JP7435309B2 - 表面処理方法 - Google Patents

Description

本開示は、表面処理方法に関する。

特許文献１には、鋼部品にショットピーニング処理を施し、鋼部品の残留オーステナイト組織の一部をマルテンサイト組織に変態させる表面処理方法が開示されている。この表面処理方法によれば、鋼部品の表面に圧縮残留応力を付与することができる。よって、鋼部品の使用時に表面にき裂が発生したとしても、き裂の進行が抑制される。

国際公開第２０１７／１５４９６４号

本技術分野では、ワークの疲労強度を更に向上可能な表面処理方法が求められている。

そこで、本開示は、ワークの疲労強度を更に向上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、以下の工程を含む。
第一工程：ワークに平面波状の衝撃波を付与することでワークの材料組織を高密度転移させる。
第二工程：第一工程後のワークを塑性変形させる。この塑性変形は、ワークに球面波状の衝撃波を付与する、又は、物理的な接触による圧力を付与する、ことで行う。

この表面処理方法において、第一工程では材料組織を高密度転移させるので、ワークの表層部をき裂が進展し難い表面とすることができる。また、第二工程ではワークを塑性変形させるので、ワークの表面をき裂の起点が生じ難い表面とすることができる。したがって、第一工程及び第二工程を組み合わせることにより、き裂の発生及びき裂の進展が抑制された表面及び表層部をワークに付与することができる。よって、ワークの疲労強度を更に向上させることができる。

第二工程では、ワークを塑性変形させることにより、ワークの材料組織を変態させてもよい。この場合、確実にワークの表面をき裂の起点が生じ難い表面とすることができる。

第二工程では、物理的な衝突により、ワークに球面波状の衝撃波を付与してもよい。この場合、ワークを容易に塑性変形させることができる。

第一工程におけるワークの有効加工深さは、第二工程におけるワークの有効加工深さよりも深くてもよい。この場合、第二工程のみを行う場合に比べて、ワーク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。

第一工程におけるワークの有効加工深さは、０．３ｍｍ以上であり、第二工程におけるワークの有効加工深さは、５０μｍ以下であってもよい。この場合、ワークの表面から０．３ｍｍ以上の深さまで残留圧縮応力を付与することができる。また、ワークの表面から５０μｍ以下の深さに確実に残留圧縮応力を付与することができる。

第二工程では、ワークの材料組織を加工誘起マルテンサイト変態させてもよい。この場合、金属組織が体積膨張を起こし、母相に歪を生じさせる。これにより、残留圧縮応力を付与することができる。

第一工程では、ワークにレーザ波を照射することにより、ワークに平面波状の衝撃波を付与し、第二工程では、ワークにショットピーニングを行うことにより、ワークに球面波状の衝撃波を付与してもよい。この場合、レーザ波は直進性を有する高速の衝撃波であるため、深さ方向において格子間歪を付与する。よって、残留圧縮応力を深い位置まで付与することができる。ショットピーニングは、物理的な接触により、ワークの表面の接触点近傍に格子間歪を付与する。これにより、接触点近傍に残留圧縮応力を付与することができる。

第二工程では、ワークの残留オーステナイト量を１０体積％以上減少させてもよい。この場合、１０体積％以上の残留オーステナイトをマルテンサイト変態させることができるので、残留圧縮応力を十分に付与することができる。

本開示によれば、ワークの疲労強度を更に向上可能な表面処理方法を提供することができる。

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。 第一工程に用いられるレーザ照射装置を示す構成図である。 第二工程に用いられるショットピーニング装置を示す構成図である。 アークハイトの測定方法を示す図である。 試料にショットピーニングを行う方法を示す図である。 残留応力の測定結果を示すグラフである。 残留オーステナイト量の測定結果を示すグラフである。 硬さの測定結果を示すグラフである。 ＫＡＭ値の測定結果を示すグラフである。

