(57)【要約】金属の切断面に超音波衝撃処理を施すことにより、切断面に存在する小さなノッチを中心線平均粗さＲａでμｍ以下に平滑化するか、または、金属の切断面に凹面を有するピンによる超音波衝撃処理を施すことにより、該切断面に曲面部を形成して応力集中を緩和し、かつ、硬さ４００Ｈｖ以上の硬化組織を除去し、さらに、金属の表面から発生した２００μｍ以下の微細なき裂を、塑性流動により圧着して元の長さの５０％以下のき裂にすることを特徴とする超音波衝撃処理による金属切断面の疲労強度向上方法。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属の切断面に超音波衝撃処理を施すことにより、切断面に存在する小さなノッチを中心線平均粗さＲａで１０μｍ以下に平滑化し、かつ、硬さ４００Ｈｖ以上の硬化組織を除去し、さらに、金属表面から発生した２００μｍ以下の微細なき裂を、塑性流動により圧着して元の長さの５０％以下のき裂にすることを特徴とする超音波衝撃処理による金属切断面の疲労強度向上方法。
【請求項２】
金属の切断面に、凹面を有するピンにより超音波衝撃処理を施すことにより、切断面に曲面部を形成して応力集中を緩和し、かつ、硬さ４００Ｈｖ以上の硬化組織を除去し、さらに、金属表面から発生した２００μｍ以下の微細なき裂を、塑性流動により圧着して元の長さの５０％以下のき裂にすることを特徴とする超音波衝撃処理による金属切断面の疲労強度向上方法。
【請求項３】
前記金属の切断面が、金属板を切断した切断面であることを特徴とする請求の範囲１または２に記載の超音波衝撃処理による金属切断面の疲労強度向上方法。
【請求項４】
前記金属が、引張強度４００Ｎ／ｍｍ２以上の鋼であることを特徴とする請求の範囲１〜３のいずれか１項に記載の超音波衝撃処理による金属切断面の疲労強度向上方法。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の超音波衝撃処理による金属切断面の疲労強度向上方法を、金属板の切断面に適用して製造したことを特徴とする長寿命の金属製品。
【請求項６】
前記金属板が、引張強度４００Ｎ／ｍｍ２以上の鋼板であることを特徴とする請求の範囲５に記載の長寿命の金属製品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、超音波衝撃処理により、金属、特に金属板の切断面の疲労強度を向上させる方法、および、その方法を適用して製造した長寿命の金属製品に関する。
【背景技術】  近年、高性能化、高機能化、軽量化、低コスト化等を推進するために、構造部材に使用する金属材料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、通常、高強度化に伴い構造部材に発生する応力も高くなり、金属疲労の問題が顕在化する場合も多い。
それ故、この金属疲労の問題で、金属材料の高強度化が制限される場合もある。
一般に、構造物において疲労き裂が問題となる箇所は、主として、応力集中部や溶接部であるが、その他、冷間加工部や切断面でも疲労き裂がしばしば問題となる。
通常、このような冷間加工部や切断面には、溶接部と同様に、大きな引張残留応力が存在する。また、このような部位には、しばしばノッチなどの応力集中部が存在する場合がある。
さらに、ガス切断などの熱を与える切断法では、急熱急冷により、切断面に、著しく硬くて脆い組織が形成され易い。そのような組織が形成された部位は、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、薄板の加工においては、多くの場合、プレスなどの冷間加工を用い、そして、切断においては、切断面での疲労強度が低下することが指摘されているシャーリングを用いるので、溶接部以外の冷間加工部や切断部において疲労強度を確保することが必要になる。
疲労き裂が発生する可能性が高い鋼材の切断部に対しては、疲労強度を向上させる方法として、一般に、グラインディング処理が用いられる。グラインディング処理は、グラインダーによって切断面を研削して、表面に形成された脆い硬化組織や引張り残留応力が残る部分を除去し、応力集中を緩和する手法である。
その他、薄板では使われることはないが、ギアなどの部品に対しては、ショットピーニング処理が広く用いられる（「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）（１９９９年２月２６日））。
しかし、グラインディング処理は、その実施に熟練を必要とするのみならず、作業に多大な時間を要し、大きなコスト増加原因となるので、大量生産の製品に使うには難がある。
また、グラインディング処理に際し、グラインダーの歯の回転方向を応力の作用方向と平行にしなければ、歯痕が、き裂のような形で金属表面に残り、それが進展して、かえって、金属製品の疲労強度を低下させることがある。さらに、グラインディング処理は、応力集中を改善しても、残留応力の変化が少ないので、グラインディング処理による疲労強度の向上効果は少ない。
