ショットピーニングとは

読み: しょっとぴーにんぐ

ショットピーニングとは、微小な硬い粒(ショット)を高速で表面に打ち付け、塑性変形によって圧縮残留応力を導入し、部品の疲労強度を高める冷間加工処理である。

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概要

金属部品の疲労破壊は、表面のごく小さな傷や組織の不均一を起点として亀裂が発生し、繰り返し荷重によって進展することで起こる。表面に引張の残留応力があると亀裂は開きやすく、圧縮の残留応力があると亀裂は開きにくくなる。

ショットピーニングは、この性質を利用し、表面に意図的に圧縮残留応力を作り出すことで、亀裂の発生と進展を抑え、部品の疲労強度を高める処理である。

圧縮残留応力の原理

微小な硬い粒を高速で表面に衝突させると、衝突点の表層はごく浅い深さで塑性変形する。変形した表層は元の体積に戻ろうとする力を受けるが、内部の変形していない部分に拘束されるため、表層に圧縮方向の残留応力が生じる。

この圧縮残留応力層の深さは、ショットの径・速度・材質などの投射条件によって変わり、部品の要求疲労寿命に応じて条件が設計される。

ショットブラストとの違い

投射材を高速で吹き付けるという手法自体はショットブラストと共通するが、目的が異なる。ショットブラストは表面のスケール・錆・塗膜の除去や粗面化が目的であり、ショットピーニングは圧縮残留応力の導入による疲労強度向上が目的である。

このためショットピーニングでは、投射強度をアルメン試験片のたわみ量などで数値管理し、狙った圧縮残留応力層が得られているかを確認する工程が重視される。

適用部品と管理項目

繰り返し荷重を受ける部品、たとえばばね、歯車、シャフト、航空機・防衛関連の構造部品などで疲労強度向上のために使われる。溶接部やねじ底のような応力集中が起きやすい箇所にも適用されることがある。

管理項目には、投射強度(アルメン強度)、被覆率(表面がショットで覆われた割合)、投射材の種類・粒径などがあり、要求される疲労寿命に応じてこれらの条件を仕様として定める必要がある。

よくある誤解

✕ ショットピーニングは表面をきれいにするための処理である。

○ 外観や清浄化が目的ではなく、圧縮残留応力を導入して疲労強度を高めることが目的の処理である。清浄化・粗面化が目的の処理はショットブラストとして区別される。

✕ 投射時間を長くすればするほど効果が高まる。

○ 被覆率が一定水準を超えると効果は頭打ちになり、過剰な投射はかえって表面を荒らし別の欠陥を招く場合がある。投射強度と被覆率は要求疲労寿命に応じた適正値で管理する必要がある。

✕ どんな部品にもショットピーニングをすれば疲労強度が上がる。

○ 圧縮残留応力層は表層の限られた深さにしか及ばない。内部起点の欠陥や、高温で残留応力が緩和される使用環境では効果が限定的になるため、対象部品の破壊形態を踏まえて適用を判断する必要がある。

よくある質問

ショットピーニングをすればどんな部品の寿命も延びますか。+

表面起点の疲労破壊には効果が期待できますが、内部起点の欠陥や高温環境で残留応力が緩和される用途では効果が限られます。対象部品の破壊の起点や使用環境を踏まえて適用を検討する必要があります。

投射強度はどう管理されていますか。+

一般にアルメン試験片という基準片のたわみ量で投射強度を数値化して管理します。要求される疲労寿命に応じて、適正な投射強度と被覆率をあらかじめ仕様として定めておく必要があります。

ショットブラストと同じ設備でできますか。+

設備自体は似た仕組みのものが使われることがありますが、目的が異なるため投射条件の管理水準が異なります。疲労強度向上が目的であれば、ショットピーニング用の管理項目(投射強度・被覆率)を満たす工程かどうかの確認が必要です。

出典

冷間加工による表面圧縮残留応力導入(ショットピーニング)に関する一般的な材料工学の知識

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