JPH10166271A - 軽合金製品のショットピーニング方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 特殊な組成の材料としたり、熱処理条件等の
その他の特定の処理と組み合せたりすることなく、単に
投射材を投射する簡単な工程だけで疲労強度を改善でき
る軽合金製品のショットピーニング方法を提供するこ
と。 【解決手段】 軽合金製品に投射する投射材として、軽
合金製品における被処理表面のビッカース硬度値と略等
しい表面硬度値としたものを使用する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、アルミニウム合
金、マグネシウム合金等の軽合金製品の疲労強度を改善
するためのショットピーニング方法に関し、特に、処理
温度条件や被処理製品の組成を変更することなく、投射
材を投射して軽合金製品に衝突させるショットピーニン
グ方法自体で、疲労強度を改善することができる軽合金
製品のショットピーニング方法に関する。

【０００２】

【従来の技術とその課題】従来、ショットピーニング方
法は、例えば、自動車部品等のような高い信頼性を要求
される鉄系金属製物品において、疲労強度を高める方法
として慣用的に使用されていたが、昨今の省エネルギー
や性能向上を図るための軽合金製の自動車部品等におい
ても、ショットピーニング方法により、疲労強度を高め
ることが試みられている。

【０００３】しかし、鉄系金属製品を対象として改良さ
れてきた従来のショットピーニング方法、例えば、特開
平２−２２８４４８号公報に記載されているような、投
射材の硬度を高めたり、あるいは、投射速度を速めると
いう方法によって、軽合金製品を処理すれば、過度の加
工力によって表面組織の塑性変形を生じて、却って残留
応力が低下するオーバーピーニングの状態となり、さら
に、表面粗度も著しく悪化するため、好ましくない。

【０００４】そこで、例えば、特開平１−２５５６５３
号公報に記載されているように、材料自体の疲労強度を
高めるとともにその被ショットピーニング性を改善する
試みや、特開平４−２２１７４７号公報に記載されてい
るように、熱処理条件を調整して疲労強度を高める試み
や、特開平５−１７９４１１号公報に記載されているよ
うに、表面に硬質の別な材料を含有させて疲労強度を高
める試み等が提案されていた。

【０００５】しかしながら、これらの方法では、ショッ
トピーニング自体の改善ではなく、他の作用と組み合せ
て行なう方法であり、軽合金製品の製造工程が複雑とな
って、コストの高騰を招き、さらに、用途が限られてし
まう課題もあった。

【０００６】また、例えば、特開昭５５−１４４９６４
号公報に記載されているように、アークハイト値や残留
応力値を管理して、オーバーピーニング状態を抑制しよ
うとする試みがあるが、この方法では、厳格な管理化で
従来のショットピーニング方法を軽合金製品に適用しつ
つトライアンドエラーで行なうことから、簡単に疲労強
度を改善することができなかった。

【０００７】本発明は、上述の課題を解決するものであ
り、特殊な組成の材料としたり、熱処理条件等のその他
の特定の処理と組み合せたりすることなく、単に投射材
を投射する簡単な工程だけで疲労強度を改善できる軽合
金製品のショットピーニング方法を提供することを目的
とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明に係るショットピ
ーニング方法は、疲労強度を改善する軽合金製品のショ
ットピーニング方法であって、前記軽合金製品に投射す
る投射材が、前記軽合金製品における被処理表面のビッ
カース硬度値（Ｈｖ値）と略等しいＨｖ値とした軟質投
射材としていることを特徴とする。

【０００９】さらに、上記処理を第２段階として、その
前の第１段階の工程で、前記軽合金製品をオーバーピー
ニング状態とするように、前記軽合金製品のＨｖ値より
高いＨｖ値とした硬質投射材を投射しておいても良い。

【００１０】そして、前記軟質投射材は、銅製、若しく
は、亜鉛製、あるいは、それらを主成分とする合金製の
球状粒子とすることが望ましく、さらに、平均粒子径を
０．０４〜０．８mmとすることが望ましい。

【００１１】

【発明の効果】本発明に係るショットピーニング方法で
は、軽合金製品に投射する投射材が、軽合金製品のＨｖ
値と略等しいＨｖ値として、従来のショットピーニング
方法に使用する投射材に比べて、著しく軟質材としてい
る。

