表面改質処理材の評価方法および表面改質処理材の評価装置

【課題】処理対象の材質、大きさ、形状に依存しない、表面改質処理の正確な評価を得ることができる表面改質処理材の評価方法および表面改質処理材の評価装置を提供する。
【解決手段】固定手段１１が、ピーニング処理により表面改質された細長い試料１の一端１ａを固定可能になっている。振動手段が、一端１ａが固定された試料１の他端１ｂ側に振動を与えるようになっている。測定手段１２が、音波測定器またはレーザー変位測定器から成り、振動に基づいて試料１が発する音波、または、振動に基づく試料１の他端１ｂ側の変位もしくは速度を測定するようになっている。解析手段１３が、試料１の共振周波数を求め、その共振周波数に基づいて試料１の縦弾性係数を求めるようになっている。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面改質処理材の評価方法および表面改質処理材の評価装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、金属材料等の表面改質処理の一つとして、ピーニング処理が行われている。ピーニング処理は、金属材料等の表面に圧縮残留応力を付加することにより、疲労強度の向上を図るものであり、表面改質層に適切な応力が付加されているか否かを把握するために、表面改質処理の程度を評価する必要がある。この評価は、ピーニング処理装置の保守点検や、ピーニング処理条件の選定にも必要不可欠である。
【０００３】
表面改質処理の程度を直接評価する方法として、Ｘ線により表面改質層の残留応力を測定する方法や、硬さ試験により処理対象そのもののビッカース硬さやロックウェル硬さを測定する方法がある。しかし、Ｘ線を用いた残留応力測定では、測定対象の寸法形状に制限があり、測定には時間を要するという問題がある。また、硬さ試験では、処理対象に圧痕が残るため、圧痕を嫌う場合には適さないという問題がある。
【０００４】
そこで、このような問題を解決するため、図７に示すように、一般的なピーニング処理法であるショットピーニングでは、アルメンストリップ５１と呼ばれる規格化されたばね鋼から成る試験片の表面にショット材を噴射し、その結果弧状に反ったアルメンストリップ５１のアークハイトをアルメンゲージ５２により測定することにより、表面改質処理の程度の評価を行っている（例えば、特許文献１または２参照）。
【０００５】
また、ショットが加工対象に衝突することによってできる個々の痕跡の総和面積と加工対象の面積との比によって表すエリアカバレージ（ビジュアルカバレージ）による表面改質処理の程度の評価方法もある。とくに100％（痕跡が加工対象を覆いつくす状態）になるまでの時間をフルカバレージタイムとよび、ショットピーニングでは投射時間の加工基準に広く用いられている。実際の製品等では、痕面積の測定が困難な場合があり、アルメンストリップを用いて行う便宜的フルカバレージタイムを用いることもある。
【０００６】
なお、本発明者等により、キャビテーション気泡の崩壊衝撃力を利用したピーニング処理法が開発されている（例えば、特許文献３参照）。このキャビテーション気泡崩壊衝撃力利用のピーニング処理法は、薄い表面処理層で、かつ最表面に大きな圧縮残留応力を導入できることを特徴としている。この処理法は、処理対象の寸法形状の制限が少なく、かつ処理後の表面が滑らかであるため、ステンレス配管や溶接構造物、金型といった広範囲のものへの適用が期待されている。
【０００７】
一般に、工業的には、合金の縦弾性係数は、組成中の主な金属によってそれぞれ固有の値をもち、材料の構造や組織に敏感ではないとされている。しかしながら、厳密には材料の組織や構造、残留応力によって縦弾性係数は変化することが古くから報告されている（例えば、非特許文献１参照）。これらは線材を使った実験により検証されているが、表面改質処理材の縦弾性係数の変化については、これまでに詳細に調べられた例がない。
【０００８】
【特許文献１】特開平８－７１９２０号公報
【特許文献２】特開２００５－１１４４５４号公報
【特許文献３】特開２００２－１２９９０号公報
【非特許文献１】日本機械学会，「金属材料の縦弾性係数」，日本機械学会，１９８０年１０月，p.13-16
