专利名称：：金属部件的制造方法和结构部件的制作方法
技术领域：
：本发明涉及提高疲劳特性的金属部件的制造方法和结构部件。技术背景作为用于提高飞机和汽车等使用的结构部件等金属材料疲劳强度的表面改质方法，知道有喷丸硬化处理(参照非专利文献1)。所谓的喷丸硬化处理是例如把粒径0.8mm前后的无数粒子(投射材料)与压缩空气一起进行喷射，通过向金属材料表面敲打来提高金属材料表面的硬度，以一定的深度形成具有压缩残留应力的层的方法。作为提高金属材料疲劳强度的其他方法，片状物敲击(7，:y:/tf—二乂夕、')、冷加工(n/PK、I7—夕)等技术也被使用。非专利文献1:XY—K一少(T.Dorr)及其他四人、"InfluenceofShotPeeningonFatiguePerformanceofHigh-StrengthAluminium-andMagnesiumAlloys"(The7thInternationalConferenceonShotPeening)1999年、(InstituteofPrecisionMechanics)华沙、波兰、互联网〈URL:http://www.shotpeening.org/ICSP/icsp-7-20.pdf〉。但由于进行喷丸硬化处理则部件的表面粗糙度增加，所以有时不能按照用途来满足表面粗糙度的规定。由于表面粗糙度的增加和投射材料对部件表面产生的损伤的影响而使由喷丸硬化处理提高疲劳特性的部分有一定程度的减少不可避免。既抑制部件表面粗糙度的增加和产生损伤，又由喷丸硬化处理来提高部件疲劳特性的方法尚未发现。另一方面，片状物敲击法不能得到高的压缩残留应力，其结果有不能得到足够疲劳特性的问题。冷加工法需要后加工，有工序复杂的问题。进行喷丸硬化处理还有部件的表面层产生塑性变形、弯曲等变形的问题。因此，在弯曲等变形和上述表面粗糙度增加成为问题的部分使用带和膜状的粘贴性掩模进行掩蔽后进行喷丸硬化处理，这样来防止这些问题。但粘贴性掩模的粘贴和剥离需要多的工时，有成本增加的问题。在进行喷丸硬化处理时当部件的角部碰到粒子，则该角部塑性变形而有时出现从部件出来的部分即"毛刺(飞边)"。由于该毛刺有可能成为损害部件疲劳特性的主要原因，所以以防止产生毛刺为目的而需要在喷丸硬化处理前进行金属部件角部的倒角或修圆角。但通常角部的倒角和修圓角是由手工操作进行，效率不好。
发明内容本发明是鉴于这种情况而开发的，目的在于伴随金属材料表面的喷丸硬化处理而在飞机和汽车等使用的结构部件等金属部件的制造中，使在喷丸硬化处理的前后金属材料的表面粗糙度几乎不变化且提高疲劳特性。本发明的目的在于在伴随金属材料表面的喷丸硬化处理而在飞机和汽车等使用的结构部件等金属部件的制造中，通过减少金属材料的变形和减少表面粗糙度的增加而不需要对金属材料表面掩蔽，能够以低成本制造金属部件。且本发明的目的在于在伴随金属材料表面的喷丸硬化处理而在飞机和汽车等使用的结构部件等金属部件的制造中，不需要喷丸硬化处理前的角部的倒角和修圓角，减少工序和成本。为了解决上述课题，本发明采用以下的方法。即本发明金属部件的制造方法具有向轻合金或包括钢铁的金属材料的表面投射粒子的投射工序(喷丸硬化处理工序)，该制造方法中，所述粒子的平均粒径是200Mm以下，所述金属材料表面的所述投射工序后的算术平均粗糙度相对所述投射工序前的算术平均粗糙度的比是0.8以上1.5以下。根据该方法，能够使金属材料的表面粗糙度几乎不变地制造提高了疲劳特性的金属部件。在以下的说明中，以算术平均粗糙度Ra表示的表面粗糙度单叫做"表面粗糙度"。