JP5912725B2

JP5912725B2 - ショットピーニングの投射材用アトマイズ粉末およびショットピーニング方法

Info

Publication number: JP5912725B2
Application number: JP2012066724A
Authority: JP
Inventors: 澤田　俊之; 俊之澤田
Original assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Current assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Priority date: 2012-03-23
Filing date: 2012-03-23
Publication date: 2016-04-27
Anticipated expiration: 2032-03-23
Also published as: JP2013193199A

Description

本発明は、高硬度でショットピーニングした部材の表面に高い摺動性を付与できるショットピーニングの投射材用アトマイズ粉末およびショットピーニングによる表面改質方法に関する。

従来、ショットピーニングは被処理材に投射材（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、被処理材に圧縮残留応力を付与するとともに表面硬さを上昇させ、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。

ショットピーニングにより高い圧縮残留応力が付与され、表面が高硬度化した被処理材は、特に曲げ疲労破壊に対し優れた寿命を示すが、近年ではさらに面疲労破壊に対する寿命向上も求められるようになってきている。面疲労に関しては、曲げ疲労破壊と同様に、圧縮残留応力の付与と表面の高硬度化が効果的であると考えられるが、一方でショットピーニングによる面粗度の上昇により、相手材との摩擦係数が上昇し、疲労面における作用応力が増大することで疲労寿命が劣化する場合もある。このように、面疲労特性の改善には、被処理材表面に高い圧縮残留応力と高硬度を与えるとともに、相手材との摩擦係数の上昇を抑制できる投射材の開発が求められている。

これまでに高硬度な投射材として、本発明者は特開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投射材を提案してきた。この投射材は高硬度硼化物であるＦｅ₂Ｂと高延性相であるＢＣＣおよび／またはＦＣＣの鉄基固溶体により、高硬度と高靭性を両立した投射材である。このような高硬度投射材をベースとし、面疲労を受ける相手材となる鋼材と固溶しにくく、凝着が抑制される低融点金属（Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｂｉ）を添加することにより、被処理材表面に高い圧縮残留応力および高硬度と、摩擦係数を低くする表面改質を同時に与えられる投射材を見い出し、本発明に至った。

また、特開２０１１−２５３４８号公報（特許文献２）には、軟質金属をめっきなどの方法で被覆した投射材が提案されている。
特開２００７−８４８５８号公報特開２０１１−２５３４８号公報

上述したような特許文献１に開示されているＦｅ−Ｂ系高硬度投射材の場合は、Ｃｕ，Ｓｎなど低融点金属無添加のため、低摩擦係数が得られないという問題がある。また、特許文献２に開示されている投射材に軟質金属をめっき被覆した投射材は、ショットピーニングの使用中の破砕により生成した新生面に軟質金属が存在しないことから、使用とともに軟質金属の被処理材表面への移着が困難になってしまう。さらに、粉体へのめっきするコスト高が課題となる。

上述したような問題を解消するために発明者は鋭意開発を進めた結果、面疲労強度のアップには、残留応力、表面硬さ、低摩擦係数が必要であることから、Ｆｅ−Ｂ系硬質合金に低融点金属を添加し、アトマイズにより高硬度でショットピーニングした部材の表面に高い摺動性を付与できるショットピーニング用投射材およびショットピーニングによる表面改質方法を提供するものである。

その本発明の第１の特徴は、低融点金属（Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｂｉ）を含む投射材をショットピーニングに用いることにより、被処理材表面をこれら元素を含む表面に改質でき、この表面は相手材との摩擦時に低い摩擦係数を示すことを見い出したことである。

さらに、本発明の第２の特徴は、この投射材を所定の硬さとすることにより、被処理材の表面近傍に高い圧縮残留応力を同時に付与でき面疲労寿命を改善できることである。また、一般にショットピーニングした被処理材表面は、ショットピーニング前より上昇することが知られている。これは、投射材の衝突により導入された格子欠陥により、被処理材の表面が加工硬化することと加工変態が誘起されるためであると考えられる。ここで、低融点金属（Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｂｉ）を含み、所定の硬さを有する投射材をショットピーニングした場合、これら低融点金属を含まず同じ硬さを有する投射材を用いた場合と比較し、被処理材の表面硬さの上昇幅が大きくなることを明らかにした。

