JP5039311B2 - 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（非特許文献１参照）。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、一定の深さで圧縮残留応力を持った層を形成する方法である。

また、金属材料の疲労強度を高める他の方法としては、フラップピーニング、コールドワーク等の技術も用いられている。

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 ofHigh-Strength Aluminium- and Magnesium 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（The7th International Conference 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（Instituteof Precision 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＞

しかし、ショットピーニング処理を行うことにより、部材の表面粗さが増加するため、用途に応じた表面粗さの規定を満足できなくなることがあった。また、表面粗さの増加や、投射材により部材表面に生じた傷の影響により、ショットピーニング処理による疲労特性向上分がある程度減少してしまうことが避けられなかった。従って、部材の表面粗さの増加や傷の発生を抑えつつ、ショットピーニング処理により部材の疲労特性を高める方法は見いだされていなかった。
一方、フラップピーニング法では、高い圧縮残留応力が得られず，その結果十分な疲労特性が得られないという問題があった。また、コールドワーク法は後加工が必要であり、工程が複雑となるという問題があった。

また、ショットピーニングを行うことにより、部材の表面層に塑性変形が起こり、曲がり等の変形が発生する問題があった。そのため、曲がり等の変形や前記表面粗さの増加が問題となる部分に、テープやフィルム状の粘着性マスクを用いてマスキングをしてからショットビーニングを行うことにより、これらの問題を防いでいる。しかし、粘着性マスクの貼付や剥がしには多くの工数がかかり、余分のコストがかかっているという問題があった。

また、ショットピーニングを行った際に、部材の角部に粒子があたると、この角部での塑性変形により、部材から飛び出た部分、すなわち「バリ（カエリ）」ができることがあった。このバリは、部材の疲労特性を損なう要因となる可能性があるため、バリの発生を防止する目的で、ショットピーニング処理前の金属部材の角部の面取り、または角丸めをする必要があった。しかし、角部の面取りや角丸めは、通常手作業で行われており、効率が悪かった。

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、ショットピーニング処理の前後で金属材料の表面粗さをほとんど変化させずに疲労特性を向上させることを目的とする。
また、本発明は、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、金属材料の変形や表面粗さの増加を低減することにより、金属材料表面のマスキングを不要とし、低コストで金属部材を製造できるようにすることを目的とする。
さらに、本発明は、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、ショットピーニング処理前の角部の面取りや角丸めを不要とし、工程及びコストを削減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、圧縮空気により粒子を投射する投射工程（ショットピーニング処理工程）を有し、この製造方法において、前記粒子の平均粒径は２００μｍ以下であり、前記金属材料表面の、前記投射工程前の算術平均粗さに対する前記投射工程後の算術平均粗さの比は、０．８以上１．５以下である。
この方法によれば、金属材料の表面粗さをほとんど変えずに、疲労特性を向上させた金属部材を製造することができる。
なお、以下の説明においては、算術平均粗さＲａで表される表面粗さを、単に「表面粗さ」という。また、本発明において「平均粒径」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）。

前記投射工程前における前記金属材料の表面粗さは、０．７μｍ以上６５μｍ以下とすることが好ましい。
前記投射工程前における前記金属材料の表面粗さが０．７μｍ未満では、前記金属材料表面に関して、前記投射工程前の表面粗さに対する前記投射工程後の表面粗さの比が過大となり、本発明の疲労特性向上効果が十分ではなくなるので好ましくない。

製造される金属部材が十分な疲労強度を有するためには、前記投射工程後における前記金属材料表面の圧縮残留応力の絶対値を１５０ＭＰａ以上とすることが好ましい。

また、本発明の金属部材の製造方法においては、従来のショットピーニング処理において金属材料の表面粗さの増加や変形を防ぐためにその表面に付着させていたマスクを用いずに、金属材料の表面に前記粒子を投射することとしてもよい。
本発明の金属部材の製造方法によれば、前記投射工程の前後において前記金属材料の表面粗さがほとんど変化しないことに加え、この金属材料に曲がり等の変形がほとんど生じないので、従来のショットピーニング処理のような粘着マスクによるマスキングが不要となり、粘着性マスクの貼付や剥がしの工程も不要となるので、金属部材の製造工数及び製造コストを大幅に低減することができる。

