表面処理装置及び表面処理方法
【課題】簡便・低コストな表面処理であるショットピーニングにおいて高硬度化と結晶粒微細化とを両立させること。
【解決手段】被処理物Ｗを加熱する誘導加熱コイル１３０と、誘導加熱コイル１３０に高周波電流を供給して被処理物Ｗを誘導加熱する高周波印加装置２００と、被処理物Ｗに向けて投射材Ｐを噴射させるとともに冷却する噴射ノズル１４０と、高周波印加装置２００から誘導加熱コイル１３０に高周波電流を供給させて被処理物Ｗを加熱し、オーステナイト化させ、被処理物ＷのＡ３変態点の−１１０〜−１０℃の温度まで冷却された後に噴射ノズル１４０から投射材Ｐを噴射させるとともに被処理物Ｗが前記温度に維持される状態に誘導加熱コイル１３０に高周波電流を供給させる制御部３００を具備した。
【解決手段】被処理物Ｗを加熱する誘導加熱コイル１３０と、誘導加熱コイル１３０に高周波電流を供給して被処理物Ｗを誘導加熱する高周波印加装置２００と、被処理物Ｗに向けて投射材Ｐを噴射させるとともに冷却する噴射ノズル１４０と、高周波印加装置２００から誘導加熱コイル１３０に高周波電流を供給させて被処理物Ｗを加熱し、オーステナイト化させ、被処理物ＷのＡ３変態点の−１１０〜−１０℃の温度まで冷却された後に噴射ノズル１４０から投射材Ｐを噴射させるとともに被処理物Ｗが前記温度に維持される状態に誘導加熱コイル１３０に高周波電流を供給させる制御部３００を具備した。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄鋼材からなる被処理物を誘導加熱しつつ投射材を噴射して表面処理する表面処理装置及び表面処理方法に関し、特に高硬度化と結晶粒微細化を両立できる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄鋼材に表面処理を施す方法としてショットピーニングが用いられている。ショットピーニングは、目的に合わせた種々の手法が知られている（例えば、特許文献１〜７参照）。例えば、圧縮残留応力の生起や高硬度化により鉄鋼材の疲労強度向上を図るためには鉄鋼材の伸び率は小さい方がよいことから、したがって、鉄鋼材の常温領域でショットピ−ニングを行っている。これに対し、鉄鋼材の表面金属組織を微細化させたり、表面を滑らかに仕上げるためには鉄鋼材の伸び率が大きい方がよく、鉄鋼材を加熱してショットピーニングを行っている。
【０００３】
一方、鉄鋼材を加熱し、オーステナイトあるいは準オーステナイトの状態で圧延・押出し・引抜き等の塑性加工により成形し、急冷することで、加工硬化と結晶粒微細化を同時に行うオースフォーミングという技術が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭５８−１９２６４３号公報
【特許文献２】特公平５−５１４３３号公報
【特許文献３】特開平５−２７７９４４号公報
【特許文献４】特公平６−９９７３９号公報
【特許文献５】特公平６−７２２５４号公報
【特許文献６】特開平５−２７７９４５号公報
【特許文献７】特許第４５０５７７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した鉄鋼材の処理方法では、次のような問題があった。すなわち、製品の多様化に伴い、鉄鋼材の表面に大きな圧縮残留応力を生起させると同時に、表面金属組織を高硬度化・微細化させて疲労強度を向上させることが求められるようになった。しかしながら、ショットピーニングにより高硬度化と結晶粒微細化とを両立させることは温度制御の面からも困難である。
【０００６】
一方、オースフォーミングでは高硬度化と結晶粒微細化とを両立させることができるが、大型の装置が必要となるとともに、温度管理や鉄鋼材の化学組成を厳密に制御する等、製造プロセスが複雑となり、実用化が困難であるという問題があった。
【０００７】
そこで本発明は、簡便・低コストな表面処理であるショットピーニングにおいて高硬度化と結晶粒微細化とを両立させることができる表面処理装置及び表面処理方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決し目的を達成するために、本発明の表面処理装置及び表面処理方法は次のように構成されている。
【０００９】
鉄鋼材からなる被処理物に投射材を噴射して表面処理する表面処理装置において、前記被処理物を支持する支持部と、この支持部の周囲に配置され、前記被処理物を加熱する誘導加熱コイルと、この誘導加熱コイルに高周波電流を供給して前記被処理物を誘導加熱する高周波印加部と、前記支持部に向けて前記投射材を噴射させる投射材噴射部と、前記被処理物を冷却する冷却部と、前記高周波印加部から前記誘導加熱コイルに高周波電流を供給させて前記被処理物を加熱し、オーステナイト化させ、前記被処理物のＡ３変態点の−１１０〜−１０℃の温度まで冷却された後に前記投射材噴射部から前記投射材を噴射させるとともに前記被処理物が前記所定の温度に維持される状態に前記誘導加熱コイルに高周波電流を供給させ、前記冷却部により前記被処理物を冷却させる制御部を具備した。
