(57)【要約】【課題】  本発明は、ショットピーニングを施した後、窒化、硬質被覆などの表面処理を施した金型、各種部品の表面改質方法を提供する。【解決手段】  金型および各種部品の表面に、粒径が１０〜５００μｍで、硬度が５００〜２０００ＨＶで、形状が球形状で、密度が５〜２０ｇ／ｃｍ3 である投射材を５０ｍ／ｓｅｃ以上の速度で投射後、窒化を施す金型および各種部品の表面改質方法。また、上記投射材用母材は投射前に４００ＨＶ以上の硬さを有し、窒化前後の内部硬さ変化が１５０ＨＶ以下の軟化抵抗性を有すること。さらに、上記方法において、窒化前にショットピーニングした後、２００〜５００℃で３０時間以下の窒化処理を施す金型および各種部品の表面改質方法。【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
金型および各種部品の表面に、粒径１０〜５００μｍで、硬度が５００〜２０００ＨＶで、形状が球形状で、密度が５〜２０ｇ／ｃｍ3 である投射材を５０ｍ／ｓｅｃ以上の速度で投射後、窒化を施すことを特徴とする金型および各種部品の表面改質方法。
【請求項２】
請求項１に記載の投射材用母材は投射前に４００ＨＶ以上の硬さを有し、窒化前後の内部硬さ変化が１５０ＨＶ以下の軟化抵抗性を有する鋼を特徴とする金型および各種部品の表面改質方法。
【請求項３】
請求項１に記載の窒化前にショットピーニングした後、２００〜５００℃で３０時間以下の窒化処理を施すことを特徴とすることを特徴とする金型および各種部品の表面改質方法。
【請求項４】
請求項３に記載の窒化処理後に、硬質被覆することを特徴とする金型および各種部品の表面改質方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ショットピーニングを施した後、窒化、硬質被覆などの表面処理を施した金型、各種部品の表面改質方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、金型表面の機械的性質を向上させることを目的として、焼入れ、焼き戻しの熱処理や、投射材を投射するショットピーニング処理が行われている。特に、このショットピーニング処理は金型、各種部品の耐久性向上を目的として適用される。表面粗さをできるだけ小さく、かつ表面に高硬度、高圧縮残留応力を付与するため、鋼、超硬、アモルファスなどを投射材とした高速微細ショットピーニングが提案されている。また、窒化後にショットを施すことでさらにその効果を高める方法や、耐酸化性の付与、摩擦係数の低下を目的として、機能物質を含む投射材を用いることなども提案されている。
【０００３】
例えば、特公平２−１７６０７号公報（特許文献１）は、金属成品の表面に、成品硬度と同等以上の硬度を有する４０〜２００μｍのショットを噴射速度１００ｍ／ｓｅｃ以上で噴射し、表面付近の温度をＡ3 変態点以上に上昇させる金属成品の表面加工熱処理法が提案されている。また、特開平１０−１０００６９号公報（特許文献２）には、複数段のショットピーニングのうち、少なくとも１段を、粒径が３０〜２５０μｍで硬度が８００ＨＶ〜２０００ＨＶで概ね球形状で密度が１１〜２０ｇ／ｃｍ3 である投射材を投射するショットピーニング方法が提案されている。
【０００４】
また、特開平１０−２１７１２２号公報（特許文献３）には、金型のピーニング表面粗さを極小にするために、熱処理した金型の表面に対して、硬度が熱処理後の金型表面の硬度の８０〜１６０％であり、かつ粒子径が３０〜１５０μｍであるほぼ球径の投射材を、速度２０〜１５０ｍ／ｓで投射する金型表面の処理方法が提案されている。
【０００５】
