耐摩耗性・疲労強度・摺動性の向上

ショットピーニングとは、研磨材やメディアと呼ばれる無数の球状粒子を被加工物に高速で衝突させる冷間加工法の一種であり、被加工物に衝突した球状粒子により凹凸の塑性変形が生じると共に、圧縮残留応力による亀裂進展の抑制や表面硬度上昇による耐摩耗性向上などの表面改質を図る事の出来る技術です。

表面改質手法の中でも簡単かつ低コストで耐摩耗性や疲労強度の向上、応力腐食割れ（SCC）の防止など様々な効果が得られる事から、軽量化や長寿命化を求める自動車部品（歯車、シャフトなど）、航空機部品（タービンブレードやランディングギアなど）、ばね、橋梁などの鋼構造物、金型、工具刃物など幅広い業界・分野で活用されています。

ショットピーニングによって球状粒子が被加工物へ衝突すると、衝突部直下がくぼみ、周辺部を押し広げる塑性変形域が形成されます。塑性変形域は加工硬化で強度（降伏点）が高くなり、変形していない周囲の拘束によって圧縮残留応力が生じております。また、機械加工の切削痕や繰り返しの負荷によって発生する微小亀裂は亀裂進展の起点となりやすいが、ショットピーニング後の表面は亀裂発生の要因となる表面欠陥が押しつぶされて改善されております。即ち、表面状態の改善と表面強度（降伏点）の上昇により亀裂の発生が抑制され、圧縮残留応力の付与では亀裂進展が抑制されることで疲労強度を大幅に向上させることが出来ます。

従来のショットピーニングとWPC処理やα処理などの微粒子ピーニングで使用される球状粒子（以下、微粒子メディア）を比較すると微粒子ピーニングで使用される粒子は極めて小さく、1/10以下の粒径も頻繁に使用されております。左図の様な場合、同一噴射条件でメディアの体積が同じであっても、 WPC処理やα処理などの微粒子メディアの方が衝突速度が高速になると共に、表面近傍へ衝突エネルギーが集中するため、表面近傍付近へ効率的に大きな圧縮残留応力を付与することが出来ます。

WPC処理やα処理などの微粒子ピーニングでは、被加工物の表面に一瞬のうちに無数の微粒子メディアが繰り返し何度も衝突しています。金属の様に比熱の小さいものは温度上昇部の面積が小さい場合、温度上昇も早いが温度降下も早いため、 微粒子メディアの衝突時に被加工物の表面では「金属表面の瞬時の急熱、急冷による熱処理」 と「衝突による繰り返しの鍛造処理」が同時に行われています。この2つにより残留オーステナイトの加工誘起マルテンサイト化及び表面近傍の結晶粒が微細化（WPC処理）又はナノ結晶化（α処理）されます。この作用により機械加工の切削痕などの表面欠陥の無い、高強度・高硬度で靭性に富む組織となり、従来のショットピーニング加工面を大幅に超える疲労強度及び耐摩耗性向上の効果を得ることが出来るのです。

結晶粒微細化・ナノ結晶化強化は結晶粒径を小さくすることで強度を向上させる方法です。多結晶金属の塑性変形は転位という原子の並びの欠陥が移動することによって生じるが、方向性の異なる結晶粒の境界（結晶粒界）が転位の動きの障害となり、移動するのに大きな力が必要になります。つまり結晶粒径が小さくなり、結晶粒界が多くなるほど障害が増えて転位の移動に大きな力（降伏応力の増加）が必要になってきます。

この多結晶金属材料の結晶粒径微細化・ナノ結晶化と降伏応力増加の関係を一般にホール・ペッチの関係（Hall-Petch relation）やホール・ペッチ則と呼び、結晶粒径の1/2乗に逆比例することが知られています。この 結晶粒微細化・ナノ結晶化強化の最大の特徴が靭性を損なわなずに強度を向上 させるところにあります。

多結晶金属材料の結晶粒径は多くの場合数μm（マイクロメートル）から数十μmですが、上記にて紹介したα処理後では表面近傍の結晶粒径が100～300 nm（ナノメートル）になっており、ホール・ペッチの関係上、表層の降伏応力が結晶粒のナノ結晶化により飛躍的に向上されていることがわかります。

このα処理によるナノ結晶化強化の工法的優位点は、部品製造の最終工程にα処理を追加するだけで、寸法・形状変化もほとんどなく被処理面全面に強度と靭性を両立させた層を容易に形成出来る点です。