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。実施形態に係る表面処理方法は、処理対象であるワークＷ（図２参照）の表面処理を行う方法であり、図１に示されるように、第一工程Ｓ１及び第二工程Ｓ２を含む。ワークＷは、例えば、鉄鋼材料からなる。ワークＷは、例えば、真空浸炭材、ガス浸炭材、又はステンレス鋼である。以下、第一工程Ｓ１及び第二工程Ｓ２について説明する。

（第一工程）
第一工程Ｓ１は、ワークＷに平面波状の衝撃波を付与することでワークＷの材料組織を高密度転移させる工程である。平面波状の衝撃波とは、ワークＷの内部に平面波状に伝搬する衝撃波である。平面波状の衝撃波は、直進性を有し、一方向に伝搬するので、ワークＷの表面から深い位置にまで伝搬し、強い衝撃をワークＷに与える。第一工程Ｓ１では、平面波状の衝撃波を付与することで、ワークＷを塑性変形させ、ワークＷの表層部の材料組織を高密度転移させる。高密度転移とは、処理前に比べて、格子欠陥の移動等により密度が高まることである。その結果、第一工程Ｓ１では、ワークＷの表層部に残留圧縮応力が付与され、硬化層が形成されるので、ワークＷの疲労強度（破壊強度）を向上させることができる。

平面波状の衝撃波を利用した第一工程Ｓ１によれば、ワークＷの表面から深い位置にまで残留圧縮応力を付与することができる。残留応力（ここでは残留圧縮応力）が付与される深さを有効加工深さとすると、第一工程Ｓ１におけるワークＷの有効加工深さｄ１は、例えば、０．３ｍｍ以上である。有効加工深さｄ１は、１．０ｍｍ以上であってもよい。有効加工深さｄ１は、例えば、３．０ｍｍ以下である。なお、残留応力が付与される深さは、残留応力付与処理がなされたワークＷの残留応力が未処理のワークＷの残留応力と一致する深さ、又は、一致すると想定される深さである。未処理のワークＷの残留応力が０ＭＰａである場合、残留応力が付与される深さは、残留応力付与処理がなされたワークＷの残留応力が０ＭＰａとなる深さ、又は、０ＭＰａとなると想定される深さである。

ワークＷに平面波状の衝撃波を付与する方法としては、例えば、レーザピーニング等により、ワークＷにレーザ波を照射する方法が挙げられる。つまり、第一工程Ｓ１では、例えば、ワークＷの表面にレーザピーニングを施し、ワークＷにレーザ波を照射することにより、ワークＷに平面波状の衝撃波を付与する。

図２は、第一工程に用いられる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。

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）又はＤＳＰ（Digital Signal Processor）などのモーションコントローラとして構成される。制御装置１６は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などのプロセッサと、ＲＡＭ（RandomAccess 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。

第一工程Ｓ１では、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が照射される。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、プラズマによる平面波状の衝撃波がワークＷに伝達される。これにより、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では、結晶組織が高密度転移し、残留圧縮応力が付与される。

（第二工程）
第二工程Ｓ２は、第一工程Ｓ１後のワークＷに球面波状の衝撃波、又は、物理的な接触による圧力を付与することでワークＷを塑性変形させる工程である。球面波状の衝撃波とは、ワークＷの内部に接触点を中心として球面波状に伝搬される衝撃波である。球面波状の衝撃波は、ワークＷの内部で色々な方向に拡散される。球面波状の衝撃波は、平面波状の衝撃波のようにワークＷの表面から深い位置には伝搬せず、主にワークＷの表面に沿って伝搬する。このため、第一工程Ｓ１におけるワークＷの有効加工深さｄ１は、第二工程Ｓ２におけるワークＷの有効加工深さｄ２よりも深い。有効加工深さｄ２は、例えば、０．３ｍｍ未満である。

第二工程Ｓ２では、ワークＷを塑性変形させることにより、ワークＷの材料組織を変態させる。例えば、ワークＷが真空浸炭材のように残留オーステナイトを含む場合、第二工程では、ワークＷの残留オーステナイトを加工誘起マルテンサイト変態させる。残留オーステナイトから誘起マルテンサイトに変態すると、体積が膨張する。体積の膨張に伴い、誘起マルテンサイト周辺の母相に歪が生じる。これにより、誘起マルテンサイトの周辺の母材に歪が生じる。第二工程では、ワークＷの表層部の残留オーステナイト量を１０体積％以上減少させる。

