(57)【要約】【課題】金属材料の劣化を非破壊で評価できる劣化評価方法を提供する。【解決手段】劣化評価方法は、金属材料からなる対象物に最大残留応力を付与するためのショットピーニング条件を決定する工程Ｓ１と、対象物に対し、ショットピーニング条件で第１ショットピーニングを行う工程Ｓ２と、工程Ｓ２後の対象物の第１残留応力を測定する工程Ｓ３と、工程Ｓ３後の対象物に対し、ショットピーニング条件で第２ショットピーニングを行う工程Ｓ４と、工程Ｓ４後の対象物の第２残留応力を測定する工程Ｓ５と、第１残留応力及び第２残留応力に基づき、対象物の劣化を評価する工程Ｓ６と、を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属材料からなる対象物に最大残留応力を付与するためのショットピーニング条件を決定する決定工程と、
前記対象物に対し、前記ショットピーニング条件で第１ショットピーニングを行う第１ショットピーニング工程と、
前記第１ショットピーニング工程後の前記対象物の第１残留応力を測定する第１測定工程と、
前記第１測定工程後の前記対象物に対し、前記ショットピーニング条件で第２ショットピーニングを行う第２ショットピーニング工程と、
前記第２ショットピーニング工程後の前記対象物の第２残留応力を測定する第２測定工程と、
前記第１残留応力及び前記第２残留応力に基づき、前記対象物の劣化を評価する評価工程と、を含む、劣化評価方法。
【請求項２】
金属材料からなる対象物に最大半価幅を付与するためのショットピーニング条件を決定する決定工程と、
前記対象物に対し、前記ショットピーニング条件で第１ショットピーニングを行う第１ショットピーニング工程と、
前記第１ショットピーニング工程後の前記対象物の第１半価幅を測定する第１測定工程と、
前記第１測定工程後の前記対象物に対し、前記ショットピーニング条件で第２ショットピーニングを行う第２ショットピーニング工程と、
前記第２ショットピーニング工程後の前記対象物の第２半価幅を測定する第２測定工程と、
前記第１半価幅及び前記第２半価幅に基づき、前記対象物の劣化を評価する評価工程と、を含む、劣化評価方法。
【請求項３】
前記決定工程では、前記対象物の硬さに基づいて、ショットピーニング条件を決定する、請求項１又は２に記載の劣化評価方法。
【請求項４】
前記第１測定工程及び前記第２測定工程では、回折法により測定を行う、請求項１〜３のいずれか一項に記載の劣化評価方法。
【請求項５】
前記対象物は、鉄鋼材料からなる、請求項１〜４のいずれか一項に記載の劣化評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、劣化評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属材料からなる対象物の表面に高硬度の投射材（ショット）を投射するショットピーニングが知られている（例えば、非特許文献１，２）。ショットピーニングによれば、金属材料の疲労強度を向上させることができる。
【０００３】
ショットピーニングは、金属材料からなる製品の寿命向上に有効である。例えば、金型の破壊は、熱膨張及び熱収縮を繰り返し受けることで生じるヒートチェック（ヒートクラック）によることが多い。ショットピーニングによれば、金型のヒートチェックを抑制することができる。ショットピーニングにより金型の寿命が向上すれば、製品の製造コストに含まれる型費を減少させることができる。
【０００４】
特許文献１，２には、試験片に荷重を負荷して金属材料の疲労を評価する方法が記載されている。金属材料の疲労を評価することにより、例えば、金型のメンテナンス又は交換時期について検討することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−６９６５９号公報
【特許文献２】特開２０１３−１０８９５２号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】小林祐次，“ショットピーニング特性に及ぼす機械的性質と残留オーステナイトの影響”，ばね論文集，第57号，P.9-15，2012
