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科学研究費補助金 基盤研究(A) に関する報告
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ここでは，平成20年度に採択された，科学研究費補助金 基盤研究(A)
課題名「キャビテーション・ショットレス・ピーニングによる新機能層創成」
に関する報告を掲載しています。
課題名：キャビテーション・ショットレス・ピーニングによる新機能層創成
課題番号：20246030
研究期間：平成20年4月～平成23年3月
研究組織：代表者： 祖山 均 東北大学大学院工学研究科 教授
分担者： 千葉 晶彦 東北大学金属材料研究所 教授
分担者： 巨 陽 名古屋大学大学院工学研究科 教授
研究目的：
本研究は，キャビテーション気泡の崩壊衝撃力を機械材料の表面改質に有効利用する
キャビテーション・ショットレス・ピーニングCSP
について，初代CSPでの圧縮残留応力導入による応力腐食割れの抑
止，第２世代CSPでのキャビテーション衝撃力の強力化による機械材料の疲労強度向上を踏まえて，
被加工物に形成されるミクロ歪（結晶粒内の歪）という新たな概念に着目し，CSPにより破壊の起点
となるミクロ歪を低減して，さらに加工硬化させ，かつ弾性的に軟化させて摩擦摩耗特性の向上を達
成する新機能層を創成する第３世代CSPの構築を目的とし，摩擦摩耗特性が問題となる機械部品など
への展開を図るともに，CSP処理面の電磁磁気的評価法の構築を目指す。そのために本研究では，
(Ⅰ)ミクロ歪計測法の構築，(Ⅱ)CSP処理面の金属組織学的評価，(Ⅲ)CSP処理面の摩擦摩耗特性の解
明，(Ⅳ)CSP処理条件の最適化，(Ⅴ)CSP処理面の電磁気的評価法の構築，(Ⅵ)CSPによる高機能層創
成法の構築なる項目を実施して，目的の達成を図る。
平成20年度研究実績
(Ⅰ)ミクロ歪計測法の構築
金属多結晶材料のミクロ歪を評価できるように構成した粒内歪計測用X線回折装置を購入し，ナノ粒
子の結晶粒径や歪の計測に使用されているファンダメンタルパラメータ法を用い，研削仕上げしたス
テンレス鋼を供試材としてキャビテーション・ショットレス・ピーニングで処理してミクロ歪を計測
し，キャビテーション・ショットレス・ピーニングによりミクロ歪が低減することを明らかにした。
(Ⅱ)CSP処理面の金属組織学的評価
合金工具鋼のミクロ歪をファンダメンタルパラメータ法で計測するとともに，透過型電子顕微鏡で観
察し，キャビテーション・ショットレス・ピーニングにより転位に関わる歪が低減することを明らか
にした。
(Ⅲ)CSP処理面の摩擦摩耗特性の解明
工作機械のガイドを模した球状黒鉛鋳鉄を供試材とし，直動型摩擦試験機により摩擦試験を行い，摩
擦係数??のすべり速度vに対する依存性（? ? v 特性）の負勾配を，キャビテーション・ショットレ
ス・ピーニングにより改善できることを明らかにした。
(Ⅳ)CSP処理条件の最適化
キャビテーション噴流用ノズルに設けた円筒形状の直径ならびに長さを変えた出口形状を取り上げ
て，キャビテーション噴流による壊食試験を行い，ノズル出口形によりキャビテーション噴流の加工
能力を強力化できることを明らかした。
(Ⅴ)CSP処理面の電磁気的評価法の構築
LCRハイテスタを購入して，渦電流法によりキャビテーション・ショットレス・ピーニングで処理し
た合金工具鋼を計測した結果，キャビテーション・ショットレス・ピーニングにより透磁率および導
電率が向上することを明らかにした。
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| 〔雑誌論文〕 |
| H.Soyama, M.Shimizu, Y.Hattori and Y.Nagasawa, Improvement of the Fatigue Strength of the Elements of a Steel Belt for CVT by Cavitation Shotless Peening, Journal of Materials Science, Vol. 43, 2008, pp.5028-5030. |
| H.Soyama, Y.Sekine and Y.Oyama, Improvement of the Fatigue Strength of Stainless Steel SUS316L by a Cavitating Jet with an Associated Water Jet in Water, ISIJ International, Vol. 48, 2008, pp. 1577-1581. |
Y.Sekine and H.Soyama, Evaluation of the Surface of Alloy Tool Steel Treated by Cavitation Shotless Peening Using an Eddy Current Method, Surface & Coatings Technology, 2009, doi:10.1016/j.surfcoat.2009.02.018.
