专利名称：金属部件的制造方法、具有由此制造的金属部件的结构部件和金属部件的修补方法
技术领域：
本发明涉及疲劳特性和耐腐蚀性都被提高了的金属部件的制造方法、具有由此制
造的金属部件的结构部件和金属部件的修补方法。
背景技术：
作为为了提高飞机和汽车等所使用的结构部件等中金属材料的疲劳特性而进行 的表面改质方法，知道有喷丸硬化处理(参照非专利文献l)。所谓的喷丸硬化处理是例如 把粒径0.8mm左右的无数个粒子(投射材料)与压縮空气或压縮气体一起来喷射，通过撞 击金属材料表面而在金属材料表面形成由塑性变形引起的压痕，同时提高金属材料表面的 硬度，在一定的深度形成具有压縮残留应力的层的方法。 也有的作为粒子而使用非金属硬质材料进行喷丸硬化处理的。作为该粒子而经常 被使用的有，粒径150 ii m以上的陶瓷制粒子或作为主成分而包含二氧化硅Si0250%以上的 玻璃类。 在例如作为金属材料而使用铝合金部件的情况下，为了提高其耐腐蚀性等，通常 是在实施阳极氧化处理等后进一步实施涂装(参照专利文献1)。 阳极氧化处理例如是把铬酸、磷酸、硼酸、硫酸等酸作为电解液使用，而把金属材 料作为阳极来进行电解处理。 非专利文献l:T.杜尔(T.Dorr)，及其他4人，关于喷丸硬化处理对高强度 铝、镁合金的疲劳性能的影响(第七届喷丸硬化处理的国际会议)，1999，(精密机械学 会)"Influence of Shot Peening on Fatigue Performanceof High-Strength Aluminium and Magnesium Alloys" (The7thlnternational Conference on Shot Peening)、 1999、 (Institute ofPrecision Mechanics)〈URL :http://www shotpeening org/ICSP/ icsp-7-20pdf> 专利文献1 :特开2003-3295号公报 但如专利文献1所示，由于对铝合金的表面进行阳极氧化处理是在酸性溶液中施 加电位的方法，所以在皮膜的形成过程中，由酸而引起的从表面的腐蚀和电腐蚀这两者同 时发生。在作为前处理进行的使用酸性溶液的洗净工序中，出现由酸引起的腐蚀。利用由 该腐蚀形成的凹痕而铝合金容易进行电腐蚀。因此，随铝合金组成的不同而有时在铝合金 的表面形成晶间腐蚀、点腐蚀、电腐蚀等引起的凹痕。由于这些凹痕例如在疲劳破坏时成为 龟裂产生和进展的起点，所以有时其的大小就使材料的强度、疲劳寿命降低。因此，有耐腐 蚀性被确保而由于喷丸硬化处理而使被强化的强度特性，特别是疲劳特性恶化的问题。
由于阳极氧化皮膜与母材铝合金相比而硬度高，与母材的硬度差大，所以有时由 于皮膜的厚度和皮膜的种类而使疲劳强度恶化。 由于阳极氧化处理过的皮膜存在有向表面开口的多个微细孔，所以为了提高膜密 度而要对该微细孔进行堵塞的封孔处理。如果进行该封孔处理，则皮膜表面的形状就平坦，所以在实施涂装时，使固定效果不能被发挥。因此，皮膜形成后的涂装密接性降低，有涂装 膜剥落等耐腐蚀性恶化的问题。
发明内容
本发明是鉴于这种情况而开发的，目的在于提供一种疲劳特性和耐腐蚀性都被提 高了的金属部件的制造方法、具有由此制造的金属部件的结构部件和金属部件的修补方 法。 为了解决上述课题，本发明采用以下的方法。 S卩，本发明的第一形态是金属部件的制造方法，具有把平均粒径200ym以下的 粒子利用压縮空气、压縮性气体而向包含铝合金的金属材料表面投射的投射工序、在该投 射工序后对所述表面进行化学转化处理而形成皮膜的工序。 根据该方法，由于投射平均粒径200ym以下的粒子，所以能够使包含铝合金的金
属材料的表面粗糙度几乎不变化地来制造疲劳特性被提高了的金属部件。 由于通过不施加电位的化学转化处理来形成皮膜，所以在铝合金的表面不产生点
