JPWO2007023936A1 - ショットピーニング方法 - Google Patents
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Abstract
浸炭焼入れされた金属部品に対し、その疲労強度に悪影響を与える表面異常層のみを削食して、その表面異常層の直下にあるマルテンサイト組織は削食せず、即ち表面クラックを生じさせることがなく、疲労強度を安定且つ向上させることができるショットピーニング方法を開示する。投射されるショットには、ショットピーニングを施す前の金属部品の表層部に生成されている表面異常層の硬度(第１の硬度）よりも高く、且つマルテンサイト組織の硬度（第２の硬度）よりも低い硬度を有するショットを用いる。
Description
本発明はショットピーニング方法に関する。更に詳しくは、浸炭焼入れされた金属部品に対する疲労強度を向上させるショットピーニング方法に関する。
浸炭焼入れされた金属部品にショットピーニングを施すことは良く知られており、金属部品に小球即ちショットを連続的に投射することにより、その部品の表面近傍に圧縮残留応力を付与している。
このショットピーニング処理が施される前の浸炭焼入れされた金属部品、特にガス浸炭焼入れされた金属部品の表面付近の断面の観察によれば、最表層は厚さが約５μｍの酸化層であり、その直下には厚さ約１５μｍの粒界酸化層が存在し、更にこの下にはマルテンサイト組織が存在している。その酸化層及び粒界酸化層は、表面異常層若しくは不完全焼入れ層と称されており、製品の疲労強度に対して悪影響を与えていると考えられている。
従って疲労強度の向上を目的として、金属部品の表面異常層をショットの衝突により削食させるショットピーニング処理がなされている。そのような表面異常層を有する金属部品に対する従来のショットピーニング方法では、金属部品の表面異常層を削食するために、金属部品の表面の硬度よりも大きな硬度を有するショットが用いられている。
しかしながら本願の出願人が、ショットピーニング処理を施される前の表面異常層を有する金属部品、特にガス浸炭品のＨｖ硬度について断面から評価したところ、最表層である酸化層のＨｖ硬度は約３００であり、粒界酸化層のＨｖ硬度は約４３０であるが、マルテンサイト組織の部分のＨｖ硬度は約８５０以上であることが判った。
ところが市販のショットには、Ｈｖ硬度１０００以上の硬度を有するもの、即ち金属部品のマルテンサイト組織の硬度を上回るものも存在する。従って金属部品の表面硬度以上のショットを用いるという条件では、表面異常層の削食のみならず、健全なマルテンサイト組織（即ち、焼入れ性を向上させる元素であるＭｎやＣｒが粒界に移動していない状態のマルテンサイト組織）さえも削食するか、或いは健全なマルテンサイト組織の表面にクラックを生成させてしまい、ひいては金属部品の疲労強度が低下するおそれがある。
従って表面異常層のみを削食して、マルテンサイト組織には削食や表面クラックを生成させることがなく、金属部品の疲労強度を安定させてより向上させることが可能なショットピーニング方法が望まれる。
本発明のショットピーニング方法は、浸炭焼入れ又は浸炭窒化焼入れされた金属部品に対してショットを投射する方法であって、その投射されるショットには、ショットピーニングを施す前の金属部品の表層部に生成された表面異常層の硬度よりも高く、且つその表面異常層の直下のマルテンサイト組織の硬度より低い硬度であるショットを用いる。
本明細書において、用語「表面異常層」とは酸化層及び粒界酸化層を含む。
ショットのＨｖ硬度は、好ましくは４３０と８５０との間の範囲である。これは、一般に粒界酸化層のＨｖ硬度は約４３０であり、マルテンサイト組織の部分のＨｖ硬度は約８５０以上であるためである。
例えば、Ｈｖ硬度の測定に伴うばらつきを考慮するならば、マルテンサイト組織に対する削食や表面クラックを生成させることなく、表面異常層のみを削食することを更に確実にさせるには、ショットのＨｖ硬度は４３０よりも高く、８５０未満とすることが望ましいであろう。
本発明の方法に用いるショットとしては、例えば鋼球、セラッミク球、ジルコニア球などを用いることができる。
このショットの平均粒径は２０μｍ以上３ｍｍ未満の範囲が好ましい。これはショットの平均粒径が２０μｍ未満では、ショットピーニングの効果の一つである圧縮残留応力が充分に得られず、また平均粒径が３ｍｍを越える場合は、ショットの過大な重量による金属部品の表面の変形や欠けの問題が生じるためである。
更に本発明は、浸炭焼入れされた結果、表層部には表面異常層が生成され、その表面異常層の直下にはマルテンサイト組織を有する金属部品に対し、その表面異常層を削食するためにショットを投射するショットピーニング方法を与える。この方法は、金属部品における表面異常層の硬度である第１の硬度及びマルテンサイト組織の硬度である第２の硬度を実験的に又は経験的に求める段階と、投射すべきショットとして、第１の硬度と第２の硬度との間の範囲の硬度を有するショットを選択する段階と、選択されたショットを金属部品へ投射する段階とを含む。