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| 〔学会発表〕 |
| H.Soyama, N.Yamada, O.Takakuwa, Y.Sekine and M.Mikami, Release of Micro Strain in Tool Alloy Steel by a Cavitating Jet in Air, 19th International Conference on Water Jetting, 2008年10月16日, イギリスノッティンガム. |
| 祖山 均，西澤一登，三上光弘，種々のキャビテーション噴流の加工能力の比較，2008年度日本ウォータージェット技術年次報告会，2009年1月24日，富山県滑川市． |
| 関根裕一，祖山 均，渦電流法による等二軸応力の評価，日本機械学会東北支部第44期総会・講演会，2009年3月13日，仙 台． |
| 祖山 均，X線回折によるせん断応力の評価，日本機械学会東北支部第44期総会・講演会，2009年3月13日，仙 台． |
| 高桑 脩，祖山 均，表面処理によって生じた残留応力のステンレス鋼の疲労強度に及ぼす影響，日本機械学会東北支部第44期総会・講演会，2009年3月13日，仙 台． |
| 祖山 均，後藤祥弘，キャビテーション場を活用した二酸化炭素の還元に関する基礎的研究，キャビテーションに関するシンポジウム（第１４回），2009年3月19日，仙 台．
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平成21年度研究実績
| 1. | 平面曲げ式疲労試験に供した試験片のミクロ歪をファンダメンタルパラメータ法により評価した結果，
疲労回数とともにミクロ歪が増減することが判明した。またステンレス鋼SUS316Lの表面仕上げの状態に
よっては疲労過程によりフェライト相が生成することが判明した。 |
| 2. | 微小硬さ試験機を用いて実験的にインデンテーション試験を行って荷重－変位曲線を求め，また弾塑
性解析による数値シミュレーションにより，X線回折による残留応力，曲げ試験による縦弾性係数計測と
併せて逆問題解析を行った結果，キャビテーション・ショットレス・ピーニングCSP処理により降伏応力
が向上することを明らかにした。 |
| 3. | CSP処理時間を変えて疲労試験片を行った結果，処理時間の増大とともに疲労寿命が向上し，やがて飽
和することから，最適なCSP処理時間の指針を得た。 |
| 4. | マクロな圧縮応力を付与した合金工具鋼を渦電流法を用いて評価し，マクロな歪を渦電流法で評価で
きることから残留応力を渦電流法で評価できる可能性が明らかになった。 |
| 5. | 種々の大きさのノズルからのキャビテーション噴流を用いてCSP処理を行い，残留応力を評価した結果，
ノズル口径が大なるほど深くまで圧縮残留応力を導入できることが明らかになった。またキャビテーショ
ン噴流の噴射圧力を変えてCSPを行った結果と併せて，噴射圧力を大とするよりもノズル口径を大とした
ほうが深くまで圧縮残留を導入できることが明らかになった。この事実は，ウォータージェットによる損
傷を回避してピーニングを施工する観点からも重要である。 |
| 6. | ハイブリッド車などに用いられるIPMモータの電磁鋼板をCSP処理した結果，CSP処理により電磁鋼板の降伏応力を向上できることが明らかになった。
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| 〔雑誌論文〕 |
| 関根裕一, 祖山 均, キャビテーション・ショットレス・ピーニングによる鍛造用金型の表面改質, 自動車技術会論文集, Vol. 40, 2009, pp. 861-866. |
| Y. Sekine and H. Soyama, Surface Modification of Alloy Tool Steel for Forging Dies by Cavitation Peening, Review of Automotive Engineering, Vol. 30, 2009, pp. 393-399. |
| H. Soyama and Y. Sekine, Sustainable Surface Modification Using Cavitation Impact for Enhancing Fatigue Strength Demonstrated by a Power Circulating-Type Gear Tester, International Journal of Sustainable Engineering, Vol. 3 (1), 2010, pp. 25-32. |
M. Nishikawa and H. Soyama,Indentation Technique for Characterization of the Metal Surface Modified by Cavitation Peening, Metal Finishing News, Vol. 10 (6), 2009, pp. 58-60.