【００１０】
鉄鋼材からなる被処理物に投射材を噴射して表面処理する表面処理方法において、前記被処理物をオーステナイト化する温度まで加熱する加熱工程と、前記被処理物のＡ３変態点の−１１０〜−１０℃の温度まで冷却された後に前記被処理物に向けて前記投射材を投射する投射工程とを備えた。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、簡便・低コストな表面処理であるショットピーニングにおいて高硬度化と結晶粒微細化とを両立させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施の形態に係る表面処理装置の構成を示す説明図。
【図２】同表面処理装置における時間と温度変化との関係を示す説明図。
【図３】同表面処理装置において表面処理された被処理物の表面からの距離とビッカース硬度との関係を示す図。
【図４】同表面処理装置において表面処理された被処理物の表面からの距離とビッカース硬度との関係を示す図。
【図５】同表面処理装置において表面処理された被処理物の表面からの距離とビッカース硬度との関係を示す図。
【図６】同表面処理装置において表面処理された被処理物の疲労試験に用いる切欠試験片を示す説明図。
【図７】同表面処理装置において表面処理された被処理物のき裂進展挙動観察に用いる微小穴試験片を示す説明図。
【図８】同表面処理装置において表面処理された被処理物の破断までの繰返し数と応力振幅との関係を示す説明図。
【図９】同表面処理装置において表面処理された被処理物の回転数とき裂の長さとの関係を示す説明図。
【図１０】同表面処理装置において表面処理された被処理物の応力拡大係数範囲とき裂の成長速度との関係を示す説明図。
【図１１】同表面処理装置において表面処理された被処理物の断面組織観察結果を示す説明図。
【図１２】同表面処理装置において表面処理された被処理物の断面組織観察結果を示す説明図。
【図１３】同表面処理装置において表面処理された被処理物の断面組織観察結果を示す説明図。
【図１４】同表面処理装置において表面処理された被処理物の結晶粒径を比較して示す説明図。
【図１５】同表面処理装置において表面処理された被処理物の表面からの距離とビッカース硬度との関係を示す図。
【図１６】同表面処理装置において表面処理された被処理物の断面組織観察結果を示す説明図。
【図１７】同表面処理装置において表面処理された被処理物の外観を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１は本発明の一実施の形態に係る表面処理方法を実施する表面処理装置１００の概略構成を示す断面図である。表面処理装置１００は、被処理物Ｗを誘導加熱しつつ投射材を噴射して表面処理する装置である。ここで、被処理物Ｗとしては、例えば磁性材料である鋼材を対象とすることができる。特に、鉄を主成分する鋼材が好適である。一方、投射材としては、例えば鉄、クロム、アルミニウム等の金属、あるいはクロム−ニッケルや炭化タングステン−コバルト等の合金、アルミナやシリカ、ジルコニア等のセラミックスである金属酸化物、炭化珪素や窒化珪素等のセラミックスである金属を含有する金属化合物等が例示できる。また、投射材としては、例えば平均粒径が数μｍ〜数百μｍに調整されたものが利用される。
【００１４】
図１に示すように、表面処理装置１００は、気密に形成されたチャンバ１１０を備えている。チャンバ１１０内には、被処理物Ｗを載置する支持台１２０と、この支持台１２０の周囲に設けられた誘導加熱コイル１３０と、支持台１２０に向けて投射材又は圧縮ガスを噴射する噴射ノズル（投射材噴射部）１４０とが設けられている。
【００１５】
支持台１２０には、被処理物Ｗの表面温度を測定する温度センサ１２１が設けられて居る。温度センサ１２１の出力は制御部３００に接続されている。
【００１６】
誘導加熱コイル１３０は、チャンバ１１０外に設けられた高周波印加装置２００に接続され、所定の周波数の高周波電流が印加される。
【００１７】
チャンバ１１０内には、噴射ノズル１４０が設けられ、支持台１２０に向けられたノズル１４１を備えている。噴射ノズル１４０には、電磁弁１４２を介して空気ガスを供給するガスボンベ１６０及び流量弁・圧力調整弁１６１に接続されている。流量弁・圧力調整弁１６１では、空気ガスの噴射速度として例えば数十ｍ／秒から数千ｍ／秒で噴射される。なお、噴射速度ではなく、噴射圧（例えば、０．５ＭＰａ）として制御してもよい。
【００１８】
流量弁・圧力調整弁１６１は、さらに粒子フィーダ１５０に接続されたフィーダライン１５１に接続されている。フィーダライン１５１には粒子フィーダ調整弁１５２〜１５４が設けられ、噴射ノズル１４０に投射材Ｐが供給されている。
【００１９】
高周波印加装置２００は、単一、あるいは複数の周波数の高周波電流を誘導加熱コイル１３０に印加し、被処理物Ｗを誘導加熱する。
