キャビテーション・ショットレス・ピーニングによる金属材料の強度向上
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カテゴリ: 第3回
1. 緒言
キャビテーションは,その気泡の崩壊時に局所的な 衝撃力を生じ,ポンプやバルブなどの流体機械に致命 的損傷を与えるが[1], このキャビテーション衝撃力を、 ショット・ピーニング(SP)[2] のごとく、金属材料を高 強度化するピーニングに有効利用することが可能であ る[3][4]。キャビテーション衝撃力によるピーニングで は, ショットを必要としないので, キャビテーション・ ショットレス・ピーニング(CSP)と呼ぶ[5]-[12]。CSP では,ショットを用いないので,ショットによ る固体接触が生じずにピーニングによる表面粗さの増 大が SP よりも少なく表面が滑らかである, ショット の割れなどにコンタミネーションに関する問題がない, ショットが入らない狭隘部などをピーニングできる, などの利点がある。またこれまでに CSP により SP以 上に疲労強度を向上できるとの報告がある[6][7][12]。CSP では,一般には,水を満たした水槽に高速水噴 流を噴射してキャビテーションを発生させる。近年, Soyama は CSP のために, 大気中に低速水噴流を噴射 してその中心部に高速水噴流を噴射することにより, 水を満たした水槽を用いることなく,大気中に直接的 キャビテーション噴流を形成する「気中キャビテーシ 連絡先:祖山 均、〒980-8579 宮城県仙台市青葉区荒巻 字青葉 6-6-01、東北大学大学院工学研究科、電話: 022-795-6891, e-mail:soyama@mm.mech.tohoku.ac.jpョン噴流」を実現した。これに対して,本報では,従 来の水を満たした水槽に高速水噴流を噴射する方式を 「水中キャビテーション噴流」と呼ぶことにする。 Soyama は, 最適化した気中キャビテーション噴流は, 水中水噴流やいわゆるウォータージェット(気中水噴 流)よりも加工能力が大であることを実証し,さらに 気中キャビテーション噴流の流動機構を解明した。 * 本報では,キャビテーションならびにキャビテーシ ョン噴流について概説するとともに,各種のキャビテ ーション噴流を用いて CSP を行った場合の疲労強度 向上や圧縮残留応力導入について紹介する。
2. キャビテーション - キャビテーションとは液体の速度が増大して圧力が 低下して液体が気体になる現象で, 圧力が回復すると, 気泡が液体に戻る。その際に気泡は Fig. 1 のような変 形をし[15], 凹んだ部分の流速が数千 m/s にも達し,こ れをマイクロジェットと呼ぶ。また気泡が短時間に崩 壊するために再膨張し,その際に衝撃波を生じる。こ れらのマイクロジェットや衝撃波により金属材料をも 塑性変形させるような衝撃力を発生する。ただし,流 体機械に致命的損傷を与えるキャビテーションは単一 気泡ではなく, Fig. 2 に示すような微細気泡からなる微 細気泡列である[16]。 微細気泡列では, 気泡列の端部か ら気泡の崩壊が始まり,崩壊が加速的に生じることに
Fig. 1 Micro-jet in single spherical bubbleFig. 3Aspect of impinging cavitating jetFig. 2Severe erosive string cavitationより衝撃力が大になると考えられている。キャビテー ション衝撃力をピーニングに有効利用するためには, 上記の微細気泡列を高頻度で発生させる必要がある。 そのために,著者らは, 高速水噴流を水中に噴射して、 高速水噴流の周囲にキャビテーションを発生させるキ ャビテーション噴流を用いている。これまでに水槽試 験装置や超音波装置により発生させたキャビテーショ ンを用いて,その気泡崩壊時の衝撃力による圧縮残留 応力導入が報告されていたが[17][18], キャビテーショ ン衝撃力が弱く十分なピーニング効果を得ることがで きず,またキャビテーションの発生領域も限定されて いた。ピーニングに有効利用できるキャビテーション 噴流の様相を Fig. 3 に示す[19]。 Fig. 4 には, Fig.3 のよ うな瞬間写真ならびに高速度映画等[20]による観測結 果に基づいたキャビテーション噴流の模式図を示す。 ノズルスロート内部のはく離せん断層内や,高速水噴 流まわりのせん断層に生じる渦コア中心部などの低圧 部にキャビテーションが初生し,それが下流に流れる のに従って大きなキャビテーション気泡雲を形成する。 このキャビテーション気泡雲が衝突すると,円環状の 微細気泡列を形成し,やがてその一部が崩壊する。キ ャビテーション噴流では,このキャビテーション気泡 雲は数 kHz で放出されることが明らかになっており, 高頻度で衝撃力が大なる微細気泡列を発生できる。な- 239 -Erosive string cavitation Round string cavitationString cavitation in shear laverWater jetNozzleCavitation cloudImpinging surfaceFig. 4Schematic diagram of cavitating jetお, Fig.3 中の白い矢印で示す位置には、キャビテーシ ョン衝撃力計測センサ[21][22]が埋め込んであり,衝撃 力の検出とせん光時間 0.4 us のフラッシュランプが同 期されているので, Fig.3 は衝撃力を発生したときのキ ャビテーションの様相である。