JPH0718408A - 表面拡散処理金属成品のひずみ発生防止方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】表面拡散処理後のひずみの発生を防止あるいは
許容公差以内に減少させ、コスト低減、品質向上を図
る。 【構成】 表面拡散処理をする前の金属成品の表面に、
ブラスト加工処理を行うと、表層部の高い圧縮残留応力
の解放を誘起し、また、内部の引張応力から圧縮残留応
力への変換を誘起し、また表面積を増大させ、熱効率が
良くなるため、次工程の表面拡散処理後のひずみを防止
又は減少される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、表面拡散処理法による
処理（本願明細書において、「表面拡散処理」という）
により発生する金属成品のひずみを防止あるいは減少さ
せる方法に関する。

【０００２】

【技術的背景】切削、研磨、鍛造等による自動車の部品
や機械部品、金型等の金属成品には、浸炭、窒化、軟窒
化、浸硫等の表面拡散処理が広く行われている。特に浸
炭は自動車部品、機械部品のギヤーやシャフト等に最も
多く施行され、耐衝撃性、耐摩耗性、耐蝕性の向上を図
っている。

【０００３】金属成品は、素材の状態では押出し加工、
鍛造等の金属加工が施され、この素材に工作機械で切
削、研磨、転造、プレス加工等の種々の金属加工が行わ
れ、表面拡散処理前の金属成品の内部応力の分布状態は
様々である。すなわち、切削、研磨、ドリル加工などで
は、一般的に引張り応力が、転造、鍛造、バニシングな
どでは、硬化応力、圧縮応力が残留する。

【０００４】次いで、この状態で表面拡散処理が行われ
るので、表面拡散処理後の寸法精度は、表面拡散処理前
と比較して大きなひずみが発生するものであった。

【０００５】

【従来の技術】従来このような表面拡散処理によるひず
みを防止する方法はなく、例えば、シャフト類に浸炭・
焼入れした後は、浸炭・焼入れ前に比較して大きなひず
みが発生するが、このようなひずみを有する成品は、熟
練を要する手作業でひずみ取りを行い（ひずみ取り作
業）この作業でもひずみが除去できない成品は、不良品
とし回収されていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】 上記の表面拡散処理によるひずみを機械あるいは手作
業で除去するのであるが、前述したように内部応力の分
布状態が複雑であるので、たとえ同じ工程による金属成
品であっても、ひずみ発生状態が様々であるため、ひず
み取り作業には多くの時間を要し、作業者の熟練を必要
とする。

【０００７】このため、このひずみ取り作業は表面拡散
処理作業より高い費用がかかることも珍しくなかった。

【０００８】ひずみ取り作業で表面拡散処理前の品質
に戻すことは難しいため、品質は低下する。

【０００９】無理にひずみ取りを行うと、金属成品に
割れが発生して使用不可能となったり、耐久性を著しく
低下する。

【００１０】

【目的】本発明の目的は、叙上の課題を解決し、金属成
品に前記表面拡散処理をする前に、ブラスト加工を施
し、表面拡散処理後のひずみの発生を防止あるいは許容
公差以内に減少させ、コストの低減、品質向上を図るこ
とにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、以下の工程か
らなる。

【００１２】金属成品の表面（表面拡散処理を施す
面）に、以下の条件でブラスト加工を行う。

【００１３】噴射圧力 ２〜７kg／cm² 研磨材粒径 ＃６０〜８００（３００〜２０μ） 研磨材形状 多角形グリット状 研磨材材質 ガラス、セラミック、金属 ブラスト加工を施した面に、浸炭・焼入れ・焼戻し、
あるいは窒化、軟窒化、浸硫などの表面拡散処理を行
う。

【００１４】上記の本発明方法において用いられるブラ
スト加工機は、種々の型式のものが使用可能であるが、
重力式のものが好ましく、又、研磨材としては、金属成
品の表面硬度と同等又は同等以上の硬度を有するもの
で、切削効果の高い、ＧＣ，Ｃ（ＳｉＣ）またはＷＡ，
Ａ（Ａｌ₂Ｏ₃）又は、ガラスパウダー，金属研磨材とし
て、スチールグリット等のこれらの内一種又は数種を用
いることができる。

