JP6125780B2 - ショットピーニングによる表面改質方法 - Google Patents
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Description
本発明は、ショットピーニングによる表面改質方法に関するものである。
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、ばねやギア等の自動車部品、あるいは金型材などにも適用されている。また、浸炭焼入れ処理を行なった材料をショットピーニングの被処理材として用いるなど、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。
ここで、浸炭処理材などの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。しかし、熱処理、３９（１９９９）５，浜坂直治著，第２６４〜２７０頁（非特許文献１）などに記載しているように、得られる最大圧縮残留応力は投射材の硬さがある値を超えると飽和するのが一般的である。
一方、被処理材の表面粗さを過度に大きくしないこともショットピーニングにおける重要な因子である。すなわち、被処理材表面に鋭い窪みなどがあると、切り欠き効果となり部品として用いると早期破損を起こす可能性がある。しかしながら、定性的には高硬度投射材を用いると被処理材の表面粗さが増大する傾向がある。このように従来は、投射材硬さが高すぎると得られる最大圧縮残留応力が飽和し、被処理材の表面粗さが増大するため、特開２００９−１３１９１２（特許文献１）に記載されているように、用いる投射材の硬さの上限を設けることが一般的であった。
また、投射材の粒径は主に圧縮残留応力の最大値が得られる深さに影響する因子であり、被処理材の表面から深い位置に最大圧縮残留応力を必要とする場合には、大粒径の投射材を用いる。これは、部品の設計上、破壊起点が発生する位置などに最大圧縮残留応力の位置を合わせるなどし、より効果的な強度アップを狙うことが意図されている。なお、この場合、大粒径の投射材を用いると被処理材の表面粗さを上げてしまうが、現状ではこの副作用を犠牲にして用いられることが一般的である。
特開２００９−１３１９１２
熱処理、３９（１９９９）５，浜坂直治著，第２６４〜２７０頁
日本金属学会誌、７３（２００９）５，澤田俊之，柳谷彰彦著，第４０１〜４０６頁
上述した非特許文献１や特許文献１に開示されているように、従来は、投射材硬さが高すぎると得られる最大圧縮残留応力が飽和し、被処理材の表面粗さが増大するために用いる投射材の硬さの上限を設けることが一般的に行われていた。また、被処理材の表面から深い位置に最大圧縮残留応力を必要とする場合には、大粒径の投射材を用いる。しかし、大粒径の投射材を用いると被処理材の表面粗さを上げてしまうが、現状ではこの副作用を犠牲にして用いられることが一般的であった。このように、従来、一般に行われてきた方法にはそれぞれの課題を有しているのが現状である。
上述したように、現状行われて来たそれぞれの課題を解決するために、発明者は鋭意開発を進めた結果、鋼に真空浸炭焼入れ処理またはガス浸炭焼入れ処理（浸炭窒化処理を除く）後に機械加工により粒界酸化層を除去した状態での表面の硬さを７９０ＨＶ以上とした浸炭処理材の硬さが浸炭処理材の表面の硬さの１．３７倍以上の硬さで、かつ１０５０〜１６００ＨＶの範囲内で、投射材の密度が７．０〜８．５Ｍｇ／ｍ3 である投射材を用いてショットピーニングすることで、被処理材に１７００ＭＰａ以上の圧縮残留応力と１２００ＨＶ以上の表面硬さを得ることを可能とした上記浸炭処理材の表面改質方法を提供することにある。この本発明の最も重要な特徴は、得られる最大圧縮残留応力が飽和した後も、投射材硬さの上昇にともない被処理材表面の硬さが飽和することなく上昇することを見出したことにある。
