JP6307109B2 - 金属成品の表面処理方法及び金属成品 - Google Patents
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Description
金属成品に対し,メディアン径d50が1〜20μmで空気中での落下時間が10sec/m以上の略球状の噴射粒体を,0.05MPa〜0.5MPaの噴射圧力で噴射して,前記金属成品の表面に沿って表面から一定の深さの範囲を連続して均一に平均結晶粒径が300nm以下のナノ結晶に微細化させたナノ結晶組織層を形成すると共に,前記金属成品の表面に圧縮残留応力を付与したことを特徴とする(請求項1)。
前記処理領域に,前記噴射粒体の噴射により相当径が1〜18μm,好ましくは1〜12μm,深さが0.02〜1.0μm以下のディンプルを,該ディンプルの投影面積が前記処理領域の表面積の30%以上となるように形成するものとしても良い(請求項4)。
前記処理領域に,前記噴射粒体の噴射により相当径が1〜18μm,好ましくは1〜12μm,深さが0.02〜1.0μm以下のディンプルを,該ディンプルの投影面積が前記処理領域の表面積の30%以上となるように形成するものとしても良い(請求項5)。なお,本発明において「相当径」とは,処理領域に形成された1個のディンプルの投影面積(本明細書において「投影面積」とは,前記ディンプルの外郭の面積をいう)を,円形の面積に換算して測定したときの前記円形の径をいう。
本発明の表面処理方法において処理対象とする金属成品としては,金属製のものであれば鉄系金属の他,非鉄金属及びその合金製の金属成品に対しても適用可能である。
前述した金属成品の表面のうち,表面強化を行う領域に対し,略球状の噴射粒体を噴射して前述した領域に衝突させる。
本発明の表面処理方法で使用する略球状の噴射粒体における「略球状」とは,厳密に「球」である必要はなく,一般に「ショット」として使用される,角のない形状の粒体であれば,例えば楕円形や俵型等の形状のものであっても本発明で使用する「略球状の噴射粒体」に含まれる。
前述した噴射粒体を処理領域の表面に向けて噴射する噴射装置としては,圧縮気体と共に研磨材の噴射を行う既知のブラスト加工装置を使用することができる。
以上で説明した金属成品に対し,前述した材質等からなるメディアン径d50が1〜20μmで空気中での落下時間が10sec/m以上の略球状の噴射粒体を,0.05MPa以上,0.5MPa以下の噴射圧力で噴射することにより行う。
(1)噴射粒体の粒径
(1-1) 着想点
前述したように,軟質材料製の金属成品に対しても均一なナノ結晶組織層を表面に沿って連続して形成するためには,図1を参照して説明した層状加工組織の生成を抑制する必要があり,このような層状加工組織の生成を抑制するためには,噴射粉体が衝突した際に生じる,金属成品表面の変形を抑制することが必要となる。
噴射粒体が衝突したときに生じる金属製品表面の変形量を検討した。
メディアン径d50が20μmと40μmの粒体を衝突させ,形状解析レーザー顕微鏡でその表面の凸部体積を測定し,その凸部体積が折り畳みにより形成される層状加工組織の生成されやすさとして比較した。凸部体積が大きいほど粒体が衝突したときの折り畳める量が大きくなると考えられるためである。
下表(表1)がその結果である。本発明の領域の粒体径20μmは従来技術の径40μmと比較すると凸部体積は約70%減少する結果となった。
この極めて小さな変形量こそが均一なナノ結晶組織形成の要因となると考えられる。
上記処理条件を検討に際し,噴射粒体(1粒)の衝突により金属成品の表面に与える衝撃力Fを算出するための計算式に基づき,衝撃力Fと噴射粒体の粒径との関係を再検討した。
M1=m・v1(kgm/s)・・・式1
M2=m・v2=-m・v1(kgm/s)・・・式2
となる。
従って,噴射粒体の衝突前後における運動量の変化ΔMは,
ΔM=M1-M2=m・v1-(-m・v1)=2m・v1(kgm/s)・・・式3
となる。
ここで,運動量の変化ΔMは,力積FΔtに等しく(Δtは力積時間),
FΔt=ΔM・・・式4
となる。
従って,噴射粒体(1粒)が,金属成品の表面に衝突した際に与える衝撃力Fは,
F=ΔM/Δt=2mv1/Δt(N) ・・・式5
となる。
