(57)【要約】【課題】所定厚さの湾曲部を持つワーク（例えば、パイプ）の外面にも内面にも容易かつ確実に残留圧縮応力を付与することができる残留圧縮応力付与方法を提供することである。【解決手段】この残留圧縮応力付与方法は、ワーク１０を高周波焼入れする第１工程と、ワークをショットピーニングする第２工程とから成る。第１工程では、ワーク１０の外面部分３１ａ、３１ｂ、３２ａ及び３２ｂを加熱した後内面３２ａ、３２ｂ、３７ａ及び３７ｂを冷却することにより、内面に残留圧縮応力を付与する。第２工程では、ワーク１０の外面部分３１ａ、３１ｂ、３２ａ及び３２ｂをショットピーニングすることにより、外面に残留圧縮応力を付与する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定厚さの湾曲部を持つワークを高周波焼入れし、外面を加熱した後内面を冷却することにより、内面に残留圧縮応力を付与する第１工程と、
ワークの外面をショットピーニングすることにより、外面に残留圧縮応力を付与する第２工程と、
から成ることを特徴とするワークの残留圧縮応力付与方法。
【請求項２】
前記ワークは低炭素鋼から成るパイプである請求項１に記載の残留圧縮応力付与方法。
【請求項３】
前記パイプは横断面積が小さい中間部と横断面積が大きい両端部とを含み、該中間部と該両端部との間に形状変化部が形成されている請求項２に記載の残留圧縮応力付与方法。
【請求項４】
前記第１工程では、前記形状変化部の外面を加熱し、該形状変化部の内面を冷却する請求項３に記載の残留圧縮応力付与方法。
【請求項５】
前記第１工程を実行したとき、前記形状変化部の外面に残留引張応力が付与されていることがある請求項４に記載の残留圧縮応力付与方法。
【請求項６】
前記第２工程では、前記形状変化部の外面にショット材を衝突させる請求項３に記載の残留圧縮応力付与方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ワークの内面及び外面に残留圧縮応力を付与する残留応力付与方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車等の車両において、鋼材から成るパイプ（鋼管）が繰返荷重を受ける疲労強度部材として利用される場合がある。疲労強度を確保するためにはパイプに残留圧縮応力を付与することが望ましい。引張応力は割れの原因となり易いからである。
【０００３】
そのために、第１従来例（特許文献１参照）では、は中・高炭素鋼管（Ｃ：０．２から１．２重量％）の焼入れにおいて、焼割れを防止するために中・高炭素鋼管の内周面を冷却している。これにより、内周面側のマルテンサイト変態が外周面側のそれよりも先行し、外周面には圧縮応力が作用するようになる。
【０００４】
また、第２先行例（特許文献２参照）は、鋼管から成る中空状スタビライザーを急冷して焼入れし外面に浸炭硬化層を形成した後、鋼管を焼戻しかつ外面をショットピーニングしている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平９−１０４９２５号
【特許文献２】
特開２００２−１１８２２４号
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記第１従来例において中・高炭素鋼管の内周面を冷却するのは、基本的に外面の残留引張応力を解消するためである。しかし、特許文献１にも記載されているように、この焼入れ方法では内周面の引張応力は低減されるに過ぎず、解消するわけではない。内周面に残存する引張応力は割れの原因となる。
【０００７】
また、第２従来例では、ショットピーニングにより中空状スタビライザーの外面に残留圧縮応力が付与されても、内面に残留圧縮応力が付与されるとは限らない（引用文献２はこの点に言及していない）。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、湾曲部を持つワークの外面にも内面にも容易かつ確実に残留圧縮応力を付与できる残留圧縮応力付与方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本願の発明者は、ワークに含まれる炭素量とマルテンサイト変態による熱膨張量との関係に注目して、本発明を完成した。
