(57)【要約】【課題】超音波衝撃処理による冷間加工部の強度向上方法およびその方法によって製造された金属製品を提供する。【解決手段】金属の冷間曲げ加工部の引張側表面に超音波衝撃処理を施すことによって、処理部の表面硬さを非処理部より１０％以上増加させ、かつ引張残留応力を低減し、破壊靱性および疲労強度を向上させる超音波衝撃処理による冷間加工部の強度向上方法。また、金属表面から中心線平均粗さＲａで１０μｍ以下に平滑化し、処理部の表面硬さを非処理部より１０％以上増加させ、かつ引張残留応力を引張強度の５０％以下から圧縮の範囲まで緩和し、破壊靱性および疲労強度を向上させる超音波衝撃処理による冷間加工部の強度向上方法。【選択図】  図２
2004169065.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属の冷間曲げ加工部の引張側表面に超音波衝撃処理を施すことによって、処理部の表面硬さを非処理部より１０％以上増加させ、かつ引張残留応力を低減し、破壊靱性および疲労強度を向上させることを特徴とする超音波衝撃処理による冷間加工部の強度向上方法。
【請求項２】
金属の冷間曲げ加工部の圧縮側表面に超音波衝撃処理を施すことによって、金属表面から中心線平均粗さＲａで１０μｍ以下に平滑化し、また、処理部の表面硬さを非処理部より１０％以上増加させ、かつ引張残留応力を引張強度の５０％以下から圧縮の範囲まで緩和し、破壊靱性および疲労強度を向上させることを特徴とする超音波衝撃処理による冷間加工部の強度向上方法。
【請求項３】
金属の冷間曲げ加工部の圧縮側表面に超音波衝撃処理を施すことによって、処理部を金属表面から中心線平均粗さＲａで１０μｍ以下に平滑化し、かつ引張側の引張残留応力を該金属の材料での破断強度の８０％以下に緩和し、意匠性並びに、破壊靱性および疲労強度を向上させることを特徴とする超音波衝撃処理による冷間加工部の強度向上方法。
【請求項４】
金属の冷間曲げ加工部の引張側表面に、ピンの先端が凹部となった超音波衝撃処理を施すことによって、処理部の表面硬さを非処理部より１０％以上増加させ、かつ引張残留応力を引張強度の５０％以下から圧縮の範囲まで緩和し、意匠性並びに、破壊靱性および疲労強度を向上させることを特徴とする超音波衝撃処理による冷間加工部の強度向上方法。
【請求項５】
冷間加工によって形成されて鋼管管、角型金属管において、内面および／または外面に表面から超音波衝撃処理を施した結果、処理部の表面硬さを非処理部より１０％以上硬く、かつ、処理部表面で主な荷重作用方向での引張強度の５０％以上の引張残留応力が低減した、破壊靱性および疲労強度の高い金属製品。
【請求項６】
請求項５に記載の金属製品において、角型金属管の冷間加工角部において曲率を有する部分のみに、内面および／または外面に表面から超音波衝撃処理を施した結果、処理部の表面硬さを非処理部より１０％以上硬く、かつ、処理部表面で主な荷重作用方向での引張強度の５０％以上の引張残留応力が低減した、破壊靱性および疲労強度の高い金属製品。
【請求項７】
請求項５に記載の金属製品において、板厚ｔと曲げ加工半径Ｒの比Ｒ／ｔが１５以下である金属管、角型金属管。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波衝撃処理による冷間加工部の強度向上方法およびその方法によって製造された金属製品に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、高性能化、高機能化、軽量化、低コスト化等のために、構造部材に使用される鋼の高強度化が進んでいる。しかし、例えば船舶、海洋構造物、橋梁などの、使用期間中に繰り返し荷重を受ける構造物においては、このような高強度化に伴い構造部材に発生する応力が高くなるのが通例であるため、金属疲労の問題が顕在化する場合も多く、この金属疲労問題で高強度化が制限される場合もある。一般に、構造物で疲労き裂が問題となる箇所は、応力集中部や溶接部が多く、その他、冷間加工部や切断端面でも疲労き裂がしばしば問題となることが知られている。このような冷間加工や切断端面には、溶接部と同様に大きな引張残留応力が一般に存在する。