【００１２】そのため、軽合金製品の被処理表面との衝
突時、投射材が弾性変形し、投射材と被処理表面との接
触面積が増えて、被処理表面に大きなクレーター状の塑
性変形部位を生じさせない。すなわち、投射材の衝突時
の運動エネルギーを、軽合金製品の塑性変形に費やさず
に、効率良く圧縮残留応力の増加に転換させることがで
きて、軽合金製品の疲労強度の改善が可能となる。そし
て、表面に蓄積される圧縮残留応力は、表面に塑性変形
が生ずればその変形に作用して減失してしまうが、本発
明のショットピーニング方法では、表面の塑性変形を少
なくしてショットピーニング処理を行なうことから、表
面近傍の圧縮残留応力が高く保たれて、疲労強度の優れ
た軽合金製品を得ることができることとなる。

【００１３】したがって、本発明に係るショットピーニ
ング方法では、特殊な組成の材料としたり、熱処理条件
等のその他の特定の処理と組み合せたりすることなく、
単に軽合金製品と略等しいＨｖ値の投射材を投射する簡
単な工程だけで、軽合金製品の疲労強度を改善できる。
そして、従来の鉄系金属製品に使用していた汎用のショ
ットピーニング装置を使用できることから、本発明のシ
ョットピーニング方法を実施する際のイニシャルコスト
の増加を抑えることができ、また、熱処理等も不要であ
るため、疲労強度を向上させた軽合金製品を安価に製造
することが可能となる。

【００１４】さらに、上記のショットピーニング方法で
は、オーバーピーニング状態となって、圧縮残留応力を
減失した被処理表面へ圧縮残留応力を再度付与すること
も可能となることから、上記処理を第２段階として、そ
の前の第１段階の工程で、軽合金製品をオーバーピーニ
ング状態とするように、軽合金製品のＨｖ値より高いＨ
ｖ値とした硬質投射材を投射して処理しておけば、一
層、疲労強度を改善した軽合金製品を得ることができ
る。

【００１５】すなわち、第１段階で、硬質投射材が投射
され、表面近傍では、オーバーピーニング状態となって
著しい硬度低下を招くが、硬質投射材が弾性変形せずに
接触面積を小さくして衝突するため、単位面積当りの衝
突時の運動エネルギーが高くなり、最大残留応力深さを
軟質投射材の投射に比べて深くすることができる。

【００１６】その結果、第２段階で上記の軟質投射材の
投射を行なえば、深部の圧縮残留応力を損なうことな
く、被処理表面の粗さを改善するとともに、表面近傍の
硬度を向上させることができて、軽合金製品の疲労強度
を一層改善することができることとなる。

【００１７】また、使用する軟質投射材として、銅製、
若しくは、亜鉛製、あるいは、それらを主成分とする合
金製の球状粒子とすれば、容易に入手できて、安価にシ
ョットピーニング方法を実施できる。

【００１８】すなわち、軽合金製品は、通常、Ｈｖ値を
８０程度としており、軟質投射材としては、Ｈｖ値を４
０〜１２０程度とすれば良いこととなる。そして、この
数値の範囲内に入るものでは、銅製、亜鉛製、あるい
は、それらを主成分とした合金製の粒子が、安価に市販
されており、容易に入手できるからである。

【００１９】さらに、銅製、若しくは、亜鉛製、あるい
は、それらを主成分とする合金製の球状粒子は、粉塵爆
発を生じ難く、かつ、比重も、従来のショットピーニン
グ方法で通常使用されるステンレス製や鋳鋼製の投射材
と同様であるため、入手容易な所定の銅製等の投射材に
単に変更するだけで、従来の鉄系金属製品に使用してい
たショットピーニング装置をそのまま使用して本発明を
実施できることから、軽量化・省エネルギー化・低公害
化・低コスト化等の観点から、鉄系金属製品を軽合金製
品に代替する自動車部品の分野で、効果的に本発明を活
用することができる。

【００２０】さらにまた、軟質投射材として、平均粒子
径を０．０４〜０．８mmとすれば、一層、軽合金製品に
高い疲労強度を付与することができる。

【００２１】なぜなら、軟質投射材を含めた通常の金属
製投射材は、真比重値を７〜８としており、弾性変形可
能な軟質投射材では、平均粒子径が０．０４mm未満の
０．０３mm以下では、投射時の投射材１粒当りの運動エ
ネルギーが小さいことから、最大圧縮残留応力が小さく
なって、疲労強度の改善が不十分となり、逆に、平均粒
子径が０．８mmを超える１．０mm以上とすれば、投射時
の投射材１粒当りの運動エネルギーが大きくなり過ぎ
て、オーバーピーニングを生じさせ易くなるからであ
る。

【００２２】

【発明の実施の形態】本発明の第１実施形態であるショ
ットピーニング方法は、従来の鉄系金属製品に施してい
たショットピーニング処理において、使用する投射材
を、軽合金製品のＨｖ値と略等しいＨｖ値とした軟質投
射材に変更したことを特徴とするものである。