【００１０】
本発明による残留圧縮応力付与方法は、所定厚さの湾曲部を持つワークを高周波焼入れし、外面を加熱した後内面を冷却することにより、内面に残留圧縮応力を付与する第１工程と；ワークの外面をショットピーニングすることにより、外面に残留圧縮応力を付与する第２工程と；から成ることを特徴とする。
【００１１】
この残留圧縮応力付与方法において、第１工程では、ワークの外面を加熱装置で加熱した、その後内面を冷却装置で冷却する。これにより、内面に残留圧縮応力が付与される。第２工程では、ワークの外面にショット材を衝突させ、これにより外面に残留圧縮応力が付与される。
【００１２】
請求項２の残留圧縮応力付与方法は、請求項１において、ワークは低炭素鋼から成るパイプである。請求項３の残留圧縮応力付与方法は、請求項２において、パイプは横断面積が小さい中間部と横断面積が大きい両端部とを含み、中間部と両端部との間に形状変化部が形成されている。
【００１３】
請求項４の残留圧縮応力付与方法は、請求項３において、第１工程では形状変化部の外面を加熱し、形状変化部の内面を冷却する。請求項５の残留圧縮応力付与方法は、請求項４において、第１工程を実行したとき、形状変化部の外面は残留応力が引張応力であっても構わない。
【００１４】
請求項６の残留圧縮応力付与方法は、請求項３において、第２工程では形状変化部の外面にショット材を衝突させる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
＜ワーク＞
▲１▼全般
ワークは、パイプ又はこれに近い形状を持ち捻り荷重を繰返し受ける疲労強度部材であることが望ましい。パイプに近い形状の部材とは、例えば軸方向に長く横断面Ｃ字形状の部材である。
▲２▼パイプ
パイプ（鋼管）は、熱間圧延又は熱間押出しにより製作されたシームレス鋼管や、板状の素材を曲げ加工した後接合して製作された溶接鋼管の何れでも良い。焼入前のパイプの外面に圧縮応力が生じていても良い。
【００１６】
パイプの内周面の内径、外周面の外径、（板厚）及び長さ等に特別の制約はない。パイプの内外径は軸方向全体に亘って均一でも良い。但し、軸方向の一部の内外径をその他の部分の内外径よりも小さくしたり、軸方向の一部の形状をその他の部分の形状とは異なる形状にしても良い。軸方向の一部とは例えば中間部である。
▲３▼炭素含有量
ワークがパイプの場合もそれ以外の場合も、炭素含有量が０．１から０．２重量％の低炭素鋼から成ることが望ましい。
＜第１工程＞
▲１▼全般
第１工程では、高周波焼き入れによりワークの外面を加熱した後、内面を冷却し、内面に残留圧縮応力を付与する。「高周波焼入れ」は、ワークの表面硬化又は材料強化のための熱処理であり、誘導加熱と直接通電加熱とがある。誘導加熱では、電磁誘導作用を利用して高周波電流を流したコイルによりワークの表面に渦電流を誘起させ、この渦電流と部品の材料が持っている抵抗とによるジュール発熱で部品の表面を急速に加熱する。その後、冷却水でワークを急速に冷却して表面を硬化させる。直接通電加熱でも誘電加熱と同様の効果が得られる。
▲２▼外面の加熱
ワークの形状に応じて、外面の所望の部分を高周波により加熱する。例えば、パイプの横断面の大きさや形状が変化している場合、形状変化部を加熱することが望ましい。コイルの形状はワークの加熱部分との関係で決まる。
【００１７】
ワークの形状や大きさ等との関係で、加熱条件のうち周波数は２０から４０ｋＨｚ、出力は５から１００ｋＷ、加熱時間は５から６０秒の範囲で選択できる。加熱部分にオーステナイト組織が形成される。
【００１８】