ワークＷに球面波状の衝撃波を付与する方法としては、例えば、ショットピーニング、ニードルピーニング、超音波ピーニング、ハンマーピーニング、バレル研磨、又はブラスト加工が挙げられる。ショットピーニングでは、無数のピーニングメディア（噴射材又は投射材）を高速度でワークＷの表面に衝突させる。ピーニングメディアは、金属、セラミックス、又はガラスからなる球である。ワークＷに対してショットピーニングを行うことにより、ワークＷに物理的な衝突による衝撃を付与することができる。その結果、ワークＷに球面波状の衝撃波を付与することができる。つまり、第二工程Ｓ２では、ワークＷにショットピーニングを行うことにより、ワークＷに球面波状の衝撃波を付与することができる。更に換言すると、第二工程Ｓ２では、物理的な衝突により、ワークＷに球面波状の衝撃波を付与することができる。物理的な衝突によれば、ワークＷを容易に塑性変形させることができる。更に、物理的な衝突によれば、ワークＷの表層部の温度が瞬間的に高くなる。この温度上昇により、上述の材料組織の変態が促進される。

ワークＷに物理的な接触による圧力を付与する方法としては、例えば、バニシングが挙げられる。つまり、第二工程Ｓ２では、例えば、ワークＷに対してバニシングを行うことにより、ワークＷに物理的な球面波状の衝撃波を付与することができる。

図３は、第二工程に用いられるショットピーニング装置を示す構成図である。図３には、ショットピーニング装置３０の要部が模式的に示されている。図３に示されるショットピーニング装置３０は、直圧式（加圧式）のショットピーニング装置である。ここでは、直圧式について説明するが、ショットピーニング装置３０は吸引式（重力式）であってもよい。ショットピーニング装置３０は、キャビネット３２と、ステージ３６と、ステージ保持軸３８と、噴射装置４０と、制御装置２６とを備えている。キャビネット３２の内部には、加工室３４が形成されている。加工室３４では、ワークＷに噴射材を衝突させることにより、ワークＷのショットピーニング加工が行われる。ステージ３６は、加工室３４内に設けられている。ステージ３６には、ワークＷが載置される。ステージ３６は、ステージ保持軸３８により保持されている。

噴射装置４０は、噴射材タンク４２と、噴射材供給装置（ショットホッパー）４４と、加圧タンク４６と、コンプレッサ５２と、ノズル６４と、を備える。噴射材タンク４２は、噴射材供給装置４４を介して加圧タンク４６に接続されている。噴射材供給装置４４は、加圧タンク４６との間に設けられたポペット弁４４Ｉを有している。ポペット弁４４Ｉが開かれた状態では、噴射材タンク４２から噴射材供給装置４４を経て適量の噴射材が加圧タンク４６へ送られる。

コンプレッサ５２は、配管５０によりノズル６４と接続されている。コンプレッサ５２は、配管５０及び配管４８により加圧タンク４６とも接続されている。配管４８は、配管５０から分岐して加圧タンク４６のエア流入口４６Ａに接続されている。配管４８にはエア流量制御弁５４が設けられている。このエア流量制御弁５４が開かれることで、コンプレッサ５２からの圧縮空気が、配管５０及び配管４８を通じて、加圧タンク４６に供給される。これにより、加圧タンク４６内が加圧される。

加圧タンク４６のショット流出口４６Ｂには、カットゲート５６が設けられている。ショット流出口４６Ｂには、配管５０から分岐した配管５８が接続されている。配管５０において、配管５８との接続部は、配管４８との接続部よりもノズル６４側に位置している。配管５８には、ショット流量制御弁６０が設けられている。配管５０において、配管５８との接続部と配管４８との接続部との間には、エア流量制御弁６２が設けられている。配管５０における配管５８との接続部は、加圧タンク４６から供給された噴射材と、コンプレッサ５２から供給された圧縮空気とが混合されるミキシング部５０Ａを構成している。噴射材及び圧縮空気は、ミキシング部５０Ａで混合されてノズル６４に送られる。ノズル６４は、キャビネット３２内の側部に配置されている。ノズル６４は、噴射材を含む圧縮空気を加工室３４のワークＷに向けて噴射し、噴射材をワークＷに衝突させる。

