(57)【要約】【課題】疲労強度が優れた超音波衝撃処理用鋼材及び超音波衝撃処理方法を提供する。【解決手段】表面１に軟質層６が形成された複層鋼材において、この軟質層６の厚さを０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ未満とし、かつ軟質層６のビッカース硬さＨｖｓと軟質層６を除く内層７のビッカース硬さＨｖｉとが、下記数式を満足するようにする。そして、この超音波衝撃処理用鋼材に対して、幅Ｒが２．０〜５．０ｍｍの先端工具５を用いて超音波衝撃処理を行う。2007284777.tif 000009【選択図】図１
2007284777.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に軟質層が形成された複層鋼材であって、
前記軟質層のビッカース硬さＨｖｓ及び前記軟質層を除く内層のビッカース硬さＨｖｉが下記数式を満足し、
前記軟質層の厚さが０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ未満であることを特徴とする疲労強度に優れた超音波衝撃処理用鋼材。
2007284777.tif 000008
【請求項２】
前記軟質層は、前記内層よりもＣ含有量（質量％）が低いことを特徴とする疲労強度に優れた請求項１に記載の超音波衝撃処理用鋼材。
【請求項３】
前記軟質層は、質量％で、Ｃ：０．０００５〜０．２５％、Ｓｉ：０．０１〜２．００％、Ｍｎ：０．０１〜３．００％、Ｓ：０．０５０％以下及びＡｌ：０．００１〜０．１％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる組成を有し、
前記内層は、Ｃ：０．００３〜０．３０％、Ｓｉ：０．０１〜２．００％、Ｍｎ：０．０１〜３．００％、Ｓ：０．０５０％以下及びＡｌ：０．００１〜０．１％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる組成を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の疲労強度に優れた超音波衝撃処理用鋼材。
【請求項４】
前記軟質層及び前記内層は、更に、質量％で、Ｐ：０．０２〜０．２０％、Ｔｉ：０．００５〜１．０％、Ｂ：０．０００１〜０．０１％、Ｎｉ：０．１〜５．０％、Ｃｕ：０．１〜２．０％、Ｍｏ：０．１〜４．０％、Ｎｂ：０．００５〜１．０％及びＶ：０．００５〜２．０％からなる群から選択された１種又は２種以上の元素を含有することを特徴とする請求項３に記載の疲労強度に優れた超音波衝撃処理用鋼材。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか１項に記載の鋼材に、幅が２．０〜５．０ｍｍの先端工具を用いて超音波衝撃処理を行うことを特徴とする疲労強度に優れた超音波衝撃処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車、家電製品、建築構造物、船舶、橋梁、建設機械、各種プラント及びペンストック等で用いられる疲労強度に優れた超音波衝撃処理用鋼材及び超音波衝撃処理方法に関する。なお、本発明において、鋼材とは母材のみならず、溶接及び成形等の加工を受けた部分も含むものとする。
【背景技術】
【０００２】
鋼材に、溶接・プレス・切断・打抜き等の加工が施され、その部材に繰返し荷重が作用すると、これらの加工部は、その形状に起因する応力集中及び引張残留応力の存在によって疲労き裂発生の起点となり、その結果、疲労強度が低下する。従って、これらの加工部の耐疲労特性が優れた鋼材及び加工部の耐疲労特性を向上させることができる処理方法が切望されている。
【０００３】