なお、上記現象については、ＴＥＭ観察の結果、浸炭によるＣ拡散後の焼入焼戻しによるマルテンサイト組織におけるショットピーニング面にナノ結晶層が生成し、この結晶粒径が投射材硬さの上昇に伴ない単調に減少し、粒界強化と考えられる高硬度化を引き起こすためであると考えられた。
また、ショットピーニングによる被処理材表面のナノ結晶粒化は、投射材との衝突により被処理材表面が大きく塑性変形し、歪が蓄積されることにより発現すると考えられる。したがって、浸炭材のように７９０ＨＶを超えるような高硬度な表面を有する被処理材の場合、一般に用いられる鋳鋼製の投射材（８００ＨＶ程度）を用いても、十分な歪が蓄積されず、ナノ結晶粒化が不十分であり、１０００ＨＶを超えるような高硬度投射材を用いることで、より微細なナノ結晶粒層が得られ、表面硬さも大きく上昇できることを見出した点にある。
このように、これまでに使用する投射材硬さと生成するナノ結晶粒径が系統的に評価された例はなく、また、ナノ結晶粒径が被処理材表面の硬さを直接上昇させるような系統的な報告例も見られない。以上のような知見に基づいて発明を完成するに至った。
以下、その発明の要旨とするところは、
（１）鋼に真空浸炭焼入れ処理またはガス浸炭焼入れ処理（浸炭窒化処理を除く）後に機械加工により粒界酸化層を除去した状態での表面硬さを７９０ＨＶ以上とし、該浸炭被処理材に、投射材の硬さが浸炭被処理材の表面の硬さの１．３７倍以上の硬さで、かつ１０５０〜１６００ＨＶの範囲内で、投射材の密度が７．０〜８．５Ｍｇ／ｍ3である投射材を用いてショットピーニングすることを特徴とするショットピーニングによる表面改質方法。
以下、その発明の要旨とするところは、
（１）鋼に真空浸炭焼入れ処理またはガス浸炭焼入れ処理（浸炭窒化処理を除く）後に機械加工により粒界酸化層を除去した状態での表面硬さを７９０ＨＶ以上とし、該浸炭被処理材に、投射材の硬さが浸炭被処理材の表面の硬さの１．３７倍以上の硬さで、かつ１０５０〜１６００ＨＶの範囲内で、投射材の密度が７．０〜８．５Ｍｇ／ｍ3である投射材を用いてショットピーニングすることを特徴とするショットピーニングによる表面改質方法。
（２）前記投射材の平均粒径が０．０１〜０．５０ｍｍの範囲内の投射材を用いて、該投射材を投射する際のエア圧０．１〜０．８ＭＰａの範囲内として前記浸炭被処理材に投射することを特徴とする前記（１）に記載したショットピーニングによる表面改質方法にある。
以上述べたように、本発明によるショットピーニングにより、被処理材に１７００ＭＰａ以上の圧縮残留応力と１２００ＨＶ以上の表面硬さの浸炭材が得られる極めて優れた効果を奏するものである。
以下、本発明に係る表面硬さ、処理条件についての限定した理由を述べる。
鋼に浸炭焼入れ処理を施し表面の硬さ７９０ＨＶ以上とした処理材
被処理材の表面硬さを７９０ＨＶ以上とした理由は、７９０ＨＶ未満でも、本発明で狙うナノ結晶粒化およびこれにともなう表面硬さの上昇は見られる。しかしながら、７９０ＨＶ未満の被処理材を用いた場合、同等の表面硬さを得ようとすると、７９０ＨＶ以上の処理材を用いた場合より表面粗さが過度に大きくなってしまう。また、工業的によく用いられるガス浸炭材では、最表面部に粒界酸化層が生成し、７９０ＨＶ以上の表面硬さを得ることは困難であることから、真空浸炭材もしくはガス浸炭材の表面を研磨し、粒界酸化層を除去する必要がある。これらの理由から表面硬さを７９０ＨＶとした。なお、好ましくは８００ＨＶ以上、より好ましくは８１０ＨＶ以上である。