【００２０】
図１中３００は、表面処理装置１００の各部を制御する制御部を示している。制御部３００は、作業者の設定、予め設定されたプログラム、センサ出力等の情報に基づいて、高周波印加装置２００、電磁弁１４２、粒子フィーダ調整弁１５２〜１５４、被処理物Ｗの加熱、投射材Ｐの噴射速度・噴射量、空気ガスの噴射・噴射タイミング等を調整する。
【００２１】
制御部３００による制御の一例として、高周波印加装置２００から誘導加熱コイル１３０に高周波電流を供給させて被処理物Ｗがオーステナイト化する温度（例えば、１０００℃）まで加熱させ、その後に空気ガスを噴射させることで急冷させ、ノズル１４１から投射材及び空気ガスを噴射させるとともに被処理物Ｗが所定の温度（例えば、６５０〜７５０℃）に維持される状態に誘導加熱コイル１３０に高周波電流を供給させ、ノズル１４１から空気ガスのみを噴射させて被処理物Ｗを冷却させるように制御を行う。
【００２２】
このように構成された表面処理装置１００は、次のようにして動作する。なお、被処理材ＷとしてＳＣＭ４３５Ｈ鋼を用いた。図２に示すように、高周波印加装置２００から誘導加熱コイル１３０に高周波電流を供給させて被処理物Ｗを１０００℃まで加熱させる。この加熱により被処理物Ｗは完全にオーステナイト化する。
【００２３】
次に、ノズル１４１から空気ガスを噴射させて被処理物Ｗを所定温度（例えば、６５０〜７５０℃）まで冷却する。ノズル１４１から投射材Ｐを３０秒間噴射させてショットピーニング処理（ＦＰＰ）を行う。このとき、温度センサ１２１の出力が６５０〜７５０℃に保持されるように、誘導加熱コイル１３０に高周波電流を供給させる。投射材Ｐの噴射（ＦＰＰ）により、投射材Ｐが被処理物Ｗの表面に衝突する。次に、放冷或いはノズル１４１から空気ガスのみを被処理物Ｗに噴射して冷却を行う。
【００２４】
図３〜図５は、ＦＰＰをそれぞれ６５０℃（γ−Ｆ６５０）、７００℃（γ−Ｆ７００）、７５０℃（γ−Ｆ７５０）で行った場合における表面からの距離とビッカース硬度との関係を示す図である。なお、アニール処理した鋼材（Ａｎｎｅａｌｅｄ）、アニール処理後に室温でＦＰＰ処理した鋼材（Ｆ）、熱処理だけの鋼材（ＩＨ）を比較として示した。アニール処理したもの、ＦＰＰ処理したものと比較した場合、試験片全体の硬度が上昇していることが判る。また、熱処理したものと比較した場合、試験片表面の硬度が上昇していることが判る。
【００２５】
また、図６に示す切欠試験片Ｑ１(Ｋｔ＝２．３６)を用いて疲労試験（回転曲げ疲労試験）、図７に示す微小穴試験片Ｑ２（Ｋｔ＝３）を用いてき裂進展挙動観察を行った。
【００２６】
疲労試験においては、室温・大気中、２５００ｒｐｍの条件下で行った。図８は破断までの繰返し数と応力振幅との関係を示したものである。表面処理装置１００により、７００℃で表面処理したもの（γ−Ｆ７００）と、アニール処理したもの、熱処理だけのもの、アニール処理後に室温でＦＰＰしたものと、５００℃で表面処理したもの（γ−Ｆ５００）と、６００℃で表面処理したもの（γ−Ｆ６００）とを比較した。図８からも判るように、７００℃で表面処理したもの（γ−Ｆ７００）は十分に疲労強度が向上している。
【００２７】
き裂進展挙動観察では、室温・大気中、１０００ｒｐｍの条件下で行った。図９は回転数とき裂の長さとの関係を示したものである。表面処理装置１００により、７００℃で表面処理したもの（γ−Ｆ７００）と、熱処理だけのものとを比較した。図９からも判るように、き裂の進展が抑制されている。図１０は応力拡大係数範囲とき裂の成長速度との関係を示したものである。図１０からも判るように、き裂の進展が抑制されている。
【００２８】
なお、６５０〜７５０℃は、被処理物ＷであるＳＣＭ４３５Ｈ鋼のＡ３変態点の−１１０〜−１０℃の温度である。ここで、−１１０〜−１０℃の温度とした理由について説明する。すなわち、Ａ３変態点よりも−１１０℃以上低温であると、最表面がフェライト・パーライト組織、またはベイナイト組織となり十分な硬さが得られない。また、Ａ３変態点よりも−１０℃以上高温であると、被処理物Ｗの変形抵抗低下に起因して、投射材Ｐによる削食量が著しく増加し、品質が低下する（図１７参照）。
【００２９】
図１１〜図１３は、表面処理装置１００において表面処理された被処理物の断面組織観察結果を６５０℃（γ−Ｆ６５０）、７００℃（γ−Ｆ７００）、７５０℃（γ−Ｆ７５０）について示す説明図である。これらの処理においては、結晶粒が微細化していることが判る。硬さは全て上昇し高硬度となり、硬さの上昇幅は同じ程度である。また、高硬度層の厚さは５０μｍ程度となる。なお、６５０℃（γ−Ｆ６５０）で処理を行ったものが最も微細となる。
【００３０】
図１４は、表面処理装置１００において表面処理された被処理物の結晶粒径を６５０℃（γ−Ｆ６５０）、７００℃（γ−Ｆ７００）、７５０℃（γ−Ｆ７５０）について比較して示す説明図である。いずれも最表面で粒径が５μｍ以下となった。なお、深さ１５μｍ以上では結晶粒径にばらつきが生じる。
