ショットピーニングで疲労強度は上がるか——効く部品・効かない条件と、効果の確かめ方

まず、割れの起点と使い方から、効く場面かどうかを見る

「疲労で割れたからショットピーニングを追加する」と決める前に、割れた部品から分かることを整理しておくと、処理を足して効くのか、別の手を打つべきかの見当がつく。見る順番は、割れの起点の場所、部品の形（切欠きやねじの谷、段付きの角があるか）、使用温度、荷重の向きと大きさである。

表の結果は、それぞれの論文の材料・形・試験条件でのものである。数字をそのまま自社の部品に当てはめることはできないが、効きやすい場面と効きにくい場面があることは読み取れる。割れが表面の応力集中部から始まっていて、室温付近で使う部品なら、検討する価値は高い。起点が内部の介在物や鋳巣、溶接の欠陥なら、表面の処理を足すより、材料や工程の側を見直すほうが先になる。

効く仕組み——硬さではなく、圧縮の残留応力

JIS B 2711（ばねのショットピーニング）は鋼製ばねを対象にした規格だが、条件の決め方と報告の項目は、ほかの部品の処理を頼むときにも参考になる。同じ規格は、ショットピーニングを、ばねの表面層に球形に近い硬い粒を高速で当てて疲労強度と耐応力腐食割れ性を高める冷間加工とし、表面に圧縮残留応力を与え、表面を加工硬化させると定義している^[1]。二つの作用が書かれているが、疲労に効いている主役は圧縮残留応力のほうだと考えておくのがよい。

アルミニウム合金鋳物を調べた論文は、ピーニングで疲労強度が上がった要因を表層の圧縮残留応力とし、残留応力を繰返し負荷の平均応力として扱うことで疲労限度を評価できるとした。一方で、表層の硬化は疲労強度の向上に寄与しなかったと結論している^[5]。圧縮の残留応力は、使用中にかかる引張の応力を打ち消す方向に働くので、割れの芽が開きにくくなる、という理解である。

この理解に立つと、発注する側が確かめるべきものも決まる。ピーニングした後の表面の硬さを測っても、効いたかどうかの判断材料にはなりにくい。見るべきは、表面と深さ方向の残留応力が、狙った大きさと深さで入っているかである。ばね鋼の例では、圧縮の層は表面から約 0.3 mm まで及んでいた^[2]。チタン合金の例では、深さ約 70 μm の範囲に最大 600 MPa の圧縮残留応力が入っていた^[4]。材料と条件で深さも大きさも変わるので、狙う値は部品ごとに決める。

効かなくなる条件——高温・使用中の緩み・長寿命・後加工

圧縮の残留応力は、入れたら永久に残るものではない。発注前に、次の四つの条件に当てはまらないかを見ておく。

高温で使う部品

Ti-6Al-4V 合金を 20・250・350・450 ℃で試験した論文では、ピーニングした試験片の疲労強度が 20 ℃で約 27 %、250 ℃で約 21 %、350 ℃で約 7 % 上がった一方、450 ℃では約 41 % 下がった^[3]。450 ℃でピーニングの後に電解研磨した試験片は 470 MPa で、未処理と同じ程度まで戻った^[3]。著者らは、450 ℃では表層の圧縮残留応力が繰返し負荷の間に消え、ピーニングで粗くなった表面だけが残ったため強度が下がったと説明している^[3]。温度が上がるほど上がり幅が小さくなり、ある温度を超えると逆効果になる。高温で使う部品にピーニングを足すときは、使用温度での試験で確かめてから決める。

使用中の負荷で緩む

入れた残留応力は、使っている間の負荷でも変わる。SUS316L 鋼の疲労試験中に残留応力をその場で測った 2025 年の論文では、圧縮の残留応力は引張の負荷で減り、圧縮の負荷で増えた。減るのは芯部が引張で降伏したため、増えるのは芯部が圧縮で降伏したためで、繰返し負荷での変化は応力比によって変わると報告している^[6]。ばね鋼のねじり疲労でも、圧縮の層は疲労の負荷で緩和していた^[2]。大型のばね鋼板の片振り曲げでは、引張側の表面の残留応力は破断の直前まであまり変わらず、直前に急に下がった。圧縮側は初期に大きく減った^[7]。どの程度残るかは荷重の大きさと向きで決まるので、使用時の荷重条件を処理の相手に伝えることが欠かせない。

