JPH02240212A - 鋼材の表層部の硬化方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、鋼材表層部の硬化方法に関し、詳しくは、掻
めて高い耐疲れ特性が要求される内燃機関用弁ばねなど
の鋼材の表層部の硬化方法に関するものである。

（従来の技術） 鋼材の表層部の硬化方法として、ショットピーニングに
よる硬化方法は広り一般に知られており、例えば、日本
ばね工業会制定のＪＳＭＡ　　Ｎｏ、１（１９Ｂ２）シ
ョットピーニング作業標準がある。

しかし、これまでのショットピーニング作業では、ショ
ット投射後の鋼材の表面粗さ、ショット投射エネルギー
等の要因が疲れ強さに及ぼす影響を定量的に記載したも
のがな（、このため、ショットピーニング後の疲れ強さ
はショットピーニングの作業単位で大きく変動している
。

また、表面を窒化処理した後に、ショットピーニングを
行う方法として、特開昭６３−７６７３０号が堤案され
ている。

（発明が解決しようとする！！題） ところで、上述した従来技術では、ショットピーニング
における最適な投射エネルギーの規定がなく、このため
、同じ最大圧縮残留応力が得られても表面粗さがまちま
ちであり、これが疲れ強さを大きく変動させる原因にな
っている。

さらに、表層部の最大圧縮残留応力が低（、また、表面
の圧縮残留応力との差が大きいため表面から最大圧縮残
留応力までの応力分布が平坦でない場合、表面欠陥また
は表層部の内部欠陥から鋼材は疲れ破壊するという問題
がある。従って、本発明の課題とするところは、表面粗
さの低減と圧縮残留応力の表面からその最大値までの分
布を平坦にし、かつ、圧縮残留応力を高めることである
（課題を解決するための手段） 本発明は、上記に説明した鋼材の表層部の硬化方法の問
題点に鑑み、本発明者らが表面粗さの低減と圧縮残留応
力の平坦かつ大きな分布を得るために鋭意研究を重ねた
結果完成されたものである、その要旨は、鋼材の表層部
の硬化方法であって、ショットピーニングとショットピ
ーニング後の低温焼鈍の組合せを一工程とし、第１の工
程は、鋼材の表面に鋼材の硬さ以上の硬さをもつシヨ。

ト粒を投射エネルギー０．４５〜７．０ｇｍ’／ｓ２で
投射し、その後、鋼材を８０〜３００°Ｃの温度で焼鈍
することとし、第２の工程は、鋼材の表面に鋼材の硬さ
以上の硬さをもつショット粒を投射エネルギー０゜０１
〜１．５１ｍ”／ｓ”で投射し、その後、鋼材を８０〜
３００℃の温度で焼鈍することとし、かつ、ショット粒
径はショット投射ごとに前のショット投射時のショット
粒径に同じかそれ以下とし、ショット投射エネルギーは
ショット投射ごとに１幀次低下させ、上記第１の工程の
後に第２の工程を少なくとも１回以上行う鋼材の表層部
の硬化方法である。

（作用） 本発明に係わる鋼材の表層部の硬化方法について以下詳
細に説明する。

まず、ショット投射について説明する。

ショット投射は、鋼材表層部に圧縮残留応力を付与し、
鋼材の疲れ強さを向上させるものである第１の工程のシ
ョット投射エネルギーが７．０ｇｍ”／　ｓ２より大き
な場合、第２の工程の繰返しショット投射において、前
のショット投射よりもショット粒径および投射エネルギ
ーを順次小さくしたショット投射を行っても、第１の工
程のショット投射の影響が大きく残り、表面肌は粗（な
る、さらに、オーバーピーニングにより鋼材表面の塑性
変形率が大きくなり表面の圧縮残留応力が低下し、鋼材
表面から疲れ亀裂が発生し疲れ強さを逆に低下させる。

また、第１の工程のショット投射エネルギーが０．４５
ｇｍ”／ｓ”未満では十分な圧縮残留応力は得られない
、従って、第１の工程のショット投射エネルギーは０．
４５〜７．０８−１７ｓ１とする。

第２の工程の繰返しショット投射におけるショット投射
エネルギーが１．５　ｇｍ”八２より大きな場合、表面
粗さの低減効果は得られず、また、ショット投射エネル
ギーが０．０１ｇｍ”／ｓ”未満でも表面粗さの低減効
果は得られない、従って、第２の工程のショット投射エ
ネルギーは０．０１〜１．５　ｇｍ”／ｓｉとする。

また、表面粗さの低減のため、ショット粒径はショット
投射ごとに前のショット投射時のショット粒径かそれ以
下とし、ショット投射エネルギーはショット投射ごとに
順次低下させるものとする次に、ショット投射後の低温
焼鈍について述べる。

ショット投射後の低温焼鈍は、ショッ］投射による微視
的内部ひずみに起因する弾性限の低下を回復することが
でき、かつ、圧縮残留窓ノコの最大値をやや低め、表面
の圧縮残留応力を道に高め、表面から圧縮残留応力の最
大値までの残留応力の分布を平坦にする効果がある。

