JP6439452B2 - 高周波焼入れ部材の内部残留応力測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、高周波焼入れを施した部材の内部に残留した応力を測定するための高周波焼き入れ部材の内部残留応力測定方法に関する。

高周波焼入れは、高周波数電磁波によって金属部材に電磁誘導を起こし、部材表面を加熱して焼入れを行う熱処理方法の一つである。高周波焼入れによれば、金属部材の表面のみを硬化させて、部材内部の靱性を保つことにより、表面硬度が高く、柔軟性に富む金属部材を得ることができる。例えば、自動車のアクスルシャフトには、高周波焼入れが施される。

アクスルシャフト等の高周波焼入れ部材が破損した場合には、高周波焼入れによる残留応力を測定して、その破損原因を調べる必要がある。高周波焼入れによる残留応力は、バフ研磨等の機械的応力を加えると変化しやすいため、正確に残留応力を測定することができない。そこで、従来は、図８に示すように、測定対象部材２１０の部材表面を電解研磨し、電解研磨面２２０にＸ線を照射し、Ｘ線回折により結晶格子面間隔を求め、格子面間隔の大きさから残留応力を測定している。

このような残留応力の測定に関連する技術として、特許文献１には、被測定物の表面に与えられた残留応力を測定する方法が開示されている。特許文献１の残留応力測定方法は、被測定物の残留応力が与えられた部分を含めて該被測定物の表面側から切り出した試験片を、被測定面の表面に相当する被測定面側から段階的に層状に研磨しつつ、該被測定面と対向する試験片の裏面において歪みを測定する測定ステップと、試験片の層状の研磨と裏面において測定した歪みとの関係から、被測定物の表面に与えられた残留応力を解析する解析ステップと、を含んでいる。

特開２０１１−２５２８１１号公報

ところで、高周波焼入れは、金属部材の表面のみが硬化するため、部材表面に圧縮応力が残留するとともに、部材内部に引張応力が残留する。したがって、高周波焼入れ部材の破損原因を詳細に調べるためには、高周波焼入れ部材の表面残留応力のみならず、内部残留応力をも測定して、残留応力の分布状況を把握する必要がある。

しかしながら、従来の残留応力の測定方法では、電解研磨により部材表面から研磨している。あまり深く電解研磨すると研磨面のエッジ部でＸ線が干渉し、Ｘ線回折によって結晶格子面間隔を求めることができなくなる。したがって、従来の残留応力の測定方法では、部材表面から２〜３ｍｍ程度を電解研磨するのが限界であり、実質的に部材内部の残留応力を測定することはできなかった。

本発明は、上記の事情に鑑みて創案されたものであり、残留応力測定に悪影響のない簡単な手法を用いて、高周波焼入れ部材の表面の残留応力みならず、内部の残留応力をも正確に測定することができる高周波焼入れ部材の内部残留応力測定方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る高周波焼入れ部材の内部残留応力測定方法は、高周波焼入れした金属部材の内部残留応力を測定する方法であって、上記高周波焼入れした金属部材からワイヤーカット放電加工法により測定片を切り出す手順と、上記測定片の測定部を電解研磨する手順と、上記電解研磨した測定片の測定部にＸ線を照射してＸ線回折により結晶格子間隔を求める手順と、を有する。

上記電解研磨する手順において、ワイヤーカット放電加工面から３００〜５００μｍの厚みを電解研磨することが好ましい。

本発明係る高周波焼入れ部材の内部残留応力測定方法は、Ｘ線回折により結晶格子間隔を求めるに際して、ワイヤーカット放電加工法と電解研磨による処理を行っているので、前処理が残留応力測定に悪影響を及ぼさない。したがって、本発明に係る高周波焼入れ部材の内部残留応力測定方法によれば、残留応力測定に悪影響のない簡単な手法を用いて、高周波焼入れ部材の表面の残留応力みならず、内部の残留応力をも正確に測定することができるという優れた効果を発揮する。

本発明の一実施の形態に係る高周波焼入れ部材の内部残留応力測定方法の手順を示す説明図である。 本実施の形態におけるワイヤーカット放電加工法による高周波焼入れ部材の切断状態を示す模式図である。 本実施の形態における測定片のマスキング状態を示す模式図である。 本実施の形態における電解研磨の完了状態の模式図である。 本実施の形態に係る高周波焼入れ部材の内部残留応力測定方法の測定結果の説明に供する図である。 アクスルシャフトの軸方向断面図である。 アクスルシャフトのフランジ部の破損状態の模式図である。 従来の高周波焼入れ部材の残留応力測定方法の説明に供する図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態に係る高周波焼入れ部材の内部残留応力測定方法について説明する。

まず、図６を参照して、本発明の一実施の形態に係る内部残留応力測定方法の測定対象物としての高周波焼入れ部材について説明する。図６はアクスルシャフトの軸方向断面図である。図７はアクスルシャフトのフランジ部の破損状態の模式図である。