ショットピーニング装置３０は、制御装置２６によって制御される。制御装置２６は、例えばＰＬＣ又はＤＳＰなどのモーションコントローラとして構成される。制御装置２６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２６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２６の機能を実現する。

ショットピーニング装置３０は、圧縮空気により噴射材を噴射する噴射装置４０を備えるが、インペラにより投射材を加速させて投射する投射装置を備えてもよい。

ショットピーニング装置３０は、分級機構と、集塵機と、循環装置とを更に備え、噴射材を再使用するように構成されてもよい。集塵機は、分級機構を介して加工室３４と連結されている。集塵機は、加工室３４の下部に落下した噴射材及びワークＷの切粉（これらを総じて粉粒体と記す）を吸引し、分級機構に移送する。分級機構は、例えば風力式である。分級機構は、移送された粉粒体を再使用可能な噴射材と、その他の微粉とに分級する。その他の微粉は集塵機に回収される。循環装置は、再使用可能な噴射材をパケットエレベータ、スクリューコンベア、及びセパレータを経て噴射材タンク４２に供給する。

以上説明したように、実施形態に係る表面処理方法において、第一工程Ｓ１では材料組織を高密度転移させるので、ワークＷの表層部をき裂が進展し難い表面とすることができる。また、第二工程Ｓ２ではワークＷを塑性変形させるので、ワークＷの表面をき裂の起点が生じ難い表面とすることができる。したがって、第一工程Ｓ１及び第二工程Ｓ２を組み合わせることにより、き裂の発生及びき裂の進展が抑制された表面及び表層部をワークＷに付与することができる。よって、特許文献１の表面処理方法のようにショットピーニングのみを行う場合に比べて、ワークＷの疲労強度を更に向上させることができる。

第一工程Ｓ１におけるワークＷの有効加工深さｄ１は、第二工程Ｓ２におけるワークＷの有効加工深さｄ２よりも深い。このため、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。第一工程Ｓ１では、ワークＷにレーザ波を照射することにより、ワークＷに平面波状の衝撃波を付与する。レーザ波は直進性を有する高速の衝撃波であるため、深さ方向において格子間歪を付与する。よって、残留圧縮応力を深い位置まで付与することができる。

第二工程Ｓ２では、ワークＷを塑性変形させることにより、ワークＷの材料組織を変態させる。よって、確実にワークＷの表面をき裂の起点が生じ難い表面とすることができる。第二工程Ｓ２では、物理的な衝突により、ワークＷに球面波状の衝撃波を付与する。このため、ワークＷを容易に塑性変形させることができる。第二工程Ｓ２では、ワークＷにショットピーニングを行うことにより、ワークＷに球面波状の衝撃波を付与する。ショットピーニングは、物理的な接触により、ワークＷの表面の接触点近傍に格子間歪を付与する。これにより、接触点近傍に残留圧縮応力を付与することができる。

第二工程Ｓ２では、ワークＷの材料組織を加工誘起マルテンサイト変態させる。よって、金属組織が体積膨張を起こし、母相に歪を生じさせる。これにより、残留圧縮応力を付与することができる。第二工程Ｓ２では、ワークＷの表層部の残留オーステナイト量を１０体積％以上減少させる。このように、１０体積％以上の残留オーステナイトを加工誘起マルテンサイト変態させることができるので、残留圧縮応力を十分に付与することができる。

