WO2004059015A1 - 金属表面の微細化方法及びその金属製品 - Google Patents

金属表面の微細化方法及びその金属製品 Download PDF

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WO2004059015A1
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metal product
shot
shot material
unit area
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Minoru Umemoto
Kouichi Tsuchiya
Yoshikazu Todaka
Mitsugi Umemura
Hideaki Kaga
Junkou Kurosaki
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Sintokogio, Ltd.
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D7/00—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation
    • C21D7/02—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working
    • C21D7/04—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working of the surface
    • C21D7/06—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working of the surface by shot-peening or the like

Definitions

  • the present invention relates to a metal surface miniaturization method for generating crystal grains having a particle size smaller than 1 ⁇ m on a metal surface, and a metal product thereof.
  • Non-Patent Document 1 states that a fine and fine texture having a fine grain boundary size in a high dislocation density surface layer formed by a shot piung is clearly useful for improving fatigue properties. You.
  • Non-Patent Document 1 refers to the following.
  • Non-Patent Document 1 does not describe generation of crystal grains having a particle size smaller than 1 m. Therefore, Non-Patent Document 1 does not clarify the generation mechanism and generation conditions of crystal grains having a particle size smaller than 1 ⁇ .
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a method for refining a metal surface which generates crystal grains having a particle size of less than 1 ⁇ on the surface of a metal product. Another object of the present invention is to provide a metal product treated by this method.
  • a method for refining a metal surface according to the present invention is directed to a method for projecting or colliding a shot material. It is characterized by generating crystal grains with a particle size of less than 1 ⁇ on the surface of the product.
  • the present invention by generating crystal grains having a crystal grain size of less than 1 ⁇ m on the surface of the metal product, it is possible to expect improvement in the fatigue strength, hardness increase and corrosion resistance of the metal product.
  • the present invention is applicable to the shot material.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing an outline of the particle impact device of the first embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating an outline of a falling weight processing apparatus according to a second embodiment.
  • FIG. 3 is a sectional view showing an outline of the shot peening apparatus of the third and fourth embodiments.
  • FIG. 4 is a cross-sectional photograph of the surface layer generated according to the present invention.
  • FIG. 5 is an enlarged photograph of a crystal refined portion generated according to the present invention.
  • the present invention provides a method for projecting or colliding a shot material / impact with a power per unit area with respect to a surface of a metal product, and projecting or colliding the shot material with a crystal grain having a particle size of less than 1 zm on the surface of the metal product.
  • This is a method for miniaturizing a metal surface, which is characterized in that it occurs.
  • the metal product in the present invention does not matter whether it is a steel material or a non-ferrous metal material.
  • the surface of the metal product of the present invention refers to a surface portion near the outermost surface affected by the collision of the shot material and the collision object. The depth of the impact of this shot material / impact impact depends on the speed, mass, and projection time when the shot / impact strikes the metal product surface.
  • the hardness of the shot material / colliding object is preferably equal to or higher than the hardness of the metal product.
  • the term “equivalent or higher” means that the hardness may be sufficient to cause hardening of the metal surface portion, and may be smaller than the hardness of the metal product.
  • the shot material / impact is projected onto the metal product by adjusting the power per unit area for the following reason.
  • Non-Patent Document 1 the metal surface refinement by shot peening is attributed to the dislocation density and its arrangement, grain boundary size, phase change, etc.The root cause is not clear.
  • the unit area refers to the sum of the contact areas of the shot material and the collision object. In other words, under the condition that the projected projections and collision object traces (that is, contact surfaces) do not overlap, the contact area of one shot material and one collision object is multiplied by the number of projections and collision objects. The area obtained. Therefore, if the shot material and the collision object trace overlap, the area obtained by dividing the total of the projection areas by the number of times the shot material and the collision object trace overlap is used. This area is not exactly the treated area of the metal product to be treated.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a first embodiment of an apparatus for carrying out the present invention.