衝撃力を発生している ときもキャビテーション気泡が白く見えていることか ら,衝撃波により衝撃力を発生している可能性が高い と考えられる。 . 従来,キャビテーション噴流は,水を貯留した水槽 内に高速水噴流を噴射してキャビテーションを発生さ せてきた(水中キャビテーション噴流)。Soyama は, キャビテーション・ショットレス・ピーニングのため に,大気中に低速水噴流を噴射してその中心部に低速 水噴流を噴射することにより,大気中に直接的にキャ ビテーション噴流を形成する気中キャビテーション噴 流を実現した[13]。 さらに, 最適化した気中キャビテー ション噴流は,水中キャビテーション噴流よりも加工 能力が高いことを実証した[13]。気中キャビテーション 噴流の加工能力は、低速水噴流の噴射圧力などにより 大きく異なるが,最適化した場合には高速水噴流と低速水噴流が干渉して, Fig.5 に示すような非定常挙動を 示す。低速水噴流の波状模様と高速水噴流まわりのキ ・ャビテーション気泡雲の放出周期は一致している[14]。 気中キャビテーション噴流のほうが水中キャビテーシ ョン噴流よりも加工能力が大である理由としては以下 の三つが考えられる。まず,低速水噴流の衝突圧力に より微細気泡列が崩壊する場の圧力が大であるために, 崩壊衝撃力が大となる。また水中キャビテーション噴 流ではキャビテーション気泡崩壊後の残留気泡が循環 してキャビテーション噴流に取り込まれることにより キャビテーションの発生領域は大となるがクッション 効果により衝撃力が弱まるが,気中キャビテーション 噴流では残留気泡が循環しないのでクッション効果が 小さくなり衝撃力が大となる。さらに, Fig. 5 に示した ように高速水噴流の変動と低速水噴流の変動が干渉し て圧力波を生じるために,衝撃力が大となる可能性が ある。これらの三つの理由については,気中キャビテ ーション噴流ばかりでなく,水中キャビテーション噴 流においても,水中キャビテーション噴流の周囲に低 速水噴流を噴射することにより,キャビテーション衝 撃力が大となる可能性がある。祖山らは,最適化した 低速水噴流を伴う水中水キャビテーション噴流は,低 速水噴流なしの水中キャビテーション噴流よりもピー ニング加工能力が大であることを実証した[23][24]。 い うまでもなく,キャビテーション噴流においては,高 速水噴流まわりのせん断層にキャビテーションが発生 するので、高速水噴流の周囲に低速水噴流を噴射する ことは、キャビテーションの発生を弱めてしまう効果 がある。よって,低速水噴流によりキャビテーション 衝撃力を強める場合には最適噴射圧力が存在する。Low-speed water jetHigh-speed water jetリー用-1920 mmCHANNIJINCavitationFig. 5Appearance of a cavitating jet in air3. CSP による圧縮残留応力導入- Fig.6には,ステンレス鋼(JIS SUS316L)を気中キ ャビテーション噴流,水噴流を伴う水中キャビテーシ ョン噴流,水噴流なしの水中キャビテーション噴流に より,スタンドオフ距離 sを変えて,それぞれ1 mm/s で処理した場合の試験片表面の残留応力を示す。いず れの場合もキャビテーション噴流の高速水噴流の噴射 圧力は 30 MPa で, スロート部直径 1 mm のノズルを使 用した。いずれのキャビテーション噴流でも圧縮残留 応力を導入できることがわかる。なかでも気中キャビ テーション噴流で加工した場合が最も圧縮残留応力が 大となっている。また水噴流を伴わない水中キャビテ ーション噴流の場合には, s = 25 mm と 65 mm におい て圧縮残留応力が極大を示すことがわかる。Fig.7には 各キャビテーション噴流で極大値を示す条件において、100Cavitating jet in water without associated jetKAKI本JHHHH至Residual stress OR MPa本 A II 本王 EH #HHCavitating jet in water with associated jetCavitating jet in air -500 10_20406080 100Standoff distance s mm Fig. 6 Residual stress changing with standoff distanceFig. 6Cavitating jet in water without associated jet at s= 25 mmCavitating jet in water without associated jet at s= 65 mmResidual stress OR MPa-10> Cavitating jet in water.. with associated jet Cavitating jet in air????????????????????????? nn?0 10 20 30 40 50Processing time per unit length ts s/mm Fig. 7 Residual stress changing with processing time240単位長さあたりの処理時間を変えて残留応力を計測 した結果を示す。いずれの条件においても処理時間と ともに圧縮残留応力が増大している。気中キャビテー ション噴流の場合には, t 20 s/mm において圧縮残 留応力が-600 MPa程度で飽和しているが,水中キャビ テーション噴流の場合には水噴流を伴う場合も水噴流 なしの s = 65 mm の場合でも, t 50 s/mm で飽和し ている。