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WO2007023936A1 - ショットピーニング方法 - Google Patents

ショットピーニング方法 Download PDF

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WO2007023936A1
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abnormal
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Yuji Kobayashi
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Sintokogio, Ltd.
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    • C21—METALLURGY OF IRON
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    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/47—Burnishing
    • Y10T29/479—Burnishing by shot peening or blasting

Definitions

  • the present invention relates to a shot-peing method. More particularly, the present invention relates to a shot peening method for improving fatigue strength for carburized and hardened metal parts.
  • the outermost layer has a thickness of about 5 / zm.
  • a grain boundary oxide layer with a thickness of about 15 m directly below it, and a martensite structure below it.
  • the acid layer and the grain boundary acid layer are called an abnormal surface layer or an incompletely quenched layer, and are considered to have an adverse effect on the fatigue strength of the product.
  • shot peening treatment is performed in which an abnormal surface layer of a metal part is eroded by shot collision.
  • a shot having a hardness larger than the hardness of the surface of the metal part is used to etch the abnormal surface layer of the metal part.
  • the applicant of the present application evaluated the cross-sectional force for the Hv hardness of a metal part having a surface abnormal layer before being subjected to shot peening treatment, particularly a gas carburized product, it was the outermost layer. It was found that the ⁇ ⁇ hardness of the acid layer is about 300 and the ⁇ ⁇ hardness of the grain boundary acid layer is about 430, but the ⁇ ⁇ hardness of the martensite structure portion is about 850 or more.
  • some commercially available shots have a hardness of 1000 ⁇ hardness of 1000 or more, that is, those exceeding the hardness of the martensitic structure of the metal part. Therefore, under the condition that a shot with a surface hardness higher than that of the metal part is used, not only the surface abnormal layer is etched but also a healthy Even the rutensite structure (i.e., the elements that improve hardenability, Mn and Cr move to the grain boundaries, and the martensite structure in the state) can be eroded or cracks on the surface of a healthy martensite structure. This may cause the fatigue strength of the metal parts to decrease.
  • the shot peening method is capable of stabilizing and improving the fatigue strength of metal parts that can only carve the abnormal surface layer and cause no marching or surface cracks in the martensite yarn and weave. Is desired.
  • the shot peening method of the present invention is a method of projecting a shot on a carburized or carbonitrided and quenched metal part, and the projected shot before being shot-peened.
  • a shot having a hardness higher than the hardness of the surface abnormal layer generated on the surface layer portion of the metal part and lower than the hardness of the martensite structure immediately below the surface abnormal layer is used.
  • surface abnormal layer includes an acid layer and a grain boundary acid layer.
  • the Hv hardness of the shot is preferably in the range between 430 and 850. This is because the ⁇ hardness of the grain boundary acid layer is generally about 430, and the ⁇ hardness of the martensite structure portion is about 850 or more.
  • Hv hardness of the shot should be higher than 430 and less than 850.
  • a shot used in the method of the present invention for example, a steel ball, a ceramic sphere, a zirconia sphere, or the like can be used.
  • the average particle size of this shot is preferably 20 ⁇ m or more and less than 3 mm! /. This is because when the average particle size of the shot is less than 20 m, sufficient compressive residual stress, which is one of the effects of shot peening, cannot be obtained, and when the average particle size exceeds 3 mm, an excessive weight of the shot is obtained. This is because of the problem of deformation and chipping of the surface of the metal part due to.
  • an abnormal surface layer is generated in the surface layer portion.
  • a shot peening method is provided for projecting shots directly on the metal part having a martensite structure directly under the surface abnormal layer in order to etch the surface abnormal layer. This method involves experimentally or empirically obtaining the first hardness, which is the hardness of the abnormal surface layer in the metal part, and the second hardness, which is the hardness of the martensite yarn and weave, and a shot to be projected. Selecting a shot having a hardness in a range between the first hardness and the second hardness, and projecting the selected shot onto the metal part.
  • a carburized steel material (material symbol: SC M420H) having a gear shape is a gas. Force using metal parts subjected to carburizing and quenching treatment Metal parts that are the subject of the present invention are not limited thereto.
  • Fig. 2 shows a cross-sectional observation (magnification: 3000) at this time.
  • E1 and ⁇ 2 are indentations of the Vickers indenter when the Vickers hardness of the grain boundary acid layer and martensite layer near the surface is measured. From the size of this indentation, the hardness of the grain boundary oxide layer is low. Half a thing.
  • shot peening treatment was performed using a shot (steel ball) having a V hardness of 800 lower than the hardness.
  • the range between the hardness of the surface abnormal layer (first hardness) and the hardness of the martensite organization (second hardness) (provided that the second hardness>
  • shot peening can be performed without affecting the martensitic structure (without causing cracks).
  • experimental measurement was performed using a Vickers hardness tester in order to obtain the first hardness and the second hardness.
  • This method is not limited to such experimental hardness measurements. For example, if there is data obtained experimentally or empirically in advance for the first hardness and the second hardness, the hardness of the shot may be selected based on the data.
  • the shot projection conditions and projection apparatus shown in the above-described embodiments are merely examples, and are not intended to limit the present invention.
  • the coverage is preferably 300%, but may be 100% or more.
  • the shot projection speed can be, for example, 50 mZs or more.
  • the projection device for example, an impeller (or wheel) or a device capable of projecting a nozzle force by shot injection can be used, and the projection device is not limited to a specific device.
  • the shot peening method according to the present invention is made of, for example, alloy steel for mechanical structures such as SCr and SCM, and is carburized and quenched (for example, gas carburizing and quenching heat treatment using RX gas or carbonitriding and quenching treatment). ) Can be applied to metal parts such as machine parts. Such metal parts include, for example, automotive transmission gears, but are not limited thereto.
  • FIG. 1 is a cross-sectional observation view of a gas carburized product.
  • FIG. 2 is a cross-sectional observation view showing indentations during hardness measurement.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of a metal subjected to shot peening using a low hardness shot.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of a metal subjected to shot peening treatment using a shot with high hardness.