【００１５】又、研磨材の粒径および形状は、＃６０〜
８００（２９７〜２０μ）、好ましくは＃２００〜＃４
００、そして多角形（グリット）形状のものが好まし
い。

【００１６】さらに、本発明方法に好適に用いられる重
力式ブラスト加工機のエアー圧力は、２〜７kg／cm²好
ましくは、３〜４kg／cm²である。

【００１７】そして、噴射距離は、１００〜２００mm、
好ましくは、１５０〜１８０mmである。

【００１８】また、噴射速度は、４０m/sec以上、好ま
しくは、９０〜１２０m/secである。

【００１９】又、加工時間すなわち噴射時間は、対象と
なる金属成品により異なるが、成品全体又は部分的に１
０〜６０秒程度の極めて短時間が一般的である。

【００２０】部分的にブラスト処理するのは、表面拡散
処理層の硬化による割れの発生を防止するため、部分的
に表面拡散処理をする場合で、例えば、部分浸炭では、
未浸炭部分を銅メッキによりマスクするので、この銅メ
ッキをブラストで除去しないので、銅メッキされた部分
以外の浸炭部のみブラスト処理される。

【００２１】固体浸炭法（・焼入れ）においては、直接
焼入れを行う場合もあるが、１次及び２次焼入れを行っ
ても良い。シアン化塩浴による軟窒化（タフトライド）
においては、すぐに焼入れをする。

【００２２】イオン窒化の場合は、４００〜６００℃
で、１０〜２５時間、好ましくは、１５時間程度加熱窒
化して、硬化する。窒化層の深さは、０．１５〜０．４
５mmである。

【００２３】また、浸炭は、８００〜１０００℃、好ま
しくは、７５０〜９５０℃で、加熱時間は、１〜３時
間、浸炭層は、０．１〜１．６mmとなる。続く、焼入れ
は、７５０〜１０００℃、好ましくは、８５０〜９２０
℃で油焼入れする。

【００２４】焼戻しは、１００〜５００℃、好ましく
は、１７０〜２２０℃で空冷により行う。

【００２５】

【作用】ブラスト加工前の金属成品は、工作機械で切
削、研磨、転造、プレス加工等の種々の金属加工が施さ
れているので、その表面層の内部応力の分布状態は複雑
であり均一な状態でなく加工ひずみの応力が生じている
が、金属成品の表面にブラスト加工により、表層部の高
い圧縮残留応力の解放を誘起し、また、内部の引張応力
から圧縮残留応力への変換を誘起し、金属成品の表面層
を均一な金属組織に調整し、表面層の応力の分布状態も
一様にすると共に、表面積を増大させ、熱効率を良くす
ることによって次工程における表面拡散処理が均一に行
えることになる。

【００２６】その結果、ひずみの発生がないか、若しく
は少ない。

【００２７】すなわち、ブラスト加工前の金属成品の表
面層の加工ひずみの応力が小さい場合は、この加工ひず
みの応力はブラスト加工の前記残留応力の分布状態の変
化により除去される。

【００２８】この内部応力の均一な分布状態で、後の浸
炭、窒化などの表面拡散処理において、加熱されても、
従来のような大きなひずみが発生しない。

【００２９】

【実施例】実施例について図面を参照して、以下の本願
加工例，，，，と、それぞれに対応する比較
例，，，，をもとに説明する。

【００３０】なお、各例の成品の寸法精度は、長さ１０
０mmに対する真直度を振れ幅mmで表した（以下、本願で
は「真直度」という）。

【００３１】本願加工例 (−１)成品 加工例の成品は、中央部にギヤを備えるギヤシャフト
１１で、図１に示すように旋盤及びフライス盤等の工作
機械で直径２０mm、長さ２００mmに切削加工したもの
で、材料はＳＣＭ４１５（クロムモリブデン鋼）であ
る。この加工例の成品、４０個について試験を行っ
た。

【００３２】加工例の成品の真直度の許容公差は、
０．０２mm以内であり、この公差から外れる成品は不良
品となる。

【００３３】なお、ギヤシャフト１１の切削加工後の寸
法精度は、真直度が０．０７〜０．０９mmであった。

【００３４】(−２)ブラスト加工 このギヤシャフト１１の表面全体に、以下の条件でブラ
スト加工を施した。

【００３５】

【表１】

【００３６】（−３）表面拡散処理 ブラスト加工後、ギヤシャフト１１の表面に、表面拡散
処理として以下の条件で浸炭・焼入れ・焼戻しを行っ
た。

【００３７】浸炭・焼入れ・焼戻しの条件 浸炭 ； ガス浸炭法、 温度９００℃、 浸炭時
間 １時間、 焼入れ； 温度８８０℃（油焼入れ） 焼戻
し； 温度２００℃ (−４)結果 上記の浸炭・焼入れ・焼戻し後のギヤシャフト１１の寸
法精度は、真直度が０．０２〜０．０３mmであった。し
たがって、切削加工後の寸法精度より向上するという良
好な結果を得た。