  • the metal ball 11 having a diameter of 4 mm is subjected to high-speed collision with a high-pressure gas through a nozzle 13 at the surface of a target metal product 12 by the particle impact device 10 through a nozzle 13 for processing.
  • the processing conditions and processing results at that time are shown in Table 1 below.
  • Table 1 below.
  • the collision area of the metal product 12 has a smaller area in the metal ball 11 in a very short time and is in a state of being strongly crushed, and the generation of nanocrystals can be confirmed and confirmed.
  • the grain growth by heating is much slower than in the normal work hardening region and the base metal region. Regions can be clearly distinguished.
  • the crystal grains in the normal work-hardened region are greatly coarsened and the hardness is reduced (from VHV 450 to HV 310 in Vickers hardness), whereas in the nanocrystalline region, the grain growth is extremely large. It was confirmed that the hardness was slow and the decrease in hardness was small (from HV700 to HV650). From the recrystallization behavior by such heating, it is possible to confirm the formation of the nanocrystal region.
  • a second embodiment will be described.
  • FIG. 2 schematically shows a second embodiment as an apparatus for carrying out the method of the present invention.
  • the falling weight processing device 20 causes the metal weight 21 to fall naturally on the surface of the target metal product 22 to collide with each other, and is processed by the falling weight processing method.
  • the processing conditions and processing results at that time are shown in Table 1 below.
  • the drop weight processing device 20 is arranged at the bottom of a cylindrical body (not shown) on which a metal product 22 for generating nanocrystals on the surface 22A is not shown.
  • the metal product 22 has already been processed into the final product shape, and the outer shape of the metal product 22 and the inner shape of the cylindrical body (not shown) are substantially the same. Is not allowed to move inside the cylinder.
  • a metal weight 21 disposed therein.
  • the projections 21A are formed on the surface of the metal weight 21 facing the portion where the nanocrystals are to be formed, of the surface 22A of the metal product 22. The metal weight 21 in this state is naturally dropped.
  • the protrusion 21 A of the metal weight 21 projects into a predetermined portion of the surface 22 A of the metal product 22.
  • the velocity V (m / sec) when the metal weight 21 collides with the surface of the metal product 22 is (2 gH) (g is gravity Acceleration).
  • the protrusion 21 A of the metal weight 21 collides with the surface 22 A of the metal product 22 with a momentum of ⁇ ⁇ (2 gH) (Kg-m / sec).
  • the force of the change acts on the collision point of the metal product 22 via one projection 21 A.
  • the collision ends instantaneously, so that the stress at the collision point becomes very strong.
  • the area is in a state where a small area is strongly processed in a very short time by the protrusion 21 A, and the nanocrystals are advanced.
  • the power per unit area that is, the weight indentation area, that is, the contact area
  • the work rate per unit is Ilk J / sec ⁇ mm2 based on the test results of this embodiment.
  • the accumulated momentum is not important. If the power per unit area is smaller than Ilk J / sec ⁇ mm2, nanocrystals on the surface 22 A of the metal product 22 will not occur. That is, when the projection 21A collides with the surface 22A of the metal product 22 at a power per unit area of Ilk J / sec-mm2 or more, nanocrystals at the collision location can be generated.
  • the protrusion 21A is preferably a hemispherical spherical protrusion that protrudes from the surface 21A of the metal weight 21 at a height (h) of 1 to 10 mm. Also, an elliptical projection may be used. Further, when the metal product 22 to be nanocrystallized has a plurality of surface locations, the projections 21A may be formed at a plurality of locations corresponding to the surface 21A with the surface location as a target.
  • the above momentum is a function of the mass (M) of the metal weight 21 and the velocity (V) at the time of collision.
  • the projection 21A is a spherical projection having a height of 1 to 1 Omm and the metal weight 21 having one of the projections is used
  • the metal weight 21 By setting the mass (M) to 0.1 or more: L OKg and colliding at a speed of lm / sec or more, the power per contact area becomes Ilk J / sec ⁇ mm2 or more, realizing nanocrystallization. We were able to.