鋼に浸炭焼入れ処理を施し表面の硬さ７９０ＨＶ以上とした処理材
被処理材の表面硬さを７９０ＨＶ以上とした理由は、７９０ＨＶ未満でも、本発明で狙うナノ結晶粒化およびこれにともなう表面硬さの上昇は見られる。しかしながら、７９０ＨＶ未満の被処理材を用いた場合、同等の表面硬さを得ようとすると、７９０ＨＶ以上の処理材を用いた場合より表面粗さが過度に大きくなってしまう。また、工業的によく用いられるガス浸炭材では、最表面部に粒界酸化層が生成し、７９０ＨＶ以上の表面硬さを得ることは困難であることから、真空浸炭材もしくはガス浸炭材の表面を研磨し、粒界酸化層を除去する必要がある。これらの理由から表面硬さを７９０ＨＶとした。なお、好ましくは８００ＨＶ以上、より好ましくは８１０ＨＶ以上である。
１０５０〜１６００ＨＶの範囲内で、かつ被処理材表面の１．３７倍以上の硬さ
１０５０〜１６００ＨＶの範囲で、かつ被処理材表面の１．３７倍以上の硬さに限定した理由は、１０５０ＨＶ未満の硬さの投射材では被処理材に１７００ＭＰａ以上の圧縮残留応力と１２００ＨＶ以上の表面硬さを得ることが出来ず、また、１６００ＨＶを超える投射材は現在のところ工業的に実現が困難であることから、１０５０〜１６００ＨＶとした。なお、好ましくは１０５０〜１５５０ＨＶ、より好ましくは１１００ＨＶ〜１４００ＨＶである。一方、被処理材表面の硬さの１．３７倍未満の投射材を用いると１７００ＭＰａ以上の圧縮残留応力が得られないことから、被処理材表面の１．３７倍以上の硬さに限定した。
１０５０〜１６００ＨＶの範囲で、かつ被処理材表面の１．３７倍以上の硬さに限定した理由は、１０５０ＨＶ未満の硬さの投射材では被処理材に１７００ＭＰａ以上の圧縮残留応力と１２００ＨＶ以上の表面硬さを得ることが出来ず、また、１６００ＨＶを超える投射材は現在のところ工業的に実現が困難であることから、１０５０〜１６００ＨＶとした。なお、好ましくは１０５０〜１５５０ＨＶ、より好ましくは１１００ＨＶ〜１４００ＨＶである。一方、被処理材表面の硬さの１．３７倍未満の投射材を用いると１７００ＭＰａ以上の圧縮残留応力が得られないことから、被処理材表面の１．３７倍以上の硬さに限定した。
７．０〜８．５Ｍｇ／ｍ3の密度
また、７．０〜８．５Ｍｇ／ｍ3の密度の投射材とした理由は、７．０Ｍｇ／ｍ3未満の投射材では１７００ＭＰａ以上の最大圧縮残留応力および１２００ＨＶ以上の被処理材表面硬さが得られない。また、８．５Ｍｇ／ｍ3を超える投射材では１７００ＭＰａ以上の圧縮残留応力が得られない。なお、８．５Ｍｇ／ｍ3を超える密度の投射材は実質超硬（ＷＣ）系であるが、密度が高すぎ、投射速度が小さくなり、大きな圧縮残留応力が得られないものと推測される。これらのことから７．０〜８．５Ｍｇ／ｍ3とした。なお、好ましくは７．１〜８．２Ｍｇ／ｍ3、より好ましくは７．１〜８．１Ｍｇ／ｍ3である。
また、７．０〜８．５Ｍｇ／ｍ3の密度の投射材とした理由は、７．０Ｍｇ／ｍ3未満の投射材では１７００ＭＰａ以上の最大圧縮残留応力および１２００ＨＶ以上の被処理材表面硬さが得られない。また、８．５Ｍｇ／ｍ3を超える投射材では１７００ＭＰａ以上の圧縮残留応力が得られない。なお、８．５Ｍｇ／ｍ3を超える密度の投射材は実質超硬（ＷＣ）系であるが、密度が高すぎ、投射速度が小さくなり、大きな圧縮残留応力が得られないものと推測される。これらのことから７．０〜８．５Ｍｇ／ｍ3とした。なお、好ましくは７．１〜８．２Ｍｇ／ｍ3、より好ましくは７．１〜８．１Ｍｇ／ｍ3である。