すなわち,水中キャビテーション噴流により 気中キャビテーション噴流と同程度の圧縮残留応力を 導入できるが,気中キャビテーション噴流のほうが短 時間で処理できる。なお水噴流を伴う水中キャビテー ション噴流のほうが水噴流なしの水中キャビテーショ ン噴流よりも大きな圧縮残留応力を導入できる。また 水噴流を伴わない水中キャビテーション噴流の s = 25 mm の場合には,t、が大になっても残留応力値は -400MPa 程度である。キャビテーション噴流の加工能 力を比較する一例として, アルミニウム(JIS 1050) 製 試験片を用いた壊食試験の結果,水噴流を伴わない水 中キャビテーション噴流の s = 25 mm の場合には,ス タンドオフ距離に対して圧縮残留応力が極大値を示し ているが,キャビテーション気泡の崩壊によるリング01, ts = 0 s/mm z, 0 ,X.X/に:::^::Residual stress 01, 02 MPa? ????????????2-8000_2 4 6 _ 8_ 10Penetration depth z um Residual stress changing with penetration depthFig. 8%D0s/mm12 4FWHM 120 deg02_46_8_10Penetration depth z um Fig. 9 FWHM changing with penetration depth状壊食痕よりも,噴流軸中心に液滴や液塊の衝突によ る損傷が顕著に認められるので, s = 25 mm のピークは キャビテーション衝撃力よりも液滴や液塊の衝突力に よるピーニング効果と考えられる[24]。 - Fig. 8には,窒化した合金工具鋼(JIS SKD61)を気 中キャビテーション噴流で処理した場合の残留応力の 深さ方向の変化を示す。2次元検出器を有する X 線回 折装置を用いた 2D 法により X 線の侵入深さを変えて 非破壊で計測した結果である。2D 法では垂直応力成分 ならびにせん断応力成分計測できるので, Fig. 8 では主 応力を算出して示す。計測方法については文献[25]を参 照されたい。単位長さあたりの処理時間も、が大なるほ ど圧縮残留応力が大となるのがわかる。Fig.9には, 回 折X 線の半価幅 FWHM 120について示す。既報[13] と同様に,圧縮残留応力が導入されているにも関わら ず,若干ばらつきは認められるものの、、が大なるほ ど半価幅が減少するという興味深い事実が認められる。4. CSP による疲労強度向上- Fig. 10 には, Fig.7と同様の条件で処理した試験片を 平面曲げ式疲労試験に供した結果を示す。なお処理時 間は、処理時間を変えた試験片を負荷応力一定で疲労 試験を行い,破断に至る回数を参考にして 1 = 40 s/mm とした[24]。Fig.7 より気中キャビテーション噴流,低 速水噴流を伴う水中キャビテーション噴流ならびに低 速水噴流なしの s = 65 mm の場合には,試験片に導入 されている表面の圧縮残留応力はほぼ同様であるが,1400R4oa MPaCavitating jet in air Cavitating, Cavitating jet in water with associated jetい350「Not-peened ToAmplitude of bendig stress300Cavitating jet in water without associated jet 「ats%3D65 mm火Cavitating jet in water without associated jet at s = 25 mm2501010^ 10 1 0 10'Number of cycles to failure N Fig. 10 S-N curve (JIS SUS316L)241疲労限には違いが見られる。Little の方法[26]を用いて 10'回における疲労強度を求めると, 気中キャビテーシ ョン噴流と低速水噴流を伴う水中キャビテーション噴 流では 360 MPa, 低速水噴流なしで s = 25 mm では 292 MPa, s = 65 mm では 327 MPaであり,未処理の 279 MPa に比べて疲労強度を向上できることがわかる。Fig. 11 と 12 には、ショット・ピーニング SP とキャ ビテーション・ショットレス・ピーニング CSP を比較 するために,未処理材 NP と併せて回転曲げ疲労試験 の結果を,アルミニウム鋳物合金(JIS AC4CH-T6)とLOOKCSP 156MPaAmplitude of bendig stress o MPaspIsto\.97108100 100 10'Number of cycles to failure N Fig. 11 S-N curve (JIS AC4CH-T6)1000SP2 CSP931 MPa ...915SP1A●915Amplitude of bendig stress on MPaNP+++, 777 X→700100108100 100 10' Number of cycles to failure NFig. 12 S-N curve (JIS SCM420)[6],浸炭したクロムモリブデン鋼(JIS SCM420) [27] について示す。それぞれの疲労強度を図中に示す。ア ルミニウム合金のような比較的軟らかい材料でも,浸 炭した比較的硬い材料でも,CSP のほうが SP よりも 疲労強度を向上できることがわかる。5.結言キャビテーション・ショットレス・ピーニング CSP について概説し,種々の金属材料に適用した場合のピ ーニング効果を示した。