【非特許文献２】岡田秀樹，“ショットピーニング方法の違いによる材料硬さと残留応力分布と降伏応力の関係”，圧力技術第４１号第５号，P.223-242，2003
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１，２に記載の方法は、破壊試験を伴う。このため、金属材料の劣化を非破壊で評価する方法が求められている。
【０００８】
本開示は、金属材料の劣化を非破壊で評価できる劣化評価方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らの調査研究によれば、金属材料からなる対象物が劣化すると、最大残留応力及び最大半価幅を付与するためのショットピーニング条件でショットピーニングを行っても、ショットピーニング後に測定される残留応力及び半価幅の値が小さくなることが分かった。
【００１０】
本開示に係る劣化評価方法は、金属材料からなる対象物に最大残留応力を付与するためのショットピーニング条件を決定する決定工程と、対象物に対し、ショットピーニング条件で第１ショットピーニングを行う第１ショットピーニング工程と、第１ショットピーニング工程後の対象物の第１残留応力を測定する第１測定工程と、第１測定工程後の対象物に対し、ショットピーニング条件で第２ショットピーニングを行う第２ショットピーニング工程と、第２ショットピーニング工程後の対象物の第２残留応力を測定する第２測定工程と、第１残留応力及び第２残留応力に基づき、対象物の劣化を評価する評価工程と、を含む。
【００１１】
この劣化評価方法では、金属材料からなる対象物が劣化すると、最大残留応力を付与するためのショットピーニング条件でショットピーニングを行っても、ショットピーニング後に測定される残留応力の値が小さくなることを利用しているので、第１ショットピーニング後に測定された第１残留応力と、第２ショットピーニング後に測定された第２残留応力とに基づき、対象物を構成している金属材料の劣化を非破壊で評価することができる。
【００１２】
本開示に係る劣化評価方法は、金属材料からなる対象物に最大半価幅を付与するためのショットピーニング条件を決定する決定工程と、対象物に対し、ショットピーニング条件で第１ショットピーニングを行う第１ショットピーニング工程と、第１ショットピーニング工程後の対象物の第１半価幅を測定する第１測定工程と、第１測定工程後の対象物に対し、ショットピーニング条件で第２ショットピーニングを行う第２ショットピーニング工程と、第２ショットピーニング工程後の対象物の第２半価幅を測定する第２測定工程と、第１半価幅及び第２半価幅に基づき、対象物の劣化を評価する評価工程と、を含む。
【００１３】
この劣化評価方法では、金属材料からなる対象物が劣化すると、最大半価幅を付与するためのショットピーニング条件でショットピーニングを行っても、ショットピーニング後に測定される半価幅の値が小さくなることを利用しているので、第１ショットピーニング後に測定された第１半価幅と、第２ショットピーニング後に測定された第２半価幅とに基づき、対象物を構成する金属材料の劣化を非破壊で評価できる。
【００１４】
一実施形態に係る劣化評価方法において、決定工程では、対象物の硬さに基づいて、ショットピーニング条件を決定してもよい。この場合、ショットピーニング条件を適切に決定することができる。
【００１５】
一実施形態に係る劣化評価方法において、第１測定工程及び第２測定工程では、回折法により測定を行ってもよい。この場合、適切に測定を行うことができる。
【００１６】
一実施形態に係る劣化評価方法では、対象物は、鉄鋼材料からなってもよい。この場合、鉄鋼材料は広く用いられているので、劣化評価方法の必要性が高い。
【発明の効果】
【００１７】
本開示に係る劣化評価方法によれば、金属材料の劣化を非破壊で評価することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施形態に係る劣化評価方法を示すフローチャートである。
