微粒子ピーニングとコーティング法によるアルミニウム合金の表面改質
片岡泰弘＊１

黒澤和芳＊１

来川保紀 ＊１

Ｓurface Ｍodification o f Aluminum Alloys
by Micro Ｐarticleｓ Ｐｅｅｎｉｎｇ and Ｃoating．
Yasuhiro KATAOKA，Kazuyoshi KUROSAWAand Yasunori KITAGAWA
TechnicalConsulting

Division、AITEC ＊ １

本研究では、自動車部品等 の軽量化で使用されるアルミニウム合金の機能向上を図るため、その 表面改質方法の開発に取り組んだ。実験の結果、微粒子ピーニングの前後で11.7倍の疲労寿命延伸を達成した。
また、微粒子ピーニングをコーティング技術１ ）として応用・展開することにより、摩耗量を未処理品の約1/4に軽減することができた。

１．はじめに

表１ 微粒子ピーニング条件

自動車部品および一般工業部品には、多数の金属部品が使用されるが、金属部品を軽量化して操作性の向上を図るために、近年はアルミニウム合金などの軽金属材料を代用する傾向にある。鉄鋼材料に比べて強度の劣る軽金属材料を使用する場合、疲労強度や耐摩耗性などの機械的特性を向上させる表面改質技術が必要とされる。

ショット材その１（球状粉末）
材質
ﾒｯｼｭｻｲｽﾞ
噴射圧力
ＳｉＯ２♯300,400,600 0.4ＭＰａ

噴射時間
20sec

ショット材その２（粉砕粉末）
材質
ﾒｯｼｭｻｲｽﾞ
噴射圧力
Ａl２Ｏ３♯600,10000.4ＭＰａ

噴射時間
20sec

本研究では、ガラスやアルミナ微粒子を用いたピーニン

表２ 固体潤滑材のコーティング条件

グ法による疲労特性の改善、またＳｎ、Ｍ oＳ２，四フッ化エチレン（以下ＰＴＦＥとする）などのコーティングによる耐摩耗性の向上に関する検討を行った。

２． 実 験 方 法
2.1

ｼｮｯﾄ材質ﾒｯｼｭｻｲｽﾞ

噴射圧力

噴射時間

Ｓｎ
ＭoＳ2ＰＴＦＥ♯400♯400♯4000.4ＭＰａ
0.4ＭＰa0.4ＭＰa

20sec
20sec
20sec

微粒子ピーニング処理条件および評価方法

実験に使用した材料は、アルミニウム合金展伸材

Ａ2024、Ａ6061、Ａ7075を時効熱処理した丸棒材（φ50mm）である。これを表 １に示す条件で微粒子ピーニングし、残留応力や硬さの変化を調べた。内部の残留応力については、電解研磨装置で電解エッチングした後、微小部Ｘ線応力測定装置で測定した。
疲労試験片は、Ａ7075合金をＶ字型の切欠材（直径8mm、ＳiＯ ２♯４００（前処理用）

Ｓｎ

切欠係数β=1.703）に加工した後、粉砕粉末♯600と♯1000の二段階の微粒子ピーニングを施した。疲労試験には、小野式回転曲げ疲労試験機（3400r.p.m）を用い、室温・大気中で行った。

ＭｏＳ２

ＰＴＦＥ

写真１ 固体潤滑材のＳＥＭ像*1技術支援部加工技術室

2.2

コーティング処理条件および評価方法

同様にＡ7075とした場合の結果を図３に示す。♯600の実験に使用したショット材のＳＥＭ像を写 真 １に示す。

微粒子を用いた場合は、表面の圧縮残留応力は−220ＭＰa

ＳiＯ２は前処理として噴射し、潤滑材は、表 ２に示す条件と大きいがその影響層は約20μmであった。一方、♯300でコーティングした。

または♯400で処理した場合は、表面の圧縮応力は−120

付着物の定性・定量分析には、エネルギー分散型Ｘ線分

ＭＰa程度であるが、影響層は約30μmであり、大きな粒子

光分析装置を用い、摩耗は、大越式摩耗試験（最終荷重21.3を用いた場合には、表面より内部に圧縮残留応力のピークＮ、摩擦速度1.09m/sec、摩擦距離100m、相手円板ＳＫＤが移行する傾向が見られた。

