(57)【要約】【課題】疲労き裂進展速度低下用粒子含有ペーストを進入させるに十分な大きさの疲労き裂開口を確実に生じさせることができる局部冷却方法を提供すること。【解決手段】金属製部材の疲労き裂にその進展を抑制すべく疲労き裂進展速度低下用粒子含有ペーストを進入させるに先立ち、前記疲労き裂進展速度低下用粒子含有ペーストを進入させるための疲労き裂開口を生じさせる局部冷却方法であって、金属製部材１の部材表面において疲労き裂２を含む所定領域を冷却領域限定用囲繞体３で囲み、液化炭酸ガスボンベ４からの液化炭酸ガスを低温用ホース５によって前記冷却領域限定用囲繞体３内に導入して液体のまま噴射して、該冷却領域限定用囲繞体３内に綿状ドライアイスを生成させ、該綿状ドライアイスにより前記所定領域を冷却する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属製部材の疲労き裂にその進展を抑制すべく疲労き裂進展速度低下用粒子含有ペーストを進入させるに先立ち、前記疲労き裂進展速度低下用粒子含有ペーストを進入させるための疲労き裂開口を生じさせる局部冷却方法であって、
金属製部材の部材表面において疲労き裂を含む所定領域を、液化炭酸ガスによる綿状ドライアイスにより冷却することを特徴とする局部冷却方法。
【請求項２】
金属製部材の疲労き裂にその進展を抑制すべく疲労き裂進展速度低下用粒子含有ペーストを進入させるに先立ち、前記疲労き裂進展速度低下用粒子含有ペーストを進入させるための疲労き裂開口を生じさせる局部冷却方法であって、
金属製部材の部材表面において疲労き裂を含む所定領域を冷却領域限定用囲繞体で囲み、液化炭酸ガスボンベからの液化炭酸ガスを低温用ホースによって前記冷却領域限定用囲繞体内に導入して液体のまま噴射して、該冷却領域限定用囲繞体内に綿状ドライアイスを生成させ、該綿状ドライアイスにより前記所定領域を冷却することを特徴とする局部冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属製部材の疲労き裂にその進展を抑制すべく疲労き裂進展速度低下用粒子含有ペーストを進入させるに先立ち、疲労き裂を含む所定領域を冷却することにより、前記疲労き裂進展速度低下用粒子含有ペーストを進入させるに十分な大きさの疲労き裂開口を生じさせることができるようにした、局部冷却方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
金属の疲労に関し、疲労き裂面内にフレッティング酸化物等の異物が生じることで、ブリッジング効果（くさび効果と称される場合もある）によって疲労き裂進展速度が低下することが広く知られている。
【０００３】
特開平５−５７５３２号公報（特許文献２）には、前記ブリッジング効果を発現させる方法として、機械・構造物の構成部材に発生したき裂の先端部に微粉を注入して、これをき裂先端部に目詰まりさせることを特徴とするき裂進展防止方法について記載されている。具体的には、鋼板の疲労き裂に対して粒径０．０５μｍの微細粒シリカをインク液と混ぜた液体を注入することにより、疲労き裂進展速度が１／１０程度に減速することが示されている。
【０００４】
特許第３８０８８４６号公報（特許文献３）には、疲労き裂の進展抑制方法として、母材の硬度以上の硬度を有する粒径が２〜４０μｍの微粒子（金属又はセラミックス等の微粒子）と粘性を有する油とが混合されたペーストを準備し、母材における疲労き裂の発生及び拡大が予め予想される個所の表面に前記子ペーストを塗布するようにした方法が示されている。この方法では、前記ペーストは、き裂の開閉に伴うポンプ作用やき裂先端の毛細管現象によって、開口したき裂内部に入り込む。そして、疲労き裂が開いた状態のときに前記ペーストが噛み込むことで疲労き裂の開口が抑制され、疲労き裂先端の応力変動が小さくなることにより、疲労き裂の進展速度を低下させて疲労寿命を延ばすことができるようにしている。
【０００５】
