喷丸硬化用抛射材料的制造方法

摘要

本发明以提供一种能够在控制材料成本的同时实现稳定的高硬度化的喷丸硬化用抛射材料的制造方法为课题。在抛射材料制造工序(S10)中，使用具有淬硬性的钢材作为材料，在淬火工序(S20)中形成通过水雾法进行了淬火处理的粒体(4)之后，在回火工序(S30)中将粒体(4)在加热炉(5)内以规定温度(130℃～230℃，更优选为160℃～230℃)、规定时间进行回火后，在加工硬化工序(S40)中通过用喷丸机(6)将粒体(4)向靶材(7)抛射、碰撞，从而实施向粒体(4)施加应力的加工硬化处理。

说明书

技术领域

本发明涉及一种喷丸硬化用抛射材料的制造方法。

背景技术

以前，为了提高部件的疲劳强度，例如为了提高齿轮、轴等汽车部 件的疲劳强度，向部件抛射硬质粒子而对部件表面施加残余压应力的喷 丸硬化处理技术广为人知。

近年来，随着汽车的车辆轻量化的需求，其部件也被要求小型化。 因此，有必要进一步提高部件的疲劳强度。所以，在喷丸硬化领域中强 烈需求制造更高硬度的抛射材料的技术。

另外，在喷丸硬化处理中，为了得到更稳定的质量保证，需要抛射 材料硬度的调整、管理技术。

例如，作为高硬度抛射材料，市场上销售有陶瓷、非晶金属、WC复 合金属等而加以利用，但是材料成本高，不实用。

另外，对属于提高成本比较低的钢材硬度技术的一例的淬火回火而言， 仅凭此对硬度的提高有限，很难保证充分的硬度。

以前，为了解决上述这样的课题，已知道专利文献1中公开的金属 弹丸材料的制造方法。在该方法中，通过对金属弹丸材料的表面喷射具 有与该材料硬度同等以上的硬度的弹丸进行碰撞，从而引起使金属弹丸 材料的表层附近变为高温的、局部的温度上升，升温至规定温度以上， 然后快速冷却，提高金属弹丸材料的疲劳强度。

根据该专利文献1中公开的方法，能够提高金属弹丸材料的表面硬 度。而且，在反复对金属弹丸材料抛射弹丸工序的过程中，通过使金属 弹丸材料升温到规定温度以上而产生淬火处理的效果，并且在比规定温 度低的情况等时产生对金属弹丸材料回火处理的效果。由此，金属弹丸 材料的韧性也能得到提高。

但是，这属于包含：反复进行将弹丸向金属弹丸材料喷射的工序时 偶然提高金属弹丸材料韧性的过程，其存在以下点的缺陷，即，不能充 分管理金属弹丸材料的全体的韧性，不适合金属弹丸材料稳定的量产管 理。另外，使用专利文献1等公开的技术的情况下，难以使用成本低的 材料实现充分的高硬度化。

专利文献1：日本特开平8-3633号公报

发明内容

本发明的课题在于提供一种喷丸硬化用抛射材料的制造方法，该制 造方法能够在控制材料成本的同时实现稳定的高硬度化。

技术方案1所述的方法是一种喷丸硬化用抛射材料的制造方法，用于 制造在喷丸硬化处理中使用的抛射材料，其特征在于，包含：将所述抛射 材料通过快速冷却进行淬火的淬火工序；将所述抛射材料在规定的回火温 度下进行回火的回火工序；对所述抛射材料施加应力进行加工硬化的加工 硬化工序，其中，使用钢作为所述抛射材料的材料。