投射材の平均粒径を０．０１〜０．５０ｍｍ、投射材をエア圧０．１〜０．８ＭＰａ
投射材の平均粒径を０．０１〜０．５０ｍｍのものを用い、またその投射材をエア圧０．１〜０．８ＭＰａで被処理材に投射した理由は、投射材の平均粒径が０．０１ｍｍ未満の場合、工業的に製造するのが容易でないことから下限を０．０１ｍｍとした。一方、平均粒径が０．５０ｍｍ超の場合は、最大圧縮残留応力が深くなりすぎ、疲労強度向上に有効な圧縮残留応力分布が得られないことから、平均粒径を０．０１〜０．５０ｍｍとした。なお、好ましくは、０．０２〜０．４５ｍｍ、より好ましくは、０．０３〜０．４０ｍｍである。
投射材の平均粒径を０．０１〜０．５０ｍｍのものを用い、またその投射材をエア圧０．１〜０．８ＭＰａで被処理材に投射した理由は、投射材の平均粒径が０．０１ｍｍ未満の場合、工業的に製造するのが容易でないことから下限を０．０１ｍｍとした。一方、平均粒径が０．５０ｍｍ超の場合は、最大圧縮残留応力が深くなりすぎ、疲労強度向上に有効な圧縮残留応力分布が得られないことから、平均粒径を０．０１〜０．５０ｍｍとした。なお、好ましくは、０．０２〜０．４５ｍｍ、より好ましくは、０．０３〜０．４０ｍｍである。
また、エア圧０．１〜０．８ＭＰａとした理由は、エア圧０．１ＭＰａ未満の場合、ピーニング強度が低下し、１７００ＭＰａ以上の圧縮残留応力を付与することが出来ない。また、０．８ＭＰａを超える場合は、工業的なショットピーニング処理装置ではコスト的に高くなることから、その範囲を０．１〜０．８ＭＰａとした。なお、好ましくは、０．１５〜０．７ＭＰａ、より好ましくは、０．２〜０．６ＭＰａである。
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に示すように、被処理材にはＪＩＳ規格に規定されている鋼種ＳＣＭ８２２、ＳＣＭ４２０を使用した。浸炭処理は９３０℃での一般的な真空およびガス浸炭とした。また、表面のＣ濃度は０．７〜０．８質量％である。なお、一部の実施例ではガス浸炭後、機械研磨により粒界酸化層を除去したものも評価した。研磨厚さは１０μｍとした。浸炭処理後、８５０℃からの油冷による焼入れ、その後、１６０℃で焼戻しを行ったものを用いた。形状は直径５５ｍｍ、厚さ５ｍｍの円盤形状とし、直径５５ｍｍの平面部にショットピーニングした。投射材は市販の投射材を用いた。なお、ＦｅＢ系投射材は、日本金属学会誌、７３（２００９）５，澤田俊之，柳谷彰彦著，第４０１〜４０６頁（非特許文献２）などに記されているＦｅ系硬質硼化物を利用した高硬度投射材を用いた。
表１に示すように、被処理材にはＪＩＳ規格に規定されている鋼種ＳＣＭ８２２、ＳＣＭ４２０を使用した。浸炭処理は９３０℃での一般的な真空およびガス浸炭とした。また、表面のＣ濃度は０．７〜０．８質量％である。なお、一部の実施例ではガス浸炭後、機械研磨により粒界酸化層を除去したものも評価した。研磨厚さは１０μｍとした。浸炭処理後、８５０℃からの油冷による焼入れ、その後、１６０℃で焼戻しを行ったものを用いた。形状は直径５５ｍｍ、厚さ５ｍｍの円盤形状とし、直径５５ｍｍの平面部にショットピーニングした。投射材は市販の投射材を用いた。なお、ＦｅＢ系投射材は、日本金属学会誌、７３（２００９）５，澤田俊之，柳谷彰彦著，第４０１〜４０６頁（非特許文献２）などに記されているＦｅ系硬質硼化物を利用した高硬度投射材を用いた。