図６に示すように、高周波焼入れ部材１０としては、例えば、自動車の車輪（図示せず）を取り付けるためのアクスルシャフトが挙げられる。アクスルシャフト１０は、例えば、車軸管（アクスルハウジング；図示せず）内に挿通され、車軸管外で軸受（図示せず）に支承される。アクスルシャフト１０の先端部には、車輪を取り付けるためのフランジ部１１が設けられている。

アクスルシャフト１０には、車輪の負荷が掛かるため、強靱な金属部材で形成する必要があり、高周波焼入れが施されている。高周波焼入れ部材は、金属部材の表面のみを硬化させるので、部材内部の靱性が保持され、表面硬度が高く、柔軟性に富む金属部材となる。図６および図７に示すように、アクスルシャフト１０に負荷が掛かり破損する場合、フランジ部１１から約２０ｍｍの部位に折損部１２が生じている。図６の断面図によれば、アクスルシャフト１０のフランジ部１１の近傍に高周波焼入れ部２０が深く形成されていることが判る。したがって、当該フランジ部１１の近傍の高周波焼入れ部２０における残留応力分布を調べる必要がある。

次に、図１から図４を参照して、本実施の形態に係る高周波焼入れ部材の内部残留応力測定方法について説明する。図１は本発明の一実施の形態に係る高周波焼入れ部材の内部残留応力測定方法の手順を示す説明図である。図２は本実施の形態におけるワイヤーカット放電加工法による高周波焼入れ部材の切断後の状態を示す模式図である。図３は本実施の形態における測定片のマスキング状態を示す模式図である。図４は本実施の形態における電解研磨の完了状態の模式図である。

本実施の形態に係る高周波焼入れ部材の内部残留応力測定方法は、高周波焼入れした金属部材からワイヤーカット放電加工により測定片を切り出す手順と、測定片の測定部を電解研磨する手順と、電解研磨した測定片の測定部にＸ線を照射してＸ線回折により結晶格子間隔を求める手順と、を有する。

まず、図１に示すように、高周波焼入れ部材としてのアクスルシャフトから測定片を切り出す（Ｓ１１０）。測定片を切り出す手順は、不図示のワイヤーカット放電加工機を用いて行う。ワイヤーカット放電加工法は、被加工物（測定対象部材）と走行する極細のワイヤー電極との間の放電現象を利用して、被加工物を切断する加工法である。ワイヤー電極には、例えば、φ０．２〜０．３ｍｍ程度の極細の黄銅製（真鍮製）ワイヤーが用いられる。具体的には、ワイヤー放電加工法は、被加工物を加工液中に浸漬して、被加工物とワイヤー電極間に放電現象を発生させ、被加工物を溶融切断する精密加工法である。ワイヤーカット放電加工法によれば、平滑な切断面を得ることができる。

図２に示すように、アクスルシャフト１０からの測定片３０の切り出しは、ワイヤーカット放電加工法を用いて、フランジ部１１の根元を溶融切断するとともに、根元から約２０ｍｍの測定部位を溶融切断して、測定片３０を円柱状に切り出す。当該切断部位は例示であって、高周波焼入れ部２０の深い部位を測定すればよく、切断部位は本実施の形態に限定されない。すなわち、高周波焼入れ部材としてのアクスルシャフト１０の表面の残留応力みならず、内部の残留応力をも測定するため、ワイヤーカット放電加工面３１はアクスルシャフト１０の軸方向に対して垂直となるように設定される。

次に、図１を参照して、測定片のワイヤーカット放電加工面をマスキングする（Ｓ１２０）。ワイヤーカット放電加工面をマスキングする手順は、図３に示すように、測定片３０の測定部３２以外の部分のワイヤーカット放電加工面３１をマスク部材４０によりマスキングする。マスク部材４０としては、例えば、合成樹脂が用いられる。

さらに、図１を参照して、マスキングを施した測定片の測定部を電解研磨する（Ｓ１３０）。測定部を電解研磨する手順は、マスキングを施した測定片３０のマスク部材４０から露出した測定部３２のみを電解研磨する（図３参照）。電解研磨の研磨厚みは、例えば、ワイヤーカット放電加工面から３００〜５００μｍに設定することが好ましい。本実施の形態では、４００μｍの厚みで電解研磨を完了した。図４に示すように、測定部３２は、高周波焼入れ部材としてのアクスルシャフト１０のワイヤーカット放電加工面（測定面）３１において、直径方向に設定されている。

電解研磨を行う際には、測定片３０をアノード（陽極）に設定して、脱脂綿等に含ませた電解液をカソード（陰極）に設定し、電解研磨部に接触させる。本実施の形態の電解液としては、例えば、塩化アンモニウム（ＮＨ₄Ｃｌ）１１．６％、グリセリン（ＨＯＣＨ₂ＣＨＯＨＣＨ₂ＯＨ）３５．１％、および水（Ｈ₂Ｏ）５３．３％の混合液が挙げられるが、これに限定されず、電解研磨液は測定対象部材の材質に応じて適宜選定される。本実施の形態では、例えば、１０μｍ／２０ｓｅｃ程度の研磨速度となる電流密度で電解研磨を行い、４００μｍで電解研磨を完了する。

