JP7409245B2 - 表面処理方法 - Google Patents
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Description
本開示は、表面処理方法に関する。
特許文献１には、レーザピーニング処理によって形成される部品のレーザ熱影響層の仕上げ及び除去方法が記載されている。この方法では、レーザ熱影響層がグリッドブラスト加工、化学的エッチング、及び機械仕上げにより除去される。引張応力が残留するレーザ熱影響層が除去されることにより、部品の疲労強度を向上させることができる。
特許文献１に記載の方法では、熱影響層を除去するための工程が複数の処理からなり煩雑である。
本開示は、熱影響層を効率よく除去可能な表面処理方法を提供することを目的とする。
本開示の一側面に係る表面処理方法は、ワークに対して透明液体を介してパルスレーザビームを照射する工程と、照射する工程によりワークの表層部に発現した熱影響層に、粒子を衝突させる工程と、を含む。この粒子は、弾性体からなるコアと、コアの表面に担持された砥粒と、を有する。
この表面処理方法では、弾性体からなるコアと、コアの表面に担持された砥粒と、を有する粒子を熱影響層に衝突させる。これにより、熱影響層を除去することができる。複数の処理からなる煩雑な工程が不要であるため、熱影響層を効率よく除去することができる。
衝突させる工程では、熱影響層のマイクロクラックに粒子を衝突させることにより、マイクロクラックを起点にして熱影響層を除去してもよい。この場合、マイクロクラックを起点にすることによって、熱影響層を更に効率よく除去することができる。
衝突させる工程では、ワークの表面に対して斜め方向から粒子を衝突させることにより、マイクロクラックをワークの表面に沿う方向に成長させてもよい。この場合、粒子の衝突の影響が、熱影響層の内側にまで及ぶことを抑制できる。
衝突させる工程では、マイクロクラックに繰り返し粒子を衝突させることにより、マイクロクラックを他のクラックと連結させながら、熱影響層を徐々に除去してもよい。この場合、粒子の衝突の影響が、熱影響層の内側にまで及ぶことをより確実に抑制できる。
照射する工程では、ワークに含まれる介在物に起因したピンホールが熱影響層の表面に発生し、衝突させる工程では、ピンホールに粒子を衝突させることにより、ピンホールを起点にして熱影響層を除去してもよい。この場合、ピンホールを起点にして熱影響層が除去されるので、熱影響層を更に効率よく除去することができる。
衝突させる工程では、ワークの表面に対して斜め方向から粒子を衝突させることにより、粒子をピンホールの内側に引っ掛け、熱影響層の表層を削り取ってもよい。この場合、粒子の衝突の影響が、熱影響層の内側にまで及ぶことを抑制できる。
衝突させる工程では、ピンホールに繰り返し粒子を衝突させることにより、熱影響層を徐々に除去してもよい。この場合、粒子の衝突の影響が、熱影響層の内側にまで及ぶことをより確実に抑制できる。
衝突させる工程では、熱影響層を１μｍ以上１０μｍ以下の厚さで除去してもよい。この場合、残留応力が引張応力又は０に近い圧縮応力となるワークの表層部を除去することができる。これにより、ワークの疲労強度を向上させることができる。
衝突させる工程では、ワークの表面粗さＲａを１．５μｍ以下の範囲に調整してもよい。この場合、ワークの表面粗さを低減することができる。
衝突させる工程では、ワークの表面粗さＲａを１．０μｍ以下の範囲に調整してもよい。この場合、ワークの表面粗さを更に低減することができる。
本開示によれば、熱影響層を効率よく除去可能な表面処理方法を提供することができる。
以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
図１は、実施形態に係る表面処理方法を示すフローチャートである。図１に示されるように、実施形態に係る表面処理方法は、照射工程Ｓ１０と、衝突工程Ｓ２０とを含む。衝突工程Ｓ２０は、準備工程Ｓ２１と、加熱工程Ｓ２２と、噴射工程Ｓ２３とを含む。以下、照射工程Ｓ１０及び衝突工程Ｓ２０について説明する。