現在,CSPは金属材料ばかり でなく,半導体材料処理への適用も試みられ,シリコ ンウェーハのゲッタリング効果も実証されている [28][29]。得たる結果を要約すると以下のようになる。 (1) キャビテーション・ショットレス・ピーニングにより種々の材料に圧縮残留応力を導入でき,疲労強度を向上できる。 (2) 単に水中に高速水噴流を噴射したキャビテーション噴流よりも,噴射条件を最適化した気中キャ ビテーション噴流や低速水噴流を伴う水中キャ ビテーション噴流のほうがピーニング効果が大 である。「謝辞本研究の一部は日本学術振興会科学研究費補助金 [基盤研究(B)17360047] ならびに文部科学省 21 世紀 COE プログラム「ナノテクノロジー基盤機械科学フロ ンティア」によったことを記す。参考文献 [] 加藤洋治編著,“キャビテーション-基礎と最近の進歩-““,槇書店, 1999, pp. 189-248. [2] ショットピーニング技術協会編著,“金属疲労とショットピーニング”, 2004, pp. 1-12. [3] 祖山均, 山内由章, 井小萩利明, 大場利三郎, 佐藤一教,進藤丈典,大島亮一郎,“高速水中水噴流による顕著な ピーニング効果-ステンレス鋼の残留応力改善-““,噴流工学, Vol. 13, No. 1, 1996, pp. 25-32. [4] 平野克彦,榎本邦夫,林英策,黒沢孝一,“SUS304 鋼の耐食性および疲労強度に及ぼすウォータージェットピーニングの影響”,材料, Vol. 45, 1996, pp. 740-745. [5] H.Soyama, K.Saito and M.Saka, “Improvement of FatigueStrength of Aluminum Alloy by Cavitation Shotless242[11]Peening”, Journal of Engineering Materials and Technology,Trans. ASME, Vol. 124, 2002, pp. 135-139. [6]祖山均,佐々木圭,斎藤建一,坂真澄,“キャビテーション・ショットレス・ピーニングによる金属材料の疲労 強度向上”,自動車技術会論文集,Vol. 34, 2003, pp.101-106. [7] D.Odhiambo and H.Soyama, “Cavitation Shotless Peeningfor Improvement of Fatigue Strength of Carbonized Steel”, International Journal of Fatigue, Vol. 25, 2003, pp.1217-1222. [8] H.Soyama, K.Sasaki, D.Odhiambo and M.Saka, “CavitationShotless Peening for Surface Modification of Alloy Tool Steel”, JSME International Journal, Vol. 46A, 2003, pp.398-402. [9] H.Soyama, D.Odiambo and S.Mall, “Compressive ResidualStress into Titanium Alloy Using Cavitation ShotlessPeening”, Tribology Letteres, Vol. 17, 2004, pp. 501-504. [10] H.Soyama and D.O.Macodiyo, “Fatigue Strength Improvementof Gears Using Cavitation Shotless Peening““, TribologyLetters, Vol. 18, 2005, pp. 181-184. [11] 祖山均,“キャビテーション・ショットレス・ピーニングによる軽金属材料の表面改質”, 軽金属, Vol. 56, 2006,pp. 56-62. [12] H.Soyama, “Improvement of Fatigue Strength of MetallicMaterials by Cavitation Shotless Peening”, Metal FinishingNews, Vol. 7, No. 2, 2006, pp. 48-50. [13] H.Soyama, “Introduction of Compressive Residual StressUsing a Cavitating Jet in Air”, Journal of Engineering Materials and Technology, Trans. ASME, 126 (2004),123-128. [14] H.Soyama, “High-Speed Observation of a Cavitating Jet inAir”, Journal of Fluids Engineering, Trans. ASME, 127(2005), 1095-1101. [15] L.A.Crum, “Surface Oscillations and Jet Development inPulsating Bubbles”, Journal de Physique, Vol. 40, 1979, pp.C8-285 ~C8-288. [16] 祖山 均, 大場光太郎,武田渉, 大場利三郎,“バタフライ弁まわりの高壊食性渦キャビテーションの高速写真 観察““,日本機械学会論文集, Vol. 60B, 1994, pp.1133-1138. [17] H.Blickwedel, H.Haferkamp, H.Louis, and P.T.Tai,“Modification of Material Structure by Cavitation and Liquid Impact and Their Influence on Mechanical Properties”, Proceeding of 7th International Conference on Erosion by Liquid and Solid Impact, Cambridge, (1987), pp. 31-1 ~[21]31-6.