JP6193040B2 - 高硬度長寿命を有するショットピーニング用投射材 - Google Patents

Description

本発明は、ショットピーニングにより、被処理材の表面に高い圧縮残留応力を付与でき、かつ破砕しにくい、高硬度長寿命投射材に関する。

従来、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。

現在、一般に用いられているショットピーニング用投射材として、鋳鋼製投射材やカットワイヤがあるが、これらの硬さの上限は概ね９００ＨＶである。また、粉末ハイス製投射材も多く用いられており、ガスアトマイズ法によって製造されている。この粉末ハイス製投射材の特徴として、ガスアトマイズ法により作製した粉末そのままでは、７００〜９００ＨＶ程度のビッカース硬さしか示さないが、使用前のいわゆる空打ちや使用中の相手材との衝突により加工硬化することで、１０００ＨＶ程度の硬さに上昇することが知られている。

なお、「空打ち」とは、投射材を使用する前にあらかじめ高硬度なダミーの相手材に投射し、加工硬化により投射材の硬さを上昇させておく方法であり、市販の投射材においては、概ね出荷される前に実施される場合のある工程である。このような、相手材との衝突による粉末ハイス製投射材の硬度上昇については、例えば、日本金属学会誌、第７３巻、第９号（２００９）６６６〜６６９（非特許文献１）に示されている。すなわち、当初７４０ＨＶであったＳＫＨ４０相当の粉末ハイス製投射材が２４時間の投射により１０００ＨＶ近くまで上昇している。

日本金属学会誌、第７３巻、第９号（２００９）６６６〜６６９ 機能材料、第２９巻、第８号（２００９）１６〜２４

しかしながら、このような方法により粉末ハイス製投射材を高硬度化すると、高硬度化と同時に投射材内部にクラックが発生し、結果的に破砕しやすい投射材となってしまう。したがって、高硬度化した投射材を用いることによる被処理材表面の圧縮残留応力向上は期待できるものの、破砕しやすく投射材として寿命が短いためランニングコストの高いショットピーニング法となってしまう課題があった。

このような課題に対し鋭意検討した結果、空打ちなど相手材との衝突ではなく、適正な温度で熱処理することにより、投射材の硬さを大幅に上昇できるとともに、破砕しにくく長寿命を有する投射材の開発に至った。その目的は、ショットピーニングにより、被処理材の表面に高い圧縮残留応力を付与でき、かつ破砕しにくい、高硬度長寿命投射材を提供する。

その発明の要旨とするところは、
（１）質量％で、Ｃを１．０〜３．０％、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖの１種もしくは２種以上を合計で１５．０〜３５．０％を含み、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、９５０〜１２００ＨＶのビッカース硬さを有し、実質的に内部にクラックが発生しておらず、焼戻マルテンサイト相を含むことを特徴とする高硬度長寿命を有するショットピーニング用投射材。
（２）Ｃｏ、Ｍｎの１種または２種を合計で１５％以下含むことを特徴とする請求項１に記載の高硬度長寿命を有するショットピーニング用投射材にある。

以上述べたように、ショットピーニングにより、被処理材の表面に高い圧縮残留応力を付与でき、かつ破砕しにくい、高硬度長寿命投射材を提供できる優れた効果を奏するものである。

Ｆｅ−１．３％Ｃ−４％Ｃｒ−５％Ｍｏ−６％Ｗ−３％Ｖ−８％Ｃｏの６００℃で熱処理した投射材のミクロ組織を示す光学顕微鏡写真である。

以下、本発明について詳細に説明する。
本発明における特徴は、空打ちなどによる投射材への応力付与により、投射材を高硬度化するのではなく、適正な熱処理により、投射材中の残留オーステナイト相をマルテンサイト相へ分解することにより高硬度化することである。これにより、投射材内部にクラックを発生させることなく高硬度化が可能である。また、十分な硬さを得るために、残留オーステナイト相の体積率は１０％未満であると好ましい。なお、このように適正な熱処理により得られた投射材には、下記のような意外な特徴も確認された。

一般に用いられる粉末ハイス製投射材はＳＫＨ４０相当のものが多い。この投射材は上述の非特許文献１のとおり、相手材との衝突により１０００ＨＶ近くまで高硬度化する。ここで、１０００ＨＶをロックウェル硬さに換算すると、およそ７０ＨＲＣである。なお、一般にＳＫＨ４０相当の粉末ハイスを金型などとして用いる場合、１１００〜１２００℃で固化成形した後、１１００℃程度から焼入れし、その後、５００℃前後で焼戻しする。この工程により製造される粉末ハイス製金型の硬さは６７ＨＲＣ程度である。

