JP2004122332A

JP2004122332A - ショットピーニング方法

Info

Publication number: JP2004122332A
Application number: JP2002292992A
Authority: JP
Inventors: Shinji Shibata; 柴田　新次
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-10-04
Filing date: 2002-10-04
Publication date: 2004-04-22
Anticipated expiration: 2022-10-04
Also published as: JP4131384B2

Abstract

【課題】高硬度表面を得るショットピーニング方法を提供することである。
【解決手段】本発明のショットピーニング方法は、金属成品の表面に、前記金属成品と同等以上の硬度を有するショットを投射し、前記金属成品の表面の硬度を向上させる金属成品のショットピーニング方法において、ショットカバレージを９００％以上として前記金属成品の被ショット部分の組織が５００ｎｍ以下の超微細結晶粒からなることを特徴とする。
また、本発明のショットピーニング方法は、ｎ：ショットカバレージ（％／１００）、Ｖ：ショット速度（ｍ／ｓ）、Ｄ：ショット粒径（ｍｍ）、ρ：ショット粒比重（ｇ／ｃｍ^３）の関係が、ｎ×Ｖ^２×Ｄ×ρ　≧３．０×１０^６で表すことができる方法である。ここで、ショット速度Ｖは５０〜２５０ｍ／ｓｅｃであり、また、ショット粒径Ｄは０．０３〜３．５ｍｍであることが望ましい。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属成品の表面にショットを投射して、被ショット面の硬度を向上させるショットピーニングの方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、金属成品の表面処理方法としては、バネや成品形状に鋳造した鋳鋼品、鋳造成品、ステンレス鋼などの金属成品などを、その全部あるいは一部に、焼き入れ焼き戻し処理した後に冷間加工を施すショットピーニングが知られている。この方法は、高周波誘導加熱などにより成品に約８５０℃前後で焼き入れし、６００℃前後で焼き戻すという処理を行って、表面組織の変態を行わせた後、空冷し、常温あるいは温間で通常のピーニング加工を施して圧縮残留応力を生じさせて、疲労強度を増加させるものである。
【０００３】
上記ショットピーニングでは、金属成品の表面にショットを投射させたときの衝突による塑性変形により、金属成品の表面に圧縮残留応力が生じるので、この圧縮残留応力は塑性変形部であるくぼみの大きさに比例する。また、塑性変形部であるくぼみの大きさは、ショット径に比例するので、圧縮残留応力とショット径も比例関係にあるといえる。
【０００４】
つまり表層からより深い内部での内部圧縮応力、硬化の深さを得るためには、ショット粒径の大きなショットが有効であり、従来は、ショット径が１．２〜０．６ｍｍ程度のショットを用いている。
【０００５】
また、上記表面処理方法においては、熱処理工程とショットピーニング工程とを別個に行わなければならず、温度制御を伴う工程管理が煩雑でコスト高となる問題に対して、「金属成品の表面加工熱処理法」（例えば、特許文献１参照）では、金属成品の表面に、成品と同等以上の硬度を有する４０〜２００μｍのショットを噴射速度１００ｍ／ｓｅｃ以上で噴射し、表面付近の温度をＡ３変態点以上に上昇させて、ブラスト処理により、圧縮残留応力の発生に伴う成品表面の硬化、疲労強度の増加と共に熱処理による表面の改質を可能とした。
【０００６】
また、「金属成品の表面処理方法」（特許文献２参照）では、高強度、高硬度な材質からなり、ショット径が異なる小さなショットおよび大きなショットを混合した混合ショットを用いてブラスト処理を行い、圧縮残留応力の発生に伴う表面の熱処理硬化、疲労強度の増加と共に、熱処理による表面の改質といった効果を得るショットピーニングにおいて、表面内部までのより深い圧縮応力の発生および表面粗さの向上を可能とし、特に、従来の多工程のショットピーニング、またはピーニング加工後の研磨加工などの処理工程を不要とした金属成品の表面処理方法を提案している。
【０００７】
【特許文献１】
特許第１５９４３９５号
【特許文献２】