（照射工程）
照射工程Ｓ１０は、レーザ照射装置１０を用いて行われる。図２は、レーザ照射装置を示す構成図である。図２に示されるように、レーザ照射装置１０は、レーザ発振器１１と、反射ミラー１２，１３と、集光レンズ１４と、加工ステージ１５と、制御装置１６と、を備える。レーザ発振器１１は、パルスレーザビームＬを発振する装置である。反射ミラー１２，１３は、レーザ発振器１１で発振されたパルスレーザビームＬを集光レンズ１４まで伝送する。集光レンズ１４は、パルスレーザビームＬをワークＷの加工位置に集光させる。加工ステージ１５は、内部が水等の透明液体Ｔからなる媒体で満たされた水槽である。ワークＷは、透明液体Ｔに浸漬された状態で加工ステージ１５に配置されている。ワークＷは、例えば、鉄鋼材料、又はアルミニウム合金等の非鉄金属材料からなる。ワークＷは、例えば、真空浸炭材である。
照射工程Ｓ１０は、レーザ照射装置１０を用いて行われる。図２は、レーザ照射装置を示す構成図である。図２に示されるように、レーザ照射装置１０は、レーザ発振器１１と、反射ミラー１２，１３と、集光レンズ１４と、加工ステージ１５と、制御装置１６と、を備える。レーザ発振器１１は、パルスレーザビームＬを発振する装置である。反射ミラー１２，１３は、レーザ発振器１１で発振されたパルスレーザビームＬを集光レンズ１４まで伝送する。集光レンズ１４は、パルスレーザビームＬをワークＷの加工位置に集光させる。加工ステージ１５は、内部が水等の透明液体Ｔからなる媒体で満たされた水槽である。ワークＷは、透明液体Ｔに浸漬された状態で加工ステージ１５に配置されている。ワークＷは、例えば、鉄鋼材料、又はアルミニウム合金等の非鉄金属材料からなる。ワークＷは、例えば、真空浸炭材である。
レーザ照射装置１０は、制御装置１６によって制御される。制御装置１６は、例えばＰＬＣ（ProgrammableLogic Controller）として構成される。制御装置１６は、ＣＰＵ（CentralProcessing Unit）などのプロセッサと、ＲＡＭ（Random Access Memory）及びＲＯＭ（Read Only Memory）などのメモリと、タッチパネル、マウス、キーボード、ディスプレイなどの入出力装置と、ネットワークカードなどの通信装置とを含むコンピュータシステムとして構成されてもよい。制御装置１６は、メモリに記憶されているコンピュータプログラムに基づくプロセッサの制御のもとで各ハードウェアを動作させることにより、制御装置１６の機能を実現する。
照射工程Ｓ１０は、ワークＷに対して透明液体Ｔを介してパルスレーザビームＬを照射する工程である。パルスレーザビームＬは、レーザ発振器１１により発振された後、反射ミラー１２，１３からなる光学系により集光レンズ１４まで伝送される。続いて、パルスレーザビームＬは、集光レンズ１４により集光され、透明液体Ｔを介してワークＷの表面に照射される。パルスレーザビームＬの照射は、加工ステージ１５の操作と対応して行われる。照射条件（例えば、スポット径、パルスエネルギー、又は照射密度）は、適宜設定される。
パルスレーザビームＬがワークＷの表面に照射されると、ワークＷの表面でレーザアブレーションが発生し、プラズマが発生する。大気中であれば、照射点の材料が気化する。ワークＷにおける照射点は透明液体Ｔで覆われているので、プラズマの衝撃波によってワークＷが塑性変形する。このようなレーザアブレーションを利用した表面処理（いわゆるレーザピーニング）によれば、ワークＷの表層部に残留圧縮応力が付与され、ワークＷの疲労強度を向上させることができる。
レーザピーニング等の熱エネルギー及び衝撃波を利用した表面処理方法は、ショットピーニングに比べて、ワークＷの表面からより深い位置まで残留圧縮応力を付与することができる。この表面処理方法は、例えば、ワークＷの表面から１ｍｍ以上の深さまで残留圧縮応力を導入することができる。しかしながら、ワークＷの最表層では、熱影響により残留応力が引張応力又は０に近い圧縮応力となる。
