JP3225066B2 - アルミニウム合金製部材の表面改質方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、アルミニウム合金製部
材の表面部に対するショットピーニング処理と共に該表
面部に所望の性状を付与する表面改質方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近時、例えば、車両の軽量化又は小型化
が進み、特にアルミニウム合金製部材が強度部材として
多用されている。

【０００３】こうした中で、アルミニウム合金製部材の
耐摩耗性、耐食性等の強度信頼性の向上について種々の
検討が行われ、材料の合金成分又は熱処理の改善と共に
アルミニウム合金製部材に適応した表面処理技術が提案
されている。

【０００４】因みに、一般の表面処理技術は金属部材の
表面に強化層を形成するか又は強化部材を接合するもの
で、いずれも金属部材の表面に表層部を形成するもので
ある。しかし、低融点のアルミニウム合金製部材では加
熱による損傷、溶融による特性の変化または形成される
表層部の密着性に難点があり、その適用は好ましくない
とされている。

【０００５】したがって、アルミニウム合金製部材の表
面処理は塑性加工によってその表面部に残留（圧縮）応
力を生成させることが行われ、中でもショットピーニン
グ処理によって残留（圧縮）応力を発生させることはき
わめて有効な方法として注目されている。

【０００６】アルミニウム合金製部材の表面部に対する
応力を発生させるためのショットピーニング処理は、こ
の処理により発生する残留応力に基づく疲労強度が向上
するように、ショット材の材質、粒径又はアークハイト
量等のショットピーニング処理の条件が種々調整され実
用化されている。

【０００７】特に、ショット材はショット時にアルミニ
ウム合金製部材の表面を傷つけ或いは表面部に食い込む
等のことがないように、ショット材の砕片又は微粉はシ
ョット材中から取除かれショット材の粒径は所定値以上
を維持するように管理されている。

【０００８】また、特開平１−２０８４１５号公報に
は、アルミニウム合金鋳物の所望部位表面を急速溶融・
急速再凝固させ、再凝固層表面にショットピーニング等
の塑性加工を施す技術が記載されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、アルミ
ニウム合金製部材のように強度が低く脆性が大きい材料
では、高圧縮の残留応力を得るため単にアークハイト量
の大きいショットピーニング処理を施すだけではアルミ
ニウム合金製部材の表面部の性状劣化等を誘発すること
になる等の難点があり、ショットピーニング処理だけで
は所期の耐摩耗性及び疲労強度が得られないという問題
点があった。

【００１０】また、特開平１−２０８４１５号公報に記
載されている技術では、アルミニウム合金製部材は熱伝
導性が良いため急速溶融、急速再凝固して生ずる再凝固
層の厚さを均斉させる制御が複雑となり、加えて再凝固
層に施されるショットピーニングであっても前述したよ
うな状況が回避できないという問題点があった。

【００１１】上記に鑑みて、本発明は、アルミニウム合
金製部材の表面部に対するショットピーニング処理中に
耐摩耗性、耐食性等の強度信頼性を向上させる材料をア
ルミニウム合金製部材の表面部に移行させることによ
り、耐摩耗性、耐食性等の強度信頼性を向上させるアル
ミニウム合金製部材の表面改質方法の提供を目的とする
ものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上述したような目的を達
成するため、請求項１の発明は、アルミニウム合金製部
材にショットピーニング処理を行うときにショット材の
ショットにより微粒子をアルミニウム合金製部材の表面
に埋込ませることにより、ショットピーニング処理によ
る残留応力の発生に加えて、上記ショットにより埋込ま
れる微粒子によりアルミニウム合金製部材の表面改質を
より効果的に行おうとするものである。

【００１３】具体的に請求項１の発明の講じた解決手段
は、アルミニウム合金製部材の表面部にショットピーニ
ング処理を施すアルミニウム合金製部材の表面改質方法
であって、粒径が０．５〜４．０ｍｍのショット材がア
ルミニウム合金製部材の表面部をショットする時にショ
ット材中に粒径が１〜１０μｍの微粒子が２〜３０ｗｔ
％伴われる状態でショットピーニング処理を行うことに
より、上記微粒子をアルミニウム合金製部材の表面部に
分散状態で埋込ませる構成とするものである。

