、
   前記支持体または前記投射手段が、前記粒子のジェットの前記中心軸と同軸の周りを回転される、
   ことを特徴とする金属部品の表面処理方法。
2. 前記中心軸に対して前記ストリームにさらされた前記部品の前記表面の傾斜（α）が、１５°である、請求項１に記載の方法。
3. 前記粒子が、０．３ｍｍより大きく、かつ、１．４ｍｍより小さい直径を有している、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記粒子の入射が、実質的に連続して分布されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記表面上の入射角が、１０°〜３０°である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記粒子が、５０ｍ／ｓ〜８０ｍ／ｓの速度で投射される、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記粒子が、処理前の前記部品の表面の硬度よりも高い硬度を有している、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記半頂角（β）が、前記表面の傾斜（α）よりも小さい、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
9. 金属部品の表面処理装置であって、
   ０．１ｍｍより大きく、２ｍｍより小さい直径を有する球形度８５％以上の粒子からなる、４０ｍ／ｓ〜１００ｍ／ｓの速度で投射される、ストリームを生成することができる投射手段と、
   前記金属部品を保持できる、前記粒子のストリームにさらされた表面を含む、支持体と、
   前記粒子のストリームに対して前記支持体の向きを変えて、前記支持体の表面上の前記粒子の主な入射を、１０°〜４５°で分布させるアクチュエータと、
   前記支持体の表面上に対して、
   を含み、
   前記投射手段は、中心軸に沿って投射される粒子のジェットを生成することができ、
   前記支持体の表面は、前記中心軸に対し傾斜して配向され、そして、
   前記アクチュエータは、前記粒子のジェットの前記中心軸と同軸の周りに前記支持体を旋回することができる、表面処理装置。

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