JPH01240615A - ショットピーニング方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 【発明の目的】

（産業上の利用分野） こノ発明は、歯車、シャフトなどの曲げ応力やねじり応
力がくりかえし付加される機械構造物用鋼製部品および
鋼製素材の疲労強度を向上させるのに利用される鋼製部
材のショットピーニング方法に関するものである。 （従来の技１＃） 一般に、歯車やシャフトなどの機械構造物用部品は、純
粋な引張・圧縮応力を受ける場合よりも曲げ応力やねじ
り応力をくりかえし受ける場合のほうが多いので、応力
負荷時には表面の応力が最も大きくなり、疲労強度を超
えて使用される場合には、大部分のものが表面から疲労
亀裂が入ることとなる。したがって、機械構造物用部材
の表面状態は、疲労強度に大きな影響を及ぼす。 このような機械構造物用部材の疲労強度を向上させるた
めに、材料そのものの機械的強度を高めるようになすこ
とはもちろん必要であるが、表面層の性質を改善するこ
とによって疲労強度を向上させるようにすることも古く
から行われている。 従来、このような表面層の性質を改善するための手法と
しては、高周波焼入れ、火炎焼入れ、浸炭・窒化、ショ
ットピーニング、表面圧延などが行われてきた０本発明
は、これらのうちショットピーニングに係るものである
（例えば「金属の疲労Ｊ昭和３９年６月２０日　社団法
人日木材料学会編の第２１６頁〜第２１８頁にショット
ビーニングに関する記載がある）。 このショットビニニングによる表面改質方法を第１図に
より゛説明すれば、鋼製部材１は雇えば歯車やシャフト
などであり、その表面に変形を与えるために、多数の衝
突物体（ショット）２を鋼製部材１の表面に衝突させ、
鋼製部材１の表面に塑性変形域３を形成させる。 この衝突物体２の素材としては、鋼、銅などのさまざま
なものが用いられ、形状についてもほぼ球形のものから
方形のものまでさまざまなものが用いられる。 このように、ショットピーニングは、鋼製部材１の表面
に多数の衝突物体２を°衝突させ、鋼製部材１の表層部
分を塑性変形させて塑性変形域３を形成して加工硬化さ
せることによって、部材の疲労強度を向上させようとす
るものである。 ところで、残留オーステナイトを含む鋼製部材１に対し
てショットピーニングを行う場合１表層部分に付与され
る塑性変形によって、残留オーステナイトが歪（加工）
誘起マルテンサイト変態を引き起こすことにより発生す
る残留圧縮応力が疲労強度の向上に直接的に寄与するこ
とが知られている。 （発明が解決しようとする課！ｉ１） しかしながら、従来のショットピーニング方法では、温
度をコントロールする壇となく、単に室温状態において
、鋼製部材１の表面に、多数の衝突物体２を衝突させて
塑性変形域３を形成させ□ることにより加工硬化を生じ
させるようにしていたため、残留オーステナイトを表層
から深くまで、例えば表層から１ｍｍ程度の深さまで含
んでいる鋼製部材１の場合であっても、ショットピーニ
ング時に鋼製部材１の表層に付与される塑性変形域３に
よって残留オーステナイトが歪（加工）誘起マルテンサ
イトに変態しうる深さが極〈表層部分に限られてしまう
、それゆえ、残留圧縮応力が付与される深さが鋼製部材
１の極〈表層部分に限定され、疲労強度の向上代が小さ
いものとなってしまうという課題があった。 （発明の目的） この発明は、このような従来の課題にかんがみてなされ
たもので、ショットピーニング後により大きな残留圧縮
応力を鋼製部材の表層からより深いところまで発生させ
ることが可能であり。 ショットピーニング後における疲労強度の向上代が大き
いものとすることが可能であって、鋼製部材の疲労強度
を著しく高めることができる鋼製部材のショットピーニ
ング方法を提供することを目的としている。

【発明の構成】

（課題を解決するための手段） この発明に係るショットピーニング方法は、マルテンサ
イト変態開始点（Ｍｓ点）が室温未満である残留オース
テナイトを含む鋼製部材を前記残留オーステナイトのマ
