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10A1

Vol.

June/2006■ 寄稿・論文・報文・解説

マテリアル事業
マシニング
機能部品「微粒子の高速衝突を利用した表面創製の動向」
Trends of Surface Creation Using
High Velocity Impact Phenomenaof Fine Particles〈キーワード〉

表面創製・微粒子衝突・真空浸炭材・耐疲労特性・合金工具鋼・クレーター・摺動特性・珪酸ガラス・表面粗さ・形状・位置精度

中部大学工学部

加 賀 谷 忠 治 Chuji Kagaya

「微粒子の高速衝突を利用した表面創製の動向」

機械要素や構造物部品は、力学的な表面損傷

1. 微粒子衝突法の方法と特徴や化学的な表面損傷によって、表面層の材質劣化微粒子衝突法（Fine Particle Bombarding Process：や有効断面積の減少が起こり、これが破壊の原因きわめて利便性の高い特異な国産技術
FPB）は、となることが少なくない。
したがって、これらの部品やである 。これは表1に示すように、従来のショットピー要素の表面を改質して、耐疲労性、耐摩耗性などニングに比べて、格段に小さい金属・非金属微粒子の機能性を付与するために、様々な表面処理法がを用いること、微粒子の投射速度が著しく高いこと、実用化されている。

およびアークハイト（加工度）がきわめて小さいことを要

旨

近年、省エネルギー、省資源、低コストおよび高品1）特徴としている。

質化などに対する要求が強まるにつれ、微粒子のその方法はエアーノズル式噴射装置により、微粒高速衝突を利用した表面創製法（FPB）が注目され子を圧縮空気で加速し、150m/s以上の速度で、材てきた。

料の表面に衝突させることにより、高機能化を図る

本稿では、微粒子衝突法の概要とその適用事例について紹介する。

Abstract

ものである。通常使用される微粒子を主な用途に大別したものを図1に示す。高硬度微粒子はクレーター・表面形状とひずみ硬化、変態、圧縮残留応力層など、また、軟質微粒子は被膜形成による機能性表面の創製に用いられる。

Commonly due to mechanical and chemical
surface damage on the machine elements andstructural parts, the surface layer quality of
those can deteriorate and decrease the effective cross sectional area, resulting in fracture.
Therefore, these parts and elements have been
improved on the surface to achieve high performance such as wear and fatigue resistance avariety of surface treatment strategies to practical use.
Due to increased demand for improvements inenergy conservation, resource conservation,
cost reduction and surface qualify in recentyears, the surface creation technology using
high velocity impact phenomena of fine particles（FPB）has attracted the attention of manyengineers.
In this paper, the outline of FPB process is described, and some applied results are reported.

CraterCoatBlast

図11

金属・非金属微細粒子

表1

微粒子衝突法と従来法との比較

Conventional shot peening

Hard shot peening

Fine Particle Bombarding

Tank

Shot

Fine particle

Ejection Type

Tank

Compressed Air
Fine particle

Compressed Air（Suction）

Impeller type
Shot orFineparticle

Air nozzle type（Direct Pressure）

MaterialSteel（Cut wire）, Cast iron, Cast steel, Glass

Diameter

0.3〜2.8mm

0.01〜0.1mm

430〜480HVHardness

Steel. High speed steel, Ceramics

560〜700HV

750〜1000HV

30〜70m/s

90〜100m/s

150〜200m/s

Arecheightunder 0.5mmA

0.6〜1.0mmA

0.003〜0.1mmA

Surface hardening

Work hardening

VelocityWork hardening･Transformation

Peak point ofcompressive residual stress

Surface from inside

Surface or its neighborhood

Surface roughness

large〜mediumsmall

2. 微粒子衝突による真空浸炭処理鋼の疲労特性の向上

2）

真空浸炭法は、一般的なガス浸炭法に比べて、使用した材料は機械構造用鋼SCM415の丸棒短時間で高品質の浸炭層が得られること、CO 2 排材(φ16mm)である。これを、図2に示す形状・寸法出量がきわめて少ないことなど、環境にやさしい次の平滑および切欠き試験片に加工した後、真空浸3）世代の浸炭法として注目されている 。
ここでは、真空浸炭処理した鋼の疲労特性におよぼす微粒子衝突処理の影響について述べる。

