(57)【要約】【課題】線材、鋼線等の表面に超音波衝撃処理加工加工を行い表面改質により高強度線材の製造方法を提供する。【解決手段】線材あるいは鋼線の製造過程において、引き抜き加工後の走行中の材料の周面に直角または傾斜して一方向または複数の方向から超音波衝撃処理、好ましくは、超音波ハンマリング衝撃加工、或いは超音波ショットピーニング衝撃加工の何れかの加工を行うことにより材料表層部を、好ましくは最表面から厚さ２０μｍ以上に微細組織に改質して高強度化することを特徴とする線材の製造方法、である。また、上記超音波衝撃処理を走行中の材料の異なる部位で連続して行われることを特徴とする線材の製造方法、である。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
線材あるいは鋼線の製造過程において、引き抜き加工後の走行中の材料の周面に直角または傾斜して一方向または複数の方向から超音波衝撃処理を行うことにより材料表層部を微細組織に改質して高強度化することを特徴とする線材の製造方法。
【請求項２】
前記超音波衝撃処理が、走行中の材料の異なる部位で連続して行われることを特徴とする請求項１記載の線材の製造方法。
【請求項３】
前記改質層が線材あるいは鋼線の最表面から厚さ２０μｍであることを特徴とする請求項１記載の線材の製造方法。
【請求項４】
前記超音波衝撃処理が、超音波ハンマリング衝撃加工であることを特徴とする請求項１記載の線材の製造方法。
【請求項５】
前記超音波衝撃処理が、処理対象に衝撃を与えるピンが鉛直振動するとともに、回転または揺動する超音波ハンマリング衝撃加工であることを特徴とする請求項１記載の線材の製造方法。
【請求項６】
前記超音波衝撃処理が、処理対象に衝撃を与えるピンの形状を処理対象の線材の半径をｒとしたとき、曲率半径がｒ以上の凹形状の先端形状を持つことを特徴とする請求項１記載の線材の製造方法。
【請求項７】
前記超音波衝撃処理が、超音波ショットピーニング衝撃加工であることを特徴とする請求項１記載の線材の製造方法。
【請求項８】
前記超音波衝撃処理が、衝撃部に金属成分を供給し、表層の微細化層を合金化することを特徴とする請求項１〜５のいずれかの項に記載の線材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属材料、特に線材、鋼線等の表面に超音波による衝撃を与え、これによって線材、鋼線等の加工或いは表層の特性改善を図る高強度線材の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、超音波による金属材料の加工においては、研削・切削等の加工が主に行われており、また、金属材料の表面清浄においては、線材の表面清浄を目的に走行中の線材に硬質小粒を全面に投射する、所謂ショットブラスト方法も採用されている。一方、近年、ばね、ＰＣ鋼線、長大橋用ワイヤ、タイヤコード等の各種用途に向けた高強度線材のニーズが高まりつつあるが、その殆どは素材成分設計は元より引き抜き、伸線加工を経た後、パテンティング処理に代表される熱処理により高強度化が図られている。また、疲労性能の向上の目的においては、硬質小粒の投射速度を大きくした、所謂ハードショットとも呼ばれるショットピーニング方法も利用されている。
【０００３】
最近において、非特許文献１により、金属材料の表面層の結晶組織をナノメータ（ｎｍ，１０−９ｍ）を単位として適当なサイズ、例えば、１００ｎｍ以下に微細化した、所謂ナノ結晶組織を得ることにより、従来には得られなかった優れた性質、例えば、超高強度等の特性を得られることが知られている。
【０００４】
このナノ結晶組織を有する金属材料を得るには、金属材料を一旦アモルファス状態とし、次いで低温熱処理を行う方法である。また、アモルファス状態とするには、金属材料を高速急冷或いはスパッタ製膜等の方法があるが、この場合、広く一般の形状の成形体や構造体を得るには様々な製造上の制約がある。また、この他に、金属材料の粉末をボールミル等で処理し、金属材料表面に強加工を施すことによりこの金属材料をアモルファス化し、次いでこれを熱処理することにより、ナノ結晶構造を有する金属粉末を得ることができる。この金属粉末を高温で加圧成形し、或いは更に溶接等の処理を行って構造体とすることができる。