【０００３】
また、この様な部位には、しばしばノッチなどの応力集中部を伴う場合がある。さらに、ガス切断などの熱を与える切断法では、急熱急冷のために著しく硬くて脆い組織が切断面に形成され易く、そのために母材部よりも疲労強度が著しく低いのが通例である。特に薄板では、ほとんどの場合にプレスなどの冷間曲げ加工を伴うこと、そして、切断方法として疲労強度が特に低いことが指摘されているシャーリングを用いることが多いために、溶接部以外のこのような冷間加工部や切断部の疲労強度を確保することが必要になってくる。また、厚板にあっても、ラインパイプ等を代表とするベンドロール加工される鋼管などのための素材について、加工後の溶接性や破壊靭性を確保しながら高強度化を進めるための製品が求められている。
【０００４】
しかしながら、冷間加工においては、一般にその歪みによって金属材料の破壊靱性が低下することが知られている。特に鋼材の種類によっては圧縮側での靱性低下がより顕著である。この破壊靱性の低下を防止するためには、冷間曲げ加工時に与えられる歪みの量ごとに鋼材の必要靱性が規定されている。また、曲げ加工によって、引張側に大きな残留応力が一般に働くが、これによって、一旦疲労などによってき裂が発生すると、そのき裂進展が著しく速くなるという悪影響がある。このような冷間加工部の引張残留応力の改善については従来、一般に使われている技術というのは存在しない。しかし、他の部位の引張残留応力の改善方法としては、非特許文献１に開示されているような、ショットピーニング処理が広く知られている。
【０００５】
【非特許文献１】「浸炭焼入れの実際」第２版、日刊工業新聞社発行（浸炭鋼のショットピーニング）（１９９年２月２６日）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述したような、冷間加工部における金属材料に生じる問題の解決のためには、まず破壊靭性については、冷間加工に供する前の母材の段階で、もともとの靱性を必要レベルまで高くするように製造をするという対応が取られている。しかしながら、高強度材になると金属は一般に脆くなりやすいために、高靭性の高強度材を作るためにはコストの高い成分やプロセスが必要になってしまう。さらに、将来的にさらに高強度化が進むと、そのようなコストをかけても必要な靭性を確保することが不可能なレベルとなってしまう可能性もある。
【０００７】
また、引張残留応力の課題を解決するための、非特許文献１に開示されているショットピーニング処理は、金属の表面の高速の鋼の粒子を衝突させることにより金属の表面を加工する方法で、表面硬さや圧縮残留応力の改善が図れるが、しかしながら、ショットピーニング処理で残留応力を変えられるのは、せいぜい３００μｍほどの深さまでであり、そのき裂進展抑制効果は限定され、必ずしも十分な方法とまでは言えない。また、大きな機械と処理対象物を入れるためのチャンバーが必要なため、大型の対象物の処理は困難である。また、処理場所の選択性が低いため、処理を行いたい鋼板面のみを処理することは不可能であり、処理痕によって外観を損ねることがあるため、意匠性を要求される対象物には使用できない等の問題がある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述したような問題を解消するために、発明者らは鋭意開発を進めた結果、超音波衝撃処理による衝撃エネルギーを被対象金属の加工部の引張側表面または圧縮側表面に与えることで加工部の引張側表面または圧縮側表面の引張側残留応力緩和および／または圧縮側残留応力緩和を図ると共に金属組織の微細化による破壊靱性および疲労強度向上を図る方法およびそれにより製造された長寿命を有する金属製品を提供するものである。その発明の要旨とするところは、
