JPH08277417A - 角部を備えた鋼加工片の表面処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 角部を備えた鋼加工片に、浸炭焼入処理及び
焼戻処理を施した後に、一次ショットピーニングを施
し、その処理面を研削又は切削処理して、その後に更に
その処理面に二次ショットピーニングを施す。切削処理
としてハードシェービングを実施することが好ましい。
また、歯車を表面処理する場合には、一次ショットピー
ニングを、硬度がＨＲｃ：６０以上で粒径が０．６〜
０．８ｍｍのショット粒を、７０〜９０ｍ／秒の投射速
度で投射し、二次ショットピーニングを、硬度がＨＶ：
８００〜２０００で、粒径が０．０５〜０．２ｍｍのシ
ョット粒を、７０〜９０ｍ／秒の投射速度で投射するこ
とにより実施するのが好ましい。 【効果】 歯車のような複雑な形状のものでも、更に深
くまで大きい圧縮残留応力を付与することができ、疲労
強度を更に向上させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、角部を備えた複雑な形
状の加工片、特に、車両の駆動系ユニットを構成する歯
車の表面処理方法に関する。より詳細には、本発明は、
角部を備えた鋼加工片に従来より優れた疲労強度を付与
することのできる表面処理方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】高い疲労強度を要求される機械構造用鋼
部品には、車両の駆動系ユニットを構成する歯車のよう
に角部を備えた複雑な形をしており、その機械的性質に
対する要求も表面が耐摩耗性を有し、動的の繰り返し衝
撃に強く、しかも歪みの最も少ないというような複雑な
特性を要求されるものがある。近年、特に、歯車は、エ
ンジンの出力の増大に伴い、更に高速及び高負荷の苛酷
な条件下で耐え得るよう、より高い疲労強度を有するこ
とが求められているが、軽量化及び小型化の要請から大
型化することはできず、また、形状が複雑なため、オー
スフォーミングなどの加工熱処理も圧延などの加工を伴
うためできない。そこで、一般的な疲労強度の向上方法
として、歯車に浸炭処理を施して内部を靭性に保持しつ
つ表面を硬くし、それにショットピーニングを施すこと
が提案されている。この方法によれば、理論的には、浸
炭焼入れ焼戻し処理によって残留していたオーステナイ
トがショットピーニングによって加わった応力によりマ
ルテンサイトに誘起変態されることにより、表層部に、
表面硬化と共に圧縮残留応力を導入できると考えられて
いる。

【０００３】浸炭された鋼加工片に対するショットピー
ニングの具体的な条件に関しては、ショットピーニング
では、ショット粒の粒径が大きいほど、また、投射速度
が大きいほど、ショットのエネルギーが大きくなること
から、ショットピーニング効果を向上させるためには、
粒径の大きいショット粒を高速度で投射する必要がある
が、ショット粒が大きすぎると複雑な形状物（例えば、
歯車の溝部分）へのピーニングができず、また、投射速
度が大きすぎると表面粗さが増したり表面に微小亀裂が
発生すること、更に投射は一定期間実施すれば疲労強度
は飽和になることから、特開昭６０−２１８４２２号で
は、ショットピーニングの最適条件として、ショット粒
の径を０．３〜１．０ｍｍ、投射時間を５〜４０分、投
射速度を３５〜５０ｍ／ｓと選択することが提案されて
いる。

【０００４】更に、特開昭６１−７９７１９号公報に
は、ショットピーニングを２段階に分けて行い、一次シ
ョットピーニングでは比較的大きいショット粒を用い、
二次ショットピーニングでは比較的小さいショット粒を
用いることにより、最適な残留応力分布形態が得られる
ことが報告されている。そして、特開昭６−１４５７８
５号公報には、上記２段階ショットピーニング法を歯車
を備えた浸炭鋼加工片に適用する場合には、浸炭鋼加工
片に対して、一次ショットピーニングを硬度Ｈｖ７００
以上で粒径０．６〜１．２ｍｍのショット粒を用いて行
い、１００〜２００℃の焼戻し処理を施した後に、更
に、二次ショットピーニングを硬度Ｈｖ７００以上で粒
径０．１〜０．５ｍｍのショット粒を用いて行えば、刃
先部のような角部を欠落することなく大幅に疲労強度を
向上させることができると報告されている。