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１および２に記載のようなアルメンストリップを使用する方法では、アルメンストリップが主に装置側の処理条件を設定するためのものであり、処理対象の材質がアルメンストリップのばね鋼と異なれば表面改質層の物性も異なるため、必ずしも材料側の表面改質処理の程度の評価を行えるとは限らないという課題があった。キャビテーション気泡崩壊衝撃力利用のピーニング処理では、アルメンストリップの反りが小さくかつ表面の圧痕も小さいため、アークハイトならびにエリアカバレージによる正確な評価が難しいという課題もあった。また、キャビテーション気泡崩壊衝撃力利用のピーニング処理では、配管や金型なども対象としており、対象が複雑形状であったり、処理時の加工姿勢に自由度が少なかったりするため、アルメンストリップが設置できず測定できないことがあるという課題もあった。
【００１０】
本発明は、このような課題に着目してなされたもので、処理対象の材質、大きさ、形状に依存しない、表面改質処理の正確な評価を得ることができる表面改質処理材の評価方法および表面改質処理材の評価装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明に係る表面改質処理材の評価方法は、表面改質された細長い試料の一端を固定して他端側に振動を与え、前記振動に基づく物理量を測定することにより、前記試料の共振周波数を求め、求められた前記共振周波数に基づいて前記試料の縦弾性係数を求めることを、特徴とする。
【００１２】
本発明に係る表面改質処理材の評価装置は、表面改質された細長い試料の一端を固定する固定手段と、前記試料の他端側に振動を与える振動手段と、前記振動に基づく物理量を測定する測定手段と、前記試料の共振周波数を求め、求められた前記共振周波数に基づいて前記試料の縦弾性係数を求める解析手段とを、有することを特徴とする。
【００１３】
本発明に係る表面改質処理材の評価方法および表面改質処理材の評価装置は、求められた試料の縦弾性係数の相対的変化または絶対的変化に基づいて、試料に施された表面改質処理の程度を評価することができる。試料の共振周波数に基づいて評価を行うため、処理対象の大きさや形状に依存しない正確な評価を得ることができる。また、処理対象の素材と同じ素材の試料を使用することにより、処理対象の素材に依存しない正確な評価を得ることができる。試料の一端を固定した片持ちはりの構成により振動の測定を行うため、さまざまな大きさの試料に対応することができる。
【００１４】
一端を固定された試料は、その他端側が振動すれば、いかなる手段で他端側に振動を与えられてもよい。例えば、試料の他端側をはじいて振動させてもよく、固定された試料の一端を振動させることにより、他端側を振動させてもよい。固定された試料の一端を振動させる場合には、段階的に周波数を変えながら振動させたり、周波数を連続的にスイープさせて振動させたりしてもよい。いずれの場合でも、振動に基づく物理量を測定することにより、試料の共振周波数を求めることができる。
【００１５】
本発明に係る表面改質処理材の評価方法および表面改質処理材の評価装置で、前記試料はピーニング処理により表面改質されており、あらかじめ異なる処理条件で表面改質処理した試料の縦弾性係数の変化と、残留応力または硬さとの関係を求めておくことが好ましい。この関係を利用することにより、表面改質処理の前後での縦弾性係数の変化から、残留応力または硬さの推定を行うことができる。また、縦弾性係数の変化とピーニング処理時間等との関係を、ピーニング処理装置の保守点検や、ピーニング処理条件の選定にも利用することができる。なお、表面改質を行うためのピーニング処理は、ショットピーニングだけでなく、キャビテーション気泡の崩壊衝撃力を利用したピーニング処理であってもよい。処理条件は、例えば単位面積や単位長さ当たりの処理時間であり、縦弾性係数の変化は、縦弾性係数の相対値または絶対値の変化である。
【００１６】
試料の縦弾性係数Ｅは、次式の片持ちはりの振動方程式から求めることができる。なお、試料は、所定の厚みを有する細長い矩形板形状であり、片面が表面改質されているものとする。
【００１７】
【数１】

【００１８】
本発明に係る表面改質処理材の評価方法は、前記試料の表面改質部分の厚さに基づいて、前記試料の表面改質部分の縦弾性係数を求めてもよい。この場合、試料の表面改質部分の厚さを、組織観察や硬さ分布などにより測定することにより、表面改質部分そのものの縦弾性係数を求めることができる。これにより、ひずみゲージやＸ線回折法を用いて、表面改質部分の応力を正確に測定することが可能となる。