低温焼鈍温度を３００°Ｃより高くすると圧縮残留応力
が急激に低下し、ショット投射の効果がなくなる。また
、８０℃未満では圧縮残留応力の表面からその最大値ま
での分布を平坦にする効果がない、従って、ショット投
射後の低温焼鈍温度は８０〜３００°Ｃとする。

一方、低ｍ境鈍時間については、６０分を超えると圧縮
残留応力が急激に低下し、また、３分未満では表面の圧
縮残留応力を高める効果が十分に１斗られないため、３
〜６０分間とすることが好ましい留応力を測定した。そ
の結果をショット投射条件及び低′／ｒ１焼鈍条件とと
もに第１表に示す。

（以下余白） 第２の工程を少なくとも１回以上行う理由は、鋼材表面
の粗さを低減することと表面からの圧縮残留応力分布を
平坦かつ高めるためである。

（実施例） 本発明の構成は上記の通りであるが、以下に実施例につ
いて説明する。

実施例及び比較例とも引張強さ２１０ｋｇｆ／ｍｓ”　
（ロックウェル硬さＨＲＣ５５）級の弁ばね用Ｓｔ　−
Ｃｒｔｉｉｉｌのオイルテンパー線、直径４１１ｍ、長
さ６００ｍｍを供試材に用い、第１表に示すショット投
射条件及び低温焼鈍条件にしたがい、供試材にロックウ
ェル硬さＨＲＣ６１のシジット粒を遠心式加速方法で投
射しその後低温焼鈍を行った。

これらの操作の後、最大表面粗六と最大圧縮残また、実
施例Ｈ，ｌ及び比較例Ｊ、Ｋについて、鋼材表面から中
心部に向けて残留応力の分布状態を調べた。その結果を
第１図に示す。

第１図の横軸は鋼材表面からの深さを、縦軸は残留応力
をそれぞれ示し、残留応力の負は圧縮残留応力を、正は
引張残留応力を示す。

さらに、実施例１と比較例Ｂ、Ｋについて、各１２本の
試験片を準備し、嶋津製作所製の中村弐回転曲げ疲れ試
験機を用いて、試験応力９０．０ｋｇｆ／ａｍ”で疲れ
試験を行った。その結果を第２表に示す。

（以下余白） 第２表 る。

比較例Ａは、１回目のショット投射エネルギーが１３．
８５Ｂ”／ｓ”と本発明の規定値を超えているため、２
回目のショット投射エネルギーを０．１３８ｍ”／Ｓ２
に低下させても１回目のショット投射の影響が残り、最
大表面粗さは３１．５μ鋤と粗くなっている比較例Ｂは
、１回目のショット投射エネルギーが比較例Ａと同じで
あるため、３回のショット投射を行ったにも拘らず表面
粗さは２０．８μｍと粗く、また、表面はオーバーピー
ニングの状態である、このため、第２表に示すように疲
れ試験の結果、１２本中４本が何れも表面欠陥から破壊
しており、これらの中、２本が繰返し数１０″のオーダ
で、他の２本が繰返し数１０’のオーダで破壊している
。このように、表面粗さが粗く、オーバーピーニングの
状態では、例え、最大圧縮残留応力が８８．８ｋｇｆ／
ｓｓ＋”と高くとも、耐疲れ特性は低下している比較例
Ｃは、１回目のショット投射において、ショット粒径を
１ｍｍ、ショット投射エネルギーを９．４３ｇｍ”／ｓ
”と比較例Ａよりも小さくしているが、本発明の規定値
７．０　ｇｍ”／ｓ”以下を満足していないため、表面
粗さは比較例Ａよりも小さくはなっているが、まだ１４
．３μ−と粗い。

比較例りは、比較例Ｂに対して１回目のショット投射に
おいて、ショット粒径を１ｍｍ、ショット投射エネルギ
ーを９．４３ｇｍ”／ｓ”と小さくしているが、本発明
の規定値を超えているため、表面粗さは比較例日よりも
小さくなっているものの、まだ１２２μ閣と粗い。

比較例Ｅは、１回目のショット投射エネルギーは６．９
３ｇｍ”／ｓ”と本発明の規定値７．０　ｇｇ＋”／ｓ
”以下を満足しているが、２回目のショット投射エネル
ギーが２．０４ｇｍ”／ｓ”Ｓと本発明の規定（Ｊｌｌ
、５　ｇｍ”／ｓ”以下を満足していないため表面粗さ
は１２．８μ−と比較例りよりも粗くなっている。

比較例Ｆは、比較例Ｅに３回目のショット投射を行った
ものであるが、２回目のショット投射エネルギーが本発
明の規定値を超えているため、十分な表面粗さの低減効
果が得られず、表面粗さは比較例Ｅよりもやや小さくは
なっているが、まだ１１．７　ｔノー　と粗い。