このように、金属製部材の疲労き裂にその進展を抑制すべく疲労き裂進展速度低下用粒子含有ペースト（以下、単に微粒子ペーストともいう）を進入させる場合には、確実に微粒子ペーストによるき裂進展抑制効果を得るため、微粒子ペーストの塗布を行うに先立ち、微粒子ペーストを進入させるに十分な大きさの疲労き裂開口を生じさせておくことが重要となる。
【０００６】
この点に関連する技術として、従来、金属製部材のき裂を非破壊検査装置によって検出する技術分野において、前記き裂を顕在化させる局部冷却方法が提案されている（特開２００９−２７１３号公報（特許文献１））。
【０００７】
この従来の局部冷却方法は、金属製部材のき裂の開口方向の応力を発生させ、この応力により前記き裂を開口させて顕在化させるべく、金属製部材のき裂を含む所定領域を中空の冷却領域限定部材で囲んだ後、その領域を冷却スプレーによって冷却するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００９−２７１３号公報
【特許文献２】特開平５−５７５３２号公報
【特許文献３】特許第３８０８８４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
前述した従来の局部冷却方法では、冷却源として市販の冷却スプレーを用いるようにしている。この市販の冷却スプレーは、内容物を気化された気体として噴射（噴霧）するものであって、該気体温度が−１５℃〜−２０℃程度あり、気体噴出時間も連続２分間程度である。また、発泡スチロール、木材などの断熱材からなる冷却領域限定部材で冷却領域を囲むようにしているが、その冷却領域限定部材内に気体を充填させても金属製部材との熱伝達効果が低く、熱伝達効果を高めるために金属製部材表面に冷却スプレーを近づけてしまうと、冷却スプレーの特性上、冷却範囲が狭くなってしまうという欠点がある。
【００１０】
このため、前記従来の局部冷却方法では、金属製部材のき裂をその検出が可能なレベルに顕在化させることは可能なものの、金属製部材の疲労き裂にその進展を抑制すべく微粒子ペーストを進入させるに十分な大きさの疲労き裂開口を生じさせることについては困難であり、従来、適当な方法がなかった。
【００１１】
そこで、本発明の課題は、金属製部材の疲労き裂にその進展を抑制すべく疲労き裂進展速度低下用粒子含有ペーストを進入させるに先立ち、疲労き裂を含む所定領域を冷却することにより、前記疲労き裂進展速度低下用粒子含有ペーストを進入させるに十分な大きさの疲労き裂開口を確実に生じさせることができるようにした、局部冷却方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記の課題を解決するため、本願発明では、次の技術的手段を講じている。
【００１３】
請求項１の発明は、金属製部材の疲労き裂にその進展を抑制すべく疲労き裂進展速度低下用粒子含有ペーストを進入させるに先立ち、前記疲労き裂進展速度低下用粒子含有ペーストを進入させるための疲労き裂開口を生じさせる局部冷却方法であって、金属製部材の部材表面において疲労き裂を含む所定領域を、液化炭酸ガスによる綿状ドライアイスにより冷却することを特徴とする局部冷却方法である。
【００１４】
請求項２の発明は、金属製部材の疲労き裂にその進展を抑制すべく疲労き裂進展速度低下用粒子含有ペーストを進入させるに先立ち、前記疲労き裂進展速度低下用粒子含有ペーストを進入させるための疲労き裂開口を生じさせる局部冷却方法であって、金属製部材の部材表面において疲労き裂を含む所定領域を冷却領域限定用囲繞体で囲み、液化炭酸ガスボンベからの液化炭酸ガスを低温用ホースによって前記冷却領域限定用囲繞体内に導入して液体のまま噴射して、該冷却領域限定用囲繞体内に綿状ドライアイスを生成させ、該綿状ドライアイスにより前記所定領域を冷却することを特徴とする局部冷却方法である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