この現象についての詳細は明らかでないが、以下のことが推定される。被処理材表面において、低融点金属が移着すると同時に、投射材の衝突により大きな加工が加えられるため、低融点金属元素が被処理材の合金に固溶したり、メカニカルアロイングのような機械的合金化が進み、被処理材の合金に対し、固溶限以上に低融点金属が過飽和固溶したり、あるいは、低融点金属と被処理材中の元素が新たな化合物を生成することに起因すると推定される。なお、これらの低融点金属はいずれもＦｅに対し包晶系もしくは偏晶系の状態図を持ち、硼化物の生成エネルギーが高く硼化物を生成しにくいことから、アトマイズで粉末を作製すると、Ｆｅに固溶あるいはＦｅと化合物を作るほか、添加量の一部は投射材の最終凝固部に概ね純粋な低融点金属相として残存する。このような純粋な低融点金属相は軟質であるため、ショットピーニングの際の被処理材との衝突時にその表面と合金化しやすいものと推察される。

以上述べたように、本発明は高硬度でショットピーニングした部材の表面に高い摺動性を付与できるショットピーニング用投射材およびショットピーニングによる表面改質方法を提供するものである。

以下、本発明について、成分組成および処理条件を限定した理由を述べる。
Ｂ：２〜８％
本発明の投射材において、Ｂは高い硬度を実現するための必須元素であり、２％未満では高い硬度が得られず、８％を超えると投射材が脆化する。好ましくは３〜７％、より好ましくは４〜６．５％である。ここで、脆い投射材をショットピーニングに用いると、繰り返し被処理材と衝突することにより、投射材が著しく破砕、消耗し、ランニングコスト高に繋がる。

また、本発明の投射材はアトマイズ粉末を用いているため、低融点金属をめっきなどにより被覆した投射材と異なり、破砕で出来た新生面にも低融点金属が存在するため、使用中に破砕した場合でも、被処理材表面への低融点金属の移着および合金化が可能である。さらに、低融点金属からなる粉末と他の粉末を混合した投射材においては、異種の投射材の破砕の頻度が異なるため、使用している間に異種の投射材の比率が変化するため、安定したショットピーニングが不可能である。

Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｂｉの１種または２種以上を合計で０．１〜２０％
本発明の投射材において、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｂｉは、被処理材の表面の摩擦係数を低く抑えるとともに被処理材の表面硬度を大幅に上昇させるための必須元素であり、その１種または２種以上の合計が、０．１％未満ではこの効果が得られず、２０％を超えると投射材が脆化する。好ましくは５〜１７％、より好ましくは８〜１５％である。

Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｃの１種または２種以上を、（Ｔｉ％／１０）＋（Ｃｒ％／２５）＋（Ｍｏ％／１０）＋（Ｗ％／６）＋（Ａｌ％／１０）＋（Ｃ％／１） …（Ａ）が０を超え、１以下
本発明の投射材において、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃは硬度上昇に効果のある添加元素であり、Ｃｒ、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）＋（Ａｌ％／１０）＋（Ｃ％／１）…（Ａ）が１を超える範囲で添加してしまうと、投射材が著しく脆化する。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、いずれも過添加すると投射材が脆化する。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％、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。

表面近傍の最大圧縮残留応力が７００ＭＰａ以上で、表面にＣｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｂｉの１種または２種以上の元素の合計が１％以上、１００％以下
本発明の鋼製部品の表面において、最大圧縮残留応力および検出される低融点金属（Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｂｉ）は、いずれも面疲労寿命を向上させる因子である。最大圧縮残留応力が７００ＭＰａ未満または／および低融点金属が１％未満では、面疲労寿命の改善が十分ではない。最大圧縮残留応力の好ましい範囲は１０００以上、より好ましくは１５００ＭＰａ以上である。

なお、上限については特に制限はないが、通常、２５００ＭＰａ以上の圧縮残留応力を付与することは困難である。被処理材表面における低融点金属の好ましい範囲は１０％以上、より好ましくは２０％以上である。また、ショットピーニングにより付与される圧縮残留応力分布において最大値が得られる部位は投射条件によるが、ショットピーニングした表面から概ね３００μｍの深さまでであり、本発明における表面近傍とは最表面から３００μｍ深さのことである。

