JP2006188720A

JP2006188720A - 表面処理された軽合金部材およびその製造方法

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Publication number: JP2006188720A
Application number: JP2004381551A
Authority: JP
Inventors: Kazuyuki Oguri; 和幸小栗
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2004-12-28
Filing date: 2004-12-28
Publication date: 2006-07-20
Anticipated expiration: 2024-12-28
Also published as: EP1862569A4; WO2006070701A1; EP1862569A1; JP4727226B2; CA2592523A1; US20080085421A1; CA2592523C

Abstract

【課題】疲労強度と耐食性を両立させて表面処理された軽合金部材およびその製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】平均粒径が１０μｍ以上２００μｍ以下の粒子を含む気流を、０．２ＭＰａ以上１ＭＰａ以下の噴射圧力で軽合金部材の表面に投射し、次いで前記軽合金部材の表面にアノダイズ処理を行う。
【選択図】図１０

Description

本発明は、表面処理された軽合金部材およびその製造方法に関するものである。

金属材料の疲労強度を高めるための表面改質方法として、ショットピーニング処理が知られている。ショットピーニング処理とは、例えば粒径０．８ｍｍ前後の無数の粒子（ショット材）を圧縮空気と共に金属材料表面にたたきつけることにより、金属材料表面の硬度を上げ、一定の深さで圧縮応力を持った層を形成する方法である。

ショットピーニング処理によるアルミニウム材料の疲労強度の向上効果を高める方法としては、ショット材として従来の粒子よりも細かい微粒子を用いる方法が開示されている（非特許文献１参照）

一方、航空機等の輸送機器の分野で構造部材として使用されるアルミニウム合金部材は、高い耐食性が必要とされており、さらに繰り返し使用するために高い疲労強度も求められている。しかし、合金材料そのものの特性だけで要求される耐食性および疲労強度を満たすことには限界があるため、適切な表面処理で対応することが重要となってきている。

そこで、ショットピーニング処理により疲労強度を向上させ、その後にアノダイズ処理（陽極酸化皮膜処理）を行って耐食性を付与したアルミニウム合金部材が航空機や各種輸送機器の構造部材に用いられている。

片岡泰弘ら：「微粒子ピーニングとコーティング法によるアルミニウム合金の表面改質」、愛知県産業技術研究所研究報告（２００２）、インターネット＜URL：http://www.aichi-inst.jp/html/reports/repo2002/r1-2.PDF＞

しかし、通常のショットピーニング処理とアノダイズ処理を組み合わせた表面処理方法では、ショットピーニング処理による疲労寿命の向上効果が小さく、さらにショットピーニング処理により疲労強度を向上させたアルミニウム合金部材にアノダイズ処理を施すと疲労強度が低下し、ショットピーニング処理の効果がほとんど消失してしまうという問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、疲労強度と耐食性を両立させることが可能な表面処理された軽合金部材およびその製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の表面処理された軽合金部材およびその製造方法は、以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる表面処理された軽合金部材の製造方法は、平均粒径が１０μｍ以上２００μｍ以下の粒子を含む気流を、０．２ＭＰａ以上１ＭＰａ以下の噴射圧力で軽合金部材の表面に投射する粒子投射処理工程と、前記軽合金部材の表面にアノダイズ処理を行うアノダイズ処理工程とを含んでいる。
この方法によれば、アノダイズ処理による疲労強度の低下が少なく、軽合金部材の疲労強度と耐食性を両立させることができる。

本発明の表面処理の対象となる前記軽合金部材としては、アルミニウム合金部材が好ましい。アルミニウム合金はアノダイズ処理が可能な軽合金の中でも、航空機をはじめとする輸送機器の構造部材として好適に用いられる材料だからである。

前記粒子投射処理工程において、粒子投射処理のカバレージは５０％以上１０００％以下であることが好ましい。
粒子投射処理のカバレージを上記範囲とすることにより、本発明の疲労強度維持効果を十分発揮することができる。