また、特開２０００−２３９７４１号公報（特許文献４）には、ばねの表層を窒化処理する工程と窒化処理されたばねの表面へ、硬さＨｖ６００以上、かつ、窒化処理されたばねの最表層硬さと同程度又はそれ以下の硬さを有する、比重が７．５〜９．０、粒径が２０〜１００μｍの硬質金属粒子を、７０〜２００ｍ／ｓｅｃの衝突速度であって、かつ、衝突によるばね表面窒化層の鉄地の瞬間的昇温限界を、窒素原子による歪時効と加工硬化を起こさせるが、ばね表面層の回復再結晶による軟化が起こるよりは低温に制御しつつ投射するばねの表面処理方法が提案されている。
【０００６】
また、特開２００３−１９１１６６号公報（特許文献５）には、金型材料に対して高硬度かつ低ヤング率のアモルファス投射材によりショットピーニングする鋳型寿命を改善する方法が提案されている。また、特開２００２−３３９０８３号公報（特許文献６）には、平均粒子径約１μｍ〜約２０μｍの二硫化モリブデンを約９５重量％以上含有してなる二硫化モリブデン投射用材料が提案されている。
【０００７】
さらに、特開２００５−２９８８７８号公報（特許文献７）には、鋼上に耐酸化性に優れた保護被膜を形成する金属の粉末、またはこの金属を含む合金の粉末、またはこれらの混合体をショット材としてショットピーニング処理を行ない、これらの粉末成分を鋼上に付着させた後に、空気中あるいは低酸素雰囲気中で予備酸化処理を行ない、鋼表面に酸化物の保護被膜を形成させる鋼の表面処理方法が提案されている
【０００８】
【特許文献１】特公平２−１７６０７号公報
【特許文献２】特開平１０−１０００６９号公報
【特許文献３】特開平１０−２１７１２２号公報
【特許文献４】特開２０００−２３９７４１号公報
【特許文献５】特開２００３−１９１１６６号公報
【特許文献６】特開２００２−３３９０８３号公報
【特許文献７】特開２００５−２９８８７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述したように、各引用文献にも開示されているように、ショットピーニング単一処理で耐久性向上、機能性の付与に多大な効果を発揮しているが、他表面処理と複合させることによる相乗効果を得るには至っていない。また、耐久性向上を目的としてショットピーニング、窒化、硬質被覆が施されるが、期待した効果が得られないことも多い。しかしながら、表面改質方法には一長一短があり、用途に応じた選定が難しく、幅広い用途に適用できる表面改質法が望まれてきた。
【００１０】
いずれにしても、ショットピーニングは古くから用いられている表面改質法であることは間違いなく、表面の圧縮残留応力の発生に伴う表面の加工硬化、疲労強度の増加といった効果がある一方で、処理による表面粗さの低下、改質層が浅い、使用中の温度上昇にともなう効果消失などの課題があった。しかも、最近、微細投射材を高速で投射する方法などが提案され表面粗さの低下が抑制されるようになってきたが、本質的に他の課題を解決することは難しい。窒化も同様に古くから用いられている表面改質法であり、窒素を過剰に侵入させることにより、ショットピーニングとほぼ同等の効果を狙ったものである。この方法では、窒素を利用することで、様々な特性を有する窒化層を生成させることができるが、窒素の侵入にともなう炭素濃縮相の生成により窒化層の靭性が低下するという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述したような問題を解消するために、発明者らは鋭意窒化における炭素濃縮相の生成を抑制する方法を検討した結果、窒化前にショットピーニングを施しておくことで、炭素濃縮相の生成を抑制できることを見出した。靭性に優れた窒化には、低温長時間窒化が知られていたが、その効果は充分ではなく、長時間処理を必要とするため不経済であった。ショットを施しておくことで、短時間窒化が可能になる。また、これらの改質層に硬質被覆することで更なる耐久性の向上が得られる金型および家電・情報機器の耐摩耗部品、自動車用エンジン・足回りの各種の耐摩耗部品の表面改質方法を提供することにある。
【００１２】
その発明の要旨とするところは、