【０００５】
ところで、上記高温の熱処理過程を経ることによって、強加工により細かくされた金属粒が再び成長してしまい、ナノ結晶組織構造が消失するために、このナノ結晶組織の特性を生かした成形体や構造体を得ることは困難とされている。一方、金属材料の表面に超音波衝撃処理を施すことにより表面に塑性変形を与え、表面結晶組織を改善し、或いは残留応力を開放することが知られており、例えば、金属材料の溶接部に超音波衝撃処理を施し、溶接部の残留応力を開放し、ボイドや異常粒界のような微小欠陥を低減する方法、例えば、非特許文献２、非特許文献３、特許文献１、特許文献２および特許文献３で提案されている。また、上記超音波衝撃処理を行うための機器として、超音波を発生させるトランスデューサー、超音波を先端に導くためのウエーブガイド、その先端に設けられ超音波により振動する衝撃用ピンを収納するホルダーを備えた超音波衝撃処理機が特許文献４で知られている。
【０００６】
しかしながら、従来の超音波衝撃処理は、疲労強度の向上、微小欠陥の軽減などが主体であり、金属材料表層の材料特性、表面性状が改善されるとしてもそれは副産物的に、その範囲、程度などはかなりばらつきが多い状況で生じており、目的に合わせて主体的にコントロールして改善するまでには至っていない。また、金属材料の中でも、特に、線材の高強度を目的として超音波衝撃処理による表面改質を行う方法は未だ見いだされていない。
【０００７】
【非特許文献１】
Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍａｔｅｒｉａｌ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．  Ｖｏｌ．１５，  Ｎｏ．３，１９９９
【非特許文献２】
Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ  ｏｆ  Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，  Ａｃａｄｅｍｙ  ｏｆ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ｏｆ  ｔｈｅ  ＵＳＳＲ．  Ｎｏ．７，  ｐｐ．１４−１６，  Ｊｕｌｙ，  １９８８
【非特許文献３】
日本機械学会論文集（Ｃ編）６７巻  ６５７号  （２００１−５）
【特許文献１】
特開平９−２３４５８５号公報
【特許文献２】
特開平１０−２９６４６１号公報
【特許文献３】
米国特許第６３３８７６５号公報
【特許文献４】
米国特許出願公開第２００２／００１４００号明細書
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、金属材料、特に、線材に超音波衝撃処理、特に超音波ハンマリング衝撃加工または超音波ショットピーニング加工を行い、表面改質により高強度線材を製造する方法を提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、その要旨は次のとおりである。
【００１０】
（１）線材あるいは鋼線の製造過程において、引き抜き加工後の走行中の材料の周面に直角または傾斜して一方向または複数の方向から超音波衝撃処理を行うことにより材料表層部を微細組織に改質して高強度化することを特徴とする線材の製造方法。
【００１１】
（２）前記超音波衝撃処理が、走行中の材料の異なる部位で連続して行われることを特徴とする（１）記載の線材の製造方法。
【００１２】
（３）前記改質層が線材あるいは鋼線の最表面から厚さ２０μｍであることを特徴とする（１）記載の線材の製造方法。