このような疲労問題に対して、近年、溶接部等の疲労強度向上を目的とした超音波衝撃処理が開発され、超音波衝撃処理を溶接部及び機械加工穴に適用することにより疲労強度を向上させる方法及び装置が開示されている（例えば、特許文献１及び２参照。）。また、溶接部及び塑性加工部に対して超音波衝撃処理及びその処理部の品質保証検査を行うことにより、疲労強度を向上させる方法も開示されている（例えば、特許文献３参照。）。
【０００４】
一方、本発明者は、継手疲労強度を向上させるために、表裏層が脱炭層からなる複合鋼材であり、この表裏層の硬さ、厚さ及びフェライト組織率を規定した複層鋼板を提案している（特許文献４参照）。また、従来、溶接止端部相当部分に予め軟質層を形成させてから溶接することにより、疲労強度の向上を図った発明も開示されている（例えば、特許文献５参照。）。
【０００５】
なお、超音波衝撃処理とは、超音波発生機から発生した数十ｋＨｚの超音波振動をピン等の工具を介して対象物に押し当てて、塑性変形を与えることにより表面形状の改善及び残留応力の緩和・再配置等を行う処理である。
【０００６】
【特許文献１】米国特許第６１７１４１５号明細書
【特許文献２】米国特許第６３３８７６５号明細書
【特許文献３】特開２００３−１１３４１８号公報
【特許文献４】特開２００３−２３９０３７号公報
【特許文献５】特開昭５６−５０７９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、前述した従来の技術には以下に示す問題点がある。上述した従来の技術のうち、特許文献１には、溶接構造物の補修を目的として、溶接部への超音波衝撃処理の適用技術、及び疲労亀裂先端に開けたドリル穴縁への超音波衝撃処理の適用技術が開示されており、溶接部への適用に関しては、溶接の跡を後ろから追いかけるように溶接部全般の処理を行っているが、処理対象の金属材料については何ら検討されておらず、処理対象の金属材料に関する記載もない。また、特許文献２には、超音波エネルギーを振動に変換するトランスデューサーのヘッドに針状の工具を取り付けた装置、及びその装置によるドリル穴への処理方法を開示されているが、前述の特許文献１と同様に、処理対象の金属材料については何ら検討されておらず、処理対象の金属材料に関する記載もない。更に、特許文献３には、一般的な加工法として塑性加工・変形矯正・熱処理を前処理として施す超音波衝撃処理の方法が開示されているが、前述の特許文献１及び２と同様に、処理対象の金属材料については何ら検討されておらず、処理対象の金属材料に関する記載もない。このため、特許文献１〜３に記載の技術は、処理対象である金属材料の種類によっては、高い疲労強度を得ることができないという問題がある。
【０００８】
更にまた、特許文献４には、表裏層の厚さと硬さとの関係を規定した疲労強度に優れた溶接構造用鋼板が開示されているが、超音波衝撃処理については何ら記載されていない。また、この特許文献４に記載の鋼板は、表層のビッカース硬さが１４０以下と規定されているため、超音波衝撃処理に適用しても、高い疲労強度を得ることができないという問題がある。
【０００９】
更にまた、特許文献５には、表面に母材に比べて強さの低い軟質層を形成する溶接部疲労強度向上方法が開示されているが、超音波衝撃処理については何も記載されていない。また、この特許文献５の実施例に示されている鋼板は、表層の厚さが１．０ｍｍ以上と厚いため、溶接したままでは高い疲労強度を得ることができないという問題がある。
【００１０】
本発明は、上述した各問題点に鑑みてなされたものであって、疲労強度が優れた超音波衝撃処理用鋼材及び超音波衝撃処理方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る疲労強度に優れた超音波衝撃処理用鋼材は、表面に軟質層が形成された複層鋼材であって、前記軟質層のビッカース硬さＨｖｓ及び前記軟質層を除く内層のビッカース硬さＨｖｉが下記数式１を満足し、前記軟質層の厚さが０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ未満であることを特徴とする。
【００１２】