11）で調べた。
未処理

♯600

♯400

♯300

1003.1

実験結果および考察
残留応力（ＭＰａ）

３．

球状粉末を利用した場合の残留応力鉄鋼材料では、残留応力の測定によって疲労寿命を推定
２）しているので、アルミニウム合金においてもＸ線による残留応力の測定を行った。

0-100-200

図 １は、アルミニウム合金の材質をＡ2024とした場合の-300残留応力分布である。未処理品の残留応力は表面・内部と0102030
表面からの深さ（μｍ）

もに−20ＭＰaであった。一方、微粒子ピーニングを施し40

図３ 残留応力に対するピーニング効果た試料の残留応力は最大−250ＭＰaまで上昇した。
アルミニウム合金の材質をＡ6061 とした場合の残留素材：Ａ7075

ショット材：球状粉末

応力分布を図 ２ に示す。微粒子ピーニングを施した試料3.2の残留応力は最大−100ＭＰa前後だった。

粉砕粉末を利用した場合の残留応力の変化

図 ４は、Ａ2024の残留応力分布を示したものである。ア
未処理

♯600

♯400

♯300

ルミナによる微粒子ピーニング後の残留応力は−300ＭＰaまで上昇しており、球状粉よりやや残留応力が大きくなった。

0150-20050-300
05101520

表面からの深さ（μｍ）

図１ 残留応力に対するピーニング効果
素材：Ａ2024
未処理

ショット材：球状粉末

♯600

♯400

残留応力（ＭＰａ)

-100

未処理

♯600

♯1000

-50-150-250-350
05101520

表面からの深さ（μｍ）

♯300

100

残留応力（ＭＰａ）

残留応力（ＭＰａ）

100図４ 残留応力に対するピーニング効果
素材：Ａ2024

0

ショット材：粉砕粉末

アルミニウム合金の材質をＡ6061とした場合の結果を-100

図 ５に示す。微粒子ピーニングによる残留応力は最大で−-200

200ＭＰa前後と球状粉に比べて大幅に上昇した。
同様に、Ａ 7075とした場合の結果を図６に示す。♯ 1000-300010203040の微粒子を用いた場合は、表面の圧縮残留応力は−330Ｍ

表面からの深さ（μｍ）

Ｐaと大きいが、試料内部へ入るにつれ急に圧縮残留応力

図２ 残留応力に対するピーニング効果は下がった。一方、♯600で処理した場合は、表面の圧縮

素材：Ａ6061

ショット材：球状粉末

応力は−260ＭＰaであるが、深さ7μmでピークの−300Ｍ

未処理Ｐaに達した後、ゆるやかに圧縮残留応力は低下する傾向

200

通常、材料はその表面から破壊するため、表面の圧縮残内部を起点とする破壊形態に変わるため、表面および内部の圧縮残留応力を高めることが重要となる。そこで、♯600

負荷応力(MPa)が見られた。
留応力を高めることが効果的であるが、表面強度が増すと150
100につづいて♯1000を噴射する二段階の微粒子ピーニング３）を行ったところ、♯1000と♯600の残留応力分布を重ね寿命延伸

5001.E+04合わせたような分布形態にすることができた。

図７
未処理

♯600

♯1000

1.E+05
1.E+06
繰返し数 Ｎ

3.3

01.E+07

疲労寿命に対するピーニングの効果
素材：Ａ7075100
残留応力（ＭＰａ）

2段♯600＋♯1000

ショット材：粉砕粉末

球状粉末を利用した場合の硬さの変化

図 ８は、Ａ2024の硬さ分布を示したものである。未処理-100品に対し、ガラスビーズによる微粒子ピーニングを施したものは52ＨＶ0.01だけ硬度が上昇した。

-200

アルミニウム合金の材質をＡ6061とした場合の硬さ分布を図 ９に示す。硬さの上昇は22ＨＶ0.01であり、本合金-300010203040は、残留応力と同様に硬さも上昇しにくかった。