  • the mass of the metal weight 21 is set to the value obtained by multiplying the mass of the single protrusion 21A (in the range of 0.1 to 10 kg ) by the number of the protrusions 21A. What is necessary is just to collide with the surface 22 A of the metal product 22 at a speed of l mZ sec or more. Since the value obtained by dividing the momentum by the sum of the indentation area of all the protrusions 21 A and the deformation time satisfies the above-mentioned power per contact area of Il k J / sec-Hi m 2 or more, Nanocrystallization proceeds at the collision point of each protrusion. Next, a third embodiment will be described.
  • a third embodiment of the device for carrying out the present invention is schematically shown in FIG.
  • the shot peening method 30 in which a shot material 31 made of a steel shot material having a diameter of 50 ⁇ is projected by a shot peening device 30 from a jet nozzle 33 together with compressed air toward a target metal product 32.
  • the processing conditions are shown in Table 1 below. In this example, it is understood that the power per unit area is inferior to those of the first and second examples.
  • the compressed air is adjusted so that the shot speed of the shot material 31 on the metal product is 150 to 200 m / sec.
  • the shot material 31 is caused to collide with the entire surface by moving the metal product 32.
  • FIG. 4 is a cross-sectional photograph of the surface layer formed according to the third embodiment of the present invention
  • FIG. 5 is an enlarged photograph of a crystal refined portion formed according to the third embodiment of the present invention.
  • the metal product 32 processed according to the third embodiment has a very high surface hardness because a layer made of fine crystals is formed on the surface. Accordingly, the strength of the metal product 32 is improved, and the metal product 32 has excellent fatigue strength and durability.
  • a fourth embodiment will be described.
  • FIG. 3 shows shot shots 31 made of stainless steel with a diameter of 50 to 300 ⁇ m by a shot peening device 30 from a spray nozzle 33 together with compressed air toward a target metal product 32. Processing is performed by the shot beaning method of projection, and the processing conditions and processing results at that time are shown in Table 1 in paragraph 0 ⁇ 31 below. In this example, the power per unit area is inferior to those of the first and second examples.
  • the compressed air is adjusted so that the shot speed of the shot material 31 onto the metal product becomes 80 m / sec.
  • the shot material 31 collides with the entire surface by moving the metal product 32.
  • a layer made of fine crystals having a crystal grain size of 100 nm or less was formed on the surface of the metal product 32.
  • the hardness of the layer composed of this fine crystal was also greatly increased.
  • shots made of stainless steel shots made of high-carbon steel and shots made of iron-based metallic glass can be used as shot materials, and the particle size of the shot is 30 to 200/000. A range of m is also applicable.
  • the metal product 32 subjected to the heat treatment according to the fourth embodiment has a very high surface hardness because a layer made of fine crystals is formed on the surface. Therefore, as in the case of the third embodiment, the metal product 32 has improved strength, and has excellent fatigue strength ⁇ durability.
  • work hardening occurs on the surface, and it is known that this work hardening is proportional to the square root of the dislocation density.
  • the rate of coalescence of dislocations generated in the crystal also increases, so that the rate of work hardening gradually decreases as the amount of processing increases.
  • the dislocation density reaches a high value without dislocations of the crystal disappearing.
  • the dislocation cell structure changes to a grain boundary structure.
  • the metal surface is further refined.
  • the crystal dislocations are hard to accumulate to the critical dislocation density at which recrystallization occurs, because the recovery rate increases as the temperature rises due to the continued collision of the shot material and the colliding object.
  • Dislocation density tends to accumulate because the recovery of the refined crystal structure due to the impact of the shot material and the collision object is delayed. That is, it becomes easier to reach the critical dislocation density at which fine crystallization occurs.
  • the metal product can be cooled using liquid nitrogen (temperature 196 ° C), liquefied carbon dioxide (temperature 179 ° C), etc., and depending on the material of the metal product, It is preferable to appropriately cool to an optimum temperature between room temperature and about 150 ° C. As a result, more fine crystals are generated as compared with the case where the shot material and the collision object collide at room temperature.