【００３１】
ここで、上記表面処理により、高硬度化と結晶粒微細化が可能となる原理について説明する。すなわち、被処理物Ｗは加熱により転移の消失（軟化）が生じる。一方、その間、連続的に高速度で投射材Ｐが衝突する。このため、再結晶核が多数生成されるとともに、転位の導入（硬化）と再結晶が繰り返される。軟化・硬化とが繰り返されることにより、高温下においても高転位密度に保つことが可能である。
【００３２】
一方、一般的な結晶粒微細化処理として知られている圧延等の塑性加工と加熱においては加工硬化が不十分となる。この理由について説明する。すなわち、加工硬化段階（冷間加工）において、材料内の転位密度が増大し、再結晶核（潜在核）が形成される。次に、回復段階（高温保持）において、転位の消失と再配列（整列）が行われ、粒内の転位密度が減少し、再結晶核が成長する。そして、再結晶段階（高温保持）において、再結晶粒の形成と粒成長が生じ、再結晶粒（転位を含まない）が形成され、結晶粒微細化が生じる。また、圧延加工と熱処理の組合せでは、結晶粒微細化は可能であるが、再結晶により加工硬化の効果は失われる。
【００３３】
ここで、本願発明の対象外となる温度範囲（６５０℃未満、７５０℃超）について説明する。
【００３４】
図１５は、ＦＰＰを６００℃（γ−Ｆ６００）で行った場合における表面からの距離とビッカース硬度との関係を示す図である。なお、アニール処理した鋼材（Ａｎｎｅａｌｅｄ）、アニール処理後に室温でＦＰＰ処理した鋼材（Ｆ）、熱処理だけの鋼材（ＩＨ）を比較として示した。熱処理だけの鋼材（ＩＨ）としたものに比べ、あまり硬度が上昇していないことが判る。
【００３５】
図１６は、表面処理装置１００において表面処理された被処理物の断面組織観察結果を６００℃（γ−Ｆ６００）について示す説明図である。これらの処理においては、結晶粒が微細化していないことが判る。
【００３６】
図１７は、７５０℃以上で処理した場合を示している。被処理物Ｗが投射材Ｐにより著しく削食されている。
【００３７】
上述したように、本実施の形態に係る表面処理装置１００は、被処理物Ｗは完全にオーステナイト化した後、被処理物のＡ３変態点の−１１０〜−１０℃の温度領域においてショットピーニング処理を施すことにより、焼入れとショットピーニングによる改質効果が同時に得られ、高硬度化及び結晶粒微細化が可能となり、疲労特性が改善する。したがって、簡便・低コストな表面処理あるショットピーニングにおいて高硬度化と結晶粒微細化とを両立させることができる表面処理装置及び表面処理方法が得られる。
【００３８】
また、チャンバ１１０内において、温度制御及び投射材Ｐの投射を行うことで表面処理が行われるので、表面処理工程を生産ラインに組み込むことができる。この際、高周波誘導加熱を用いているため、制御性が良く自動ライン化に有利となる。
【００３９】
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能であるのは勿論である。
【符号の説明】
【００４０】
１００…表面処理装置、１１０…チャンバ、１２０…支持台、１２１…温度センサ、１３０…誘導加熱コイル、１４０…噴射ノズル、１４２…電磁弁、１５０…粒子フィーダ、１５１…フィーダライン、１５２〜１５４…粒子フィーダ調整弁、１６０…ガスボンベ、１６１…流量弁・圧力調整弁、２００…高周波印加装置、３００…制御部、Ｗ…被処理物、Ｐ…投射材。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄鋼材からなる被処理物を誘導加熱しつつ投射材を噴射して表面処理する表面処理装置及び表面処理方法に関し、特に高硬度化と結晶粒微細化を両立できる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄鋼材に表面処理を施す方法としてショットピーニングが用いられている。ショットピーニングは、目的に合わせた種々の手法が知られている（例えば、特許文献１〜７参照）。例えば、圧縮残留応力の生起や高硬度化により鉄鋼材の疲労強度向上を図るためには鉄鋼材の伸び率は小さい方がよいことから、したがって、鉄鋼材の常温領域でショットピ−ニングを行っている。これに対し、鉄鋼材の表面金属組織を微細化させたり、表面を滑らかに仕上げるためには鉄鋼材の伸び率が大きい方がよく、鉄鋼材を加熱してショットピーニングを行っている。
【０００３】
一方、鉄鋼材を加熱し、オーステナイトあるいは準オーステナイトの状態で圧延・押出し・引抜き等の塑性加工により成形し、急冷することで、加工硬化と結晶粒微細化を同時に行うオースフォーミングという技術が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭５８−１９２６４３号公報
【特許文献２】特公平５−５１４３３号公報
【特許文献３】特開平５−２７７９４４号公報