本发明中，"平均粒径"是作为相对频度分布曲线的峰值的粒径来求，也被叫做频度最高径(最大频度径)或最频值径。另外，平均粒径也可以;疾以下的方法来求。(1)从筛孔上曲线来求的方法(与11=50%相当的粒径；中位径，叫做中径或50%粒子径，以dp5o表示)。(2)从洛津-姆拉(口-y—厶，一)分布来求的方法。(3)其他方法(个数平均径、长度平均径、面积平均径、体积平均径、平均表面积径、平均体积径等)。所述投射工序前的所述金属材料的表面粗糙度优选0.7nm以上65pm以下。若所述投射工序前的所述金属材料的表面粗糙度不到0.7nm,对于所述金属材料的表面，则所述投射工序后的表面粗糙度相对所述投射工序前的表面粗糙度的比就过大，本发明提高疲劳特性的效果变得不充分，所以不优选。为了使制造的金属部件具有足够的疲劳强度，优选所述投射工序后所述金属材料表面的压缩残留应力的绝对值在150MPa以上。本发明金属部件的制造方法中，也可以不使用在现有喷丸硬化处理中为了防止金属材料的表面粗糙度增加和变形而向其表面附着的掩模，向金属材料的表面投射所述粒子。根据本发明金属部件的制造方法，由于在所述投射工序前后所述金属材料的表面粗糙度几乎没有变化，且该金属材料几乎不产生弯曲等变形，所以不需要现有喷丸硬化处理那样粘贴性掩模的掩蔽，也不需要粘贴性掩模的粘贴和剥离的工序，因此，能够大幅度降低金属部件的制造工时和制造成本。在现有的喷丸硬化处理中以防止产生毛刺为目的而在所述投射工序前需要进行所述金属材料角部的倒角或修圆角，而在本发明金属部件的制造方法中，也可以不进行上述的任何处理。根据本发明金属部件的制造方法，由于即使投射材料的粒子碰撞金属材料的角部，也不产生塑性变形的毛刺，所以不需要投射工序前的角部的倒角和修圆角。因此，能够大幅度降低金属部件的制造工时和制造成本。本发明的结构部件具有所述任一制造方法制造的金属部件。该结构部件具有优良的疲劳特性，且没有弯曲等变形和过大的表面粗糙度。由于不进行粘贴性掩模的掩蔽和角部的倒角和修圆角就能够制造，所以能够以低成本制造。该结构部件在飞机和汽车等运输机器领域以及对材料的疲劳特性有要求的其他领域中，能够被恰当地使用。根据本发明，在伴随金属材料表面的喷丸硬化处理而在飞机和汽车等使用的结构部件等金属部件的制造中，能够使喷丸硬化处理的前后金属材料的表面粗糙度几乎不变化且提高疲劳特性。根据本发明，在伴随金属材料表面的喷丸硬化处理而在飞机和汽车等使用的结构部件等金属部件的制造中，通过减少金属材料的变形和减少表面粗糙度的增加而不需要对金属材料表面掩蔽，能够以低成本提供金属部件。且根据本发明，在伴随金属材料表面的喷丸硬化处理而在飞机和汽车等使用的结构部件等金属部件的制造中，不需要喷丸硬化处理前的角部的倒角和修圆角，能够减少制造工时和制造成本。图1是表示表面粗糙度1.2mm的铝合金在喷丸硬化处理前后表面形状的图，分别表示(a)喷丸硬化处理前、(b)实施例1的喷丸硬化处理后、(c)比较例3的喷丸硬化处理后的表面形状；图2是表示表面粗糙度2.9|im的铝合金在喷丸硬化处理前后表面形状的图，分别表示(a)喷丸硬化处理前、(b)实施例2的喷丸硬化处理后、(c)比较例4的喷丸硬化处理后的表面形状；图3是表示表面粗糙度1.64jum的钛合金在喷丸硬化处理前后表面形状的图，分别表示(a)喷丸硬化处理前、(b)实施例3的喷丸硬化处理后的表面形状；图4是表示表面粗糙度3.2jam的钛合金在喷丸硬化处理前后表面形状的图，分別表示(a)喷丸硬化处理前、(b)实施例4的喷丸硬化处理后的表面形状；图5是表示投射材料平均粒径与表面粗糙度关系的曲线；图6是实施例5的试件疲劳断面的电子显微镜照片；图7是比较例5的试件疲劳断面的电子显微镜照片。