再び図１を参照して、Ｘ線回折により結晶格子間隔を求める（Ｓ１４０）。Ｘ線回折により結晶格子間隔を求める手順は、不図示のＸ線回折装置を用いて、電解研磨した測定片３０の測定部３２にＸ線を照射する（図４参照）。Ｘ線回折で求めた結晶格子間隔が大きい程、残留応力は大きい。

次に、図１から図５を参照して、本実施の形態に係る高周波焼入れ部材の内部残留応力測定方法の作用について説明する。

図１および図２に示すように、本実施の形態に係る高周波焼入れ部材の内部残留応力測定方法では、測定対象部材１０からの測定片３０の切り出し方法として、ワイヤーカット放電加工法を用いている。高周波焼入れによる残留応力は、切削加工等の機械的応力を加えると変化しやすい。これに対し、ワイヤーカット放電加工法のワイヤー電極は電気を放電させ、被加工物（測定対象部材）には接触しない非接触加工であるため、残留応力を変化させることがない。

また、図１および図４に示すように、本実施の形態に係る高周波焼入れ部材の内部残留応力測定方法では、ワイヤーカット放電加工面（測定面）３１を電解研磨している。高周波焼入れによる残留応力は、バフ研磨等の機械的応力を加えると変化しやすい。これに対し、電解研磨は機械的な研磨方法ではないため、残留応力を変化させることがない。

本実施の形態では、ワイヤーカット放電加工法による切断面が平滑であることから、電解研磨の研磨厚み（深さ）が３００〜５００μｍに設定されている。３００〜５００μｍの研磨厚み（深さ）で電解研磨を行うので、測定部３２にエッジ部が形成されず、Ｘ線照射の際にエッジ部によるＸ線の反射を回避することができる。

また、図１および図３に示すように、ワイヤーカット放電加工面（測定面）３１の電解研磨に際し、測定部３２を露出させて、当該測定部３２以外のワイヤーカット放電加工面３１をマスキングしているので、測定部３２のみを効率良く電解研磨することができる。測定部３２は、測定片３０の直径方向に形成されており、当該測定部３２をＸ線回折すると、図５に示すような測定結果が得られた。

図５は本実施の形態に係る高周波焼入れ部材の内部残留応力測定方法の測定結果の説明に供する図である。図５に示すように、測定部における結晶格子間距離を求めて残留応力の分布状況を調べたところ、高周波焼入れ範囲である部材表面には圧縮応力が残留するとともに、部材内部には引張応力が残留していることが確認された。従来の電解研磨のみを行う残留応力測定の結果と比較したところ、径方向一方の部材表面側において、同様の残留応力の傾向が確認された。本実施の形態に係る高周波焼入れ部材の内部残留応力測定方法によれば、測定対象部材の径方向（直径方向）に亘って、部材表面の残留応力のみならず、部材内部の残留応力を測定することができる。

以上説明したように、本実施の形態に係る高周波焼入れ部材の内部残留応力測定方法は、Ｘ線回折により結晶格子間隔を求めるに際して、ワイヤーカット放電加工法と電解研磨による処理を行うので、前処理が残留応力測定に悪影響を及ぼさない。よって、本実施の形態に係る高周波焼入れ部材の内部残留応力測定方法によれば、残留応力測定に悪影響のない簡単な手法を用いて、高周波焼入れ部材の表面の残留応力みならず、内部の残留応力をも正確に測定することができる。

また、本実施形態に係る高周波焼入れ部材の内部残留応力測定方法によれば、電解研磨の研磨厚み（深さ）が３００〜５００μｍでよいので、研磨面のエッジ部によるＸ線の反射を回避することができ、正確な残留応力測定を行うことができる。

以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、これらは本発明の説明のための例示であり、本発明の範囲をこれらの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で、上記実施形態とは異なる種々の態様で実施することができる。すなわち、上記の実施形態では、測定部３２以外のワイヤーカット放電加工面３１のマスキングを施した上で電解研磨を行っているが、ワイヤーカット放電加工面（測定面）３１の全体を電解研磨した上で、測定部３２のみを電解研磨してもよい。もしくは、ワイヤーカット放電加工面（測定面）３１の全体を３００〜５００μｍの厚み（深さ）で電解研磨してもよい。

１０ 高周波焼入れ部材
３０ 測定片
３１ ワイヤーカット放電加工面（測定面）
３２ 測定部

Claims (2)

1. 高周波焼入れしたシャフトを有する金属部材の表面残留応力と内部残留応力を測定する方法であって、
   前記シャフトを軸方向の二箇所でワイヤーカット放電加工法により切断して測定片を切り出す手順と、
   前記測定片のワイヤーカット放電加工面において、直径方向に設定された測定部以外の部分をマスキングする手順と、
   前記測定部を電解研磨する手順と、
   前記測定部にＸ線を照射してＸ線回折により結晶格子間隔を求める手順と、
   を有することを特徴とする高周波焼入れ部材の内部残留応力測定方法。
2. 前記測定部は、前記ワイヤーカット放電加工面の直径の一端から他端まで設定されていることを特徴とする請求項１に記載の高周波焼入れ部材の内部残留応力測定方法。