このように、相手材との衝突による高硬度化は加工硬化が原因であるため、通常の粉末冶金材を焼入れ焼戻し熱処理して到達できる最高硬さよりも高い。すなわち、投射材として用いる場合も純粋に硬さのみを考慮すると、熱処理による到達硬さより空打ちなどの処理による到達硬さのほうが高いことが想定された。特に投射材の場合、粒子形状で使用することが前提のため、焼結を避ける必要があり、１１００℃程度からの焼入れ処理すら省略する必要がある。このため、粉末冶金材よりも到達硬さは低いことが予想された。

しかしながら、実際にＳＫＨ４０相当の粉末ハイス製投射材について、高温からの焼入れ処理を行なわず、５００〜７００℃に温度を変化させて焼戻し熱処理のみ施すと、５５０℃にて最高硬さ１０１０ＨＶ（約７０ＨＲＣに相当）まで到達した。このように、５５０℃の焼戻し処理のみ実施したＳＫＨ４０製投射材で、通常の粉末冶金材として用いるＳＫＨ４０より高い硬度が得られた理由について考察するため、光学顕微鏡によりミクロ組織を観察した。その結果、１１５０℃でＨＩＰ成形し、１１３０℃焼入れ、５５０℃焼戻ししたＳＫＨ４０粉末冶金材（６７ＨＲＣ）には２μｍ以上の炭化物が認められたのに対し、５５０℃で焼戻し処理のみ行なったＳＫＨ４０投射材（１０１０ＨＶ＝約７０ＨＲＣ）には光学顕微鏡で確認できるほど大きなサイズの炭化物は認められず、１μｍ以下の炭化物のみであると考えられた。

このことから、粉末冶金材の場合、少なくとも固化成形の際に晒される高温状態において一次炭化物の粗大化が回避できないのに対し、固化成形過程を経ない投射材の場合、ガスアトマイズ法による急速冷却により十分に固溶した炭素を５５０℃程度の中温域で焼戻し処理のみ施すことで残留オーステナイト相をマルテンサイト相に分解し、高硬度化できるため炭化物が超微細となり、より高い硬さに到達したものと推測された。

また、一般に粉末冶金材として用いる粉末ハイス材において、シャルピー衝撃値などの靭性は最大炭化物のサイズにより影響されることが知られている。したがって、上述のように中温での熱処理のみで高硬度化した超微細炭化物しか存在しない粉末ハイス製投射材の靭性は著しく高いと予想される。さらに、ガスアトマイズしたままの粉末ハイス製投射材におけるマルテンサイト相は、急冷作用により炭素を過飽和に固溶しているため靭性が低いと考えられるが、上述のような中温で焼戻し熱処理を施した粉末ハイス製投射材におけるマルテンサイト相は過度な炭素を排出しているため、この点からも靭性が高いと予想される。

またさらに、空打ちなどの処理による粉末ハイス製の投射材は、残留オーステナイト相が加工誘起マルテンサイト相に変態することでも高硬度化しているが、加工誘起マルテンサイト相も一般には靭性に乏しいことが知られており、やはり中温の焼戻し熱処理によるマルテンサイト相のほうが靭性が高いと予想される。

ここで、従来、結晶質の投射材は硬度が高くなるにしたがい靭性が低下し、破砕しやすく、投射材としての寿命が短いと考えられてきた（例えば非特許文献２）。しかしながら、上述の５５０℃で焼戻し処理のみ実施したＳＫＨ４０投射材（１０１０ＨＶ）は、汎用の粉末ハイス製投射材（７４０ＨＶ）よりも投射材としての寿命に優れた。これは、上述したように炭化物が超微細であること、過度な炭素を排出したマルテンサイト相であることなどが影響していると考えられる。

このように、中温で熱処理することにより残留オーステナイト相をマルテンサイト相に分解し超微細炭化物しか存在しないように高硬度化させた本発明投射材は、「空打ちした投射材より低硬度に留まる」あるいは「高温からの焼入れ処理が可能な粉末冶金材より低硬度に留まる」こと、および、「結晶の投射材は高硬度なほど破砕しやすい」という、従来予想されてきた考えを覆す意外な特長も有している。

以下、本発明の範囲を規制した理由を説明する。
Ｃ：１．０〜３．０％
本発明投射材において、Ｃは焼戻し処理後の硬さを向上するための必須元素であるが、過度に添加すると靭性が低下し投射材としての寿命が低下してしまう。１．０％未満では十分な硬さが得られず、３．０％を超えて添加すると投射材としての寿命が低下してしまう。好ましくは１．１％を超え２．８％未満、より好ましくは１．２％を超え２．５％未満である。

Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖの１種もしくは２種以上を合計１５．０〜３５．０％
本発明投射材において、Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｖは焼戻し処理後の硬さを向上するための必須元素であるが、過度に添加すると靭性が低下し投射材としての寿命が低下してしまう。１５．０％未満では十分な硬さが得られず、３５．０％を超えて添加すると投射材としての寿命が低下してしまう。好ましくは１６％を超え３１％未満、より好ましくは１７％を超え２８％未満である。