具体实施方式以下参照本发明金属部件制造方法的实施例。在本发明金属部件的制造方法中，采用轻合金材料或钢铁材料。作为轻合金能够举出铝合金、钛合金等。在本发明金属部件的制造方法中，所述金属材料喷丸硬化处理所使用的粒子(投射材料)是金属、陶瓷、玻璃等硬质粒子，优选矾土、硅石粒子等陶瓷粒子。现有的喷丸硬化处理使用粒径0.8mm前后的投射材料，但在本发明中，使用平均粒径200jum以下的投射材料。投射材料的平均粒径优选10jum以上200|im以下的，特别优选30jum以上100jam以下的。若才殳射材料粒子的平均粒径比200ym大，则粒子的过大运动能量会使材料表面受到损伤，所以不能得到足够的疲劳寿命被提高的效果。若投射材料粒子的平均粒径比10jam小，则由于才更射材料的堵塞(o玄19)等而难于得到稳定的喷射状态。投射材料的喷射速度由压缩空气的喷射压力所规定。本发明喷丸硬化处理中的喷射压力优选0.1MPa以上1MPa以下，更优选0.3MPa以上0.6MPa以下。而喷射压力比lMPa大，则粒子的过大运动能量会使材料表面受到损伤，所以不能得到足够的疲劳寿命被提高的效果。若喷射压力比O.lMPa小，则难于得到稳定的喷射状态。投射材料粒子的形状优选球形。这是由于若投射材料粒子尖，则有时把金属部件的表面弄伤的缘故。喷丸硬化处理的有效区域优选100%以上1000%以下，更优选100%以上500%以下。若有效区域不到100%，则不能得到足够的疲劳强度被提高的效果。若有效区域超过1000%,则由于材料表面的温度上升，最表面的压缩残留应力减少，不能得到足够的疲劳强度被提高的效果，所以不被优选。在以上述条件下进行了喷丸硬化处理的金属部件优选具有以下的表面特性(表面压缩残留应力和表面粗糙度)[表面压缩残留应力]在本发明的喷丸硬化处理后的金属部件中，150MPa以上的高压缩残留应力存在于最表面或其近旁。其结果是表面被强化，疲劳破坏不是在表面而是产生在材料内部，所以疲劳寿命大为提高。[表面粗糙度]本发明的喷丸硬化处理在其前后，表面粗糙度几乎没有变化地被进行。喷丸硬化处理后的表面粗糙度相对喷丸硬化处理前的表面粗糙度的比优选0.8以上1.5以下。若该表面粗糙度的比超过1.5，则喷丸硬化处理后的金属部件的表面成为粗糙的面，结果是表面被损伤，成为疲劳寿命降低的一个原因，所以不优选。通过以上述条件对金属材料实施喷丸硬化处理，则能得到本发明的实施了表面处理的金属部件。下面使用实施例和比较例来进一步详述本发明金属部件的制造方法。(实施例1和实施例2)把板状的铝合金材料(7050-T7451,尺寸19mmx76mmx2.4mm)作为试件使用，使用平均粒径(频度最高径)50jam以下的矾土/硅石陶瓷粒子构成的投射材料，以喷射压力0.4MPa、投射时间30秒，对其单面进行喷丸硬化处理。作为喷丸硬化处理前的铝合金材料，准备表面粗糙度不同的两种。实施例1使用喷丸硬化处理前的表面粗糙度是1.2nm的铝合金材料，实施例2使用喷丸硬化处理前的表面粗糙度是2.9jum的铝合金材料。作为喷丸硬化处理装置，使用重力式微粒子发射装置((日本)不二制作所制气动喷丸机-型号P-SGF-4ATCM-401)。喷丸硬化处理后测定试件的表面粗糙度、压缩残留应力和变形量。把实施例1和实施例2的喷丸硬化处理条件、喷丸硬化处理前后试件的表面粗糙度、以及喷丸硬化处理后的压缩残留应力、表面粗糙度和变形量表示在表1。