表面処理はチタンの疲労強度に影響するのか？その制御方法とは？
材料工学および設計の観点から見ると、表面処理はチタン合金の疲労強度に対して非常に大きな、そして二面的な影響を及ぼします。これは、航空宇宙、医療用インプラントなど、高い信頼性が求められる用途において極めて重要な要素です。疲労破壊は通常、表面から始まるため、表面状態、残留応力状態、または材料特性を変化させるあらゆるプロセスは、疲労性能に直接的な影響を及ぼします。
表面処理が疲労強度に与える影響
悪影響（疲労強度の低下）
応力集中の導入： 陽極酸化処理（チタン用）や電気めっきなどのプロセスでは、微小亀裂や粗い形態を持つ脆性のセラミック状層が形成されることがあります。これらの微小欠陥は疲労亀裂の核生成サイトとなり、破壊までの応力サイクル数を大幅に減少させます。特に陽極酸化処理は、管理が不十分な場合、チタンの高サイクル疲労強度を10〜30％低下させることがあります。
水素脆化： 一部の陽極酸化やめっき浴など、特定の電気化学プロセスでは、原子状水素がチタン基材内に侵入する可能性があります。これにより脆化が発生し、破壊靭性が著しく低下、疲労亀裂の進展が加速します。これは、動的荷重を受ける精密チタンCNC部品における重要な故障モードです。
微細構造の損傷： 不適切なメディアや圧力で行われたサンドブラストやグリットブラストは、表面を塑性変形させ、微小ノッチを生成し、表層近傍の微細構造を変化させることで、損傷耐性の低い層を形成する場合があります。
有益な影響（疲労強度の向上）
圧縮残留応力の導入： これは疲労強度を向上させる最も効果的なメカニズムです。ショットピーニングやレーザーピーニングなどのプロセスでは、表面に局所的な塑性変形を与えることで深い圧縮残留応力層を形成します。これにより、引張応力がこの圧縮応力を上回らない限り、亀裂が発生しにくくなり、疲労寿命を100％以上延ばすことも可能です。
表面の平滑化と欠陥除去： 電解研磨や機械研磨などのプロセスでは、CNC加工で生じた微小な傷や加工痕、応力集中源を除去します。その結果、亀裂の発生が遅延し、表面がより健全になります。
影響を制御するためのベストプラクティス
負の影響を最小化し、正の効果を最大限に引き出すには、設計から製造まで統合された管理が必要です。
プロセスの選定と仕様：
疲労が重要な部品では、基本処理としてショットピーニングを指定します。このプロセスは、媒体の種類、強度、被覆率を規定するAMS 2432などの標準に従う必要があります。
腐食防止や耐摩耗目的で陽極酸化処理が必要な場合は、薄く制御された皮膜を指定し、ショットピーニング後に実施します。ピーニングで形成された圧縮応力層は最も重要であり、高電圧プロセスで損なわれないように注意する必要があります。
プロセスパラメータの管理：
陽極酸化処理： 低電圧で処理を行い、薄く延性のある酸化皮膜を生成します。水素吸収を最小化するため、電解液の化学組成と温度を厳密に管理します。
ショットピーニング： 所望の圧縮深さを得るためにAlmen強度を厳密に制御し、過剰ピーニングによる表面粗化を防ぎます。
工程順序の最適化： 工程の順序は極めて重要です。疲労に対して重要な部品の最適なプロセス順序は以下の通りです：
最終精密加工（良好な表面仕上げを確保）
応力除去焼鈍（必要に応じて）
ショットピーニング（圧縮応力の付与）
低影響の表面処理（例：薄膜陽極酸化または不動態化）
処理後の検証：
量産部品と同時に処理した試験片を用いて、定期的に曲げ試験または疲労試験を実施し、表面処理プロセスを検証・監視します。
X線回折（XRD）を使用して、ピーニングによる圧縮残留応力の大きさと深さを測定します。
製造を考慮した設計： 試作加工の段階で製造パートナーと連携します。鋭角部を避け、適切なフィレット半径を設けてピーニング効果と協調させ、ピーニングでは改善できない応力集中を防ぎます。