[18] J.C.Rawers, R.A.McCune and J.S.Dunning, “UltrasoundTreatment of Centrifugally Atomized 316 Stainless- Steel Powders““, Metallurgical Transactions A, Vol. 22, 1991, pp.3025-3033. [19] 祖山均,“キャビテーション噴流による材料試験と表面改質”,材料,Vol. 47, 1998, pp. 381-38. [20] 祖山均、山内由章,安達保則,佐藤一教,進藤丈典,大場利三郎,“高速水中水噴流まわりのキャビテーション 気泡雲の高速写真観察““, 日本機械学会論文集 Vol. 59B,1993, pp. 1919-1924. [21] H.Soyama, A.Lichtarowicz, T.Momma and E.J.Williams, “ANew Calibration Method for Dynamically Loaded Transducers and Its Application to Cavitation Impact Measurement ”, Journal of Fluids Enginerring, Trans. ASME,Vol. 120, 1998, pp. 712-718. [22] H.Soyama and H.Kumano, “The Fundamental ThresholdLevel ? a New Parameter for Predicting Cavitation Erosion Resistance”, Journal of Testing and Evaluation, Vol.30, 2002, pp. 421-431. [23] 祖山均、三上光弘,“水噴流を伴う水中キャビテーション噴流による疲労強度向上”, 第 12 回破壊力学シンポジウム講演論文集, 2005, pp. 21-25. [24] 祖山均,三上光弘,“水噴流を伴う水中キャビテーション噴流によるキャビテーション・ピーニング““, ショットピーニング技術,Vol. 18, No.2, 2006, pp. 64-65. [25] 祖山均,“キャビテーション・ショットレス・ピーニングによる処理面の残留応力の特異性”, 日本機械学会2005 年度年次大会講演論文集, Vol. 1, 2005, pp. 129-130. [26] R.E.Little, “Estimating the Median Fatigue Limit for VerySmall Up-and-Down Quantal Response Tests and for S-N Data with Runouts”, Probabilistic Aspects of Fatigue, ASTMSTP 511, 1972, pp. 29- 42. [27] 祖山均,D.O.Macodiyo,坂真澄,“疲労強度向上におけるキャビテーション・ショットレス・ピーニングとショ ット・ピーニングの比較”, 日本材料学会第 52 期学術講演会講演論文集, 2003, pp. 332-333. [28] H.Soyama and H.Kumano, “Oxidation-Induced StackingFaults Introduced by Using a Cavitating Jet for Gettering in Silicon”, Electrochemical and Solid-State Letters, Vol. 3,2000, pp. 93-94. [29] H.Kumano, T.Sasaki and H.Soyama, “Evaluation of theEffectiveness of Backside Damage Gettering in Silicon Introduced by a Cavitating Jet”, Applied Physics Letters, Vol. 85, 2004, pp.3935-3937.[27]4 12“ “キャビテーション・ショットレス・ピーニングによる金属材料の強度向上“ “祖山 均,Hitoshi SOYAMA