腐蚀等缺陷。因此，能够大体维持提高疲劳特性的效果。 且由于化学转化处理的处理时间短，所以能够縮短金属部件的制造时间。 在本形态中，"平均粒径"能够作为频度分布曲线中相对峰值的粒径来求，也被叫
做最频度径(最大频度径)或模径。另外，平均粒径也能够用以下的方法来求。
(1)从筛上颗粒曲线来求的方法(与1 = 50%相当的粒径，被叫做中位径、中位数
径或50%粒子径，以dP5。表示)。
(2)从洛津-姆拉(口 - >一 A ， 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)。 在上述形态中，优选所述粒子实质上是不包含铁的结构。 且在该结构中更优选所述粒子把非金属硬质材料或非铁硬质材料作为主要成分。
如果这样，则在金属材料表面不残存有铁质，所以不会发生由残留铁质引起的局 部电池腐蚀。因此，不需要使用酸性或碱性溶液的除去铁质工序，能够防止以除去铁质为起 因的金属材料尺寸变化和表面变粗糙。 由于不需要喷丸硬化后由洗净工序进行除去铁质工序，所以作为运行中或制造中 的实际机器修补用途而容易适用。 在上述形态或上述结构中，在所述化学转化处理工序后也可以具有形成涂装膜的 涂装工序。 这样则能够更加提高耐腐蚀性。 本发明的第二形态是具有利用所述制造方法制造的金属部件的结构部件。
本形态的结构部件具有优良的疲劳特性，且与母材相比，耐腐蚀性和涂装密接性 被提高。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和耐腐蚀性有要 求的其他领域能够恰当地被应用。 本发明的第三形态是利用所述制造方法而对在金属部件表面造成的缺陷、伤痕进 行修补的金属部件的修补方法。
由本形态的修补方法修补的金属部件表面具有优良的疲劳特性，且与母材相比，耐腐蚀性和涂装密接性被提高。 根据本发明，在结构部件等的金属部件制造中，能够在投射工序前后使金属材料的表面粗糙度几乎不变化地来制造疲劳特性被提高了的金属部件。 由于在铝合金的表面不产生点腐蚀等的缺陷，所以能够大体维持提高疲劳特性的效果且能够提高耐腐蚀性。 而且由于化学转化处理比阳极氧化处理的处理时间短，所以能够縮短金属部件的制造时间。
图1是表示疲劳试验结果的曲线。
具体实施例方式
以下说明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，例如采用铝合金材料(金属材料)。 在本发明金属部件的制造方法中，在铝合金材料的喷丸硬化处理(投射工序)中
所使用的粒子(投射材料)，是以非金属硬质材料为主要成分的优选氧化铝、二氧化硅粒子
等的陶瓷粒子。即，粒子不是以铁为主要成分，换言之是实质上不包含铁的。 现有的喷丸硬化处理是使用粒径0.8mm左右的投射材料，但在本发明中，是使用
平均粒径200 ii m以下的投射材料。优选投射材料的平均粒径是10 ii m以上200 y m以下，
特别优选是30 ii m以上100 ii m以下。 若投射材料的平均粒径比200 ii m大，则粒子过大的运动能量使材料表面受到损伤，所以得不到充分的提高疲劳寿命的效果。若投射材料的平均粒径比lOym小，则由于投射材料的堵塞等而难于得到稳定的喷射状态。 投射材料的喷射速度由压縮气体的喷射压力所决定。例如压縮气体包括有空气、氮气、氢气、不活性气体即氩、氦。本发明喷丸硬化处理的喷射压力优选O. lMPa以上lMPa以下，更优选0. 3MPa以上0. 6MPa以下。 由于喷射压力比lMPa大的粒子过大的运动能量使材料表面受到损伤，所以得不
到充分的提高疲劳寿命的效果。且由于粒子的破损而消耗量增加，并产生破损的粒子向金
属材料表面再冲击而引起的表面损伤。若喷射压力比0. lMPa小，则不仅粒子没被充分加
速，而且压縮空气的压力不能稳定供给，所以难于得到稳定的喷射状态。 另一方面，若以规定喷丸硬化强度的阿尔曼测量系统的弧高值(强度)来表现，则
