(57)【要約】【課題】金属製品の表面の一部に蛍光物質を局所的に含有させた金属製品の製造方法を提供する。【解決手段】金属製品の表面の一部に蛍光物質を局所的に含有させた金属製品の製造方法であって、前記金属製品の表面の一部を、先端部の直径が０．０１ｍｍ以上の超音波振動端子であって、蛍光物質を添加もしくは表面に塗布した超音波振動端子で打撃する超音波衝撃処理を施すことによって、前記金属製品の表面の一部を、蛍光物質を含有させた材質にすることを特徴とする蛍光物質を局所的に含有した金属製品の製造方法。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属製品の表面の一部に蛍光物質を局所的に含有した金属製品の製造方法であって、
前記金属製品の表面の一部を、先端部の直径が０．０１ｍｍ以上の超音波振動端子であって、蛍光物質を添加もしくは表面に塗布した超音波振動端子で打撃する超音波衝撃処理を施すことによって、
前記金属製品の表面の一部を、蛍光物質を含有した材質にすることを特徴とする蛍光物質を局所的に含有した金属製品の製造方法。
【請求項２】
前記超音波振動端子の先端部の直径が１ｍｍ以上であって、かつ、該先端部の硬度が前記金属製品の素材の硬さの１．５倍以下であることを特徴とする請求項１に記載の蛍光物質を局所的に含有した金属製品の製造方法。
【請求項３】
金属製品の表面の一部を蛍光物質を局所的に含有した金属製品の製造方法であって、
前記金属製品の表面の一部を、一辺の長さが０．０１ｍｍ〜５ｍｍの超音波振動を与えた角型の塊状物、または、直径が０．０１ｍｍ〜５ｍｍの超音波振動を与えた球状物であって、蛍光物質を添加もしくは表面に塗布したショット粒を打ち付ける衝撃処理を施すことによって、
前記金属製品の表面の一部を、蛍光物質を含有した材質にすることを特徴とする蛍光物質を局所的に含有した金属製品の製造方法。
【請求項４】
金属製品の表面の一部に蛍光物質を局所的に含有した金属製品の製造方法であって、
前記金属製品の表面の一部に、蛍光物質を供給し、該蛍光物質の上から、先端部の直径が０．０１ｍｍ以上の超音波振動端子で打撃する超音波衝撃処理を施すことによって、
前記金属製品の表面の一部を、蛍光物質を含有した材質にすることを特徴とする蛍光物質を局所的に含有した金属製品の製造方法。
【請求項５】
前記超音波衝撃処理時の雰囲気を、大気から遮断することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の蛍光物質を局所的に含有した金属製品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属製品の表面の一部に蛍光物質を局所的に含有した金属製品の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
海洋構造物、船舶、橋梁、自動車、産業機械、家庭電器製品、医療器械などの金属製品は、様々な分野で用いられて、他の材料に比べて強度とコスト面において優れており、産業上重要な役割を果たしている。
一方、使用中の機械的振動などに起因する金属疲労が製品の破壊をもたらし、製品の寿命を縮める場合も見受けられる。
しかし、金属製品に要求される疲労特性は、疲労き裂が一般的に金属製品全体ではなく、製品中のコーナー部分、寸法変化部分、溶接継手止端部近傍などの応力集中の大きい箇所などに局所的に発生するため、必ずしも、製品全体に高い疲労特性を持たせる必要はない。
【０００３】
そこで、応力集中部に超音波振動処理などを施し、疲労特性を改善する方法が知られている。しかし超音波振動処理を施したか否かを目視で検査することは困難であり、残留応力測定等の煩雑な検査手法にたよらざるを得なかった。特に大型構造物を形成した後に超音波振動処理を施した場合、処理実施の有無を未実施部分と現場作業にて識別するのは困難を極めている。例えば、特許文献１に、溶接継手部に超音波振動を与えることによって、疲労強度を向上させる方法が開示されているが、超音波振動と同時に金属製品の表面に識別物質を含浸もしくは塗布することは全く開示されていない。
【０００４】
【特許文献１】米国特許第６，１７１，４１５号明細書