ワークＷの表層部のレーザピーニングが施工された範囲には、熱影響層である熱影響層Ｗａ（図４参照）が発現する。熱影響層Ｗａには、マイクロクラックＣ１（図４参照）が発生している。マイクロクラックＣ１の大きさは、例えば、１０μｍ以上５０μｍ以下である。ワークＷを構成する材料がＣｒ等の介在物を含む場合、アブレーションの熱影響により熱影響層Ｗａの表面にはピンホールＰ（図７参照）も発生している。ピンホールＰの大きさは、例えば、１０μｍ以上５０μｍ以下である。このようなマイクロクラックＣ１及びピンホールＰは、き裂発生の要因となり、疲労強度を低下させる。
（衝突工程）
衝突工程Ｓ２０は、例えば、ブラスト加工装置によって行われる。図３は、ブラスト加工装置を示す構成図である。図３に示されるブラスト加工装置２０は、直圧式（加圧式）のブラスト加工装置である。ここでは、直圧式について説明するが、ブラスト加工装置２０は吸引式（重力式）であってもよい。ブラスト加工装置２０は、貯留容器２１、ヒータ２２、及びノズル２３を含む。貯留容器２１は、内部にブラスト加工用の粒子３０（図４参照）を貯留する空間を画成し、粒子３０を貯留する。
衝突工程Ｓ２０は、例えば、ブラスト加工装置によって行われる。図３は、ブラスト加工装置を示す構成図である。図３に示されるブラスト加工装置２０は、直圧式（加圧式）のブラスト加工装置である。ここでは、直圧式について説明するが、ブラスト加工装置２０は吸引式（重力式）であってもよい。ブラスト加工装置２０は、貯留容器２１、ヒータ２２、及びノズル２３を含む。貯留容器２１は、内部にブラスト加工用の粒子３０（図４参照）を貯留する空間を画成し、粒子３０を貯留する。
粒子３０は、弾性体からなるコア３１と、コア３１の表面に担持された複数の砥粒３２と、を有する（図４参照）。コア３１は、ホットメルト樹脂からなる。ホットメルト樹脂は、熱可塑性を有する樹脂である。ホットメルト樹脂は、常温では固体（固相）であり、融点以上の温度で溶融して液体（液相）となる。液相のホットメルト樹脂を他の材料に接触させた状態でホットメルト樹脂を固相へと変化させることで、ホットメルト樹脂は他の材料に接合する。
コア３１に採用し得るホットメルト樹脂は、一例として融点が６０℃以上１００℃以下の材料とすることができる。融点が６０℃より小さい場合、ブラスト加工時にホットメルト樹脂が液相となるおそれがある。融点が１００℃を超える場合、砥粒３２をコア３１に固着させる工程にコストがかかるおそれがある。加えて、軟化点も高温となる傾向にあるため、ゴム弾性の制御が難しくなるおそれがある。軟化点とは、ホットメルト樹脂が軟化し始める温度である。また、コア３１に採用し得るホットメルト樹脂は、８０℃以下の温度範囲でゴム弾性が温度に応じて変化する材料とすることができる。例えば、２０℃以上５０℃以下の温度範囲において１℃の温度変化に対してゴム硬度の変化が１．３（Ａ）以上となる材料が採用し得る。ここで、ゴム硬度はショア硬さ（Ａ）であり、例えば、タイプＡのデュロメータにより測定される。
上述した条件を満たすホットメルト樹脂は、一例として、エチレン酢酸ビニル、ポリウレタン、低密度ポリエチレン、ポリエステル、ポリアミド、ポリオレフィン、アイオノマー、又はポリビニルアルコールを主成分とすることができる。エチレン酢酸ビニルを主成分とするホットメルト樹脂では、融点が６０℃以上９７℃以下の範囲であり、軟化点が６９℃以下（融点が６０℃の場合には軟化点は４０℃以下）である。ポリウレタンを主成分とするホットメルト樹脂では、融点が９０℃である。
コア３１は、ホットメルト樹脂を所定の範囲の粒子径に粉末化した粒子である。コア３１の形状は、球状、板状、柱状、錐状、又は多面体であってもよい。コア３１の粒子径は、５０μｍ以上１０００μｍ以下の範囲であってもよく、６００μｍ以上１０００μｍ以下の範囲であってもよい。コア３１は、ホットメルト樹脂を主成分とすればよく、ホットメルト樹脂以外の樹脂やその他成分を含んでいてもよい。
砥粒３２は、ブラスト加工が行われる素材よりも硬い素材を所定の範囲の粒子径に粉末化した粒子である。砥粒３２の素材として、アルミナ、炭化珪素、酸化セリウム、タングステンカーバイド、ジルコニア、炭化ホウ素、又はダイヤモンドなどが用いられてもよい。砥粒３２は、所定の平均粒径の粉末であってもよい。平均粒径とは、メディアン径（Ｄ５０）であり、粒子径の分布を示す。砥粒３２の平均粒径は、２０μｍ以下、又は１０μｍ以下であってもよい。