（１）金属の冷間曲げ加工部の引張側表面に超音波衝撃処理を施すことによって、処理部の表面硬さを非処理部より１０％以上増加させ、かつ引張残留応力を低減し、破壊靱性および疲労強度を向上させることを特徴とする超音波衝撃処理による冷間加工部の強度向上方法。
【０００９】
（２）金属の冷間曲げ加工部の圧縮側表面に超音波衝撃処理を施すことによって、金属表面から中心線平均粗さＲａで１０μｍ以下に平滑化し、また、処理部の表面硬さを非処理部より１０％以上増加させ、かつ引張残留応力を引張強度の５０％以下から圧縮の範囲まで緩和し、破壊靱性および疲労強度を向上させることを特徴とする超音波衝撃処理による冷間加工部の強度向上方法。
（３）金属の冷間曲げ加工部の圧縮側表面に超音波衝撃処理を施すことによって、処理部を金属表面から中心線平均粗さＲａ（ＪＩＳ  Ｂ０６０１）で１０μｍ以下に平滑化し、かつ引張側の引張残留応力を該金属の材料での破断強度の８０％以下に緩和し、意匠性並びに、破壊靱性および疲労強度を向上させることを特徴とする超音波衝撃処理による冷間加工部の強度向上方法。
【００１０】
（４）金属の冷間曲げ加工部の引張側表面に、ピンの先端が凹部となった超音波衝撃処理を施すことによって、処理部の表面硬さを非処理部より１０％以上増加させ、かつ引張残留応力を引張強度の５０％以下から圧縮の範囲まで緩和し、意匠性並びに、破壊靱性および疲労強度を向上させることを特徴とする超音波衝撃処理による冷間加工部の強度向上方法。
（５）冷間加工によって形成されて鋼管管、角型金属管において、内面および／または外面に表面から超音波衝撃処理を施した結果、処理部の表面硬さを非処理部より１０％以上硬く、かつ、処理部表面で主な荷重作用方向での引張強度の５０％以上の引張残留応力が低減した、破壊靱性および疲労強度の高い金属製品。
【００１１】
（６）前記（５）に記載の金属製品において、角型金属管の冷間加工角部において曲率を有する部分のみに、内面および／または外面に表面から超音波衝撃処理を施した結果、処理部の表面硬さを非処理部より１０％以上硬く、かつ、処理部表面で主な荷重作用方向での引張強度の５０％以上の引張残留応力が低減した、破壊靱性および疲労強度の高い金属製品。
（７）前記（５）に記載の金属製品において、板厚ｔと曲げ加工半径Ｒの比Ｒ／ｔが１５以下である金属管、角型金属管にある。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について図面に従って詳細に説明する。
図１は、金属平板から冷間曲げ加工により金属管を製造する工程を示す図である。この図に示すように、金属平板１を冷間曲げ加工してパイプ形状２とした後ガスアーク溶接等で溶接４して金属管３を製造するものであるが、この場合に、金属管３の表面側には、一般に引張残留応力が生じる。一方、金属管の内面側には、圧縮残留応力が働く状態となる。さらに、内面には後述する図２に示すような圧縮塑性変形に伴うしわ状の表面が形成されることがある。金属材料は塑性変形を与えられることにより、靭性が低下するため、上記のような冷間加工によってあまりに多くの塑性ひずみを与えた場合、圧縮ひずみを与えられた後、その圧縮弾性ひずみ分が反発することによって戻ろうとする、スプリングバックという状態の時に、その内側のしわがき裂の起点となって、脆性破壊が生じることがある。
【００１３】