前記粒子投射処理工程後であって前記アノダイズ処理工程前において、前記軽合金部材の表面から５μｍ以内の部分に２００ＭＰａ以上の圧縮応力が存在することが好ましく、また前記軽合金部材の表面の十点平均粗さが１０μｍ未満であることが好ましい。
粒子投射処理工程後の軽合金部材の特性を上記範囲とすることにより、軽合金部材の疲労破壊の基点が部材内部となるので、アノダイズ処理後でも疲労強度が減少しにくい。

前記アノダイズ処理は、ホウ酸−硫酸アノダイズ処理を採用することができる。
ホウ酸−硫酸アノダイズ処理は、環境に与える負荷が少ない点から好ましいが、従来のクロム酸アノダイズ処理や硫酸アノダイズ処理等に比較し、疲労強度の低下が大きいという問題があった。しかし、本発明方法を用いることにより、ホウ酸−硫酸アノダイズ処理においても疲労強度の低下を防止することが可能になる。

また、本発明の軽合金部材は、表面に陽極酸化皮膜を有する軽合金部材であって、前記粒子投射処理工程後に陽極酸化皮膜を有する表面の少なくとも一部において表面の十点平均粗さが１０μｍ以下であり、前記表面の少なくとも一部から５μｍ以内に圧縮応力が３００ＭＰａ以上の部分が存在する軽合金部材である。
この軽合金部材は、耐食性と疲労強度が両立した部材となる。

本発明によれば、疲労強度と耐食性を両立させて表面処理された軽合金部材が得られる。

以下に、本発明の表面処理された軽合金部材およびその製造方法にかかる実施形態について説明する。

本発明の表面処理された軽合金部材およびその製造方法において、処理対象となる軽合金部材はアノダイズ処理（陽極酸化皮膜処理）が可能な軽合金部材であり、典型的にはアルミニウム合金部材が挙げられる。以下、アルミニウム合金部材を用いる実施形態について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

本発明の表面処理された軽合金部材の製造方法において、粒子投射処理（以下、「ショットピーニング処理」という）に用いられる粒子（ショット材）は、金属、セラミックス、ガラス等の硬質粒子であり、好ましくはアルミナ、シリカ粒子等のセラミックス粒子である。

従来のショットピーニング処理では、粒径０．８ｍｍ前後のショット材が用いられるが、本発明においては従来のショット材の１０分の１程度の大きさである、平均粒径１０μｍ以上２００μｍ以下、好ましくは３０μｍ以上１００μｍ以下の粒子がショット材として用いられる。ショット材の粒径を従来のものより小さくした理由は、この範囲の大きさのショット材を用いて、従来の方法より速い噴射速度でショットピーニング処理を行うと、従来のショットピーニング処理に比較し５〜１０倍疲労寿命が向上し、さらにアノダイズ処理による疲労寿命の低下がほとんどなく、高い疲労寿命と高い耐食性を両立させることが出来るという本発明者の知見によるものである。ショット材粒子の大きさが２００μｍより大きいと、粒子の過大な運動エネルギーにより材料表面が損傷を受けるため、十分な疲労寿命の向上効果が得られない。また、ショット材粒子の大きさが１０μｍより小さいと安定した噴射状態を得ることが困難となる。

ショット材の噴射速度は、圧縮空気の噴射圧力により規定される。本発明のショットピーニング処理における噴射圧力は０．１ＭＰａ以上１ＭＰａ以下が好ましく、０．３ＭＰａ以上０．６ＭＰａ以下がより好ましい。噴射圧力が１ＭＰａより大きいと粒子の過大な運動エネルギーにより材料表面が損傷を受けるため、十分な疲労寿命の向上効果が得られない。また、噴射圧力が０．１ＭＰａより小さいと安定した噴射状態を得ることが困難となる。
ショット材粒子の形状は球形が好ましい。ショット材が尖っていると、アルミニウム合金部材の表面を傷つけることがあるからである。