高周波加熱は外面の局部的なかつ表面層のみの熱処理であるため、ひずみが少なく、エネルギー効率が高い。周波数、投入電力及び加熱時間等を調整することにより、所定範囲に所定深さの硬化層が得られる。尚、高周波による加熱の前に、ワークを低周波数で予熱しても良い。
▲３▼内面の冷却
外面の加熱後ワークの内面を急激に冷却する。冷却部分は加熱部分に対応することが望ましく、形状変化部の外面を加熱した場合、冷却場所は形状変化部の内面となる。冷却速度は９０℃／秒以上の範囲で選択できる。
【００１９】
冷却時、パイプの場合、内部空間に冷却水を充填する。冷却水に所定の冷却剤を添加しても良い。この急冷によりオーステナイト組織がマルテンサイト組織に変態し（マルテンサイト変態）、表面層が硬くなる。
【００２０】
尚、急冷後に、ワークの脆さを除去するために低温焼戻しを行っても良い。また、急冷即ち第１工程の終了時、外面は圧縮応力状態でも引張応力状態でも良い。
＜第２工程＞
第２工程では、ワークの外面をショットピーニングすることにより、外面に残留圧縮応力を付与する。「ショットピーニング加工」はワークの表面改質方法の一つである。寸法が１ｍｍ以下のキャストスチール、カットワイヤ等のショット材を高速でワークの外面に衝突させ、硬化させると共に残留圧縮応力を付与し、疲労強度を向上させる。硬化はショット材の衝突により外面の表面層が塑性変形によると考えられ、残留圧縮応力は外面の表面層の不均一な変形によると考えられる。
【００２１】
ショット材は第１工程で加熱した部分に衝突させることが望ましい。形状変化部の外面を加熱した場合、衝突場所は該外面となる。
【００２２】
ショットピーニング条件のうち、ショット材の粒径はφ０．１５から０．６ｍｍ、硬度はＨＲＣ４０から５０，アークハイトは０．１から０．３の範囲で選択できる。尚、カバレージは１００％とする。ここで、「アークハイト」とは、ショットピーニングの加硬度を示す値で、試験片の反りの大きさの指標となる。「カバレージ」とは、ショットピーニングにおける圧痕面積と試験板の総面積との比を百分率で表したものであり、外面の所定範囲にもれなく施工することを意味する。
【００２３】
第１工程でワークの外面に引張応力が生じていても、圧縮応力が生じていても、第２工程の実行により外面は圧縮応力状態になる。
【００２４】
【実施例】
以下、本発明の実施例を添付図面を参照しつつ説明する。
＜実施例＞
この実施例は、軸方向中間部の横断空間が小さくなったパイプの半径変形部の外面及び内面に残留圧縮応力を付与する場合である。図６に示すように、残留圧縮応力付与方法はパイプ成形工程Ｓ１と、高周波焼入れ工程Ｓ２と、ショットピーニング工程Ｓ３と、組み付け工程Ｓ４とから成る。
(1) パイプ成形
低炭素鋼（Ｃ：０．１５重量％）から成り両端が開口した円筒状のパイプ素材（不図示）の軸方向中間部に凹み部を形成する。その結果、図１及び図２に示すように、パイプ１０は横断面円形状の左端部１２及び右端部１５と、横断面Ｖ字形状の中間部２０と、一対の半径変化部３０及び３５とから成る。
【００２５】
パイプ１０は厚さは約２．５ｍｍ、長さは約１１００ｍｍである。左端部１２及び右端部１５の外径は約１００ｍｍ、長さは全長の約１／４である。中間部２０は、全長の約１／２に亘って上半分２１がＶ字形状に変形され、下半分２３は上半分２１に内接する半円形状に変形されている。その結果、３つの離れた小空間２５ａ及び２５ｂが区画されている。
【００２６】
このパイプ１０は自動車において繰返し応力がかかる部位に使用する部品である。中間部２０に凹み部１８を形成したのは、凹み部１８の形状、大きさ等を変更することによりパイプ１０の捻り強度を調整するためである。
(2) 高周波焼入れ
▲１▼外面の加熱
図３に示すように、一方半径変化部３０の第１外面部分３１ａ及び第２外面部分３１ｂと、他方半径変化部３５の第１外面部分３６ａ及び第２外面部分３６ｂとにコイル（不図示）を取り付けた。そして、表１に示すように、周波数２８ｋＨｚ、出力８．７５ｋＷで２６秒間を加熱した。第１外面部分３１ａの温度を温度センサで測定した処、表１に示すように９５０℃であった。尚、第２外面部分３１ｂ、第１外面部分３６ａ及び第２外面部分３６ｂの温度も大体９５０℃前後であった。