【特許文献４】特公平６−９９７３９号公報
【特許文献５】特公平６−７２２５４号公報
【特許文献６】特開平５−２７７９４５号公報
【特許文献７】特許第４５０５７７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した鉄鋼材の処理方法では、次のような問題があった。すなわち、製品の多様化に伴い、鉄鋼材の表面に大きな圧縮残留応力を生起させると同時に、表面金属組織を高硬度化・微細化させて疲労強度を向上させることが求められるようになった。しかしながら、ショットピーニングにより高硬度化と結晶粒微細化とを両立させることは温度制御の面からも困難である。
【０００６】
一方、オースフォーミングでは高硬度化と結晶粒微細化とを両立させることができるが、大型の装置が必要となるとともに、温度管理や鉄鋼材の化学組成を厳密に制御する等、製造プロセスが複雑となり、実用化が困難であるという問題があった。
【０００７】
そこで本発明は、簡便・低コストな表面処理であるショットピーニングにおいて高硬度化と結晶粒微細化とを両立させることができる表面処理装置及び表面処理方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決し目的を達成するために、本発明の表面処理装置及び表面処理方法は次のように構成されている。
【０００９】
鉄鋼材からなる被処理物に投射材を噴射して表面処理する表面処理装置において、前記被処理物を支持する支持部と、この支持部の周囲に配置され、前記被処理物を加熱する誘導加熱コイルと、この誘導加熱コイルに高周波電流を供給して前記被処理物を誘導加熱する高周波印加部と、前記支持部に向けて前記投射材を噴射させる投射材噴射部と、前記被処理物を冷却する冷却部と、前記高周波印加部から前記誘導加熱コイルに高周波電流を供給させて前記被処理物を加熱し、オーステナイト化させ、前記被処理物のＡ３変態点の−１１０〜−１０℃の温度まで冷却された後に前記投射材噴射部から前記投射材を噴射させるとともに前記被処理物が前記所定の温度に維持される状態に前記誘導加熱コイルに高周波電流を供給させ、前記冷却部により前記被処理物を冷却させる制御部を具備した。
【００１０】
鉄鋼材からなる被処理物に投射材を噴射して表面処理する表面処理方法において、前記被処理物をオーステナイト化する温度まで加熱する加熱工程と、前記被処理物のＡ３変態点の−１１０〜−１０℃の温度まで冷却された後に前記被処理物に向けて前記投射材を投射する投射工程とを備えた。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、簡便・低コストな表面処理であるショットピーニングにおいて高硬度化と結晶粒微細化とを両立させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施の形態に係る表面処理装置の構成を示す説明図。
【図２】同表面処理装置における時間と温度変化との関係を示す説明図。
【図３】同表面処理装置において表面処理された被処理物の表面からの距離とビッカース硬度との関係を示す図。
【図４】同表面処理装置において表面処理された被処理物の表面からの距離とビッカース硬度との関係を示す図。
【図５】同表面処理装置において表面処理された被処理物の表面からの距離とビッカース硬度との関係を示す図。
【図６】同表面処理装置において表面処理された被処理物の疲労試験に用いる切欠試験片を示す説明図。
【図７】同表面処理装置において表面処理された被処理物のき裂進展挙動観察に用いる微小穴試験片を示す説明図。
【図８】同表面処理装置において表面処理された被処理物の破断までの繰返し数と応力振幅との関係を示す説明図。
【図９】同表面処理装置において表面処理された被処理物の回転数とき裂の長さとの関係を示す説明図。
【図１０】同表面処理装置において表面処理された被処理物の応力拡大係数範囲とき裂の成長速度との関係を示す説明図。
【図１１】同表面処理装置において表面処理された被処理物の断面組織観察結果を示す説明図。
【図１２】同表面処理装置において表面処理された被処理物の断面組織観察結果を示す説明図。
【図１３】同表面処理装置において表面処理された被処理物の断面組織観察結果を示す説明図。
【図１４】同表面処理装置において表面処理された被処理物の結晶粒径を比較して示す説明図。
【図１５】同表面処理装置において表面処理された被処理物の表面からの距離とビッカース硬度との関係を示す図。
【図１６】同表面処理装置において表面処理された被処理物の断面組織観察結果を示す説明図。