砥粒３２は、コア３１に固着される。固着されるとは、被固着物と溶融した物質とが密着して、溶融した物質が固化することで接着されることである。砥粒３２と熱によって溶融したコア３１とが密着して、冷却によってコア３１が固化することで、砥粒３２はコア３１に接着される。砥粒３２は、コア３１の表面、又はコア３１の径方向内側で固着されてもよい。砥粒３２は、コア３１の表面からコア３１の径方向内側に一部が埋没し、かつコア３１の表面からコア３１の径方向外側に露出するように固着されていてもよい。砥粒３２は、コア３１に全部が埋没するように固着されていてもよい。この場合、コア３１に全部が埋没するように固着される砥粒３２は、コア３１の中心よりも、コア３１の表面の近傍に多く分布する。
コア３１に全部が埋没するように固着される砥粒３２が、コア３１の中心よりもコア３１の表面の近傍に多く分布する場合、全部が埋没するように固着される砥粒３２は、粒子３０の表面が摩耗すると内部から新たに露出する。また、砥粒３２がコア３１の表面の近傍に多く分布する粒子３０は、コア３１の内部に均一に砥粒３２が分布する研磨材粒子と比べて、切削力が高く、弾性限界が大きい。
コア３１はホットメルト樹脂からなるため、粒子３０（コア３１）の硬度は温度に応じて変化する。粒子３０を用いてブラスト加工を行う場合、粒子３０の硬度は、粒子３０と共に噴射される気体の温度に応じて変化する。粒子３０を用いることにより、気体の温度を調整することで、ワークＷを目標とする表面状態にするためのブラスト加工を効率良く実現できる。
貯留容器２１には、外部から粒子３０が供給される。例えば、作業者が貯留容器２１に粒子３０を供給してもよい。貯留容器２１は、ブラスト加工に使用した粒子３０の一部を再使用してもよい。この場合、貯留容器２１は、後述する分級機構２４からブラスト加工に使用した粒子３０を供給される。貯留容器２１は、定量供給部２５及び補助管２６ｂを介してノズル２３に接続される。定量供給部２５は、貯留容器２１に貯留された粒子３０を補助管２６ｂへ送り出す装置であり、一例としてスクリューフィーダである。
導管２６ａ及び補助管２６ｂのそれぞれは、気体を供給する気体供給源２７と、配管２６とに接続される。気体供給源２７としては、例えば、中圧力（例えば、０．１ＭＰａ以上０．６ＭＰａ以下）の気体を供給するコンプレッサ又はガスボンベ、もしくは、低圧力（例えば、０．０１ＭＰａ以上０．１ＭＰａ以下）の気体を供給するファン又はブロアなどの送風機が挙げられる。本実施形態では、コンプレッサによって圧縮空気を供給する。気体供給源２７から補助管２６ｂに供給された気体は、定量供給部２５によって送り出された粒子３０をノズル２３へと搬送する。ブラスト加工装置２０の噴射圧力は、主に導管２６ａからノズル２３に供給される気体の圧力によって定められる。
ヒータ２２は、導管２６ａ内の気体を加熱する装置である。ヒータ２２は、一例として、ニクロム線、セラミックヒータ、リボンヒータ、オイルヒータ又は熱交換器などである。ヒータ２２は、導管２６ａの外壁に設けられてもよいし、導管２６ａの内部に設けられてもよい。
ノズル２３は、貯留容器２１から供給された粒子３０をヒータ２２により加熱された気体と共に噴射する。ノズル２３は、処理室２８内に収容され、配管２６を介して、貯留容器２１から供給された粒子３０とヒータ２２により加熱された気体とが混合した固気二相流が供給される。ノズル２３は、処理室２８内に配置されたワークＷ（図４参照）に向けて、粒子３０を気体と共に噴射する。これにより、ワークＷに対してブラスト加工が行われる。ワークＷはテーブル（不図示）に支持され、テーブル駆動機構によって位置が調整されてもよい。