特開平１１−３４７９４４号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記の「金属成品の表面加工熱処理法」では、噴射速度および噴射密度（以降、カバレージと称する）との関係から、高速な噴射速度を得るためにショット径が４０〜２００μｍである小さなショットを用いており、圧縮残留応力および熱処理硬化の生じる成品表層からの深さには限界があった。
また、前記の「金属成品の表面処理方法」におけるショットピーニングでは、ショット粒径が０．６ｍｍ〜０．０３ｍｍと１ｍｍ以下のショットを用いることを提案している。このような粒径のショットを用いたショットピーニングでは、図１に示すようにカバレージが５００％付近を頂点として被処理物の表面近傍の圧縮残留応力は低下し始めることが知られている。このために、通常のショットピーニングではカバレージが５００％以下の範囲で実施されている場合が多い。前記の「金属成品の表面処理方法」における各実施例では、カバレージは２００〜４００％程度と推測される。
【０００９】
また、カバレージが５００％以下のショットピーニングによって得られる硬さの増加分は、炭素鋼ではＨＶで５０〜３００程度であり必ずしも満足のゆくものではない。
【００１０】
そこで、本発明の課題は、より高い表面硬度を付与するショットピーニング方法を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明のショットピーニング方法は、金属成品の表面に、前記金属成品と同等以上の硬度を有するショットを投射し、前記金属成品の表面の硬度を向上させる金属成品のショットピーニング方法において、ショットカバレージを９００％以上として前記金属成品の被ショット部分の組織が５００ｎｍ以下の超微細結晶粒からなることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明のショットピーニング方法は、ｎ：ショットカバレージ（％／１００）、Ｖ：ショット速度（ｍ／ｓ）、Ｄ：ショット粒径（ｍｍ）、ρ：ショット粒比重（ｇ／ｃｍ^３）の関係が、ｎ×Ｖ^２×Ｄ×ρ　≧３．０×１０^６で表すことができる方法である。ここで、ショット速度Ｖは５０〜２５０ｍ／ｓｅｃであり、また、ショット粒径Ｄは０．０３〜３．５ｍｍであることが望ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明のショットピーニング方法は、金属成品の表面に、前記金属成品と同等以上の硬度を有するショットを投射し、前記金属成品の表面の硬度を向上させる金属成品のショットピーニング方法において、ショットカバレージを９００％以上として前記金属成品の被ショット部分の組織が５００ｎｍ以下の超微細結晶粒からなることを特徴とする。
【００１４】
この衝突が連続して付加されることによって金属成品の表面層の金属組織が微細化され、高強度で且つ高硬度な表面が生成される。特に、カバレージが９００％以上になると、金属成品の単位面積当たりに付与されるショットによるエネルギはきわめて大きくなる。そして、表面部分の塑性変形が頻繁に繰り返されることにより金属成品の表面層は５００ｎｍ以下の超微細結晶粒からなる組織となる。
【００１５】
本発明のショットピーニング条件は、ｎ：ショットカバレージ（％／１００）、Ｖ：ショット速度（ｍ／ｓ）、Ｄ：ショット粒径（ｍｍ）、ρ：ショット粒比重（ｇ／ｃｍ^３）として、ｎ×Ｖ^２×Ｄ×ρ　≧３．０×１０^６で表すことができる。
【００１６】
質量ｍの物体が速度ｖで運動するときの運動エネルギｅは、ｅ＝１／２ｍｖ^２で表すことができる。
【００１７】
ｎはショットの投射密度を表しており、金属成品の被ショット面を満遍なくｎ回ショットしたと考えることができる。すなわち、カバレージがｎの場合のショットによる総運動エネルギＥは、Ｅ＝ｎ（１／２）（４／３）πρ（Ｄ／２）^３Ｖ^２　　で与えられる。これをショット粒子が接触した面積、０．３６×（π／４）Ｄ^２で除すと、ショットによって付与された被ショット面の単位面積当たりのエネルギとなる。つまり、前記の関係式は、この単位面積当たりに付与されたエネルギ（以降、Ｋ値と呼ぶ）が３．０×１０^６以上であれば、金属成品の被処理表面は５００ｎｍ以下の超微細結晶からなる組織が得られることを示している。
【００１８】