近年は、特に鋼材について、引張塑性ひずみと比較して圧縮塑性ひずみの方がより金属材料の靭性を低下させることが判明してきており、金属管や角形金属管においては圧縮側である内面からき裂が発生することを防止しなければならない。一方、外面の引張側については、内面側と異なって冷間加工によるき裂の起点はそれほど入らないし、もし、冷間加工前に傷が入っていても、冷間加工の過程で脆性破壊を生じなければ、そのときに付与される塑性ひずみによってそのき裂先端は鈍化し、むしろ脆性破壊は生じにくくなる。
【００１４】
しかしながら、冷間加工終了後に他の物体との衝突等により傷が付いた場合、または、溶接部に割れや深いノッチが生じた場合などは、もともと外面には大きな引張残留応力が存在するために、そのき裂の進展は早くなり、脆性破壊の可能性も高くなってしまう。また、溶接部近傍の材料は熱影響により粒が粗大化し、靭性が溶接前の値より著しく低下することが知られており、脆性破壊の危険性は溶接部近傍でより顕著である。このような現象は、プレスなどにより加工される薄板による部品についても同様に生じる。曲げ量の大きな部分が割れ易いこと、また、使用時に疲労破壊の箇所となり易いことが、やはりよく知られている。
【００１５】
上述したような、管の内外表面に発生した引張残留応力および圧縮残留応力を緩和させるために、少なくとも外表面から超音波衝撃処理を施すことで、引張残留応力を緩和することを見出した。これによって引張側表面の引張残留応力を少なくとも材料の降伏強度の５０％以下には緩和し、加工表面の疲労強度を向上させることができる。また、圧縮側から処理を行った場合も、表面に与えられる塑性変形による再分配の効果や、引張側表面にまで伝達される衝撃や超音波のエネルギーなどによる応力緩和効果によって、引張側の残留応力を素材の降伏応力の８０％以下までは緩和することができる。
【００１６】
また、超音波衝撃処理においては、処理を行う最表面に１００％を超える非常に大きな加工度が与えられると同時に、加工熱、また材料と処理ピンの摩擦熱によって、温度が６００℃以上に上昇する。このため、特に鋼材においては高いレベルでの低温圧延と同様の状態となる。これは、近年開発が進められている超鉄鋼材料と同様のプロセスを処理部最表面部で実施することであり、これにより最表面に表面から３０〜１００μｍの深さの範囲で、粒径が１μｍ以下の細粒化した領域が形成される。これは、普通鋼材の表面に超鉄鋼の薄い膜を形成しているような状況になるものである。
【００１７】
超鉄鋼は、同じ成分の鋼材と比較して、強度は倍、また、細粒化によるはるかに高い靭性を持つ。加工によって多くの転位が材料に導入されること、また、この超鉄鋼と同様の効果によって、材料は硬さを増す。この特殊な層は厚さが薄いために、計測の仕方にもよるがマイクロ・ビッカース等を用いても、１０％以上の硬化が確認される。また、この最表面部に関しては靭性も向上していると予想されている。このような効果は、特に管の板厚ｔと曲げ加工半径Ｒ（内法）の比Ｒ／ｔ＝１５以下の場合に、材料の持つ破壊靭性値が低下することが判明しているため、材料の元々の靭性値を向上させるという従来の対策手法と比較して、特に有用であることが判った。
【００１８】
図２は、金属管内外面に超音波衝撃処理を施す状態を示す図である。図２（ａ）は金属管内外面に超音波振動子５で超音波衝撃処理を施す状態を示す図であり、図２（ｂ）は金属管の内面には、圧縮残留応力が生じてシワ状態６となる。このシワ状態６を形成した内面を、例えば、振幅２０〜６０μｍ、周波数１９〜６０ｋＨｚ、出力０．２〜３ｋＷの超音波衝撃処理を施すことにより、金属表面から中心線平均粗さＲａで１０μｍ以下に平滑化するものである。図２（ｃ）は金属管外面に超音波振動子のピンの先端が凹部７となった超音波振動子５によって超音波衝撃処理を施すと処理部の表面硬さを非処理部より１０％以上増加させ、かつ引張残留応力を引張強度の５０％以下から圧縮の範囲まで緩和することが可能となった。
【００１９】