【０００５】しかしながら、近年では、更に苛酷な状況
下でも耐えうる疲労強度を有することが、一部の機械部
品、特に歯車には求められている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】それ故、本発明は、車
両の駆動系ユニットを構成する歯車のように複雑な形を
しており、その機械的性質に対する要求も表面が耐摩耗
性を有し、動的の繰り返し衝撃に強く、しかも歪みの最
も少ないというような複雑な特性を要求される機械構造
用鋼部品として適し、しかも従来よりも高い疲労強度を
備えた鋼加工片を得るべく、その加工片の処理方法を提
供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】歯車などに使用する場合
に適した機械的強度を有すると従来から認識されている
二段ショットピーニング法による効果を鋭意考察した。
表面異常組織を有する浸炭焼入れ・焼戻し鋼では、合金
元素の内部酸化に起因する軟質の表面異常組織が結晶粒
界に沿って表面からある深さで形成されているため、疲
労は最表面から必ずしも開始されるとは限らず、先端か
ら開始される場合があるため、該先端においてある程度
の大きさの圧縮残留応力が存在していなければならない
が、二段ショットピーニング法でも結局のところ一次シ
ョットピーニングのみが上記先端における残留応力を導
入していることから、浸炭焼入れ・焼戻し鋼に更に高い
疲労強度を付与せしめるためには、一次ショットピーニ
ングを更に強力に行う必要があるが、しかしながら、一
方であまりに強力に一次ショットピーニングを行うと、
表面粗さを増大させまた表面に微小亀裂をもたらし、二
次ショットピーニングがそれを更に悪化させて、かえっ
て疲労寿命を低下させてしまう。鋼加工片が歯車のよう
に角部を備えた形状の場合には、実際の使用に供する前
に又は供して直ぐに、歯車の角部が欠落してしまう可能
性もある。

【０００８】特開平６−１４５７５９号公報には、一次
ショットピーニングと二次ショットピーニングとの間に
処理面に１３０〜２００℃の焼戻し処理を施すことによ
って、二次ショットピーニングのときの衝撃に耐え得る
よう高靭化することが提案されているが、焼戻し処理は
熱変形をも必然的に伴う。また、焼戻しによる組織変態
の深さは高精度に制御することが困難であり、必要以上
に高靭化が進んでしまう。更に、重要なことには、上記
方法では、一次ショットピーニングによって粗くなった
表面がそのまま二次ショットピーニングに供されること
である。従って、一次ショットピーニングを強力にすれ
ば、二次ショットピーニングのときに歯面が削り取られ
てしまう。一方、二次ショットピーニング後に後処理と
して研削したのでは二段ショットピーニング本来の利点
が生かせない。

【０００９】これに対して、本発明の発明者は、意外な
ことに、浸炭焼入れ処理及び焼戻し処理が施された、角
部を備えた鋼加工片に対して、一次ショットピーニング
を施した後、処理面を切削又は研削処理をすれば、一次
ショットピーニングを従来より強力に行っても、切削又
は研削処理により処理面を整えた上で、更にその処理面
に二次ショットピーニングを施せば、角部部分の欠落は
無論のこと、処理面には微小亀裂も観察されず、また、
熱が発生しないので熱変形も生じなかったことを見いだ
し、上記知見に基づき本発明を完成させた。

【００１０】本発明の角部を備えた鋼加工片の処理方法
は、浸炭焼入処理及び焼戻処理を施した後に、一次ショ
ットピーニングを施し、その処理面を研削又は切削処理
して、その後に更にその処理面に二次ショットピーニン
グを施すことを特徴とするものである。

【００１１】一次ショットピーニングは、従来の二段シ
ョットピーニング法で用いられていたものより強力に行
う。具体的には、硬度Ｈｃ：６０以上で粒径０．６〜
０．８ｍｍのショット粒を、投射速度７０〜９０ｍ／秒
で投射する。この範囲でショットピーニングを行うと、
表面からの深さが５０〜６０μｍのところで１４００Ｍ
Ｐａ以上の残留応力が付与される。なお、投射時間は、
６秒未満のときにはピーニング効果が不十分であったが
１９秒後にはほぼ飽和状態になることから、好ましくは
６〜１９秒間である。浸炭の表面からの深さは、採用し
た浸炭法が液体浸炭のときには固体浸炭より浅くなる
が、精密な歯車では歯面が０．０５ｍｍ程度摩滅したら
使用できないことから、それに施す浸炭焼入れ・焼戻し
処理では、一般的に表面異常組織の先端が、５０〜６０
μｍ又はその付近に存在するように処理するため、本発
明の方法によれば、結果として、該先端に一致する地点
の圧縮残留応力の大きさを増大できたことになる。