長寿命の領域と腐食環境

ばね鋼の腐食疲労では、ピーニングで中寿命の範囲の強度は上がったが、10⁷ 回前後の長寿命の範囲では未処理に近づいた^[2]。何回の繰返しで評価するかで、「効いた」かどうかの答えが変わりうる。部品が受ける繰返し数の見込みは、試験を頼むときにも欠かせない情報になる。

ピーニングの後で削る・熱を入れる

入れた圧縮の層は薄い。ピーニングの後に仕上げの研削や研磨で表面を削れば、層そのものを取り去ってしまう。熱処理や焼付け塗装のように熱が加わる工程が後にある場合も、残留応力が変わりうる。工程の順番は、ピーニングの位置づけを決めるときに必ず確かめる。JIS B 2711 は、ピーニングした材料はさびやすいので防せいの処理をすることも求めている^[1]。

処理の条件は、数字で書いて合意する

ショットブラスト（素地調整）とショットピーニングは目的も記号も違う。その違いと、図面に書く項目の基本はショットブラストの指定で扱っている。ここでは、疲労対策として頼むときに、条件のどこを詰めておくかを見る。

JIS B 2711 は、ピーニングの条件をショットの種類、アルメンストリップの種類と要求するアルメンアークハイト、指示した位置・範囲でのカバレージ、（協定によって）ピーニングの時間で決めるとしている^[1]。そのうえで、ピーニングした材料の機械的性質は、ショットの大きさ・形・材料の硬さで効果が変わるので、必ずしもアークハイトに比例するとは限らないと注記している^[1]。アークハイトは処理の強さを管理する物差しであって、部品の疲労強度そのものを保証する数字ではない。

表は JIS B 2711 の表 1 から抜粋した^[1]。同じ規格は、強さを要求する場合はサチュレーション時間（投射時間を 2 倍にしてもアークハイトの増加が 10 % を超えない最小の時間）で評価するとし、4 条件以上の投射時間でアークハイトの曲線を描いて決めるとしている^[1]。管理の頻度（アークハイト・カバレージ・粒度分布をどれだけの頻度で測るか）は受渡当事者間の協定による^[1]。頻度を決めずに発注すると、何も測られないまま処理が続くこともありうる。

規格には、二段ピーニング（強い条件で深く入れたあと、弱い条件で表面近くに入れる）、使用時の力に相当する静的な力をかけたまま行うストレスピーニング、鋼製ばねを 150〜350 ℃に上げて行う温間ピーニング、呼び径 0.2 mm 以下のショットを使うファインピーニングも定義されている^[1]。どれを選ぶかは、狙う深さと、使用中に保ちたい残留応力の大きさで決まる。処理の会社に「どの方式が向くか」を聞くときも、割れの起点の深さと使用時の荷重が判断の材料になる。

効いたかどうかを確かめる方法

処理を足しただけでは、効いたかどうかは分からない。確かめ方は、残留応力の測定、疲労試験、割れた品の観察の三つで、目的によって組み合わせる。

残留応力の測定は、JIS B 2711 の附属書 JB に X 線応力測定法による方法が定められている。附属書 JB では、X 線回折に関与するのは通常の条件で表面から約 5 μm の深さ範囲（条件で変わる）なので、深さ方向の分布を測るには、化学研磨か電解研磨で所定の深さまで除いて測る、としている^[1]。装置については、同じ附属書 JB が、無ひずみの鉄か銀の粉末を測って ±25 MPa 以下であること、既知の応力を負荷した試験片で ±10 % で一致することを確かめる、という検査の要求もある^[1]。規格の本文は、ピーニングによる残留応力の測定を受渡当事者間の協定で省略できるとしている^[1]。省略するかどうかを、発注のときに決めておく。残留応力の測り方そのものは残留応力の測定で扱う。

疲労試験では、処理した品と処理していない品を、同じ方式・同じ条件で比べる。試験の方式の選び方、試験片の作り方、本数と打切りの回数の決め方は疲労試験の依頼で決めることで扱っている。ピーニングの評価で特に気をつけるのは、試験片を部品と同じ処理・同じ後工程で作ることと、使用温度に近い温度で試すことである。上の高温の例のように、室温で効いても使用温度では逆の結果になりうる^[3]。