実施例Ｇは、１回目のショット投射はショット粒径１．
抛−、ショット投射エネルギー６．９３ｇｍ”／ｓ”で
行い、２回目のショット投射はショット粒径０゜３ａ＋
ｓ　、ショット投射エネルギー０．１３ｇ１１２／ｓ”
で行ったものである６表面粗さは８．９μ−と小さく、
最大圧縮残留応力は８２．４ｋｇｆ／ａｍ”　テｉｉ：
ｙ　ル。

実施例Ｉｆは、１回目のショット投射はショット粒径１
．Ｏｍｍ　、ショット投射エネルギー６．９３ｇｍ”／
ｓ”で行い、２回目のショット投射はショット粒径０゜
６ｍ１１、ショット投射エネルギー１．５０ｇｍ”／ｓ
”で行ったものである。２回目のショット投射エネルギ
ーは本発明の規定値の上限ではあるが、表面粗さはｉｏ
、ｏμ錫と小さい。また、第１図に示すように、鋼材表
面から最大圧縮残留応力までの残留応力の分布は多少の
凹凸はあるものの、鋼材表面の圧縮残留応力の向上が図
られている。

実施例Ｉは、１回目のショット投射はショット粒径１．
Ｏｍｎ　、ショット投射エネルギー６．９３４＋ｍ２／
ｓ”で行い、２回目のショット投射はショット粒径０゜
６ｍｍ　、ショット投射エネルギー１．０４ｇｍ”／ｓ
”で行い、３回目のショット投射はショット粒径０．３
−ｍ、ショット投射エネルギー０．１３ｇｍ”／ｓ”で
行ったものである０表面粗さは７．６　μ楓と非常に小
さく、最大圧縮残留応力は８２．６ｋｇｆ／ｍ＋＊”で
ある。また、第１図に示すように、鋼材表面から最大圧
縮残留応力までの残留応力の分布は掻めて平坦である。

このため、第２表に示すように疲れ試験の結果、１２本
中１２本とも繰返し数１０７回まで未破壊であり非常に
良い耐疲れ特性を示している。

比較例ｊは、実施例Ｇ−１で行った１回目のショット投
射のみを行ったもので、表面粗さは２３．５μｍと粗く
、最大圧縮残留応力は８０．０ｋｇｆ／ｍｍ”と低い。

また、第１図から明らかなように、鋼材表面の圧縮残留
応力は低く、鋼材表面から最大圧縮残留応力までの残留
応力の分布は平坦ではない。

このように、１回のショット投射と１回の低温焼鈍のみ
では、鋼材表面の高い圧縮残留応力と平坦な圧縮残留応
力の分布を得ることはできない。

比較例には、実施例Ｉの低温焼鈍条件を変えたもので、
実施例Ｉの１回目と２回目の低温焼鈍を省略し、３回目
の低温焼鈍の温度を１２０℃から２３０℃に変えたもの
で、表面粗さ及び最大圧縮残留応力は実施例Ｉと同じで
あるが、低温焼鈍の実施回数が少ないため、第１図に示
すように、鋼材表面から最大圧縮残留応力までの残留応
力分布には大きな凹凸がある。このため第２表に示すよ
うに、疲れ試験の結果１２本中２本が表層部の内部欠陥
から破壊しており、何れも繰返し数１０−回のオーダで
破壊している。

以上の実施例の結果からも明らかなように、本発明に係
わる鋼材の表層部の硬化方法は極めて高い耐疲れ特性が
要求される内燃機関用弁ばねなどの鋼材の表層部の硬化
方法に最も相応しいものである。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明に係わる鋼材の表層部の硬
化方法は、鋼材の表面粗さの低減および圧縮残留応力の
表面からその最大値までの分布を平坦にし、かつ圧縮残
留応力残留応力を高めることんより、極めて高い耐疲れ
特性が要求される鋼材の表層部の硬化に優れた効果を有
するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は鋼材表面から中心部への残留応力の分布状態を
示すグラフである。 第１図（ａ） 鋼材表面からの深さ（ｍｍ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 鋼材の表層部の硬化方法であって、ショットピーニング
   とショットピーニング後の低温焼鈍の組合せを一工程と
   し、第１の工程は、鋼材の表面に鋼材の硬さ以上の硬さ
   をもつショット粒を投射エネルギー０．４５〜７．０ｇ
   ｍ＾２／ｓ＾２で投射し、その後、鋼材を８０〜３００
   ℃の温度で焼鈍することとし、第２の工程は、鋼材の表
   面に鋼材の硬さ以上の硬さをもつショット粒を投射エネ
   ルギー０．０１〜１．５ｇｍ＾２／ｓ＾２で投射し、そ
   の後、鋼材を８０〜３００℃以下の温度で焼鈍すること
   とし、かつ、ショット粒径はショット投射ごとに前のシ
   ョット投射時のショット粒径に同じかそれ以下とし、シ
   ョット投射エネルギーはショット投射ごとに順次低下さ
   せ、上記第１の工程の後に第２の工程を少なくとも１回
   以上行うことを特徴とする鋼材の表層部の硬化方法。