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。

以下、実験例について説明する。

まず、実施形態に係る表面処理を行っていない試料（以下、「試料ＮＰ」）、第一工程（レーザピーニング）のみを行った試料（以下、「試料ＬＰ」）、第二工程（ショットピーニング）のみを行った試料（以下、「試料ＳＰ」）、及び、実施形態に対応する表面処理、すなわち、第一工程を行った後、第二工程を行った試料（以下、「試料ＬＰ＋ＳＰ」）を準備した。各試料は、有効硬化層深さＥＣＤ（Effective Case Depth）が０．７ｍｍ程度となるように真空浸炭焼き入れ処理したクロムモリブデン鋼（ＪＩＳ規格：ＳＣＭ４２０Ｈ）を用いて準備した。

レーザピーニングは、スポット径を１．０ｍｍ、パルスエネルギーを９８７ｍＪ、及び、照射密度を９８Ｐｕｌｓｅｓ／ｍｍ^２として行った。

ショットピーニングは、アモルファス材質の丸い金属球からなるショット（ＡＭ５０Ｂ）を用い、噴射圧力を０．５ＭＰａ、噴射量を１３．５ｋｇ／ｍｉｎ、カバレージを３００％以上、試料の移動速度を１８００ｍｍ／ｍｉｎとして行った。アルメンストリップを用いて測定したアークハイトは０．２７５ｍｍＮであった。

図４は、アークハイトの測定方法を示す図である。図４において、図３と共通する部分には図３と同じ符号が付されている。図４に示されるように、ノズル６４の先端から、アルメンストリップＳの表面までの、ノズル６４の中心軸Ｃに沿う距離Ｈを２００ｍｍに設定した。アルメンストリップＳが載置されたステージ３６を矢印Ａに沿って移動させることにより、アルメンストリップＳを移動させ、上記条件でショットピーニングを行った。

図５は、試料にショットピーニングを行う方法を示す図である。図５において、図３と共通する部分には図３と同じ符号が付されている。図５に示されるように、ノズル６４の先端から、試料であるワークＷの表面までの、ノズル６４の中心軸Ｃに沿う距離Ｈを２００ｍｍに設定した。ワークＷが載置されたステージ３６を矢印Ａに沿って移動させることにより、ワークＷを移動させ、上記条件でショットピーニングを行った。

（残留応力）
各試料の残留応力を測定した。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、及び、測定角度を３５度とした。

図６は、残留応力の測定結果を示すグラフである。図６において、横軸は試料の表面からの深さ（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。

図６に示されるように、第一工程を行った試料ＬＰ及び試料ＬＰ＋ＳＰでは、表面から１ｍｍの深さまで残留圧縮応力が付与された。つまり、第一工程における有効加工深さは１ｍｍであった。第二工程のみを行った試料ＳＰでは、試料の表面から５０μｍの深さまで残留圧縮応力が付与された。つまり、第二工程における有効加工深さは５０μｍであった。

試料ＬＰ及び試料ＬＰ＋ＳＰでは、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。第一工程のみを行った試料ＬＰでは、最表層で残留圧縮応力の値が小さくなっている。このようにレーザピーニングによれば、試料の深い位置まで残留圧縮応力を付与できるものの、試料の最表層ではレーザ照射の熱影響により、残留圧縮応力が十分に付与できないと考えられる。

試料ＬＰ＋ＳＰでは、試料ＬＰに比べて、試料の最表層における残留圧縮応力の値が大きくなっている。このように、レーザピーニング後にショットピーニングを行うことにより、試料の最表層にも残留圧縮応力が十分に付与できることが分かった。なお、ショットピーニング後にレーザピーニングを行った場合は、試料の最表層にレーザ照射の熱影響が残り、残留圧縮応力が十分に付与されない。

（残留オーステナイト量）
各試料の残留オーステナイト量を測定した。残留オーステナイト量の測定は、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、及び、測定角度を０度とした。

図７は、残留オーステナイト量の測定結果を示すグラフである。図７において、横軸は試料の表面からの深さ（μｍ）を示し、縦軸は残留オーステナイト量（体積％）を示す。残留オーステナイトは体積を有する結晶であるが、ここでは、試料の深さ方向に直交する断面に占める残留オーステナイトの面積％を便宜的に残留オーステナイト量（体積％）とする。図７に示されるように、最表層における残留オーステナイト量は、表面処理を行っていない試料ＮＰでは２０体積％以上であるのに対し、第二工程を行った試料ＳＰ及び試料ＬＰ＋ＳＰではほぼ０（１体積％未満）であった。２０体積％以上の残留オーステナイトが第二工程によって加工誘起マルテンサイト変態したと考えられる。