キャビテーションは,その気泡の崩壊時に局所的な 衝撃力を生じ,ポンプやバルブなどの流体機械に致命 的損傷を与えるが[1], このキャビテーション衝撃力を、 ショット・ピーニング(SP)[2] のごとく、金属材料を高 強度化するピーニングに有効利用することが可能であ る[3][4]。キャビテーション衝撃力によるピーニングで は, ショットを必要としないので, キャビテーション・ ショットレス・ピーニング(CSP)と呼ぶ[5]-[12]。CSP では,ショットを用いないので,ショットによ る固体接触が生じずにピーニングによる表面粗さの増 大が SP よりも少なく表面が滑らかである, ショット の割れなどにコンタミネーションに関する問題がない, ショットが入らない狭隘部などをピーニングできる, などの利点がある。またこれまでに CSP により SP以 上に疲労強度を向上できるとの報告がある[6][7][12]。CSP では,一般には,水を満たした水槽に高速水噴 流を噴射してキャビテーションを発生させる。近年, Soyama は CSP のために, 大気中に低速水噴流を噴射 してその中心部に高速水噴流を噴射することにより, 水を満たした水槽を用いることなく,大気中に直接的 キャビテーション噴流を形成する「気中キャビテーシ 連絡先:祖山 均、〒980-8579 宮城県仙台市青葉区荒巻 字青葉 6-6-01、東北大学大学院工学研究科、電話: 022-795-6891, e-mail:soyama@mm.mech.tohoku.ac.jpョン噴流」を実現した。これに対して,本報では,従 来の水を満たした水槽に高速水噴流を噴射する方式を 「水中キャビテーション噴流」と呼ぶことにする。 Soyama は, 最適化した気中キャビテーション噴流は, 水中水噴流やいわゆるウォータージェット(気中水噴 流)よりも加工能力が大であることを実証し,さらに 気中キャビテーション噴流の流動機構を解明した。 * 本報では,キャビテーションならびにキャビテーシ ョン噴流について概説するとともに,各種のキャビテ ーション噴流を用いて CSP を行った場合の疲労強度 向上や圧縮残留応力導入について紹介する。
2. キャビテーション - キャビテーションとは液体の速度が増大して圧力が 低下して液体が気体になる現象で, 圧力が回復すると, 気泡が液体に戻る。その際に気泡は Fig. 1 のような変 形をし[15], 凹んだ部分の流速が数千 m/s にも達し,こ れをマイクロジェットと呼ぶ。また気泡が短時間に崩 壊するために再膨張し,その際に衝撃波を生じる。こ れらのマイクロジェットや衝撃波により金属材料をも 塑性変形させるような衝撃力を発生する。ただし,流 体機械に致命的損傷を与えるキャビテーションは単一 気泡ではなく, Fig. 2 に示すような微細気泡からなる微 細気泡列である[16]。 微細気泡列では, 気泡列の端部か ら気泡の崩壊が始まり,崩壊が加速的に生じることに
Fig. 1 Micro-jet in single spherical bubbleFig. 3Aspect of impinging cavitating jetFig. 2Severe erosive string cavitationより衝撃力が大になると考えられている。キャビテー ション衝撃力をピーニングに有効利用するためには, 上記の微細気泡列を高頻度で発生させる必要がある。 そのために,著者らは, 高速水噴流を水中に噴射して、 高速水噴流の周囲にキャビテーションを発生させるキ ャビテーション噴流を用いている。これまでに水槽試 験装置や超音波装置により発生させたキャビテーショ ンを用いて,その気泡崩壊時の衝撃力による圧縮残留 応力導入が報告されていたが[17][18], キャビテーショ ン衝撃力が弱く十分なピーニング効果を得ることがで きず,またキャビテーションの発生領域も限定されて いた。ピーニングに有効利用できるキャビテーション 噴流の様相を Fig. 3 に示す[19]。 Fig. 4 には, Fig.3 のよ うな瞬間写真ならびに高速度映画等[20]による観測結 果に基づいたキャビテーション噴流の模式図を示す。 ノズルスロート内部のはく離せん断層内や,高速水噴 流まわりのせん断層に生じる渦コア中心部などの低圧 部にキャビテーションが初生し,それが下流に流れる のに従って大きなキャビテーション気泡雲を形成する。 このキャビテーション気泡雲が衝突すると,円環状の 微細気泡列を形成し,やがてその一部が崩壊する。キ ャビテーション噴流では,このキャビテーション気泡 雲は数 kHz で放出されることが明らかになっており, 高頻度で衝撃力が大なる微細気泡列を発生できる。な- 239 -Erosive string cavitation Round string cavitationString cavitation in shear laverWater jetNozzleCavitation cloudImpinging surfaceFig. 4Schematic diagram of cavitating jetお, Fig.3 中の白い矢印で示す位置には、キャビテーシ ョン衝撃力計測センサ[21][22]が埋め込んであり,衝撃 力の検出とせん光時間 0.4 us のフラッシュランプが同 期されているので, Fig.3 は衝撃力を発生したときのキ ャビテーションの様相である。衝撃力を発生している ときもキャビテーション気泡が白く見えていることか ら,衝撃波により衝撃力を発生している可能性が高い と考えられる。 . 従来,キャビテーション噴流は,水を貯留した水槽 内に高速水噴流を噴射してキャビテーションを発生さ せてきた(水中キャビテーション噴流)。Soyama は, キャビテーション・ショットレス・ピーニングのため に,大気中に低速水噴流を噴射してその中心部に低速 水噴流を噴射することにより,大気中に直接的にキャ ビテーション噴流を形成する気中キャビテーション噴 流を実現した[13]。 さらに, 最適化した気中キャビテー ション噴流は,水中キャビテーション噴流よりも加工 能力が高いことを実証した[13]。気中キャビテーション 噴流の加工能力は、低速水噴流の噴射圧力などにより 大きく異なるが,最適化した場合には高速水噴流と低速水噴流が干渉して, Fig.5 に示すような非定常挙動を 示す。低速水噴流の波状模様と高速水噴流まわりのキ ・ャビテーション気泡雲の放出周期は一致している[14]。 