36 神奈川県産業技術センター研究報告No.13／2007
熱間金型用鋼（SKD61）の熱疲労特性に及ぼす
微粒子ピーニングの効果
材料技術部 構造材料チーム 高 木 眞 一
材料加工チーム 薩 田 寿 隆
構造材料チーム 佐 野 明 彦
熊 谷 正 夫
熱間金型用鋼（SKD61）の熱疲労き裂の発生と成長挙動に及ぼす微粒子ピーニング処理の影響を評価した。843K
への加熱と373K への冷却を2000 サイクル繰り返す熱疲労試験を施した結果，微粒子ピーニング処理した試料の熱
疲労き裂の発生頻度は未処理材と比較して明らかに減少していた。また，これと同様に微粒子ピーニング処理後にラ
ジカル窒化処理を施した試料も優れた熱疲労特性を示した。微粒子ピーニング処理を施した試料を透過型電子顕微鏡
を用いて観察した結果，表面近傍には結晶粒径が100nm 未満のナノ結晶組織が生成しており，843K での焼鈍あるい
はラジカル窒化処理後も結晶粒径が100nm 前後の超微細粒組織を維持していた。このようなミクロ組織の微細化が
熱疲労き裂の発生と成長を抑制したと考えられる。
キーワード：ナノ結晶，ショットピーニング，ヒートチェック，ヒートクラック，ダイカスト
１ はじめに
微粒子ピーニング処理は，直径数十ミクロン程度の微粒
子を200m/sec 程度の高速で投射する一種のショットピー
ニング加工である。粒子径が小さいことに起因して，多段，
多方向，非同期の大歪み加工が表面近傍に集中して起こる
ために，表面近傍にナノ結晶組織が生成することが報告さ
れている1)2)。このような強加工によって生成されるナノ
結晶組織は約873K まで粗大化することなく維持されると
いう特徴を示すことから1)2)，温間域に曝される金型の寿
命向上に有効であると予想される。そこで，本研究では，
アルミダイカスト用金型に用いられる熱間金型用鋼
（SKD61）の熱疲労特性に及ぼす微粒子ピーニング処理の
効果について評価した結果を報告する。
２ 実験方法
実験には焼入れ焼戻しによりHRC48 の硬さに調整した
SKD61 鋼を用いた。これを図１に示すような円盤状試験
片に加工した。微粒子ピーニング処理は円盤状試験片の盤
面に対して吸引式のショットピーニング装置を用いて表1
に示す条件で実施した。吸引式ショットピーニング装置と
は，圧縮空気による吸引力により粒子タンク内の粒子を吸
引して噴射する方式の装置である。ショットピーニングの
強さを表すアークハイト3)は0.14mmN であった。また，
微粒子ピーニングに引き続き，ラジカル窒化処理を施した
試料も準備した。ラジカル窒化とは，イオン密度の低い低
エネルギープラズマを発生させ，活性な窒素（ラジカル
種）により窒化する手法であり，従来のイオン窒化と比較
してスパッタリングによる表面損傷や表面での化合物層の
生成がないことを特徴とする。
熱疲労試験は，873K に加熱した鋼製ブロックを試験片
の盤面全体に押しつけて表面を加熱した後，直ちに373K
の湯に漬けて冷却させる熱サイクルを試料に加えて実施し
た4)。これにより試験片表面は160sec の間に843K にまで
加熱された後，15sec 間で373K に冷却される。このサイ
クルを2000 回繰り返した後，表面からのき裂の発生状況
を評価した。すなわち，熱疲労特性試験を終了した試験片
の中心から半径方向に沿って断面のミクロ組織を観察し，
き裂の数および各き裂の深さを計測した。
３ 結 果
図２に熱疲労試験後のき裂の分布状況を示す。横軸には
き裂の深さを，縦軸には試験片の半径方向に沿った単位長
20 φ58
熱疲労特性評価面
M8ネジ深10
図１ 試験片の形状
表１ 微粒子ピーニング条件
45 0.14
アークハイト
粒子材質(mmN)
硬さ
HV
平均粒子径
(μm) 噴射方式
圧縮空気圧
(MPa)
炭素鋼700 吸引式0.4
神奈川県産業技術センター研究報告No.13／2007 37
さ当たりのき裂の数を示す。図のように未処理材と比較し