の局部冷却方法は、金属製部材の疲労き裂にその進展を抑制すべく疲労き裂進展速度低下用粒子含有ペーストを進入させるに先立ち、金属製部材の部材表面において疲労き裂を含む所定領域を、冷却スプレーとは違って、液化炭酸ガスによる綿状ドライアイス（綿菓子状ドライアイス）により冷却するようにしているので、前記疲労き裂進展速度低下用粒子含有ペーストを進入させるに十分な大きさの疲労き裂開口を確実に生じさせることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の局部冷却方法の手順を説明するための模式的説明図である。
【図２】本発明の局部冷却方法による効果を検証するための有限要素解析における解析モデルの説明図である。
【図３】本発明の局部冷却方法による効果を検証するための有限要素解析における解析メッシュ図を示す図である。
【図４】薄肉部材モデルでの伝熱解析で得られた温度分布を示す図である。
【図５】厚肉部材モデルでの伝熱解析で得られた温度分布を示す図である。
【図６】薄肉部材モデルにおいて図４の温度分布になったときの熱変形解析の結果を示す図である。
【図７】厚肉部材モデルにおいて図５の温度分布になったときの熱変形解析の結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００１８】
図１は本発明の局部冷却方法の手順を説明するための模式的説明図である。
【００１９】
図１において、１は金属製部材である。この金属製部材１は、繰り返し荷重を受けて疲労き裂が発生しやすいクレーン，建設機械，橋梁等の機械，構造物の構成部材であり、図１（ａ）に示すように、金属製部材１の部材表面に疲労き裂２が発生している。
【００２０】
まず、金属製部材１の部材表面において疲労き裂２を含む所定領域を冷却領域限定用囲繞体３で囲み、冷却範囲を限定する（図１（ｂ））。中空をなす冷却領域限定用囲繞体３は、この実施形態では箱体を伏せた形状をなし、ホース導入孔３ａが設けられた上面部と四周側面部とを有している。冷却領域限定用囲繞体３は、発泡スチロール，木材などの断熱材よりなっており、簡易なものである。
【００２１】
次に、液化炭酸ガスボンベ４に一端側が接続された低温用ホース５の他端側を前記冷却領域限定用囲繞体３のホース導入孔３ａに挿し込み、低温用ホース５によって液化炭酸ガスボンベ４からの液化炭酸ガスを所定時間にわたって冷却領域限定用囲繞体３内に導入して液体のまま噴射することで、冷却領域限定用囲繞体３内に綿状（綿菓子状）のドライアイス（図示せず）を生成させる（図１（ｃ））。生成される綿状ドライアイスの温度は約−８０℃の低温である。液化炭酸ガスボンベ４は、業務用のもので、例えば容量５ｋｇのものである。
【００２２】
そして、冷却領域限定用囲繞体３による金属製部材１表面の冷却領域が十分に冷却され、綿状ドライアイスと金属製部材１間で十分な熱伝達が行われて、例えば冷却領域表面温度が−４０℃まで冷却された段階で、金属製部材１表面より冷却領域限定用囲繞体３とともに綿状ドライアイスを除去する（図１（ｄ））。
【００２３】
このように、本発明による局部冷却方法は、金属製部材１の疲労き裂２にその進展を抑制すべく疲労き裂進展速度低下用粒子含有ペーストを進入させるに先立ち、金属製部材１の部材表面において疲労き裂２を含む所定領域を、冷却スプレーとは違って、液化炭酸ガスによる綿状ドライアイスにより冷却するようにしているので、前記疲労き裂進展速度低下用粒子含有ペーストを進入させるに十分な大きさの疲労き裂開口を確実に生じさせることができる。後述の、本発明による局部冷却方法による効果を検証するための有限要素解析によれば、冷却に伴う応力によるき裂開口変位によって３６〜５２μｍの疲労き裂開口が得られており、これは疲労き裂進展速度低下用粒子含有ペーストを進入させるに十分な大きさのものである。
【００２４】