【００３８】(−５)ひずみ取り 本願加工例によれば、４０個のうち許容公差以内のも
のが２２個であり、残り１８個に対して既知のハンドプ
レスの５分程度の作業によりひずみが除去された。

【００３９】比較例 (−１)成品 本願実施例と同様に切削加工したギヤシャフト１１で
ある。この比較例の成品、４０個について試験を行っ
た。

【００４０】(−２)ブラスト加工 なし。

【００４１】(−３)表面拡散処理 本願実施例と同条件で浸炭・焼入れ・焼戻しを行っ
た。

【００４２】(−４)結果 ギヤシャフト１１の寸法精度は、真直度が０．２〜０．
３mmであった。したがって、切削加工後の真直度の寸法
精度０．０７〜０．０９mmに対して２〜４倍の大幅なひ
ずみが生じた。

【００４３】(−５)ひずみ取り 比較例の生産方法によれば、全量の４０個が真直度の
許容公差０．０２mm以内を外しており、既知のハンドプ
レスの手段によりひずみ取りをすると、全量の４０個に
対して１個あたり約２０分の作業を行った場合、２０
％、すなわち８個のひずみ取りの不可能なものが発生し
た。

【００４４】以上の本願加工例と比較例をまとめる
と、以下の表２のようになる。

【００４５】

【表２】

【００４６】本願加工例 (−１)成品 加工例の成品は、段付きギヤ１２で、図２に示すよう
に旋盤及びフライス盤等の工作機械で一方の大径ギヤの
歯先円直径４０mm、他方の小径ギヤの歯先円直径２０m
m、長さ１００mmに切削加工したもので、材料はＳＣＭ
４２０である。なお、段付きギヤ１２の軸心には直径１
０mmの貫通孔を形成している。この加工例の成品、１
０個について試験を行った。

【００４７】加工例の成品の貫通孔の真直度の許容公
差は、０．０４mm以内である。

【００４８】なお、段付きギヤ１２の切削加工後真直度
は、０．０１mmであった。

【００４９】(−２)ブラスト加工 この段付きギヤ１２の表面全体に、以下の条件でブラス
ト加工を施した。

【００５０】

【表３】

【００５１】(−３)表面拡散処理 ブラスト加工後、段付きギヤ１２の表面に、表面拡散処
理として本願加工例と同様の浸炭・焼入れ・焼戻しを
行った。

【００５２】(ー４)結果 上記の浸炭・焼入れ・焼戻し後の段付きギヤ１２の寸法
精度は、真直度が０．０１mmであり、切削加工後の寸法
精度と同じであった。

【００５３】(−５)ひずみ取り 本願加工例によれば、浸炭・焼入れ・焼戻し後、スケ
ールを除去すると、貫通孔の真直度の寸法精度は、全量
１０個が許容公差０．０４mm以内となり、ひずみ取り不
要であった。

【００５４】比較例 (−１)成品 本願実施例と同様に切削加工した段付きギヤ１２であ
る。この比較例の成品、１０個について試験を行っ
た。

【００５５】(−２)ブラスト加工 なし。

【００５６】(−３)表面拡散処理 比較例の成品の表面に本願加工例と同条件で浸炭・
焼入れ・焼戻しを行った。

【００５７】(−４)結果 段付きギヤ１２の寸法精度は、真直度（図２のＡ，Ｂ間
の）が０．０５mmであった。したがって、切削加工後の
真直度０．０１mmに対して５倍の大幅なひずみが生じ
た。

【００５８】(−５)ひずみ取り 比較例の生産方法によれば、全量の１０個が貫通孔の
真直度の許容公差０．０４mm以内を外しており、この場
合貫通孔は内径ひずみであるため、ひずみ取りはできな
い。そこで、比較例の成品の貫通孔を、内径寸法の許
容公差の範囲内で、さらに０．０２mmの内径研磨を行っ
たところ、１０個中２個は真直度の許容公差０．０４mm
以内から外れた不良品が出た。

【００５９】以上の本願加工例と比較例をまとめる
と、以下の表４のようになる。

【００６０】

【表４】

【００６１】本願加工例 (−１)成品 加工例の成品は、工作機械の工具のコレット１３で、
図３に示すように旋盤で大径の直径１０mm、全体の長さ
１５０mmに切削加工したもので、材料はＳＮＣＭ４２０
（ニッケルクロムモリブデン鋼）である。この加工例
の成品、２０個について試験を行った。