処理室２８の下部は、分級機構２４を介して貯留容器２１に接続される。処理室２８の下部に落下した粒子３０及びワークＷの切粉は、集塵機（不図示）に吸引されて分級機構２４を通過する。分級機構２４は、再使用可能な粒子３０とその他の微粉（砕けた粒子３０及びワークＷの切粉など）とに分級する。その他の微粉は集塵機に回収される。分級機構２４の下部は、貯留容器２１の上部に接続される。再使用可能な粒子３０は、分級機構２４から貯留容器２１へ供給される。粒子３０を再使用しない場合、ブラスト加工装置２０は、分級機構２４を備えていなくてもよい。
ブラスト加工装置２０は、制御装置２９によって制御される。制御装置２９は、例えばＰＬＣとして構成される。制御装置２９は、ＣＰＵなどのプロセッサと、ＲＡＭ及びＲＯＭなどのメモリと、タッチパネル、マウス、キーボード、ディスプレイなどの入出力装置と、ネットワークカードなどの通信装置とを含むコンピュータシステムとして構成されてもよい。制御装置２９は、メモリに記憶されているコンピュータプログラムに基づくプロセッサの制御のもとで各ハードウェアを動作させることにより、制御装置２９の機能を実現する。
衝突工程Ｓ２０は、照射工程Ｓ１０によりワークＷの表層部に発現した熱影響層Ｗａに、粒子３０を衝突させる工程である。衝突工程Ｓ２０では、最初に準備工程Ｓ２１として、粒子３０が準備される。準備とは、所定の量の粒子３０を貯留容器２１に貯留することである。
次に、加熱工程Ｓ２２として、気体が加熱される。気体の温度は、ヒータ２２による加熱によって上昇する。ヒータ２２によって加熱された気体は、導管２６ａ、補助管２６ｂ及び配管２６を経てノズル２３へ流れる気流になる。ノズル２３へ流れる加熱された気体の気流に、定量供給部２５から粒子３０が供給される。粒子３０の硬度は、気体の温度によって変化する。
最後に、噴射工程Ｓ２３として、準備された粒子３０と加熱された気体とが共に噴射される。ノズル２３は、粒子３０と加熱された気体とを共に噴射する。ノズル２３は、ワークＷの表面に対して斜め方向に粒子３０を噴射する。噴射された粒子３０はワークＷの熱影響層Ｗａに衝突する。粒子３０は、所定の速度及び所定の入射角でワークＷに衝突する。粒子３０の速度は、気体の圧力、ノズル２３の形状、及びノズル２３とワークＷの間の距離に基づいて定まる。粒子３０の入射角は、ワークＷに対するノズル２３の傾斜角度、及びノズル２３の形状に基づいて定まる。これらの速度及び入射角は、ブラスト条件として変更され得る。粒子３０の衝突により、熱影響層Ｗａが除去される。噴射工程Ｓ２３が完了すると、衝突工程Ｓ２０が終了する。
衝突工程Ｓ２０では、任意の硬度で粒子３０が噴射され、熱影響層Ｗａが１μｍ以上１０μｍ以下の厚さで除去（減肉）される。熱影響層Ｗａの除去量（厚さ）は、噴射される粒子３０の硬度により調整可能である。熱影響層Ｗａが除去されることにより、熱影響層ＷａのマイクロクラックＣ１も除去される。また、衝突工程Ｓ２０では、ワークＷの表面粗さが低減される。ワークＷの表面粗さＲａは、１．５μｍ以下、好ましくは１．０μｍ以下の範囲に調整される。表面粗さＲａの下限値は、０．２μｍであってもよいし、０．１μｍであってもよい。なお、表面粗さＲａは、ＪＩＳ Ｂ０６０１；２００１に規定される算術平均粗さを示す。
制御装置２９は、ヒータ２２の加熱温度を調整することで、コア３１の硬度を調整する。一例として、制御装置２９は、低温領域、中温領域、及び高温領域の３つの温度範囲に粒子３０の温度を設定し、コア３１の硬度を調整する。低温領域、中温領域、及び高温領域は、順に高温になるように設定される。粒子３０の温度が高温領域に設置された場合、粒子３０の温度が中温領域又は低温領域に設定された場合と比べて、粒子３０が軟らかく、ワークＷに衝突したときの変形量が大きくなるので、ワークＷが弱く研磨される。
図４～図６は、マイクロクラックを起点にして熱影響層を除去するメカニズムを示す模式図及び一部拡大図である。
図４に示されるように、噴射工程Ｓ２３で噴射された粒子３０は、ワークＷの表面に対して斜め方向に噴射される。このため、粒子３０は、照射工程Ｓ１０でワークＷの熱影響層Ｗａに発生したマイクロクラックＣ１に斜め方向から衝突する。図５に示されるように、粒子３０がワークＷの表面に衝突（接触）すると、衝突の衝撃により、球状のコア３１が変形すると共に、砥粒３２がマイクロクラックＣ１の近傍にマイクロクラックＣ１よりも微細なクラックＣ２を発生させる。