また、本発明の金属部材の製造方法においては、従来のショットピーニング処理においてバリの発生を防止する目的で前記投射工程前に行われていた、前記金属材料の角部の面取りまたは角丸めのいずれの処理も、行わないこととしてもよい。
本発明の金属部材の製造方法によれば、投射材粒子が金属材料の角部に衝突しても、塑性変形によるバリの発生がないので、投射工程前の角部の面取り及び角丸めが不要となる。従って、金属部材の製造工数及び製造コストを大幅に低減することができる。

また本発明の構造部材は、前記いずれかの製造方法により製造された金属部材を有する。
この構造部材は、優れた疲労特性を有すると共に、曲がり等の変形や過大な表面粗さがない。また、粘着マスクによるマスキングや角部の面取り及び角丸めを行わずに製造できるので、低コストで製造できる。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、ショットピーニング処理の前後で金属材料の表面粗さをほとんど変化させずに疲労特性を向上させることができる。
また、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、金属材料の変形や表面粗さの増加を低減することにより、金属材料表面のマスキングを不要とし、低コストで金属部材を提供することができる。
さらに、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、ショットピーニング処理前の角部の面取りや角丸めを不要とし、製造工数及び製造コストを削減することができる。

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、軽合金材料又は鉄鋼材料が採用される。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、前記金属材料のショットピーニング処理に用いられる粒子（投射材）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前後の投射材が用いられるが、本発明においては、平均粒径２００μｍ以下の投射材が用いられる。投射材の平均粒径は１０μｍ以上２００μｍ以下が好ましく、３０μｍ以上１００μｍ以下が特に好ましい。投射材粒子の平均粒径が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、投射材粒子の平均粒径が１０μｍより小さいと投射材のつまり等によって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。
投射材粒子の形状は球形が好ましい。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。

ショットピーニング処理のカバレージは、好ましくは１００％以上１０００％以下、より好ましくは１００％以上５００％以下である。カバレージが１００％未満では、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％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］
本発明によるショットピーニング処理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。

［表面粗さ］
本発明によるショットピーニング処理は、その前後で、表面粗さがほとんど変化しないように行われる。ショットピーニング処理前の表面粗さに対するショットピーニング処理後の表面粗さの比は、０．８以上１．５以下が好ましい。この表面粗さの比が１．５を超えると、ショットピーニング処理後の金属部材の表面は粗い面になり、結果的に表面を損傷させ、疲労寿命低下の一因になるので好ましくない。

こうして金属材料に上記条件で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及び実施例２）
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（最頻度径）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秒でショットピーニング処理を行った。
ショットピーニング処理前のアルミニウム合金材料としては、表面粗さの異なるものを２種類用意した。実施例１ではショットピーニング処理前の表面粗さが１．２μｍのアルミニウム合金材料を用い、実施例２ではショットピーニング処理前の表面粗さが２．９μｍのアルミニウム合金材料を用いた。
ショットピーニング装置としては、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。
ショットピーニング処理後に、供試体の表面粗さ、圧縮残留応力及び変形量を測定した。
実施例１及び実施例２のショットピーニング処理の条件、ショットピーニング処理前後の供試体の表面粗さ、並びにショットピーニング処理後の圧縮残留応力、表面粗さ、及び変形量を表１に示す。また、実施例１のショットピーニング処理前後の表面形状（プロファイル）を図１（ａ）及び図１（ｂ）に、実施例２のショットピーニング処理前後の表面形状を図２（ａ）及び図２（ｂ）に、それぞれ示す。

（比較例１及び比較例２）
投射材を、従来から用いられている平均粒径（最頻度径）２５０μｍのジルコニア粒子に代えた以外は、実施例１及び実施例２とそれぞれ同様にして、比較例１及び比較例２のショットピーニング処理を行った。
比較例１及び比較例２のショットピーニング処理の条件、ショットピーニング処理前後の供試体の表面粗さ、並びにショットピーニング処理後の圧縮残留応力、表面粗さ、変形量、及び疲労寿命を表１に示す。