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前述のような従来技術の問題点を解決し、金属製品の表面の一部に蛍光物質を局所的に含有した金属製品の製造方法を提供することを課題とする。本発明によれば、金属製品の表面の一部に蛍光物質を含有した金属製品の製造方法を提供することができ、溶接継手止端部近傍等の局所的な超音波振動処理の実施箇所をブラックライト等を用いて容易に目視検査することが可能となり、品質管理、施工管理等の産業上有用な著しい効果を奏する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は前述の課題を解決するために鋭意検討の結果なされたもので、超音波衝撃処理を用いて金属製品の表面の一部に蛍光物質を局所的に含有した金属製品の製造方法を提供するものであり、その要旨とするところは特許請求の範囲に記載した通りの下記内容である。
【０００７】
（１）金属製品の表面の一部に蛍光物質を局所的に含有した金属製品の製造方法であって、
前記金属製品の表面の一部を、先端部の直径が０．０１ｍｍ以上の超音波振動端子であって、蛍光物質を添加もしくは表面に塗布した超音波振動端子で打撃する超音波衝撃処理を施すことによって、
前記金属製品の表面の一部を、蛍光物質を含有した材質にすることを特徴とする蛍光物質を局所的に含有した金属製品の製造方法。
本発明において、金属製品とは橋梁や建築物などのいわゆる鋼構造物だけでなく、金属部品、鋼板やアルミ製品、チタン製品など、金属で構成されている製品を広く含む。
（２）前記超音波振動端子の先端部の直径が１ｍｍ以上であって、かつ、該先端部の硬度が前記金属製品の素材の硬さの１．５倍以下であることを特徴とする（１）に記載の蛍光物質を局所的に含有した金属製品の製造方法。
【０００８】
（３）金属製品の表面の一部に蛍光物質を局所的に含有した金属製品の製造方法であって、
前記金属製品の表面の一部を、一辺の長さが０．０１ｍｍ〜５ｍｍの超音波振動を与えた角型の塊状物、または、直径が０．０１ｍｍ〜５ｍｍの超音波振動を与えた球状物であって、蛍光物質を添加もしくは表面に塗布したショット粒を打ち付ける衝撃処理を施すことによって、
前記金属製品の表面の一部を、蛍光物質を含有した材質にすることを特徴とする蛍光物質を局所的に含有した金属製品の製造方法。
（４）金属製品の表面の一部に蛍光物質を局所的に含有した金属製品の製造方法であって、
前記金属製品の表面の一部に、蛍光物質を供給し、該蛍光物質の上から、先端部の直径が０．０１ｍｍ以上の超音波振動端子で打撃する超音波衝撃処理を施すことによって、
前記金属製品の表面の一部を、蛍光物質を含有した材質にすることを特徴とする蛍光物質を局所的に含有した金属製品の製造方法。
（５）前記超音波衝撃処理時の雰囲気を、大気から遮断することを特徴とする（１）乃至（４）のいずれかに記載の蛍光物質を局所的に含有した金属製品の製造方法。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について、図１および図２を用いて詳細に説明する。
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の蛍光物質を局所的に含有した金属製品の製造方法における第１の実施形態を示す図である。
図１において、１は金属製品、２は超音波振動端子、３は蛍光物質含有層を示す。
まず、図１（ａ）に示すように、金属製品の表面１の一部を、超音波振動端子２で打撃する。
この超音波振動端子２は、先端部の直径が０．０１ｍｍ以上であって、蛍光物質を添加もしくは表面に塗布したものを用いる。
【００１０】
先端部の直径が０．０１ｍｍ以上とするのは、できる限り細い端子の方が金属製品の表面に蛍光物質が入り込むが、細過ぎると超音波衝撃処理の加工エネルギーを金属製品の母材に十分伝達できないので、端子の降伏強度を考慮して端子先端部の直径は、０．０１ｍｍ以上とする。
また、超音波振動端子に添加もしくは表面に塗布する蛍光物質は、蛍石（フッ化カルシウムＣａＦ２）、人形石（リン灰ウラン鉱Ｃａ（ＵＯ２）２（ＰＯ４）２・１０−１２Ｈ２Ｏ）、リン灰ウラン鉱（Ｃａ（ＵＯ２）２（ＰＯ４）２・８Ｈ２Ｏ）、ローダミンＢ（Ｃ２８Ｈ３１ＣｌＮ２Ｏ３）、フルオレセイン（Ｃ２０Ｈ１２Ｏ５）などの物質から、美観性、意匠性、等の目的に応じて適宜選択することができる。蛍光物質は、０．０１μｍから５００μｍ程度の粉末状であることが好ましい。
超音波振動端子に蛍光物質を添加する場合の成分は、含有したい目標成分に応じて、素地の化学成分に見合って調整することができる。
【００１１】
次に、図１（ｂ）に示すように、超音波振動端子２によって、金属製品１の表面を打撃すると、その衝撃によって、超音波振動端子の先端の蛍光物質含有層３が、超音波衝撃処理中に、金属製品の母材に塑性流動をおこして入り込む。