【数１】
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【００１３】
前記軟質層は、前記内層よりもＣ含有量（質量％）が低くてもよい。
【００１４】
また、前記軟質層は、例えば、質量％で、Ｃ：０．０００５〜０．２５％、Ｓｉ：０．０１〜２．００％、Ｍｎ：０．０１〜３．００％、Ｓ：０．０５０％以下及びＡｌ：０．００１〜０．１％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる組成を有していてもよく、前記内層は、例えば、Ｃ：０．００３〜０．３０％、Ｓｉ：０．０１〜２．００％、Ｍｎ：０．０１〜３．００％、Ｓ：０．０５０％以下及びＡｌ：０．００１〜０．１％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる組成を有していてもよい。
【００１５】
その場合、前記軟質層及び前記内層は、更に、質量％で、Ｐ：０．０２〜０．２０％、Ｔｉ：０．００５〜１．０％、Ｂ：０．０００１〜０．０１％、Ｎｉ：０．１〜５．０％、Ｃｕ：０．１〜２．０％、Ｍｏ：０．１〜４．０％、Ｎｂ：０．００５〜１．０％及びＶ：０．００５〜２．０％からなる群から選択された１種又は２種以上の元素を含有していてもよい。
【００１６】
本発明に係る疲労強度に優れた超音波衝撃処理方法は、前述した超音波衝撃処理用鋼材に、幅が２．０〜５．０ｍｍの先端工具を用いて超音波衝撃処理を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、表面に厚さ及び硬さを適正化した軟質層を形成しているため、超音波衝撃処理による圧縮残留応力が、内層のみならず表層の軟質層でも大きく維持されるため、疲労強度を著しく向上させることができ、処理対象部材の種類によらず、高い疲労強度を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付の図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明の超音波衝撃処理用鋼材を超音波衝撃処理した場合の表面の形状、及び残留応力の厚さ方向における分布を示す図である。なお、図１においては、先端工具５の中心線の延長上に存在するｙ軸よりも紙面右側は圧縮残留応力を、紙面左側は引張残留応力を夫々示しており、以下の図においても同様とする。
【００１９】
本発明者は、超音波衝撃処理を施した鋼材の疲労特性をさらに向上させる方法について検討を行った。具体的には、先ず、表層と内層とで硬さ分布に差がない均質鋼材を使用して、超音波衝撃処理を施した部分の残留応力の厚さ方向における分布について検討した。図２は、硬さが均一な均質鋼材を超音波衝撃処理した場合の表面の形状、及び残留応力の厚さ方向における分布を示す図である。そして、検討の結果、図２に示すように、超音波衝撃処理により鋼材中に発生した圧縮残留応力３は、表面１よりも１ｍｍ以上内部で最大値をとることが判明した。また、圧縮残留応力分布と疲労強度との関係を検討した結果、圧縮残留応力３が最大値を示す位置４が表面１に近い程、即ち、圧縮残留応力３が最大となる位置４と表面１との距離Ｌが短い程、疲労強度の向上度合いが大きいことが判明した。更に、先端工具５の幅（直径）Ｒを変えて検討を行った結果、先端工具５ａの幅（直径）Ｒを小さくすると、必然的に先端工具５ａの曲率半径が小さくなり、鋼材の処理部２の曲率半径も小さくなるため、応力集中が大きなり、疲労強度向上効果が低減されることが判明した。
【００２０】