投射速度５０〜２００ｍ／ｓ
投射速度については、一般に用いられているショットピーニング装置の範囲でよく、５０〜２００ｍ／ｓでよい。

以下、本発明について実施例によって具体的に説明する。
投射材の製造方法としたは、表１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、アルゴンガスを噴霧し、ガスアトマイズ法により投射材を製造した。得られた投射材を４５〜１２５μｍに分級し、評価に用いた。

また、投射材の硬さ、脆さとしては、投射材を樹脂埋め、研磨した試料を用い、ビッカース硬さ計により荷重３００ｇで硬さを測定した。脆さは、前述の樹脂埋め試料を用い、ビッカース硬さ計にて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、投射材の耐食性としては、ガラス板に貼った両面テープ上に投射材を敷詰め、これを温度７０℃、湿度９５％の条件で９６時間保持し、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。

また、ローラーピッチング試験片の製造方法およびショットピーニング表面と面疲労特性の評価としては、市販のＳＣＭ４２０を用い、９３０℃で浸炭、８４０℃からの焼入および１４０℃で焼戻処理を行った。試験片の形状はコマツエンジニアリング製ローラーピッチング試験機（型式ＲＰＴ−２０２０）のシャフト試験片で、直径２４ｍｍ、長さ１３０ｍｍのシャフトに試験部である直径２６ｍｍ、幅２８ｍｍの段差が付いたものである。この試験部にショットピーニングを行った。ショットピーニングには直圧式エアタイプの投射装置を用い、投射圧０．２〜０．３ＭＰａ、投射時間１ｍｉｎで実施した。なお、試験片は１０ｒｐｍで回転させ、試験部にムラなく投射するようにした。この試験片を用い、投射表面の残留応力、硬さ、成分分析および面疲労特性を評価した。

試験片表面の残留応力はＸ線回折法により評価した。最表面から１０μｍずつ電解研磨でエッチングし、１００μｍ深さまで１０μｍごとに測定し、その最大値を最大圧縮残留応力とした。なお、残留応力値の正負について、例えば「−１０００ＭＰａの残留応力」を「１０００ＭＰａの圧縮残留応力」と記している。試験片表面の硬さはビッカース硬さ計にて、荷重１００ｇで試験片表面に垂直に圧痕を打ち測定した。

試験片表面の成分分析は、ＥＤＸにより行った。試験片表面において１００×１００μｍの範囲を分析した。面疲労特性はローラーピッチング試験により評価した。用いた装置は上述の通りで、相手ローラーにも市販のＳＣＭ４２０を上述と同条件で熱処理したものを用い、直径１３０ｍｍ、厚さ１８ｍｍ、試験部の曲率半径はＲ１５０である。試験面圧は３．３ＧＰａ、すべり率は−４０％、回転数は２０００ｒｐｍ、潤滑油はベスコトランスアクスル５Ｗ−３０、油温度は８０℃、油流量は３０００ｃｃ／ｍｉｎの条件で実施した。なお、試験時にはトルクを測定し、摩擦係数の評価とした。なお、ショットピーニングする前の試験片の最大圧縮残留応力は２００ＭＰａ、表面硬さは６５０ＨＶであった。

表１は、投射材の成分組成についての硬さ、脆さおよび耐食性についての結果を示す。Ｎｏ．１〜１５は本発明例であり、Ｎｏ．１６〜２４は比較例ある。

表１に示すように、Ｎｏ．１〜１５の投射材は本発明の投射材であり、低融点金属を合計で０．１〜２０％含むとともに、硬さ、脆さに優れる。さらにＣｒ、Ａｌが添加されたＮｏ．１３〜１４は耐食性にも優れる。また、Ｔｉ、Ｗ、Ｃが添加されたＮｏ．１２、１５は、これら元素が添加されていないＮｏ．１、２と比較し、それぞれ硬さが高い。

