JP2007277601A - 金属部材の製造方法及び構造部材 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 軽合金を含む金属材料の表面に、平均粒径が0.1mm以上5mm以下であり、鉄を主成分とする第1の粒子を投射し、つづいて前記金属材料の表面に、平均粒径が200μm以下であり、鉄を実質的に含まない第2の粒子を投射する。
【選択図】 なし
Description
鋳鋼等の鉄系材料からなる粒子は、安価であり、またガラス等の鋭利な材料と異なり、破砕した場合でも金属材料表面を傷つけにくいことから、投射材として従来から広く用いられている。
このような鉄分除去処理として、ショットピーニング処理後の金属材料を、鉄を溶解する溶剤中に浸漬する方法(湿式法)が採用されていた。しかし、湿式法では鉄分だけを効率よく除去することは困難であった。また、湿式法で鉄分を完全に除去しようとすると、金属材料の素材も表面が数μm程度溶解されるため、寸法変化を生じたり、表面形状が荒れたりする問題があった。
すなわち、本発明にかかる金属部材の製造方法は、軽合金を含む金属材料の表面に、平均粒径が0.1mm以上5mm以下であり、鉄を主成分とする第1の粒子を投射する第1の投射工程と、前記第1の投射工程の後に、前記金属材料の表面に、平均粒径が200μm以下であり、鉄を実質的に含まない第2の粒子を投射する第2の投射工程とを有する。
なお、本発明において「平均粒径」とは、頻度分布曲線におけるピークに対する粒径として求められ、最頻度径(最大頻度径)またはモード径ともよばれる。この他にも、平均粒径は以下の方法でも求められる。
(2)ロジン−ムラー分布から求める方法。
(3)その他の方法(個数平均径、長さ平均径、面積平均径、体積平均径、平均表面積径、平均体積径等)。
本発明の構造部材は、優れた疲労特性を有すると共に、鉄分除去に起因する金属材料の寸法変化や表面の荒れがないものとなる。この構造部材は、航空機や自動車等の輸送機器の分野や、材料の疲労特性が要求される他の分野において、好適に用いられる。
第2の投射材の平均粒径は200μm以下であり、10μm以上100μm以下が特に好ましい。第2の投射材の平均粒径が200μmより大きいと、微粒子ショットピーニングの効果が小さくなるので好ましくない。また、第2の投射材の平均粒径が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り、また、十分な鉄分除去効果が期待できなくなる。
投射材の噴射速度は、圧縮空気の噴射圧力により規定される。本発明の第2の投射工程(第2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。なお、本発明の第1の投射工程(第1のショットピーニング処理)においては、ノズル方式のショットピーニング装置に加え、インペラー(翼車)方式のショットピーニング装置を用いることも出来る。その場合には、ショットピーニングの条件は、翼車の回転数で調整することになる。
一方、ショットピーニングの強さを規定するアルメンゲージシステムによるアークハイト値(インテンシティー)で現すと、第1のショットピーニング処理における好ましい条件範囲は、ノズルを用いる噴射方式及びインペラー方式いずれの場合でも0.10mmA以上0.30mmA以下となる。
投射材粒子の形状は、第1の投射材及び第2の投射材のいずれとも、平滑な表面を有する球形が好ましい。投射材粒子が尖っていると、金属部材の表面に傷がつくことがあるからである。
[表面圧縮残留応力]
本発明による第1のショットピーニング処理及び第2のショットピーニング処理を行った後の金属部材においては、150MPa以上の高い圧縮残留応力が最表面もしくはその近傍に存在する。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。
(実施例1)
板状のアルミニウム合金材料(7050−T7451;寸法 19mm×76mm×2.4mm)を供試体として用いて、その片面に、平均粒径500μm〜800μmの鋳鋼粒子S230からなる投射材を用い、インペラー方式の装置を使用してアークハイト値0.15mmAの条件で第1のショットピーニング処理を行った。
次に、前記第1のショットピーニング処理を施した面に、平均粒径50μm以下のアルミナ/シリカセラミックス粒子からなる投射材を用い、噴射圧力0.4MPa、投射時間30秒で第2のショットピーニング処理を行った。なお、その際のアークハイト値は0.08mmNであった。
前記第1のショットピーニング処理及び第2のショットピーニング処理において、ショットピーニング装置として、重力式微粒子ショット装置(不二製作所製ニューマブラスター型番P−SGF−4ATCM−401)を用いた。
なお、本発明で記載したEPMAによる分析方法で得られる値は絶対的な量を示す値ではないので、相対的な鉄分残留量の評価のみが可能である(以下の実施例及び比較例においても同様)。
また、実施例1の供試体に関してEPMAにより得られた鉄分濃度分布を画像処理して得られた解析像において、残留鉄分はほとんど認められなかった。