▲２▼内面の冷却
次に、小部空間２５ａ及び２５ｂを含む内部空間２７の全体に冷却水を噴射した。一方半径変化部３０の第１内面部分３２ａ及び第２内面部分３２ｂと、他方半径変化部３５の第１内面部分３７ａ及び第２内面部分３７ｂとが急速に冷却された。表１に示すように、冷却速度は１３０℃／秒とした。
【００２７】
尚、第１及び第２外面部分３１ａ及び３１ｂと、第１及び第２外面部分３６ａ及び３６ｂとを高周波焼入れしたのは、凹み部１８が形成されたこのパイプ１０では両端部１２、１５に捻り荷重が作用したとき、半径変化部３０，３５に亀裂や割れが発生し易いからである。
【００２８】
【表１】
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【００２９】
▲３▼応力の測定
次に、内部空間２７から冷却水（水滴も含む）除去し、応力の測定を行った。測定はＸ線照射により、一方半径変化部３０の第１及び第２外面部分３１ａ及び３１ｂと、他方半径変化部３５の第１及び第２外面部分３６ａ及び３６ｂを測定した。その後、部分３３ａ及び３３ｂ部に３０ｍｍ角の穴を機械加工で開け、第１及び第２内面部分３２ａ及び３２ｂと、第１及び第２内面部分３７ａ及び３７ｂとの応力をそれぞれ測定した。尚、この時に表面の残留応力は開放されていないことは確認している。
【００３０】
その結果を図４（ａ）に示す。同図中、○は各外面部分の応力を、■は各内面部分の応力を示す。これから明らかなように、第１内面部分３２ａ及び第２内面部分３２ｂと、第１内面部分３７ａ及び第２内面部分３７ｂとで圧縮応力が発生していた。応力値は−２０から−６０ＭＰａであった。一方、第１外面部分３１ａ及び第２外面部分３１ｂと、第１外面部分３６ａ及び第２外面部分３６ｂとで引張応力が発生し、応力値は１５０から２３０ＭＰａであった。
【００３１】
次に、一方半径変化部３０の第１内面部分３２ａと第１外面部分３１ａとの間で、即ち肉厚方向において残留応力がどのように変化しているかを、Ｘ線照射により測定した。その結果、図５（ａ）から明かなように、圧縮応力の応力値は第１内面部分３２ａの表面で最大で、深さが増加するにつれてほぼ一定の割合で緩やかに減少し、中央部Ｃでほぼゼロとなっていた。
【００３２】
一方、引張応力の応力値は第１外面部分３１ａの表面で最大で、深くなるにつれてほぼ一定の割合で減少し、中央部Ｃでほぼゼロとなっていた。その理由は、前述したように、内面側からの冷却により表裏面の収縮差が発生し、内面が圧縮で、外面が引張となるためである。この事情は、第２内面部分３２ｂと第２外面部分３１ｂとの間、第１内面部分３７ａと第１外面部分３６ａとの間、及び第２内面部分３７ｂと第２外面部分３２ｂとの間でも同様であった。
(3) ショットピーニング
▲１▼ショット材の衝突
次に、ノズルを移動させて、パイプ１０の第１及び第２外面部分３１ａ及び３１ｂ、並びに第１及び第２外面部分３６ａ及び３６ｂにショット材を衝突させた。表２に示すように、ショット材の粒径は０．３ｍｍ、ショット材の硬度はＨＲＣ４０から５０、アークハイトは０．１から０．３、カバレージは１００％であった。
【００３３】
尚、上記高周波焼入れ（加熱）を実行した４つの外面部分３１ａ、３１ｂ、３６ａ及び３６ｂにショット材を衝突させたのは、ここに亀裂が発生し易いので、引張応力状態を圧縮応力状態にするためである。
【００３４】
【表２】
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【００３５】
▲２▼応力の測定
その後、第１及び第２外面部分３１ａ及び３１ｂと、第１及び第２外面部分３６ａ及び３６ｂとの応力を測定した。その結果、図４（ｂ）に白丸○で示すように、第１外面部分３１ａ及び第２外面部分３１ｂ、並びに第１外面部分３６ａ及び第２外面部分３６ｂの全てにおいて圧縮応力が発生していた。その応力値は−４２０から−４８０ＭＰａであった。