（１）金型および各種部品の表面に、粒径１０〜５００μｍで、硬度が５００〜２０００ＨＶで、形状が球形状で、密度が５〜２０ｇ／ｃｍ3 である投射材を５０ｍ／ｓｅｃ以上の速度で投射後、窒化を施すことを特徴とする金型および各種部品の表面改質方法。
（２）前記（１）に記載の投射材用母材は投射前に４００ＨＶ以上の硬さを有し、窒化前後の内部硬さ変化が１５０ＨＶ以下の軟化抵抗性を有する鋼を特徴とする金型および各種部品の表面改質方法。
【００１３】
（３）前記（１）に記載の窒化前にショットピーニングした後、２００〜５００℃で３０時間以下の窒化処理を施すことを特徴とすることを特徴とする金型および各種部品の表面改質方法。
（４）前記（３）に記載の窒化処理後に、硬質被覆することを特徴とする金型および各種部品の表面改質方法にある。
【発明の効果】
【００１４】
以上述べたように、本発明によるショットピーニングを施した後、窒化、硬質被覆などの表面処理を施した金型、各種部品の耐久性を向上させる極めて優れた効果を奏するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明について詳細に説明する。
本発明に係る粒径１０〜５００μｍ、硬度５００〜２０００ＨＶ、球形状、密度５〜２０ｇ／ｃｍ3 のショット材に限定した理由は、投射材の粒径が１０μｍ未満と小さすぎると投射エネルギーを材料表面に与えることができず、また、投射材の粒径が５００μｍを超えると表面粗さが高くなることから、その範囲を１０〜５００μｍとした。好ましくは５０〜４００μｍとする。
【００１６】
また、硬度については、硬度５００ＨＶ未満であると、材料表面にエネルギーを十分に与えることができず、また、２０００ＨＶを超えると、投射材自体の割れが生じ、耐久性が低くなることから、その範囲を５００〜２０００ＨＶとした。好ましくは８００〜１５００ＨＶとする。さらに、形状については、表面粗さと投射エネルギーの両面から球形状が望ましい。さらに、投射材としては、スチールショット、鋳鋼ショット、超硬ショット等の炭素鋼、合金鋼、高速度鋼や超硬合金およびアルミナショット、ジルコニアショット等の非鉄金属ないしはその合金等をいう。
【００１７】
さらに、密度５〜２０ｇ／ｃｍ3 とした理由は、密度５ｇ／ｃｍ3 未満では密度は小さすぎて投射エネルギーを材料表面に与えることができず、また、密度２０ｇ／ｃｍ3 を超えると、所定の投射速度が得られなくなることから、その範囲を５〜２０とした。好ましくは８〜１５とする。
また、投射速度は材料表面に投射エネルギーを付与する上で５０ｍ／ｓｅｃ以上、望ましくは１００ｍ／ｓｅｃ以上が必要となる。
【００１８】
また、単に窒化するよりも、ショットによって与えられるひずみの効果によって窒素の拡散が促進され、短時間での処理が可能になる。また、通常の窒化では窒素の侵入により押し出された炭素が炭素濃縮相を生成し、靭性の低下原因となるが、ショットを施しておくと、押し出された炭素は内部へスムーズに拡散し、炭素濃縮相の生成が抑制されることにより窒化層の靭性が向上する。他に炭素濃縮相の生成を抑制する方法としては、低温長時間の窒化があるが、不経済である上効果も充分でない。
【００１９】
次に、投射材用母材は投射前に４００ＨＶ以上の硬さを有し、かつ、窒化前後の内部硬さ変化が１５０ＨＶ以下の軟化抵抗性を有する鋼とした理由は、母材の初期硬さが４００ＨＶ未満では、ショットによりひずみを与えることが難しい。また、ショット時に母材の変形が生じやすい。窒化時に内部硬さが１５０ＨＶ未満に低下する母材では、ひずみ緩和効果が生じショットの効果が消失する。好ましくは、投射前の硬さは５００ＨＶ以上、窒化前後の内部硬さは１２０ＨＶ以下とする。
【００２０】