ショットピーニング処理のカバレージは、好ましくは５０〜１０００％、より好ましくは１００〜５００％である。カバレージが５０％以下では、十分な疲労強度の向上効果が得られない。また、カバレージが１０００％以上では、材料表面の温度上昇により、最表面の圧縮残留応力が減少し、十分な疲労強度の向上効果が得られないので好ましくない。

上記の条件でショットピーニング処理を行ったアルミニウム合金部材は、好ましくは以下の表面特性を有する。
（表面圧縮残留応力及び深さ）
２００ＭＰａ以上の高い圧縮残留応力が最表面もしくは最表面から５μｍ以内の浅い部分に存在する。その結果として、表面が強化され疲労破壊が表面ではなく材料内部で起こるため、疲労寿命が大きく向上する。
なお、従来のショットピーニング処理では、表面から５０μｍ以上内部に高い圧縮残留応力が存在し、表面の残留応力はむしろ小さい。このため、疲労破壊が表面で発生する。

（表面粗さ）
ショットピーニング処理後の表面粗さは、十点平均粗さＲｚで１０μｍ未満、好ましくは５μｍ未満である。この表面の凹凸は微細なので、次工程のアノダイズ処理により表面は更に滑らかになる。
なお、従来のショットピーニング処理では、十点平均粗さＲｚで５０μｍ程度の粗い面になり、結果的に表面を損傷させ（微細クラックの発生等）、疲労寿命低下の一因になっている。従来のショットピーニング処理により表面に形成された粗い凹凸部分は、次工程のアノダイズ処理により更に強調され、鋭敏化した表面になる。

次に、ショットピーニング処理を施されたアルミニウム合金部材に、アノダイズ処理が施される。アノダイズ処理としては、軽合金部材に対して通常行われるアノダイズ処理を採用することができ、例えばホウ酸−硫酸アノダイズ処理（ＢＳＡＡ）やクロム酸アノダイズ処理等を採用することができる。特に、ホウ酸−硫酸アノダイズ処理は、環境に対する影響が少ないことから好ましい。

こうしてアルミニウム合金部材に上記条件でショットピーニング処理およびアノダイズ処理を順次施すことにより、本発明の表面処理が施されるアルミニウム合金部材が得られる。

次に、参考例、実施例、および比較例を用いて、本発明による表面処理された軽合金部材およびその製造方法についてさらに詳述する。
（参考例１）
アルミニウム合金部材（ＪＩＳＡ７０７５−Ｔ６）の引張疲労試験片１５ＥＡ（評点部直径６ｍｍの丸棒試験片）および平板試験片５ＥＡ（３０ｍｍ×３０ｍｍ、厚さ３ｍｍ）の表面に、平均粒径４０μｍのセラミックス粒子（以下、「微粒子」という）からなるショット材を用い、噴射圧力０．４ＭＰａで、カバレージ３００％のショットピーニング処理を行った。引張疲労試験片の表面の十点平均粗さＲｚは、ショットピーニング処理前が２．０μｍ、ショットピーニング処理後が３．６μｍであった。

（参考例２）
カバレージを３０００％に変更した以外は参考例１と同様にして、アルミニウム合金部材の引張試験片１５ＥＡと平板試験片５ＥＡにショットピーニング処理を行った。引張疲労試験片のショットピーニング処理後の表面の十点平均粗さＲｚは、６．１μｍであった。

（参考例３）
参考例１および２と同質・同形状の試験片の表面に、平均粒径３００μｍの鋳鋼粒子（以下、「通常粒子」という）からなるショット材を用い、噴射圧力０．３ＭＰａで、カバレージ１００％のショットピーニング処理を行った。引張疲労試験片のショットピーニング処理後の表面の十点平均Ｒｚ粗さは、４６．７μｍであった。