粒子３０は斜め方向から衝突するので、衝突エネルギーが低い。ワークＷの表層部（欠陥層）は、マイクロクラックＣ１が存在することにより脆いので、低い衝突エネルギーによっても新たなクラックＣ２が容易に発生する。これにより、マイクロクラックＣ１は、実質的に面方向（ワークＷの表面に沿う方向）に成長する。ワークＷの表層部よりも深い位置にはマイクロクラックＣ１が存在しないため、粒子３０が衝突しても新たなクラックＣ２が生じ難い。
粒子３０は、斜め方向から噴射されているため、ワークＷの表面に衝突した後、微小時間であるものの、図６に示されるように、ワークＷの表面上を滑るように面方向（ワークＷの表面に沿う方向）に移動する。粒子３０の滑りにより、マイクロクラックＣ１及び近傍のクラックＣ２は応力を受け、き裂が進展する。複数の粒子３０が噴射され、マイクロクラックＣ１に粒子３０が繰り返し衝突することにより、マイクロクラックＣ１が成長してクラックＣ２と連結する。これにより、熱影響層Ｗａの表層が破壊される。破壊された表層が粒子３０により削り取られることで、ワークＷの表面が研磨される。このように、衝突工程Ｓ２０では、マイクロクラックＣ１を起点として熱影響層Ｗａが徐々に除去される。また、粒子３０による切削でワークＷの表面が研磨される。
図７～図９は、ピンホールを起点にして熱影響層を除去するメカニズムを示す模式図及び一部拡大図である。
図７に示されるように、噴射工程Ｓ２３で噴射された粒子３０は、ワークＷの表面に対して斜め方向に噴射される。このため、粒子３０は、照射工程Ｓ１０でワークＷの表面に発生したピンホールＰに斜め方向から侵入する。図８に示されるように、粒子３０がワークＷの表面に衝突（接触）すると、衝突の衝撃により、球状のコア３１が変形すると共に、砥粒３２のエッジ部分がピンホールＰ内に入り込む。
粒子３０は、斜め方向から噴射されているため、ワークＷの表面に衝突した後、図９に示されるように、微小時間であるものの、ワークＷの表面上を滑るように移動する。このとき、砥粒３２がピンホールＰの内側に引っ掛かり、ピンホールＰを起点として熱影響層Ｗａの表層を削り取る。衝突工程Ｓ２０では、複数の粒子３０が噴射され、ピンホールＰに粒子３０が繰り返し衝突することにより、ピンホールＰを起点として熱影響層Ｗａが徐々に除去される。また、粒子３０による切削でワークＷの表面が研磨される。
以上説明したように、実施形態に係る表面処理方法では、衝突工程Ｓ２０において、弾性体からなるコア３１と、コア３１の表面に担持された砥粒３２と、を有する粒子３０を熱影響層Ｗａに衝突させる。これにより、熱影響層Ｗａが除去される。よって、上記特許文献１に記載の方法のように、複数の処理からなる煩雑な工程を行う必要がない。特に、化学的エッチングが不要であるため、薬剤を使用することによる環境への悪影響と、中和処理に係るコストとを抑制することができる。したがって、実施形態に係る表面処理方法によれば、引張応力又は０に近い圧縮応力となる熱影響層Ｗａを効率よく除去することができる。また、熱影響層Ｗａが除去されることにより、マイクロクラックＣ１及びピンホールＰも除去されるので、き裂の進展が抑制され、疲労強度が向上する。よって、ワークＷの表面を摩耗し難く、耐久性のある表面とすることができる。
衝突工程Ｓ２０では、熱影響層ＷａのマイクロクラックＣ１に粒子３０を衝突させることにより、マイクロクラックＣ１を起点にして熱影響層Ｗａが除去される。このように、マイクロクラックＣ１を起点にすることによって、熱影響層Ｗａを更に効率よく除去することができる。また、衝突工程Ｓ２０では、ワークＷの表面に対して斜め方向から粒子３０を衝突させることにより、マイクロクラックＣ１をワークＷの表面に沿う方向に成長させる。このため、粒子３０の衝突の影響が、熱影響層Ｗａの内側にまで及ぶことを抑制できる。更に、衝突工程Ｓ２０では、マイクロクラックＣ１に繰り返し粒子３０を衝突させることにより、マイクロクラックＣ１を近傍のクラックＣ２と連結させながら、熱影響層Ｗａを徐々に除去する。このため、粒子３０の衝突の影響が、熱影響層Ｗａの内側にまで及ぶことをより確実に抑制できる。