【００２３】実施形態の優位性を示すために、表１に示
す軽合金製品に対して、表２に示す投射材を使用した結
果を、表３に示す。

【００２４】なお、疲労強度としては、平面曲げ疲れ試
験方法（ＪＩＳ Ｚ２２７５）に準拠して測定した疲労
寿命を、従来の慣用のショットピーニング方法（表３の
比較例ａに示すもので、Ｈｖ値８８、面粗度（十点平均
粗さＲｚ）３μｍのアルミニウム合金（ＡＣ４Ｃ Ｔ６
処理）に対して、真比重値を７．６、Ｈｖ値を５２０、
平均粒子径を０．５mmとしたステンレス製の投射材を、
使用した場合）による疲労寿命を１００とした場合の換
算値となる疲労寿命比として表した。

【００２５】また、投射材以外のショットピーニング処
理の装置や条件は、汎用的なものであり、具体的に説明
すれば、ショットピーニング装置はインペラー式ショッ
トブラスト装置（新東ブレーター（株）製ＤＺＢ−Ｏ
Ｔ）を使用し、投射材の投射速度は６０ｍ／秒、打痕率
は３００％とした。

【００２６】

【表１】

【００２７】

【表２】

【００２８】

【表３】

【００２９】表３から解るように、実施例１では、Ｈｖ
値が８８であるアルミニウム合金（甲）に対して、真比
重値を７．１、Ｈｖ値を甲の５７％とした５０、平均粒
子径を０．５mmとした亜鉛粒子（イ）からなる投射材を
投射させた場合であり、その疲労寿命比が、Ｈｖ値を甲
の５９１％とした５２０のステンレス粒子（ホ）からな
る投射材を投射させた比較例ａの、２．４倍に延びてい
る。

【００３０】さらに詳しく検討すれば、最大残留応力の
値では、実施例１が−１８５ＭＰａ、比較例ａが−２０
０ＭＰａとして、若干比較例ａの方が大きいが、表面残
留応力の値では、実施例１が−１５７ＭＰａとして殆ど
低下がみられないのに対し、比較例ａが−２５ＭＰａと
して大幅に低下してオーバーピーニング状態となってお
り、また、面粗度（Ｒｚ）の値でも、実施例１が３０μ
ｍ、比較例ａが１１０μｍとして大きく悪化しており、
比較例ａが完全にオーバーピーニング状態となっている
ことが解る。

【００３１】そして、甲に対して、真比重値を８．９、
Ｈｖ値を甲と全く等しくした８８、平均粒子径を０．５
mmとした銅粒子（ロ）からなる投射材を投射させた実施
例２、真比重値を８．５、Ｈｖ値を甲の１３６％とした
１２０、平均粒子径を０．５mmとした黄銅粒子（ハ）か
らなる投射材を投射させた実施例３、及び、真比重値を
７．６、Ｈｖ値を甲の６３％とした５５、平均粒子径を
０．５mmとした純鉄粒子（ニ）からなる投射材を投射さ
せた実施例４、についても、実施例１と同様に、面粗度
の低下を抑えて疲労寿命比が延びている。

【００３２】また、Ｈｖ値が８０であるマグネシウム合
金（乙）に対して、真比重値を７．１、Ｈｖ値を乙の６
３％とした５０、平均粒子径を０．５mmとした亜鉛粒子
（イ）からなる投射材を投射させた実施例５の場合で
も、その疲労寿命比が、比較例ａの２．６倍に延びてい
る。

【００３３】逆に、比較例ｂに示すように、甲に対し
て、真比重値を７．５５、Ｈｖ値を甲の８．３倍の７３
０、平均粒子径を０．５mmとして、ステンレス製投射材
と同様に慣用的にショットピーニングに使用される鋳鋼
製投射材（ヘ）を投射した場合には、最大残留応力が−
２１０ＭＰａと高いものの、表面残留応力が−２１ＭＰ
ａと低く、かつ、面粗度（Ｒｚ）の値も１２３μｍとし
て大きく悪化して、オーバーピーニング状態としてお
り、疲労寿命比も９０と低下している。

【００３４】したがって、表３から解るように、甲や乙
の軽合金製品に投射する投射材が、軽合金製品のＨｖ値
と略等しいＨｖ値（軽合金製品のＨｖ値の５０〜１５０
％程度）としておれば、投射材の材質に拘らず、甲や乙
の軽合金製品の疲労強度を向上させることが解る。