（ショットピーニング処理後の表面近傍の残留応力の測定）
参考例１〜３において、引張疲労試験片と同時にショットピーニング処理を行った平板試験片および無処理の平板試験片について、材料表面からの距離と残留応力の関係を調べた。結果を図１に示す。
図１から、微粒子によるショットピーニング処理を行った参考例１および２では、２００ＭＰａ以上の高い圧縮残留応力が最表面から５μｍ以内の浅い部分に存在していることが分かる。
一方、通常粒子によるショットピーニング処理を行った参考例３では、表面から５０μｍ以上内部に高い圧縮残留応力が存在していることが分かる。
最表面での圧縮残留応力は、それぞれ次の通りであった。

無処理： −１２０ＭＰａ
参考例１（微粒子；カバレージ３００％）： −２３０ＭＰａ
参考例２（微粒子；カバレージ３０００％）： −２２０ＭＰａ
参考例３（通常粒子；カバレージ３００％）： −１８０ＭＰａ

（実施例ならびに比較例１および２）
参考例１（微粒子；カバレージ３００％）、参考例３（通常粒子；カバレージ１００％）、および無処理のアルミニウム合金部材試験片に、ホウ酸−硫酸アノダイズ処理（ＢＳＡＡ）を行ったものを、それぞれ実施例、比較例１および比較例２の試験片とした。このホウ酸−硫酸アノダイズ処理は、溶剤脱脂、アルカリ浸透脱脂、水洗、デオキシダイズ、水洗、ホウ酸−硫酸処理、水洗、封孔（Dilute Sealing）の各工程を順次行う処理とした。

なお、引張試験片と平板試験片の上記処理条件は同じであるが、アノダイズ処理は引張試験片と平板試験片とを分けて、異なる電液で行った。引張試験片のアノダイズ処理のときの電流値は８Ａ、平板試験片のアノダイズ処理のときの電流値は７Ａであった。

（アノダイズ処理後の表面残留応力の測定）
ホウ酸−硫酸アノダイズ処理後、実施例および比較例１の各平板試験片の最表面の残留応力を測定したところ、以下の通りであった。
実施例（微粒子でのショットピーニング処理＋アノダイズ処理）： -760MPa
比較例１（通常粒子でのショットピーニング処理＋アノダイズ処理）： -225MPa

上記のように、ホウ酸−硫酸アノダイズ処理を行うことにより、表面の圧縮残留応力が増加することが分かったが、微粒子でのショットピーニング処理後にアノダイズ処理を行った実施例では、アノダイズ処理前の参考例１と比べて３倍以上の大幅な増加が認められた。
この大きな圧縮残留応力の増加が、後で示すようにホウ酸−硫酸アノダイズ処理後も高い疲労寿命を示す大きな要因であると考えられる。

（引張疲労寿命試験）
参考例１（微粒子によるショットピーニング処理）、実施例（微粒子によるショットピーニング処理の後にアノダイズ処理）、参考例３（通常粒子によるショットピーニング処理）、比較例１（通常粒子によるショットピーニング処理の後にアノダイズ処理）、無処理のアルミニウム合金部材、および比較例２（無処理のアルミニウム合金部材にアノダイズ処理）の各引張試験片（平滑丸棒試験片）について、引張疲労試験を行い疲労破断するまでのサイクル数（引張疲労寿命）を測定した。図２は、測定結果を示すグラフ（ＳＮカーブ）である。

引張応力３５０ＭＰａにおける引張疲労寿命は以下の通りであった。
参考例１（微粒子でのショットピーニング処理）：1,371,367回
実施例（微粒子でのショットピーニング処理＋アノダイズ処理）：1,059,348回
参考例３（通常粒子でのショットピーニング処理）： 121,127回
比較例１（通常粒子でのショットピーニング処理＋アノダイズ処理）： 62,809回
無処理のアルミニウム合金部材： 56,103回
比較例２（無処理のアルミニウム合金部材にアノダイズ処理）： 24,492回

