JP4699264B2 - 金属部材の製造方法及び構造部材 - Google Patents

Description

本発明は、疲労特性を向上させた金属部材の製造方法及び構造部材に関するものである。

航空機や自動車等に用いられる構造部材等の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（投射材）を圧縮空気と共に噴射して、金属材料表面に衝突させることにより、金属材料表面の硬度を上げ、一定の深さで圧縮残留応力を持った層を形成する方法である。
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。

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に関して、以下の方法が開示されている（非特許文献１参照）。

ティー・ドール（T. Dorr）、他４名、「インフルエンス オブ ショット ピーニング オン ファティーグ パフォーマンス オブ ハイ−ストレングス アルミニウム アンド マグネシウム アロイズ（Influenceof Shot Peening on Fatigue Performance of High-Strength Aluminium- andMagnesium Alloys）」、第７回インターナショナル コンファレンス オン ショットピーニング（The 7th InternationalConference on Shot Peening）、１９９９年、インスティテュート オブ プレシジョン メカニクス（Institute ofPrecision Mechanics）、ワルシャワ、ポーランド、インターネット＜URL：http://www.shotpeening.org/ICSP/icsp-7-20.pdf＞

鉄系材料からなる投射材を用いたショットピーニング処理を行った場合、投射材の一部がショットピーニング処理対象の金属材料表面に残存する。このように金属材料表面に残存した投射材中の鉄分は腐食を生ずるため、このような腐食を防止するためにショットピーニング処理後に金属材料表面に付着した投射材の鉄分を除去するため、鉄分除去処理を行う必要があった。
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。

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、金属材料表面のショットピーニング処理を伴う、航空機や自動車等に用いられる構造部材等の金属部材の製造において、金属材料の寸法変化や表面形状の荒れをほとんど生じさせずに、該金属材料表面に付着した鉄分を効率よく除去し、かつ製造される金属部材の疲労特性をさらに向上させることを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、以下の手段を採用する。
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、噴射圧力０．１ＭＰａ以上１ＭＰａ以下で投射する第１のショットピーニング処理工程と、前記第１のショットピーニング処理工程の後に、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の粒子を投射して、前記第１のショットピーニング処理工程で前記金属部材の表面に付着した鉄分を除去する第２のショットピーニング処理工程とを有する。
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。

（１）ふるい上曲線から求める方法（Ｒ＝５０％に相当する粒径；中位径、メディアン径または５０％粒子径といいｄ_ｐ５０で表す）。
（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）。

この方法によれば、金属部材の製造において、従来のショットピーニング処理が有する疲労特性向上効果を保ち、かつ鉄分除去に起因する金属材料の寸法変化や表面の荒れを防ぐことができる。

また本発明の構造部材は、前記製造方法により製造された金属部材を有する。
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。

本発明によれば、金属材料表面のショットピーニング処理を伴う、航空機や自動車等に用いられる構造部材等の金属部材の製造において、従来の鉄系投射材を用いるショットピーニング処理が有する疲労特性向上効果を保ち、かつ乾式での鉄分除去が可能となるため作業コストを大幅に低減することが可能になる。さら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ほとんどなく、表面形状も均質化し、しかも微粒子ショットにより最表面に高い圧縮残留応力を発生させることが出来るため、従来のショットピーニングよりもさらに大きな疲労特性向上効果が期待できる。

以下に、本発明の金属部材の製造方法にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。

本発明の金属部材の製造方法においては、軽合金が、基材となる金属材料として採用される。金属材料に用いられる軽合金としては、アルミニウム合金、チタン合金等が挙げられる。

本発明の金属部材の製造方法において、鉄を主成分とする第１の粒子（第１の投射材）としては、鋳鋼及びラウンドカットワイヤーが挙げられる。また、鉄を実質的に含まない第２の粒子（第２の投射材）としては、金属、セラミックス、ガラス等の硬質粒子が挙げられ、なかでもアルミナ、シリカ粒子等のセラミックス粒子が好ましい。

第１の投射材の平均粒径は０．１ｍｍ以上５ｍｍ以下であり、０．２ｍｍ以上２ｍｍ以下が特に好ましい。第１の投射材の平均粒径が０．１ｍｍより小さいと、圧縮残留応力が小さくなり、ショットピーニングの効果が少なくなるので好ましくない。また、第１の投射材の平均粒径が５ｍｍより大きいと、表面の荒れが大きくなるとともに傷の発生も起こりやすくなり、ショットピーニングの効果が減殺されてしまい、また、変形量も大きくなってしまうので好ましくない。
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１の投射工程（第１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、０．２ＭＰａ以上０．５ＭＰａ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。
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。

第１のショットピーニング処理におけるカバレージは、好ましくは１００％以上１０００％以下、より好ましくは１００％以上５００％である。カバレージが１００％未満では、ショットされない部分が残存するため、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％を超えると、材料表面の荒れが大きくなるとともに、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。

第２のショットピーニング処理におけるカバレージは、好ましくは１００％以上１０００％以下、より好ましくは１００％以上５００％である。カバレージが１００％未満では、十分な鉄分除去効果及び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％を超えると、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金属部材は、好ましくは以下の表面特性（表面圧縮残留応力及び表面粗さ）を有する。
［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。

こうして金属材料に上記条件で第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施すことにより、本発明の表面処理が施された金属部材が得られる。

次に、実施例および比較例を用いて、本発明による金属部材の製造方法についてさらに詳述する。
（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。

第２のショットピーニング処理後に、ＥＰＭＡ（電子プローブマイクロアナライザ）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。このグラフにおいて、横軸はショットピーニング処理を施した面上のある点における鉄分検出強度Ｌｖを表し、縦軸は鉄分の付着面積（鉄分残留量）を百分率で表したものである（図６のグラフにおいても同様）。
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。

（比較例１）
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。

（実施例２）
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。

第２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では、若干の鉄分の残留が認められるが、第２のショットピーニング処理の条件を適正化することにより、鉄分を完全に除去することが可能である。
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。

（比較例３）
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。

アルミニウム合金材料からなる供試体のショットピーニング処理後における、供試体処理面の残留鉄分の濃度分布を表す図である。 表面処理前のアルミニウム合金材料の表面形状を表す図である。 比較例１の表面処理後のアルミニウム合金材料の表面形状を表す図である。 実施例１の表面処理後のアルミニウム合金材料の表面形状を表す図である。 比較例２の表面処理後のアルミニウム合金材料の表面形状を表す図である。 チタン合金材料からなる供試体のショットピーニング処理後における、供試体処理面の残留鉄分の濃度分布を表す図である。 表面処理前のチタン合金材料の表面形状を表す図である。 比較例３の表面処理後のチタン合金材料の表面形状を表す図である。 実施例２の表面処理後のチタン合金材料の表面形状を表す図である。 比較例４の表面処理後のチタン合金材料の表面形状を表す図である。

Claims (2)

1. 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、噴射圧力０．１ＭＰａ以上１ＭＰａ以下で投射する第１のショットピーニング処理工程と、
   前記第１のショットピーニング処理工程の後に、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の粒子を投射して、前記第１のショットピーニング処理工程で前記金属部材の表面に付着した鉄分を除去する第２のショットピーニング処理工程とを有する金属部材の製造方法。
2. 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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