気中キャビテーション噴流のほうが水中キャビテーシ ョン噴流よりも加工能力が大である理由としては以下 の三つが考えられる。まず,低速水噴流の衝突圧力に より微細気泡列が崩壊する場の圧力が大であるために, 崩壊衝撃力が大となる。また水中キャビテーション噴 流ではキャビテーション気泡崩壊後の残留気泡が循環 してキャビテーション噴流に取り込まれることにより キャビテーションの発生領域は大となるがクッション 効果により衝撃力が弱まるが,気中キャビテーション 噴流では残留気泡が循環しないのでクッション効果が 小さくなり衝撃力が大となる。さらに, Fig. 5 に示した ように高速水噴流の変動と低速水噴流の変動が干渉し て圧力波を生じるために,衝撃力が大となる可能性が ある。これらの三つの理由については,気中キャビテ ーション噴流ばかりでなく,水中キャビテーション噴 流においても,水中キャビテーション噴流の周囲に低 速水噴流を噴射することにより,キャビテーション衝 撃力が大となる可能性がある。祖山らは,最適化した 低速水噴流を伴う水中水キャビテーション噴流は,低 速水噴流なしの水中キャビテーション噴流よりもピー ニング加工能力が大であることを実証した[23][24]。 い うまでもなく,キャビテーション噴流においては,高 速水噴流まわりのせん断層にキャビテーションが発生 するので、高速水噴流の周囲に低速水噴流を噴射する ことは、キャビテーションの発生を弱めてしまう効果 がある。よって,低速水噴流によりキャビテーション 衝撃力を強める場合には最適噴射圧力が存在する。Low-speed water jetHigh-speed water jetリー用-1920 mmCHANNIJINCavitationFig. 5Appearance of a cavitating jet in air3. CSP による圧縮残留応力導入- Fig.6には,ステンレス鋼(JIS SUS316L)を気中キ ャビテーション噴流,水噴流を伴う水中キャビテーシ ョン噴流,水噴流なしの水中キャビテーション噴流に より,スタンドオフ距離 sを変えて,それぞれ1 mm/s で処理した場合の試験片表面の残留応力を示す。いず れの場合もキャビテーション噴流の高速水噴流の噴射 圧力は 30 MPa で, スロート部直径 1 mm のノズルを使 用した。いずれのキャビテーション噴流でも圧縮残留 応力を導入できることがわかる。なかでも気中キャビ テーション噴流で加工した場合が最も圧縮残留応力が 大となっている。また水噴流を伴わない水中キャビテ ーション噴流の場合には, s = 25 mm と 65 mm におい て圧縮残留応力が極大を示すことがわかる。Fig.7には 各キャビテーション噴流で極大値を示す条件において、100Cavitating jet in water without associated jetKAKI本JHHHH至Residual stress OR MPa本 A II 本王 EH #HHCavitating jet in water with associated jetCavitating jet in air -500 10_20406080 100Standoff distance s mm Fig. 6 Residual stress changing with standoff distanceFig. 6Cavitating jet in water without associated jet at s= 25 mmCavitating jet in water without associated jet at s= 65 mmResidual stress OR MPa-10> Cavitating jet in water.. with associated jet Cavitating jet in air????????????????????????? nn?0 10 20 30 40 50Processing time per unit length ts s/mm Fig. 7 Residual stress changing with processing time240単位長さあたりの処理時間を変えて残留応力を計測 した結果を示す。いずれの条件においても処理時間と ともに圧縮残留応力が増大している。気中キャビテー ション噴流の場合には, t 20 s/mm において圧縮残 留応力が-600 MPa程度で飽和しているが,水中キャビ テーション噴流の場合には水噴流を伴う場合も水噴流 なしの s = 65 mm の場合でも, t 50 s/mm で飽和し ている。すなわち,水中キャビテーション噴流により 気中キャビテーション噴流と同程度の圧縮残留応力を 導入できるが,気中キャビテーション噴流のほうが短 時間で処理できる。なお水噴流を伴う水中キャビテー ション噴流のほうが水噴流なしの水中キャビテーショ ン噴流よりも大きな圧縮残留応力を導入できる。また 水噴流を伴わない水中キャビテーション噴流の s = 25 mm の場合には,t、が大になっても残留応力値は -400MPa 程度である。キャビテーション噴流の加工能 力を比較する一例として, アルミニウム(JIS 1050) 製 試験片を用いた壊食試験の結果,水噴流を伴わない水 中キャビテーション噴流の s = 25 mm の場合には,ス タンドオフ距離に対して圧縮残留応力が極大値を示し ているが,キャビテーション気泡の崩壊によるリング01, ts = 0 s/mm z, 0 ,X.X/に:::^::Residual stress 01, 02 MPa? ????????????2-8000_2 4 6 _ 8_ 10Penetration depth z um Residual stress changing with penetration depthFig. 