（硬さ）
各試料の硬さを測定した。硬さの測定は、株式会社ミツトヨ製の硬さ試験機ＨＭを用いて行った。図８は、硬さの測定結果を示すグラフである。図８において、横軸は試料の表面からの深さ（μｍ）を示し、縦軸はビッカース硬さ（ＨＶ）を示す。図８に示されるように、試料ＬＰ＋ＳＰでは、０μｍから４００μｍの深さにおいて、試料ＬＰ及び試料ＳＰよりも硬くなっていることが分かった。試料ＳＰでは、最表層には硬さが付与されているものの、５０μｍ以上の深さ位置には硬さが付与されないことが分かった。

（歪量）
各試料のＫＡＭ（Kernel Average Misorientation）値を日本電子株式会社製の走査電子顕微鏡ＪＳＭ－７２００Ｆを用いて測定した。ＫＡＭ値は、電子後方散乱回折（ＥＢＳＤ：Electron Back Scatter Diffraction）法に基づく結晶方位解析において、隣接する測定点の間の結晶方位の差である局所方位差を示す数値である。ＫＡＭ値は、歪量を定量的に評価するパラメータである。ＫＡＭ値が大きいほど、結晶粒内の局所方位差が大きいことを示す。つまり、ＫＡＭ値が大きいほど、歪量が大きくなっていることを意味する。

図９は、ＫＡＭ値の測定結果を示すグラフである。図９において、横軸は試料の表面からの深さの範囲（μｍ）を示し、縦軸は各深さ範囲における平均のＫＡＭ値（ｄｅｇ）を示す。図９に示されるように、試料ＮＰでは、最表層（深さ０～１０μｍ）における平均のＫＡＭ値は、約０．１ｄｅｇであった。ＫＡＭ値は、深さ３０μｍまでは内部に進むにつれて大きくなり、深さ３０μｍ以降は約０．５ｄｅｇ付近を横這いであった。試料ＮＰでは、熱処理による初期歪によりＫＡＭ値が約０．５ｄｅｇで横這いという結果になったと考えられる。最表層（深さ０～１０μｍ）では、表面側からの拘束力がないので、約０．１ｄｅｇ程度であったと考えられる。

試料ＬＰでは、深さ１１０μｍまではＫＡＭ値が約０．８ｄｅｇとなり、試料ＮＰの結果と比較すると大きくなっている。深さ１１０μｍ以降はＫＡＭ値が減少し、試料ＮＰと比較して少し高い値になっている。図７に示される残留オーステナイト量の測定結果によれば、試料ＮＰの残留オーステナイト量と試料ＬＰの残留オーステナイト量との差は、深さ１０μｍ～２００μｍにわたって同程度である。つまり、レーザピーニングによるマルテンサイト変態の影響は、深さ１０μｍ～２００μｍにわたって同程度であると考えられる。よって、試料ＬＰのＫＡＭ値が深さ１１０μｍ以降で減少したのは、内部側の拘束力が弱まったためと考えられる。

試料ＳＰでは、最表層（深さ０～１０μｍ）のＫＡＭ値は１．４ｄｅｇである。試料ＳＰのＫＡＭ値は、内部に進むにつれて減少し、深さ３０μｍ以降で０．８ｄｅｇに近づく。試料ＳＰのＫＡＭ値は、試料ＮＰのＫＡＭ値と比較して大きくなっている。試料ＳＰのＫＡＭ値は、深さ１３０μｍまで試料ＬＰのＫＡＭ値よりも高い値になっている。試料ＳＰのＫＡＭ値は、深さ１３０μｍ以降で急激に減少し、試料ＬＰのＫＡＭ値より少し低い値になっている。