【００１４】また請求項２の発明は、ショット材のショ
ットによりアルミニウム合金製部材の表面部に埋込まれ
る微粒子の相対量又は粒径等の選択を容易とするための
ものであって、具体的には、請求項１の構成に、微粒子
はショット材に混入されショット材の一部を構成すると
いう構成を付加するものである。

【００１５】また、請求項３の発明は、ショットにより
アルミニウム合金製部材の表面部に埋込まれる微粒子
が、アルミニウム合金製部材中に分散する状態にとどま
ることなく、アルミニウム合金製部材中に拡散させられ
ることにより優れた表面改質を達成するためのものであ
って、具体的には、請求項１の構成に、微粒子としてア
ルミニウムと金属間化合物を生成するものを用い、且つ
アルミニウム合金製部材の表面部に埋込まれた微粒子を
アルミニウム合金製部材の表面部に拡散させるための加
熱処理をショットピーニング処理後に行う構成を付加す
るものである。

【００１６】また、請求項４の発明は、ショットにより
アルミニウム合金製部材の表面部に埋込まれる微粒子が
アルミニウム合金製部材中に拡散するための加熱を工数
及び熱採算が有利となる方法で行うためのものであっ
て、具体的には、請求項３の構成に、加熱処理はショッ
トピーニング処理後に行われる溶体化処理における加熱
処理により得られる構成を付加するものである。

【００１７】

【作用】請求項１の発明の構成により、アルミニウム合
金製部材へのショットピーニング処理に際しアルミニウ
ム合金製部材表面部をショット材がショットする時に、
ショット材中に微粒子が伴われることにより上記微粒子
がアルミニウム合金製部材表面部に埋込まれ分散するた
め、ショットピーニング処理による残留応力の発生に加
えて上記ショットにより埋込まれる微粒子に個有の特性
により、耐摩耗性、耐食性等が向上し、アルミニウム合
金製部材の強度信頼性が増大する。

【００１８】請求項２の発明の構成により、上記微粒子
はショット材に混入されショット材の一部を形成するか
ら、ショット材中に含有するされる微粒子量等は所望値
に設定することが容易となる。

【００１９】請求項３の発明の構成により、アルミニウ
ム合金製部材の表面部に埋込まれ分散する微粒子が加熱
によりアルミニウムと金属間化合物を生成し、アルミニ
ウム合金製部材の表面部に拡散するため、微粒子成分は
アルミニウム合金製部材の表面部に合金組織として均一
に分布することが可能となる。

【００２０】請求項４の発明により、アルミニウム合金
製部材の表面部に埋込まれ分散する微粒子がアルミニウ
ム合金製部材の表面部に拡散される加熱はショットピー
ニング処理後の溶体化処理における加熱処理時の熱によ
り行われるため、微粒子の拡散は併用工程で行うことが
できる。

【００２１】

【実施例】次に、本発明の実施例を図面に基づき説明す
る。

【００２２】本発明者らは、アルミニウム合金製部材の
表面改質方法におけるショットピーニング処理の種々の
態様と該部材の表面部に発生する残留（圧縮）応力の状
態につき多くの実験を重ねるうち、本来予め設定された
とおり分級整粒されてショットされるべきショット材中
に、欠損粒子又は微粒子が混在しているときは、これら
の欠損粒子又は微粒子はショット材のショット時にアル
ミニウム合金製部材の表面部に埋込まれ分散することを
確認した。

【００２３】同時にアルミニウム合金製部材の表面にシ
ョット材と同程度の硬度を有する微粒子が付着した状態
のままでショットピーニング処理を施すと、上記微粒子
はアルミニウム合金製部材の表面部に埋込まれ分散する
ことも確認した。

【００２４】そこで、従来の技術では排されるべきであ
る上記埋込まれ分散する微粒子に、アルミニウム合金製
部材の表面部の性状改善に貢献する耐摩耗性を向上させ
るための硬度、又は耐食性を向上させるための安定性を
保持させれば、このような微粒子の存在によりアルミニ
ウム合金製部材の表面改質が効果的に達成できることに
想到して本発明を完成した。