また、表２は、ショットピーニングした試験片の表面およびローラーピッチング試験の評価を示す。Ｎｏ．２５〜３９は本発明例であり、Ｎｏ．４０〜４８は比較例である。なお、Ｎｏ．２５、２６、２９、３４、３６、３７、４０、４１、４４、４８は投射圧０．２ＭＰａ、その他は０．３ＭＰａとした。投射圧０．２ＭＰａの条件では投射速度は８０ｍ／ｓ、投射圧０．３ＭＰａの条件では投射速度は１１０ｍ／ｓである。

Ｎｏ．１〜１５の投射材を用い、ショットピーニングしたＮｏ．２５〜３９の試験片は、いずれも高い圧縮残留応力を有し、表面からは１％以上の低融点金属が検出され、ローラーピッチング試験におけるトルクが小さい。また、同等の硬さを有しているＮｏ．１と１６、Ｎｏ．２と１７、Ｎｏ．３と１８、Ｎｏ．４と１９の投射材をショットピーニングしたＮｏ．２５と４０、Ｎｏ．２６と４１、Ｎｏ．２７と４２、Ｎｏ．２８と４３の表面硬さを比較すると、低融点金属を１０％含む投射材を用いたＮｏ．２５〜２８のほうが、低融点金属を無添加もしくは０．１％未満の添加としたＮｏ．４０〜４３より著しく高い。これらの結果として、本発明例であるＮｏ２５〜３９はローラーピッチング寿命に優れている。

一方、Ｎｏ．１６〜１９の投射材は低融点金属の添加量が少ないため、これをショットピーニングしたＮｏ．４０〜４３の試験片は表面の低融点金属検出量が少なく、ローラーピッチング試験時のトルクが大きいため、ピッチング寿命に劣る。これは、ローラーピッチング試験における摩擦係数が大きく、ピッチング破壊を起こす作用応力が大きいためであると考えられる。Ｎｏ．２０の投射材はＢ量が少ないため投射材硬さが低く、これをショットピーニングしたＮｏ．４４の試験片は最大圧縮残留応力が低く、表面の低融点金属検出量も少なく、ローラーピッチング試験時のトルクが大きいため、ピッチング寿命に劣る。

Ｎｏ．２１〜２３の投射材は、Ｂ量もしくは式（Ａ）の値もしくは低融点金属の合計量が大きいため、これらを投射したＮｏ．４５〜４７の試験片は優れたピッチング寿命を示すものの、投射材が脆く、消耗が激しいため、投射材コスト高となってしまう。Ｎｏ．２４の投射材はＢ量が少ないため投射材の硬さが低く、これらをショットピーニングしたＮｏ．４８の試験片は、最大圧縮残留応力が低いため、ピッチング寿命に劣る。

以上のように、Ｆｅ−Ｂ系硬質合金に低融点金属（Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｂｉ）を添加し、アトマイズにより得た投射材をショットピーニングに用いることにより、被処理材表面をこれら元素を含む表面に改質でき、この表面は相手材との摩擦時に低い摩擦係数を示す極めて優れた効果を奏するものである。

特許出願人山陽特殊製鋼株式会社
代理人弁理士椎名彊

Claims

質量％で、Ｂを２〜８％、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｂｉの１種または２種以上を合計で０．１〜２０％含み、残部Ｆｅおよび不可避的不純物よりなるショットピーニングの投射材用アトマイズ粉末。
質量％で、Ｂを２〜８％、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｂｉの１種または２種以上を合計で０．１〜２０％含み、かつＴｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｃの１種または２種以上を、
（Ｔｉ％／１０）＋（Ｃｒ％／２５）＋（Ｍｏ％／１０）＋（Ｗ％／６）＋（Ａｌ％／１０）＋（Ｃ％／１） … （Ａ）が０を超え、１以下とすることを特徴とするショットピーニングの投射材用アトマイズ粉末。
請求項１または２に記載の投射材を、投射速度５０〜２００ｍ／ｓで被処理材に投射し、被処理材の表面近傍に７００ＭＰａ以上の最大圧縮残留応力を付与すると同時に、表面にＣｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｂｉの１種または２種以上の元素の合計が１％以上、１００％以下であることを特徴としたショットピーニング方法。