そこで、本発明者は、これらの相反する現象の解決手段を鋭意検討した結果、表面１の近くの圧縮残留応力３を大きくするためには、鋼材の表層が十分な塑性変形を受けるように、この部分を内層よりも軟質にすること、即ち、図１に示すように、鋼材の表面に内層７よりも硬さが低い軟質層６を形成することが有効であるとの結論に至った。そして、これにより、超音波衝撃処理後の圧縮残留応力３の分布では、鋼材の表面１の近傍において、図２に示す均質鋼材を超音波衝撃処理した場合よりも大きな圧縮残留応力が得られることを見出した。また、本発明者は、軟質層６のビッカース硬さを１４０よりも大きくすることにより、塑性変形を受けた場合の圧縮残留応力を高くすることができ、疲労強度を高めることができることも見出した。更に、本発明者は、軟質層６の厚さについても検討を行い、軟質層６の厚さを０．１ｍｍ以上かつ１．０ｍｍ未満とすることが、疲労強度向上に必要であることも見出した。
【００２１】
以上の検討結果に基づき、本発明の超音波衝撃処理用鋼材においては、表面に軟質層６が形成された複層鋼材において、この軟質層６の厚さを０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ未満とし、かつ軟質層６のビッカース硬さＨｖｓと軟質層６を除く内層７のビッカース硬さＨｖｉとが、下記数式２を満足するようにしている。
【００２２】
【数２】
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【００２３】
以下、本発明の超音波衝撃処理用鋼材における数値限定理由について説明する。
【００２４】
ビッカース硬さ：１４０＜Ｈｖｓ＜Ｈｖｉ
軟質層６のビッカース硬さＨｖｓが１４０以下の場合、表層（軟質層６）では超音波衝撃処理により容易に塑性変形が生じるが、圧縮残留応力は降伏応力のレベル以上には発生しないため、疲労強度向上効果はさほど大きくならない。一方、軟質層６のビッカース硬さＨｖｓが１４０を超えるようにすると、降伏応力、更には圧縮残留応力の絶対値もより大きくなり、疲労強度の向上効果も大きくなる。なお、軟質層６のビッカース硬さＨｖｓの上限は、内層７のビッカース硬さＨｖｉを超えない範囲であればよく、特に規定する必要はない。また、本発明においては、軟質層６のビッカース硬さは、ＪＩＳ  Ｇ０５５８「鋼の脱炭層深さ測定方法」で規定されている硬さ試験の測定方法に基づいて求められた軟質層６の硬さの平均値と定義し、内層７のビッカース硬さは、前述した軟質層６の場合と同じ方法によって求められた内層７の硬さの平均値と定義する。
【００２５】
軟質層の厚さ：０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ未満
軟質層６の厚さが１．０ｍｍ以上の場合、幅（直径）Ｒが小さい先端工具５を使用して超音波衝撃処理したときに、圧縮残留応力の最大値の位置４が軟質層６内に含まれるため、圧縮残留応力は最大値も含めて全体的に小さくなり、疲労強度向上効果が極めて小さくなる。また、軟質層６の厚さが１．０ｍｍ以上になると、板厚が小さい場合には全厚での強度が低下するため、構造材として必要な機械的特性が得られなくなると共に、超音波衝撃処理を施した際に十分な疲労強度向上が得られないことがある。一方、軟質層６の厚さが０．１ｍｍより小さいと、降伏応力レベルの圧縮残留応力が分布する厚さも小さくなり、また、塑性変形により軟質層６が周辺に引き伸ばされてさらに薄くなるため、疲労強度の向上効果が極めて小さくなる。よって、軟質層６の厚さは０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ未満とする。
【００２６】
なお、本発明においては、軟質層６の厚さは、ＪＩＳ  Ｇ０５５８「鋼の脱炭層深さ測定方法」に記載されている顕微鏡による測定方法、硬さ試験による測定方法、又は炭素濃度による測定方法に基づいて測定された脱炭層深さの平均値と定義する。また、本発明の超音波衝撃処理用鋼材を複層鋳造により製造した場合、軟質層６の厚さは、顕微鏡による測定方法又は硬さ試験による測定方法に基づいて測定された脱炭層深さの平均値と定義する。
【００２７】
上述の如く構成された本発明の超音波衝撃処理用鋼材における軟質層６は、例えば、鋼材の表層のＣ含有量を、内層のＣ含有量よりも低くすることにより、容易に形成することができる。なお、Ｃ含有量が低いと、延性が増した組織となるため、疲労亀裂の進展速度を低下させる効果も得られ、疲労強度向上に極めて有効である。