（比較例３及び比較例４）
投射材を、従来から用いられている平均粒径（最頻度径）５００μｍ〜８００μｍの鋳鋼粒子に代えた以外は、実施例１及び実施例２とそれぞれ同様にして、比較例３及び比較例４のショットピーニング処理を行った。
比較例３及び比較例４のショットピーニング処理の条件、ショットピーニング処理前後の供試体の表面粗さ、並びにショットピーニング処理後の圧縮残留応力、表面粗さ、変形量、及び疲労寿命を表１に示す。また、比較例３のショットピーニング処理前後の表面形状を図１（ｃ）に、比較例４のショットピーニング処理前後の表面形状を図２（ｃ）に、それぞれ示す。

（実施例３及び実施例４）
供試材を、板状のチタン合金材料（Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ（アニール材）；寸法 １９ｍｍ×７６ｍｍ×２．４ｍｍ）に代えた以外は、実施例１及び実施例２と同様にして、実施例３及び実施例４のショットピーニング処理を行った。
ショットピーニング処理前のチタン合金材料としては、表面粗さの異なるものを２種類用意した。実施例３ではショットピーニング処理前の表面粗さが１．６４μｍのチタン合金材料を用い、実施例２ではショットピーニング処理前の表面粗さが３．２μｍのチタン合金材料を用いた。
実施例３及び実施例４のショットピーニング処理の条件、ショットピーニング処理前後の供試体の表面粗さ、並びにショットピーニング処理後の圧縮残留応力、表面粗さ、変形量、及び疲労寿命を表１に示す。なお、疲労寿命は、長さ１３５ｍｍ、評点部直径６．３５ｍｍの丸棒平滑試験片について、引張−引張疲労試験（応力比Ｒ＝０．１；最大応力３４５ＭＰａ）を行い評価した。また、実施例３のショットピーニング処理前後の表面形状を図３（ａ）及び図３（ｂ）に、実施例２のショットピーニング処理前後の表面形状を図４（ａ）及び図４（ｂ）に、それぞれ示す。

表１及び図１から図４に示した結果から、微粒子投射材を用いた実施例１から実施例４のショットピーニング処理では、従来の投射材を用いた比較例１から比較例４のショットピーニング処理と比べて、ショット前後の表面粗さの変化が少ないことが分かる。従って、実施例１から実施例４のショットピーニング処理では、材料の表面の損傷が少ないと考えられる。また、実施例１及び実施例２のショットピーニング処理では、比較例１から比較例４のショットピーニング処理と比べて、より大きい圧縮残留応力がショットピーニング処理後の材料に認められる。従って、実施例１から実施例４のショットピーニング処理によれば、優れた疲労特性を有する合金部材が得られる。

また、実施例１から実施例４のショットピーニング処理では、比較例３及び比較例４のショットピーニング処理と比べて、供試体の変形量が少ない。従って、実施例１から実施例４のショットピーニング処理を採用すれば、曲がりや表面粗さの増加が不都合となる部位にマスキングを行う必要がなく、マスクの貼付や剥がしのための工程が不要となるので、余分なコストをかけずにショットピーニング処理を行うことが可能となる。

（参考例）
規格上の表面粗さが８マイクロインチ（０．２μｍ）、６３マイクロインチ（１．６μｍ）、及び１２５マイクロインチ（３．２μｍ）のアルミニウム合金材料（７０５０−Ｔ７４５１）の表面にショットピーニング処理を施したときの投射材の平均粒径（メディア径）（最頻度径）と表面粗さの関係を図５に示す。図５に示すように、平均粒径と表面粗さとの間には線形関係が成立し、平均粒径の増大とともに表面粗さも増大することが分かる。またその傾向は初期の表面粗さが小さいほど、平均粒径の違いによる表面粗さ変化は大きく、平均粒径が通常のショットピーニング処理に使用される投射材粒子の平均粒径（０．８ｍｍ前後）に近づくと、初期の表面粗さの影響はほとんどなく、ショットピーニング処理後の表面粗さはいずれの規格のアルミニウム合金材料でも同程度となる。