ヒートサイクルを図3に示す。
炭処理を施した。と、
こ疲労試験には真空浸炭のままのもの（VC）れに微粒子衝突を施したもの（VCF）の2種類を用スチーいた。微粒子の投射条件は表2に示したが、ルとセラミックスによる2段処理である。

（a）平滑試験片

図3

真空浸炭処理のヒートサイクル

表2
Material of Particle（b）切欠き試験片（α=1.78）

図2

疲労試験片の形状・寸法（mm）

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微粒子の投射条件
Primary

Secondary

SteelCeramicParticle diameter

55μm

52μm

Particle hardness

750HV

1000HV

Ejection velocity

200m/s200m/sBombarding time

15rpm-20s

15rpm-20sCoverage

500%

500%

Archeight

0.17mmN

0.10mmN

2

「微粒子の高速衝突を利用した表面創製の動向」（a）VC（b）VCF

図4

断面組織
図7

平滑試験片のS-N線図

平滑試験片の回転曲げに対する疲労試験結果を図7に示す。VC材のS-N関係は負荷応力の低下
6につれて繰返し数が増加し、N=10 付近で水平になる。破壊形態はすべて表面起点形であった。これには表面の残留オーステナイトや表面付近の欠陥の影響が考えられる。一方、VCF材の場合は負荷応力に依存して破壊起点が表面から内部（f記号）
図5 マイクロビッカース硬度分布に遷移し、疲労寿命は延伸したが、疲労限度の向上はほとんど認められない。
6）7）

図4は、平滑試験片の断面組織を示したものであ

しかし、高強度鋼 や浸炭処理した鋼 においては、る。VC材にはガス浸炭処理で生成される粒界酸化10 〜10 以上の超寿命域でも水平部が現れず、疲

4）や浸炭異常層 などはみられない。一方、VCF材で78労限度が定まらない場合がある。

は表面から約10μmの深さにわたって、エッチングさ破壊起点域の疲労破面の例を図8に示す。VCれにくい組織が現われ、微粒子衝突による組織変（a）に起因した破材の場合は試験片表面のすべり化が認められる。マイクロビッカースによる硬度分布壊がほとんどであるが、中には表面付近の欠陥によを図5に示す。

るもの（b）もみられた。また、VCF材では高応力側の図5で示す通り、表面硬度はVC材が約900HVで3点が表面付近の介在物によると思われるもの（c）、あるが、VCF材ではそれより約40%上昇した。X線法

それ 以 外は 内 部 の非 金 属 介 在 物を起 点としたにより表面の残留オーステナイト量を測定したところ、Fish-eye破壊（d）であり、Fish-eyeが試験片表面にVC材のγR量は約15vol/％であったが、VCF材ではこれらの介在接する前に破断に至っている。なお、したがって、約1vol/%に減少していることがわかった。

物の試験片表面からの距離は0.7〜0.9mmであった。

微粒子衝突により、ひずみ誘起マルテンサイト変態

したがって、微粒子衝突により表面が強化されたため、を生じて、高硬度を呈したものと考えられる。

応力勾配に起因して全硬化層深さ付近の硬度や図6には、試験片を局部的に順次電解研摩して、残留応力の低い内部にある介在物が起点になる場

X線法により求めた表面から深さ方向における、残合には、疲労強度はあまり向上しないことがわかった。

留応力分布を示した。表面の残留応力はVC材がそこで、図2（ b）に示す半円形の円周溝をもつ切欠−3 0 0 M P a 程 度であるのに対して、V C F 材は約き試験片を用いて両者の疲労強度を比較した。

−1600MPaの大きな圧縮残留応力を生じ、その分5）布状態は表面で最大となるC形である 。

切欠き試験片に対するS-N曲線を図9に示す。図から疲労限度を求めると、VC材が470MPaとなるのに対して、VCF材の場合は710MPaとなり、VC材に比較して約1.5倍と著しく向上した。また、時間強度も同様に向上し、破壊形態は両者ともすべて表面起点形であった。これは、切欠き底では応力が著しく狭い領域に集中するので、その領域に表面欠陥などの存在する確率が小さくなり、微粒子衝突の効8）果が発現されたためと考えられる 。
図63残留応力分布