【００２８】
また、表層のＣ含有量を低減する方法以外に、鋼材の表層のビッカース硬さを内層よりも小さくする方法としては、例えば、加熱による表面軟化、クラッド化及び複層鋳造法等が挙げられるが、本発明者が検討した結果、脱炭処理が特に効果的であるとの結論に至った。この脱炭処理の方法は、特に限定するものではないが、例えば、脱炭性である水蒸気、炭酸ガス、酸素ガス及びアンモニアガスのうちの１種又は２種以上のガスを含む雰囲気中で、５５０℃以上Ａｃ１変態点以下の温度条件下で一定時間保持することにより、鋼材の表層に、脱炭されたフェライト層を生成させる方法を適用することができる。その際、処理雰囲気には、上述した脱炭性のガス以外に、不活性ガスであるアルゴン及び準不活性である窒素ガス等の酸化・還元反応に寄与しない成分を含んでいても構わない。また、鋼材中の炭素濃度よりも低い炭素ポテンシャルを維持できる程度までであれば、還元性である水素ガス及び一酸化炭素ガス等を含んでいても差し支えない。
【００２９】
次に、本発明の超音波衝撃処理鋼材における鋼成分の好ましい範囲について説明する。なお、以下の説明においては、鋼組成における質量％は、単に％と記載する。
【００３０】
Ｃ：軟質層０．０００５〜０．２５％、内層０．００３〜０．３０％
Ｃは、鋼材の強度を確保するために必要な元素である。しかしながら、内層７のＣ含有量が多くなると、具体的には、内層７のＣ含有量が０．３０％を超えると、溶接性が損なわれることがある。また、内層７のＣ含有量は、少なくすることが望ましいが、０．００３％未満になると、鋼材全体の強度が確保できないことがある。よって、内層７のＣ含有量は０．００３〜０．３０％とすることが好適である。一方、軟質層７は、Ｃ含有量が０．２５％を超えると、フェライト組織での延性が確保できなくなることがあり、また、Ｃ含有量が０．０００５％未満の場合、鋼材全体の強度を確保できなくなることがある。よって、軟質層６のＣ含有量は、０．０００５〜０．２５％とすることが好適である。
【００３１】
なお、軟質層６のＣ含有量は連続的に変化しているため、本発明における軟質層６のＣ含有量は、軟質層６の中心部におけるＣ含有量と定義する。また、Ｃ含有量の測定は、ＪＩＳ  Ｇ０５５８で規定されている「鋼の脱炭層深さ測定方法」の付属書３「電子線マイクロアナリシスによる炭素濃度測定方法」に記載されている方法によって実施し、これにより得られた軟質層６の表面から内層７までの炭素濃度推移曲線における軟質層６中央部での炭素濃度を、軟質層６のＣ含有量とする。
【００３２】
次に、Ｃ以外の元素について説明する。以下に示す元素の含有量の好ましい範囲は、軟質層６及び内層７で共通である。
【００３３】
Ｓｉ：０．０１〜２．００％
Ｓｉは、強度を確保するために有用な元素であるが、Ｓｉ含有量が０．０１％未満の場合、その効果が得られないことがある。一方、Ｓｉ含有量が２．００％を超えると、溶接性が損なわれることがある。よって、軟質層６及び内層７におけるＳｉ含有量は０．０１〜２．００％とすることが好ましい。
【００３４】
Ｍｎ：０．０１〜３．００％
Ｍｎは、安価に強度を向上させることができる元素として有用である。しかしながら、Ｍｎ含有量が０．０１％未満の場合、十分な強度が確保できないことがある。一方、Ｍｎ含有量が３．００％を超えると、溶接性が損なわれることがある。よって、軟質層６及び内層７におけるＭｎ含有量は、０．０１〜３．００％とすることが好ましい。
【００３５】
Ｓ：０．０５０％以下
Ｓは、製鋼工程で不可避的に鋼材に含まれる不純物であり、Ｓ含有量が多すぎると、具体的には、Ｓ含有量が０．０５０％を超えると、溶接性及び靭性が損なわれることがある。よって、軟質層６及び内層７におけるＳ含有量は、０．０５０％以下に規制することが好ましい。
【００３６】
Ａｌ：０．００１〜０．１％