【００１３】
（４）前記超音波衝撃処理が、超音波ハンマリング衝撃加工であることを特徴とする（１）記載の線材の製造方法。
【００１４】
（５）前記超音波衝撃処理が、処理対象に衝撃を与えるピンが鉛直振動するとともに、回転または揺動する超音波ハンマリング衝撃加工であることを特徴とする（１）記載の線材の製造方法。
【００１５】
（６）前記超音波衝撃処理が、処理対象に衝撃を与えるピンの形状を処理対象の線材の半径をｒとしたとき、曲率半径がｒ以上の凹形状の先端形状を持つことを特徴とする（１）記載の線材の製造方法。
【００１６】
（７）前記超音波衝撃処理が、超音波ショットピーニング衝撃加工であることを特徴とする（１）記載の線材の製造方法。
【００１７】
（８）前記超音波衝撃処理が、衝撃部に金属成分を供給し、表層の微細化層を合金化することを特徴とする（１）〜（５）のいずれかの項に記載の線材の製造方法。
【００１８】
【発明の実施の形態】
先ず、本発明における超音波衝撃処理に用いる機器について説明する。
【００１９】
この超音波衝撃加工機は、下記（ａ）〜（ｄ）を可能にすると共に、広範囲の面積を効率的に処理できるようにしたものである。
（ａ）超音波衝撃処理を多軸的に施すことによってナノ結晶化を促進する、即ち、一軸方向の加工ではナノ結晶構造を得ることは困難であり、多軸方向からの強加工が必要である。
（ｂ）金属材料表面の温度制御を可能とする構造とすることにより、超音波衝撃処理により得られる表層の諸特性を選択できるようにすること、即ち、高温での処理では変形は大きいが残留応力が小さく深さ方向の影響範囲は大きく、逆に低温での処理では変形は小さいが残留応力が大きく付与され深さ方向の影響範囲は小さい、依って、ナノ結晶化の度合い、層の厚さ、ナノ結晶組織周辺の組織の状況が変化するので、要求される特性に応じて処理条件を選択することができる。
（ｃ）少なくとも処理表面の雰囲気を制御可能な構造とし、酸化物層の形成を抑制し、良好な金属表面状態とすると共に、更には合金層の形成を可能とすること、即ち、処理表面の雰囲気が酸化雰囲気であると材料表面で生成した酸化物が表層部に巻き込まれ、表面欠陥となるばかりか、耐食性を損なうことになる。雰囲気制御を可能とすることにより、このような表面材質の低下を回避できるばかりでなく、雰囲気を、例えば窒素雰囲気という特定の雰囲気とすることによって表層に窒素を浸透させて特性の改善を図ることもできる。
（ｄ）処理対象となる金属材料に対して合金成分を供給可能な構造とし、表層に合金層を形成可能とすること、即ち、超音波衝撃処理と同時に加工箇所に金属材料の粉末を供給する、即ち、ピン自体を特定の金属材料とすることによって衝撃を与えると同時にピンの小片を処理対象材料表面に供給し、表層を所望の合金層とすることができる。また、ピンによる他に、金属成分を直接供給することもできる。これらにより、金属材料表面に新しい機能を付与することもできる。
【００２０】
次に、本発明で使用する超音波衝撃加工機器を図面を参照しながら説明する。図１（ａ）は、超音波ハンマリング衝撃加工に用いる機器の概要を示し、（ｂ）は、（ａ）の先端部のみを超音波ショットピーニング衝撃加工用に変えた機器の概要を示す部分拡大図である。図１（ａ）において、超音波ハンマリング衝撃加工機１は、超音波を発信するトランスデューサー２と、その前方に取り付けられ、トランスデューサー２で発生した超音波を先端部に導く筒状のウエーブガイド３と、このウエーブガイド３の先端、即ち、処理対象物と対向する側、に取り付けられたヘッド４とから構成される。ヘッド４は、その先端に１つまたは複数の孔５が設けられ、この孔５の上下方向に挿入された棒状のピン６と、このピン６を、ピン６の上端とウエーブガイド３の先端との間に設けられた空間８とを含んで収納するホルダー９とからなり、ホルダー９は環状の金具１０により、ウエーブガイド３の外周に着脱可能に接続されており、ピン６を含めて交換可能なように構成されている。
【００２１】