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| 〔学会発表〕 計（16）件 うち招待講演 計（2）件 |
| 祖山 均, 前田 敏之, キャビテーションピーニングによるステンレス鋼の表面改質層の降伏応力向上, 日本材料学会第58期学術講演会, 2009年5月24日, 松山. |
| 高桑 脩, 松本 洋明, 千葉 晶彦, 祖山 均, キャビテーションピーニング処理した合金工具鋼の透過型電子顕微鏡観察, ショットピーニング技術協会講演会, 2009年5月28日, 東京. |
| 祖山 均, 小山 洋祐, ファンダメンタルパラメータ法によるステンレス鋼のミクロ歪の評価, 日本機械学会M&M2009 カンファレンス, 2009年7月26日, 札幌. |
| H. Soyama, K. Nishizawa and M. Mikami, Enhancement of Cavitation Aggressivity around a Cavitating Jet by Injecting Low-Speed Water Jet for Cavitation Peening, 7th International Symposium on Cavitation, 2009年8月20日, 米国アナーバー. |
| 祖山 均, 進木 貴弘, 山口 健, 堀切川 一男, キャビテーションピーニングによる球状黒鉛鋳鉄の摩擦特性の改善, 日本機械学会2009年度年次大会, 2009年9月14日, 盛岡. |
| 高桑 脩, 祖山 均, キャビテーションピーニングによる駆動モータ用電磁鋼板の降伏応力向上, 日本機械学会2009年度年次大会, 2009年9月15日, 盛岡. |
| 祖山 均, 村岡 卓, 流動キャビテーションによるヒドロキシラジカルの生成, 日本機械学会東北支部第45期秋季講演会, 2009年9月26日, 福島. |
| 祖山 均, キャビテーション残留気泡による圧力容器鋼の酸化促進作用, 日本機械学会東北支部第45期秋季講演会, 2009年9月26日, 福島. |
| 関根 裕一, 祖山 均, キャビテーションピーニングを施した歯車の渦電流法による評価, 自動車技術会2009年秋季大会学術講演会, 2009年10月7日, 仙台. |
| 西川 雅章, 祖山 均, キャビテーションピーニングによる表面改質層の圧子押込み試験を用いた評価, ショットピーニング技術協会シンポジウム2009, 2009年10月15日, 東京. |
| 西川 雅章, 高桑 脩, 祖山 均, キャビテーションピーニングによる金属表面改質層の降伏応力変化がもたらす疲労特性への影響, 日本材料学会第14回破壊力学シンポジウム, 2009年10月24日, 石垣島. |
| Y. Sekine and H. Soyama, Electromagnetic Properties Varied with Applied Equibiaxial Stress Measured by an Eddy Current Method, 13th Asia-Pacific Conference on Non-Destructive Testing, 2009年11月10日, 横浜. |
| H. Soyama, K. Nishizawa and M. Mikami, Comparison of Abilities of Various Cavitating Jets, 9th Pacific Rim International Conference on Water Jetting Technology, 2009年11月24日, 郡山. |
| 祖山 均, 内藤 暁馬, 高桑 脩, ウォータージェット加速による循環型ショットピーニング法の提案, 2009年度日本ウォータージェット技術年次報告会, 2010年1月29日, 八戸. |
| 西川 雅章, 高桑 脩, 祖山 均, 球状圧子を用いた押込み試験による金属表面改質層の評価, 日本機械学会関東支部第16期総会講演会, 2010年3月11日, 東京. |
| 祖山 均, キャビテーションピーニングによる表面改質とその評価, 日本材料学会東北支部材料フォーラム, 2010年3月30日, 米沢. |
平成22年度研究実績
| 1. | キャビテーション・ショットレス・ピーニングCSPによりミクロ歪を低減しながら圧縮残留応力を導入できことを明らかにしてきた。一方，水素社会の実現には金属材料を水素環境にさらすと脆化する「水素脆化」の解決が喫緊の課題となっているが，圧縮残留応力の導入により水素脆化を抑止できる可能性がある。本研究において，ステンレス鋼SUS316Lを供試材とし，CSPで処理した試験片と未処理の試験片を水素環境にさらして亀裂進展試験を行った結果，CSPにより亀裂進展を抑止できる，すなわちCSPにより水素脆化を抑止できることを実証した。 |
| 2. | 一般の圧縮残留応力を導入する表面改質法では，圧縮残留応力を導入すると転位などのミクロ歪が増大してしまい，転位などに水素が捕捉され水素脆化が促進されてしまうが，CSPではショットレスでピーニングできるので，ミクロ歪の増大を抑止して圧縮残留応力を導入でき，CSPにより水素脆化を抑止できる機構を明らかにした。 |