試料ＳＰにおけるＫＡＭ値の増加は、加工誘起マルテンサイト変態により、金属組織が体積膨張を起こし、大きな歪が生じたことに起因する。図７に示される残留オーステナイト量の測定結果によれば、試料ＮＰの残留オーステナイト量と試料ＬＰの残留オーステナイト量との差は、深さ０μｍにおいて最大であり、内部に進むにつれて減少し、深さ４０μｍで０となっている。つまり、ショットピーニングによるマルテンサイト変態の影響は、深さ０μｍにおいて最大であり、内部に進むにつれて減少し、深さ４０μｍ以降でなくなると考えられる。このことから、試料ＳＰのＫＡＭ値は、深さ４０μｍまで減衰方向を示し、その後はマルテンサイト変態の影響がなくなるので、粒内歪の影響によって０．８ｄｅｇ程度になっていると考えられる。１３０μｍより深い部分ではマルテンサイト変態及び粒内歪の影響がないため、初期歪を有した試料ＮＰと同等の値程度まで減少したと考えられる。

試料ＬＰ＋ＳＰにおける最表層（深さ０～１０μｍ）のＫＡＭ値は、１．２ｄｅｇである。試料ＬＰ＋ＳＰのＫＡＭ値は、内部に進むにつれて減少し、深さ３０μｍ以降は試料ＬＰ及び試料ＳＰのＫＡＭ値と同等であり、深さ１２０μｍ以降は約１まで上昇した。試料ＬＰ＋ＳＰのＫＡＭ値の増加は、レーザピーニングによる塑性変形に加え、加工誘起マルテンサイト変態により、金属組織が体積膨張を起こし、大きな歪が生じたことに起因する。

（表面粗さ）
各試料の表面粗さを測定した。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。各試料について、表面粗さ曲線を３回ずつ取得し、算術平均粗さＲａとその平均値、及び、最大高さＲｚとその平均値を求めた。表１は、算術平均粗さＲａの測定結果を示す。表２は、最大高さＲｚの測定結果を示す。

表１及び表２に示されるように、試料ＬＰの表面粗さが最も高い。試料ＬＰでは、レーザピーニングの熱影響により、面精度が悪化したと考えられる。試料ＳＰの表面粗さは、試料ＮＰの表面粗さよりは高いものの、レーザピーニングを行った試料ＬＰ及び試料ＬＰ＋ＳＰの表面粗さよりは低い。ショットピーニングによれば、面精度の悪化が抑制できることが分かった。試料ＬＰ＋ＳＰの表面粗さは、試料ＬＰの表面粗さよりも低い。レーザピーニングにより悪化した面精度が、ショットピーニングにより改善されたと考えられる。

Ｗ…ワーク。

Claims (6)

1. ワークに平面波状の衝撃波を付与することで前記ワークの材料組織を高密度転移させる第一工程と、
   前記第一工程後の前記ワークに研削を行うことなく、物理的な衝突により、前記ワークに球面波状の衝撃波を付与することで前記ワークを塑性変形させる第二工程と、を含み、
   前記第二工程では、前記ワークを塑性変形させることにより、前記ワークの材料組織を変態させる、
   表面処理方法。
2. 前記第一工程における前記ワークの有効加工深さは、前記第二工程における前記ワークの有効加工深さよりも深い、
   請求項１に記載の表面処理方法。
3. 前記第一工程における前記ワークの有効加工深さは、０．３ｍｍ以上であり、
   前記第二工程における前記ワークの有効加工深さは、５０μｍ以下である、
   請求項１又は２に記載の表面処理方法。
4. 前記第二工程では、前記ワークの材料組織を加工誘起マルテンサイト変態させる、
   請求項１～３のいずれか一項に記載の表面処理方法。
5. 前記第一工程では、前記ワークにレーザ波を照射することにより、前記ワークに平面波状の衝撃波を付与し、
   前記第二工程では、前記ワークにショットピーニングを行うことにより、前記ワークに球面波状の衝撃波を付与する、
   請求項１～４のいずれか一項に記載の表面処理方法。
6. 前記第二工程では、前記ワークにおける残留オーステナイト量を１０体積％以上減少させる、
   請求項１～５のいずれか一項に記載の表面処理方法。

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