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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

明 細 書
ショットピーニング方法
技術分野
[0001] 本発明はショットピーユング方法に関する。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。
発明の背景
[0002] 浸炭焼入れされた金属部品にショットピーユ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。
[0003] このショットピーユ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 5 /z mの酸化層であり、その直下には厚さ約 15 mの粒界酸ィ匕層が存在し、更にこ の下にはマルテンサイト組織が存在している。その酸ィ匕層及び粒界酸ィ匕層は、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 、ると考えられて 、る。
[0004] 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ユ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。
[0005] し力しながら本願の出願人が、ショットピーユ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硬度について断面力 評価したところ、最表 層である酸ィ匕層の Ην硬度は約 300であり、粒界酸ィ匕層の Ην硬度は約 430であるが 、マルテンサイト組織の部分の Ην硬度は約 850以上であることが判った。
[0006] ところが市販のショットには、 Ην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 、な 、状態のマルテンサイト組織)さえも削食する力 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。
[0007] 従って表面異常層のみを削食して、マルテンサイト糸且織には削食や表面クラックを 生成させることがなぐ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。
発明の概要
[0008] 本発明のショットピーユング方法は、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 一二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ぐ 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。
[0009] 本明細書において、用語「表面異常層」とは酸ィ匕層及び粒界酸ィ匕層を含む。
[0010] 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 界酸ィ匕層の Ην硬度は約 430であり、マルテンサイト組織の部分の Ην硬度は約 850 以上であるためである。
[0011] 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ぐ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よりも高ぐ 850未満とすることが望ましい であろう。
[0012] 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、ジルコニァ球な どを用いることができる。
[0013] このショットの平均粒径は 20 μ m以上 3mm未満の範囲が好まし!/、。これはショット の平均粒径が 20 m未満では、ショットピーユ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。
[0014] 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ユング方法を与える。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糸且織の硬 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。
実施例
[0015] 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: SC M420H)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力 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。
[0016] 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 榭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ィ匕層（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 した 0
[0017] 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。
[表 1]
Figure imgf000004_0001
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 Ε 2は、表面近傍の粒界酸ィ匕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 ことが半 uる。
[0019] 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 Η V硬度 800を有するショット (鋼球）を用いてショットピーユング処理をなした。
[0020] なお、ショットピーユング装置としては、直圧式のエアショットピーユング機を用いて 、ピー-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 程度に酸ィ匕異常層が除去されている状態であるこことが判る。
[0021] 比較のために、前述のショットピーユング装置およびピーユング条件のもとで、高!ヽ Hv硬度 1000を有するショット（ノヽィスピード鋼）を用いてショットピーユング処理をな 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 に削食されている力 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 、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。
[0022] 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）、ショットピーユング処理をなすことができる。
[0023] 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 、てショットの硬度を選択してもよ 、。
[0024] 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 50 mZs以上とすることができる。投射装置としては、例えばインペラ一（又はホイール） 或いはェャ噴射によりショットをノズル力も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。 [0025] 本発明によるショットピーユング方法は、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 、。
図面の簡単な説明
[0026] [図 1]ガス浸炭品の断面観察図である。
[図 2]硬度測定時の圧痕を示す断面観察図である。
[図 3]低硬度のショットを用いてショットピーユング処理をなした金属の断面観察図で ある。
[図 4]高硬度のショットを用いてショットピー-ング処処理をなした金属の断面観察図 である。

Claims

請求の範囲
[1] 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ユング方法におい 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!、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ユング方法。
[2] 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。
[3] 請求項 2の方法にお!、て、前記ショットの平均粒径が 20 μ m以上 3mm未満である方 法。
[4] 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ユング方法であって、
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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