なお、上記ウエーブガイド３の中間部には、その外周を感激を設けて囲む樹脂製のカバー１１を設け、この間隙にはウエーブガイドおよび振動部を有するヘッドを冷却、潤滑する潤滑剤を保持するための多孔体１２を充填することができる。その場合、カバー１１の下端部とウエーブガイド３との間には、開口部１３が設けられており、潤滑冷却剤はこの開口部１３を経てヘッド４に供給される。しかし、これは必須ではない。また、トランスデューサー２を冷却するために、水冷や空冷の装置を設ける場合もある。
【００２２】
トランスデューサー２は、電気エネルギーを超音波エネルギーに変換するもので、磁気式或いは電気式トランスデューサー等が利用できる。前者は大容量化が可能で広範囲の音響負荷に対して高い安定度で作動するが、反面、重く、冷却が必要である。後者は容量は小さいが高効率で発熱も少なく冷却を軽減でき、また可搬性に優れる。しかし、逆に音響付加に対しての安定度は低い。従って、処理条件条件や目的により磁気式或いは電気式トランスデューサーを任意に選択すればよい。
【００２３】
ヘッド４に収納されたピン６の数は、１本でも良いが、複数本を一列或いは複数列に配列することにより処理効率、処理面積を倍加することができる。また、このピン６は軸方向の１方向に振動させるのが一般的であるが、ピン６自体が処理領域内で回転或いは任意の方向に移動してもよい。例えば、ピン６自体を回転させようとする場合には、各ピンの根元にギアを取り付け、外部に設けたモーターの回転駆動力でギアを介して、１００回転／秒回転させること、また、ホルダー９内の各ピンに電磁コイルを捲回し電磁力で回転させることも可能である。
【００２４】
トランスデューサー２が超音波を発信すると、生じた超音波はこれに接続されたウエーブガイド３に伝達され、ウエーブガイド３の径が絞られていることによって速度が変性される。超音波はウエーブガイド３の先端からヘッド４に至り、板８を振動させ、次いで、これと接しているピン６を振動させる。この振動によりピン６の先端が処理対象物１４の表面を打撃することによって衝撃加工される。処理条件としては、振幅２０〜６０μｍ、周波数１５ｋＨｚ〜６０ｋＨｚ、出力０．２〜１ｋＷが好ましい。
【００２５】
一方、超音波ショットピーニング衝撃加工に用いる機器の概要であるが、その構成は図１（ｂ）の部分拡大図に示すように、図１（ａ）に示した超音波ハンマリング衝撃加工に用いる機器におけるピン６の代わりに、鋼製のボール、カットワイヤ等の硬質小径鋼材、或いはサファイヤ等の小粒子１５をウエーブガイド３の先端から発せられた超音波はによりヘッド４内に収納された板８を振動させ、これと接している硬質小径鋼材１５を振動させ、処理対象物１４の表面を打撃することによって衝撃加工される。また、処理条件は上述した超音波ハンマリング衝撃加工機を使用する場合と同条件でよい。なお、ショットピーニングの小粒子の材質は、本発明では重量約７ｍｇのサファイヤ球を用いたが、その他に上述した鋼球、超鋼球、セラミクッス、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）  、ジルコニア（ＺｒＯ２）、窒化珪素（Ｓｉ１３Ｎ４）、ＳｉＣ、ＳｉＯ２  、サイクロン等も使用できる。使用するショットピーニングの種類は処理対象材料の種類、硬度、超音波発振パワーを適宜選択して使用することが好ましい。また、超音波振動板の径、面積も小粒子と処理対象材料との関係で変化させることもより好ましい。
【００２６】
本発明者らは、上述した各種超音波衝撃処理が、金属材料の中でも板材においては体積比として極小であるため強度改善には殆ど貢献しないが、細径で断面積の小さい線材或いは鋼線においては上記超音波衝撃処理により改質される断面積の比率は無視できないことから高強度化の重要な手段となりうることを知見した。以下に本発明における線材の具体的製造方法を図面を用いて説明する。
【００２７】