【図２】熱疲労試験について説明するための図である。
【図３】第１サイクル試験による残留応力の変化を示すグラフである。
【図４】第２サイクル試験による残留応力の変化を示すグラフである。
【図５】第１サイクル試験による半価幅の変化を示すグラフである。
【図６】第２サイクル試験による半価幅の変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、添付図面を参照して、実施形態について詳細に説明する。説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には同一符号を用い、重複する説明を省略する。
【００２０】
図１は、実施形態に係る劣化評価方法を示すフローチャートである。実施形態に係る劣化評価方法は、金属材料からなる対象物の劣化を非破壊で評価する方法である。対象物を構成する金属材料は、例えば鉄鋼材料である。鉄鋼材料として、具体的には、炭素含有量が０．５％〜０．６％である中炭素の焼入材、炭素含有量が０．８％〜１．１％である高炭素の浸炭材等が挙げられる。中炭素の焼入材は、例えば、ばね材、アルミダイガスト用の金型材に用いられる。高炭素の浸炭材は、例えば、歯車材に用いられる。これらの鉄鋼材料は、いずれもマルテンサイト組織を有するマルテンサイト鋼である。
【００２１】
この劣化評価方法は、ショットピーニング条件を決定する工程Ｓ１（決定工程）と、第１ショットピーニングを行う工程Ｓ２（第１ショットピーニング工程）と、第１残留応力を測定する工程Ｓ３（第１測定工程）と、第２ショットピーニングを行う工程Ｓ４（第２ショットピーニング工程）と、第２残留応力を測定する工程Ｓ５（第２測定工程）と、対象物の劣化を評価する工程Ｓ６（評価工程）と、を含む。
【００２２】
例えば、工程Ｓ１、工程Ｓ２及び工程Ｓ３は、対象物の製造時に行われ、工程Ｓ４、工程Ｓ５及び工程Ｓ６は、対象物のメンテナンス時に行われる。これにより、対象物のメンテナンス時に対象物を構成する金属材料の劣化を非破壊で評価することができる。以下、各工程について説明する。
【００２３】
工程Ｓ１では、対象物に最大残留応力を付与するためのショットピーニング条件を決定する。最大残留応力とは、対象物に付与可能な残留応力（圧縮残留応力）の最大値である。最大残留応力は、対象物によって異なる。
【００２４】
ショットピーニングでは、投射材の硬さを高めることにより、対象物に付与される残留応力を高めることができる。しかしながら、対象物の硬さが投射材の硬さに見合っていないと、投射材の硬さを高めることにより、対象物に付与される残留応力がかえって低下する場合がある。つまり、対象物に最大残留応力を付与するには、対象物の硬さと投射材の硬さとのバランスを適正化する必要がある。
【００２５】
対象物に最大残留応力を付与するには、例えば、投射材の硬さを対象物の硬さよりも５０ＨＶ（ビッカース硬さ）以上２５０ＨＶ以下の範囲内で高く設定する。５０ＨＶ以上とすることで、対象物の表面部分に残留応力を付与することができる。２５０ＨＶよりも高く設定すると、投射のエネルギーが対象物の表面の削食に使われるので、対象物の表面部分に効果的かつ安定的に残留応力を付与することができない。削食量が大きくなると、対象物の寸法の変化量も大きくなる。対象物の削食量を５μｍ以下とすることで、対象物の表面部分に効果的かつ安定的に残留応力を付与することができるとともに、対象物の寸法の変化を抑制することができる。
【００２６】
ただし、対象物の硬さが７５０ＨＶよりも低いと、対象物の表面部分に十分な残留応力を付与することができない場合がある。対象物の硬さは、例えば、対象物の表面から深さ０．０５０ｍｍまでの表面部分の硬さを意味する。工程Ｓ１で決定されるショットピーニング条件は、最大残留応力を付与するための条件であれば、投射材の硬さ以外の条件であってもよい。
【００２７】