表面からの深さ（μｍ）
未処理

図５ 残留応力に対するピーニング効果

未処理

♯600

♯1000

２段♯600＋♯1000100
残留応力（ＭＰａ）♯400♯300240

ショット材：粉砕粉末
硬さＨＶ0.0１

素材：Ａ6061♯6002101800150-1001200-20010203040
表面からの深さ（μｍ）

50

図８ 硬さに対するピーニングの効果-300

素材：Ａ2024-400
0102030

未処理

40

ショット材：粉砕粉末

鉄鋼材料において圧縮の残留応力の増加は疲労強度を

硬さＨＶ0.0１

素材：Ａ7075

♯600

♯400

♯300130

表面からの深さ（μｍ）

図６ 残留応力に対するピーニング効果

ショット材：球状粉末

120110

上昇させるので、残留応力が最も大きい二段階の微粒子ピーニングを行ったＡ7075についても疲労強度の増加を期待して、小野式回転曲げ疲労試験機により切欠き試験片を1000用いて行った。図 ７に疲労試験結果を示す。繰返荷重が7810203040
表面からの深さ（μｍ）

ＭＰａにおいては、未処理品の11.7倍に寿命延伸した。

図９ 硬さに対するピーニングの効果
素材：Ａ6061

50

ショット材：球状粉末

また、Ａ7075へ処理した場合の結果を図１０に示す。硬

ＡｌＳｎ

♯400
Ｓｉ
Ｏ２

さの上昇は28ＨＶ0.01程度であった。

3.90mass％

以上の結果から、Ａ 2024は、今回の合金中もっとも硬さ↓が上昇したが、これは添加元素であるＣｕ（3.5％含有）の粒子分散効果により転位の動きを妨げた結果であるとSn
Ｍｇ

考えた４）。
31.65 mass％

未処理

♯600

♯400

硬さＨＶ0.0１← 64.75 mass％

ＰＴＦＥ

↓

♯300230

MoS210

図１１ 固体潤滑皮膜の表面の定性・定量分析結果

190

170
010203040
表面からの深さ（μｍ）

50

図１０ 硬さに対するピーニングの効果
素材：Ａ7075

ショット材：球状粉末

固体潤滑皮膜による耐摩耗性の向上

写真２ は、各固体潤滑材をショットした場合の表面ＳＥＭ像を示す。各粒子の安定な付着により、前処理のＳiＯ２の衝突で生じた凹凸が覆い隠されていることが分かった。

比摩耗量Ｗｓ(mm3/kgf・mm）

1.4E-06

3.4F

ＭｏＳ２

加工硬化による耐摩耗性の向上

1.2E-06Sn

1.0E-06

ＭoＳ２8.0E-07

PTFE

6.0E-07

ＳiＯ２

4.0E-072014

2.0E-07

ショット材の種類

図１２ 固体潤滑皮膜の摩耗試験結果（大越式）
相手円板：SKD11（61HRC）、 摩擦距離：100m
摩擦速度：1.09m/sec、４．結

最終荷重：21.3Ｎ

び自動車ボディとエンジン主要部のアルミ化は、現時点ではホンダ車やアウディ車の一部に実用化されている。しかし、アルミニウム合金の材料コスト、加工コストの点から、全車種への適用には大きな障害が残っている。しかし、エＳiＯ２♯４００（前処理）Ｓｎ

ネルギー・環境問題を考えると輸送車両の軽量化は最重要課題であり、本研究のデータが、一助を担えればと期待している。

文献

１）片岡泰弘：表面技術，５２，191(2001)
ＭｏＳ２

ＰＴＦＥ

写真２ 固体潤滑皮膜の表面ＳＥＭ像

２）後藤徹：機械の研究、28，971(1976)
３）飯田喜介ら：ショットピーニングの方法と効果，
p105(1997)

図１１は、皮膜表面を定性・定量分析した結果を示す。
付着量は、①ＰＴＦＥ②ＭoＳ２③Ｓnの順に増加した。
図１２は摩耗試験結果である。前処理品は表面の加工硬化により５）、基材に比べて耐摩耗性が向上した。さらに、固体潤滑材をコーティングした場合には、①ＰＴＦＥ②Ｍ
oＳ２③Ｓnの順に耐摩耗性が向上した。これは、付着量の順でもあった。

４）斉藤安俊、渡邊慈朗：基礎金属材料,p116(1979)
５）飯田喜介ら：ショットピーニングの方法と効果，
p41(1997)