本発明における線材（鋼線）に対する超音波ハンマリング衝撃加工機あるいは超音波ショットピーニング衝撃加工機による衝撃加工し高強度化の具体的手段を図２（ａ）〜（ｆ）に示す。図２（ａ）は超音波衝撃加工機を線材の加工長手方向にほぼ垂直な平面内に配列、この場合にはほぼ９０°方向に４台を配置して多数面から実際に線材を超音波衝撃処理を実施する場合に正面図で、超音波衝撃加工機１は走行中の線材Ｓの横断面においてほぼ９０°方向に１ａ、１ｂ，１ｃ、１ｄのように４台を線材Ｓの周面に配置し、同時に同一条件で超音波衝撃加工を行うことで、線材Ｓ表層組織のナノ化を図ることができる。また、図２（ｂ）においては、図２（ａ）で示した例を更に加工領域を拡大するために超音波衝撃加工機１を線材Ｓの加工長手方向に複数台、この例では３タンデム状に１−１、１−２、１−３のように配列した場合の側面図で、この場合には線材Ｓに対する加工領域を線材Ｓの加工長手方向に拡大することができる。この場合、線材Ｓの進行方向に下流側に向かって超音波衝撃加工の加工レベルを変更することも可能であり、最終の超音波衝撃加工機１−３で目的とするナノ組織にすることもより実際的方法である。
【００２８】
図２（ｃ）は、線材Ｓに対する加工領域を拡大するために線材の加工長手方向に超音波振動板８を矩形状に成形して線材Ｓの上下方向に８−１、８−２のように配置して加工する例の正面図、（ｄ）はその平面図で、この場合には線材Ｓの長さ方向で特定の拡大された領域を一挙に超音波衝撃処理を行うことが可能でより効率的な方法と言える。図２（ｅ）は更に、（ｃ）、（ｄ）の変形で、線材のターンロールの配置に合わせて超音波振動板の加工面積を更に拡張した場合の例を示す図で、通常線材の製造工場では線材圧延後の搬送において、設備配列あるいは場所的な観点からターンロールを用いて次工程に搬送する場合が多く、この搬送中に特定の拡大された領域を一挙に超音波衝撃処理を行うこともより実際的と考えられる。なお、実際の超音波衝撃加工を行うに際しては、図２（ｆ）に示すように、加工される線材Ｓの湾曲した断面形状に合わせて超音波衝撃加工機１のヘッド４の先端形状を湾曲させて加工効率を向上させることも有効な手段と言える。
【００２９】
上述した方法により、本発明においては、線材の表層部をナノ組織という微細組織として高強度化を図ることが可能となる。その具体的方法としては、超音波ハンマリング衝撃加工あるいは超音波ショットピーニング衝撃加工による衝撃加工を線材の全周から行いことが組織の均一化のために好ましい。特に、超音波ハンマリング衝撃加工を施す場合においては、先端部のピンを回転させるとか、超音波ハンマリング衝撃加工機を揺動させるとか様々な方法が考えられるが、これに加えて、例えば平面振動を併用する等の方法も考えられる。例えば、ピンを揺動させる場合の条件としては機器全体の振動数を１ｋＨｚ、振幅３μｍで揺動させる条件を採用すると良い。また、３方向振動タイプを採用する場合には、水平方向に２方向、トランスジューサーを配置させ、出力２０ｋＨｚ、振幅２μｍ程度の条件を採用すると良い。また、超音波ショットピーニング衝撃加工においては、載荷の多軸化して加工レベルを促進することや振動板の面積を拡張して線材の加工経路を拡大することが好ましい。超音波振動板と処理対象線材との間隔は最大エネルギーを処理対象線材に付与しうるように適切に調整する必要があるが、具体的には処理対象材にＡＥ（アコースティック・エミッション）センサーを取り付け、検出音響エネルギー量が最大になるようにモニターしながら間隔を調整する。これは、小粒子がある特定の速度（周波数）を持って処理対象材と超音波振動板の間を跳ね回るため、エネルギーの最適な伝達は或る種の共振のような関係を持つからである。なお、処理対象物が非鉄金属、例えばアルミニウムのような場合には間隔は２ｍｍ程度で十分である。
【００３０】
また、超音波ハンマリング衝撃加工に際しては、処理対象の線材に衝撃を与えるピンの形状（通常は先端部が凸状）を線材の半径をｒとしたとき、曲率半径がｒ以上の凹形状の先端形状を有するピンを用いることが好ましい。