照射工程Ｓ１０では、ワークＷに含まれる介在物に起因したピンホールＰが熱影響層Ｗａの表面に発生する。衝突工程Ｓ２０では、ピンホールＰに粒子３０を衝突させることにより、ピンホールＰを起点にして熱影響層Ｗａを除去する。このように、ピンホールＰを起点にして熱影響層Ｗａが除去するので、熱影響層Ｗａを更に効率よく除去することができる。また、衝突工程Ｓ２０では、ワークＷの表面に対して斜め方向から粒子３０を衝突させることにより、粒子３０をピンホールＰの内側に引っ掛け、熱影響層Ｗａの表層を削り取る。このため、粒子３０の衝突の影響が、熱影響層Ｗａの内側にまで及ぶことを抑制できる。更に、衝突工程Ｓ２０では、ピンホールＰに繰り返し粒子３０を衝突させることにより、熱影響層Ｗａを徐々に除去する。このため、粒子３０の衝突の影響が、熱影響層Ｗａの内側にまで及ぶことをより確実に抑制できる。
衝突工程Ｓ２０では、熱影響層Ｗａを１μｍ以上１０μｍ以下の厚さで除去する。したがって、照射工程Ｓ１０で導入された残留応力が引張応力又は０に近い圧縮応力となるワークＷの表層部を除去することができる。これにより、ワークＷの疲労強度を向上させることができる。後述するように、衝突工程Ｓ２０でワークＷに導入される残留圧縮応力の値は、ワークＷの表面から深さ１０μｍ以上５０μｍ以下の範囲で最大となる。一般的な研磨処理によると、この範囲を超えて研磨が行われるおそれがある。衝突工程Ｓ２０では、温度の調整により研磨の強さの調整が容易な粒子３０が用いられるので、ワークＷにおける残留圧縮応力の値が最大となる部分を露出させ、その結果、ワークＷの疲労強度を向上させることができる。
衝突工程Ｓ２０では、ワークＷの表面粗さＲａが１．５μｍ以下、好ましくは１．０μｍ以下の範囲に調整される。このように、ワークＷの表面粗さを低減し、照射工程Ｓ１０で悪化した面精度を改善することができる。よって、表面粗さに起因するき裂の進展を抑制することができる。
き裂の進展の抑制は、表面粗さＲａが可及的に低いほど効果があるが、衝突工程Ｓ２０に要する時間が長くなる。即ち、表面粗さＲａを可及的に低くすることで、き裂の発生が抑制された部材に加工できる反面、生産性が低下する。き裂の進展が抑制され、かつ生産性を充足するために、表面粗さＲａの下限値は０．２μｍ、好ましくは０．１μｍとなるように調整される。
本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。例えば、上記実施形態の衝突工程Ｓ２０では、ブラスト加工装置２０を用いてブラスト加工が行われるが、これに限られない。衝突工程Ｓ２０では、粒子３０をワークＷの熱影響層Ｗａに衝突させることができればよく、例えば、バニッシング加工、バレル加工、又は、ショットピーニング加工が粒子３０を用いて行われてもよい。
以下、実験例について説明する。
図１０及び図１１は、残留応力の測定結果を示すグラフである。図１０及び図１１において、横軸はワークの表面からの深さ（μｍ）を示し、縦軸は残留応力（ＭＰａ）を示す。マイナスが圧縮応力であり、プラスが引張応力である。「ＮＰ」は照射工程（レーザピーニング）を行っていないワークの残留応力の測定結果を示し、「ＬＰ」は照射工程（レーザピーニング）を行ったワークの残留応力の測定結果を示す。図１０では、深さ２０００μｍまでの測定結果が示され、図１１では、深さ１５０μｍまでの測定結果が示されている。レーザピーニングは、スポット径を１．２ｍｍ、パルスエネルギーを９８７ｍＪ、及び、照射密度を４４Ｐｕｌｓｅｓ／ｍｍ２として行った。
図１０及び図１１に示されるように、レーザピーニングによれば、ワークの表面から２０００μｍの深さまで残留圧縮応力を付与することができる。特に、深さ１０μｍ以上５０μｍ以下の範囲で残留圧縮応力の値が大きい。ワークの最表層では圧縮応力が０に近い。したがって、熱影響層を１μｍ以上１０μｍ以下の厚さで除去することにより、残留圧縮応力が十分に付与され、き裂が進展し難い部分をワークの最表層とすることができる。