8%D0s/mm12 4FWHM 120 deg02_46_8_10Penetration depth z um Fig. 9 FWHM changing with penetration depth状壊食痕よりも,噴流軸中心に液滴や液塊の衝突によ る損傷が顕著に認められるので, s = 25 mm のピークは キャビテーション衝撃力よりも液滴や液塊の衝突力に よるピーニング効果と考えられる[24]。 - Fig. 8には,窒化した合金工具鋼(JIS SKD61)を気 中キャビテーション噴流で処理した場合の残留応力の 深さ方向の変化を示す。2次元検出器を有する X 線回 折装置を用いた 2D 法により X 線の侵入深さを変えて 非破壊で計測した結果である。2D 法では垂直応力成分 ならびにせん断応力成分計測できるので, Fig. 8 では主 応力を算出して示す。計測方法については文献[25]を参 照されたい。単位長さあたりの処理時間も、が大なるほ ど圧縮残留応力が大となるのがわかる。Fig.9には, 回 折X 線の半価幅 FWHM 120について示す。既報[13] と同様に,圧縮残留応力が導入されているにも関わら ず,若干ばらつきは認められるものの、、が大なるほ ど半価幅が減少するという興味深い事実が認められる。4. CSP による疲労強度向上- Fig. 10 には, Fig.7と同様の条件で処理した試験片を 平面曲げ式疲労試験に供した結果を示す。なお処理時 間は、処理時間を変えた試験片を負荷応力一定で疲労 試験を行い,破断に至る回数を参考にして 1 = 40 s/mm とした[24]。Fig.7 より気中キャビテーション噴流,低 速水噴流を伴う水中キャビテーション噴流ならびに低 速水噴流なしの s = 65 mm の場合には,試験片に導入 されている表面の圧縮残留応力はほぼ同様であるが,1400R4oa MPaCavitating jet in air Cavitating, Cavitating jet in water with associated jetい350「Not-peened ToAmplitude of bendig stress300Cavitating jet in water without associated jet 「ats%3D65 mm火Cavitating jet in water without associated jet at s = 25 mm2501010^ 10 1 0 10'Number of cycles to failure N Fig. 10 S-N curve (JIS SUS316L)241疲労限には違いが見られる。Little の方法[26]を用いて 10'回における疲労強度を求めると, 気中キャビテーシ ョン噴流と低速水噴流を伴う水中キャビテーション噴 流では 360 MPa, 低速水噴流なしで s = 25 mm では 292 MPa, s = 65 mm では 327 MPaであり,未処理の 279 MPa に比べて疲労強度を向上できることがわかる。Fig. 11 と 12 には、ショット・ピーニング SP とキャ ビテーション・ショットレス・ピーニング CSP を比較 するために,未処理材 NP と併せて回転曲げ疲労試験 の結果を,アルミニウム鋳物合金(JIS AC4CH-T6)とLOOKCSP 156MPaAmplitude of bendig stress o MPaspIsto\.97108100 100 10'Number of cycles to failure N Fig. 11 S-N curve (JIS AC4CH-T6)1000SP2 CSP931 MPa ...915SP1A●915Amplitude of bendig stress on MPaNP+++, 777 X→700100108100 100 10' Number of cycles to failure NFig. 12 S-N curve (JIS SCM420)[6],浸炭したクロムモリブデン鋼(JIS SCM420) [27] について示す。それぞれの疲労強度を図中に示す。ア ルミニウム合金のような比較的軟らかい材料でも,浸 炭した比較的硬い材料でも,CSP のほうが SP よりも 疲労強度を向上できることがわかる。5.結言キャビテーション・ショットレス・ピーニング CSP について概説し,種々の金属材料に適用した場合のピ ーニング効果を示した。現在,CSPは金属材料ばかり でなく,半導体材料処理への適用も試みられ,シリコ ンウェーハのゲッタリング効果も実証されている [28][29]。得たる結果を要約すると以下のようになる。 (1) キャビテーション・ショットレス・ピーニングにより種々の材料に圧縮残留応力を導入でき,疲労強度を向上できる。 (2) 単に水中に高速水噴流を噴射したキャビテーション噴流よりも,噴射条件を最適化した気中キャ ビテーション噴流や低速水噴流を伴う水中キャ ビテーション噴流のほうがピーニング効果が大 である。「謝辞本研究の一部は日本学術振興会科学研究費補助金 [基盤研究(B)17360047] ならびに文部科学省 21 世紀 COE プログラム「ナノテクノロジー基盤機械科学フロ ンティア」によったことを記す。参考文献 [] 加藤洋治編著,“キャビテーション-基礎と最近の進歩-““,槇書店, 1999, pp. 189-248. 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