【００３６】
尚、第１及び第２内面部分３２ａ及び３２ｂと第１及び第４内面部分３７ａ及び３７ｂとの応力を測定した処、図４（ｂ）の黒四角■から明らかなように、ショットピーニングを施す以前の応力値と同じであった。
【００３７】
第１内面部分３２ａと第１外面部分３１ａとの間での応力の変化を調べた。その結果、図５（ｂ）から明かなように、圧縮応力の応力値は第１内面部分３２ａの表面で最大で、深さが深くなるにつれてほぼ一定の割合で急激に減少し、中央部Ｃよりも第１内面部分３２ａ寄りの地点Ｄでほぼゼロとなっていた。一方、引張応力の応力値は第１外面部分３１ａの表面で最大で、深くなるにつれてほぼ一定の割合で急激に減少し、第１外面部分３１ａ寄りの地点Ｅでほぼゼロとなっていた。そして、ＤとＥとの間では引張応力状態となっていた。
【００３８】
この事情は、第２内面部分３２ｂと第２外面部分３１ｂとの間、第１内面部分３７ａと第３外面部分３６ａとの間、及び第２内面部分３７ｂと第２外面部分３６ｂとの間でも同様であった。
【００３９】
ショットピーニングにより第１及び第２外面部分３１ａ及び３１ｂと、第１及び第２外面部分３６ａ及び３６ｂとに圧縮応力が生じた理由は、以下のように推察される。図７（ａ）に示すようにパイプの一部を取り出した矩形断面のワーク片４０を考える。ワーク片４０の外面４２をコイル４１で加熱すると、図７（ｂ）に示すように、始めに外面４２の円周方向長さが延び、図７（ｃ）に示すようにその後時間の経過につれて内面４４の長さも延び、加熱前と比べて全体が長くなる。
【００４０】
次に、図７（ｃ）に示すように、ワーク片４０の内面４４を冷却水４３で急冷すると、始めに内面４４の円周方向長さが短くなる。その理由は、内面４４は冷却開始と同時に収縮が始まり、冷却速度が大きい。一方、この時点で外面４２の温度は高いため冷却速度が小さく、内面４４の収縮に伴い外面４２は塑性変形（収縮）する。
【００４１】
その後内面４４が更に冷却されて冷却即ち収縮が完了すると、そこから外面４２の本来の収縮が始まり、図７（ｅ）に示すように、最終的には外面４２の収縮量の方が内面４４側のそれよりも大きくなる。こうして、外面４４は伸びようとする力が働くため引張応力がかかり、反対に縮もうとする力が働く内面４２には圧縮応力がかかる。
(4) 組み付け
次に、半径変化部３０，３５の内外面に残留圧縮応力が付与されたパイプ１０の左端部１２及び右端部１５に、中空又は中実の長手部材（不図示）を溶接等によりその軸線方向がパイプ１０の軸線方向と直交するように取り付ける。
＜比較例＞
上記実施例の効果を確認するために、比較例のパイプの半径変化部の内外面に残留応力を付与した。比較例のパイプは図１及び図２に示したパイプと同じである。
【００４２】
先ず、高周波焼入れにおいて、パイプ１０の第１及び第２外面部分３１ａ及び３１ｂと、第１及び第２外面部分３６ａ及び３６ｂとをコイルで加熱した。その際の加熱条件は上記実施例の加熱条件と同じである（表１参照）。その後、第１及び第２外面部分３１ａ及び３１ｂと、第１及び第２外面部分３６ａ及び３６ｂとを急冷した。その際の冷却条件は上記実施例の冷却条件と同じである（表１参照）。
【００４３】
次に、第１及び第２外面部分３１ａ及び３１ｂと、第１及び第２外面部分３６ａ及び３６ｂとにショットピーニングを実行した。ショットピーニングの条件は、上記実施例のショットピーニング条件と同じである（表２参照）。
【００４４】
各外面部分３１ａ、３１ｂ、３６ａ及び３６ｂと、各内面部分３２ａ、３２ｂ、３７ａ及び３７ｂとの応力値を図８に示す。図８（ａ）から明らかなように、高周波焼入れ後、２外面部分３１ａ、３１ｂ及び外面部分３６ａ、３６ｂでは応力値の小さな圧縮応力が発生しているが、内面部分３２ａ、３２ｂ及び内面部分３２ａ、３２ｂでは引張応力が発生している。そして、図８（ｂ）から明らかなように、ショットピーニングを実行すると、第１及び第２外面部分３１ａ及び３１ｂと、第１及び第２外面部分３６ａ及び３６ｂとの圧縮応力の応力値は上昇した。しかし、第１及び第２内面部分３２ａ及び３２ｂと、第１及び第２内面部分３２ａ及び３２ｂは引張応力が残存したままであった。