【００３５】なお、軽合金製品に投射する投射材のＨｖ
値は、軽合金製品のＨｖ値と略等しい値、具体的には、
軽合金製品のＨｖ値の５０〜１５０％程度としておれば
良く、その範囲より著しく低いＨｖ値であれば、投射材
が破損してショットピーニング効果を得難く、その範囲
より著しく高いＨｖ値とすれば、オーバーピーニング状
態となることから、好ましくない。

【００３６】また、ショットピーニングに使用される鉄
系投射材は、市販されているアトマイズ粉を利用するこ
とが多いが、そのような鉄系のアトマイズ粉は炭素の含
有量が多くてＨｖ値を５００程度としており、軽合金製
品に使用する上記範囲のＨｖ値の鉄系アトマイズ粉は、
容易に入手できず、別途製造する必要が生ずる。それに
対して、銅製、若しくは、亜鉛製、あるいは、それらを
主成分とする合金製のアトマイズ粉は、容易に入手で
き、安価に実施形態のショットピーニング方法を実施で
きる。

【００３７】第２実施形態のショットピーニング方法
は、２段階のショットピーニング処理を行なうものであ
り、第１段階で、軽合金製品をオーバーピーニング状態
（最大残量応力値より表面残留応力値が著しく低下する
状態）とするように、軽合金製品のＨｖ値より高いＨｖ
値とした硬質投射材を投射し、第２段階で、軽合金製品
のＨｖ値と略等しいＨｖ値（軽合金製品のＨｖ値の５０
〜１５０％程度）とした軟質投射材を投射するものであ
る。

【００３８】第２実施形態の優位性を示すため、表１に
示す製品に対して、表２に示す硬度の異なる投射材を投
射した結果を、表４に示す。

【００３９】なお、比較例ｃは、表３の実施例１であ
り、比較例ｄは、表３の比較例ａである。また、第１・
２段階において、共に、使用したショットピーニング装
置は、インペラー式ショットブラスト装置（新東ブレー
ター（株）製ＤＺＢ−ＯＴ）を使用し、投射材の投射速
度を６０ｍ／秒、打痕率を３００％とした。

【００４０】

【表４】

【００４１】表４から解るように、ステンレス製投射材
（ホ）で第１段階のショットピーニング処理をし、続い
て亜鉛製投射材（イ）で第２段階のショットピーニング
処理をした実施例１０は、第１段階のショットピーニン
グ処理で生じたオーバーピーニング状態（比較例ｄの状
態）のその最大残留応力を損なうことなく、第２段階で
表面残留応力を増加させることができ、その結果、面粗
度の悪化を抑えて、亜鉛製投射材（イ）のみによる処理
（比較例ｃ）の２４０やステンレス製投射材（ホ）のみ
による処理（比較例ｄ）の１００に比べて、高い３３０
という疲労寿命比としている。

【００４２】同様に、ステンレス製投射材（ホ）で第１
段階のショットピーニング処理をし、続いて銅製投射材
（ロ）で第２段階のショットピーニング処理をした実施
例１１も、３５０という高い疲労寿命比を獲得すること
ができた。

【００４３】逆に、実施例１０の逆工程、すなわち、第
１段階で亜鉛製投射材（イ）のショットピーニング処理
をし、第２段階でステンレス製投射材（ホ）のショット
ピーニング処理をした比較例ｅでは、ステンレス製投射
材（ホ）のみによる処理（比較例ｄ）より、低い９０と
いう疲労寿命比となった。

【００４４】したがって、表４から解るように、第１段
階で、軽合金製品をオーバーピーニング状態とするよう
に、軽合金製品のＨｖ値より高いＨｖ値とした硬質投射
材を投射し、第２段階で、軽合金製品のＨｖ値と略等し
いＨｖ値（軽合金製品のＨｖ値の５０〜１５０％程度）
とした軟質投射材を投射するようにして、２段階でショ
ットピーニング処理する場合には、第１実施形態に比べ
て、さらに疲労強度を向上させることができる。

【００４５】なお、第１段階で使用する硬質投射材は、
軽合金製品をオーバーピーニング状態にできれば良く、
軽合金製品のＨｖ値が８０程度であるため、２倍程度以
上となる２００程度以上のＨｖ値の投射材を使用すれば
良いが、Ｈｖ値を２００以上とする投射材で、市販され
て入手しやすいものとしては、Ｈｖ値を５００程度とす
る鉄系投射材があるのみであるから、現実的には、軽合
金製品の５倍以上高いＨｖ値であるものの、鉄系投射材
を使用すれば、安価に軽合金製品の疲労強度を向上させ
ることができる。