把实施例1喷丸硬化处理前后的表面形状(曲线)表示在图l(a)和图l(b),把实施例2喷丸硬化处理前后的表面形状表示在图2(a)和图2(b)。(比專交例1牙口比專交例2)除了把投射材料替代为现有使用的平均粒径(频度最高径)250pm的氧化锆粒子以外，则分别与实施例1和实施例2相同，进行比较例1和比较例2的喷丸硬化处理。把比较例1和比较例2的喷丸硬化处理条件、喷丸硬化处理前后试件的表面粗糙度、以及喷丸硬化处理后的压缩残留应力、表面粗糙度、变形量和疲劳寿命表示在表l。(比4交例3和比#交例4)除了把投射材料替代为现有使用的平均粒径(频度最高径)500jum800iam的铸钢粒子以外，则分别与实施例1和实施例2相同，进行比较例3和比较例4的喷丸硬化处理。把比较例3和比较例4的喷丸硬化处理条件、喷丸硬化处理前后试件的表面粗糙度、以及喷丸硬化处理后的压缩残留应力、表面粗糙度、变形量和疲劳寿命表示在表1。把比较例3喷丸硬化处理前后的表面形状表示在图1(c),把比较例4喷丸硬化处理前后的表面形状表示在图2(c)。(实施例3和实施例4)除了把试件替代为板状钛合金材料(Ti-6A1-4V(退火材料)，尺寸19mmx76mmx2.4mm)以外，则与实施例1和实施例2相同，进行实施例3和实施例4的喷丸硬化处理。作为喷丸硬化处理前的钛合金材料，准备表面粗糙度不同的两种。实施例3使用喷丸硬化处理前的表面粗糙度是1.64Mm的钛合金材料，实施例2使用喷丸硬化处理前的表面粗糙度是3.2|am的钛合金材料。把实施例3和实施例4的喷丸硬化处理条件、喷丸硬化处理前后试件的表面粗糙度、以及喷丸硬化处理后的压缩残留应力、表面粗糙度、变形量和疲劳寿命表示在表l。疲劳寿命是把长度135mm、评分部直径6.35mm的圆棒平滑试件进行拉伸-拉伸疲劳试验(应力比R=0.1、最大应力345MPa),并进行评价。把实施例3喷丸硬化处理前后的表面形状表示在图3(a)和图3(b),把实施例2喷丸硬化处理前后的表面形状表示在图4(a)和图4(b)。[表1]<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>根据表1和图1到图4所示的结果，使用微粒子投射材料的实施例1到实施例4的喷丸硬化处理，与使用现有投射材料的比较例1到比较例4的喷丸硬化处理相比，可知喷丸前后表面粗糙度的变化少。因此，认为实施例1到实施例4的喷丸硬化处理对材料表面的损伤少。且看到实施例1和实施例2的喷丸硬化处理比比较例1到比较例4的喷丸硬化处理有更大的压缩残留应力在喷丸硬化处理后的材料中。因此，根据实施例1到实施例4的喷丸硬化处理能够得到具有优良疲劳特性的合金部件。实施例1到实施例4的喷丸硬化处理比比较例3和比较例4的喷丸硬化处理，试件的变形量小。因此，只要采用实施例1到实施例4的喷丸硬化处理就不需要对弯曲和表面粗糙度增加的不好部位进行掩蔽，不需要用于掩模粘贴和剥离的工序，所以，不加多余成本地就能够进行喷丸硬化处理。(参照例)图5表示对规格上表面粗糙度8微英寸(0.2nm)、63微英寸(1.6)am)、125微英寸(3.2|am)的铝合金材料(7050-T7451)表面实施喷丸硬化处理时，投射材料的平均粒径(中位径)(频度最高径)与表面粗糙度的关系。如图5所示，平均粒径与表面粗糙度之间有线性关系成立，可知随着平均粒径的增大则表面粗糙度也增大。其倾向是初期的表面粗糙度越小，则随平均粒径不同的表面粗糙度变化就越大，当平均粒径接近通常喷丸硬化处理所使用的投射材料粒子的平均粒径(0.8mm前后)，则初期表面粗糙度的影响几乎消失，喷丸硬化处理后的表面粗糙度在任何规格的铝合金材料上都是同程度。