【００１９】
本発明に係る表面改質処理材の評価方法で、前記物理量は、前記振動に基づいて前記試料が発する音波、または、前記振動に基づく前記試料の他端側の変位もしくは速度であることが好ましい。本発明に係る表面改質処理材の評価装置で、前記測定手段は音波測定器またはレーザー変位測定器から成り、前記振動に基づいて前記試料が発する音波、または、前記振動に基づく前記試料の他端側の変位もしくは速度を測定することが好ましい。これらの場合、マイク等の音波測定器やレーザー変位測定器などを使用することにより、非接触かつ非破壊で、試料の他端側の振動を測定することができる。また、迅速かつ簡便に測定を行うことができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、処理対象の材質、大きさ、形状に依存しない、表面改質処理の正確な評価を得ることができる表面改質処理材の評価方法および表面改質処理材の評価装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図面に基づき、本発明の実施の形態について説明する。
図１乃至図６は、本発明の実施の形態の表面改質処理材の評価方法および表面改質処理材の評価装置を示している。
図１に示すように、表面改質処理材の評価装置１０は、固定手段１１と振動手段（図示せず）と測定手段１２と解析手段１３とを有している。
【００２２】
固定手段１１は、表面改質された細長い試料１の一端１ａを固定可能に設けられ、支持台部２１と上載部２２と固定具２３とスペーサ２４とを有している。上載部２２は、支持台部２１との間に試料１を挟んで、支持台部２１の上に配置可能に設けられている。固定具２３は、固定用のボルトから成り、上載部２２と支持台部２１との間隔を狭めながら、上載部２２を支持台部２１に固定するようになっている。スペーサ２４は、試料１と同じ程度の厚みを有し、支持台部２１と上載部２２との間に配置されている。固定手段１１は、試料１の一端１ａを支持台部２１と上載部２２との間に挟み、試料１がほぼ水平方向に伸びるよう固定具２３で試料１を固定可能になっている。なお、支持台部２１および上載部２２は、間に挟んだ試料１の振動で動かないよう、十分な質量および剛性を有している。
【００２３】
振動手段は、固定手段１１に固定された試料１の他端１ｂ側に振動を与えるようになっている。振動手段は、試料１の他端１ｂ側に振動を与えられればいかなる手段からなっていてもよく、図１に示す具体的な一例では、ハンマーや指で試料１の他端１ｂ側をはじいている。
【００２４】
測定手段１２は、マイク等の音波測定器またはレーザー変位測定器から成り、試料１の他端１ｂ側に配置されている。測定手段１２は、振動に基づいて試料１が発する音波、または、振動に基づく試料１の他端１ｂ側の変位もしくは速度を測定可能になっている。
【００２５】
解析手段１３は、Ａ／Ｄ変換器２５とＦＦＴアナライザ２６と計算部２７とを有している。Ａ／Ｄ変換器２５は、測定手段１２に接続され、測定手段１２で測定された振動に関するデータをＡ／Ｄ変換するようになっている。ＦＦＴアナライザ２６および計算部２７は、１台のコンピュータから成っている。ＦＦＴアナライザ２６は、Ａ／Ｄ変換器２５でＡ／Ｄ変換されたデータを、周波数分析するようになっている。計算部２７は、ＦＦＴアナライザ２６で周波数分析されたデータから、共振周波数を求め、求められた共振周波数に基づいて試料１の縦弾性係数を求めるようになっている。
【００２６】
本発明の実施の形態の表面改質処理材の評価方法は、表面改質処理材の評価装置１０により実施される。まず、ピーニング処理により表面改質された試料１の一端１ａを、固定手段１１により固定する。なお、試料１は、所定の厚みを有する細長い矩形板形状であり、片面が表面改質されている。一端１ａが固定された試料１の他端１ｂ側に、振動手段により振動を与える。測定手段１２により、振動に基づいて試料１が発する音波、または、振動に基づく試料１の他端１ｂ側の変位もしくは速度を測定する。解析手段１３により、試料１の共振周波数を求め、求められた共振周波数に基づいて（１）式により試料１の縦弾性係数を求める。このとき、あらかじめ試料１の断面積と、固定手段１１からの試料１の突き出し長さとを求めておく。
【００２７】