図３は、金属管外周面位置と表面粗さとの関係を示す図である。この図に示すように、冷間加工した金属管外周面は凹凸が大きく、その表面に超音波振動子により、本発明処理である超音波衝撃処理を施すことにより、この金属板表面の小さなノッチを中心線平均粗さＲａで１０μｍ以下に平滑化することができることが判る。これにより管表面の意匠性を高めることができる。また、金属管の処理部の表面硬さを非処理部と比較して１０％以上増加した。さらに、引張残留応力を引張強度の５０％以下から圧縮の範囲まで緩和すると共に、引張残留応力をその材料の破断強度の８０％以下に緩和し、破壊靱性および疲労強度を向上させることができた。
【００２０】
以上、金属管について説明してきたが、丸管に限定されることなく、角型金属管の冷間加工部やそれらと同様の状況が生じるプレスなどの冷間加工部においても適用できるものであり、この場合は、冷間加工角部において曲率を有する部分のみに、内面および／または外面に表面から超音波衝撃処理を施すことにより処理部の表面硬さを非処理部より１０％以上硬く、かつ、処理部表面で主な荷重作用方向での引張残留応力を引張強度の５０％以下に低減することにより、破壊靱性および疲労強度の高い金属製品を得ることができる。
【００２１】
【実施例】
以下、本発明について実施例によって具体的に説明する。
鋼材に曲げ加工を行ってＢＲ鋼管を作製し、その後、超音波衝撃処理を実施後、その一部を切り出して疲労試験片、およびミクロ試験片を作製して比較を行った。破壊靱性は直接計測することは困難なので、ミクロ試験で粒径を測定することによって、靱性のパラメータとする（例えば、製鉄研究Ｎｏ．３２７「微細分散したＴｉ酸化物によるＨＳＬＡ鋼ＨＡＺの靱性改善」の図７では、靱性（遷移温度）と粒径は“Ｙ＝−１０５９（ｘ０．５）＋４０，このときｙは遷移温度、ｄは粒径”、という関係にある）。硬さもミクロ試験で計測している。表１に使用鋼材、また、表２に曲げ加工のスペックと疲労試験結果および計測した粒径、硬さを示す。
【００２２】
【表１】
2004169065.tif 000003
【００２３】
【表２】
2004169065.tif 000004
【００２４】
表２に示すように、表１に示す鋼種Ａ、Ｂについて、それぞれ鋼管板厚ｔ：１２ｍｍ、曲げ加工半径Ｒ：６０ｍｍと１２０ｍｍでの超音波衝撃処理なしの場合と外面ないし内面と外面に施した場合の疲労限および粒径を示した。その結果、超音波衝撃処理しない場合はいずれも疲労限および靱性において劣っている。
これに対し、外面ないし内面と外面に施した場合の疲労限および靱性においては、いずれの場合も優れていることが判る。特に、内面と外面に施した場合は外面のみの場合に比較してより優れている。一方、硬さについても、処理することによって、硬度の向上が図られていることが判る。
【００２５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明による超音波衝撃処理による超音波衝撃エネルギーを被対象金属の加工部の引張側表面または圧縮側表面に与えることで加工部の引張側表面または圧縮側表面の引張側残留応力緩和および／または圧縮側残留応力緩和を図ると共に金属組織の微細化による破壊靱性および疲労強度向上方法およびそれにより製造された長寿命を有する金属製品を得るものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】金属平板から冷間曲げ加工により金属管を製造する工程を示す図である。
【図２】金属管内外面に超音波衝撃処理を施す状態を示す図である。
【図３】金属管外周面位置と表面粗さとの関係を示す図である。
【符号の説明】
１  金属平板
２  パイプ形状
３  金属管
４  溶接
５  超音波振動子
６  シワ状態
７  凹部
【図１】
2004169065.tif 000005
【図２】
2004169065.tif 000006
【図３】
2004169065.tif 000007