以下に説明する本発明のショットピーニング方法の例示的な実施例においては、浸炭焼入れされた金属部品の一例として、歯車形状である浸炭鋼材（材料記号：ＳＣＭ４２０Ｈ）に対して、ガス浸炭焼入れ処理をなした金属部品を用いるが、本発明の対象となる金属部品はそれに限定されるものではない。
このガス浸炭焼入れ処理による表面層および断面組織を調べるために、金属部品の１つを試料として切断加工した後、３％ナイタール液によりエッチングし、熱可塑性樹脂に埋め込んだのち、研磨した。これを光学顕微鏡で観察したところ、図１に示す断面観察図（倍率：４００）のように、表面に黒くエッチングされた酸化層（範囲Ａ）、この酸化層の直下に生成された粒界酸化層（範囲Ｂ）、マルテンサイト層（範囲Ｃ）を確認した。
次いで、ビッカース硬度計を用いて同じ荷重による表面近傍の硬度を実験的に測定した。その結果を表１に示す。
また、このときの断面観察図（倍率：３０００）を図２に示す。図２において、Ｅ１及びＥ２は、表面近傍の粒界酸化層及びマルテンサイト層のビッカース硬度を測定したときのビッカース圧子の圧痕である。この圧痕の大きさからも、粒界酸化層の硬度が低いことが判る。
マルテンサイト層のＨｖ硬度が約８５６である金属部品に対して、その硬度より低いＨｖ硬度８００を有するショット（鋼球）を用いてショットピーニング処理をなした。
なお、ショットピーニング装置としては、直圧式のエアショットピーニング機を用いて、ピーニング条件としては、０．３ＭＰａ及びカバレージ３００％を採用した。このときの断面観察図（倍率：４５０）を図３に示す。図３からは、マルテンサイト層が露呈しない程度に酸化異常層が除去されている状態であるこことが判る。
比較のために、前述のショットピーニング装置およびピーニング条件のもとで、高いＨｖ硬度１０００を有するショット（ハイスピード鋼）を用いてショットピーニング処理をなした。このときの断面観察図（倍率：４５０）を図４に示す。図４から、異常酸化層は完全に削食されているが、その直下のマルテンサイト組織も削食されているので、表面クラックを生成させるなどの悪影響を与えていることが予想される。このように、必要以上に硬度の高いショットを用いると、マルテンサイト組織に悪影響を及ぼす。
一方、本発明の方法のように、表面異常層の硬度(第１の硬度）とマルテンサイト組織の硬度（第２の硬度）との間の範囲（但し、第２の硬度＞第１の硬度）の硬度を有するショットを用いる場合、マルテンサイト組織には何ら影響を及ぼすことなく（クラックを生じさせることなく）、ショットピーニング処理をなすことができる。
図１乃至図３を参照した本発明の実施例においては、第１の硬度及び第２の硬度を求めるために、ビッカース硬度計を用いて実験的な測定をなしたが、本発明の方法はそのような実験的な硬度測定に限定されるものではない。例えば、第１の硬度及び第２の硬度について予め実験的又は経験的に得られたデータが存在するのであれば、そのデータに基づいてショットの硬度を選択してもよい。
上述の実施例に示したショットの投射条件及び投射装置は、単なる例示であって、本発明の限定を意図するものではないことに留意されたい。例えばカバレージは好ましくは３００％であるが、１００％以上であればよい。ショットの投射速度は、例えば５０ｍ／ｓ以上とすることができる。投射装置としては、例えばインペラー（又はホイール）或いはエヤ噴射によりショットをノズルから投射できる装置を用いることができ、特定の装置に限定されるものではない。
本発明によるショットピーニング方法は、例えばＳＣｒやＳＣＭなどの機械構造用合金鋼などで作製されて、浸炭焼入れ（例えばＲＸガスを用いたガス浸炭焼入れ熱処理又は浸炭窒化焼入れ処理）を施した機械部品などの金属部品に適用することができる。そのような金属部品は、例えば自動車用トランスミッション歯車などを含むが、それに限定されるものではない。
Claims (4)
- 浸炭焼入れされた金属部品に対してショットを投射するショットピーニング方法において、
前記投射されるショットには、ショットピーニングを施す前の前記金属部品の表層部に生成されている表面異常層の硬度と、その表面異常層の直下のマルテンサイト組織の硬度との間の範囲の硬度を有するショットを用いるショットピーニング方法。 - 請求項１の方法において、前記ショットの硬度は、Ｈｖ硬度で４３０と８５０との間の範囲である方法。
- 請求項２の方法において、前記ショットの平均粒径が２０μｍ以上３ｍｍ未満である方法。
- 浸炭焼入れされた結果、表層部には表面異常層が生成され、その表面異常層の直下にはマルテンサイト組織を有する金属部品に対し、前記表面異常層を削食するためにショットを投射するショットピーニング方法であって、
前記金属部品における前記表面異常層の硬度である第１の硬度及び前記マルテンサイト組織の硬度である第２の硬度を実験的に又は経験的に求める段階と、
前記投射すべきショットとして、第１の硬度と第２の硬度との間の範囲の硬度を有するショットを選択する段階と、
前記選択されたショットを前記金属部品へ投射する段階とを含む方法。
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