Ｃｏ、Ｍｎの１種または２種を合計０〜１５％
本発明投射材において、Ｃｏ、ＭｎはＣｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｖほどではないものの焼戻し処理後の硬さを向上させる効果があるため必要に応じて添加できる。しかしながら、その合計量が１５％を超えて添加すると投射材としての寿命が低下する。好ましくは１％を超え１１％未満、より好ましくは２％を超え９％未満である。

９５０〜１２００ＨＶのビッカース硬さ
本発明投射材は高い靭性を示すマルテンサイト相を主相としているため、投射材としての寿命に優れるが、９５０ＨＶ以上の硬さを有することで、ショットピーニングに用いた際に、被処理材との衝突による投射材の塑性変形が小さく抑えられ、結果的に投射材中にクラックが発生しにくく、投射材としての寿命に優れることがわかった。このように、高い硬度を有することで優れた投射材としての寿命を有する点も、従来の一般的な考え方と異なる本発明の特徴である。しかしながら、過度に投射材が硬いと投射材の寿命が低下してくる。９５０ＨＶ未満もしくは１２００ＨＶを超える硬さでは投射材としての寿命が低下する。好ましくは１０００ＨＶを超え１１８０ＨＶ未満の硬さであり、より好ましくは１０５０ＨＶを超え１１５０ＨＶ未満の硬さである。

上述したように、空打ちにおける相手材との衝突により高硬度化した投射材は、内部にクラックが発生しており、投射材としての寿命が明らかに低下している。したがって、本発明投射材のように、投射材の内部にクラックを発生していないものは、投射材としての寿命に優れる。

以下、本発明について実施例によって詳細に説明する。
まず、熱処理温度の変化により投射材のビッカース硬さを変化させ、本発明投射材における投射材の硬さと投射材の寿命との相関を検討した。すなわち、Ｆｅ−１．３％Ｃ−４％Ｃｒ−５％Ｍｏ−６％Ｗ−３％Ｖ−８％Ｃｏ（ＳＫＨ４０相当組成）および、Ｆｅ−２．３％Ｃ−４％Ｃｒ−７％Ｍｏ−７％Ｗ−７％Ｖ−１０％Ｃｏの組成の粉末をガスアトマイズ法により作製、分級した後、数水準の温度で熱処理し投射材を得た。これら投射材について、ビッカース硬さと投射材としての寿命を評価した（実験Ａ）。

なお、この実験Ａの結果は後述の表１に示すが、明らかにビッカース硬さの上昇とともに投射材の寿命が向上しており、従来より考えられてきた結晶材料における投射材の硬さと寿命の相関とは異なることがわかる。さらに、これらの投射材を１１５０℃、１５０ＭＰａ、５時間保持の条件でＨＩＰ成形し、それぞれ１１３０℃と１１８０℃から焼入れ、５５０℃で焼戻しして得られた粉末冶金材のビッカース硬さの最高値は８９０ＨＶと１０２０ＨＶであり、光学顕微鏡観察の結果、最大炭化物径はそれぞれ３μｍと４μｍであった。

後述する実験Ａの結果を示す表１から明らかなように、適正な温度で熱処理した投射材の硬さはこれら粉末冶金材の到達最高硬さを大きく上回っており、この点も従来の予想とは異なることがわかる。なお、図１に示すとおり、Ｆｅ−１．３％Ｃ−４％Ｃｒ−５％Ｍｏ−６％Ｗ−３％Ｖ−８％Ｃｏ（ＳＫＨ４０相当組成）の６００℃で熱処理した投射材のミクロ組織には、光学顕微鏡で確認できるほどのサイズの炭化物は認められない。

次に、各種の添加元素量を変化させ、ビッカース硬さと投射材としての寿命に及ぼす合金成分の影響を検討した（実験Ｂ）。なお、この実験Ｂにおける熱処理は、各成分の投射材においてあらかじめ最高硬さが出ることを確認した温度で実施している。このように、本発明の組成範囲内においても、組成が異なれば最高硬度に到達する熱処理温度は異なり、本発明の硬度範囲を得るための熱処理温度も異なるが、概ね５００〜６５０℃の範囲で熱処理温度を変化させビッカース硬度を測定することで容易に確認することが出来る。なお、実験Ａでは、同じ合金成分において後述する投射材寿命評価と同様の投射条件で、２時間投射した後、各評価を実施した投射材を「空打ち」を模擬した比較例とした。