| 3. | CSPによる表面改質層の電磁気的特性を渦電流法で計測し，逆問題解析により表面改質層の電磁気的特性を評価して，残留応力の深さ方向の分布と比較し，渦電流法によりCSPによる表面改質層の深さを非破壊で評価できることを明らかにした。 |
| 4. | CSPによる処理時間を変えた試験片の亀裂進展試験を行って，CSP処理時間とき裂進展速度の関係を明らかにし，CSPの処理時間の最適化を行った。 |
| 5. | CSPで処理したローラなどを摩擦摩耗試験に供し，CSPにより摩擦摩耗特性を向上できることを実証した。 |
| 6. | CSPにより塑性硬さを増大しながら，弾性硬さを低減できることを実証し，CSPによる新機能層を創成できることを明らかにした。
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| 〔雑誌論文〕 計（13）件 うち査読付論文 計（10）件 |
| 西川 雅章，高桑 脩，祖山 均, キャビテーションピーニングを受けたステンレス鋼の表面改質層の降伏応力分布と疲労特性の評価, 日本機械学会論文集（A編）, Vol. 76, 2010, pp. 1367-1372. |
| 西川 雅章，河原木 雄介，祖山 均, 球状圧子を用いた微小押込み試験による金属材料の降伏応力の同定法, 日本機械学会論文集（A編）, Vol. 76, 2010, pp. 1781-1788. |
| O.Takakuwa, M.Nishikawa and H.Soyama, Suppression of fatigue crack propagation in steel by cavitation peening, Metal Finishing News, Vol. 11 (3), 2010, pp. 58-60. |
高桑 脩，西川 雅章，祖山 均,キャビテーションピーニングによる圧縮応力付与, 砥粒加工学会, Vol. 54, 2010, pp. 574-577.
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H.Soyama，Corrosion behavior of pressure vessel steel exposed to residual bubbles after cavitation bubble collapse, Corrosion, Vol. 67, 2011, pp. 025001-1－8.
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H.Soyama, T.Kikuchi, M.Nishikawa and O.Takakuwa,Introduction of compressive residual stress into stainless steel by employing a cavitating jet in air, Surface & Coatings Technology, Vol. 205, 2011, pp. 3167-3174.
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O.Takakuwa, M.Nishikawa and H.Soyama,Suppression of fatiue crack growth in austenite stainless steel by cavitation peening, Key Engineering Materials, Vol. 452-453, 2011, pp. 641-644.
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M.Nishikawa and H.Soyama,Two-step method to evaluate equibiaxial residual stress of metal surface based on micro-indentation tests, Materials & Design, Vol. 32, 2011, pp. 3240-3247.
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祖山 均,キャビテーションピーニングの原理と応用, ふぇらむ, Vol. 16, 2011, pp. 221-227.
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H.Soyama and O.Takakuwa,Enhancing the aggressive strength of a cavitating jet and its practical application, Journal of Fluid Science and Technology, 2011, 掲載確定.