【図１７】同表面処理装置において表面処理された被処理物の外観を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１は本発明の一実施の形態に係る表面処理方法を実施する表面処理装置１００の概略構成を示す断面図である。表面処理装置１００は、被処理物Ｗを誘導加熱しつつ投射材を噴射して表面処理する装置である。ここで、被処理物Ｗとしては、例えば磁性材料である鋼材を対象とすることができる。特に、鉄を主成分する鋼材が好適である。一方、投射材としては、例えば鉄、クロム、アルミニウム等の金属、あるいはクロム−ニッケルや炭化タングステン−コバルト等の合金、アルミナやシリカ、ジルコニア等のセラミックスである金属酸化物、炭化珪素や窒化珪素等のセラミックスである金属を含有する金属化合物等が例示できる。また、投射材としては、例えば平均粒径が数μｍ〜数百μｍに調整されたものが利用される。
【００１４】
図１に示すように、表面処理装置１００は、気密に形成されたチャンバ１１０を備えている。チャンバ１１０内には、被処理物Ｗを載置する支持台１２０と、この支持台１２０の周囲に設けられた誘導加熱コイル１３０と、支持台１２０に向けて投射材又は圧縮ガスを噴射する噴射ノズル（投射材噴射部）１４０とが設けられている。
【００１５】
支持台１２０には、被処理物Ｗの表面温度を測定する温度センサ１２１が設けられて居る。温度センサ１２１の出力は制御部３００に接続されている。
【００１６】
誘導加熱コイル１３０は、チャンバ１１０外に設けられた高周波印加装置２００に接続され、所定の周波数の高周波電流が印加される。
【００１７】
チャンバ１１０内には、噴射ノズル１４０が設けられ、支持台１２０に向けられたノズル１４１を備えている。噴射ノズル１４０には、電磁弁１４２を介して空気ガスを供給するガスボンベ１６０及び流量弁・圧力調整弁１６１に接続されている。流量弁・圧力調整弁１６１では、空気ガスの噴射速度として例えば数十ｍ／秒から数千ｍ／秒で噴射される。なお、噴射速度ではなく、噴射圧（例えば、０．５ＭＰａ）として制御してもよい。
【００１８】
流量弁・圧力調整弁１６１は、さらに粒子フィーダ１５０に接続されたフィーダライン１５１に接続されている。フィーダライン１５１には粒子フィーダ調整弁１５２〜１５４が設けられ、噴射ノズル１４０に投射材Ｐが供給されている。
【００１９】
高周波印加装置２００は、単一、あるいは複数の周波数の高周波電流を誘導加熱コイル１３０に印加し、被処理物Ｗを誘導加熱する。
【００２０】
図１中３００は、表面処理装置１００の各部を制御する制御部を示している。制御部３００は、作業者の設定、予め設定されたプログラム、センサ出力等の情報に基づいて、高周波印加装置２００、電磁弁１４２、粒子フィーダ調整弁１５２〜１５４、被処理物Ｗの加熱、投射材Ｐの噴射速度・噴射量、空気ガスの噴射・噴射タイミング等を調整する。
【００２１】
制御部３００による制御の一例として、高周波印加装置２００から誘導加熱コイル１３０に高周波電流を供給させて被処理物Ｗがオーステナイト化する温度（例えば、１０００℃）まで加熱させ、その後に空気ガスを噴射させることで急冷させ、ノズル１４１から投射材及び空気ガスを噴射させるとともに被処理物Ｗが所定の温度（例えば、６５０〜７５０℃）に維持される状態に誘導加熱コイル１３０に高周波電流を供給させ、ノズル１４１から空気ガスのみを噴射させて被処理物Ｗを冷却させるように制御を行う。
【００２２】
このように構成された表面処理装置１００は、次のようにして動作する。なお、被処理材ＷとしてＳＣＭ４３５Ｈ鋼を用いた。図２に示すように、高周波印加装置２００から誘導加熱コイル１３０に高周波電流を供給させて被処理物Ｗを１０００℃まで加熱させる。この加熱により被処理物Ｗは完全にオーステナイト化する。
【００２３】
次に、ノズル１４１から空気ガスを噴射させて被処理物Ｗを所定温度（例えば、６５０〜７５０℃）まで冷却する。ノズル１４１から投射材Ｐを３０秒間噴射させてショットピーニング処理（ＦＰＰ）を行う。このとき、温度センサ１２１の出力が６５０〜７５０℃に保持されるように、誘導加熱コイル１３０に高周波電流を供給させる。投射材Ｐの噴射（ＦＰＰ）により、投射材Ｐが被処理物Ｗの表面に衝突する。次に、放冷或いはノズル１４１から空気ガスのみを被処理物Ｗに噴射して冷却を行う。
【００２４】
図３〜図５は、ＦＰＰをそれぞれ６５０℃（γ−Ｆ６５０）、７００℃（γ−Ｆ７００）、７５０℃（γ−Ｆ７５０）で行った場合における表面からの距離とビッカース硬度との関係を示す図である。なお、アニール処理した鋼材（Ａｎｎｅａｌｅｄ）、アニール処理後に室温でＦＰＰ処理した鋼材（Ｆ）、熱処理だけの鋼材（ＩＨ）を比較として示した。アニール処理したもの、ＦＰＰ処理したものと比較した場合、試験片全体の硬度が上昇していることが判る。また、熱処理したものと比較した場合、試験片表面の硬度が上昇していることが判る。
【００２５】
また、図６に示す切欠試験片Ｑ１(Ｋｔ＝２．３６)を用いて疲労試験（回転曲げ疲労試験）、図７に示す微小穴試験片Ｑ２（Ｋｔ＝３）を用いてき裂進展挙動観察を行った。
【００２６】