是O. 002N以上。 投射材料粒子的形状优选球形。这是由于若投射材料粒子是尖的，则有时使金属部件的表面带伤的缘故。 喷丸硬化处理的覆盖区域优选100%以上1000%以下，更优选100%以上500%以下。 有效区域不到100%，则得不到充分的提高疲劳寿命的效果。有效区域若超过1000%，则材料表面的温度上升，最表面的压縮残留应力减少，得不到充分的提高疲劳寿命的效果，因此不被优选。 被以上述条件进行过喷丸硬化处理的金属部件，优选的是，具有以下的表面特性(表面压縮残留应力和表面粗糙度)。
[表面压縮残留应力] 在被本发明的喷丸硬化处理后的金属部件中，在最表面或其近旁存在有150MPa以上的高的压縮残留应力。其结果是表面被强化，疲劳破坏不是在表面而是在材料内部产生，所以疲劳寿命被大为提高。
[表面粗糙度] 本发明的喷丸硬化处理在其前后使表面粗糙度几乎没有变化地进行。相对喷丸硬化处理前的表面粗糙度而喷丸硬化处理后的表面粗糙度能够把其差异按中心线平均粗糙度Ra抑制在1 y m以内。 该金属部件包含把表面附着的油脂成分除去的脱脂物质，而将该金属部件的表面洗净。 然后，例如在金属部件的表面有氧化皮膜等的不动态附着的情况下，为了把它除去而进行活化。 然后，把金属部件的表面向处理液浸渍，或向表面涂布、喷雾处理液，进行化学转化处理以形成皮膜。 化学转化处理与阳极氧化处理等的电处理不同，是利用处理液与铝的化学反应，在金属部件的表面不产生点腐蚀等缺陷。因此，能够大体维持喷丸硬化处理的提高疲劳特性的效果，且能够提高耐腐蚀性。 化学转化处理能够以比较低的成本、简单的操作和短时间实施，且能够连续处理，而且对于复杂的形状也能够均匀地处理。 因此，由沿喷丸硬化处理形成的金属部件表面的凹凸(凹痕)而形成有均匀的皮膜，在皮膜的表面形成有与金属部件表面大致同等的凹痕。 作为化学转化处理而能够形成密接性非常良好且耐腐蚀性优良的铬酸盐类和磷酸铬酸盐类皮膜的阿洛丁法(7 口 f > (Alodine)法)是合适的。作为化学转化处理也可以使用MBV法、勃姆膜法(《一7 ^卜法)、磷酸盐法等。 由化学转化处理形成的皮膜的膜厚度优选5 ii m以下，更优选0. 1 ii m以上0. 3 ii m以下。 这样形成的化学转化处理的皮膜是密接性良好且能够使母材的耐腐蚀性提高的皮膜。 然后，在把化学转化处理形成的皮膜表面进行洗净、干燥后，进行形成涂装膜的涂装工序。 由于在皮膜的表面有凹凸，所以在皮膜良好的密接性的基础上，通过凹凸的使固定效果而涂装膜被贴紧形成。 利用该涂装膜而更加提高金属部件的耐腐蚀性。 接着，使用实施例和比较例来更详述本发明金属部件的制造方法。(实施例1)把板状的铝合金材料(7050-T7451，尺寸19mmX76mmX2. 4mm)作为试件使用，使
6用由平均粒径(最频度径)53 m以下的氧化铝/ 二氧化硅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。这时的弧高值是0. 003N。
作为喷丸硬化装置则使用重力式微粒子喷射装置。 铝合金材料则使用喷丸硬化处理前的表面粗糙度Ra是1. 2 m的铝合金材料。喷丸硬化处理后的表面粗糙度Ra成为1.4iim。 在喷丸硬化处理后，对铝合金材料的实施了喷丸硬化的面进行脱脂、洗净和活化。
把该面以室温向市场销售的化学转化处理液阿洛丁 1200中浸渍120秒，形成铬酸盐类的皮膜。皮膜的膜厚度是3ym。 在化学转化处理后，使用电油压式疲劳试验机(海杜拉科脱(八^ K ，々卜)试验机(士50kN)、INSTR0N8400控制装置)来进行试件的疲劳试验。 疲劳试验是最大负载276MPa、345MPa(40KSI、50KSI)这两种，分别加反复拉伸_拉伸(应力比O. 1)的负载直到被破坏，计量其次数。
把实施例疲劳试验的结果表示在图1。