技术方案2中，所述规定的回火温度优选设定在130℃～230℃的范围 内。

技术方案3中，所述规定的回火温度优选设定在160℃～230℃以下。

通过本发明，能在控制材料成本的同时实现稳定的高硬度化。通过 以下的参照附图的详细说明，本发明的上述以及其他特征及优点将更加 明确。

附图说明

图1是表示本发明的喷丸硬化用抛射材料的使用状态的图。

图2是表示本发明喷丸硬化用抛射材料制造工序的流程图。

图3是概略地表示本发明淬火工序的图。

图4是概略地表示本发明回火工序的图。

图5是概略地表示本发明加工硬化工序的图。

图6是表示在回火工序中改变回火温度时的、回火温度与回火工序 后的硬度以及加工硬化工序后的硬度之间的关系的图。

图7是表示使用根据本发明的喷丸硬化用抛射材料制造工序制造的 喷丸硬化用抛射材料以及对比用抛射材料进行喷丸硬化处理时对被抛 射材料施加的残余压应力值的图。

具体实施方式

以下，参照图1，对本发明涉及的喷丸硬化用抛射材料的实施方式 之一的喷丸硬化用抛射材料(以下称为“抛射材料”)进行说明。

抛射材料1是具有规定粒径的钢制弹丸材料。该抛射材料由喷丸机 2向靶部件3抛射，与靶部件3碰撞，向其表面施加残余压应力，从而 提高靶部件3的疲劳强度。

喷丸机2是通过压缩空气、旋转叶片的离心力等而将抛射材料1抛 射的装置，将抛射材料1以规定的速度向配置在离开有规定距离的靶部 件3抛射。

靶部件3，是在其表面通过喷丸机2将抛射材料1抛射并碰撞，从 而对该表面施加残余压应力的喷丸硬化处理的对象物。其例如为齿轮、 轴等汽车部件，但是并不限定于这些。

以下，参照图2～图5，对制造抛射材料1的抛射材料制造工序S10进 行说明。

如图2所示，抛射材料制造工序S10具有淬火工序S20、回火工序S30、 加工硬化工序S40。

如图3所示，淬火工序S20，是通过将作为抛射材料1材料的钢以 熔融的状态(熔融金属状态)向水中喷雾，从而得到具有规定直径的快 速冷却粒体的，使用所谓的水雾化法的热处理工序。

在淬火工序S20中，作为造粒材料使用具有淬硬性的钢。通过将该 钢材在熔融状态也就是奥氏体组织的状态下向水中喷雾，进行使其快速 冷却变成马氏体组织的所谓的淬火。经该淬火工序S20，使作为抛射材 料1材料的钢形成为具有规定粒径的粒体4，且因淬火变成硬度增大了 的状态。另外，通过该淬火工序S20，粒体4的韧性下降。

另外，淬火工序S20不限于使用水雾化法的工序，也可以是气体雾 化法、圆盘雾化法等使用熔融状态下的金属材料得到快速冷却粒体的工 序，只要是通过快速冷却进行淬火的工序即可。

如图4所示，回火工序S30是将在淬火工序S20中形成的粒体4在 加热炉5内加热规定时间，然后缓慢冷却的热处理工序。

在回火工序S30中，通过在可将炉内温度调整为恒定温度的加热炉 5内，将淬火后的粒体4在规定的温度(130℃～230℃，更加优选为160 ℃～230℃)下加热规定时间而进行回火。如此地通过在比较低温下回 火而创建淬火时未马氏体组织化而残留的奥氏体组织(残留奥氏体)回 火后仍残留的状态。另外，通过该回火工序S30，因淬火工序S20而下 降的粒体4的韧性得到提高。

并且，回火工序S30不限于在加热炉5内加热的工序，只要是在规 定的温度下进行回火的工序就可以。但是，从确保粒体4的韧性进而确 保抛射材料1的韧性并保证使用寿命的观点来看，优选在充分得到回火 效果的温度(130℃)以上的温度进行回火。

如图5所示，加工硬化工序S40是通过将回火工序S30中回火的粒 体4用喷丸机6以规定次数反复向靶材7抛射，从而提高粒体4的硬度 的加工处理工序。

在加工硬化工序S40中，通过用喷丸机6将回火后的粒体4在规定 的条件(规定速度、规定距离等)下向具有与粒体4同程度以上的硬度 的靶材7抛射，从而使粒体4与靶材7碰撞将粒体4的表面加工硬化。 这时，由于粒体4内的残留奥氏体因应力诱导进行马氏体化，所以粒体 4的硬度进一步提高。通过使该粒体4的抛射反复规定次数(或者是规 定时间)，得到充分加工硬化的粒体4。

并且，加工硬化工序S40的抛射条件(抛射速度、抛射距离等)可 根据粒体4的大小、质量等进行适当的变更。

另外，加工硬化工序S40并不限于用喷丸机6将粒体4向靶材7抛 射、碰撞而对粒体4施加冲击力的工序，只要是对粒体4施加规定的应 力使粒体4产生塑性变形使其硬化的工序即可。