図２から、参考例１のＳＮカーブと実施例のＳＮカーブとは、ほとんど同一の線上に乗ることが分かる。すなわち、微粒子でのショットピーニング処理後にアノダイズ処理を行った本発明の実施例は、通常粒子でのショットピーニング処理後にアノダイズ処理を行った比較例１よりも疲労寿命が大幅に向上し、しかも、アノダイズ処理による疲労寿命の低下がほとんどないことが分かる。従って、本実施例では、部材設計上、ショットピーニング処理による疲労寿命の向上を十分に考慮することが可能である。
なお、従来、ショットピーニング処理で向上した疲労寿命はアノダイズ処理により低下すると考えられており、本発明の条件で微粒子によるショットピーニングを行った場合はアノダイズ処理による疲労寿命の低下がほとんどないということは、本発明者によってはじめて得られた知見である。
それに対して、比較例１は、ショットピーニング処理による疲労寿命の向上が少なく、しかもアノダイズ処理により疲労寿命が低下し、無処理のアルミニウム合金部材よりも疲労寿命が下がってしまうことが分かる。すなわち、通常粒子によるショットピーニング処理とアノダイズ処理との組み合わせでは、ショットピーニング処理による疲労寿命の向上どころか部材設計上むしろ疲労寿命の低下を考慮する必要がある。

（破断面及び表面の走査型電子顕微鏡写真）
破断面の走査型電子顕微鏡写真：
図３から図８は、引張疲労試験片の破断面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真であり、図３は参考例１（微粒子によるショットピーニング処理）、図４は実施例（微粒子によるショットピーニング処理の後にアノダイズ処理）、図５は参考例３（通常粒子によるショットピーニング処理）、図６は比較例１（通常粒子によるショットピーニング処理の後にアノダイズ処理）、図７は無処理のアルミニウム合金部材、図８は比較例２（無処理のアルミニウム合金部材にアノダイズ処理）の試験片の走査型顕微鏡写真である。なお、各写真において、矢印は破壊の起点と破壊の方向を示している。

図３から、微粒子でショットピーニング処理を行った参考例１では、ショットピーニング処理により表面が強化されているため、材料内部が破壊起点となっていることが分かる。同様に、図４から、微粒子でのショットピーニング処理の後にホウ酸−硫酸アノダイズ処理を行った実施例においても、材料内部で破壊起点となっていることが分かる。
表面はある意味では欠陥であり弱い部分なので、通常、材料は表面から破壊する。しかし、微粒子でショットピーニング処理を行うと、２００ＭＰａ以上の高い圧縮残留応力が最表面から５μｍ以内の浅い部分に存在するため、破壊の起点は材料内部の欠陥（介在物等）部位になる。この内部での破壊が長い寿命の原因である。

それに対して、図５および図６から明らかなように、通常粒子でショットピーニング処理を行った試験片は、アノダイズ処理の有無にかかわらず、いずれも表面から破壊している。
通常粒子でショットピーニング処理を行うと、表面から５０μｍ以上内部に高い圧縮残留応力が存在するため、疲労破壊が表面から始まると考えられる。また、このため、疲労寿命が短くなっていると考えられる。
また、図７および図８から明らかなように、ショットピーニング処理を行っていない試験片は、表面強化が図られていないため、アノダイズ処理の有無にかかわらず、いずれも表面から破壊している。このため、疲労寿命が短くなっていると考えられる。

表面の走査型電子顕微鏡写真：
図９から図１４は、引張疲労試験片の表面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真であり、図９は参考例１（微粒子によるショットピーニング処理）、図１０は実施例（微粒子によるショットピーニング処理の後にアノダイズ処理）、図１１は参考例３（通常粒子によるショットピーニング処理）、図１２は比較例１（通常粒子によるショットピーニング処理の後にアノダイズ処理）、図１３は無処理のアルミニウム合金部材、図１４は比較例２（無処理のアルミニウム合金部材にアノダイズ処理）の試験片の走査型顕微鏡写真である。

微粒子によるショットピーニング処理で生じた微細なディンプル形状（図９）は、アノダイズ処理により平滑化されている（図１０）。アノダイズ処理は溶液中での化学反応であるため、部分的な溶解現象が起こっていると考えられる。このような平滑な表面は（圧縮応力等の他の条件が同じであれば）疲労寿命が高いので、好ましい状態である。