【００２５】先ず、アルミニウム合金製部材に対するシ
ョットピーニング処理に際し、ショット材がアルミニウ
ム合金製部材の表面部をショットする時にショット材の
ショットにより該部材の表面部に埋込まれ分散される微
粒子の材質別分散量と、それらの分散により得られる硬
度との関係を調べ図１に示す。

【００２６】微粒子は、１：硬鋼材、２：Ｓｉ3 Ｎ4 及
び３：Ｚr Ｏ2 よりなる材質で各粒径１〜２０μｍの微
粒子を、それぞれ同材質のショット材（粒径０．５〜４
mm）に２〜７０wt％の混合比で混合し、アルミニウム合
金製部材に対しショットピーニング処理を施す。

【００２７】アルミニウム合金製部材は鋳造物であるＡ
Ｃ４Ｃを用い、ショットピーニング処理のアークハイト
量を０．０５〜０．４mmの範囲としたものである。

【００２８】図１において、実線１は微粒子が硬鋼材の
とき、一点鎖線２は微粒子がＳｉ3Ｎ4 のとき、破線３
は微粒子がＺr Ｏ2 のときをそれぞれ示す。

【００２９】図１に示されるグラフによれば、各材質の
微粒子共分散量の増加に従ってアルミニウム合金製部材
の硬度は向上することがわかる。

【００３０】また、アルミニウム合金製部材としてＡＣ
４Ｃを用い、硬鋼球のショット材に粒径１μｍの硬鋼微
粒子を適宜混合し、アルミニウム合金製部材に対する微
粒子の分散量が１〜２０wt％の範囲で変化するような種
々のアークハイト量でショットピーニング処理を施し、
アルミニウム合金製部材の表面部に分散される微粒子の
分散量と疲労強度の向上率との関係を調べ図２に示す。

【００３１】図２に示されるグラフによれば、微粒子の
分散量１．２５〜１０wt％が疲労強度を向上させる良好
な範囲であることとがわかる。分散量が１０wt％を超す
と疲労強度の向上率が急激に低下するのは、埋込まれ分
散される微粒子量に対し分散媒となるアルミニウム合金
製部材のマトリックス重量が相対的に低くなってクラッ
クの発生により引張強度が低下するものと推定される。

【００３２】また、アルミニウム合金製部材としてＡＣ
４Ｃを用い、粒径０．５〜４．０mmの硬鋼球ショット材
中に微粒子を１０wt％混入させると共にその粒径を変化
させてショットピーニング処理を施し、微粒子の粒径と
アルミニウム合金製部材の疲労強度の向上率との関係を
調べ図３に示す。

【００３３】図３に示されるグラフによれば、ショット
材中に所定量混入される微粒子の粒径は１〜１０μｍが
疲労強度を向上させる良好な範囲であることがわかる。
粒径が１μｍに満たない微粒子はその質量が小さくアル
ミニウム合金製部材に埋込まれるエネルギが不足し、粒
径が１０μｍを超えるとアルミニウム合金製部材に埋込
まれるときにその表面部の組織を裂断する傾向を示し引
張強度が低下するものと推定される。

【００３４】また、アルミニウム合金製部材の表面部に
ショットピーニング処理を施すと共にその表面部に微粒
子を埋込み分散させるときの、ショット材中に混入され
る微粒子の混合比と上記アルミニウム合金製の疲労強度
の向上率との関係を調べ図４に示す。

【００３５】アルミニウム合金製部材としてＡＣ４Ｃの
鋳造品を焼き入れ及び焼き戻したものを用い、これにア
ークハイト量０．３mmにてショットピーニング処理を施
すときのショット材である粒径０．５〜４．０mmの硬鋼
球と微粒子である粒径１〜１０μｍの硬鋼微粒子との混
合比を変化させる。