投射材の粒径は、０．０５ｍｍ以上０．６ｍｍ以下とすることができる。投射材の粒径を０．０５ｍｍ以上とすることにより、投射材を容易に作製することができる。投射材の粒径を０．６ｍｍ以下とすることにより、残留応力が深さ方向において最大値を示す位置（ピーク位置）が深くなりすぎず、ピーク位置を対象物の表面から深さ１００μｍ以内に収めることができる。ピーク位置をこの範囲に収めることで、対象物の疲労強度を効果的に向上させることができる。
【００２８】
工程Ｓ２では、対象物に対し、工程Ｓ１で決定したショットピーニング条件で第１ショットピーニングを行う。これにより、対象物の表面部分に残留応力が付与される。
【００２９】
工程Ｓ３では、第１ショットピーニング後（つまり、工程Ｓ２後）の対象物の第１残留応力を測定する。工程Ｓ３では、例えば、回折法により測定を行う。回折法としては、具体的には、Ｘ線回折法、電子線回折法、及び中性子回折法等が挙げられる。Ｘ線回折法による測定方法は、例えば、特開２０１７−００９３５６号公報に開示されている。工程Ｓ３では、陽電子消滅法により測定を行ってもよい。
【００３０】
ショットピーニングにより対象物に付与された残留応力は、熱疲労により減少する。例えば、ダイガスト金型では、溶湯により加熱されることで生じる熱膨張と、離型剤により冷却されることで生じる熱収縮とを繰り返し受けることによって、熱疲労が生じる。図２は、熱疲労試験について説明するための図である。この熱疲労試験では、ダイガスト金型の熱疲労が再現されている。図２に示されるように、この熱疲労試験では、まず試験片１がヒータ２の表面に押し付けられる。試験片１が押し付けられる時間は、１５０秒間に設定されている。ヒータ２の温度は、試験片１の表面温度が５７０℃となるように設定されている。その後、試験片１が室温の水３で冷却される。続いて、試験片１は、空気４を吹き付けるエアブローにより乾燥される。以上の一連のサイクルは約３分間で繰り返し行われる。
【００３１】
試験片１の材質は、熱間工具鋼であるＳＫＤ６１とした。試験片１の化学成分（ｗｔ％）を表１に示す。試験片１は、焼入焼戻しを行った後、塩浴軟窒化を行うことにより作成した。試験片１の形状は、厚さ１５ｍｍ、直径５８ｍｍ（φ５８）の円盤形状とし、これに把持部として高さ１５ｍｍ、直径１５ｍｍ（φ１５）の円柱を設けた。
【００３２】
【表１】
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【００３３】
図３は、第１サイクル試験による残留応力の変化を示すグラフである。グラフの横軸は、上述の熱疲労試験のサイクル数であり、縦軸は試験片１（図２参照）の残留応力（ＭＰａ）である。第１サイクル試験は、１０サイクルまでの極低サイクルの熱疲労試験であり、試験片１に対して、最大残留応力を与えるための条件でショットピーニングを行った後に実施した。第１サイクル試験の開始前、５サイクル終了後、及び１０サイクル終了時にそれぞれ残留応力及び半価幅を測定した。残留応力及び半価幅の測定は、Ｘ線回折法により、表２に示す測定条件で行った。図３に示されるように、サイクル数が増えるにしたがって、熱疲労により残留応力が減少した。半価幅については、後述する。
【００３４】
【表２】
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【００３５】
以上のことから、第１残留応力の測定は、第１ショットピーニング後の対象物に対し、第１残留応力を減少させる要因となる熱疲労を与える前に行われる。これにより、第１ショットピーニングにより付与された第１残留応力の測定精度を向上させることができる。
【００３６】
工程Ｓ４では、工程Ｓ３後の対象物に対し、工程Ｓ１で決定したショットピーニング条件で第２ショットピーニングを行う。これにより、対象物の表面部分に残留応力が付与される。
【００３７】
工程Ｓ５では、工程Ｓ４後の対象物の第２残留応力を測定する。上述のように、残留応力は熱疲労により減少する。したがって、第１残留応力の測定と同様に、第２残留応力の測定は、第２ショットピーニング後の対象物に対し、第２残留応力を減少させる要因となる熱疲労を与える前に行われる。これにより、第２ショットピーニングにより付与された第２残留応力の測定精度を向上させることができる。工程Ｓ３と同様に、工程Ｓ５では、例えば、回折法により第２残留応力を測定する。工程Ｓ５では、陽電子消滅法により測定を行ってもよい。
【００３８】
工程Ｓ６では、工程Ｓ３で測定した第１残留応力及び工程Ｓ５で測定した第２残留応力に基づき、対象物を構成する金属材料の劣化を評価する。すなわち、工程Ｓ６では、第２残留応力と第１残留応力との差の大きさに基づき、対象物を構成する金属材料の劣化を評価する。
【００３９】
図４は、第２サイクル試験による残留応力の変化を示すグラフである。第２サイクル試験では、試験片１に対して、最大残留応力を与えるための条件でショットピーニングを行った後、１００サイクル単位で３００サイクルまでの低サイクルの熱疲労試験を行った。熱疲労試験を１００サイクル実施する毎に、再度ショットピーニングを行い、ショットピーニングの前後で残留応力及び半価幅を測定した。図４のグラフの横軸の数字は、熱疲労試験のサイクル数を示し、「ＳＰ」はショットピーニング後を示している。縦軸は試験片１の残留応力（ＭＰａ）である。半価幅については、後述する。
【００４０】
図４に示されるように、ショットピーニング後であって熱疲労試験前（横軸「０＋ＳＰ」）と、１００サイクル後（横軸「１００」）とを比べると、残留応力が１５００ＭＰａ程度減衰していることがわかる。再ショットピーニング（横軸「１００＋ＳＰ」）によって−１６００ＭＰａ程度まで残留応力が付与されているが、付与できる残留応力は小さくなっている。その後、３００サイクルまで１００サイクル毎に熱疲労試験と再ショットピーニングを繰り返しているが、付与できる残留応力の値は徐々に小さくなっている。
【００４１】
非特許文献１には、ショットピーニング後の最大残留応力は、０．２％耐力の約６０％程度であることが示されている。非特許文献２には、ショットピーニング後の残留応力は、耐力（降伏応力）の約半分であることが示されている。図４に示されるように、再ショットピーニング後の残留応力が低下しているということは、試験片１を構成している金属材料自体が熱疲労により劣化して耐力が低下していることを意味している。したがって、第２残留応力と第１残留応力との差の大きさに基づき、対象物を構成する金属材料の劣化を非破壊で評価することができる。
【００４２】
以上説明したように、実施形態に係る劣化評価方法では、金属材料からなる対象物が劣化すると、最大残留応力を付与するためのショットピーニング条件でショットピーニングを行っても、ショットピーニング後に測定される残留応力の値が小さくなることを利用している。これにより、第１ショットピーニング後（つまり、工程Ｓ２後）に測定された第１残留応力と、第２ショットピーニング後（つまり、工程Ｓ４後）に測定された第２残留応力とに基づき、対象物を構成する金属材料の劣化を非破壊で簡便に評価することができる。
【００４３】
具体的には、第１残留応力と第２残留応力との比率について予め閾値を設定し、その閾値を用いて対象物の劣化を評価することができる。これにより、例えば、対象物の交換時期を見極めることができる。つまり、第１残留応力と第２残留応力との比率が、予め設定した閾値以下となる時期を予測することにより、対象物の交換時期を見極めることができる。この予測は、例えば、対象物の製造時に測定された残留応力と、対象物の定期メンテナンス時に測定された残留応力との比率と、製造時から定期メンテナンス時までの対象物の使用回数（又は使用期間）との関係に基づき行うことができる。第１残留応力と第２残留応力との比率の代わりに、第１残留応力と第２残留応力との差などについて予め閾値を設定し、その閾値を用いて対象物の劣化を評価してもよい。
【００４４】
工程Ｓ１では、対象物の硬さに基づいて、ショットピーニング条件を決定するので、ショットピーニング条件を適切に決定することができる。工程Ｓ３及び工程Ｓ５では、回折法により測定を行うので、適切に測定を行うことができる。対象物である鉄鋼材料は広く用いられているので、劣化評価方法の必要性が高い。
【００４５】