＜効果＞
以上の説明より明らかなように、本実施例の残留応力応力付与方法によれば、先ずパイプ１０の一方半径変化部３０の第１及び第２外面部分３１ａ及び３１ｂと  第１及び第２内面部分３２ａ及び３２ｂとに残留圧縮応力が付与されると共に、他方半径変化部３５の第１及び第２外面部分３６ａ及び３６ｂと、第１及び第２内面部分３７ａ及び３７ｂとに残留圧縮応力が付与された。これにより、パイプ１０に繰り返し捻り荷重が加わった場合でも、半径変化部３０，３５の内面にも外面にも割れ、亀裂等が発生し難くなる。
【００４５】
また、パイプ１０の軸方向中間部に凹み部１８が形成され、内面部分３２ａ、３２ｂ、３７ａ及び３７ｂを加熱することが実質的に不可能な場合でも、内面部分を圧縮応力状態にすることができた。
【００４６】
尚、前記第１従来例の焼入れ方法は内径及び外径が全長に亘って均一な中・高炭素鋼管を対象にしていると考えられ（鋼管の内外径の変化には一切言及していない）、本実施例のように軸方向の一部で横断面形状が変化するワークに適用できるどうか、不明である。加えて、焼入れ時中・高炭素鋼管のどの部分をどのように加熱及び冷却するのか、不明である。
【００４７】
【発明の効果】
以上述べてきたように、本発明の残留応力付与方法によれば、簡単かつ容易にワークの内面及び外面に残留圧縮応力を付与できる。内外面に残留圧縮応力が与されたワークは、捻り荷重等が繰り返し作用する疲労強度部材として利用された場合、大きな強度及び長い寿命を持つことになる。加えて、本発明の残留応力付与方法は形状が変化し内面からの加熱が困難又は不可能であるワークの内面にも圧縮応力を付与でき、これにより内面における亀裂の発生等が防止できる。
【００４８】
請求項２の残留応力付与方法によれば、低炭素鋼から成るパイプの内面及び外面に残留圧縮応力が付与される。また、請求項３及び４の残留応力付与方法によれば、パイプの形状変化部の内面及び外面に残留圧縮応力が付与される。更に、請求項５及び６の残留応力付与方法によれば、第１工程の終了時にワークの外面に引張応力が生じていても、第２工程の実行によりこの圧縮応力になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例により残留圧縮応力が付与されたパイプの斜視図である。
【図２】図１における２−２断面図である。
【図３】図１における３−３断面図である。
【図４】（ａ）は実施例の高周波焼入れ後の内面部分及び外面部分の応力を示すグラフ、（ｂ）は同じくショットピーニング後の内面部分及び外面部分の応力を示すグラフである。
【図５】（ａ）は高周波焼入れ後の板厚方向における応力の変化を示すグラフ
（ｂ）   ショットピーニング後の板厚方向における応力の変化を示すグラフである。
【図６】実施例の手順を示すフローチャートである。
【図７】（ａ）（ｂ）（ｃ）及び（ｄ）は内面部分に圧縮応力が発生する理由を説明する説明図である。
【図８】（ａ）は比較例の高周波焼入れ後の内面部分及び外面部分の応力を示すグラフ、（ｂ）は同じくショットピーニング後の内面部分及び外面部分の応力を示すグラフである。
【符号の説明】
１０：パイプ                        １２，１５：端部
１８：凹み部                        ２０：中間部
３０，３５：半径変化部
３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂ：外面部分
３２ａ、３２ｂ、３７ａ、３７ｂ：内面部分
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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