WPC処理による製品の強度アップ | ジュンツウネット21

「WPC処理による製品の強度アップ」  2011/12

株式会社不二WPC

WPC処理とは

WPC加工,ディンプル加工,MD加工,マイクロディンプル処理,MD処理,微粒子ピーニングや精密ショットピーニングとも呼ばれている。

WPC処理は,金属製品の表面に,目的に応じた材質の微粒子を圧縮性の気体に混合して高速衝突させる表面改質技術のことである。

WPC処理では,材料表面の局所領域に多方向・多段・非同期の強加工が導入されることにより,表面層への圧縮残留応力の付与や金属組織の微細化やナノ結晶化がなされる。その結果,疲労強度の大幅な向上や表面の高硬度化による耐摩耗性が向上する。また,表面に微小なディンプルが形成され,油ダマリの効果などにより摩擦摩耗特性が向上する。

WPC処理の特長

金属製品の表面に製品硬度と同等以上の硬度を有する40~200μmの微細なショットを噴射速度100m/sec以上の高速で噴射し,表面層を改質する。投射粒径が小さく高速なことにより,次のような優れた特性が得られる。

(1)表面層への圧縮残留応力の付与による疲労強度の向上
(2)組織の微細化,ナノ結晶化による耐摩耗性の向上
(3)表面形状制御(マイクロディンプル形成)による摺動特性の向上

キズなどないように見える金属表面も顕微鏡で観察した画像を図1に示す。

処理前後の顕微鏡による比較(左:処理前,右:処理後)
図1 処理前後の顕微鏡による比較

未処理試料では不均一な状態となっており,目に見えないクラックや材質のムラが存在する。金属疲労でパーツが破損するという場合,そのような部分が起点となって破損が始まる。

これに,WPC処理を行ったものでは,表面組織が微細化し異常層も消滅し,疲労強度が格段に上がる。

<ここがポイント!>

WPC処理は金属の強度を上げるのではなく,この金属疲労に対して非常に強くなる。ある力が加わると1回で壊れてしまう部品に処理をしても,壊れなくなる可能性は少ないと言える。これは,材料の強度が足りないからである。逆にしばらくは持つが何回かすると壊れてしまう部品に処理すれば寿命の長期化が図れる。

「摺動性向上」とは,滑りを良くして摩耗を減らすということである。

金属製品の摺動部は通常潤滑油が使用されているが,使用条件により潤滑油切れにより摩耗する。表面にWPC処理することにより,潤滑剤切れを起こしにくい凹部を形成して,油温が下がり,音も静かになり,摩耗を防止することができる。

WPC未処理品,処理品の表面観察像を図2に示す。通常の研磨面は縦にスジが通っていて一見きれいだが,オイル潤滑するとき,油膜がスジに沿って逃げてしまう。WPC処理では,細かいメディアがぶつかり無数のディンプルができている。これがオイル溜りとなり,潤滑性を確保することができる。

処理前後の顕微鏡による比較(左:処理前,右:処理後)
図2 処理前後の顕微鏡による比較

トランスミッションのギア材にWPC処理をしたTEM写真を図3に示す。

SCr420浸炭焼入れ鋼表面の組織変化
表面近傍の透過型電子顕微鏡増
a:暗視野像(低倍率) b:暗視野像(高倍率) c:制限視野回折図形(視野直径0.8ナノメートル)

図3 SCr420浸炭焼入れ鋼表面の組織変化

適用などの事例紹介

疲労強度の向上/耐衝撃性の向上/摺動性の向上/表面硬度の向上/各種コーティング,メッキとの密着性向上/低温脆性の防止/各種腐食の防止/燃費向上/耐用年数向上/etc

WPC処理による性能比較グラフを図4,製品画像を図5に示す。

WPC処理条件:30秒投射(スチールビーズ)
性能比較グラフ
図4 性能比較グラフ
メタルクランク/WPC処理製品
メタルクランク
インプットシャフト/WPC処理製品  
インプットシャフト
クランクシャフト/WPC処理製品
クランクシャフト
カムシャフト(左:処理後,右:処理前)/WPC処理製品  
カムシャフト(左:処理後 右:処理前)
トランスミッションギア/WPC処理製品
トランスミッションギア
シリンダー(左:処理後,右:処理前)/WPC処理製品
シリンダー(左:処理後 右:処理前)
ピストン/WPC処理製品
ピストン
ファイナルギア/WPC処理製品
ファイナルギア
ピニオンギア/WPC処理製品
ピニオンギア
コネクティングロッド/WPC処理製品
コネクティングロッド
トロコイドギア/WPC処理製品
トロコイドギア
シリンダーライナー(左:処理前,右:処理後)/WPC処理製品
シリンダーライナー(左:処理前 右:処理後)
図5 WPC処理製品

加工可能な部品の例

ミッション/クラッチ/デファレンシャル/コンロッド/ドライブシャフト,CVJ/ピストン,ピストンリング/クランクシャフト/ロッカーアーム,バルブリフタ/バルブスプリング/ターボチャージャー/オイルポンプ(トロコイドギア)/カムシャフト/エキゾーストマニホールド/バルブ/メタル/シリンダーブロック/アペックスシール(ロータリー)/コーナーシール(ロータリー)/サイド/ローター(ロータリー)/etc…

WPC処理によるピッチング摩耗の抑制効果

トランスミッションの歯車に発生する不具合の中でも,図6に示すピッチング摩耗に関して,WPC処理を行うことにより,表面に存在するマイクロクラックを減少させ,異常摩耗の発生を抑制する。WPC処理後の歯面(図7)はツールマークがWPC処理により慣らされていることが確認できる。

ピッチング摩耗痕
図6 ピッチング摩耗痕
WPC処理後の歯面
図7 WPC処理後の歯面

トランスミッションへのWPC処理は,近年の競技用自動車や競技用モーターサイクルには必要不可欠である。

エンジンの高出力化やタイヤのグリップ性能向上により高負荷状態になりつつあり,エンジンのコンパクト化に伴い小さくなった歯車に対する耐久性・摩耗性の向上が求められている。

レース等では,定期交換部品が必ずある。その交換サイクルは非常に短い部品と長持ちする部品との組み合わせで使用されている場合があり,このような寿命の違う部品の組み合わせの場合,寿命の短い部品に合わせて点検・交換時期が定められるが,点検時に寿命や編摩耗が発生している場合,最適な状態で運転していなかったことになる。

良い状態を長く保つことが重要になり,WPC処理などを有効に使い最適な状態を保っている間に,定期交換品(消耗品)を交換することが大切である。交換を怠ると,編摩耗等により本来,長寿命の部品まで早期に編摩耗が発生し,結果非常に短い時間で不具合が発生しトラブルの原因になる。

今後の課題や展望など

WPC処理は,バブル崩壊後,大手自動車メーカーに本格的に採用されている。装置が安価で,用途が広く比較的効果が大きく,使用条件等により限界がある場合,他の表面改質との多重複合等が容易に行うことができ,飛躍的な効果を得ることもできる。

今後は複合処理として,トライボロジー効果を得ることができる金属製品の摺動部の摩耗防止法。表面の微細な略円弧状の凹部を利用することにより油膜切れを防止し,摺動部の摩耗を低減する。また,セメンティーション効果を得ることができる。

このように今後,ますますWPC処理の用途が拡大し,産業界全般に貢献できるものと思われる。

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