その結果、超音波振動端子は超音波衝撃処理中に順次消耗されるので、例えば、溶接のフィラーと同じように、連続して補給する装置を設けることが好ましい。
さらに、その上から、超音波振動端子２で打撃を継続することによって、金属製品の表面１に薄い蛍光物質含有層３を形成することができ、これによって、金属製品に局所的に蛍光物質を含有する新たな表面性能を付加することができる。
【００１２】
また、超音波振動端子の先端部の直径が１ｍｍ以上の場合には、該先端部の硬度を前記金属製品の素材の硬さの１．５倍以下とすることが好ましい。
超音波振動端子の直径が１ｍｍ以上と比較的大きい場合には、打撃処理を行っても、振動端子の蛍光物質が金属製品の素材に含浸しにくいので、先端部の硬度を前記金属製品の素材の硬さの１．５倍以下とすることによって、含有を促進することができる。
【００１３】
また、超音波振動端子の代わりに、一辺の長さが０．０１ｍｍ〜５ｍｍの超音波振動を与えた角型の塊状物、または、直径が０．０１ｍｍ〜５ｍｍの超音波振動を与えた球状物であって、蛍光物質を添加もしくは表面に塗布したショット粒を金属製品の表面に打ち付ける衝撃処理を行ってもよい。
ショット粒を打ち付けることによって、このショット粒に添加もしくは表面に塗布した蛍光物質が、金属製品の母材に入り込む、もしくは表面に塗布され、母材の表面に蛍光物質含有層を形成することができる。
ショット粒の形状は、角型でも丸型でもよいが、あまり小さすぎると飛散して効率が悪く、あまり大き過ぎると含有もしくは塗布が進まないので、ショット粒の一辺の長さまたは直径は、０．０１ｍｍ〜５ｍｍとする。
【００１４】
＜第２の実施形態＞
図２は、本発明の局所的に蛍光物質を含有した金属製品の製造方法における第２の実施形態を示す図である。
図２において、１は金属製品、２は超音波振動端子、３は蛍光物質含有層、４は蛍光物質添加粉末を示す。
まず、図２（ａ）に示すように、金属製品の表面１の一部に、直径が０．０１μｍ〜５００μｍであって、蛍光物質粉末そのもの、もしくは蛍光物質を添加した金属粉末４を散布して供給しながら、先端部の直径が０．０１ｍｍ以上の超音波振動端子２で打撃する。
蛍光物質粉末もしくは蛍光物質添加粉末４の直径を０．０１μｍ〜５００μｍとするのは、含浸を行うためには、蛍光物質粉末もしくは蛍光物質添加粉末４の直径は小さい方が好ましいのでその上限を５００μｍとし、細かすぎて処理中に飛散してしまっては歩留まりが悪くなるので、０．０１μｍを下限値とした。
【００１５】
なお、蛍光物質粉末もしくは蛍光物質添加粉末を用いて、含浸もしくは塗布を実施する場合には、超音波振動端子は合金化しにくいタングステン等の素材が望ましい。
さらに、超音波振動端子２による打撃を継続することによって、金属製品の表面１に薄い蛍光物質含有層３を形成することができ、これによって、金属製品に局所的に蛍光物質を含有する新たな表面性能を付加することができる。
【００１６】
＜第１および第２に共通の実施形態＞
蛍光物質を含浸する際に、窒素が侵入すると、コットレル雰囲気を形成して強度が上昇して、靭性が低下することがあり、好ましくないことも知見した。
さらに、発明者らは、超音波衝撃処理を大気中で行うと、表層部の蛍光物質が大気中の酸素と反応して、酸化層が形成され蛍光性を損ない、蛍光物質を含浸しても所定の機能が発揮できないこともあることを知見し、酸化層の最小化が課題であることを見出した。
【００１７】
そこで、蛍光物質含有層の厚みを確保し、含有層の酸化を極力抑制させるために、超音波衝撃処理時の雰囲気を、大気から遮断することが好ましい。
酸素を遮断することによって、表面の酸化を防止することができるからである。
本発明においては、雰囲気の遮断方法は問わないが、超音波振動端子の先端に、アルゴン、ヘリウム、ＣＯ２等の不活性ガスを吹付けて酸素分率が空気よりも低い環境に制御することが好ましい。これによって、酸化層は消滅し、かつ窒素侵入による脆化現象も防止できる。
本発明によれば、例えば、鋼構造物や鋼構造品などの金属製品として最終の形状に加工、組み立てされた後で、あらたな表面性能を付与することができるので、必要最小限で済むメリットがあるが、素材段階で本発明を適用し、構造物や鋼構造品などの金属製品に最終加工された後に、適用することもできる。
なお、本発明は、金属製品に蛍光物質を含有させて改質したい領域に局所的に適用しても良いし、金属製品全体に適用してもよい。
【００１８】