【００３６】図４に示されるグラフによれば、アルミニ
ウム合金製部材の疲労強度の向上率が８０％を超える良
好な状態は、ショット材中の微粒子の混合比が２〜３０
wt％の範囲において得られることがわかる。

【００３７】また、アルミニウム合金製部材の表面部に
ショットピーニング処理を施すときに上記表面部に埋込
ませ分散させる微粒子を、加熱によりアルミニウム合金
製部材中に拡散させるときの加熱時間と拡散率との関係
を調べ図５に示す。

【００３８】アルミニウム合金製部材としてＡＣ４Ｃの
鋳造品を焼き入れ及び焼き戻ししたものを用い、粒径
０．５〜４．０mmの硬鋼球に粒径１〜１０μｍの硬鋼微
粒子を１０wt％混合したショット材をアークハイト量
０．３mmでショットピーニング処理する。得られた部材
を加熱し５００℃の温度に保持する。

【００３９】図５に示されるグラフによれば、微粒子が
埋込まれ分散されているアルミニウム合金製部材が５０
０℃に保持されている時間の経過と共に拡散率は向上
し、３０分の加熱時間で拡散率は１００％に達し、アル
ミニウム合金製部材の表面部に埋込まれ分散される微粒
子は、その材質の選択により５００℃の加熱状態でアル
ミニウムと金属間化合物を生成し、３０分程度の時間経
過と共にその１００％がアルミニウム合金製部材の表面
部に拡散することがわかる。

【００４０】以下、本発明の実施例を詳細に説明する。 実施例１ アルミニウム合金製部材としてＡＣ４Ｃの鋳造品に焼き
入れ及び焼き戻し処理を施した強度部材を用いて、上記
強度部材の主として耐摩耗性及び耐食性を向上させるた
めショットピーニング処理のショット材に粒径１〜１０
μｍの硬鋼微粒子を１０wt％混入し、残部のショット材
は粒径０．５〜４．０mmの硬鋼球とし、アークハイト量
０．２mmにてショットピーニング処理を施す。

【００４１】このように硬鋼微粒子が混合されたショッ
ト材によりショットピ−ニング処理が行われることによ
り、図６のＸ線回析による組成分析チャートに示される
ように硬鋼微粒子はアルミニウム合金製部材の表面部に
埋込まれ分散している。

【００４２】すなわち、図６に示される組成分析チャー
トは、Ｘ線種がＣｕＫαでＸ線強度が４０ｋｖ、１６０
ｍＡのＸ線照射による回析角（面間隔）ごとの発現ピー
クにより組成成分を検出したものである。

【００４３】図６に示されるチャート中、はＡｌ、
はＳｉ、はＦｅの存在をそれぞれ示しており、ショッ
トピーニング処理によりアルミニムウ合金製の強度部材
の表面部に埋込まれた硬鋼微粒子は該表面部に均一に分
散していることが明らかである。

【００４４】実施例２ アルミニウム合金製部材としてＡＣ４Ｃの鋳造品よりな
る強度部材を用いて、この強度部材に対し上記実施例１
と同様硬鋼微粒子をショット材に混入したショットピー
ニング処理を施す。

【００４５】しかる後、この強度部材に対し５３０℃の
温度で４時間保持し水冷により室温まで冷却する焼き入
れと１８０℃の温度で６時間保持し室温まで冷却する焼
き戻しとを含む溶体化処理を行う。

【００４６】前述したような知見によれば、アルミニウ
ム合金製部材中に分散する硬鋼微粒子は、５００℃の加
熱温度下で３０分保持されることにより１００％拡散さ
れる故、上記焼き入れ中に５３０℃の温度で４時間保持
する条件により分散硬鋼微粒子中の鉄成分はアルミニウ
ムと金属間化合物を生成し全量が拡散する。

【００４７】このような硬鋼微粒子が混合されたショッ
ト材によりショットピーニング処理が行われた後の加熱
により、図７のＸ線回析による組成分析チャートに示さ
れるように硬鋼微粒子はアルミニウム合金製部材の表面
部に拡散している。