このように、本発明の実施の形態の表面改質処理材の評価方法および表面改質処理材の評価装置１０は、求められた試料１の縦弾性係数の相対的変化または絶対的変化に基づいて、試料１に施された表面改質処理の程度を評価することができる。試料１の共振周波数に基づいて評価を行うため、処理対象の大きさや形状に依存しない正確な評価を得ることができる。また、処理対象の素材と同じ素材の試料１を使用することにより、処理対象の素材に依存しない正確な評価を得ることができる。試料１の一端１ａを固定した片持ちはりの構成により振動の測定を行うため、さまざまな大きさの試料１に対応することができる。
【００２８】
測定手段１２が、振動に基づいて試料１が発する音波、または、振動に基づく試料１の他端１ｂ側の変位もしくは速度を測定することにより、非接触かつ非破壊で、試料１の他端１ｂ側の振動を測定することができる。また、迅速かつ簡便に測定を行うことができる。振動の測定に基づいて評価を行うため、キャビテーション気泡崩壊衝撃力利用のピーニング処理により試料１の反りが小さい場合でも、正確な評価を得ることができる。このように、本発明の実施の形態の表面改質処理材の評価方法および表面改質処理材の評価装置１０によれば、ショットピーニングだけでなく、キャビテーション気泡の崩壊衝撃力を利用したピーニング処理であっても、評価可能である。
【００２９】
試料１の寸法形状および材質が特定されていれば周波数の比較だけでよいため、周波数測定機、すなわち楽器のチューナーのようなものでも、ピーニング処理による表面改質処理材の評価を行うことができる。
【００３０】
なお、解析手段１３がメモリ（記憶部）を有し、任意の材料について、あらかじめ異なる処理条件で表面改質処理した試料１の縦弾性係数の変化と、残留応力または硬さとの関係を求めてメモリに記憶させておき、メモリに記憶されたその関係を利用して、表面改質処理の前後での縦弾性係数の変化から、試料１の表面改質に係る残留応力または硬さを、計算部２７により求めるようになっていてもよい。この場合、試料１の表面改質に係る残留応力または硬さにより、表面改質処理の程度を評価することができる。また、縦弾性係数の変化とピーニング処理時間等との関係を、ピーニング処理装置の保守点検や、ピーニング処理条件の選定にも利用することができる。
【００３１】
また、組織観察や硬さ分布などにより試料１の表面改質部分の厚さをあらかじめ測定しておき、その表面改質部分の厚さに基づいて、試料１の表面改質部分の縦弾性係数を求めてもよい。これにより、表面改質部分と改質されていない部分とを含む試料１全体の縦弾性係数（見かけの縦弾性係数）ではなく、表面改質部分そのものの縦弾性係数を求めることができる。すなわち、図２に示すように、平板状の試料１を、表面改質部分３１と母材３２とで縦弾性係数が異なる組合せはりとみなし、それぞれの縦弾性係数をＥ_１、Ｅ_２とすると、表面改質処理した試料１の剛性Ｄは次式で表される。
【００３２】
【数２】

【００３３】
解析手段１３により求められる剛性Ｄ（見かけの縦弾性係数に断面二次モーメントを乗じたもの）、組み合わせはりの母材３２の剛性Ｅ_２Ｉ_２、および、表面改質部分３１の厚さδを代入することにより、表面改質部分３１そのものの縦弾性係数E_２を求めることができる。これにより、ひずみゲージやＸ線回折法を用いて、表面改質部分３１の応力を正確に測定することが可能となる。
【実施例１】
【００３４】
測定手段１２としてレーザー変位測定器を使用し、振動に基づく試料１の他端１ｂ側の面速度を測定することにより、試料１の縦弾性係数（見かけの縦弾性係数）を求めた。試料１は、オーステナイト系ステンレス鋼（SUS316L）から成り、キャビテーション気泡の崩壊衝撃力を利用したピーニング処理により、両面が表面改質処理されている。単位長さ当たりのピーニング処理時間tp（単位：s/mm）を様々に変えた場合の周波数分析結果を、図３に示す。また、単位長さ当たりのピーニング処理時間に対する見かけの縦弾性係数Ｅ^＊の変化を求め、その結果を図４に示す。なお、図４には、両面が表面改質された試料１の表面側の面速度と裏面側の面速度とをそれぞれ測定した場合を示しており、表面改質の順序によって生ずる試料１の反り方向に対して、測定装置１２との位置関係により絶対的数値には差異が生ずる。このため、試料１の方向を常に揃えるか、または図４中の実線で示すように、表面の結果と裏面の結果とを平均した値で評価することが好ましい。
【００３５】