ショットピーニング処理は、金属の表面に高速で鋼の粒子を衝突させて金属表面を加工する方法であり、この方法を用いることにより、表面硬さや圧縮残留応力の改善を図ることができる。
しかし、ショットピーニング処理で残留応力を改善できる範囲は、表面からせいぜい３００μｍほどの深さまでであり、ショットピーニング処理によるき裂進展抑制効果は限定されたものとなる。
それ故、ショットピーニング処理は、き裂進展抑制効果の点で必ずしも十分な方法ではなく、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となるので、大型の対象物を処理するのは困難である。
また、ショットピーニング処理は、処理対象場所の選択性が低いので、処理を施したい切断面のみを処理することは不可能である。即ち、ショットピーニング処理は、時には、処理を施す必要のない部位に処理痕を残し、金属製品の外観を損ねるので、意匠性を要求される対象物には使用できない等の問題を抱えている。
【発明の開示】
上述したような問題を解消するために、本発明者は鋭意開発を進め、その結果、超音波衝撃処理により、衝撃エネルギーを処理対象金属の加工部に与えると、金属表面近傍に塑性変形および圧縮残留応力を付与するか、または、引張残留応力を緩和して、耐疲労性能を向上させ、かつ、一旦、疲労き裂が入っても、そのき裂の進展を止めて、無害化できることを見い出した。
本発明は、上記知見に基づくものであり、その要旨は、以下のとおりである。
（１）金属の切断面に超音波衝撃処理を施すことにより、切断面に存在する小さなノッチを中心線平均粗さＲａ（ＪＩＳ  Ｂ  ０６０１）で１０μｍ以下に平滑化し、かつ、硬さ４００Ｈｖ以上の硬化組織を除去し、さらに、金属表面から発生した２００μｍ以下の微細なき裂を、塑性流動により圧着して元の長さの５０％以下のき裂にすることを特徴とする超音波衝撃処理による金属切断面の疲労強度向上方法。
（２）金属の切断面に、凹面を有するピンにより超音波衝撃処理を施すことにより、切断面に曲面部を形成して応力集中を緩和し、かつ、硬さ４００Ｈｖ以上の硬化組織を除去し、さらに、金属表面から発生した２００μｍ以下の微細なき裂を、塑性流動により圧着して、元の長さの５０％以下のき裂にすることを特徴とする超音波衝撃処理による金属切断面の疲労強度向上方法。
（３）前記金属の切断面が、金属板を切断した切断面であることを特徴とする前記（１）または（２）に記載の超音波衝撃処理による金属切断面の疲労強度向上方法。
（４）前記金属が、引張強度４００Ｎ／ｍｍ２以上の鋼であることを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれかに記載の超音波衝撃処理による金属切断面の疲労強度向上方法。
（５）前記（１）〜（３）のいずれかに記載の超音波衝撃処理による金属切断面の疲労強度向上方法を、金属板の切断面に適用して製造したことを特徴とする長寿命の金属製品。
（６）前記金属板が、引張強度４００Ｎ／ｍｍ２以上の鋼板であることを特徴とする前記（５）に記載の金属製品。
【図面の簡単な説明】  図１は、金属板をガス切断した時の切断面の態様を示す図である。（ａ）は、切断時の切断面の状態を示し、（ｂ）は、切断後の切断面の表面形状を示す。
図２は、金属板をシャーリング切断した時の切断面の態様を示す図である。（ａ）は、切断時の切断面の状態を示し、（ｂ）は、切断後の切断面の表面形状を示す。
図３は、金属板の切断面に超音波衝撃処理を施す態様を示す図である。（ａ）は、切断面と板厚方向の上下端部に超音波衝撃処理を施す態様を示し、（ｂ）は、切断面に、凹面部を有する超音波振動子で超音波衝撃処理を施す態様を示す。
図４は、切断面における切断ままの表面粗さ（Ｒａｏ）と超音波衝撃処理後の表面粗さ（Ｒａｕ）の関係を示す図である。（ａ）は、金属板をシャーリング切断した場合を示し、（ｂ）は、金属板をガス切断した場合を示す。
図５は、切断面における超音波衝撃処理前後の表面粗さ（Ｒａｏ，Ｒａｕ）を示す図である。（ａ）は、ガス切断後グラインダー処理した場合を示し（ｂ）は、ノコ切断した場合を示す。
【発明を実施するための最良の形態】  以下、本発明について図面に従って詳細に説明する。
図１に、金属板１をガス切断した時の切断面の態様を示す。図１（ａ）は、ガスバーナー２により、金属板１を切断した時の切断面の状態を示し、図１（ｂ）は、切断後の切断面の表面形状を示す。
金属板１をガスバーナー２で切断した場合、ガス切断面３は、図１（ｂ）に示すように、凹凸状の表面形状をなしている。この時、計測区間における凹凸の大きさは、１００μｍ以上にもなっている。
図２に、金属板をシャーリング切断した時の切断面の態様を示す。図２（ａ）は、せん断機の刃４で金属板１を切断した時の切断面の状態を示し、図２（ｂ）は、シャーリング切断後の切断面の表面形状を示す。
金属板１を刃４で切断した場合、シャーリング切断面（破断面）５のバリ部６や端部（だれ部およびせん断面）７（図２（ｂ）、参照）において、引張残留応力が大きくなる。この場合、凹凸の大きさは１３０μｍにも及んでいる。