(比较例1 、比较例2和比较例3) 比较例1是实施例1的喷丸硬化处理前被机械加工过的试件。 比较例2是以现有使用的平均粒径(最频度径)250 ii m的锆粒子对该试件进行喷
丸硬化处理的。 比较例3是实施例1喷丸硬化处理后的试件。 对比较例1、比较例2和比较例3进行与实施例同样的疲劳试验，把结果表示在图1。 根据图1所示的结果，使用微粒子投射材料的实施例1和比较例3的喷丸硬化处理比使用现有投射材料的比较例2的喷丸硬化处理则有20 25倍的疲劳强度，比没进行喷丸硬化处理的比较例2则有大致100倍的疲劳强度，能够得到疲劳特性格外提高了的铝合金部件。 实施了化学转化处理的实施例1与没实施它的比较例3相比则疲劳强度几乎没降低，大体维持着比较例3的疲劳强度。
(实施例2)把板状的铝合金材料(2024，尺寸19mmX76mmX2. 4mm)作为试件使用，进行与实施例1同样的处理(使用微粒子投射材料的喷丸硬化处理和化学转化处理)。
把化学转化处理形成的皮膜表面洗净、干燥后，涂布环氧类树脂，在93 °C以下干燥1. 5小时。(比较例4) 除了代替化学转化处理而进行硼酸硫酸阳极氧化的阳极氧化处理(参照美国专
利第4894127号)之外则进行与实施例2同样的处理。 对于实施例2和比较例4进行耐腐蚀性试验和涂装密接性试验。 耐腐蚀性试验是把0. 3%以下的盐水在35t:左右进行喷雾，把该盐水喷雾试验实
施168小时。其结果确认了实施例2和比较例4都有点状的缺陷五处以上。 涂装密接性试验是使用住友3M制的带而实施干式、湿式试验。(参照ASTMD3330)。
其结果确认了实施例2和比较例4都具有良好的涂装贴紧强度。
(实施例3) 作为修补方法是制作应力集中系数1. 5的平板铝合金疲劳试验片(7050)，用与实施例1同样的方法进行喷丸硬化。使疲劳试验片的角部带有在负载方向和水平方向宽度200iim、深度100iim左右的楔状伤痕后，进行喷丸硬化处理。然后用与实施例1同样的疲劳试验机进行疲劳试验。这时，最大负载是240MPa(35KSI)、应力比是0. 1。
上述试验的结果是，没进行喷丸硬化处理的试件在151110次断裂。另一方面，进行了喷丸硬化处理的试件在1370146次断裂，疲劳寿命提高约一位。
权利要求
一种金属部件的制造方法，其中，具有把平均粒径200μm以下的粒子利用压缩空气-压缩性气体而向包含铝合金的金属材料表面投射的投射工序、在该投射工序后在所述表面形成有由化学转化处理而得到的皮膜的工序。
2. 如权利要求1所述的金属部件的制造方法，其中，所述粒子不把铁作为主要成分。
3. 如权利要求2所述的金属部件的制造方法，其中，所述粒子把非金属硬质材料或非 铁硬质材料作为主要成分。
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，在所述化学转 化处理工序后具有形成涂装膜的涂装工序。
5. —种结构部件，其中，具有利用权利要求1到权利要求4任一项所述制造方法制造的 金属部件。
6. —种金属部件的修补方法，其中，利用权利要求1到权利要求4任一项所述的制造方 法而对在金属部件表面造成的缺陷、伤痕进行修补。
全文摘要
本发明的目的在于提供一种疲劳特性和耐腐蚀性都被提高了的金属部件的制造方法、并且具有由此制造的金属部件的结构部件和金属部件的修补方法。本发明提供的金属部件的制造方法具有把平均粒径200μm以下的粒子利用压缩空气-压缩性气体而向包含铝合金的金属材料表面投射的投射工序、和在该投射工序后在所述表面形成有由化学转化处理而得到的皮膜的工序。
文档编号B24C1/10GK101772592SQ20088010089
公开日2010年7月7日 申请日期2008年10月2日 优先权日2007年10月5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