  • the present invention relates to a method for refining a metal surface that generates crystal grains having a grain size of less than 1 im on the metal surface and the metal product, so that the fatigue strength and hardness of the metal product can be increased and the corrosion resistance can be improved. Since it can be improved, its industrial applicability is great.
  • Table 1 Processing conditions by various processing methods

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Abstract

　金属製品の表面部に１μｍより小さい粒径の結晶粒を発生させる金属表面の微細化方法及びこの方法により処理された金属製品を提供する。　ショット材・衝突物を金属製品の表面に対して単位面積当たりの仕事率を調整して投射又は衝突させて、前記金属製品の表面部に１μｍより小さい粒径の結晶粒を発生させる。

Description

金属表面の微細化方法及びその金属製品 技術分野
本発明は、金属表面に 1 μ mより小さい粒径の結晶粒を発生させる金属表面の 微細化方法及びその金属製品に関する。 背景技術 明
従来、 ショットピーニングにより、 ショットが投射された金属表面部の組織 田
が微細化することは公知である （非特許文献 1参照)。 非特許文献 1には、 ショ ットピ一ユングによって形成される高転位密度表面層における微細結晶粒界サ ィズを有する微細且織は、 疲労性質の向上に明らかに有益である旨の記載があ る。
ここで非特許文献 1とは、 以下のものを言う。
ェ .ニク .ラリ （A. N I KU— L A R I ) 編、 「第 1回ショットピーニング 国際会 (First International Conference on Shot PeeningJ (英国)、 パーガモン 'プレス （Pergamon Press)、 1981年、 p. 1 9 2 発明の開示
しかし、 この非特許文献 1には粒径が 1 mより小さい結晶粒の発生につい ての記載はない。 したがって、 この非特許文献 1では粒径が 1 μ πιより小さい 結晶粒の発生機構及び発生条件が明らかではない。
本発明は、 上記問題に鑑みなされたものであり、 その目的は、 金属製品の表 面部に 1 μ πιより小さい粒径の結晶粒を発生させる金属表面の微細化方法を提 供することである。 また、 本発明の別の目的は、 この方法により処理された金 属製品を提供することである。
上記の目的を達成するため、本発明の金属表面の微細化方法は、ショット材 . 衝突物を金属製品の表面に対して単位面積当たりの仕事率を調整して投射又は 衝突させて、 前記金属製品の表面部に 1 μ πιより小さい粒径の結晶粒を発生さ せることを特徴とする。
本発明によれば、 金属製品の表面部に 1 μ mより小さい結晶粒径の結晶粒を 発生させることにより、 金属製品の疲労強度、 硬度上昇及び耐食性の向上を期 待できる。
上記の説明から明らかなように本発明は、 ショット材 .衝突物を金属製品の 表面に対して単位面積当たりの仕事率を調整して投射又は衝突させて、 前記金 属製品の表面部に 1 μ mより小さい粒径の結晶粒を発生させることを特徴とす るもの及びこれにより処理された金属製品であるから、 金属製品の表面部に 1 μ πιより小さい結晶粒径の結晶粒を発生させて、 金属製品の疲労強度、 硬度上 昇及ぴ耐食性の向上を図ることができる。 図面の簡単な説明