（実施例５）
チタン合金（Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ（アニール材））製の有孔平板からなる供試体の穴部に、実施例３と同様のショットピーニング処理を行った。ショットピーニング処理の前に、穴角部の面取りまたは角丸め等の処理は行わなかった。疲労試験後、電子顕微鏡により疲労破面を観察した。図６は、実施例５の供試体の疲労破面の電子顕微鏡写真である。図中、矢印は疲労破壊の起点を表す。
図６の電子顕微鏡写真から、実施例５においては供試体の穴内面から数十μｍ程度内部に疲労破壊の起点があることが分かる。
なお，上記有効平板を用いて疲労試験（引張−引張疲労試験，応力比Ｒ＝０．１）を行った結果を表２に示す。穴角部の面取りまたは角丸め等の処理を実施していないにもかかわらず、穴角部の面取りまたは角丸め等の処理を行った通常ショット材（下記比較例５参照）よりも、微粒子ショットにより疲労寿命が大幅に向上していることが分かる。

（比較例５）
チタン合金（Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ（アニール材））製の有孔平板からなる供試体の穴角部を面取り後、この穴部に、比較例３及び比較例４と同様のショットピーニング処理を行った。疲労試験後、電子顕微鏡により疲労破面を観察した。図７は、比較例５の供試体の疲労破面の電子顕微鏡写真である。図中、矢印は疲労破壊の起点を表す。
図７の電子顕微鏡写真から、比較例５においては穴角部の面取り部分に疲労破壊の起点があることが分かる。

実施例５及び比較例５の対比から、微粒子ショットピーニングでは角面取りをしていないにもかかわらず角部が疲労破壊の起点となっていないことが分かる。同様の結果はアルミ合金製及び鉄鋼製の供試体でも見られた。このことから、本発明のショットピーニング処理をすることで、角部の塑性変形によるバリの発生が防止されるだけでなく、角部を含めた表面全体が強化され、疲労特性が向上したといえる。
また、本発明のショットピーニング処理では塑性変形量が少ないことも活かして、これまでショットピーニングをすることができないためマスキングをしていた精密穴部へもショットピーニングをすることが可能となる。

表面粗さ１．２μｍのアルミニウム合金のショットピーニング処理前後の表面形状を表す図であり、（ａ）はショットピーニング処理前、（ｂ）は実施例１のショットピーニング処理後、（ｃ）は比較例３のショットピーニング処理後の表面形状をそれぞれ表す。 表面粗さ２．９μｍのアルミニウム合金のショットピーニング処理前後の表面形状を表す図であり、（ａ）はショットピーニング処理前、（ｂ）は実施例２のショットピーニング処理後、（ｃ）は比較例４のショットピーニング処理後の表面形状をそれぞれ表す。 表面粗さ１．６４μｍのチタン合金のショットピーニング処理前後の表面形状を表す図であり、（ａ）はショットピーニング処理前、（ｂ）は実施例３のショットピーニング処理後の表面形状をそれぞれ表す。 表面粗さ３．２μｍのチタン合金のショットピーニング処理前後の表面形状を表す図であり、（ａ）はショットピーニング処理前、（ｂ）は実施例４のショットピーニング処理後の表面形状をそれぞれ表す。 投射材平均粒径と表面粗さの関係を表すグラフである。 実施例５の供試体の疲労破面の電子顕微鏡写真である。 比較例５の供試体の疲労破面の電子顕微鏡写真である。

Claims (6)

1. 軽合金を含む金属材料の表面に、ショットピーニング法を用いて圧縮空気により球形の粒子を投射する投射工程を有する金属部材の製造方法であって、
   前記粒子の平均粒径が２００μｍ以下であり、
   前記金属材料表面の、前記投射工程前の算術平均粗さに対する前記投射工程後の算術平均粗さの比が、０．８以上１．５以下である金属部材の製造方法。
2. 前記投射工程前における前記金属材料表面の算術平均粗さが０．７μｍ以上６５μｍ以下である請求項１に記載の金属部材の製造方法。
3. 前記投射工程後における前記金属材料表面の圧縮残留応力の絶対値が１５０ＭＰａ以上である請求項１又は２に記載の金属部材の製造方法。
4. 前記金属材料の表面を覆うマスクを用いずに、該金属材料の表面に前記粒子を投射する請求項１から請求項３のいずれかに記載の金属部材の製造方法。
5. 前記投射工程前に、前記金属材料の角部の面取りまたは角丸めのいずれも行わない請求項１から請求項４のいずれかに記載の金属部材の製造方法。
6. 請求項１から請求項５のいずれか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。