また、ショットピーニング条件としては、エアタイプ吸引式の投射装置を用いた。エア圧は表１に示す。なお、投射時間は１０秒とした。その結果の評価としては、表面粗さはショットピーニングした面について接触式の粗さ計を用いて測定した算術平均（Ｒａ）で評価した。最大圧縮残留応力はＸ線法で評価し、ショットピーニングした面から５０μｍまで電解研磨で表層を除去しながら測定し、その最大値で評価した。被処理材表面硬さはショットピーニングした面において荷重０．９８Ｎで測定した５点平均で評価した。
表１に示すように、比較例Ｎｏ．１４は、被処理材がガス浸炭材であり、表面酸化層の影響により表面硬さが７５０ＨＶと低い。そのため、１７００ＭＰａ以上の圧縮残留応力と１２００ＨＶ以上の被処理材表面硬さは得られているものの、同じ投射材粒度、投射エア圧で被処理材表面硬さ１２００〜１２５０ＨＶが得られている本発明例であるＮｏ．１〜３およびＮｏ．８〜１０と比較し、表面粗さの値が大きくなってしまっている。
比較例Ｎｏ．１５は投射材硬さが低いために、被処理材表面硬さが１２００ＨＶ未満で最大圧縮残留応力も１７００ＭＰａ未満である。比較例Ｎｏ．１６は投射材密度が低いため最大圧縮残留応力が１７００ＭＰａ未満で被処理材硬さも１２００ＨＶ未満であり、比較例Ｎｏ．１７は投射材密度が高いため最大圧縮残留応力が１７００ＭＰａ未満である。比較例Ｎｏ．１８は投射材硬さ／被処理材表面硬さの比が小さいため、最大圧縮残留応力が１７００ＭＰａ未満である。比較例Ｎｏ．１９は投射材硬さが低いために、最大圧縮残留応力が１７００ＭＰａ未満で被処理材表面硬さも１２００ＨＶ未満である。
これに対し、本発明例Ｎｏ．１〜１３はいずれも１７００ＭＰａ以上の最大圧縮残留応力と１２００ＨＶ以上の被処理材表面硬さが得られている。なお、本発明例Ｎｏ．６、７および１３については、被処理材表面の粗さが増大しているが、これは投射材の粒径が大きいためであり、最大圧縮残留応力が得られる位置を、他の粒径より深くすることを狙ったものである。すなわち、本発明例Ｎｏ．６、７および１３以外の本発明例は表面から１５μｍより浅い部位に最大圧縮残留応力が得られたが、Ｎｏ．６は２５μｍ、Ｎｏ．７は３０μｍ、Ｎｏ．１３は４０μｍの部位に圧縮残留応力の最大値が得られた。また、ＦｅＢ系投射材を用い、同じ平均粒径と同じ投射エア圧でショットピーニングした。Ｎｏ．２〜４は、最大圧縮残留応力は１８５０ＭＰａで飽和しているにもかかわらず、被処理材表面の硬さは、投射材硬さとともに飽和することなく上昇していることがわかる。
以上のように、本発明による７９０ＨＶ以上の表面硬さの被処理材に、１０００ＨＶ以上で被処理材表面より１．３７倍以上の硬さの投射材をショットピーニングすることで、被処理材に１７００ＭＰａ以上の圧縮残留応力と１２００ＨＶ以上の表面硬さを与えることができる極めて工業的に優れたものである。
Claims (2)
- 鋼に真空浸炭焼入れ処理またはガス浸炭焼入れ処理（浸炭窒化処理を除く）後に機械加工により粒界酸化層を除去した状態での表面の硬さを７９０ＨＶ以上とし、該浸炭処理材に、投射材の硬さが浸炭処理材の表面の硬さの１．３７倍以上の硬さで、かつ１０５０〜１６００ＨＶの範囲内で、投射材の密度が７．０〜８．５Ｍｇ／ｍ3である投射材を用いてショットピーニングすることを特徴とするショットピーニングによる表面改質方法。
- 前記投射材の平均粒径が０．０１〜０．５０ｍｍの範囲内の投射材を用いて、該投射材を投射する際のエア圧を０．１〜０．８ＭＰａの範囲内として前記浸炭処理材に投射することを特徴とする請求項１に記載したショットピーニングによる表面改質方法。
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