疲労試験においては、室温・大気中、２５００ｒｐｍの条件下で行った。図８は破断までの繰返し数と応力振幅との関係を示したものである。表面処理装置１００により、７００℃で表面処理したもの（γ−Ｆ７００）と、アニール処理したもの、熱処理だけのもの、アニール処理後に室温でＦＰＰしたものと、５００℃で表面処理したもの（γ−Ｆ５００）と、６００℃で表面処理したもの（γ−Ｆ６００）とを比較した。図８からも判るように、７００℃で表面処理したもの（γ−Ｆ７００）は十分に疲労強度が向上している。
【００２７】
き裂進展挙動観察では、室温・大気中、１０００ｒｐｍの条件下で行った。図９は回転数とき裂の長さとの関係を示したものである。表面処理装置１００により、７００℃で表面処理したもの（γ−Ｆ７００）と、熱処理だけのものとを比較した。図９からも判るように、き裂の進展が抑制されている。図１０は応力拡大係数範囲とき裂の成長速度との関係を示したものである。図１０からも判るように、き裂の進展が抑制されている。
【００２８】
なお、６５０〜７５０℃は、被処理物ＷであるＳＣＭ４３５Ｈ鋼のＡ３変態点の−１１０〜−１０℃の温度である。ここで、−１１０〜−１０℃の温度とした理由について説明する。すなわち、Ａ３変態点よりも−１１０℃以上低温であると、最表面がフェライト・パーライト組織、またはベイナイト組織となり十分な硬さが得られない。また、Ａ３変態点よりも−１０℃以上高温であると、被処理物Ｗの変形抵抗低下に起因して、投射材Ｐによる削食量が著しく増加し、品質が低下する（図１７参照）。
【００２９】
図１１〜図１３は、表面処理装置１００において表面処理された被処理物の断面組織観察結果を６５０℃（γ−Ｆ６５０）、７００℃（γ−Ｆ７００）、７５０℃（γ−Ｆ７５０）について示す説明図である。これらの処理においては、結晶粒が微細化していることが判る。硬さは全て上昇し高硬度となり、硬さの上昇幅は同じ程度である。また、高硬度層の厚さは５０μｍ程度となる。なお、６５０℃（γ−Ｆ６５０）で処理を行ったものが最も微細となる。
【００３０】
図１４は、表面処理装置１００において表面処理された被処理物の結晶粒径を６５０℃（γ−Ｆ６５０）、７００℃（γ−Ｆ７００）、７５０℃（γ−Ｆ７５０）について比較して示す説明図である。いずれも最表面で粒径が５μｍ以下となった。なお、深さ１５μｍ以上では結晶粒径にばらつきが生じる。
【００３１】
ここで、上記表面処理により、高硬度化と結晶粒微細化が可能となる原理について説明する。すなわち、被処理物Ｗは加熱により転移の消失（軟化）が生じる。一方、その間、連続的に高速度で投射材Ｐが衝突する。このため、再結晶核が多数生成されるとともに、転位の導入（硬化）と再結晶が繰り返される。軟化・硬化とが繰り返されることにより、高温下においても高転位密度に保つことが可能である。
【００３２】
一方、一般的な結晶粒微細化処理として知られている圧延等の塑性加工と加熱においては加工硬化が不十分となる。この理由について説明する。すなわち、加工硬化段階（冷間加工）において、材料内の転位密度が増大し、再結晶核（潜在核）が形成される。次に、回復段階（高温保持）において、転位の消失と再配列（整列）が行われ、粒内の転位密度が減少し、再結晶核が成長する。そして、再結晶段階（高温保持）において、再結晶粒の形成と粒成長が生じ、再結晶粒（転位を含まない）が形成され、結晶粒微細化が生じる。また、圧延加工と熱処理の組合せでは、結晶粒微細化は可能であるが、再結晶により加工硬化の効果は失われる。
【００３３】
ここで、本願発明の対象外となる温度範囲（６５０℃未満、７５０℃超）について説明する。
【００３４】
図１５は、ＦＰＰを６００℃（γ−Ｆ６００）で行った場合における表面からの距離とビッカース硬度との関係を示す図である。なお、アニール処理した鋼材（Ａｎｎｅａｌｅｄ）、アニール処理後に室温でＦＰＰ処理した鋼材（Ｆ）、熱処理だけの鋼材（ＩＨ）を比較として示した。熱処理だけの鋼材（ＩＨ）としたものに比べ、あまり硬度が上昇していないことが判る。
【００３５】
図１６は、表面処理装置１００において表面処理された被処理物の断面組織観察結果を６００℃（γ−Ｆ６００）について示す説明図である。これらの処理においては、結晶粒が微細化していないことが判る。
【００３６】
図１７は、７５０℃以上で処理した場合を示している。被処理物Ｗが投射材Ｐにより著しく削食されている。
【００３７】
上述したように、本実施の形態に係る表面処理装置１００は、被処理物Ｗは完全にオーステナイト化した後、被処理物のＡ３変態点の−１１０〜−１０℃の温度領域においてショットピーニング処理を施すことにより、焼入れとショットピーニングによる改質効果が同時に得られ、高硬度化及び結晶粒微細化が可能となり、疲労特性が改善する。したがって、簡便・低コストな表面処理あるショットピーニングにおいて高硬度化と結晶粒微細化とを両立させることができる表面処理装置及び表面処理方法が得られる。
【００３８】
また、チャンバ１１０内において、温度制御及び投射材Ｐの投射を行うことで表面処理が行われるので、表面処理工程を生産ラインに組み込むことができる。この際、高周波誘導加熱を用いているため、制御性が良く自動ライン化に有利となる。