【００３１】
なお、上記超音波衝撃処理に際しては、加工中の雰囲気および加工温度制御を行い線材の酸化や異常硬度の発生を防止する手段を採用することが好ましい。
【００３２】
本発明においては、中・高炭素鋼からなる高強度線材、例えば、ＪＩＳ  Ｇ３５３６（１９８８）のＰＣ鋼線の最終処理としての超音波衝撃処理を中心に説明したが、本発明はその他のアルミ線材等の非鉄材料にも適用可能であり、その場合には付与する超音波エネルギー、或いは処理速度をその材料特性、目標処理特性に応じて任意に設定すればよい。
【００３３】
このように、本発明においては、上述したような超音波衝撃処理を行うことにより、線材のフェライト組織のナノ化による超高強度化のため伸び特性を向上させることで炭素当量を下げることが可能となる。即ち、Ｃ量を低下させ初期強度が３０％低い線材においても上述の超音波衝撃処理を行うことによりＣ量を低下させる前の線材と同等の引張強度が得られる。
【００３４】
【実施例】
＜実施例１＞
金属トランスデューサーを有し、出力２７ｋＨｚ、６００Ｗで、２０〜４０μｍの鉛直振動が付与可能で、先端に硬度８００Ｈｖを有する径５ｍｍの凹ピンを持つ超音波ハンマリング衝撃加工機を用い、直径２．９０ｍｍのＴＳ：５００Ｎ／ｍｍ２  のＰＣ２本撚り線に対し、線材の横断面の周囲４方向から、５０ｃｍ／ｍｉｎの加工速度で超音波ハンマリング衝撃加工を行った。その結果を表１に示す。上記ＰＣ撚り線の成分組成は、質量％で、Ｃ：０．１０％、Ｓｉ：０．２６％、Ｍｎ：１．１８％、Ｐ：０．００６％、Ｓ：０．００３％、Ａｌ：０．０２６％、Ｔｉ：０．００９％、Ｎ：０．００３％、Ｎｂ：０．０２％、Ｖ：０．１２％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる。
【００３５】
【表１】
2004169103.tif 000003
【００３６】
表１において、本発明材４の「合金添加」とは本明細書（ｄ）に記載した機能を付与するためにピン材質を、質量％で、Ｃ：０．０２％、Ｓｉ：０．４０％、Ｍｎ：０．５０％、Ａｌ：０．７５％、Ｃｕ：０．０５％、Ｃｒ：１５．０％、Ｎｂ：０．９０％、Ｆｅ：７．０％、残部Ｎｉおよび不可避的不純物からなるＦｅ−Ｎｉ−Ｃｒ合金を用いて超音波衝撃加工において処理対象線材に合金添加を行った例である。
【００３７】
＜実施例２＞
圧電素子による周波数２８ｋＨｚ、出力１０Ｗのトランスデューサーを有する超音波ショットピーニング衝撃加工機の超音波振動板を加振し、直径０．７５ｍｍのサファイヤ製ショットピーニング用小粒子を用い、直径２．９０ｍｍのＴＳ：５００Ｎ／ｍｍ２  のＰＣ２本撚り線に対し、超音波ショットピーニング衝撃加工を行った。超音波振動板の形状は円形であり、その直径から決まる処理範囲を直径３０ｃｍを処理した。その結果を表２に示した。
【００３８】
【表２】
2004169103.tif 000004
【００３９】
【発明の効果】
上述したように、金属材料、特に線材、鋼線等の表面に超音波衝撃処理、特に超音波ハンマリング衝撃加工または或いは超音波ショットピーニング加工を行い、表面改質により高強度線材を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】超音波衝撃処理加工機の例を示すもので、（ａ）は本発明に用いる超音波ハンマリング衝撃加工機の概略構成図、（ｂ）は本発明に用いる超音波ショットピーニング衝撃加工機の先端部の拡大図である。
【図２】本発明による超音波衝撃処理の例を示すもので、（ａ）は本発明による超音波衝撃処理の一例を示す図、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）および（ｅ）は本発明による超音波衝撃処理の別の例を示す図、（ｆ）は超音波衝撃処理加工機の先端部形状の一例を示す図である。
【図１】
2004169103.tif 000005
【図２】
2004169103.tif 000006