前述したように衝撃力Fは,噴射粒体の粒径が大きくなればなる程,大きくなる。そして,使用する噴射粒体の粒径が大きく衝撃力Fが大きくなれば,金属成品の表面に衝突した際に,金属成品の表面に対し変形を及ぼす部分の面積(図3中の符号Sで示した部分)も増大する。
受圧面Sの半径a,噴射粒体の半径r,及び窪みの深さX間には,
a2+(r-X)2=r2 ・・・式6
a2=r2-(r-X)2=r2-(r2-2rX+X2)=2rX-X2・・・式7
という関係が成立する。
ここで,噴射粒体の直径dに対する窪みの深さXの比率をαとすると,
X=2rα ・・・式8
となる。
従って,上記式7のXに,式8を代入すると,
a2=2r(2rα)-(2rα)2 ・・・式8
2r=d より,
a2=d2α-d2α2=d2α(1-α)・・・式9
従って,受圧面の面積S(m2)は,
S=πa2=πd2α(1-α) ・・・式10
となり,受圧面Sの面積は,噴射粒体の直径の自乗に比例して増加する。
なお,前掲の衝撃力Fの式(式5)より,衝撃力Fは,噴射粒体の質量mの増大に伴って増大するだけでなく,噴射速度v1の増加によっても増大する。
以上の計算式等を使用し,一例としてスチール製の噴射粒体(密度7.85)の粒径の変化に対する衝突条件の変化を下記の表2及び表3にまとめた。
合金工具鋼(SKD11),プリハードン鋼(大同特殊鋼製「NAK80」),アルミニウム合金(A7075)製の試験片中の6mm×5mmの領域に対し,メディアン径d50が20μmの鉄合金の噴射粒体を噴射して,各試験片の表面硬度(ダイナミック硬さ)の変化を測定した。
なお,ダイナミック硬さ(DHT)は,圧子押し込みにより硬度を測定するもので,その測定を下記の条件で行った。
使用機器:島津製作所製ダイナミック超微小硬度計「DUH−W210」
押込荷重:3gf(A7075),5gf(「NAK80」),10gf(SKD11)
保持時間:5秒
圧子形状:三角錐ダイヤモンド圧子(115°)
算出方法:DHT=α×P÷(D2)
なお,上記の式において,DHTはダイナミック硬さ,αは圧子形状係数(3.8584),Pは押込荷重(mN),Dは押込深さである。
(1)試験の目的
前述した処理条件を導き出すための試験及びシミュレーションの結果得られた処理条件でショットピーニングを行うことで,硬質材料製の金属成品と軟質材料製の金属成品のいずれに対しても,均一なナノ結晶組織層を表面に沿って連続して形成することができ,かつ,金属成品の表面に高い残留応力を付与できることを確認する。
プリハードン鋼(大同特殊鋼製「NAK80」),合金工具鋼(SKD11)及びアルミニウム合金(A7075)製の試験片に対し,本発明の方法で表面処理を行った。
表面処理条件を下記の表4に示す。
上記条件で表面処理を行った各試験片を,以下の方法で観察した。
(3-1) SIMによる観察
走査イオン顕微鏡(Scanning Ion Microscope:SIM 日立ハイテクサイエンス製「SMI3050SE」)を使用して,各試験片の表面付近の結晶構造の変化を観察した。
後方散乱電子解析(Electron Back Scatter Diffraction TSLソリューションズ製)により,各試験片の表面付近の結晶組織における,結晶粒径と結晶粒分布を観察した。
ポータブル型X線残留応力測定装置(パルテック工業製「μ−X360」)を使用して,各試験片の最表面における残留応力を測定した。
(4-1) SIMによる観察結果
各試験片のSIM像を図12〜図14に示す。図12はプリハードン鋼(NAK80),図13は合金工具鋼(SKD11),図14はアルミニウム合金(A7075)のSIM像であり,各図の(A)は処理前,(B)は処理後の試験片をそれぞれ撮影したものである。
EBSDによる解析の結果得られた,プリハードン鋼(NAK80)試験片の表面付近における結晶粒の粒度分布を図15に,合金工具鋼(SKD11)試験片の表面付近における結晶粒の粒度分布を図16にそれぞれ示す。
各試験片の最表面の残留応力の測定結果をグラフにまとめたものを図17〜19に示す。
(1)試験方法
本発明の表面処理方法で刃先部の処理を行ったSKD11製の打ち抜き工具(実施例1,2)と,未処理のSKD11製の打ち抜き工具(未処理品),及び本願の処理条件から外れた処理条件で表面処理を行ったSKD11製の打ち抜き工具(比較例1)をそれぞれ使用して打ち抜きプレス加工を行い,加工後の刃先部の状態を観察した。