次に、照射工程後に衝突工程を行い、衝突工程の前後でワークの表面応力及び表面粗さを測定した結果について説明する。衝突工程は、直圧式（加圧式）ブラスト加工装置を用いて行った。ブラスト加工用の粒子は、東京インキ株式会社製のエチレン酢酸ビニル共重合体のホットメルト粉末ＰＲ８０５０を使用したコアと、松見研磨材株式会社製のＳｉＣ（炭化珪素）粉末ＧＣ＃２０００を使用した砥粒とにより作製された。衝突工程は、ワークの除去量（厚さ）が７μｍとなるような条件で行った。
ワーク表面の残留応力の測定は、パルステック工業株式会社製の残留応力測定装置μ－Ｘ３６０を用い、ｃｏｓα法により行った。Ｃｒ管球を用い、照射径をφ１．０ｍｍ、コリメータ径をφ１．０ｍｍとした。衝突工程前の残留応力は、レーザの照射方向に沿う方向で－１５１ＭＰａ、レーザの照射方向に直交する方向で－１９５ＭＰａであった。衝突工程後の残留応力は、レーザの照射方向に沿う方向で－９１８ＭＰａ、レーザの照射方向に直交する方向で－１００５ＭＰａであった。このように、衝突工程により熱影響層が除去された結果、表面の残留圧縮応力の値が高くなることが確認された。
表面粗さの測定は、株式会社東京精密製のＳｕｒｆｃｏｍ１４００を用い、表面粗さのＪＩＳ規格であるＪＩＳ Ｂ０６０１；２００１に基づき行った。衝突工程前のＲａは０．６８３０μｍ、Ｒｚは４．３９６４μｍであった。衝突工程後のＲａは０．５７６７μｍ、Ｒｚは４．３０４５μｍであった。このように、衝突工程によってワークの表面粗さが低減されることが確認された。
３０…粒子、３１…コア、３２…砥粒、Ｃ１…マイクロクラック、Ｌ…パルスレーザビーム、Ｐ…ピンホール、Ｔ…透明液体、Ｗ…ワーク、Ｗａ…熱影響層。
Claims (8)
- 鉄鋼材料、又はアルミニウム合金等の非鉄金属材料からなるワークに対して透明液体を介してパルスレーザビームを照射する工程と、
前記照射する工程により前記ワークの表層部に発現した熱影響層に、弾性体からなるコアと、前記コアの表面に担持された砥粒と、を有する粒子を衝突させる工程と、を含み、
前記衝突させる工程では、前記ワークの表面に対して斜め方向から前記粒子を衝突させることにより、前記熱影響層のマイクロクラックを前記ワークの表面に沿う方向に成長させ、前記マイクロクラックを起点にして前記熱影響層を除去する、
表面処理方法。 - 前記衝突させる工程では、前記マイクロクラックに繰り返し前記粒子を衝突させることにより、前記マイクロクラックを他のクラックと連結させながら、前記熱影響層を徐々に除去する、
請求項１に記載の表面処理方法。 - 鉄鋼材料、又はアルミニウム合金等の非鉄金属材料からなるワークに対して透明液体を介してパルスレーザビームを照射する工程と、
前記照射する工程により前記ワークの表層部に発現した熱影響層に、弾性体からなるコアと、前記コアの表面に担持された砥粒と、を有する粒子を衝突させる工程と、を含み、
前記照射する工程では、前記ワークに含まれる介在物に起因したピンホールが前記熱影響層の表面に発生し、
前記衝突させる工程では、前記ワークの表面に対して斜め方向から前記粒子を衝突させることにより、前記粒子を前記ピンホールの内側に引っ掛け、前記ピンホールを起点にして前記熱影響層を除去する、
表面処理方法。 - 前記衝突させる工程では、前記ピンホールに繰り返し前記粒子を衝突させることにより、前記熱影響層を徐々に除去する、
請求項３に記載の表面処理方法。 - 前記衝突させる工程では、前記熱影響層を１μｍ以上１０μｍ以下の厚さで除去する、 請求項１～４のいずれか一項に記載の表面処理方法。
- 前記衝突させる工程では、前記ワークの表面粗さＲａを１．５μｍ以下の範囲に調整する、
請求項１～５のいずれか一項に記載の表面処理方法。 - 前記衝突させる工程では、前記ワークの表面粗さＲａを１．０μｍ以下の範囲に調整する、
請求項１～５のいずれか一項に記載の表面処理方法。 - 前記弾性体からなるコアはホットメルト樹脂である、
請求項１～７のいずれか一項に記載の表面処理方法。
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