(实施例5)对由钛合金(Ti-6A1-4V(退火材料))制的有孔平板构成的试件的孔部进行与实施例3同样的喷丸硬化处理。在喷丸硬化处理前对孔角部不进行倒角或修圆角等处理。在疲劳试验后用电子显微镜观察疲劳断面。图6是实施例5试件的疲劳断面的电子显微镜照片。图中箭头表示疲劳破坏的起点。从图6的电子显微镜照片可知，在实施例5中，从试件的孔内面到数十jam程度的内部有疲劳破坏的起点。把使用上述有效平板进行疲劳试验(拉伸-拉伸疲劳试验，应力比R=0.1)的结果表示在表2。可知与没实施孔角部倒角或修圆角等处理无关，与进行了孔角部倒角或修圆角等处理的通常喷丸材料(参照下面的比较例5)相比，通过微粒子喷丸而疲劳寿命大幅度提高。[表2]<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>(比较例5)把由钛合金(Ti-6A1-4V(退火材料))制的有孔平板构成的试件的孔角部进行倒角后，对该孔部实施与比较例3和实施例4同样的喷丸硬化处理。在疲劳试验后用电子显微镜观察疲劳断面。图7是比较例5试件的疲劳断面的电子显微镜照片。图中箭头表示疲劳破坏的起点。从图7的电子显微镜照片可知，在比较例5中，在孔角部的倒角部分处有疲劳破坏的起点。从实施例5与比较例5的对比可知，在微粒子喷丸硬化处理中，尽管没进行角部倒角，角部也没有成为疲劳破坏的起点。同样的结果也出现在铝合金制和钢铁制的试件中。根据这点可以说通过进行本发明的喷丸硬化处理，不仅能够防止由角部塑性变形引起毛刺的产生，而且使包括角部的表面整体被强化，疲劳特性被提高。在本发明的喷丸硬化处理中，还活用塑性变形量少的情况，使以前不能进行喷丸硬化处理而要掩蔽的精密孔部也能够进行喷丸硬化处理。权利要求1、一种金属部件的制造方法，具有向轻合金或包括钢铁的金属材料的表面投射粒子的投射工序，其特征在于，所述粒子的平均粒径是200μm以下，所述金属材料表面的所述投射工序后的算术平均粗糙度相对所述投射工序前的算术平均粗糙度的比是0.8以上1.5以下。2、如权利要求1所述的金属部件的制造方法，其中，所述投射工序前的所述金属材料表面的算术平均粗糙度为0.7iam以上65nm以下。3、如权利要求1或2所述的金属部件的制造方法，其中，所述投射工序后所述金属材料表面的压缩残留应力的绝对值在150MPa以上。4、如权利要求1到权利要求3任一项所述的金属部件的制造方法，其中，不使用覆盖所述金属材料表面的掩模而向该金属材料的表面投射所述粒子。5、如权利要求1到权利要求4任一项所述的金属部件的制造方法，其中，在所述投射工序前不进行所述金属材料角部的倒角或修圆角的任一项。6、一种结构部件，其中，具有权利要求1到权利要求5任一项所述的制造方法制造的金属部件。全文摘要一种金属部件的制造方法和结构部件，目的在于伴随金属材料表面的喷丸硬化处理而在飞机和汽车等使用的结构部件等金属部件的制造中，使在喷丸硬化处理的前后金属材料的表面粗糙度几乎不变化且提高疲劳特性。使用平均粒径200μm以下的投射材料对金属材料表面进行喷丸硬化处理，所述金属材料表面的所述投射工序后的表面粗糙度相对所述投射工序前的表面粗糙度的比是0.8以上1.5以下。文档编号B24C1/10GK101400808SQ200780008830公开日2009年4月1日申请日期2007年3月14日优先权日2006年3月15日发明者井上明子,关川贵洋,小栗和幸申请人:三菱重工业株式会社