ルテンサイト変態開始点（Ｍｓ点）以上室温未満の温度
範囲に冷却しながら当該鋼製部材に対してショットピー
ニングを行うようにした構成とすることより、この構成
を上述した従来の課題を解決するための手段としたこと
を特徴としている。 この発明に係るショットピーニング方法において、マル
テンサイト変態開始点（Ｍｓ点）が室温未満である残留
オーステナイトを含む鋼製部材としては１例えば、クロ
ム鋼（例えば％５Ｃｒ４２０鋼のＭｓ点は一７０℃）、
クロム・モリブデン鋼（例えば、−３ＣＭ　４２０鋼の
ＭＳ点は一り０℃〕、ニッケル・クロム・モリブデン鋼
（例えば、ＳＮ０Ｍ２２０鋼ｆ）Ｍｓ点は−４５”Ｏ，
ＳＮＣＭ４２０鋼のＭｓ点は一７０℃）などを素材とし
たものが用いられる。 また、このような鋼製部材をショットピーニング時に前
記残留オーステナイトのマルテンサイト変態開始点以上
室温未満の温度範囲に冷却する手段は、とくに限定され
ないものであり、ノズルから冷却ガスを吹き付ける方式
のものであったり、冷蔵庫方式のものであったりしても
よく、また、冷却状態で行うショットピーニングの手法
についてもとくに限定されないものであり、衝突物体を
回転体により付勢したものであったり、ガス圧力により
付勢したものであったりしてもよい。 そして、ショットピーニング時における鋼製部材に対す
る冷却温度は、残留オーステナイトのマルテンサイト変
態開始点よりも低いと、サブマルテンサイトが生成して
疲労強度を著しく低下させるので、残留オーステナイト
のマルテンサイトｆ態開始温度以上とする必要があり、
また室温であると残留圧縮応力が付与される深さが鋼製
部材のごく表層部分に限定されて疲労強度の向上代が小
さくなるので、室温未満とする必要があり、このような
理由から、ショットピーニング時の冷却温度は残留オー
ステナイトのマルテンサイト変態開始点以上室温未満の
温度範囲とした。 （作用） 一般に、残留オーステナイトのマルテンサイトヘノ変態
駆動力は、残留オーステナイトを冷却すること、および
残留オーステナイトに対し機械的な力を付加すること、
により与えられる。 第４図は、残留オーステナイトのマルテンサイトへの変
態駆動力を説明するものであって、第４図の縦軸にマル
テンサイト変態を開始するのに必要な外部応力をとり、
横軸に温度をとったものであり、横軸中のＭｓ点は残留
オーステナイトの変態開始点（開始温度）、Ｍｄ点はこ
れ以上ではマルテンサイトが存在しえない限界の最高温
度を示している。 そこで、鋼製部材中に含まれる残留オーステナイトは、
当該部材をＭＳ点以下に冷却すれば自発的にマルテンサ
イト変態を生ずるが、Ｍｓ点よりも高い温度Ｔ１におい
て残留オーステナイトがマルテンサイト変態するために
は、σ１の外部応力が付加されることが必要であり、温
度Ｔ２（ただし、Ｔ、＞Ｔ２　）において残留オーステ
ナイトがマルテンサイト変態するためにはσ２　（ただ
し、σ１〉σ２〕の外部応力が付加されることが必要で
ある。すなわち、鋼製部材を冷却して温度をＴＩからＴ
２へと低下させることによって、残留オーステナイトを
歪（加工）誘起マルテンサイト変態させるのに必要な外
部応力はσ１からσ２へと軽減される。 したがって、本発明の如く、マルテンサイト変態開始点
が室温未満である残留オーステナイトを含む鋼製部材を
ショットピーニングするに際し、当該鋼製部材を前記残
留オーステナイトのマルテンサイト変態開始点以上室温
未満の温度範囲に冷却しながらショットピーニングを行
うようにすることによって、マルテンサイト変態を開始
するのに必要なショットピーニングによる外部応力はよ
り小さくてすむようになり、ショットピーニングによる
残留オーステナイトの歪（力Ｕ工）Ｍ起マルテンサイト
変態がさらに促進されることとなるので、冷却下でのシ
ョットピーニングによってより深くまでマルテンサイト
変態させることができるようになる。それゆえ、鋼製部
材の表層部分にはより大きな残留圧縮応力がより深くま
で発生したものとなっており、当該鋼製部材の疲労強度
はさらに向上したものとなっている。なお、摩耗や塑性