図 1は、 第 1実施例の粒子衝撃装置の概要を示す断面図である。
図 2は、 第 2実施例の落錘加工装置の概要を示す断面図である。
図 3は、 第 3， 第 4実施例のショットピーニング装置の概要を示す断面図で ある。
図 4は、 本発明により生成した表面層の断面写真である。
図 5は、 本発明により生成した結晶微細化部の拡大写真である。 発明を実施するための最良の形態
以下、 本発明を実施するための最良の形態を説明する。 本発明は、 ショット 材 ·衝突物を金属製品の表面に対して単位面積当たりの仕事率を調整して投射 又は衝突させて、 前記金属製品の表面部に 1 z mより小さい粒径の結晶粒を発 生させることを特徴とする金属表面の微細化方法である。
ここで本発明における金属製品とは、 鉄鋼材料、 非鉄金属材料であるかを問 わない。 また本発明の金属製品の表面とは、 ショット材 ·衝突物の衝突により 影響を受ける最表面に近い表面部分のことをいう。 このショット材.衝突物の 衝突による影響深さは、 金属製品の表面にショット材 ·衝突物が衝突する時の 速度、 質量、 投射時間により変化する。
また、 本発明においてショット材 ·衝突物は、 その硬度が金属製品の硬度と 同等以上であることが好ましい。 同等以上とは、 金属表面部の硬化を生じさせ ることのできる硬さであればよく、 金属製品の硬度よりも小さなものでもよい 趣旨である。
さらに、 本発明において単位面積あたりの仕事率を調整してショット材 ·衝 突物を金属製品に投射させるのは次の理由による。
上記非特許文献 1によれば、 ショットピーユングにより金属表面が微細化す るのは、 転位密度とその配列、 粒界サイズ、 相変化などが原因であるとされる 力 その根本原因は明らかではなかった。 しかし、 本発明においては、 単位面 積当たりの仕事率こそが、 金属組織の微細化に資することを発見したのである。 したがって、 ショットビーニングのように必ずしも繰り返し金属表面に金属を 德 ί突させなくてもナノ結晶の生成は可能である。 また、 本発明において単位面積とはショット材 ·衝突物の接触面積の総和を いう。 すなわち、 投射された投射 ·衝突物痕 （すなわちが接触面） が重なり合 わないという条件のもとで、 ショット材 ·衝突物 1粒の接触面積に投射 ·衝突 物が衝突する数を乗じて得た面積である。 したがって、 ショット材'衝突物痕 が重なり合う場合にはシヨット材 ·衝突物痕の重なり合う回数により前記投射 面積の総和を除して得た面積を使用する。 この面積は正確には処理対象の金属 製品の処理面積ではない。
ただし、 一定の条件下で金属製品の処理面積を簡易的に代用しても良い。 まず実施例 1について説明する。
本発明を実施するための装置の第 1実施例を概略図として図 1に示す。 この 粒子衝撃装置 1 0により直径 4 mmの金属ボール 1 1を、 対象とする金属製品 1 2の表面にノズル 1 3を介して高圧ガスと共に高速衝突させて加工処理する ものである。 その際の加工条件及ぴ処理結果を後述の表 1に示す。 この場合に おいて、衝突は瞬時に終わるので衝突箇所の応力は非常に強くなる。すなわち、 金属製品 1 2の前記衝突箇所は金属ボール 1 1により小さい面積が極めて短時 間で強力卩ェされた状態になり、 ナノ結晶の生成を確認、することができる。
ナノ結晶の領域は、 通常の加工硬化の領域、 母材の領域に比べて加熱による 粒成長が極めて遅いため、 加熱することにより視覚的、 硬度的に通常の加工硬 化の領域、 母材の領域と明確に区別することができる。 加熱により通常の加工 硬化領域の結晶粒は大幅に粗大化し硬度も低下 （ビッカース硬度で HV 4 5 0 から HV 3 1 0に低下） したのに対して、 ナノ結晶の領域は、 粒成長が極めて 遅く、 硬度低下も小さい （HV 7 0 0から HV 6 5 0に低下） ことが確認、でき た。 このような加熱による再結晶挙動からもナノ結晶の領域の生成を確認する ことができる。 次に実施例 2について説明する。