ショット後の金属成品の表面硬さとＫ値との関係を図２に示す。図２はショット粒径、ショット速度、カバレージといったショットピーニング条件を変化して炭素鋼の表面を処理し、得られた表面の硬度を測定して、Ｋ値との関係をプロットしたものである。多少のばらつきはあるものの、ショット後の表面硬度とＫ値とはほぼ比例関係にあり、Ｋ値が増加するとショット後の表面硬度も増加することが分かる。ここで、ショット後の表面硬度をＨｖ６００以上とするには、Ｋ値は３．０×１０^６以上であれば良い。なお、カバレージ５００％（すなわち、前述の圧縮残留応力が最高となるカバレージ）の場合には、ショット後の炭素鋼の表面硬度はＨｖ６００程度であることから、本発明のショットピーニング方法ではショット後の表面硬度をＨｖ６００以上を目標とした。
【００１９】
また、図３にはショット速度によるショット粒径とカバレージとの関係を示した。横軸にショット粒径（ｍｍ）をとり、縦軸をカバレージ（％）として、ショット速度が５０ｍ／ｓｅｃ、と１００ｍ／ｓｅｃとの２水準についてプロットした。なお、ショットは鉄のショットとし、比重は、７．８７ｇ／ｃｍ^３として計算した。図３からショット粒径の減少に伴いカバレージは急激に増大することが分かる。さらに、ショット粒が細かくなると粒速度が速くなるので、低カバレージで目的が達成できることが分かる。
【００２０】
本発明のショットピーニング方法によって得られたＳＣｒ３０の焼鈍材の極表層の断面を図４に示す。図４のショットピーニング条件は、ショット粒径：１．４ｍｍ、ショット粒の硬さ：ＨＶ７００、投射圧：０．３ＭＰａ、ショット速度：５０ｍ／ｓｅｃ、カバレージ：１５０００％で、Ｋ値は４１３１７５０であった。図４は表面から約２００μｍの範囲を示しているがＳが最表面であり、ショットピーニングによって大きく波打っていることが分かる。黒く渦巻き状に見える部分（Ａ）は直接ショットを受けて硬化した部分であり、その直下の白と黒との層状に見える部分（Ｂ）はショットの投射圧力で加工硬化した部分である。図４では示されていないが、（Ｂ）のさらに下の部分はショットピーニング処理の影響を受けていない未加工部分となっている。
【００２１】
（Ａ）のショット部位の組織は５００ｎｍ以下の超微細結晶粒からなっており、硬度測定したところ（ＨＶ２５ｇとした）ＨＶ６８１であった。また、（Ｂ）の加工硬化部位は７００〜２０００ｎｍの微細結晶粒からなる組織であり、ＨＶ３４７であった。未加工部位は５〜１０μｍの結晶粒径であり、硬度はＨＶ１８２であった。なお、（Ａ）のショット部位の超微細結晶粒径は電子顕微鏡によって測定した。
【００２２】
ここで、ショットの投射速度は、５０〜２５０ｍ／ｓｅｃであることが望ましい。投射速度が５０ｍ／ｓｅｃ未満ではエネルギ不足であり、２５０ｍ／ｓｅｃを越えると設備的な制約があり困難な場合がある。より好ましくは１００〜２００ｍ／ｓｅｃである。
【００２３】
また、ショット粒径は０．０３〜３．５ｍｍであることが望ましい。ショット粒径が０．０３ｍｍ未満では、上記の式を満足するショット速度を得ることが困難な場合があり、一方、３．５ｍｍを越えるとショット速度不足となって十分なエネルギを付与することができない。より好ましくは、０．１〜３ｍｍである。
【００２４】
さらに、カバレージは９００〜２００００％であることが好ましい。カバレージが９００％未満では、必要なＫ値が得られない。一方、２００００％を越えても被ショット面の硬度が飽和してしまって効果が得られない上に生産性を阻害するので適当ではない。より好ましくは、１５００〜１００００％である。
【００２５】
ショットの材質については特に制限はないが、被処理物である金属成品と同等またはそれ以上の硬さを有するものが望ましく、具体的には、ＨＶ６００以上であることが好ましい。例えば、鋳鉄、鋳鋼、高速度工具鋼、合金工具鋼、非鉄合金鋼などを例示することができる。
【００２６】
なお、Ｋ値は前記のように３．０×１０^６以上であることが好ましいが、前記の投射速度の上限と、カバレージの上限とを考慮すると、Ｋ値の上限は７×１０７であることが適当である。
【００２７】
【実施例】
（試験条件）
被処理物として炭素鋼に、鋼球（比重：７．８７ｇ／ｃｍ^３）からなる硬さＨｖ７００のショットを使用し、投射圧は０．３ＭＰａ一定とし、その他のショット粒径（Ｄ）、ショットカバレージ（％）、投射速度（ｍ／ｓｅｃ）の条件を変化させて、６水準のショットピーニングを実施した。それぞれの条件と、算出されたＫ値とを表１に示した。
（評価方法）
ショット後の金属成品の表面硬度をＨＶ２５ｇで測定した。また、各供試材の表面近傍からサンプルを切り出して断面を研磨し、電子顕微鏡でショット部位の結晶粒径を測定した。結果を表１に併記した。
【００２８】
【表１】

