研 究 ノート

非調質鋼への微粒子ピーニング適用効果
黒 澤 和 芳 *1 、 河 原 良 尚 * 1 、 土 井 昭 典 * 1

Effect of Micro-particle Shot Peening on Microalloyed Steels
Kazuyoshi KUROSAWA, Yoshihisa KAWAHARA and Akinori DOI
Industrial Technology Division,AITEC * １
機械構造用として用いられる鉄鋼は、総てにおいて所定の形状に加工された後熱処理を行って実用に供
さ れ て い る 。 熱 処 理 を 施 す こ と に よ り 数 倍 の 強 度 と 耐 久 性 を 付 与 す る た め で あ る 。 し か し 、 高 熱 （ 800℃以上）による変形の問題が生じ、また、エネルギーも大量に消費している。最近、特定ユーザーに限定されるが、この熱処理を省略可能な材料、非調質鋼が用いられるようになってきた。ここでは、この非調質鋼に対し、微粒子ピーニングを施し、その疲労強度が向上することを確認した。

１．はじめに

本研究では、一般に用いられていない非調質鋼に対し、従来の機械構造用部品の多くは素材である棒鋼や線微粒子ピーニングを施し、その疲労特性の改善に寄与す材を 1200℃以上に加熱して熱間鍛造し、部品の形状に成るかを検討した。

２．実験方法形した後、調質処理（焼入れ焼戻し）を施し、組織を焼き戻しマルテンサイトあるいはソルバイトとして強度を2.1 供試材与えて使用している。しかし、炭素鋼にVやNbを添加して機械構造用炭素鋼 S45C および S40C 並びにそれに相当鍛造後の冷却時に調質と同等の組織変化を起こさせ、調する非調質鋼（M45 および M40 と呼ぶ）について微粒子質処理を省略することを可能にした鋼が開発された 1) 。

ピーニングの効果を検討した。供試材の化学組成を表１

初期の非調質鋼は、調質鋼と比較して靱性が低いため、に示す。なお、非調質鋼について表に示す元素以外の成高い靱性を必要とする足廻り部品への適用は見送られて分について詳細は不明である。写真１に S45C および M45

きた。その後、非調質鋼の高靱性化が研究開発され２）、また、組織もフェライト・パーライト型からベイナイトの組織を示す。組織的には大きな違いはないが非調質鋼の方が細かい組織になっている。

型へと発展し、最近では車輪駆動関係部品にも適用されるようになってきた ３） 。

表１

さらに、最近では被削性を向上させた非調質快削鋼も供試材の化学組成（wt％）
その他

CSiMn

開発された ４） 。熱処理を必要としない非調質鋼は、省エ

S40C

0.400.250.60

ネルギーなど環境対応型材料といえる。しかし、この材

S45C

0.450.250.60

料は靱性など動的応力に対する機械的性質に不安があり、

M400.400.250.75

希土類元素微量添加

一般に使用されてはいないが、特定ユーザー向けに出荷

M450.450.250.75

希土類元素微量添加されている。しかし、最近になって、各特殊鋼メーカーから靱性を大幅に改善した非調質快削鋼を開発し発表している ５） 。ところで、筆者らは、アルミニウム合金に対して微粒子ピーニングを施し、疲労特性が向上することを報告した ６、７） 。また、浸炭鋼に対しても同様の効果を確認した ８）。微粒子ピーニングは金属材料の表面に作200μm用し、結果として圧縮残留応力を示すことが多い。表面の圧縮残留応力は疲労特性の向上につながることはよく

S45C知られている。

写真１*1 工業技術部

加工技術室

M45
S45C および M45 の組織

省エネルギーにも寄与できると考えられる。

2.2 微粒子ピーニング
予めそれぞれの試料について微粒子ピーニングを施し

写真２に M40 の疲労試験後の破面を示す。通常、疲労て残留応力を測定し、疲労試験を行う試料の微粒子ピー試験機による破面においては微細でピッチの均一なストニング条件を検討した。未処理のものは表面の残留応力

ライエーションが観察されるが、今回の場合ストライエが−270MPa であるのに対し、噴射圧力を 0.2〜0.6MPa とーションのうねりが見られ、必ずしも均一な負荷になっしたときの表面の残留応力は−610〜−640MPa であり、ていないことが分かる。これは試験片の加工精度が必ず噴射圧力 0.2MPa 以上で飽和し、表面の圧縮残留応力は最しもよくなかったことを示しており、今後の研究におい大となることが分かった。また、噴射時間を 5〜120ｓとてさらにこれら問題を追求することを考えている。

して残留応力を測定したところ、−600〜−710MPa とな果を踏まえ、今回の実験では 30s 噴射することとした。
次に、深さ方向の残留応力の変化について図１に示す。
約 25μm まで圧縮残留応力の増加が認められた。微粒子
ピーニングにおいては、粒子の衝突エネルギーについては上限があり、25μm がほぼ限界であると考えられる。
0700
6005004003002001000

処理前
処理後

2-100
残留応力（ＭＰａ）

荷重 (ＭＰａ)り、5 秒以上でほぼ最大となることが分かった。その結34567繰返し数 Ｎ-200

図２-300

M40 の疲労試験結果

-400
処理前
処理後

-500-600-700
020406080100

表面からの距離（μｍ）

図１10μm

M40 における微粒子ピーニングの深さ方向の残留応力分布

写真２

疲労試験後の破面

３．実験結果及び考察

４.結び

小野式回転曲げ疲労試験を未処理の S40C、S45C、M40、S40C 相当の非調質鋼即ち M40 において S40C、微粒子ピM45 および微粒子ピーニングを施した M40、M45 についてーニングにより疲労強度が飛躍的に向上した。これが未行った。M40 の疲労試験結果を図２に示す。S40C の疲労変態の組織の分解によるものかどうか判断が難しいが、強度は 333MPa であったが、それに相当する非調質鋼では表面性状が改善されたことは間違いない。

284MPa と低い結果を得た。これに微粒子ピ−ニングを施本研究の結果から、現在は一般に市販されていない非すと図２に見られるように疲労強度は 382MPa と飛躍的調質鋼について多種多様な用途に応用し、省資源省エネに向上した。

ルギーを図ることが可能になるかもしれない。当該鋼が、また、図示していないが、S45C においては、255MPaと低いが、それに相当する非調質鋼では 353MPa であり、今後一般にも用いられる可能性がある。

文献

微粒子ピーニングによって 372MPa と向上した。この材料

1)近藤信行ほか：川崎製鉄技報，16(3)，51(1984)

は炭素量が多く、切欠きに敏感であることから、試験片

2)井上幸一郎、中村貞行：電気製鋼，67(1)，56(1996)の加工精度特に表面粗さの影響を受けたためと考えられ

3)高田啓督、子安善郎：金属，65(3)，199(1995)

る。疲労強度の向上は微粒子ピーニングにより未変態の

4)橋村雅之ほか：新日鉄技報，(378)，68(2003)

組織がマルテンサイト化あるいは残留オーステナイトが5)例えば、非調質強靱鋼：大同特殊鋼技術資料 No.SD8301

分解したためと考えられる。今回の場合、S40C 相当の非

6)片岡泰弘：表面技術，52(2)，191(2001)

調質鋼 M40 に未変態の組織が多くあったと推測される。

7)黒沢和芳：熱処理，42(4)，217(2002)

S40C 相当の非調質鋼 M40 材料において飛躍的に疲労強度が改善されたことから、非調質鋼の応用が可能になり、

8)例えば、片岡泰弘、黒澤和芳、来川保紀：愛知県産業技術研究所報告，1，5(2002)

*1 工業技術部

加工技術室