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O.Takakuwa, M.Nishikawa and H.Soyama,Technique for partially strengthening electrical steel sheet of IPM motor using cavitation peening, Materials Science and Technology, 2011, 掲載確定.
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O.Takakuwa, M.Nishikawa and H.Soyama,Suppression of fatigue crack propagation with hydrogen embrittlement in stainless steel by cavitation peening, Strength, Fracture and Complexity, 2011, 掲載確定.
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高桑 脩，西川 雅章，祖山 均,Evaluation of the enhanced cavitation impact energy using a PVDF transducer with an acrylic resin backing, Measurement, 2011, 掲載確定.
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| 〔学会発表〕 計（15）件 うち招待講演 計（2）件 |
| 祖山 均，内藤 暁馬，高桑 脩, 水噴流加速式循環型ショットピーニング法の開発, ショットピーニング技術協会講演会, 平成22年5月20日, 東京. |
| 西川 雅章，高桑 脩，祖山 均, キャビテーションピーニングを受けたステンレス鋼の表面き裂の疲労進展挙動, 日本材料学会第59期学術講演会, 平成22年5月22日, 札幌. |
| 祖山 均，高桑 脩，小山 洋祐, 各種ピーニング処理による溶接部の疲労強度向上の検討, 日本材料学会第59期学術講演会, 平成22年5月23日, 札幌. |
| 祖山 均，西澤 一登, キャビテーション噴流の非定常特性におけるノズル出口形状の影響, 日本混相流学会年会講演会, 平成22年7月17日, 浜松. |
| H.Soyama and O.Takakuwa, Enhancement of aggressivity of cavitating jet and its practical application, International Conference on Jets, Wakes and Separated Flows, 平成22年9月28日, シンシナティ，米国. |
| 西川 雅章，高桑 脩，山宮 康平，祖山 均, キャビテーションピーニングによるステンレス鋼の疲労き裂進展抑制効果に関する数値解析, 日本機械学会M&M2010材料力学カンファレンス, 平成22年10月10日, 長岡. |
| 祖山 均, キャビテーションピーニングにおけるキャビテーション噴流の流速および寸法の影響, 日本機械学会M&M2010材料力学カンファレンス, 平成22年10月10日, 長岡. |
| H.Soyama and T.Muraoka, Chemical reactor using radical induced by a cavitating jet, 20th International Conference on Water Jetting, 平成22年10月20日, グラーツ，オーストリア. |
| 山宮 康平，高桑 脩，西川 雅章，祖山 均, キャビテーションピーニングを受けたステンレス鋼の疲労き裂進展挙動の評価, 第54回日本学術会議材料工学連合講演会, 平成22年10月26日, 京都. |
| 高桑 脩，大見 敏仁，西川 雅章，横堀 壽光，祖山 均, 圧縮残留応力付与による水素脆化抑止に関する数値解析, 第54回日本学術会議材料工学連合講演会, 第54回日本学術会議材料工学連合講演会, 平成22年10月26日, 京都. |
| 河原木 雄介，西川 雅章，祖山 均, 非局所結晶塑性理論を用いた微小押込み試験によるステンレス鋼の評価, 第54回日本学術会議材料工学連合講演会, 平成22年10月26日, 京都. |
| 高桑 脩，西川 雅章，祖山 均, キャビテーションピーニングによるステンレス鋼の水素脆化抑止, 日本機械学会流体工学部門講演会, 平成22年10月31日, 米沢. |
| 長坂 和哉，高桑 脩，祖山 均, キャビテーション噴流の加工能力におけるノズル部の寸法と噴射圧力の影響, 日本機械学会流体工学部門講演会, 平成22年10月31日, 米沢. |
| 祖山 均, 流動キャビテーションのけるラジカル反応, キャビテーションに関するシンポジウム（第15回）, 平成22年11月23日,堺. |
| 高桑 脩，内藤 暁馬，祖山 均, 水噴流加速式循環型ショットピーニングによるステンレス鋼の水素脆化抑止, 2010年度ウォータージェット技術年次報告会, 平成23年1月21日, 名古屋. |
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