て，微粒子ピーニングを施した場合の方が，き裂の数，深
さ共に減少している。この傾向はラジカル窒化処理を施し
た場合でも共通である。
図３は，微粒子ピーニングによって熱疲労き裂が減少す
る理由を考察するために，透過型電子顕微鏡（TEM）に
より表面近傍のミクロ組織を観察した結果である。図３
(a)の明視野像に示すように表面近傍には微粒子ピーニン
グによって塑性流動した様子が観察される。この領域の電
子線回折図形（図３(b)）がbcc 構造を反映したリング状
の形状を示すことからこの領域がランダムな結晶方位分布
を持つ多数の結晶粒で構成されていることが判明した。さ
らに，暗視野像（図３(c)）より表面近傍に結晶粒径が
100nm 未満のナノ結晶組織が形成されていることがわか
る。微粒子ピーニングに引き続いて熱疲労試験と同様の
843K での焼鈍処理を施した場合，あるいはラジカル窒化
処理を施した場合の暗視野像を図４(a)および図４(b)に
各々示す。いずれの試料も焼鈍あるいは窒化処理時の加熱
により，結晶粒径が若干粗大化しているものの結晶粒径が
100nm 前後の超微細粒組織を維持している。これらのこ
とから，微粒子ピーニングにより表面近傍の結晶粒径が微
細化したために熱疲労き裂の発生と成長が抑制され優れた
熱疲労特性を示したものと推測される。
図５に微粒子ピーニング処理を施した試料の熱疲労試験
後の断面を走査型電子顕微鏡で観察した結果を示す。2000
回の熱サイクルを経た後にもかかわらず，表面近傍には微
粒子ピーニングによって形成されたと思われる塑性流動が
観察される。このことも熱疲労試験中も微粒子ピーニング
による微細組織が粗大化することなく維持されたために，
熱疲労き裂の生成が抑制されたことを示唆している。なお，
熱疲労試験により表面に酸化皮膜（Fe3O4）が生成するこ
とが判明しているが，この酸化皮膜はFe 原子の外方拡散
によって外側に成長する酸化膜であり，微粒子ピーニング
による微細組織が酸化皮膜の生成により消失することなく
維持されたものと推測している。
４ まとめ
アルミダイカスト用金型に用いられる熱間金型用鋼
（SKD61）の熱疲労特性に及ぼす微粒子ピーニング処理の
効果について評価したところ，微粒子ピーニング処理に
よって熱疲労き裂の発生と成長が大幅に抑制されることが
判明した。これは微粒子ピーニングによって表面近傍にナ
ノ結晶組織が形成され，2000サイクルの熱疲労試験中も結
晶粒径が顕著に粗大化することなく維持されるためにき裂
の発生と成長が抑制されたと考えられる。
文 献
1) 高木眞一，熊谷正夫，小沼誠司，伊藤裕子，下平英
二；鉄と鋼，92，318(2006)．
2) 戸高義一，梅本 実；日本金属学会誌，67，690
(2003)．
3) ショットピーニング技術協会；“金属疲労とショット
ピーニング”，現代工学社，p.114(2005)．
4) 日原政彦；“ダイカスト用金型の寿命対策”，日刊工業
新聞社，p.19(2003)．
a 表面表面
b
c
200nm 200nm
図３ 微粒子ピーニング処理した試料の表面近傍のミクロ組織
a)明視野像．b)制限視野回折図形．c)暗視野像．
200nm 200nm
a 表面b 表面
図４ 微粒子ピーニング処理後焼鈍あるいはラジカル窒化処理
を施した場合の結晶粒径の変化（暗視野像）
a)843K 焼鈍材．b)ラジカル窒化処理材
5μm
酸化皮膜（Fe3O4)
図５ 熱疲労試験後のミクロ組織
（微粒子ピーニング処理材）
0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
0 10 20 30 40 50 60 70 80
熱疲労き裂深さ(μm)
1mmあたりのき裂の個数
未処理
微粒子ピーニング+ラジカル窒化
微粒子ピーニング
図２ 熱疲労試験後のき裂分布
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