さらに、窒化前にショットピーニングした後、２００〜５００℃で３０ｈ以下の窒化処理を施す理由は、２００℃未満ではショットにより導入されたひずみを利用した拡散効果が得られず、５００℃を超えるとショットピーニングの効果が熱影響により消失することから、その範囲を２００〜５００℃とした。好ましくは３００〜４００℃とする。
【００２１】
また、ショットと低温短時間窒化を組み合わせることにより、長時間窒化を必要とすることなく窒化による炭素濃縮相の生成を抑制する。その時間を３０時間以下とする。好ましくは２０時間以下とする。その窒化処理後に、さらに硬質被覆を組み合わせることにより、さらに耐久性を向上させることができる。硬質被覆としては、例えば、ＣｒＮ、ＴｉＮ、ＤＬＣなどがある。
【実施例】
【００２２】
以下、本発明について実施例によって具体的に説明する。
表１に示す各種成分組成をもつ供試材を用いて、表２に示すような各平均粒径、硬度、密度、投射速度の条件で行った。その時の炭素濃縮相の生成確認については、ＧＤＯＥＳ、ＥＰＭＡのラインプロファイルにより有無を確認した。その際にショットピーニング無しとの寿命比は、鋼Ｎｏ．１を使用して、回転曲げ疲労試験はショットピーニング無しの窒化材の１０００ＭＰａにおける疲労寿命を１とした時の比をもってを示す。また、表３に示す窒化処理は４時間保持、窒素：水素＝１：１なる条件で行ない、金型テストは外径φ８０、内径φ４０のダイスの割れ発生までの寿命をもって表す。
【００２３】
【表１】
2007253282.tif 000002
【００２４】
【表２】
2007253282.tif 000003
【００２５】
【表３】
2007253282.tif 000004
【００２６】
表に示すように、Ｎｏ．１〜１２は本発明例であり、Ｎｏ．１３〜１６は比較例である。比較例Ｎｏ．１３は投射材の粒径が小さく、かつ炭素濃縮相の生成が有るために疲労寿命が短い。比較例Ｎｏ．１４は投射材の密度が小さく、かつ炭素濃縮相の生成が有るために疲労寿命が短い。比較例Ｎｏ．１５は投射速度が遅く、かつ炭素濃縮相の生成が有るために疲労寿命が短い。比較例Ｎｏ．１６は投射材の硬度が低く、かつ炭素濃縮相の生成が有るために疲労寿命が短いことが分かる。これに対し、本発明例であるＮｏ．１〜１２はいずれも本発明の条件を満たしていることから疲労寿命の向上を図ることが出来た。
【００２７】
また、表３に示すように、Ｎｏ．１〜７は本発明例であり、Ｎｏ．８〜１３は比較例である。比較例Ｎｏ．８は窒化温度が高く、窒化前後の内部硬さ変化が大きく、かつ炭素濃縮相の生成が有るために金型テストによるダイスの割れ発生までの寿命が短い。比較例Ｎｏ．９は初期硬さが低く、かつ炭素濃縮相の生成が有るために金型テストによるダイスの割れ発生までの寿命が短い。比較例Ｎｏ．１０は窒化温度が高く、かつ炭素濃縮相の生成が有るために金型テストによるダイスの割れ発生までの寿命が短い。
【００２８】
比較例Ｎｏ．１１は窒化温度が低く、かつ炭素濃縮相の生成が有るために金型テストによるダイスの割れ発生までの寿命が短い。比較例Ｎｏ．１２は初期硬さが低く、窒化温度が低く、かつ炭素濃縮相の生成が有るために金型テストによるダイスの割れ発生までの寿命が短い。比較例Ｎｏ．１３は窒化前後の内部硬さ変化が大きく、かつ炭素濃縮相の生成が有るために金型テストによるダイスの割れ発生までの寿命が短いことが分かる。これに対し、本発明例Ｎｏ．１〜７はいずれも本発明の条件を満たしていることから金型テストによるダイスの割れ発生までの寿命の長いことがわかる。
【００２９】
以上のように、窒化前にショットピーニングを施しておくことで、炭素濃縮相の抑制を図ることができ、窒化層の靱性の低下を防止することが可能となり、しかも、ショットピーニングを施しておくことで、短時間窒化が可能になり、併せて改質層に硬質被覆することで更なる耐久性の向上を図ることが可能となる極めて優れた効果を奏するものである。
特許出願人  山陽特殊製鋼株式会社
代理人  弁理士    椎  名    彊