なお、疲労き裂進展速度低下用粒子と液体とを混合したペーストとしては、粒子には、その粒径が０．１〜１μｍであって、アルミナ、シリカ、ジルコニア、炭化ケイ素、炭化ホウ素及びダイヤモンドのうち１種以上を用いたものがよい。また、液体には、粘度が０．８Ｐａ・ｓ以下であって、揮発性が低い油がよく、特に難燃性の工業用油などがよい。
【００２５】
次に、本発明の局部冷却方法による効果を検証するための有限要素解析を実施したので、以下に説明する。有限要素解析は、伝熱解析によって局部冷却時の温度分布を算出し、しかる後、その温度分布をもとに熱変形解析を実施して得られる疲労き裂開口の値を求めた。
【００２６】
解析モデルは、薄肉部材（板厚９ｍｍの鋼板部材（図２でｔ＝９ｍｍ））を模擬したＳＨＥＬＬ要素による薄肉部材モデルと、厚肉部材を模擬した平面ひずみ要素による厚肉部材モデルとの２ケースとした。前記薄肉部材モデルは骨組構造等を構成する鋼製の薄肉部材を想定したものであり、前記厚肉部材モデルは鋳鍛鋼品等を構成する鋼製の厚肉部材を想定したものである．
【００２７】
図２は本発明の局部冷却方法による効果を検証するための有限要素解析における解析モデルの説明図、図３は本発明の局部冷却方法による効果を検証するための有限要素解析における解析メッシュを示す図である。
【００２８】
図２，図３に示すように、解析範囲は、薄肉部材モデル、厚肉部材モデルともにＬ１＝２００ｍｍ、Ｌ２＝６００ｍｍとし、周辺部分は無限要素としている。疲労き裂は、部材端面全長にわたって発生し（図２参照）、該部材端面から３０ｍｍの奥行き深さ（ａ＝３０ｍｍ）まで進展していると仮定し、き裂部要素の節点を共有せず切り離したモデルとしている。
【００２９】
そして、前記の伝熱解析では、き裂周辺の幅ｂ＝１００ｍｍ、き裂深さ方向にｃ＝４０ｍｍの範囲を冷却領域（ｂ×ｃ）としてその温度を−４０℃、それ以外の部分の温度を２０℃（常温）と仮定し、温度分布を算出している。この温度は、本発明の局部冷却方法によって十分冷却可能な範囲である。
【００３０】
有限要素解析に用いた材料物性値（機械的物性値及び熱的物性値）を表１に示す。
【００３１】
【表１】
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【００３２】
図４は薄肉部材モデルでの伝熱解析で得られた温度分布を示す図、図５は厚肉部材モデルでの伝熱解析で得られた温度分布を示す図である。また、図６は薄肉部材モデルにおいて図４の温度分布になったときの熱変形解析の結果を示す図、図７は厚肉部材モデルにおいて図５の温度分布になったときの熱変形解析の結果を示す図である。
【００３３】
熱変形解析の結果によると、図６に示すように、前記薄肉部材モデルでは、局部冷却による疲労き裂開口は、き裂起点で約５２μｍであった。また、図７に示すように、前記厚肉部材モデルでは、局部冷却による疲労き裂開口は、き裂起点で約３６μｍであった。
【００３４】
得られたこれらの大きさの疲労き裂開口は、前述した疲労き裂進展速度低下用粒子含有ペースト（粒子の粒径：０．１〜１μｍ、油の粘度：０．８Ｐａ・ｓ以下）を進入させるに十分な大きさであり、本発明の局部冷却方法とこの疲労き裂進展速度低下用粒子含有ペーストとを併用することにより、疲労き裂進展抑制効果を早期に発揮させることができる。
【符号の説明】
【００３５】
１…金属製部材
２…疲労き裂
３…冷却領域限定用囲繞体
３ａ…ホース導入孔
４…液化炭酸ガスボンベ
５…低温用ホース
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2011093041.tif 000007
【図５】
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【図６】
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【図７】
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