本発明方法を実施するための装置として第 2実施例を概略図として図 2に示 す。 この落錘加工装置 2 0により金属製重錘 2 1を、 対象とする金属製品 2 2 の表面に自然落下させて両者を衝突させ、 落錘加工法で加工処理するものであ る。 その際の加工条件及び処理結果を後述の表 1に示す。 なおこの落錘加工装 置 2 0は表面 2 2 Aにナノ結晶を生成させるための金属製品 2 2が図示されな い筒体の底部に配置される。
ここで金属製品 2 2は既に最終の製品形状に加工されたものであり、 また金 属製品 2 2の外側形状と図示されない筒体の内側形状は略同形状になっていて、 金属製品 2 2は筒体の中で遊動できないようになっている。 筒体の上部の中に は金属製重錘 21が配置されている。 そして、 この金属製重錘 21の表面には 後述する突起 21 Aが 1個形成されていて、 その高さ位置は金属製品 22の表 面 22Aから所定の高さ （3mm) だけ上方に突出されている。 またこの突起 21 Aは、 金属製品 22の表面 22 Aのうち、 ナノ結晶を生成すべき箇所をタ —ゲットにして、 それと対向する金属製重錘 21の表面箇所に形成されている。 この状態にある金属製重錘 21を自然落下させる。 その結果、 金属製重錘 2 1の突起 2 1 Aは金属製品 22の表面 22 Aの所定部分に種 ί突する。 この時、 金属製重錘 21の質量 M (Kg) とすると、 当該金属製重錘 21が金属製品 22 の表面に衝突するときの速度 V (m/s e c)は (2 gH) ( gは重力加速度） になる。
すなわち、 金属製重錘 21の突起 21 Aは、 Μ· " (2 gH) (Kg - m/ s e c) の運動量をもって金属製品 22の表面 22 Aに衝突する。 その結果、 上記 した運動量の時間的変化である力が 1個の突起 21 Aを介して金属製品 22の 衝突箇所に作用する。 そして、 衝突は瞬時に終わるので衝突箇所の応力は非常 に強くなる。 すなわち、 金属製品 22の前記衝突箇所は突起 21 Aにより小さ い面積が極めて短時間で強加工された状態になり、 ナノ結晶が進むことになる。 ここで上記した単位面積当たりの仕事率、 すなわち、 重錘圧痕面積すなわち 接触面積あたりの仕事率は、 本実施の試験結果より Ilk J/s e c · mm2であ ることが必要である。
単位面積当たりの仕事率であるから、 蓄積された運動量が重要ではない。 単位 面積当たりの仕事率が Ilk J/s e c · mm2より小さい場合には、 金属製品 2 2の表面 22 Aにおけるナノ結晶は生起しなレ、。すなわち突起 21 Aが Ilk J/ s e c - mm2以上の単位面積当たりの仕事率で金属製品 22の表面 22 Aに衝 突するとき、 その衝突箇所のナノ結晶を生起することができる。
なお突起 21 Aとしては、 金属製重錘 21の表面 21 Aから 1〜10 mmの 高さ （h) で突出する半球形状をした球状突起であることが好ましい。 また楕 円形状をした突起でもよい。 さらに、 ナノ結晶化をすべき金属製品 22の表 面箇所が複数である場合、 この突起 21 Aは前記表面箇所をターゲットとして 表面 21 Aの対応箇所に複数箇所形成されていてもよい。
ところで、上記した運動量は金属製重錘 21の質量（M) と衝突時の速度（V) との関数である。 本発明者の実験によれば突起 21Aが高さ 1〜1 Ommの 球状突起であり、 しかもそれが 1個形成されている金属製重錘 21を用いた場 合、 当該金属製重錘 21の質量 （M) を 0. 1〜： L OKgに設定し、 lm/s e c以上の速度で衝突させることにより、接触面積当たり.の仕事率は Ilk J/s e c · mm2以上になりナノ結晶化を実現することができた。