Ａｌは、脱酸元素であるが、その含有量が０．００１％未満の場合、その効果が十分に得られないことがある。一方、Ａｌ含有量が０．１％を超えると、鋼中の介在物が多くなりすぎ、靭性を低下させることがある。よって、軟質層６及び内層７におけるＡｌ含有量は、０．００１〜０．１％とすることが好ましい。
【００３７】
本発明の超音波衝撃処理鋼材における軟質層６及び内層７には、上記各成分に加えてＰ、Ｔｉ、Ｂ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｎｂ及びＶからなる群から選択された１種又は２種以上の元素を含有していてもよい。
【００３８】
Ｐ、Ｔｉ、Ｂ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｎｂ及びＶは、いずれも固溶強化機構又は析出強化機構により疲労強度を向上させる元素であり、この点でこれらの元素は同効成分である。しかしながら、Ｐ含有量が０．０２％未満、Ｔｉ含有量が０．００５％未満、Ｂ含有量が０．０００１％未満、Ｎｉ含有量が０．１％未満、Ｃｕ含有量が０．１％未満、Ｍｏ含有量が０．１％未満、Ｎｂ含有量が０．００５％未満、Ｖ含有量が０．００５％未満の場合、前述した効果が得られない。一方、これらの元素を過剰に添加すると、具体的には、Ｐ含有量が０．２０％を超えるか、Ｔｉ含有量が１．０％を超えるか、Ｂ含有量が０．０１％を超えるか、Ｎｉ含有量が５．０％を超えるか、Ｃｕ含有量が２．０％を超えるか、Ｍｏ含有量が４．０％を超えるか、Ｎｂ含有量が１．０％を超えるか、又はＶ含有量が２．０％を超えると、材質が劣化する。よって、軟質層６及び内層７にこれらの元素を添加する場合は、夫々Ｐ：０．０２〜０．２０％、Ｔｉ：０．００５〜１．０％、Ｂ：０．０００１〜０．０１％、Ｎｉ：０．１〜５．０％、Ｃｕ：０．１〜２．０％、Ｍｏ：０．１〜４．０％、Ｎｂ：０．００５〜１．０％及びＶ：０．００５〜２．０％とする。なお、Ｐは、通常の製鋼工程において不可避的に鋼材に含まれる元素であるが、疲労強度をより向上させるためにはＰ含有量を０．０２％以上とすることが望ましい。
【００３９】
本発明の超音波衝撃処理鋼材の軟質層６及び内層７における上記各元素以外の成分、即ち、残部は、Ｆｅ及び不可避的不純物である。また、本発明の超音波衝撃処理鋼材において、Ｎは、疲労強度に及ぼす影響が小さいのため、その成分範囲は特に限定するものではない。
【００４０】
更に、本発明の超音波衝撃処理鋼材の形状は、特に限定するものではなく、板状、棒状、管状及び形材、並びに複雑な形状の部材について、疲労破壊が問題になる鋼材に適用することが可能である。
【００４１】
次に、本発明の超音波衝撃処理鋼材を使用した超音波衝撃処理方法について説明する。本発明者は、超音波衝撃処理における先端工具の幅（直径）Ｒについて検討を行った。図３は、本発明の超音波衝撃処理鋼材を幅が狭い先端工具を使用して超音波衝撃処理した場合の表面の形状、及び残留応力の厚さ方向における分布を示す図であり、図４は、幅が広い先端工具を使用して超音波衝撃処理した場合の表面の形状、及び残留応力の厚さ方向における分布を示す図である。その結果、図３に示すように、先端工具５ａの幅（直径）Ｒを２．０ｍｍよりも小さくすると、圧縮残留応力の最大値の位置４が軟質層６内に存在してしまい、表面１からの距離Ｌが１．０ｍｍ以上の部分では圧縮残留応力が小さくなってしまうこと、一方、図４に示すように、先端工具５ｂの幅（直径）Ｒが５．０ｍｍよりも大きいと、表層（軟質層６）で十分な塑性変形が得られない場合があり、同様に十分な圧縮残留応力が得られないことが判明した。そこで、本発明の超音波衝撃処理方法においては、使用する先端工具の幅（直径）Ｒを２．０〜５．０ｍｍとする。
【００４２】
なお、本発明の超音波衝撃処理方法は、付与する超音波を２０〜３２ｋＨｚ、ピン振幅を２５〜３５μｍとし、塑性変形量（変形深さ）は２０〜３０μｍとすることが好ましい。
【実施例】