【００４６】第３実施形態のショットピーニング方法
は、投射材として、軽合金製品のＨｖ値と略等しいＨｖ
値とした軟質投射材を使用する場合、その平均粒子径を
０．０４〜０．８mmとすることを特徴とするものであ
る。

【００４７】第３実施形態の優位性を示すために、表５
に示す投射材を使用した結果を、表６に示す。

【００４８】なお、使用したショットピーニング装置
は、インペラー式ショットブラスト装置（新東ブレータ
ー（株）製ＤＺＢ−ＯＴ）を使用し、投射材の投射速度
を６０ｍ／秒、打痕率を３００％とした。

【００４９】

【表５】

【００５０】

【表６】

【００５１】表６から解るように、平均粒子径０．１０
mmの亜鉛粒子（チ）を投射材とした実施例２０では、疲
労寿命比が、平均粒子径０．５mmの実施例１に比べて、
低いものの、２０５として延びており、そして、面粗度
を１８μｍとして、実施例１の３０μｍより小さいこと
から、表面の軟らかさを重視する用途の軽合金製品のシ
ョットピーニング方法に適することとなる。

【００５２】また、平均粒子径０．８０mmの亜鉛粒子
（リ）を投射材とした実施例２１では、疲労寿命比が２
４０と延びているものの、やや表面残留応力の低下がみ
られて、オーバーピーニングの兆候が表われているが、
実用上利用できる。

【００５３】これに対し、平均粒子径０．０３mmの亜鉛
粒子（ト）を投射材とした比較例ｆでは、面粗度を殆ど
増加させないものの、表面残留応力値が低いままであっ
て、疲労寿命比が８０であり、十分でない。また、平均
粒子径１．００mmの亜鉛粒子（ヌ）を投射材とした比較
例ｇでは、オーバーピーニングの傾向が強まって、表面
残留応力の低下が進むとともに面粗度も５７μｍと増加
し、疲労寿命比を１６０として、疲労強度の向上が十分
図れない。さらに、ステンレス粒子（ル）を投射材とし
た比較例ｈでは、平均粒子径が０．０３mmであっても、
Ｈｖ値が５２０と高いことから、オーバーピーニング状
態となって、疲労寿命比を１０５としており、全く疲労
強度の向上が図れない。

【００５４】したがって、表６から解るように、軽合金
製品のＨｖ値と略等しいＨｖ値（軽合金製品の５０〜１
５０％のＨｖ値）とした軟質投射材を使用した場合、そ
の平均粒子径を０．０４〜０．８mmとすれば、軽合金製
品に高い疲労強度を付与できる。なぜなら、軟質投射材
を含めた通常の鉄製・亜鉛製・銅製等の金属製投射材
は、真比重値を７〜８としており、軽合金製品と略等し
いＨｖ値の弾性変形可能な軟質投射材であれば、平均粒
子径が０．０４mm未満の０．０３mm以下では、投射材１
粒当りの運動エネルギーが小さいことから、最大圧縮残
留応力が小さくなって、疲労強度の改善が不十分とな
り、逆に、平均粒子径が０．８mmを超える１．０mm以上
とすれば、投射材１粒当りの運動エネルギーが大きくな
り過ぎ、オーバーピーニングを生じさせ易くなるからで
ある。

フロントページの続き (72)発明者 水野 剛彦 愛知県西春日井郡西春町大字宇福寺字神明 51番地 新東ブレーター株式会社内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 疲労強度を改善する軽合金製品のショッ
   トピーニング方法であって、 前記軽合金製品に投射する投射材が、前記軽合金製品に
   おける被処理表面のビッカース硬度値と略等しい表面硬
   度値とした軟質投射材としていることを特徴とする軽合
   金製品のショットピーニング方法。
2. 【請求項２】 疲労強度を改善する軽合金製品のショッ
   トピーニング方法であって、 第１段階で、前記軽合金製品をオーバーピーニング状態
   とするように、前記軽合金製品における被処理表面のビ
   ッカース硬度値より高い表面硬度値とした硬質投射材を
   投射し、 第２段階で、前記軽合金製品における被処理表面のビッ
   カース硬度値と略等しい表面硬度値とした軟質投射材を
   投射することを特徴とする軽合金製品のショットピーニ
   ング方法。
3. 【請求項３】 前記軟質投射材が、銅製、若しくは、亜
   鉛製、あるいは、それらを主成分とする合金製の球状粒
   子としていることを特徴とする請求項１若しくは請求項
   ２記載の軽合金製品のショットピーニング方法。
4. 【請求項４】 前記軟質投射材が、平均粒子径を０．０
   ４〜０．８mmとしていることを特徴とする請求項１乃至
   請求項３記載の軽合金製品のショットピーニング方法。