【００６２】加工例の成品の真直度の許容公差は、
０．０５mm以内である。

【００６３】なお、コレット１３の切削加工後の寸法精
度は、真直度が０．０５mmであった。

【００６４】(−２)ブラスト加工 このコレット１３の表面全体に、以下の条件でブラスト
加工を施した。

【００６５】

【表５】

【００６６】(−３)表面拡散処理 ブラスト加工後、コレット１３の表面に、拡散処理とし
て本願加工例と同様の浸炭・焼入れ・焼戻しを行っ
た。

【００６７】(−４)結果 上記の浸炭・焼入れ・焼戻し後のコレット１３の寸法精
度は、真直度が０．０２〜０．０３mmであった。従っ
て、切削加工後の寸法精度０．０５mmより向上するとい
う良好な結果を得た。

【００６８】(−５)ひずみ取り 本願加工例によれば、２０個のうち許容公差以内のも
のが全量の２０個であり、ひずみ取りが不要であった。

【００６９】比較例 (−１)成品 本願実施例と同様に切削加工した工作機械の工具のコ
レット１３である。この比較例の成品、２０個につい
て試験を行った。

【００７０】(−２)ブラスト加工 なし。

【００７１】(−３)表面拡散処理 比較例の成品の表面に、本願加工例と同条件で浸炭
・焼入れ・焼戻しを行った。

【００７２】(−４)結果 コレット１３の寸法精度は、真直度が０．１〜０．２mm
であった。したがって、切削加工後の真直度０．０５mm
に対して２〜４倍の大幅なひずみが生じた。

【００７３】(−５)ひずみ取り 比較例の生産方法によれば、全量の２０個が真直度の
許容公差０．０５mm以内を外しており、バーナーにて加
熱後、既知のハンドプレスの手段によりひずみ取りをす
ると、１個あたり、約１０分の作業を全量の２０個に対
して行った場合、１８個は公差以内であったが、１０
％、すなわち２個のひずみ取りの不可能な不良品が出
た。

【００７４】以上の本願加工例と比較例をまとめる
と、以下の表６のようになる。

【００７５】

【表６】

【００７６】本願加工例 (−１)成品 加工例の成品は、油圧シリンダーシャフト１４で、図
４に示すように旋盤及びフライス盤等の工作機械で直径
２０mm、長さ６００mmに切削加工したもので、材料はＳ
ＣＭ４２０（クロムモリブデン鋼）である。この加工例
の成品、５個について試験を行った。

【００７７】加工例の成品の真直度の許容公差は、
０．００５mm以内であり、この公差から外れる成品は不
良品となる。

【００７８】なお、シャフト１４の切削加工後の寸法精
度は、真直度が０．００５mm以内であった。

【００７９】(−２)ブラスト加工 このシャフト１４の表面全体に、以下の条件でブラスト
加工を施した。

【００８０】

【表７】

【００８１】(−３)表面拡散処理 ブラスト加工後、シャフト１４の表面に、表面拡散処理
として以下の条件でイオン窒化を行った。

【００８２】イオン窒化の条件：イオン窒化温度５００
℃， 加工時間 １５時間 (−４)結果及びひずみ取り 上記のイオン窒化後のシャフト１４の寸法精度は、真直
度が０．００５mm以内で、全数の５個に対してひずみ取
りが不要であった。

【００８３】比較例 (−１)成品 本願実施例と同様に切削加工した油圧シリンダーシャ
フト１４である。この比較例の成品、５個について試
験を行った。

【００８４】(−２)ブラスト加工 なし。

【００８５】(−３)表面拡散処理 本願実施例と同条件でイオン窒化を行った。

【００８６】(−４)結果 シャフト１４の寸法精度は、真直度が０．００５〜０．
０２mmであった。したがって、切削加工後の真直度の寸
法精度０．００５mm以内に対して１〜４倍の大幅なひず
みが生じた。

【００８７】(−５)ひずみ取り 比較例の生産方法によれば、全量の５個が真直度の許
容公差０．００５mm以内を外しており、既知のハンドプ
レスの手段によりひずみ取りをすると、全量の５個に対
して１個あたり約１０〜２０分の作業を行った場合、全
量の５個が良品となった。

【００８８】以上の本願加工例と比較例をまとめる
と、以下の表８のようになる。

【００８９】

【表８】

【００９０】本願加工例 (−１)成品 加工例の成品は、ダイカスト金型用ピン１５で、図５
に示すように一端の直径１０mm、他端の直径３０mmのテ
ーパ形状を成し、長さ５００mmに切削加工したもので、
材料はＳＫＤ６１（合金工具鋼）である。この加工例
の成品、１０個について試験を行った。