金属板１の切断面３、５に、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、切断面に存在する小さなノッチを平滑化し、かつ、硬化組織を除去し、また、金属板１の切断面（破断面）から発生したき裂を塑性流動により圧着して、き裂の進展を止めて無害化することができる。
なお、き裂は、表面から内部に侵入していて、表面上の長さに加え、表面からの侵入深さも、き裂の進展に影響を及ぼすが、表面上の長さと、最も侵入した位置までの深さは略同じであるので、き裂の表面上の長さが短縮されていれば、き裂の深さも短縮されていることになる。本発明では、目視で観察できるき裂の表面上の長さを、き裂の進展を止めて無害化するための指標として扱う。
図３に、切断面に超音波衝撃処理を施す態様を示す。図３（ａ）に、金属板１の切断面と板厚方向の上下端部に、超音波振動子８で超音波衝撃処理を施す態様を示し、図３（ｂ）に、金属板１の切断面に、凹面部を有する超音波振動子８で超音波衝撃処理を施す態様を示す。
図に示すように、金属板の切断面に超音波衝撃処理を施すことにより、上述したように、応力集中を緩和し、硬さ４００Ｈｖ以上の硬化組織を除去し、金属板の表面から発生した２００μｍ以下の微細なき裂を、塑性流動により圧着して、元の長さの５０％以下の長さのき裂とすることができる。
このとき、圧着されたき裂の深さは、元の深さの５０％以下となっている。
図４と図５は、各種切断方法で切断した切断面における長手方向の表面粗さを示す。図４は、金属板をシャーリング切断した切断面、および、ガス切断した切断面における切断ままの表面粗さ（Ｒａｏ）と超音波衝撃処理後の表面粗さ（Ｒａｕ）の関係を示す。また、図５は、ガス切断後グラインダー処理した切断面、および、ノコ切断した切断面における超音波衝撃処理前後の表面粗さを示す。
図に示すように、ガス切断した後の切断面においては凹凸が大きいが、その切断面に、本発明の超音波衝撃処理を施すことにより、切断面に存在する小さなノッチを、中心線平均粗さＲａで１０μｍ以下まで平滑化できることが判る。
また、金属板が鋼板の場合、引張強度４００Ｎ／ｍｍ２以上の鋼板の切断面に超音波衝撃処理を施すことにより、表面硬さ４００Ｈｖ以上の硬化組織を除去することができ、かつ、鋼板表面から発生した２００μｍ以下の微細なき裂を塑性流動により圧着して、元の長さの５０％以下のき裂のとすることができる。
即ち、塑性流動による圧着で、き裂を、元の深さの５０％以下の深さのき裂とすることができる。
同様に、鋼板の切断面に、凹面部を有するピンを用いて超音波衝撃処理を施すことにより、切断面における応力集中を緩和することができる。
【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。
幅４０ｍｍ、長さ２００ｍｍ、板厚２．６ｍｍの試験片について、切断法および切断面の処理法を変化させ、その処理前後毎に、切断面の硬さ、および、粗さを計測し、かつ、切断面におけるき裂の有無を計測した。
また、いくつかの試験体については、超音波衝撃処理を施すのに先立って、長さ２００μｍに切欠いた人工的なき裂と、長さ１５００μｍに切欠いた人工的なき裂を入れた。その上で、疲労試験を実施し、超音波衝撃処理の効果を確認した。その結果を表１に示す。
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表１に示すように、Ｎｏ．１〜７は発明例であり、Ｎｏ．８〜１６は比較例である。比較例Ｎｏ．８，９および１４は切断面を処理しなかった場合であり、ガス切断、シャーリング切断およびプラズマ切断により、切断面において疲労強度が劣化している。
また、比較例Ｎｏ．１０，１１および１５においては、切断後のグラインダー処理により、疲労強度が劣化している。さらに、比較例Ｎｏ．１２および１６においては、切断後のショットピーニング処理により、疲労強度の改善がみられるが、十分な改善には至っていない。
これに対し、発明例のＮｏ．１〜７のいずれにおいても、硬さが４０Ｈｖ以下であり、中心線平均粗さＲａが１０μｍ以下であり、かつ、残留応力が低下し、切断面に発生した２００μｍの微細なき裂の長さが、元の長さの５０％にまで短縮されて（Ｎｏ．３、参照）、疲労強度の向上がなされている。
【産業上の利用可能性】  本発明によれば、金属板の切断面の疲労強度を向上せしめ、長寿命の金属製品を製造することができる。よって、本発明は、金属製品を製造する技術として、利用可能性が大きいものである。
【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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【国際調査報告】
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