【００４８】すなわち、図７に示される組成分析チャー
トは、上記実施例１と同様のＸ線照射により組成成分を
検出したものである。

【００４９】図７に示されるチャート中、はＡｌ、
はＳｉ、はＦｅ3 Ａｌの存在をそれぞれ示しており、
ショットピーニング処理によりアルミニウム合金製の強
度部材の表面部にに埋込まれその後加熱された硬鋼微粒
子は該表面部に均一に拡散していることとが明らかであ
る。

【００５０】この実施例２における拡散状態は、図８〜
１０の金属組織の拡大放射線写真に示されるように均質
に行われている。

【００５１】すなわち、図８に示される走査電子線像に
よると、図上左半分から右側にわたりグレーの色調が現
われているのが上記アルミニウム合金製の強度部材の表
面部であり、グレーの色調の端部が表面である。上記表
面部中に白色の班状で現われているのが鉄成分であって
該表面部に拡散されていることが明らかである。

【００５２】図９に示される鉄の特性Ｘ線像によると、
上記図８に示される強度部材の表面に相当する部分から
図上中央線部にわたり白点の密集状態で現われているの
が鉄であり、硬鋼成分はアルミニウム合金製の強度部材
の表面部に均一に拡散されていることが明らかである。

【００５３】図１０に示されるアルミニウムの特性Ｘ線
像によると、上記図８に示される強度部材の表面に相当
する部分から図上右側にわたり微細な白点が一様に密集
する状態で現われているのがアルミニウムであり、アル
ミニウム合金が均質に組織層を形成しており、アルミニ
ウムと鉄とが金属間化合物（Ｆｅ3 Ａl)を生成し十分な
拡散が行われていることが明らかである。

【００５４】次にアルミニウム合金製部材の表面部にシ
ョットピーニング処理が施されていると共に硬鋼微粒子
が埋込まれ分散された表面改質品について、耐食テスト
を行った。本案として示されるテストピースは上記実施
例１の方法に準じた方法で得られたものである。

【００５５】具体例１のものはアルミニウム合金製部材
中の硬鋼材の分散量が１．８wt％、具体例２のものは同
じく２．５wt％、具体例３のものは同じく５wt％のもの
である。従来として示されるテストピースは焼き入れ及
び焼き戻しよりなるいわゆるＴ−６処理のみのものと前
述したような被膜形成であるアルマイト処理のものであ
る。

【００５６】これらの各テストピースを、排気ガスの冷
却により凝縮しアルカリ成分及び酸成分を含む凝縮水相
当の試験液中に６０〜８０℃の温度にて３００時間浸漬
して耐食性を測定し、腐食レベルにより評価しその結果
を図１１に示す。

【００５７】腐食レベルは、１：顕著な腐食、孔食（凹
凸が大）、２：腐食、３：部分的に腐食、４：変色する
程度、５：変化なし、の５段階評価となっている。

【００５８】図１１に示される結果によると、本発明の
硬鋼材を埋め込ませ分散させたアルミニウム合金製部材
はいずれの具体例も優れた耐食性を示している。尚、硬
鋼材を分散させた後さらに拡散したものも上記評価と同
様に優れた耐食性を示す。

【００５９】また、上記実施例２の変形として、ショッ
ト材及びアルミニウム合金製部材の少くとも一方を加熱
してショットピーニング処理を行うことによって上記部
材の表面部に微粒子を埋込ませると共に金属間化合物を
生成させることも該表面部に微粒子を拡散させるのに有
効な方法である。

【００６０】また、ショットピーニング処理によりアル
ミニウム合金製部材の表面部に埋込まれる微粒子は、上
記ショットピーニング処理のショット材に混入されるも
のである他に、アルミニウム合金製部材の表面に予め付
着されるもの又は箔状体に形成されアルミニウム合金製
部材面に貼着されるものであっても同効を奏することが
できる。

【００６１】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１の発明に
係るアルミニウム合金製部材の表面改質方法によると、
アルミニウム合金製部材に対するショットピーニング処
理時に微粒子が該部材の表面部に埋込まれるため、ショ
ットピーニング処理による残留応力の発生に加えて埋込
まれる微粒子に個有の特性に基づいて耐摩耗性、耐食性
等の強度信頼性が向上するので、簡便且つ容易な方法で
アルミニウム合金製部材の表面改質が達成され、さらに
埋込まれる微粒子がアルミニウム合金製部材の表面部に
分散又は拡散して分布することにより高い寸法精度を保
つことができる。