【００９１】加工例の成品の真直度の許容公差は、
０．０２mm以内であり、この公差から外れる成品は不良
品となる。

【００９２】なお、ピン１５の切削加工後の寸法精度
は、真直度が０．０１mm以内であった。

【００９３】(−２)ブラスト加工 このピン１５の表面全体に、以下の条件でブラスト加工
を施した。

【００９４】

【表９】

【００９５】(−３)表面拡散処理 ブラスト加工後、ピン１５の表面に、表面拡散処理とし
て以下の条件でタフトライドを行った。

【００９６】タフトライドの条件 タフトライド温度５３０℃， 加工時間 ５時間 (−４)結果及びひずみ取り 上記のタフトライド処理後のピン１５の寸法精度は、真
直度が０．０２mm以内で、全数の１０個に対してひずみ
取りが不要であった。

【００９７】比較例 (−１)成品 本願実施例と同様に切削加工したダイカスト金型用ピ
ン１５である。この比較例の成品、１０個について試
験を行った。

【００９８】(−２)ブラスト加工 なし。

【００９９】(−３)表面拡散処理 本願実施例と同条件でタフトライドを行った。

【０１００】(−４)結果 ピン１５の寸法精度は、真直度が０．０３〜０．１０mm
であった。したがって、切削加工後の真直度の寸法精度
０．０１mmに対して３〜１０倍の大幅なひずみが生じ
た。

【０１０１】(−５)ひずみ取り 比較例の生産方法によれば、全量の１０個が真直度の
許容公差０．０２mm以内を外しており、既知のハンドプ
レスの手段によりひずみ取りをしたが、全量の１０個が
ひずみ取り不可能で、全量が不良品となった。

【０１０２】以上の本願加工例と比較例を比較して
まとめると、以下の表１０のようになる。

【０１０３】

【表１０】

【０１０４】

【発明の効果】

(1)ひずみ取り作業を不要とすることができ、ブラスト
加工時間はひずみ取り作業時間に比してはるかに小さい
ので大幅なコスト低減を図ることができた。

【０１０５】(2)品質の向上に大いに寄与した。

【０１０６】(3)表面拡散処理例えば、浸炭・焼入れに
際し、従来どうりの温度処理の場合、同一の浸炭の深さ
（０．１mm〜０．５mm）を得るために要する処理時間
を、２０〜３０％短縮できた。

【０１０７】(4)タフトライド処理及びイオン窒化の場
合、従来どうりの温度処理で、それぞれ、１．５〜２．
０倍と１．５〜１．８倍の窒化の深さを得られた。

【０１０８】(5)従来の窒化と同等の効果を得るのに従
来の１／２〜２／３程度の時間でよく、また、浸炭にお
いても従来と同等の効果を得るのに温度を３０〜５０度
℃下げて処理を行うことができた。

【０１０９】(6)従来、表面拡散処理により大きなひず
みが発生するために、部分表面拡散処理を行っていた金
属成品に対しては本発明方法により、部分表面拡散処理
を行なう必要がなく、そのため高価な銅メッキの前処理
が不要となるので、大幅なコスト低減を図ることができ
た。

【図面の簡単な説明】

【図１】加工例のギヤシャフトを示す正面図；

【図２】加工例の段付きギヤを示す正面図；

【図３】加工例の工具のコレットを示す正面図

【図４】加工例の油圧シリンダーシャフトを示す正面
図；

【図５】加工例のダイカスト金型用ピンを示す正面
図。

【符号の説明】

１１ ギヤシャフト １２ 段付きギヤ １３ コレット １４ 油圧シリンダーシャフト １５ ダイカスト金型用ピン

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 押出し、鍛造、切削、研磨等の金属加工
   を施して成る金属成品に対して、表面拡散処理を施す面
   に、金属成品の表面硬度と同等又は同等以上の硬度を有
   する粒径２０〜３００μの研磨材を、噴射圧力２〜７kg
   ／cm²、噴射速度４０m/sec以上でブラスト加工し、次い
   で表面拡散処理を行うことを特徴とする表面拡散処理金
   属成品のひずみ発生防止方法。
2. 【請求項２】 前記研磨材が多角形グリット状を成し、
   研磨材の材質がガラス、セラミック、金属のうち一種又
   は数種の混合物である請求項１記載の表面拡散処理金属
   成品のひずみ発生防止方法。