金属製品全体に適用する場合には、金属製品を構成する鋼板などの素材にあらかじめ、本発明の超音波衝撃処理を施し、表面に蛍光物質を含浸処理した素材を用いて金属製品を製造することが好ましい。
本発明に使用する超音波発生装置は問わないが、２ｗ〜３ｋｗの超音波発生源を用いて、トランスデューサによって２ｋＨｚ〜６０ｋＨｚの超音波振動を発生させ、ウェーブガイドにて増幅させることにより、上述の径のピンからなる超音波振動端子を２０〜６０μｍの振幅で振動させる装置が好ましい。
また、本発明の超音波衝撃処理に用いる塊状物および球状物の材質は問わないが、例えば、鋼材、超硬、セラミックス、アルミナ、ジルコニア、サイアロン等から適宜選択することができる。
以上に示すように、金属製品の表面の一部に局所的に蛍光物質を含浸もしくは塗布する方法を用いることによって、局所的に新たな表面性能を付与した金属製品を製造することができる。
【００１９】
【実施例】
本発明の蛍光物質を局所的に含有した金属製品の製造方法を、実際の金属製品に適用した場合を想定した実験を行った結果を表１乃至表３に示す。
表１は、金属製品を構成する素材Ａ（Ａ１〜Ａ１０）、および、超音波振動端子または粉末とする素材Ｂ（Ｂ１〜Ｂ７）の化学成分を示す。
表２は、超音波衝撃処理の条件および試験結果を示す。
【００２０】
＊１）加工種類は。表３に示すように、超音波振動端子であるハンマと、超音波ショットピーニングを行うショット粒の２種類とし、Ｈ▲１▼〜Ｈ▲６▼およびＲＨがハンマの条件を示し、Ｓ▲１▼〜Ｓ▲５▼およびＲＳがショット粒の条件を示す。
なお、表３のＲＨおよびＲＳ、蛍光物質添加をしない超音波振動端子およびショット粒を用いる比較例を示し、それ以外は本発明の条件を満足する発明例を示す。
＊２）蛍光物質含有層の厚みは、素材Ａと素材Ｂの化学成分が混合している領域を表面からの厚みを云う。
【００２１】
試験の結果、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１８は、本発明の条件を満足しているので、蛍光物質含有の割合（体積％）は、５％を超えており、蛍光物質含浸もしくは塗布が良好である。結果として夜間もしくは暗幕などを引いた暗い箇所にて紫外線発生のブラックライトなどで容易に超音波振動処理実施箇所の目視確認が可能であった。
Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１２は、超音波振動端子またはショット粒に蛍光物質を添加した実施例であり、Ｎｏ．１３〜Ｎｏ．１８は、粉末に蛍光物質もしくは蛍光物質含有金属粉末を添加した実施例であり、いずれの場合も含浸もしくは塗布は良好であり、紫外線発生のブラックライトなどで容易に超音波振動処理実施箇所の目視確認が可能であった。
Ｎｏ．１９〜Ｎｏ．２８は比較例であり、いずれも、Ｎｏ．１９〜Ｎｏ．２１およびＮｏ．２４〜Ｎｏ．２６は、合金を添加しない超音波振動端子であるハンマ（ＲＨ）を用い、また、Ｎｏ．２２、Ｎｏ．２３、Ｎｏ．２７およびＮｏ．２８は、直径が５ｍｍ以上のショット粒（ＲＳ）を用いたため、蛍光物質含有の割合（体積％）は３％以下と低い値となり、ブラックライトでの目視確認ができなかった。
【表１】
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【表２】
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【表３】
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【００２２】
【発明の効果】
本発明によれば、金属製品の表面の一部に蛍光物質を含有した金属製品の製造方法を提供することができ、溶接継手止端部近傍等の局所的な超音波振動処理の実施箇所を容易に目視検査することが可能となり、品質管理、施工管理等の産業上有用な著しい効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の蛍光物質を局所的に含有した金属製品の製造方法における第１の実施形態を示す図である。
【図２】本発明の蛍光物質を局所的に含有した金属製品の製造方法における第２の実施形態を示す図である。
【符号の説明】
１：金属製品、
２：超音波振動端子、
３：蛍光物質含有層、
４：蛍光物質含有粉末
【図１】
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【図２】
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