【００４３】
以下、本発明の効果を、実施例及び比較例を挙げて具体的に説明する。本実施例においては、下記表１に示す各処理を行い、下記表２に示す鋼組成で、下記表３に示す機械的性質及び板厚の熱延鋼板を製作した。即ち、Ｎｏ．Ａ、Ｎｏ．Ｂ及びＮｏ．Ｄの処理では、下記表１に示す各条件で、均質鋼板の脱炭処理を行った。その際、脱炭雰囲気ガスは、炭酸ガス：１４体積％、一酸化炭素ガス：２体積％、水蒸気：２体積％、水素ガス：２体積％を含有し、残部が窒素ガスからなる組成とした。また、Ｎｏ．Ｃの処理では、溶鋼の内側にＳｉ及びＭｎを含有する鉄合金からなるワイヤを挿入した後、引き抜き速度を調整することにより複層鋳片を製造し、熱間圧延により厚さが３．２ｍｍの鋼板を製造した。なお、下記表２に示す鋼組成における残部は、Ｆｅ及び不純物である。また、下記表３に示す軟質層及び内層のビッカース硬さは、荷重を０．９８Ｎとして、ＪＩＳ  Ｇ０５５８で規定している「鋼の脱炭層深さ測定方法」に記載されている方法により求めた値である。更に、下記表３における下線は、本発明の範囲外であることを示す。
【００４４】
【表１】
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【００４５】
【表２】
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【００４６】
【表３】
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【００４７】
図５は、本発明の実施例における疲労試験片を示す図である。次に、これら実施例及び比較例の鋼板をＴＩＧ溶接して、図５に示す重ね隅肉溶接継手を製作した後、上記表３に示す幅の先端工具を使用して、試験片中央にある溶接止端に対して超音波衝撃処理を行った。この超音波衝撃処理は１パスとした。そして、超音波衝撃処理後の試料片について疲労試験を行った。疲労試験方法としては、応力比（＝最小荷重／最大荷重）を−１とする平面曲げ機構による両振り荷重制御疲労試験を採用し、室温・大気中で行った。その結果、荷重の制御が困難となる寿命を破断寿命として、破断寿命が２００万回となる表面応力振幅を疲労強度として比較した。その結果を上記表３に併せて示す。
【００４８】
上記表２及び表３に示すように、実施例Ｎｏ．１〜Ｎｏ．６の鋼板は、特別な添加元素を含まない厚さが２．３ｍｍの厚鋼板であり、軟質層の厚さ及びビッカース固さＨｖｓが本発明の範囲にある例である。これに対して、比較例Ｎｏ．２７の鋼板は、同じく特別な添加元素を含まない厚さが２．３ｍｍの厚鋼板であるが、軟質層のビッカース硬さＨｖｓが１４０未満の場合の例である。そして、疲労試験の結果、実施例Ｎｏ．１〜Ｎｏ．６の鋼板は、比較例Ｎｏ．２７の鋼板に比べて、３０％以上の疲労強度向上効果が認められ、本発明の超音波衝撃処理用鋼板が疲労強度向上に有効であることが確認された。
【００４９】
また、Ｎｏ．７〜Ｎｏ．１０の鋼板は、同じく板厚が２．３ｍｍで、本発明の請求項４で規定している添加元素を含む実施例であり、前述の実施例Ｎｏ．１〜Ｎｏ．６の鋼板よりもさらに１０％程度の疲労強度向上が認められた。更に、Ｎｏ．１１〜Ｎｏ．２４の鋼板は、板厚が３．２ｍｍの鋼材に関する実施例であり、これらの鋼板のうち、Ｎｏ．１１〜Ｎｏ．１６の鋼板は、複層鋳造により作製した鋼材、Ｎｏ．１７〜Ｎｏ．２４の鋼板は、脱炭により作製した鋼材に関する実施例である。そして、実施例Ｎｏ．１１〜Ｎｏ．２４の鋼板は、軟質層及び内層のＣ含有量は同じであるが、内層にＳｉ及びＭｎが添加されているため、内層は軟質層よりも大きなビッカース硬度を示した。また、実施例Ｎｏ．１１〜Ｎｏ．１６の鋼板は、同じ板厚の複層鋳造による鋼材であり、軟質層のビッカース硬さが本発明の範囲外である比較例Ｎｏ．２９の鋼板と比べて、４０％程度の疲労強度向上効果が認められた。また、同じ板厚の複層鋳造による鋼材であり、表層の厚さが大きい比較例Ｎｏ．３０及びