(57)【要約】【課題】キャビテーション壊食に対する耐性を向上させる表面処理方法を提供する。【解決手段】本発明に係る表面処理方法は、オーステナイト系ステンレス鋼の表面のキャビテーション壊食に対する耐性を向上させる処理方法であって、前記オーステナイト系ステンレス鋼の表面に対して、アルメンストリップのタイプＡにおける５Ａ〜１０Ａの強度に相当するショットピーニング強度でショットメディアを衝突させるショットピーニングを１５〜４０分間の処理時間施す工程を含むことを特徴とする。【選択図】図１
2018012190.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
オーステナイト系ステンレス鋼の表面のキャビテーション壊食に対する耐性を向上させる処理方法であって、
前記オーステナイト系ステンレス鋼の表面に対して、アルメンストリップのタイプＡにおける５Ａ〜１０Ａの強度に相当するショットピーニング強度でショットメディアを衝突させるショットピーニングを１５〜４０分間の処理時間施す工程を含む、ことを特徴とする表面処理方法。
【請求項２】
請求項１に記載の表面処理方法において、
前記ショットメディアが０．１８ｍｍ〜１．６８ｍｍの範囲の大きさを有する鋳鋼ショットである、ことを特徴とする表面処理方法。
【請求項３】
請求項１に記載の表面処理方法において、
前記ショットピーニングの前記処理時間が２０〜３０分間である、ことを特徴とする表面処理方法。
【請求項４】
請求項３に記載の表面処理方法において、
前記ショットピーニング強度が５Ａ〜７Ａの範囲の強度であり、
前記ショットメディアが０．５８ｍｍ〜０．９９ｍｍの範囲の大きさを有する鋼ショットである、ことを特徴とする表面処理方法。
【請求項５】
請求項１に記載の表面処理方法において、
前記表面を研磨して厚さ１０〜３０μｍ分を取り除く工程を更に含む、ことを特徴とする表面処理方法。
【請求項６】
請求項１に記載の表面処理方法において、
前記オーステナイト系ステンレス鋼が１８〜２０％のＣｒおよび２．０〜３．０％のＭｏを含む、ことを特徴とする表面処理方法。
【請求項７】
請求項１に記載の表面処理方法において、
前記ショットピーニングは、前記表面から少なくとも６０μｍの深さまでを硬化し、かつ前記表面の粗さを２０μｍ未満とする処理である、ことを特徴とする表面処理方法。
【請求項８】
材料の表面に対して、アルメンストリップのタイプＡにおける５Ａ〜１０Ａの強度に相当するショットピーニング強度でショットピーニングを１５〜４０分間の処理時間施す工程を含む処理方法であって、
前記材料がオーステナイト結晶構造を有し、
前記材料がアニールされた状態である場合、前記ショットピーニングで使用されるショットメディアが前記材料よりも高い硬さを有する、ことを特徴とする表面処理方法。
【請求項９】
請求項８に記載の表面処理方法において、
前記ショットメディアが０．１８ｍｍ〜１．６８ｍｍの範囲の大きさを有する鋳鋼ショットである、ことを特徴とする表面処理方法。
【請求項１０】
請求項８に記載の表面処理方法において、
前記ショットピーニングの前記処理時間が２０〜３０分間である、ことを特徴とする表面処理方法。
【請求項１１】
請求項８に記載の表面処理方法において、
前記ショットピーニング強度が５Ａ〜７Ａの範囲の強度であり、
前記ショットメディアが０．５８ｍｍ〜０．９９ｍｍの範囲の大きさを有する鋼ショットである、ことを特徴とする表面処理方法。
【請求項１２】
請求項８に記載の表面処理方法において、
前記ショットピーニングの工程の後に、
前記表面の粗さが２０μｍを超えているか否かを判定する工程と、
前記表面の粗さが２０μｍを超えている場合に、前記ショットメディアの大きさ、または前記５Ａ〜１０Ａの強度の範囲内における前記ショットピーニング強度、のうち少なくとも１つを減少させる工程とを更に含む、ことを特徴とする表面処理方法。
【請求項１３】
請求項８に記載の表面処理方法において、
前記ショットピーニングの工程の後に、
前記表面に形成される硬化層の深さが６０μｍ未満であるか否かを判定する工程と、
前記硬化層の深さが６０μｍ未満である場合に、前記５Ａ〜１０Ａの強度の範囲内における前記ショットピーニング強度、または前記１５〜４０分間の時間の範囲内における前記ショットピーニングの前記処理時間、のうち少なくとも１つを増加させる工程とを更に含む、ことを特徴とする表面処理方法。
【請求項１４】
請求項８に記載の表面処理方法において、
前記材料が１８〜２０％のＣｒおよび２．０〜３．０％のＭｏを含むオーステナイト系ステンレス鋼である、ことを特徴とする表面処理方法。
【請求項１５】
オーステナイト結晶構造を有する材料の表面に対して、アルメンストリップのタイプＡにおける５Ａ〜１０Ａの強度の範囲でショットメディアを１５〜４０分間衝突させる工程と、
前記表面を研磨して厚さ１０〜２０μｍ分を取り除く工程とを含む、ことを特徴とする表面処理方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の表面処理方法において、
前記ショットメディアが０．１８ｍｍ〜１．６８ｍｍの範囲の大きさを有する鋳鋼ショットである、ことを特徴とする表面処理方法。
【請求項１７】
請求項１５に記載の表面処理方法において、
前記ショットメディアを衝突させる工程の時間が２０〜３０分間である、ことを特徴とする表面処理方法。
【請求項１８】
請求項１７に記載の表面処理方法において、
前記ショットメディアを衝突させる強度が５Ａ〜７Ａの範囲の強度であり、
前記ショットメディアが０．５８ｍｍ〜０．９９ｍｍの範囲の大きさを有する鋼ショットである、ことを特徴とする表面処理方法。
【請求項１９】
請求項１５に記載の表面処理方法において、
前記材料が１８〜２０％のＣｒおよび２．０〜３．０％のＭｏを含むオーステナイト系ステンレス鋼である、ことを特徴とする表面処理方法。
【請求項２０】
請求項１５に記載の表面処理方法において、
前記ショットメディアを衝突させる工程の後で、前記表面を研磨する工程の前に、
前記表面の粗さが２０μｍを超えているか否かを判定する工程と、
前記表面の粗さが２０μｍを超えている場合に、前記ショットメディアの大きさ、または前記５Ａ〜１０Ａの範囲内における前記ショットメディアを衝突させる強度、のうち少なくとも１つを減少させる工程を含む、ことを特徴とする表面処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、キャビテーション壊食に対する耐性（耐キャビテーション壊食性）の向上技術に関し、特に、ショットピーニングを利用した表面処理方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
壊食（エロージョン）とは、固体、液体および気体が材料との相対的動きや衝撃的な繰り返し作用によって生ずる機械的な力によって材料表面を変形・劣化させ、その箇所を徐々に減肉させる現象である。キャビテーションとは、液体に作用する力によって該液体中に気泡（キャビティ）が形成される現象であり、ポンプ、バルブ、インペラ、タービン、およびプロペラなどで発生し得る。
【０００３】
例えば、液体が急激な圧力変化を受ける場合、圧力の比較的低い場所にキャビティが形成されることがある。液体に作用する圧力がより高い場合などでは、生成したキャビティが崩壊して衝撃波が生じることがある。金属表面の近くのキャビティの崩壊は、その金属に繰返しの応力を与え、キャビテーション壊食と呼ばれる表面摩耗を引き起こすことがある。例えば、キャビティの崩壊によって生じるピッチングが金属部品の摩耗を引き起こすことがあり、ポンプ、プロペラ、および他の部品などの寿命を著しく低下させる可能性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、キャビテーション壊食に対する耐性を向上させる表面処理方法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】
【０００５】
本発明の実施形態は、工作物に対して比較的長時間のショットピーニングを施すことによって、該工作物の耐キャビテーション壊食性を向上させる方法を含む。例えば、工作物の表面に本発明のショットピーニングを施すと、該工作物の表面を比較的滑らかに保つことを可能にしながら、６０μｍ以上の深さまで該工作物の結晶粒径を小さくし硬化させることができる。この方法は、一例として、オーステナイト系ステンレス鋼の表面に対して、アルメンストリップ（アルメンストリップとは、ショットピーニング加工を実施する上でアークハイトを求めるための試験片であり、アークハイトとは、ショットピーニングの強さを示す値で試験片の反りの大きさを意味する）のタイプＡの強度５Ａ〜１０Ａに相当するショットピーニング強度でショットメディアを衝突させるショットピーニングを１５〜４０分間の処理時間施す表面処理を含む。ある場合は、ショットピーニングの処理時間は２０〜３０分間の範囲であり、ショットピーニング強度は５Ａ〜７Ａである。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、キャビテーション壊食に対する耐性を向上させる表面処理方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】ショットピーニングの強度や処理時間が異なる表面処理を施した複数の試料における硬化層の硬さと深さとの関係の一例を示すグラフである。
【図２】各ケースのショットピーニング条件を示す図である。
【図３】本発明の表面処理を施した実施例の組織の一例を示す断面模式図である。
【図４】キャビテーション壊食試験の結果の一例を示すグラフである。
【図５】本発明に係るショットピーニング装置の一例を示す模式図である。
【図６】本発明の表面処理の工程例を示すフロー図である。
【図７】本発明におけるショット・ピーニング・パラメータを決定するための工程例を示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
添付図面を参照しながら、詳細な説明を行う。添付図面において、参照符号の最も左側の数字は、その参照符号が最初に記載される図面を表している。異なる図面において同様の参照符号を使用することで、要素または機能が同等または同一であることを示す。
【０００９】
本発明の技術は、オーステナイト系ステンレス鋼（例えば、ＳＡＥ３１６系ステンレス鋼やＳＡＥ３０４系ステンレス鋼など）において耐キャビテーション壊食性を最大３５０％向上させることができる冷間表面処理の新たな装置および技法を含む。一例として、工作物／被処理材の表面に鋳鋼ショットによるショットピーニングを最大４０分間行う工程を含む。例えば、キャビテーション壊食が生じ易い工作物表面の少なくとも一部分を処理する方法でもよい。他の例では、キャビテーション壊食が生じ易い工作物の少なくともショットピーニングが施された場所に対して、ショットピーニングの後に該工作物の表面研磨を行ってもよい。本発明における実施例では、熱処理は必要としない。本発明の表面処理は、ポンプ、バルブ、インペラ、タービン、およびプロペラなどの部品、ならびにキャビテーション壊食環境下において動作する他の流体システムの部品に対して施すことができる。
【００１０】
本発明のショットピーニングは、１５〜４０分間の範囲のショットピーニング処理時間で、場合によっては２０〜３０分間の範囲のショットピーニング処理時間で処理を施すことができる。また、タイプＡのアルメンストリップおよび＃２アルメンゲージから求められる５Ａ〜１０Ａの範囲のショットピーニング強度で、場合によっては５Ａ〜７Ａの範囲のショットピーニング強度でショットピーニングを行うことができる。驚くことに、本明細書に記載の処理時間（本明細書では継続時間と表記する場合もある）およびショットピーニング強度で実施する長時間のショットピーニング方法によって、被処理材の表面粗さを低く抑えながら、予想外に深くまで小粒径化を実現することができる。
【００１１】
本発明の解説を目的として、選択されたショットメディアを使用して選択された強度で長時間のショットピーニングを施すという表面処理条件における種々の実施形態について説明する。ただし、本発明の実施形態は、本明細書に記載される特定の実施例に限定されるものではなく、本発明の開示の観点から当業者にとって明白であるように、他の使用環境、他の種類の処理部品、および他の種類のショットメディアなどにも適用することができる。
【００１２】
図１は、各実験例における処理表面からの距離（上面からの距離）と硬さとの関係を示す例示的なグラフ１００である。本実施形態では、本発明の表面処理の効果を実証するために、ＳＡＥ３１６系ステンレス鋼（ＳＳＴ）の工作物試料に対して、種々の異なるショットピーニング強度で、種々の長さの処理時間のショットピーニングを施した。例えば、ＳＡＥ３１６（ＵＮＳ３１６００、欧州標準１．４４０１）ＳＳＴは、通常、合金物質として約１６〜１８％のＣｒ、１０〜１４％のＮｉ、最大０．０８％のＣ、最大２％のＭｎ、最大１％のＳｉ、最大０．０４５％のＰ、最大０．０３％のＳ、および２．０〜３．０％のＭｏを含有する。また、本実施形態では３１６系ＳＳＴを実験例の材料として使用したが、他のオーステナイト系ステンレス鋼（例えば、ＳＡＥ３０４系ＳＳＴなど）を他の実験例として使用してもよい。例えば、ＳＡＥ３０４（ＵＮＳ３１４００、欧州標準１．４３０１）は通常、合金物質として約１８〜２０％のＣｒ、８〜１０．５％のＮｉ、最大０．０８％のＣ、最大２％のＭｎ、最大１％のＳｉ、最大０．０４５％のＰ、および最大０．０３％のＳを含有する。その他の種類のオーステナイト系ステンレス鋼については当技術分野でよく知られており、その組成についてここでは詳述しない。
【００１３】
本実施形態では、鋼やステンレス鋼に対する従来のショットピーニング処理に比べて、比較的長時間のショットピーニングを工作物に施す。具体的には、ここでのショットピーニングは、圧縮残留応力層を形成する冷間加工工程として施すものであり、それにより工作物表面の結晶粒径を縮小し硬さを向上させることで工作物の機械的特性を変化させることができる。ここでのショットピーニングは、工作物の表面に塑性変形を生じさせるのに十分な力で、工作物の表面に対してショットメディア（例えば、金属粒、ガラス粒、またはセラミック粒）を衝突させることを含むものである。
【００１４】
通常、疲労破壊および応力腐食破壊は、部品の表面から始まる。しかしながら、本発明のショットピーニング工程を経ると、表面から表面下のかなりの深さまで、キャビテーション壊食を抑制させる高い硬度を有した圧縮応力領域が生じる。例えば、本発明のショットピーニング工程は、表面に生成されたどんな表面凹凸よりもはるかに深い表面下の距離まで、圧縮応力を受けた均一な材料層を生成することができる。さらに、この処理によって、疲労破壊、腐食疲労、応力腐食割れ、および水素助長割れに対する耐性を向上させることができる。
【００１５】
本発明では、ソサエティ・オブ・オートモーティブ・エンジニアズ（ＳＡＥ）Ｊ４４２標準に基づいたアルメンストリップを使用して、ショットピーニング工程のショットピーニング強度を定量化できる。例えば、Ｊｏｈｎ  Ｏ．Ａｌｍｅｎは、ショットピーニングのブラスト流の強さを測定するために、アルメンストリップ（通常４５〜４８ＨＲＣの硬度を有するＳＡＥ１０７０鋼のストリップ）を開発した。アルメンストリップは、「Ｎ」、「Ａ」、および「Ｃ」の３つのタイプに分類される。この３タイプのアルメンストリップは、相対的な厚みが異なるが、幅および長さは同じである。具体的には、Ａ片はＮ片より厚く、Ｃ片はＡ片より厚い。おおよその厚さ関係は、３Ｎ＝Ａ＝０．３Ｃである。
【００１６】
ショットピーニング強度は、使用したアルメンストリップから得られるアークハイトに基づいて表現することができる。例えば、Ａ片を使用した０．０１２インチ（０．３０ｍｍ）のアークハイトの強度呼称は０．０１２Ａであり、本明細書では「１２Ａ」として簡略表記することがある。一般に、Ａ片が最も多く使用されるが、結果として生じるＡ片のアークハイトが０．００４インチ（０．１０ｍｍ）未満である場合は、Ｎ片を使用してもよい。一方、Ａ片のアークハイトが０．０２０インチ（０．５１ｍｍ）よりも大きい場合は、Ｃ片を使用してもよい。＃２アルメンゲージは、通常、本発明におけるアークハイトの測定に使用できる。
【００１７】
ショットピーニング工程を準備する際は、最初にショットピーニング強度を決定してもよい。これを実現するため、ショットピーニングを施す工作物に代えて、ショットピーニング室内のショットメディアの噴射経路上にアルメンストリップを配置する。選択された設定で選択された処理時間Ｔの間、ストリップに対してショットを噴射すると、該ショットピーニングの結果として生じる圧縮応力によって、アルメンストリップが上向きの円弧状に変形する。ゲージを使用してアークハイトを測定し、変形量を求めることができる。１枚目のストリップが処理時間Ｔにおいて第１のアーク変形に達した後、２枚目のアルメンストリップに対して、同じショットピーニング強度で２倍の処理時間（２Ｔ）のショットピーニングを行う。２枚目のストリップの変形が、１枚目のストリップと比較して１０％未満分大きい場合、処理時間Ｔでのアークハイトに対応するショットピーニング強度は、その処理時間Ｔにおいて強度飽和に達したと考えることができる。また、ショットピーニング工程のショットピーニング強度を測定する別の技法として、ストリップの代わりにアルメンラウンドを使用するものがあり、同じ基本原理に基づいて動作する。
【００１８】
図１に示したように、３１６ＳＳＴの複数の試料に対して、種々の長さの処理時間で、種々の異なるショットピーニング強度のショットピーニングを施した。例えば、３１６ＳＳＴは、アニールされた状態で通常１５０ＨＶ〜最大２２０ＨＶの範囲のビッカース硬さ（ＨＶ）を有する。本発明のショットピーニング表面処理方法は、比較的長時間のショットピーニングを行うことによって、当該処理によって生じる表面凹凸を最小限に抑えながら、材料強化の深さを増加させて耐キャビテーション壊食性を向上させることができる。本ショットピーニング工程は、材料表面を硬化させ、それによってキャビテーション壊食に対する材料表面の耐性を向上させる。また、この方法は、材料表面の結晶を小径化し、高い機械的強度と優れた伸び特性をもたらす。したがって、本発明のショットピーニング工程は、十分な厚さの小粒径層（すなわち硬化層）を生成することができ、材料表面の耐キャビテーション壊食性を向上させることができる。
【００１９】
本発明における長時間のショットピーニング方法では、ショットピーニングの処理時間を１５〜４０分間とし、場合によって２０〜３０分間とする。また、優れた浸透性（硬化層の深さ）を確保しながら工作物の表面粗さへの影響を最小化するため、ショットピーニング強度およびショットの大きさを選択することができる。例えば、オーステナイト系ステンレス鋼に対するショットピーニング強度は、５Ａ〜１０Ａの範囲が好ましく、５Ａ〜７Ａの範囲がより好ましい。
【００２０】
本発明におけるショットピーニングの処理時間は、従来のショットピーニング処理時間（６０秒未満であることが多い）よりも大幅に長くする。驚くことに、ショットピーニングの処理時間が１５分を超えると、表面そのものは十分な滑らかさを保ちながら、材料表面の性状変化領域を劇的に深く浸透させることができる。実験結果は、本発明の長時間ショットピーニングによって、小粒径化および硬化の層の深さを６０μｍ以上まで大きくできることを示している。
【００２１】
本発明では、長時間のショットピーニングが完了した後に、処理領域の表面を滑らかにするために、研削や他の大幅な機械加工を必要とすることなく、処理表面の研磨を行うこともできる。例えば、該処理表面が過度に熱くならない程度の適切な技法を用いて研磨を行うことができる。研磨技法の例としては、革、帆布、および綿布などのホイールを用いた研磨が挙げられる。また、本発明で利用する研磨技法はバフ研磨を含んでもよく、またはバフ研磨自体を研磨工程としてもよい。さらに、処理領域の表面粗さが１０μｍ未満の場合などは、研磨工程を全て省略してもよい。
【００２２】
図１の実験例において、試料の材料は、アニールされた状態で約１９０ＨＶの硬さを有する３１６ステンレス鋼である。図２には、８つのケースのショットピーニング条件を示す。ケース１（１０２）は７Ｎのショットピーニング強度で４５分間のショットピーニングを行った例であり、ケース２（１０４）は１２Ｎのショットピーニング強度で２０分間のショットピーニングを行った例であり、ケース３（１０６）は１２Ｎのショットピーニング強度で３０分間のショットピーニングを行った例であり、ケース４（１０８）は５Ａのョットピーニング強度で１０秒間のショットピーニングを行った例であり、ケース５（１１０）は５Ａの強度で５分間のショットピーニングを行った例であり、ケース６（１１２）は５Ａの強度で１０分間のショットピーニングを行った例であり、ケース７（１１４）は５Ａの強度で２０分間のショットピーニングを行った例であり、そしてケース８（１１６）は５Ｃの強度で１０秒間のショットピーニングを行った例である。
【００２３】
上述した実験例では、ショットメディアの大きさが直径０．８４ｍｍであるＳ３３０の鋳鋼ショットを使用してショットピーニングを行った。ただし、本発明における実施形態では、鋼ショットの大きさは、所定のショットピーニング強度が得られる限り、およそＳ７０（０．１８ｍｍ）〜Ｓ６６０（１．６８ｍｍ）の範囲であってよい。また、本発明における実施形態では、ショットピーニング処理に起因する表面粗さの増加を最小限にするように、所定のショットピーニング強度が得られる範囲での最も小さいショットを使用することができる。さらに、本発明における実施形態では、同等サイズの鉄ショット、カット・ワイヤ・ショット等価物、または他のショットメディアを使用できる。個々のショットメディアが割れるような場合には、表面粗さの増加を招くような鋭いエッジの確率を減らすために割れた粒子を取り除けばよい。
【００２４】
各ケース１〜８（各参照符号１０２〜１１６）はグラフ１００上に記入され、それぞれ工作物の表面からの深さ方向の距離と硬さとの関係を示している。例示される全てのショットピーニングの例では、それぞれの工作物の表面にある程度の硬化が生じている。硬化層の厚みは、ショットピーニングによって生じる小粒径化の浸透深さに対応し、さらにキャビテーション壊食に対する耐性の増加に対応し得る。表面からの距離が増加すると、未処理材の硬さ値に向かって硬さは減少する。例えば、７Ｎや１２Ｎのショットピーニング強度で実施したケース１、２、および３では、１００μｍ未満の深さにおいて大幅に硬度が向上し、比較的急に低下する。すなわち、硬化層は比較的薄い。５Ａの強度で実施したケース４の硬さは、同じ５Ａのショットピーニング強度であるが処理時間が異なる他の例（例えばケース５〜７）ほど大幅には向上していない。
【００２５】
また、５Ａのショットピーニング強度でそれぞれ５分間および１０分間の処理を実施したケース５および６では、硬化の深さが、強度５Ａで２０分間実施したケース７ほど大きくはない。例えば、ケース６はケース５の２倍の処理時間で実施しているにもかかわらず、ケース５とケース６との間には大きな向上が見られない。したがって、ケース５、ケース６、およびケース７の相対的な向上を比較すると、ケース７における硬さの向上の深さが、ケース６の場合よりも著しく優れていることは予想外のことである。ケース７では、特に、グラフ上で１１８として示すように、８０〜９０μｍの深さにおいても、試料の硬さはアニールされた材料の２倍に保たれている。後述するいくつかの異なる試料では、処理後の表面粗さは約７〜１７μｍであった。したがって、そのような場合には、ショットピーニング処理後の研磨を省略することができる。それ以外の場合には、表面に対して最小限の研磨のみを行ってもよい。また、このショットピーニング強度で処理時間を延長する（例えば、処理時間を３０〜４０分まで増加させる）ことによって、表面粗さに大きな影響を及ぼすことなく、小粒径層および硬化をさらに深く浸透させることができる。
【００２６】
一方、１２０として示すケース８は、その結果として浸透深さが増したものの生じた表面粗さが約８０μｍであったため、ショットピーニング処理の後に研削または他の有効な機械加工を必要とする可能性がある。例えば、表面が粗くなり過ぎると、研磨装置の研磨代の範囲内での研磨は実用的ではない。そのため、研削などの追加の機械加工が必要となることがあり、表面性状の変化および／または製造コストの追加が生じる可能性がある。例えば、表面処理に後に研削を施す場合、研削温度を慎重に制御して局部加熱を抑制する必要がある。これは、表面性状を変化させる可能性があるためである。しかしながら、このような機械加工は、常に実施することが困難な場合もある。したがって、表面粗さと浸透深さとの比較に基づくと、ケース８はケース７に比べて望ましい結果が得られないと考えられる。
【００２７】
そこで、本発明の実施形態では、耐キャビテーション壊食性を向上させるために、長時間のショットピーニング表面処理を採用する。本発明の表面処理技法は、表面粗さに大きな影響を及ぼすことなく、硬化層に相当する小粒径層を材料表面に生成する。該小粒径層（硬化層）の深さは、短い処理時間の場合を大きく超える深さに到達する。対象材料は３１６系ステンレス鋼に限定されず、他のオーステナイト系ステンレス鋼に応用してもよい。一般的ガイドラインとしては、アニールされた材料が硬い場合、処理時間および／またはショットピーニング強度を増加させる。本発明の長時間ショットピーニング工程は、冷間加工工程であり、高温または他の種類の処理によって生じうる問題を発生させない。さらに、本発明の長時間ショットピーニング工程は、耐キャビテーション壊食性をさらに向上させるために、他の表面改質技法と組み合わせてもよい。一例として、本発明のショットピーニング技法は、ショットピーニングを実施する前に、工作物への窒素浴処理と組み合わせることができる。
【００２８】
前述したように、図２は、各ケース１〜８のショットピーニング条件２００を示す図である。具体的には、ショットピーニング条件２００には、参照符号１０２〜１１６によって表される各ケース１〜８の強度（ショットピーニング強度）２０２および継続時間２０４が示されている。
【００２９】
図３は、本発明の実施形態に係るケース７に対応する試料の断面組織３００を示す拡大図である。本実験例では、表面から内側６０μｍの領域で粒組織の寸法が減少している。そのため、ある程度のナノ構造粒子を最表面に存在させることができ、小粒径層は少なくとも６０μｍの厚さを有する。これは、前述した図１に示した硬化に対応する。いくつかの試料に基づいて、３０２で示すように、ケース７の表面粗さは７〜１７μｍの間であると判断された。したがって、２０μｍが取り代（研磨装置の研磨代）３０４として研磨・除去されてもなお、小粒径化され大幅に硬化した少なくとも厚さ４０μｍの層が存在することになる。本実施例において、研磨装置の研磨代３０４は、例えば平均表面レベル３０６の位置から計測すればよい。研磨後に残った材料は、依然として４５０ＨＶを超える硬さを有するため、未処理材料に比べて、工作物の耐キャビテーション壊食性を大きく向上させることができる。
【００３０】
図４は、未処理試料および本発明の実施形態に係るケース７の表面処理を施した試料における、時間経過に伴う質量減少の比較を示すグラフ４００である。ケース７の試料では、処理表面への研磨によって、最表面から約２０μｍの材料を除去した。ケース７の試料および未処理試料に対して、液体中の振動装置を使用してキャビテーション壊食試験を行った。キャビテーション壊食試験の結果をグラフ４００に示す。グラフ４００は、処理試料の耐キャビテーション壊食性が大幅に向上したことを示している。例えば、試験を約１時間行った時点で、４０２として示す処理試料は質量減少が約１５ｍｇであったのに対し、未処理試料は質量減少が約６５ｍｇであった。すなわち、処理試料の耐キャビテーション壊食性は、未処理試料のそれと比較して、４倍を超えて優れている。
【００３１】
図５は、本発明に係るショットピーニング装置例５００を示す模式図である。装置５００は、ショットメディア５０４を収容するためのショットメディア容器５０２を備えることができる。ショットメディア５０４は、加速器５０６に送られ、該加速器５０６で、本発明の長時間ショットピーニング工程が施される工作物５０８の表面の少なくとも一部分に向けて加速される。有向メディア（加速されたメディア）５１０は、工作物５０８に衝突し、さらにショットメディア容器５０２内に戻して再利用することもできる。前述したように、鋭いエッジによって生じる表面粗さの増加を防ぐため、ショット容器５０２に戻されるショットメディア５０４から割れたメディアを取り除いてもよい。
【００３２】
工作物５０８に向けてショットメディア５０４を推進させる加速器５０６の例として、エアブラスト装置および遠心ブラストホイールを挙げることができる。エアブラスト装置では、ショットメディアは、種々の方法によって高圧空気の経路内に送られ、ショットピーニングされる工作物部分に向けられたノズルを通して加速される。一方、遠心ブラストホイールは、ショットメディア５０４を加速させるための高速羽根車を備えてもよい。例えば、ショットメディア５０４は、回転するホイールの中心に送られ、回転する羽根による遠心力によってショットメディア５０４を部品に向けて推進される。メディア投入位置を調整することで、有向メディア５１０の放出のタイミングを効果的に調整することができる。
【００３３】
前述したように、ショットメディア５０４は、Ｓ７０（０．１８ｍｍ）〜Ｓ６６０（１．６８ｍｍ）の範囲の直径を有する球状の鋳鋼ショットを含んでもよい。場合によっては、前述したアルメンストリップ技法を使用して決定されたショットピーニング強度を実現することができる限り、最小径を有するショットサイズを選択してもよい。例えば、ショットサイズが小さいほど、表面を滑らかにすることができる。鋼ショットは、通常、４５〜５２ＨＲＣ（４４５〜５４５ＨＶ）の硬さを有している。したがって、本発明において、鋼ショットはアニールされた処理材料よりも十分に硬質である。ただし、表面粗さを大幅に増加させることなく所定のショットピーニング強度を実現できるのであれば、鋼ショットの代わりに、処理材料よりも高い硬度を有する他のメディアを使用してもよい。
【００３４】
他の種類のショットメディア５０４としては、セラミックビーズ、ガラスビーズ、調整カットワイヤ、または他の種類の金属製ショットを挙げることができる。ただし、使用される加速器５０６の種類によっては、ショットメディアの寸法およびショットメディアの種類が制限されることがある。例えば、加速器５０６によっては、小型軽量のショットを、所望のショットピーニング強度を実現するために十分な速度に加速できないことがある。
【００３５】
本発明の実施形態において、ショットピーニング装置５００の動作を制御するために演算装置５１２を備えてもよい。演算装置５１２は、例えば、プロセッサ５１４、コンピュータ可読媒体５１６、およびＩ／Ｏ装置５１８を備えることができる。プロセッサ５１４は、１つまたは複数の、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、マイクロコントローラ、デジタル信号プロセッサ、中央処理装置、ステートマシン、論理回路、および／または動作命令に基づいて信号を操作する任意の装置として実装できる。例えば、プロセッサ５１４は、本発明の工程およびアルゴリズムを実行するために特別にプログラムまたは構成された、１つまたは複数の適切な種類のハードウェアプロセッサおよび／または論理回路であってよい。プロセッサ５１４は、コンピュータ可読媒体５１６に格納されたコンピュータ読取り可能でプロセッサ実行可能な命令を、取得・実行するように構成されてもよい。
【００３６】
コンピュータ可読媒体５１６は、有形固定のコンピュータ記憶媒体であってもよい。また、コンピュータ可読媒体５１６は、コンピュータ読取り可能でプロセッサ実行可能な命令、データ構造、プログラムモジュール、または他のデータなどの情報を格納するためのあらゆる技術に基づいた、揮発性や不揮発性のメモリおよび／または取外し可能／取外し不可能な媒体を含む。例えば、コンピュータ可読媒体５１６は、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリ、ソリッド・ステート・ストレージ、磁気ディスクストレージ、光学式記憶装置および／または他のコンピュータ可読媒体技術を含むが、これらに限定されない。したがって、コンピュータ可読媒体５１６は、プロセッサ５１４が実行できる命令、モジュール、またはアプリケーションを格納できるコンピュータ記憶媒体である。さらに言及するならば、固定のコンピュータ可読媒体には、エネルギー、キャリア信号、電磁波、および信号それ自体などの媒体は含まれない。
【００３７】
コンピュータ可読媒体５１６は、プロセッサ５１４によって実行可能な機能構成を格納し、維持するために使用することができる。本発明の実施形態では、これらの機能構成は命令またはプログラムを含み、この命令またはプログラムはプロセッサ５１４によって実行可能であり、実行されると、ショットピーニング装置５００を制御するための動作ロジックを実施する。コンピュータ可読媒体５１６に格納される機能構成は、制御アプリケーション５２０を含み、この制御アプリケーション５２０は、作業者がショットピーニング装置５００のショットピーニング強度およびショットピーニング処理時間を制御できるようにするための、一連の命令および／または実行可能コードを含む。さらに、コンピュータ可読媒体５１６は、機能構成が使用するデータおよびデータ構造などを格納してもよい。
【００３８】
Ｉ／Ｏ装置５１８は、ディスプレイ、種々のユーザインタフェース制御手段（例えば、ボタン、ジョイスティック、キーボード、マウス、およびタッチスクリーンなど）、オーディオスピーカ、接続ポート、および通信インタフェースなどを備えることができる。また、演算装置５１２は、他の論理構成、プログラム構成、および／または物理構成を備えることができる。ただし、ここで記載したものは、本発明の解説に関連した例にすぎない。
【００３９】
図６および図７は、本発明の実施形態に係る工程例を示すフロー図である。工程は、論理フロー図におけるブロックの集合として示され、一連の動作を表現している。各ブロックが記述される順序は、これに限定するものとして解釈されるべきではない。例えば、本工程または代替の工程を実施するために、記述されるブロックのうちのいくつかを組み合わせて、他の順序および／または並行して実行してもよいし、また、全てのブロックを実行する必要はない。本発明の解説を目的として、本明細書に記載の環境、装置、および材料を参照して工程が説明するが、本発明の工程は種々の環境、装置、および材料で実施することができる。
【００４０】
図６は、キャビテーション壊食に対する耐性を強化するために、オーステナイト系ステンレス鋼（例えば３１６系ステンレス鋼）の表面処理を行う工程例６００を示すフロー図である。例えば、処理工作物は、ポンプ、プロペラ、インペラ、およびバルブなどにおける部品、ならびにキャビテーション壊食が生じやすい他の流体システムの部品として使用することができる。工程６００は、材料表面へのショットピーニング処理を含み、その後に表面研磨工程を更に含んでもよい。ショットピーニング処理および研磨処理が完了した後は、通常、更なる処理は必要ない。
【００４１】
６０２では、工作物よりも高い硬さを有し、選択されたショットピーニング強度を実現するために使用できるショットメディアの種類および大きさを選択する。例えば、選択されたショットピーニング強度を実現するためにショット・ピーニング・マシンが該ショットメディアを十分に加速できるように、十分な質量を有するショットを選択する。図７には、個々の材料に対するショットメディアおよびショットピーニング強度を決定する工程が含まれる。ある例では、ショットメディアは、Ｓ７０（０．１８ｍｍ）〜Ｓ６６０（１．６８ｍｍ）の範囲の鋳鋼ショットを用いることができる。また、ある例では、選択されたショットピーニング強度を実現するために使用できる最小径を有するショットメディアを選択してもよい。
【００４２】
６０４では、選択されたショットメディアを選択されたショットピーニング強度で投射するために、ショット・ピーニング・マシンを構成する。例えば、演算装置は、ショット・ピーニング・マシンが選択されたメディアを選択されたショットピーニング強度で工作物に投射するための動作をするように、構成される。
【００４３】
６０６では、ショットピーニング強度が所定の範囲内であること確実にするためにショットピーニング強度を検証する。例えば、工作物の表面処理を実施する前の試験として、前述したアルメンストリップ技法または他の適切なショットピーニング強度の測定技法を使用して、ショットピーニング強度を検証する。
【００４４】
６０８では、工作物の少なくとも一部分に対して、選択されたショットピーニング強度で選択された処理時間、ショットメディアを投射する。例えば、５Ａ〜１０Ａのショットピーニング強度で、１５〜４０分間の範囲の継続時間のショットピーニングを実施し、表面は比較的滑らかに保ちながら比較的厚い硬化層を実現することができる。また、ある例では、表面粗さを大幅に増加させることなく、硬化層の良好な浸透を実現する最適なショットピーニング継続時間および強度として、５Ａ〜７Ａのショットピーニング強度で、２０〜３０分間の範囲の継続時間のショットピーニングを実施してもよい。例えば、結果として生じる硬化の深さが６０μｍ以上であるのに対し、引き起こされる表面粗さは２０μｍ未満となる。すなわち、いくつかの例では、硬化層の厚さが表面粗さの３倍以上になり得る。
【００４５】
６１０では、ショットメディアが衝突した工作物の少なくとも一部分を研磨する。例えば、工作物の一部分を研磨して、材料の約１０〜３０μｍを研磨装置の研磨代として表面から除去する。一例として、最大表面粗さが１７μｍである場合、材料の２０μｍを取り除くことができ、ショットピーニング工程によって結晶粒径が大幅に縮小され硬さが２倍以上となった材料を、少なくとも約４０μｍを残すことができる。
【００４６】
図７は、本発明の実施形態における、材料に対する適切なショットピーニング加工条件を選択するための工程例を示すフロー図である。
【００４７】
７０２では、最初のショットサイズおよび種類を選択し、ショットピーニング装置の強度を設定する。
【００４８】
７０４では、選択されたショットサイズおよび種類を使用して、設定されたショットピーニング強度で１５〜４０分間の処理時間で試験サンプルのショットピーニングを実施する。また、場合によっては、表面粗さを大幅に増加させることなく、硬化層の浸透を良くするための最適なショットピーニング処理時間として、２０〜３０分間のショットピーニングを実施してもよい。
【００４９】
７０６では、試験サンプルの微細構造解析を行う。
【００５０】
７０８では、小粒径化、硬さの向上、硬化／小粒径化の深さ、および表面粗さを確認する。
【００５１】
７１０では、微細構造が少なくとも６０μｍまで改良されているかどうかを判定する。改良されていない場合、工程はブロック７１２に進み、改良されている場合、工程はブロック７１４に進む。
【００５２】
７１２では、ショットピーニング強度および／またはショットピーニング継続時間を増加させ、工程をブロック７０４に進め、別の試験サンプルに対して、変更されたパラメータを使用したショットピーニングを実施する。例えば、最初の試験中に行われたショットピーニングが１６分であった場合は、同等のショットピーニング強度または高い強度で、ショットピーニング継続時間を２５分まで延ばすことができる。
【００５３】
７１４では、微細構造が少なくとも６０μｍの深さまで改良されている場合において、表面粗さが２０μｍ未満であるかどうかを判定する。２０μｍ未満ではない場合、工程はブロック７１６に進み、２０μｍ未満である場合、工程はブロック７１８に進む。
【００５４】
７１６では、表面粗さが２０μｍよりも大きい場合において、ショットピーニング強度および／またはショットサイズを小さくすることができる。例えば、ブロック７１２において事前にショットピーニング強度を上げた場合には、ショットサイズを小さくすることができる。
【００５５】
７１８では、必要に応じて表面を研磨する。また、改良された微細構造が耐キャビテーション壊食性の向上に対応していることを確認するために、キャビテーション壊食試験を実施してもよい。
【００５６】
本明細書で記載した工程例は、単に本発明の解説を目的として提供した工程例にすぎない。本明細書における開示から、数多くの他の変形例が当業者にとって明白となろう。また、本明細書で開示した工程に適した環境、装置、および材料の例がいくつか説明されたが、本発明の実施形態は、図示および解説された特定の例に限定されない。さらに、本明細書は、その記載および図面に示したように種々の例示的な実施例を提供する。しかしながら、本発明は、当業者に知られるように、または当業者に知られることになるように、本明細書において説明され図示される実施例に限定されるものではなく、他の実施形態にも適用できる。
【００５７】
構造的特徴および／または方法論的作用に特有の文言によって本発明を説明したが、請求項に規定される本発明は、本明細書に記載した特定の機能または作用に必ずしも限定されないことは理解されるべきである。むしろ、明細書中の特定の機能および作用は、請求項を実施する例示形態として記載されたものである。
【符号の説明】
【００５８】
１０２・・・ケース１、１０４・・・ケース２、１０６・・・ケース３、１０８・・・ケース４、１１０・・・ケース５、１１２・・・ケース６、１１４・・・ケース７、１１６・・・ケース８、２０２・・・強度、２０４・・・継続時間、３０２・・・面粗さ、３０４・・・取り代、３０６・・・平均表面レベル、４０２・・・表面処理を行ったサンプル、４０４・・・表面処理を行っていないサンプル、５０２・・・ショットメディア容器、５０４・・・ショットメディア、５０６・・・加速器、５０８・・・工作物、５１０・・・有向メディア、５１２・・・演算装置、５１４・・・プロセッサ、５１６・・・コンピュータ可読媒体、５１８・・・Ｉ／Ｏ装置、５２０・・・制御アプリケーション。
【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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【図７】
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