将依次经上述的淬火工序S20→回火工序S30→加工硬化工序S40 得到的粒体4作为抛射材料，用于使用喷丸机2使粒体4向靶部件3抛 射、碰撞的喷丸硬化处理中。

如上所述，在抛射材料制造工序S10中，因为使用具有淬硬性的钢 作为材料，在淬火工序S20中形成通过水雾法实施了淬火处理的粒体4 后，在回火工序S30中将粒体4在加热炉5内以规定温度进行规定时间 的回火，在加工硬化工序S40中用喷丸机6使粒体4向靶材7抛射、碰 撞，从而对粒体4施加应力引起塑性变形使其加工硬化，所以能够在控 制抛射材料1的材料的成本的同时实现稳定的高硬度化。

另外，通过将加工硬化工序S40中充分实施了加工硬化处理的抛射 材料1用于喷丸硬化处理，从而能够进行抑制了喷丸硬化处理中的抛射 材料1的硬度变化的、质量稳定的喷丸硬化处理。

以下，参照图6，对在回火工序S30中改变回火温度时的粒体4的 硬度变化的变迁进行说明。另外，在图6中，横轴表示回火温度(℃)， 纵轴表示硬度(Hv)。

图6是表示在回火工序S30中改变回火温度时的回火温度T与回火 处理后的粒体4的硬度H1以及加工硬化处理后的粒体4的硬度H2之 间的关系，更具体而言是表示对于经不同回火温度T下的回火处理的检 测体B1～B5实施与加工硬化工序S40相同的加工硬化处理，使用适当 的测定装置对回火处理后的硬度H1和加工硬化处理后的硬度H2进行 测定的结果。

以下，表示对检测体B1～B5实施的一系列的处理。

对于全部的检测体B1～B5，使用由水雾化法造粒的平均粒径70μm 的钢制粒体实施了淬火处理。

根据检测体改变回火温度(B1：150℃、B2：180℃、B3：230℃、 B4：250℃、B5：290℃)，实施了回火处理。

对于全部检测体B1～B5，使用空压式的喷丸机实施适当的加工硬化 处理。另外，将当时的抛射条件设定成：空气压：0.12Mpa、空气流量： 1.3m³/min、抛射材料重量：2.2kg/min、靶材材质：SK3淬火、抛射距 离：15mm。

如图6所示，通过在回火处理后进行加工硬化处理而提高了全部检测 体B1～B5的硬度。这是因为由于对检测体B1～B5施加应力而产生了塑性 变形进行硬化，再加之回火处理时的检测体B1～B5的残留奥氏体在加工硬 化处理时因应力诱导进行马氏体化而造成的。

另外，如图6所示，在以往的回火温度区域内(250℃～290℃)进 行回火的检测体B4和B5中，回火后的硬度H1为Hv650～Hv700左右， 加工硬化后的硬度H2为Hv700～Hv800左右，相对于此，在本发明的 回火温度区域内(130℃以上230℃以下)进行回火的检测体B1～B3中， 回火后的硬度H1为Hv650～Hv800左右，加工硬化后的硬度H2为Hv850 以上，达到了高硬度。这起因于检测体内残留的奥氏体的量的多少。即， 起因于回火处理时的回火温度的高低(回火程度的多少)。

如上所述，对于加工硬化处理后的检测体B1～B3，作为以钢为材料 的抛射材料，能够达到非常高的硬度Hv850，特别是检测体B1及B2 达到了Hv950。这是因为除了因加工硬化处理而使硬度提高之外，由于 在较低温度区域进行回火，回火后仍残留较多奥氏体组织，而该残留奥 氏体在加工硬化处理时因应力诱导引起马氏体化，提高硬度所导致的。

另外，根据图6，虽然回火温度T越是低温，加工硬化处理后的硬 度越有增加的倾向，但是为了取得提高韧性这一回火原本的效果，必须 在130℃以上进行回火，并且，从确保作为抛射材料1使用时的反复使 用寿命这一观点来看，优选为在160℃以上进行回火。因此，在本发明 中，作为在回火工序S30的优选的回火温度区域采用130℃以上，作为 更优选的温度区域采用160℃以上。

还有，根据图6可看出回火温度T在230℃左右的时候，加工硬化 处理后的硬度H2在Hv850以上。因此，在本发明中，采用加工硬化处 理后的硬度H2可靠地达到Hv850以上(本说明书中所述的“高硬度”) 的230℃以下作为在回火工序S30的优选的回火温度区域。

另外，可根据用抛射材料制造工序S10制造的抛射材料1所希望的硬 度，选择回火工序S30的回火温度(例如，将希望得到Hv950以上的硬度 时的回火温度设定为130℃～180℃。)。也就是说，在回火工序S30中，通 过调整回火温度而能够调整抛射材料的硬度。