【００１２】ショット粒の硬度に関しては、相原らの論
文「ショットピーニングによる浸炭焼き入れ材の疲労向
上」（日本機械学会材料力学講演会講演論文集３１９
（１９９０）２６９−２７１）において報告されている
ように、硬度が高いほど、衝撃力が大きくなり、浸炭焼
入れ焼戻し状態で存在していた残留オーステナイトのマ
ルテンサイトへの加工誘起変態が促進されるめ、Ｈｃ：
６０以上とした。なお、安定的に量産できるものをショ
ット粒として使用するという観点から、ショット粒の硬
度に上限があることは当業者ならば理解されるであろ
う。材料は、特に限定はされないが、スチール又は鋳鋼
である。また、粒径に関しては、０．６ｍｍより小さく
すると、表面からの深さが５０〜６０μｍのところで圧
縮残留応力の最大値を付与することができず、また、
０．８ｍｍより大きくすると、特に慣用されている歯車
の形状では、歯車の溝部分へのピーニングが不可能とな
ることから、０．６〜０．８ｍｍとした。投射速度は、
７０〜９０ｍ／秒である。

【００１３】切削又は研削処理は、一次ショットピーニ
ングによって粗化したり、突起部となった部分を平滑化
すべく行う。切削代又は研削代は、なるべく小さくし、
多くとも、３０μｍ以下とするのが好ましい。あまり多
いと、浸炭焼入れ・焼戻し処理をし更に一次ショットピ
ーニングをすることより形成した圧縮残留応力層が減少
してしまうからである。加工方式としては、シェービン
グ加工やホーニング加工のような切削方式の他に、歯車
の形に対応した研削方式が利用できる。このうち、好ま
しい処理方式は、ハードシェービング法である。ハード
シェービング法は、基本的には、歯型成形すべく歯切り
した後の仕上げ加工として利用されているシェービング
法と同じく、使用するカッタは、歯面に多数の溝をもっ
ており、この溝と歯面との交線が切刃となって歯車の歯
面を切り取っていく。このカッタは、２番がついていな
いので切削力は小さいが、その反面精度を高くすること
ができる。ハードシェービング法では、シェービングカ
ッタにＣＢＮをコーティングした工具を用い、シェービ
ングカッタと歯車を共に回転させて同期加工することが
特徴であり、その結果として、シェービング代を他の方
式を利用した場合に比べて小さくできる利点がある。こ
のときに利用する切削剤は、潤滑性と洗浄性の優れた油
が望ましい。

【００１４】ハードシェービングに使用するカッタの材
料は、高速切削でき効率よく切削できることから、好ま
しくは、ＣＢＮである。

【００１５】なお、歯車にハードシェービングを行う
と、刃具のドレッシング前後及びその摩耗具合によって
大なり小なりのシェービング段差が必然的に形成されて
しまうが、本発明では、二次ショットピーニングのとき
に、該シェービング段差は除去されるので、平滑度は満
足する程度に保たれる。

【００１６】歯車の処理として利用する場合には、二次
ショットピーニングは、適切な表面硬化効果を達成する
ために、好ましくは、最表面に−１０００ＭＰａ程度の
圧縮残留応力が付与されるよう、ショット粒の硬度及び
投射速度を調整して行う。具体的には、粒径は０．０５
〜０．２ｍｍであり、硬度は、Ｈｖ８００〜２０００で
ある。また、投射速度は、７０〜９０ｍ／ｓであり、投
射時間は、４〜６秒である。通常、ガラスビースをショ
ット粒として使用する。

【００１７】

【作用】本発明の処理方法によれば、従来の処理方法に
比べて、表面異常組織の先端には大きい残留圧縮応力を
付与され、且つ、最表面には大きい表面硬度が付与され
る。しかも、角部を備えた表面に上記処理を施した場合
にも、従来の処理方法と利用した場合と少なくとも同程
度の処理面が得られる。すなわち、処理物が角部を備え
たものであったとしても、欠落も生じないし、また、表
面も平滑であり、変形もなく、実際の利用に供する前に
矯正する必要はない。

【００１８】

【実施例】以下の本発明の実施例は、単に例示のために
記載したものであって、本発明の範囲を限定するもので
はない。

【００１９】実施例１ 機械構造用低合金鋼（例えば、ＳＣＭ４２０）から、疲
れ試験法の標準試験片を製作し、それに、有効硬化深さ
５５μｍをねらって浸炭焼入処理及び焼戻処理を施した
後に、一次ショットピーニングを以下の条件で実施し
た。

【００２０】 ショット粒の硬度： ＨＲｃ６０ 粒径： ０．６ｍｍのショット粒 材料： スチール 空気圧力 ： ５．５ｋｇ／ｃｍ² 投射量 ： １８ｋｇ／分 投射距離 ： １２０ｍｍ 投射時間 ： ６秒 この条件下では、投射速度は、７０〜９０ｍ／秒の範囲
内であった。