実施形態に係る劣化評価方法では、ショットピーニング工程が複数回（少なくとも２回）行なわれるので、対象物には複数回（少なくとも２回）残留応力が付与される。これにより、対象物の高寿命化を図ることができる。
【００４６】
本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
【００４７】
実施形態に係る劣化評価方法において、残留応力の代わりに半価幅を測定してもよい。すなわち、工程Ｓ１では、最大残留応力の代わりに最大半価幅を付与するためのショットピーニング条件を決定する。最大残留応力のときに最大半価幅となるので、最大残留応力を付与するためのショットピーニング条件は、最大半価幅を付与するためのショットピーニング条件と同じである。したがって、工程Ｓ１は、実質的に同じである。工程Ｓ３では、第１ショットピーニング後（つまり、工程Ｓ２後）の対象物の第１残留応力を測定する代わりに、第１ショットピーニング後の対象物の第１半価幅を測定する。工程Ｓ５では、第２ショットピーニング後（つまり、工程Ｓ４後）の対象物の第２残留応力を測定する代わりに、第２ショットピーニング後の対象物の第２半価幅を測定する。工程Ｓ６では、第１残留応力及び第２残留応力に基づき、対象物の劣化を評価する代わりに、第１半価幅及び第２半価幅に基づき、対象物の劣化を評価する。
【００４８】
図５は、第１サイクル試験による半価幅の変化を示すグラフである。第１サイクル試験は上述の通りである。グラフの横軸は、図３と同様であり、縦軸は試験片１（図２参照）の半価幅（ｄｅｇ）である。図５に示されるように、サイクル数が増えるにしたがって、熱疲労により半価幅が減少した。以上のことから、第１半価幅の測定は、第１ショットピーニング後の対象物に対し、第１半価幅を減少させる要因となる熱疲労を与える前に行われる。これにより、第１ショットピーニングにより付与された第１半価幅の測定精度を向上させることができる。同様に、第２半価幅の測定は、第２ショットピーニング後の対象物に対し、第２半価幅を減少させる要因となる熱疲労を与える前に行われる。これにより、第２ショットピーニングにより付与された第２半価幅の測定精度を向上させることができる。
【００４９】
図６は、第２サイクル試験による半価幅の変化を示すグラフである。第２サイクル試験は上述の通りである。グラフの横軸は、図３と同様であり、縦軸は試験片１（図２参照）の半価幅（ｄｅｇ）である。図６に示されるように、ショットピーニング後であって熱疲労試験前（横軸「０＋ＳＰ」）に比べて、１００サイクル後（横軸「１００」）では、半価幅が大きく低下している。半価幅は、再ショットピーニング（横軸「１００＋ＳＰ」）によって７度台まで回復している。半価幅は再ショットピーニングにより回復するものの、初期（横軸「０＋ＳＰ」）に導入された半価幅の値には到達しない。
【００５０】
このように残留応力の代わりに半価幅を測定する場合は、金属材料からなる対象物が劣化すると、最大半価幅を付与するためのショットピーニング条件でショットピーニングを行っても、ショットピーニング後に測定される半価幅の値が小さくなることを利用している。これにより、第１ショットピーニング後（つまり、工程Ｓ２後）に測定された第１半価幅と、第２ショットピーニング後（つまり、工程Ｓ４後）に測定された第２半価幅とに基づき、対象物の劣化を非破壊で評価することができる。
【００５１】
実施形態に係る劣化評価方法では、ショットピーニングを２回行い、２つの残留応力又は半価幅に基づき、対象物の劣化を評価しているが、ショットピーニングを３回以上行って、３つ以上の残留応力又は半価幅に基づき、対象物の劣化を評価してもよい。すなわち、実施形態に係る劣化評価方法は、第３ショットピーニング工程及び第３測定工程等を更に含んでいてもよい。これにより、対象物の劣化をより精度よく評価することができる。
【符号の説明】
【００５２】
１…試験片、２…ヒータ、３…水、４…空気。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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