以下，参照图7，对用喷丸机2将通过本发明的抛射材料制造工序 S10制造的抛射材料1向靶部件抛射时所获得的效果进行说明。另外， 在图7中，横轴表示靶部件3的离表面的深度(μm)，纵轴表示残余 压应力(Mpa)。

图7表示将使用表1所示的抛射材料E1～E4在表2所示条件下用 喷丸机2向靶部件3抛射时对靶部件3施加的残余压应力，在表3所示 条件下进行测定的结果。

表1

  材质  平均粒径(μm)   抛射材料硬度   E1：钢(180℃回火)   70   Hv950   E2：钢(230℃回火)   70   Hv850   E3：陶瓷(氧化锆)   70   Hv1000   E4：钢(未作加工硬化处理)   70   Hv650

如表1所示，抛射材料E1是用本发明的抛射材料制造工序S10(回 火工序S30的回火温度为180℃)制造的抛射材料，抛射材料E2是用 本发明的抛射材料制造工序S10(回火工序中S30的回火温度为230℃) 制造的抛射材料，抛射材料E3是高硬度抛射材料陶瓷制抛射材料，抛 射材料E4是只实施了淬火、回火处理未进行加工硬化处理的钢制抛射 材料。

表2

  使用设备   空压喷丸机   空气压   0.2MPa   混合比   2   靶材   SCM420渗碳淬火回火材料   抛射距离   150mm

表3

  测定机器   PSPC型X射线残余应力测定装置(Rigaku制)   X射线   Cr-Kα   管电压   40kV   管电流   20mA   测定方法   同倾法(0°、15°、30°、45°)   衍射面   AFe(211)   衍射角   156.4°   应力常数   -318MPa/deg   测定区域   φ2mm的区域   测定深度   通过电解研磨调整

如图7所示，使用抛射材料E1时呈与使用抛射材料E3时的情况同等 的残余压应力值。也就是即使使用材料成本比较低的钢的情况下也能实现 与材料成本比较高(与钢制的相比约为2倍左右)的陶瓷制抛射材料同等 的疲劳强度的提高。

这是因为在回火工序S30中，通过在比较低的温度区域内进行回火 而使残留的奥氏体残留量变多所造成的。即，因这些残留的奥氏体在加 工硬化工序S40中因应力诱导引起马氏体化，所以除了因施加应力而产 生塑性变形所导致的硬化之外，也因金属组织的转化而导致的硬化所引 起的。

另外，在使用虽然与Hv950左右的抛射材料E1相比硬度低但也属 于高硬度(Hv850左右)的抛射材料E2(参照图6)的例子中，施加的 残余压应力值与抛射材料E1相比虽然稍微低，未能实现与抛射材料E1 以及抛射材料E3同程度值的加工硬化，但是与抛射材料E4相比，能 够施加约为1.5倍左右的足够大的残余压应力，可看出抛射材料E2也 取得了与抛射材料E1大致同等的效果。

另一方面，在喷丸硬化处理中，基于弹丸数等来把握抛射材料的抛 射量从保证靶部件3品质的角度来看是很重要的。也就是说，预先设定 实现所希望疲劳强度的抛射量，在喷丸硬化处理中没有到达规定的抛射 量的情况下，将判断为靶部件3的疲劳强度没有达到所希望的值。

在这一点上，对于属于钢制的抛射材料的抛射材料E1、E2、E4， 可通过计量抛射材料所具有的磁力来计算弹丸数的适当的磁力计数器 等而能够容易地对弹丸数进行计数，与此相对，抛射材料E3这样的陶 瓷制抛射材料很难计量弹丸数，另行需要能够进行该计量的特殊计量装 置。如此地，抛射材料E1具有如下的优点：不仅以便宜的钢为材料， 且实现与陶瓷制抛射材料E3同等的疲劳强度的提高的同时，喷丸硬化 处理的品质管理也简单。另外，抛射材料E2也具有如下的优点：如同 抛射材料E1以便宜的钢为材料，且实现与陶瓷制抛射材料E3同等的 疲劳强度的提高的同时，喷丸硬化处理的品质管理也简单。

虽然对本发明的特定实施方式进行了说明，但需要注意的是这些并 非用于限定本发明。本领域技术人员清楚的是能以不脱离其主旨的方式 进行本发明的各种各样的实施方式的变形及变更。

本说明书中提供的任意举例说明或者是举例说明的用语(例如 “等”)的使用只不过是为了简单说明本发明，只要未特别地记载在权 利要求中，则不对本发明的范围加以限制。