SKD11製の打ち抜き加工用パンチ(長さ3cm,直径0.5cm)の刃先部分(刃先及び刃先から5mmの範囲)に対し,下記の表5に示す条件で表面処理を行った。
実施例1,実施例2,および比較例1それぞれの方法で表面処理したパンチと,未処理品をそれぞれ使用し,SS鋼材製の被加工物に対し,打ち抜きプレス加工を9000回連続して実施し,この打ち抜きプレス加工後の各パンチの表面状態を目視及び顕微鏡により消耗具合を観察した。
上記打ち抜きプレス加工後の各パンチの表面状態は,下記の表6に示す通りである。
本発明ではSKD11製のパンチに対し本発明の表面処理を行ったことにより,未処理の表面硬度約750Hvに対し,実施例1の処理では表面処理後の硬度が約950Hvにまで上昇しており,約21%の硬度上昇が見られた。
(1)試験方法
40×40mm,厚み2mmのSUS304平板に本発明の処理(実施例3),鏡面状態の未処理(比較例2),従来技術(比較例3)の3種類を用意し摩擦摩耗試験による摺動性評価を行った。
上記条件で加工した後のSUS304板に対し摩擦係数2.0に達するまでボールオンディスク試験を行い,その時の測定時間を比較することで摺動性の評価を行った。
経過時間に対するフリクション変化を測定したグラフを図20に示す。
比較例2に対し約5倍,比較例3に対し約3倍の耐久性が得られたということは,それだけ低摩擦で試験を行えたと推測できる。そのため,本発明の処理を行うことで約3倍の摺動性を得られたと考えられる。
Claims (7)
- 金属成品に対し,メディアン径d50が1〜20μmで空気中での落下時間が10sec/m以上の略球状の噴射粒体を,0.05MPa〜0.5MPaの噴射圧力で噴射して,前記金属成品の表面に沿って表面から一定の深さの範囲を連続して均一に平均結晶粒径が300nm以下のナノ結晶に微細化させたナノ結晶組織層を形成すると共に,前記金属成品の表面に圧縮残留応力を付与したことを特徴とする金属成品の表面処理方法。
- 前記噴射粒体の噴射速度を80m/sec以上としたことを特徴とする請求項1記載の金属成品の表面処理方法。
- 前記金属成品の材質がアルミニウム又はアルミニウム合金であり,前記ナノ結晶組織層の結晶粒径を,100nm以下に微細化させたことを特徴とする請求項1又は2記載の金属成品の表面処理方法。
- 前記金属成品が機械加工工具であり,該機械加工工具の刃先と,該刃先近傍を処理領域とし,
前記処理領域に,前記噴射粒体の噴射により相当径が1〜18μm,深さが0.02〜1.0μm以下のディンプルを,該ディンプルの投影面積が前記処理領域の表面積の30%以上となるように形成することを特徴とする請求項1又は2記載の金属成品の表面処理方法。 - 前記金属成品が摺動部材であり,該摺動部材の少なくとも摺動部を処理領域とし,
前記処理領域に,前記噴射粒体の噴射により相当径が1〜18μm,深さが0.02〜1.0μm以下のディンプルを,該ディンプルの投影面積が前記処理領域の表面積の30%以上となるように形成することを特徴とする請求項1又は2記載の金属成品の表面処理方法。 - 母材硬度がHV714以下で,表面に沿って表面から一定の深さの範囲が連続して均一に平均結晶粒径が300nm以下のナノ結晶に微細化したナノ結晶組織層を有すると共に,表面に圧縮残留応力が付与されており,
刃先と該刃先近傍から成る処理領域の表面に前記ナノ結晶組織層が形成されていると共に,相当径が1〜18μm,深さが0.02〜1.0μm以下のディンプルが,該ディンプルの投影面積が前記処理領域の表面積の30%以上となるように形成された機械加工工具であることを特徴とする金属成品。 - 母材硬度がHV714以下で,表面に沿って表面から一定の深さの範囲が連続して均一に平均結晶粒径が300nm以下のナノ結晶に微細化したナノ結晶組織層を有すると共に,表面に圧縮残留応力が付与されており,
他部材と摺接される摺動部の表面に前記ナノ結晶組織層が形成されていると共に,相当径が1〜18μm,深さが0.02〜1.0μm以下のディンプルが,該ディンプルの投影面積が前記摺動部の表面積の30%以上となるように形成された摺動部材であることを特徴とする金属成品。
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