突起 21 Aが複数個形成されている金属製重錘 21を用いる場合には、 その 金属製重錘 2 1の質量を、 突起 2 1 Aが 1個の場合の質量 （0 . 1 〜 1 0 K g の範囲） に突起 2 1 Aの個数を乗じた値に設定し、 それを l mZ s e c以上の 速度で金属製品 2 2の表面 2 2 Aに衝突させればよい。 全ての突起 2 1 Aの圧 痕面積の総和と変形時間で運動量を除して得た値は上記した Il k J / s e c - Hi m2以上の接触面積当たりの仕事率を満足しているので、各突起の衝突箇所にお けるナノ結晶化が進行する。 次に実施例 3について説明する。
本発明を実施するための装置の第 3実施例を概略図として図 3に示す。 この ショットピーニング装置 3 0により直径 5 0 μ πιのスチールショット材からな るショット材 3 1を、 対象とする金属製品 3 2に向けて圧縮空気と共に噴射ノ ズル 3 3から投射させるショットビ一ユング法で加工処理をするものであり、 その際の加工条件及び処理結果を後述の表 1に示す。 なおこの実施例では第 1 実施例、 第 2実施例に比較して単位面積当たりの仕事率が劣ることがわかる。 この場合、 ショット材 3 1の金属製品への投射速度が 1 5 0〜 2 0 0 m/sec になるように圧縮空気を調節する。 また金属製品 3 2の全面について加工処理 を行う場合には、 金属製品 3 2を移動させることにより、 全面にショット材 3 1が衝突するようにする。 これによつて金属製品 3 2の表面部には結晶粒径が、 1 0 0 n m以下の微細結晶からなる層が形成された。 この微細結晶からなる層 は、 硬度も大幅に上昇したものとなった。 図 4に本発明の第 3実施例により生 成した表面層の断面写真、 図 5 に本発明の第 3実施例により生成した結晶微細 化部の拡大写真を示す。
以上のように第 3実施例によって加工処理された金属製品 3 2は表面部に、 微細結晶からなる層が形成されるため、 表面硬度が極めて大きくなる。 したが つて金属製品 3 2は強度が向上し、 疲労強度や耐久性の優れたものとなる。 次に実施例 4について説明する。
本発明を実施するための装置の第 4実施例を第 3実施例同様の図 3を概略図 として示す。 図 3は、 ショットピーニング装置 3 0により直径 5 0〜 3 0 0 μ mのステンレスショ ト材からなるショット材 3 1を、 対象とする金属製品 3 2 に向けて圧縮空気と共に噴射ノズル 3 3から投射させるショットビーニング法 で加工処理をするものであり、 その際の加工条件及ぴ処理結果を後述の段落 0 ◦ 3 1の表 1に示す。 なおこの実施例では第 1実施例、 第 2実施例に比較して 単位面積当たりの仕事率が劣ることがわかる。
この場合、 ショット材 3 1の金属製品への投射速度が 8 0 m/secになるよう に圧縮空気を調節する。 また金属製品 3 2の全面について加工処理を行う場合 には、 金属製品 3 2を移動させることにより、 全面にショット材 3 1が衝突す るようにする。 これによつて第 3実施例と同様に金属製品 3 2の表面部には、 結晶粒径が 1 0 0 n m以下の微細結晶からなる層が形成された。 この微細結晶 からなる層は、 硬度も大幅に上昇したものとなった。
なお、 ショット材としてステンレス製ショットのみではなく、 高炭素鋼製ショ ット、 鉄系金属ガラス製ショットも適用可能であり、 また、 ショットの粒径と しては 3 0〜2 0 0 0 / mの範囲のものも適用可能である。
以上のように第 4実施例によっても加ェ処理された金属製品 3 2は表面部に、 微細結晶からなる層が形成されるため、 表面硬度が極めて大きくなる。 したが つて、 第 3実施例の場合と同様に金属製品 3 2は強度が向上し、 疲労強度ゃ耐 久性の優れたものとなる。 一般に金属製品にショットビーユングによる加工 処理を施すと、 その表面部に加工硬化が生じるが、 この加工硬化は転位密度の 平方根に比例することが知られている。 金属製品に対する加工処理を継続して ゆくと、 結晶に生じる転位同士の合体消滅の速度も大きくなるので加工硬化の 割合は加工量が増加すると次第に小さくなる。 しかしながら、 高ひずみ速度で 金属製品を強加工すると、 結晶の転位が消滅することなく、 転位密度は高い値 に達する。 そして転位密度がある臨界値に達すると、 転位セル組織が粒界構造 に変化する。