【００３９】
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能であるのは勿論である。
【符号の説明】
【００４０】
１００…表面処理装置、１１０…チャンバ、１２０…支持台、１２１…温度センサ、１３０…誘導加熱コイル、１４０…噴射ノズル、１４２…電磁弁、１５０…粒子フィーダ、１５１…フィーダライン、１５２〜１５４…粒子フィーダ調整弁、１６０…ガスボンベ、１６１…流量弁・圧力調整弁、２００…高周波印加装置、３００…制御部、Ｗ…被処理物、Ｐ…投射材。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄鋼材からなる被処理物に投射材を噴射して表面処理する表面処理装置において、
前記被処理物を支持する支持部と、
この支持部の周囲に配置され、前記被処理物を加熱する誘導加熱コイルと、
この誘導加熱コイルに高周波電流を供給して前記被処理物を誘導加熱する高周波印加部と、
前記支持部に向けて前記投射材を噴射させる投射材噴射部と、
前記被処理物を冷却する冷却部と、
前記高周波印加部から前記誘導加熱コイルに高周波電流を供給させて前記被処理物を加熱し、オーステナイト化させ、前記被処理物のＡ３変態点の−１１０〜−１０℃の温度まで冷却された後に前記投射材噴射部から前記投射材を噴射させるとともに前記被処理物が前記所定の温度に維持される状態に前記誘導加熱コイルに高周波電流を供給させ、前記冷却部により前記被処理物を冷却させる制御部を具備したことを特徴とした表面処理装置。
【請求項２】
鉄鋼材からなる被処理物に投射材を噴射して表面処理する表面処理方法において、
前記被処理物をオーステナイト化する温度まで加熱する加熱工程と、
前記被処理物のＡ３変態点の−１１０〜−１０℃の温度まで冷却された後に前記被処理物に向けて前記投射材を投射する投射工程とを備えていることを特徴とする表面処理方法。
【請求項１】
鉄鋼材からなる被処理物に投射材を噴射して表面処理する表面処理装置において、
前記被処理物を支持する支持部と、
この支持部の周囲に配置され、前記被処理物を加熱する誘導加熱コイルと、
この誘導加熱コイルに高周波電流を供給して前記被処理物を誘導加熱する高周波印加部と、
前記支持部に向けて前記投射材を噴射させる投射材噴射部と、
前記被処理物を冷却する冷却部と、
前記高周波印加部から前記誘導加熱コイルに高周波電流を供給させて前記被処理物を加熱し、オーステナイト化させ、前記被処理物のＡ３変態点の−１１０〜−１０℃の温度まで冷却された後に前記投射材噴射部から前記投射材を噴射させるとともに前記被処理物が前記所定の温度に維持される状態に前記誘導加熱コイルに高周波電流を供給させ、前記冷却部により前記被処理物を冷却させる制御部を具備したことを特徴とした表面処理装置。
【請求項２】
鉄鋼材からなる被処理物に投射材を噴射して表面処理する表面処理方法において、
前記被処理物をオーステナイト化する温度まで加熱する加熱工程と、
前記被処理物のＡ３変態点の−１１０〜−１０℃の温度まで冷却された後に前記被処理物に向けて前記投射材を投射する投射工程とを備えていることを特徴とする表面処理方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１２−１１０９７８（Ｐ２０１２−１１０９７８Ａ）
【公開日】平成２４年６月１４日（２０１２．６．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２５９４１５（Ｐ２０１０−２５９４１５）
【出願日】平成２２年１１月１９日（２０１０．１１．１９）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成２２年 ５月２１日 社団法人日本材料学会発行の「第５９期 学術講演会講演論文集」に発表、 平成２２年１０月１６日 社団法人日本材料学会主催の「学生研究交流会」において文書をもって発表
【出願人】（８９９００００７９）学校法人慶應義塾 (742)
【出願人】（３９００２９０８９）高周波熱錬株式会社 (288)
【公開日】平成２４年６月１４日（２０１２．６．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月１９日（２０１０．１１．１９）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成２２年 ５月２１日 社団法人日本材料学会発行の「第５９期 学術講演会講演論文集」に発表、 平成２２年１０月１６日 社団法人日本材料学会主催の「学生研究交流会」において文書をもって発表
【出願人】（８９９００００７９）学校法人慶應義塾 (742)
【出願人】（３９００２９０８９）高周波熱錬株式会社 (288)
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