一方、通常粒子によるショットピーニング処理では、十点平均粗さＲｚで５０μｍ程度の粗い面となり、結果的に表面を損傷させ（微細クラックの発生等）疲労寿命低下の一因になっている（図１１）。この損傷は、アノダイズ処理を行ってもほとんどそのまま残っているか、あるいはアノダイズにより更に強調され、鋭敏化した表面になっている（図１２）。アノダイズ処理による部分的な溶解現象では、通常粒子によるショットピーニング処理による大きな損傷は除去できないと考えられる。そして、アノダイズ処理により硬くなった大きな損傷部位は、疲労破壊の起点になるため、アノダイズ処理後の寿命が低下すると考えられる。

本発明の製造方法による表面処理された軽合金部材は、航空機や自動車等の輸送機器の分野で、構造部材として好適に用いられる。

参考例１から３のショットピーニングを行った試験片および無処理の試験片の、材料表面からの距離と残留応力の関係を示すグラフである。参考例１および３、実施例、比較例１および２、ならびに無処理の試験片の疲労特性を示すグラフ（ＳＮカーブ）である。参考例１（微粒子によるショットピーニング処理）の試験片の、破断面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。実施例（微粒子によるショットピーニング処理の後にアノダイズ処理）の試験片の、破断面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。参考例３（通常粒子によるショットピーニング処理）の試験片の、破断面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。比較例１（通常粒子によるショットピーニング処理の後にアノダイズ処理）の試験片の、破断面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。無処理のアルミニウム合金部材の試験片の、破断面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。比較例２（無処理のアルミニウム合金部材にアノダイズ処理）の試験片の、破断面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。参考例１（微粒子によるショットピーニング処理）の試験片の、表面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。実施例（微粒子によるショットピーニング処理の後にアノダイズ処理）の試験片の、表面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。参考例３（通常粒子によるショットピーニング処理）の試験片の、表面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。比較例１（通常粒子によるショットピーニング処理の後にアノダイズ処理）の試験片の、表面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。無処理のアルミニウム合金部材の試験片の、表面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。比較例２（無処理のアルミニウム合金部材にアノダイズ処理）の試験片の、表面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。

Claims

平均粒径が１０μｍ以上２００μｍ以下の粒子を含む気流を、０．１ＭＰａ以上１ＭＰａ以下の噴射圧力で軽合金部材の表面に投射する粒子投射処理工程と、
前記軽合金部材の表面にアノダイズ処理を行うアノダイズ処理工程とを含む表面処理された軽合金部材の製造方法。
前記軽合金部材がアルミニウム合金からなる請求項１記載の表面処理された軽合金部材の製造方法。
前記粒子投射処理工程において、粒子投射処理のカバレージが５０％以上１０００％以下である請求項１または２に記載の表面処理された軽合金部材の製造方法。
前記粒子投射処理工程後であって前記アノダイズ処理工程前において、前記軽合金部材の表面から５μｍ以内の部分に２００ＭＰａ以上の圧縮応力が存在する請求項１から３のいずれか一項に記載の表面処理された軽合金部材の製造方法。
前記粒子投射処理工程後であって前記アノダイズ処理工程前において、前記軽合金部材の表面の十点平均粗さが１０μｍ未満である請求項１から４のいずれか一項に記載の表面処理された軽合金部材の製造方法。
前記アノダイズ処理がホウ酸−硫酸アノダイズ処理である請求項１から５のいずれか一項に記載の表面処理された軽合金部材の製造方法。
表面に陽極酸化皮膜を有する軽合金部材であって、前記陽極酸化皮膜を有する表面の少なくとも一部において表面の十点平均粗さが１０μｍ以下であり、前記表面の少なくとも一部から５μｍ以内に圧縮応力が３００ＭＰａ以上の部分が存在する軽合金部材。