割れた品の観察では、起点が表面か内部かを見る。チタン合金の例のように、ピーニングが効いていると起点が表面下に移ることがある^[4]。大型ばね鋼板の例でも、多数の割れが表面の強化層と内部の境界付近から生じていた^[7]。処理後も表面から割れているなら、処理が届いていないか、使用中に緩んでいる可能性がある。

外に頼むときに渡すもの・受け取るもの

ピーニングの処理、残留応力の測定、疲労試験は、それぞれ別の会社に頼むことが多い。情報が会社ごとに途切れると、処理の条件と試験の結果が結び付かなくなる。最初に、次の表の項目をまとめて渡しておく。

報告の項目は JIS B 2711 が、ショットピーニングの種類・ショットの種類・アークハイト・カバレージまたは処理時間・装置の種類・残留応力（協定で省略可）を記録し、発注者の要求によって報告しなければならない、としている^[1]。「要求によって」なので、求めなければ出てこない。量産に入ってから処理の会社を替えるときにも、この記録が前と同じ処理かどうかを比べる手がかりになる。

処理先と試験先の両方を探して組むところから、ご相談ください。

よくある質問

アークハイトを上げれば、疲労強度はもっと上がりますか

規格は、ピーニングした材料の機械的性質がショットの大きさ・形・材料の硬さで変わり、アークハイトに比例するとは限らないとしている^[1]。強くすれば表面も粗くなり、高温の例のように残留応力が消えた後には粗さが不利に働くこともある^[3]。条件は試験で決める。

表面の硬さが上がっていれば、効いていると考えてよいですか

アルミニウム合金鋳物の例では、疲労強度の向上に寄与したのは圧縮の残留応力で、表層の硬化は寄与しなかった^[5]。硬さだけでは判断できないので、残留応力の測定か疲労試験で確かめる。

フレッティングで割れた部品にも効きますか

接触面の微小なすべりが起点になっている場合は、原因の切り分けの仕方が違う。フレッティング疲労の原因で扱っている。

まとめ

ショットピーニングは、表面の圧縮残留応力で疲労の割れを始まりにくくする処理で、応力集中のある部品ほど効きやすい。一方で、高温では残留応力が消えて逆効果になった例があり、使用中の負荷でも緩む。頼む前に割れの起点と使用条件を整理し、条件はアークハイト・カバレージ・管理の頻度まで数字で合意し、効いたかどうかは残留応力の測定と使用条件に近い疲労試験で確かめる。処理・測定・試験をまとめて組むのが難しいときは、外の専門の会社と一緒に段取りする。

出典・参考資料

1. JIS B 2711:2013 ばねのショットピーニング（日本産業標準調査会 JIS 検索で閲覧／追補 2026 年 2 月 20 日）
2. 高強度ばね鋼の大気中および腐食環境下でのねじり疲労強度に及ぼすショットピーニングの影響（脇田将見ほか／材料 57 巻 8 号・日本材料学会／2008 年）
3. Ti-6Al-4V合金の高温疲労強度に及ぼすショットピーニングの影響（加藤容三・高藤新三郎・桐山真紀／材料 45 巻 1 号・日本材料学会／1996 年）
4. Ti-6Al-4V合金の疲労強度に及ぼすショットピーニングの影響（橘内良雄・田中正清・吉久悦二／材料 43 巻 489 号・日本材料学会／1994 年）
5. ショットピーニングによるアルミニウム合金鋳物の疲労強度向上と要因解析（岩室茂・小長哲郎・猿木勝司／材料 35 巻 394 号・日本材料学会／1986 年）
6. ショットピーニングを施したSUS316L鋼の疲労過程における残留応力の変化に及ぼす応力比の影響（青木智史・武末翔吾・小茂鳥潤／材料 74 巻 12 号・日本材料学会／2025 年）
7. ショットピーニング加工を施した大型ばね鋼板の疲労現象について（岩本貢・村山昭平・小原正義／材料 21 巻 231 号・日本材料学会／1972 年）

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