（a）VC
Nf=1.79×104
σ=800MPa（b）VC
Nf=2.44×105
σ=700MPa

図8（c）VCF
Nf=2.48×104
σ=950MPa（d）VCF
Nf=5.95×106
σ=670MPa

疲労破面以上のことから、微粒子衝突処理による疲労強度の向上が切欠き試験片において顕著になるのは、破壊起点が高硬度、高圧縮残留応力を有する表

図9

切欠き試験片のS-N曲線（α=1.78）

面になるためである。

3. クレーター創製による摺動特性の改善
機械の高効率化、高性能化を図るため、表面形

図11には，微粒子衝突によって創製した表面形状と表面層の創製による摺動特性の改善について状を示す。表面粗さは、（a）のF300材が3.64μmRｙ、検討した。供試材は、調質した合金工具鋼SKD11（b）のF150材が9.23μmRyとなり、後者において大（700HV）で、試験片の直径は6.35mmである。表これらの断面きなクレーターが形成されている。また、面は、心無し研削によって0.7μmRyに仕上げた。そ組織には約10μm（F300）および約20μm（F150）の後、表面には高速度鋼＃300とセラミックス＃300の組織変化層が観察され、表面硬度はそれぞれ約（F300）、および高速度鋼＃150とセラミックス＃300

800HV、約850HVであった。

（F150）の微粒子衝突を施し、クレーターを創製した。

残留応力分布は、図12に示したように、表面ではを用いた。
相手材のVブロックにはSKD11（750HV）

両 者とも約−1 2 0 0 M P aであるが、深さ方 向ではファレックス型摩擦摩耗試験機（図10）に実験は、F150材の方が深い分布を呈した。
したがって、表面より潤滑下（M-3 TURBO）で行なった。

9）

性状は微粒子の投射条件に依存してかなり相違している。

図10 ファレックス型摩擦摩耗試験機の概要

図12（a）F300

図11

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残留応力分布（b）F150

創製表面の形状Vol.

10 A14

「微粒子の高速衝突を利用した表面創製の動向」（a）As ground（b）F300

図13

図14

摩擦トルクと摩擦時間の関係

図15

摩擦係数と摩擦時間の関係（c）F150

耐焼付き性評価

表面性状による耐焼付き性を図13に示す。図示のように、荷重を段階的に増加させると、摩擦トルクもそれにつれて増加するが、(a)の研削材に対する増加の度合は(b)、(c)のFPB材において大きく、特しにクレーターの大きい(c)のF150材が顕著である。
たがって、F150材の荷重とトルクはF300材に比較していずれも20%以上増加し、耐焼付き性が向上した。
これには表面のクレーターとその大きさ、表面層の硬このような現象を利用して、ピストンスカート事実、度や圧縮残留応力が寄与したことを示している。

部の摺動抵抗の低減を図った例 が図17である。

10）

次に、研削材およびF150材を対象に、定荷重下でセラミックス微粒子の衝突（40μm,0.44MPa）によるの試験を行ない、得られた摩擦トルク線図を図14にクレーターにより、2〜2.6%の大きな摩擦低減率が達示す。研削材の摩擦トルクは、定荷重454kgに達し成され、注目されている。に急激に上昇し、焼付きの様相を呈た直後（約1ks）

したがって、微細なクレーターは摺動部品の低摩した。これに対して、F150材では454kgに到達しても擦化および耐摩耗性の改善に対してきわめて効果上昇がみられず、ほぼ一定の摩擦トルクを保った後、的であり、幅広い展開が期待される。

3.6ks付近から次第に減少して低値に収束した。
これらの関係を、摩擦係数で示すと図15のようになる。研削材の摩擦係数は、定荷重下で約0.15を呈した後 急 増したのに対して、F 1 5 0 材の場 合は約それ以後は摩擦時間に3.6ksまでは約0.15であるが、つれて低下し、0.1以下の低い摩擦係数を維持した。
摩擦面の状態を示したのが図16である。(a)の研（a）As ground（2.2ks）

図16（b）F150（2.5ks）

摩擦面の状態

削材には摩耗条痕が観察され，著しい損傷が認められる。表面状態を表面の粗さでみると約12μmRyにしかし、F150材の場合には表面の突増加していた。
クレーターが残存し、表起部が摩耗しているものの、面状態はかなり平滑(約2μmRy)である。そして、摩擦時間が増加しても摩耗がほとんど進行しないことが分かった。
クレーターの創製により表面層がひず
このことは、み硬化するとともに、微細なクレーターが油溜りとなり、油膜の形成を容易にするため、摺動特性が著しく向上したものと考えられる。
5