また、第2のショットピーニング処理後に、目視により処理面の表面形状を観察したところ、荒れは生じていなかった。実施例1のショットピーニング処理前後のアルミニウム合金材料の表面形状(プロファイル)の測定結果をそれぞれ図2及び図4に示す。また、実施例1のショットピーニング処理前後のアルミニウム合金材料の表面粗さ(Ra)の測定結果を、他の実施例及び比較例と対比して表1に示す。表1に示すように、むしろ第2のショットピーニングによって粗さが小さくなる良好な結果が得られた。
実施例1の第2のショットピーニング処理を行わずに、第1のショットピーニング処理後にEPMAを用いて供試体処理面の残留鉄分の濃度分布を測定した。結果を図1のグラフに示す。
図1に示した結果から、実施例1の処理後は、処理面上にほとんど鉄分が残留していないのに対し、比較例1の処理後は処理面上に鉄分が残留していることが分かる。
また、比較例1の供試体に関してEPMAにより得られた鉄分濃度分布を画像処理して得られた解析像において、残留鉄分が高濃度である領域が認められた。
比較例1のショットピーニング処理後のアルミニウム合金材料の表面形状(プロファイル)の測定結果を図3に示す。また、比較例1のショットピーニング処理後のアルミニウム合金材料の表面粗さ(Ra)の測定結果を、他の実施例及び比較例と対比して表1に示す。
(比較例2)
比較例1の第1のショットピーニング処理後に、供試体を硝酸、無水クロム酸及びフッ化水素酸の混合液に30分浸漬し、鉄分除去処理を行った。
また、比較例2の供試体に関してEPMAにより得られた鉄分濃度分布を画像処理して得られた解析像において、鉄分が残留している領域が認められた。
また、鉄分除去処理後に、目視により処理面の表面形状を観察したところ、基材であるアルミニウム合金の一部が溶解し、荒れを生じていた。比較例2のショットピーニング処理後のアルミニウム合金材料の表面形状(プロファイル)の測定結果を図5に示す。また、比較例2のショットピーニング処理後のアルミニウム合金材料の表面粗さ(Ra)の測定結果を、他の実施例及び比較例と対比して表1に示す。
供試体に用いる金属材料を板状のチタン合金材料(Ti−6Al−4V(アニール材);寸法 19mm×76mm×2.4mm)を供試体として用いて、その片面に、平均粒径120μm〜300μmの鋳鋼粒子からなる投射材を用い、インペラー方式の装置を使用してアークハイト値0.18mmNの条件で第1のショットピーニング処理を行った。
また、実施例2の供試体に関してEPMAにより得られた鉄分濃度分布を画像処理して得られた解析像において、残留鉄分はほとんど認められなかった。
また、第2のショットピーニング処理後に、目視により処理面の表面形状を観察したところ、荒れは生じていなかった。実施例2のショットピーニング処理前後のチタン合金材料の表面形状(プロファイル)の測定結果をそれぞれ図7及び図9に示す。また、実施例2のショットピーニング処理前後のチタン合金材料の表面粗さ(Ra)の測定結果を、他の実施例及び比較例と対比して表1に示す。表1に示すように、むしろ第2のショットピーニングによって粗さが小さくなる良好な結果が得られた。
実施例2の第2のショットピーニング処理を行わずに、第1のショットピーニング処理後にEPMAを用いて供試体処理面の残留鉄分の濃度分布を測定した。結果を図6のグラフに示す。
図6に示した結果から、実施例2の処理後は、処理面上にほとんど鉄分が残留していないのに対し、比較例3の処理後は処理面上に鉄分が残留していることが分かる。
また、比較例3の供試体に関してEPMAにより得られた鉄分濃度分布を画像処理して得られた解析像において、残留鉄分が高濃度である領域が認められた。
比較例3のショットピーニング処理後のチタン合金材料の表面形状(プロファイル)の測定結果を図8に示す。また、比較例3のショットピーニング処理後のチタン合金材料の表面粗さ(Ra)の測定結果を、他の実施例及び比較例と対比して表1に示す。
(比較例4)
比較例3の第1のショットピーニング処理後に、供試体を硝酸水溶液に30分間浸漬し、鉄分除去処理を行った。
また、比較例4の供試体に関してEPMAにより得られた鉄分濃度分布を画像処理して得られた解析像において、鉄分が残留している領域が認められた。
また、鉄分除去処理後に、目視により処理面の表面形状を観察したところ、基材であるチタン合金の一部が溶解し、荒れを生じていた。比較例4のショットピーニング処理後のチタン合金材料の表面形状(プロファイル)の測定結果を図10に示す。また、比較例4のショットピーニング処理後のチタン合金材料の表面粗さ(Ra)の測定結果を、他の実施例及び比較例と対比して表1に示す。
Claims (2)
- 軽合金を含む金属材料の表面に、平均粒径が0.1mm以上5mm以下であり、鉄を主成分とする第1の粒子を投射する第1の投射工程と、
前記第1の投射工程の後に、前記金属材料の表面に、平均粒径が200μm以下であり、鉄を実質的に含まない第2の粒子を投射する第2の投射工程とを有する金属部材の製造方法。 - 請求項1に記載の製造方法により製造された金属部材を有する構造部材。
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