また、 金属製品の表面を常温以下マイナス 1 5 0 °C以上の冷却温度に調整し ながら前記ショット材 ·衝突物の投射を行うことにより、 金属表面の微細化が より進んだ。 結晶の転位はショット材 '衝突物の衝突が継続することにより温 度が上昇すると回復速度が高くなるため、 この場合は再結晶が発生する臨界転 位密度まで蓄積されにくいが、 低温領域においては、 ショット材 ·衝突物の衝 突によつて微細化された結晶組織の回復が遅くなるために転位密度が蓄積され 易い。 すなわち、 微細結晶化が生じる臨界転位密度に到達しやすくなる。 こ の場合、 液体窒素 （温度一 1 9 6 °C) や液化炭酸ガス （温度一 7 9 °C) 等を用 いて金属製品を冷却することができ、 金属製品を構成する材質に応じて、 常温 から一 1 5 0 °C程度の間で適宜最適温度に冷却することが好ましい。 これによ つて、 室温でショット材 ·衝突物を衝突させた場合と比べ、 より多くの微細化 結晶が生成する。 産業上の利用可能性
本 ¾明は、金属表面に 1 i mより小さい粒径の結晶粒を発生させる金属表面の 微細化方法及びその金属製品に関するため、 金属製品の疲労強度や硬度を上昇 させることができ、 かつ耐食性の向上を図ることができるので産業上の利用可 能性は大きい。 表 1 各種加工法による加工条件
粒子衝撃法 落錘法 ショッ卜ピーニング法 ポール、粒子径 ø (mm) 4 6
ポール、
Figure imgf000008_0001
120 4.4 190
1回の加工エネルギー（vJ) 1.9 49 9.2X 10— 6 変形深さ（ m) 500 1000 5 接触面積 (mm2) 6.3 19 7.9X 10— 4 変形時間 (s) 4. 2X 10— 6 2. 3X10— 5 2. 6X10一8 歪速度 ( ） 2.4X 105 4.4 104 3.8 107 仕事率/接触面積 (kJ/s · mm2) 72 11 450
〇
〇

Claims

請 求 の 範 囲 ショット材 ·衝突物を金属製品の表面に対して単位面積当たりの仕事率を 調整して投射又は衝突させて、 前記金属製品の表面部に 1 μ πιより小さい 粒径の結晶粒を発生させることを特徴とする金属表面の微細化方法。
前記ショット材'衝突物が高炭素鋼材、 鉄系金属ガラス材又はステンレス 材のいずれかであり、 直径が 3 0〜2 0 0 0； u mであることを特徴とする 請求項 1に記載の金属表面の微細化方法。
前記単位面積当たりの仕事率が、 ll k j / s e c · ηιιη2よりも大きいこと を特徴とする請求項 1又は請求項 2のいずれかに記載の金属表面の微細化 方法。
前記金属製品の表面を常温以下マイナス 1 5 0 °C以上の冷却温度に調整し ながら前記ショット材 ·衝突物の投射を行う請求項 1から請求項 3のいず れかに記載の金属表面の微細化方法。
前記単位面積が、 1個当たりのショット材 ·衝突物の接触面積に衝突個数 を乗じて得た面積であることを特徴とする請求項 1から請求項 4のいずれ かに記載の金属表面の微細化方法。
前記シヨット材 ·衝突物の接触面が重なり合う場合には、 ショット材 ·衝 突物の接触面が重なり合う回数により前記単位面積を除して得た面積を使 用することを特徴とする請求項 5に記載の金属表面の微細化方法。
請求項 1から請求項 6に記載の金属表面の微細化方法により金属表面部を 硬化させたことを特徴とする金属製品。
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