図17 ピストンの摩擦低減例

4. 微粒子衝突による表面粗さ、形状および位置精度11）

微粒子衝突処理は一般に加工の最終段階で施

真円度の測定結果を図20に示す。図示のように、されることが多いので、処理による表面粗さや形状・購入品の場合は測定位置の間で最大0.6μmのば位置精度について調査した。ここでは、市販の硼珪らつきがみられる。これに対して、微粒子衝突を施し酸ガラス製注射筒を用い、その外観を図18に示した。

た場合には約1.5μmと大きくなるが、FPB前後の比これの内筒（φ12mm， 70mm）の表面にはセラミック

較では最大1μm以内の増加に留まっている。また、

ス微粒子による衝突処理を施した。アークハイトは円筒度および同軸度の場合は表3に示したように、0.03mmNである。

高い精度が維持されることがわかった。
プラズマディスプレイパネルの溝
これに関連して、
12）

ブラスト用加工の例 を図21に示す。この場合は、の微細なカーボランダムによるぜい性材料の高精度、高効率加工を実現させたものであり、微細・精密加工分野への展開が期待される。

図18

注射筒の外観

微粒子衝突の前後における内筒の表面状態と表面粗さの一例を図19に示す。購入品には円周方向に沿った線状あるいはむしれ状の条痕が観察され、これに微粒子衝表面粗さは約6μmRyである。一方、突を施した表面は無数のクレーターで覆われ、条痕図20などが消失している。粗さ曲線では表面が掘り起こ真円度の測定結果され、購入のものに比較して若干増加する傾向があるが、それは2μm以内に収まっている。

図19

表面状態と表面粗さ

図21 プラズマディスプレイパネルの加工例

表3

円筒度および同軸度の変化（μm）

Internal cylinder（No.1）

Internal cylinder（No.2）

Machinig
accuracy

As rec.

FPB

Diff.

As rec.

FPB

Diff.

Cylindericity

2.95

3.550.60

4.46

4.27

−0.19

Coaxiality

0.18

0.34

0.16

0.26

0.370.11

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10 A165.窒素ガスおよび軟質微細粒子を用いた微粒子衝突微粒子衝突法は、従来の技術ではみられない優
種々れた特性を最も簡単に付与することができるので、の分野でその応用が試みられている。
図22はアルミニウム合金板に窒素ガスでセラミック
ス微粒子を投射した例である。
（a）の断面におけるビッカース圧痕からも明らかなように、表面から約15μm（b）硬度分布にわたって硬化層が形成され、硬度分布（b）では、表面付近の硬度は空気で投射した場合に比較して（a）断面組織約50％高い。EPMA線分析（c）によれば、表面ではセラミックAlの減少とNの増加が認められる。これは、ス微粒子の衝突によりアルミニウムの表面温度が上13）し昇し 、窒素が内部に拡散したものと推察される。
たがって、微粒子衝突法は通常のひずみ硬化によ（c）Al・Nの濃度分布

図22

窒素ガスによる微粒子投射の例

る特性の改善に加えて、窒素ガスなどの使用によるさらなる特性向上の可能性を示唆するものである。
また、図23には軟質微粒子の衝突による被膜形インジウム、チタニウム等の成例を示した。銅、すず、軟質微粒子を150ｍ/sで投射すると、微粒子が材料これらの金属被膜の耐表面と容易に合体するので、Cu膜食性や潤滑性などの特性の利用が考えられる。

図23

6. まとめ
業的に重要な応用事例について概説した。本技術は、ものづくりにおける多様なニーズの高度化に不可欠なものであり、幅広く活用されることが期待される。
本稿が、表面創製による材料の高機能化あるいはこれか高付加価値製品の開発をめざしている方々、ら表面創製問題を取り扱おうとする方々にいささかなりともお役に立てれば幸いである。
最後に、本稿をまとめるに当たり、原稿や図表の整理に熱心な協力を得た、中部大学大学院工学研究科博士前期課程1年 佐越一将君に謝意を表します。

Vol.10 A1 June / 2006

被膜形成例

参考文献

微粒子の衝突による表面創製の方法や特徴、工NACHI-BUSINESS news

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ショットピーニング技術, 14-2(2002), 6-7.
12) 不二製作所カタログ
13) 前田 隼・江上 登・加賀谷忠治・井上宣之・竹下弘秋・伊藤健一：
日本機械学会論文集, 67-660, C(2001), 2700-2706.

行〉 2006年6月20日
株式会社 不二越 開発本部 開発企画部
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