変形時には発熱を伴うことがあるが、Ｍｄ点以上の温度
においては、残留オーステナイトは外部応力によっても
マルテンサイトに変態しない。 （実施例） 第１図は冷却下でショットピーニングを行う要領を示し
ており、ショットピーニング室１１の内部は冷却のため
気密性が保持されたものとなっている。 このショットピーニング室１１の下部には、鋼製部材１
を８．置するための回転台１２が設けてあり、ショット
ピーニング対象部品である鋼製部材１を回転させうるよ
うにしである。 また、ショットピーニング室１１の側壁には、衝突物体
（シ：１ット）２をショットピーニング室１１内に送り
込むための衝突物体供給管１３が設けてあり、さらには
この衝突物体供給管１３から送り込まれた衝突物体２を
勢いよく飛ばして前記鋼製部材１に対して衝突させるよ
うにするための回転体１４が設置しである。さらに、シ
ョットピーニング室１１の上部には当該ショットピーニ
ング室１１の内部に設置した鋼製部材１１を冷却するた
めの冷却ガス１５を送り込む冷却ガス送給管１６が取り
付けである。 この実施例において、鋼製部材１はニッケル争りロム番
モリブデン鋼（ＳＮ０Ｍ４２０鋼）を素材としたもので
あり、浸炭窒化処理□を施した回転曲げ試験片形状をな
すものである。この浸炭窒化処理を施した鋼製部材１の
表面から深さ方向における残留オーステナイト量の分布
状態を調べたところ、第３図に示すようなものとなって
いた。そして、この残留オーステナイトのＭｓ点は一７
０℃であり、Ｍｄ点は８０℃であった。 また、ショットピーニング室１１内に送り込まれて前記
鋼製部材１に衝突する衝突物体２としては、直径０．６
ｍｍの鋼球を繭いた。そして１回転体１４によって勢い
よく飛ばされたあと鋼製部材１に衝突する衝突物体２の
投射速度は４０ｍ／ｓｅｅとなるようにした。 さらに、冷却ガス１５としてはＣＯ２ガスを用い、−５
０℃に冷却したＣ０２ガスを用いるようにした。 さらにまた、回転台１２による鋼製部材１の回転速度は
１０ｒｐｍとなるようにし、ショットピーニング時にお
ける衝突物体２の投射時間は３分とした。 以上の条件により、残留オーステナイトのＭｓ点が一７
０℃である浸炭窒化処理した鋼製部材（回転曲げ試験片
）１を００２ガスにより一５０℃に冷却しながら、回転
体１４により勢いづけられた直径０．６ｍｍの衝突物体
（ショット）２を４０ｍ／ｓｅｅの投射速度で３分間投
射してショットピーニングを行い、ショットピーニング
後の残留オーステナイト量を調べた□ところ、第５図の
線工で示すような深さ方向の分布を有していた。 第５図の線工で示すように、同図のｌｌＩで示すショッ
トピーニング前の残留オーステナイト量（第３図と同じ
）に比べて、残留オーステナイト量が著しく少なくなっ
ており、ショットピーニングによって残留オーステナイ
トのほとんどが歪（加工）誘起マルテンサイトに変態し
ていることが認められた。そして、′第５図の線■で示
す従来の室温でのショットピーニングの場合（鋼製部材
のショットピーニング時温度が室温である以外は上記実
施例の条件を同じ）に比べても、残留オーステナイト量
をさらに少なくできるとともに、残留オーステナイトが
歪（加工）誘起マルテンサイトに変態しうる深さがさら
に大きなものとなっていることが認められた。 次に、各鋼製部材（回転曲げ試験片）１の深さ方向にお
ける残留応力分布を調べたところ、第６図に示す結果で
あった。 第６図に示すように、線工で示す一５０℃でショットピ
ーニングを行ったものでは、線■で示すショットピーニ
ングを行わなかったものと比較してもちろんのこと、＠
ＴＩで示す従来の室温でショットピーニングを行ったも
のに比べて、かなり大きな残留圧縮応力が付与されてい
ることが明らかであり、残留圧縮応力が付与される深さ
もより大きなものとなっていることが明らかである。 次いで、各鋼製部材（回転曲げ試験片）１を供試材とし
、さらには−１９６℃でのサブゼロ処理を施しかつショ
ットビー三ングを行わなかった回転曲げ試験片をも供試
材として、回転曲げ疲労試験を行ったところ、第７図に