【００２９】
表１から分かるように、実施例１〜４はすべて、Ｋ値が３．０×１０^６以上であり、ショット後の表面硬さは、ＨＶ７１２〜８７９であった。そしてショット部位の結晶粒径は８５〜１２０ｎｍと超微細な結晶組織となっていた。
【００３０】
一方、比較例１は、ショット粒径が１．４ｍｍで、投射速度が５０ｍ／ｓｅｃと実施例３と変わらないが、カバレージが３０００％と実施例３の１／５であった。そのためＫ値は８２６３５０と小さくなり、ショット後の表面硬さはＨＶ４４０と低い値しか得られなかった。そして、結晶粒径は５０００ｎｍと大きなものであった。また、比較例２はショット粒径と投射速度は実施例２と同じであったが、これもカバレージが３００％と非常に小さいために、Ｋ値は９３４９５ときわめて小さな値となった。この結果、ショット後の表面硬さはＨＶ４３４で、また、結晶粒径は１５０００ｎｍ（１５μｍ）と実施例に比べて約１００倍も大きな値であった。
【００３１】
ショットピーニング処理前の炭素鋼の表面近傍の硬度は、ＨＶ２００であった。従って、ショットピーニング処理を施すことによって得られた硬さの増分はショット後の表面硬さから２００を減じた値である。実施例では、この値が５１２〜６７９ときわめて大きな値が得られた。これは通常の焼き入れ焼き鈍し処理によって得られる硬さの増加分（ＨＶで３００程度）に比べて約１．５倍ときわめて大きな表面改質効果が得られることが分かる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明は通常行われるショットピーニング処理よりも数倍大きなショットカバレージとしているので金属成品の被ショット面に付与されるショットの運動エネルギは極めて大きい。その結果被ショット面は５００ｎｍ以下と超微細な結晶組織となるため、金属成品の表面硬度をＨＶ６００以上と、大きく向上することができる。従って、バルブやシャフトなどの耐摩耗性や曲げ疲労といった特性を大きく改善する好適な方法である。
【図面の簡単な説明】
【図１】炭素鋼のショットピーニング処理によるカバレージ（％）と圧縮残留応力との関係を示す概念図である。
【図２】炭素鋼のショット後の表面硬さとＫ値との関係を示す図である。
【図３】比重７．８７ｇ／ｃｍ^３の鉄ショットを用いた場合の照射速度によるショット粒径とカバレージとの関係を示す図である。
【図４】クロム炭素鋼のショット後の表面近傍の結晶組織を示す写真である。
【符号の説明】
Ａ：ショット部位　Ｂ：加工硬化部位

Claims

金属成品の表面に、前記金属成品と同等以上の硬度を有するショットを投射し、前記金属成品の表面の硬度を向上させる金属成品のショットピーニング方法において、ショットカバレージを９００％以上として前記金属成品の被ショット部分の組織が５００ｎｍ以下の超微細結晶粒からなることを特徴とするショットピーニング方法。
前記ショットピーニングは、ｎ：ショットカバレージ（％／１００）、Ｖ：ショット速度（ｍ／ｓｅｃ）、Ｄ：ショット粒径（ｍｍ）、ρ：ショット粒比重（ｇ／ｃｍ^３）の関係が、
ｎ×Ｖ^２×Ｄ×ρ　≧３．０×１０^６
で表される請求項１に記載のショットピーニング方法。
前記ショット速度（Ｖ）は５０〜２５０ｍ／ｓｅｃである請求項２に記載のショットピーニング方法。
前記ショット粒径（Ｄ）は０．０３〜３．５ｍｍである請求項２または３に記載のショットピーニング方法。