投射材の作製について、所定成分に調整した溶解原料を、アルミナ製坩堝に装入し、減圧アルゴン雰囲気中で高周波溶解した。その溶湯を坩堝下部の直径５ｍｍのノズルより出湯し、直後に高圧窒素ガスを噴霧し、ガスアトマイズ粉末を得た。このガスアトマイズ粉末を４５〜１２５μｍに分級した後、アルゴン雰囲気中において所定の温度、時間で熱処理し供試投射材を得た。

ビッカース硬さと投射材内部クラック発生の有無の評価について、得られた投射材を樹脂埋め研磨し、ビッカース硬度計で測定した。測定荷重は２．９４Ｎとした。また、同様の研磨試料を光学顕微鏡で観察し、投射材内部のクラックの有無を確認した。ランダムで１００粒子観察し、内部にクラックが発生している粒子が３個以下ものを○、３個を超えるものを×として評価した。

投射材寿命の評価については、投射材循環式の吸引型エアタイプ投射装置を用い、得られた投射材をＳＣＭ４２０ガス浸炭材（表面硬さ７００ＨＶ程度）を相手材（ターゲット）とし、２４時間連続投射した。投射圧は０．６ＭＰａ、投射ノズルと相手材の距離は５０ｍｍとした。ノズルから投射された投射材は相手材に衝突した後、ガス流によりサイクロンと呼ばれる投射材のタンクに回収され、再びノズルから投射される。このように投射材は循環し、繰り返し相手材と衝突することにより、投射材内部にクラックが発生し破砕に至る。ここで、約２５μｍ以下に破砕した投射材は、サイクロンから装置外に排出されるように設定した。このような条件で、以下の方法で投射材としての寿命を評価した。

まず、サイクロンに評価対象の投射材を２０ｋｇ投入し、２４時間連続投射した。その後、装置から投射材を回収し、投射材の残量を測定した。すなわち、靭性が低く相手材との衝突により破砕しやすい投射材は、より多く装置外に排出されているため、回収後の残量が少なくなる。この方法で投射材の残量が多いものが投射材寿命に優れると評価した。

表１に示すように、Ｎｏ．１〜３、Ｎｏ．６〜９、Ｎｏ．１２〜１３は比較例であり、Ｎｏ．４〜５、Ｎｏ．１０〜１１は本発明例である。

表１に示す、Ｎｏ．１から７、Ｎｏ．８から１３は、それぞれ同じ成分の投射材で、熱処理もしくは空打ちによりビッカース硬さを変化させたものである。比較例Ｎｏ．１は熱処理を行なっていないためビッカース硬さが低く、投射材残量が少ない。比較例Ｎｏ．２，３，６はビッカース硬さが低いため投射材残量が少ない。比較例Ｎｏ．７はビッカース硬さが低く、かつ空打ちを行なっているため投射材内部にクラックが発生しており、投射材残量が少ない。

比較例Ｎｏ．８は熱処理を行なっていないためにビッカース硬さが低く、投射材残量が少ない。比較例Ｎｏ．９，１２はビッカース硬さが低いために投射材残量が少ない。比較例Ｎｏ．１３はビッカース硬さは高いものの、空打ちを行なっているため投射材内部にクラックが発生しており、投射材残量が少ない。これに対し、本発明範囲内のＮｏ．４，５，１０，１１はいずれもビッカース硬さが高く、投射材内部にクラックを発生していないため、投射材残量が多く、投射材としての寿命に優れる。この実験Ａより、実質的に内部クラックが発生しておらず、かつ投射材硬さが高いほうが、投射材寿命に優れる傾向が確認された。

比較例Ｎｏ．２９はＣ量が低いためビッカース硬さが低く投射材残量が少ない。比較例Ｎｏ．３０はＣ量が高いため投射材残量が少ない。比較例Ｎｏ．３１はＣｒ＋Ｍｏ＋Ｗ＋Ｖが低いためビッカース硬さが低く、投射材残量が少ない。比較例Ｎｏ．３２はＣｒ＋Ｍｏ＋Ｗ＋Ｖが高いためビッカース硬さが高く、投射材残量が少ない。比較例Ｎｏ．３３はＣｏ＋Ｍｎが高いため投射材残量が少ない。これと比較し、本発明例であるＮｏ．１４〜２８はいずれも９５０〜１２００ＨＶのビッカース硬さを有し、かつ投射材残量が多く投射材の寿命に優れる。


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 (2)

1. 質量％で、Ｃを１．０〜３．０％、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖの１種もしくは２種以上を合計で１５．０〜３５．０％を含み、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、９５０〜１２００ＨＶのビッカース硬さを有し、実質的に内部にクラックが発生しておらず、焼戻マルテンサイト相を含むことを特徴とする高硬度長寿命を有するショットピーニング用投射材。
2. Ｃｏ、Ｍｎの１種または２種を合計で１５％以下含むことを特徴とする請求項１に記載の高硬度長寿命を有するショットピーニング用投射材。

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