【００６２】また、請求項２の発明によると、微粒子は
ショット材に混入されているため、ショット材中に含有
される微粒子の混合比等は所望値に設定容易となるの
で、微粒子量の材質及び粒径等を表面改質の目的に併せ
て選択することが容易となる。

【００６３】また、請求項３の発明によると、アルミニ
ウム合金製部材の表面部に分散される微粒子が加熱によ
り拡散するため、微粒子成分はアルミニウム合金製部材
の表面部に合金組織として均一に分布するので、耐摩耗
性、耐食性等の強度信頼性をより向上することが可能と
なる。

【００６４】また、請求項４の発明によると、アルミニ
ウム合金製部材中に分散する微粒子を拡散するための加
熱はショットピーニング後の焼き入れ及び焼き戻し処理
時の熱により行われるため、微粒子の拡散は併用工程で
達成できるので、工数的にも熱採算的にも有利である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例におけるアルミニウム合金製部
材中の微粒子の分散量と硬度との関係を示すグラフであ
る。

【図２】本発明の実施例におけるアルミニウム合金製部
材の微粒子分散量と疲労強度の向上率との関係を示すグ
ラフである。

【図３】本発明の実施例における微粒子の粒径とアルミ
ニウム合金製部材の疲労強度の向上率との関係を示すグ
ラフである。

【図４】本発明の実施例におけるショット材中の微粒子
混合比とアルミニウム合金製部材の疲労強度の向上率と
の関係を示すグラフである。

【図５】本発明の実施例における加熱時間と拡散率との
関係を示すグラフである。

【図６】本発明の一実施例のＸ線分析のチャートであ
る。

【図７】本発明の今一つの実施例のＸ線分析のチャート
である。

【図８】本発明の一実施例の金属組織を示す倍率３００
０の顕微鏡写真である。

【図９】本発明の一実施例の金属組織を示す倍率３００
０の顕微鏡写真である。

【図１０】本発明の一実施例の金属組織を示す倍率３０
００の顕微鏡写真である。

【図１１】本発明の一実施例の耐食テストの結果を示す
棒グラフである。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭52−5627（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−283388（ＪＰ，Ａ) 特開 昭49−17311（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−176563（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−208415（ＪＰ，Ａ) 特開 昭47−36290（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−193003（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−190404（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−21747（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−246265（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−292202（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C22F 1/04 C23C 10/28 C23C 24/04

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 アルミニウム合金製部材の表面部にショ
   ットピーニング処理を施すアルミニウム合金製部材の表
   面改質方法であって、粒径が０．５〜４．０ｍｍのショ
   ット材がアルミニウム合金製部材の表面部をショットす
   る時にショット材中に粒径が１〜１０μｍの微粒子が２
   〜３０ｗｔ％伴われる状態でショットピーニング処理を
   行うことにより、上記微粒子をアルミニウム合金製部材
   の表面部に分散状態で埋込ませることを特徴とするアル
   ミニウム合金製部材の表面改質方法。
2. 【請求項２】 上記微粒子はショット材に混入されショ
   ット材の一部を構成するものであることを特徴とする請
   求項１に記載のアルミニウム合金製部材の表面改質方
   法。
3. 【請求項３】 上記微粒子としてアルミニウムと金属間
   化合物を生成するものを用い、且つ、アミニウム合金製
   部材の表面部に埋込まれた微粒子をアルミニウム合金製
   部材の表面部に拡散させるための加熱処理をショットピ
   ーニング処理後に行うことを特徴とする請求項１に記載
   のアルミニウム合金製部材の表面改質方法。
4. 【請求項４】 上記加熱処理はショットピーニング処理
   後に行われる溶体化処理における加熱処理であることを
   特徴とする請求項３に記載のアルミニウム合金製部材の
   表面改質方法。