図３および図４に示すように、本発明の実施の形態の表面改質処理材の評価方法および表面改質処理材の評価装置１０により、振動に基づく試料１の面速度から試料１の縦弾性係数を求めることができることが確認された。こうして求められた試料１の縦弾性係数の変化に基づいて、試料１の表面改質処理の程度を評価することができる。
【実施例２】
【００３６】
測定手段１２としてマイクを使用し、振動に基づいて試料１が発する音波を測定することにより、試料１の縦弾性係数（見かけの縦弾性係数）を求めた。試料１は、オーステナイト系ステンレス鋼（SUS316L）から成り、キャビテーション気泡の崩壊衝撃力を利用したピーニング処理により、表面が表面改質処理されている。単位長さ当たりのピーニング処理時間tp（単位：s/mm）を様々に変えた場合の周波数分析結果を、図５に示す。また、単位長さ当たりのピーニング処理時間に対する見かけの縦弾性係数Ｅ^＊の変化を求め、その結果を図６に示す。なお、図６では、図５の周波数分析結果から得られた一次から三次の共振周波数ごとに求められた結果を示している。
【００３７】
図５および図６に示すように、本発明の実施の形態の表面改質処理材の評価方法および表面改質処理材の評価装置１０により、振動に基づいて試料１が発する音波から試料１の縦弾性係数を求めることができることが確認された。こうして求められた試料１の縦弾性係数の変化に基づいて、試料１の表面改質処理の程度を評価することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施の形態の表面改質処理材の評価装置の概略構成を示す側面図である。
【図２】本発明の実施の形態の表面改質処理材の評価方法および表面改質処理材の評価装置の、表面改質部分そのものの縦弾性係数を求める変形例の原理を示す試料の側面図である。
【図３】本発明の実施の形態の表面改質処理材の評価方法および表面改質処理材の評価装置の、レーザー変位測定器を使用して振動に基づく試料の他端側の面速度を測定したときの、周波数分析結果を示すグラフである。
【図４】図３に示す表面改質処理材の評価方法および表面改質処理材の評価装置の周波数分析結果から求めた、単位長さ当たりのピーニング処理時間に対する見かけの縦弾性係数の変化を示すグラフである。
【図５】本発明の実施の形態の表面改質処理材の評価方法および表面改質処理材の評価装置の、マイクを使用して振動に基づいて試料が発する音波を測定したときの、周波数分析結果を示すグラフである。
【図６】図５に示す表面改質処理材の評価方法および表面改質処理材の評価装置の周波数分析結果から求めた、単位長さ当たりのピーニング処理時間に対する見かけの縦弾性係数の変化を示すグラフである。
【図７】従来のショットピーニングの強度測定方法を示す側面図である。
【符号の説明】
【００３９】
１試料
１０表面改質処理材の評価装置
１１固定手段
１２測定手段
１３解析手段
２１支持台部
２２上載部
２３固定具
２４スペーサ
２５Ａ／Ｄ変換器
２６ＦＦＴアナライザ
２７計算部

【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面改質された細長い試料の一端を固定して他端側に振動を与え、前記振動に基づく物理量を測定することにより、前記試料の共振周波数を求め、求められた前記共振周波数に基づいて前記試料の縦弾性係数を求めることを、特徴とする表面改質処理材の評価方法。
【請求項２】
前記試料の表面改質部分の厚さに基づいて、前記試料の表面改質部分の縦弾性係数を求めることを、特徴とする請求項１記載の表面改質処理材の評価方法。
【請求項３】
前記物理量は、前記振動に基づいて前記試料が発する音波、または、前記振動に基づく前記試料の他端側の変位もしくは速度であることを、特徴とする請求項１または２記載の表面改質処理材の評価方法。
【請求項４】
表面改質された細長い試料の一端を固定する固定手段と、
前記試料の他端側に振動を与える振動手段と、
前記振動に基づく物理量を測定する測定手段と、
前記試料の共振周波数を求め、求められた前記共振周波数に基づいて前記試料の縦弾性係数を求める解析手段とを、
有することを特徴とする表面改質処理材の評価装置。
【請求項５】
前記測定手段は音波測定器またはレーザー変位測定器から成り、前記振動に基づいて前記試料が発する音波、または、前記振動に基づく前記試料の他端側の変位もしくは速度を測定することを、特徴とする請求項４記載の表面改質処理材の評価装置。