【００２１】得られた、試験片の表面からの深さ（μ
ｍ）と圧縮残留応力（ＭＰａ）との関係を図１に示す。
図１から明らかなように、表面からの深さが５０〜６０
μｍのところで、最大−１４００ＭＰａ程度の圧縮残留
応力が付与されていた。

【００２２】続けて、一次ショットピーニングで用いた
ものより径の小さいショット粒を用いて、以下の条件下
で二次ショットピーニングを行った。

【００２３】 ショット粒の硬度： Ｈｖ２０００ 粒径： ０．２ｍｍ 材料： ガラスビーズ 空気圧力 ： ５．０ｋｇ／ｃｍ² 投射距離 ： １２０ｍｍ 投射量 ： １．６ｋｇ／分 投射時間 ： ６秒 なお、投射速度は８０ｍ／秒であった。得られた、試験
片の表面からの深さ（μｍ）と圧縮残留応力（ＭＰａ）
との関係は図２に示す通りであった。図２から明らかな
ように、最表層に−１０００ＭＰａ程度の圧縮残留応力
が付与されていた。しかしながら、処理面は荒れてい
た。

【００２４】これに対して、本発明の方法を評価するた
めに、一次ショットピーニングと二次ショットピーニン
グとの間に、処理面に以下の条件下で研削仕上げを施し
て、表面から深さ３０μｍ程度まで研削した。

【００２５】この場合には、表面が平滑化され、突起部
が消滅していた。得られた、試験片の表面からの深さ
（μｍ）と圧縮残留応力（ＭＰａ）との関係は図３に示
す通りであった。図３から明らかなように、最表層に−
１０００ＭＰａ程度の圧縮残留応力が付与されていた。
また、異常組織の先端部分と思われる表面からの深さが
５０〜６０μｍ部分に−１４００ＭＰａ程度の残留圧縮
応力が付与されていることが分かる。

【００２６】実施例２ 上記の実施例で使用したものと同じ材料から、下記に示
す形状のヘリカル・ギアを製作した。

【００２７】モジュール：３．５、ねじれ角：２３° 歯数 ：３１ 歯幅 ：３０ そして、該ギアに対して、同じ条件下で浸炭焼入れ・焼
戻し処理、一次ショットピーニング、及び、二次ショッ
トピーニングを施した。

【００２８】このとき、一次ショットピーニングと二次
ショットピーニングとの間に、以下の条件下で、ハード
シェービングを施した。なお、シェービング代は、実施
例１での切削代と同じである。

【００２９】送り速度：０．１ｍｍ／回転 周速度 ：２０００ｍ／分 歯先には欠落部分は観察されなかった。また、表面も、
更に研削する必要がない程度の平滑度（具体的には、Ｒ
_max：３〜４μｍ程度）であった。

【００３０】

【発明の効果】本発明の表面処理方法によれば、歯車の
ような複雑な形状のものでも、更に深くまで大きい圧縮
残留応力を付与することができ、疲労強度を更に向上さ
せることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】標準試験片に一次ショットピーニングを施した
後の、圧縮残留応力と表面からの深さとの関係を示す図
である。

【図２】標準試験片に、一次ショットピーニングに続け
て二次ショットピーニングを施した後の、圧縮残留応力
と表面からの深さとの関係を示す図である。

【図３】標準試験片に、一次ショットピーニング後、ハ
ードシェービングを挟んで二次ショットピーニングを施
した後の、圧縮残留応力と表面からの深さとの関係を示
す図である。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 角部を備えた鋼加工片に、浸炭焼入処理
   及び焼戻処理を施した後に、一次ショットピーニングを
   施し、その処理面を研削又は切削処理して、その後に更
   にその処理面に二次ショットピーニングを施すことを特
   徴とする鋼加工片の表面処理方法。
2. 【請求項２】 切削処理としてハードシェービングを実
   施することを特徴とする請求項１又は２に記載の角部を
   備えた鋼加工片の表面処理方法。
3. 【請求項３】 加工片として歯車を使用し、一次ショッ
   トピーニングを、硬度がＨＲｃ：６０以上で粒径が０．
   ６〜０．８ｍｍのショット粒を、７０〜９０ｍ／秒の投
   射速度で投射することにより実施することを特徴とする
   請求項１又は２に記載の鋼加工片の表面処理方法。
4. 【請求項４】 二次ショットピーニングを、硬度がＨ
   Ｖ：８００〜２０００で、粒径が０．０５〜０．２ｍｍ
   のショット粒を、７０〜９０ｍ／秒の投射速度で投射す
   ることにより実施することを特徴とする請求項３に記載
   の鋼加工片の表面処理方法。