示す結果であった。 第７図に示すように、線工で示す一５０℃でショットピ
ーニングを行ったものでは、線曹で示すショットピーニ
ングを行わなかったものと比較してもちろんのこと、線
■で示す従来の室温でショットピーニングを行ったもの
に比べて、疲労強度がかなり高いものとなって！；する
ことが明らかである。また、鋼製部材１の残留オーステ
ナイトのＭｓ点は一７０℃であったが、これをＭｓ点以
下の一１９６℃にサブゼロ処理したものの疲労強度は、
第７図の線■で示すように著しく低いものであった。 このように、残留オーステナイトのＭｓ点が室温未満で
ある残留オーステナイトを含む鋼製部材１を前記残留オ
ーステナイトのＭｓ点以上室温未満の温度範囲に冷却し
ながら当該鋼製部材１に対してショットピーニングを行
うようにすることによって、鋼製部材１の疲労強度を著
しく向上させることができる。この場合、ショットピー
ニング時における鋼製部材１の冷却温度を残留オーステ
ナイトのＭｓ点より低くしたときには、サブゼロマルテ
ンサイトが生成し、疲労強度を著しく低下させることか
ら、ショットピーニング時における鋼製部材１の冷却温
度は、残留オーステナイトのＭｓ点以上室温未満の間と
する必要があることがわかった。

【発明の効果】 以上説明してきたように、この発明に係るショットピー
ニング方法は、マルテンサイト変態開始点が室温未満で
ある残留オーステナイトを含む鋼製部材を前記残留オー
ステナイトのマルテンサイト変態開始点以上室温未満の
温度範囲に冷却しながら当該鋼製部材に対してショット
ピーニングを行うようにしたものであるから、残留オー
ステナイトの歪（加工）誘起マルテンサイト変態が促進
され、ショットピーニング後の残留オーステナイトｍを
著しく少ないものにすることが可能であり、ショットピ
ーニング後により大きな残留圧縮応力を付与することが
できると共に、その残留圧縮応力を表面からより深いと
ころまで発生させることが可能であるため、鋼製部材の
疲労強度を著しく高いものにすることができ、かつまた
、鋼製部材を冷却しながらショットピーニングを行うよ
うにしていることから、発熱によるオーバーピーニング
のおそれも少なくなるという著しく倹れた効果が得られ
、ねじり応力や曲げ応力をくりかえし受けやすい歯車や
シャフト等の鋼製部材の耐疲労特性を著しく優れたもの
にすることが可能であるという著大なる効果がもたらさ
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図はショットピーニング時において衝突物体が鋼製
部材に衝突して当該鋼製部材に変形を与えているようす
を示す模式的説明図、第２図は鋼製部材を冷却しながら
ショットピーニングを行なう装置の概略断面図、第３図
は本発明の実施例で用いた浸炭窒化処理を施した回転曲
げ試験片形状の鋼製部材の深さ方向における残留オース
テナイト量を調べた結果を示したグラフ、第４図は残留
オーステナイトのマルテンサイト駆動力を温度と応力と
の関係で示したグラフ、第５図は回転曲げ試験片形状の
鋼製部材に対するショットピーニングの有急による深さ
方向の残留オーステナイト分布を示すグラフ、第６図は
回転曲げ試験片形状の鋼製部材に対するショットピーニ
ングの有無による深さ方向の残留応力分布を調べた結果
を示すグラフ、第７図は回転曲げ試験片形状の鋼製部材
のショットピーニングの有無による疲労試験結果を示す
グラフである。 １・・・鋼製部材、 ２・・・衝突物体、 ３・・・塑性変形域。 特許出願人　　　日産自動車株式会社 代理人弁理士　　小　　塩　　　間 第４図 第５図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）マルテンサイト変態開始点が室温未満である残留
   オーステナイトを含む鋼製部材を前記残留オーステナイ
   トのマルテンサイト変態開始点以上室温未満の温度範囲
   に冷却しながら当該鋼製部材に対してショットピーニン
   グを行うことを特徴とする鋼製部材のショットピーニン
   グ方法。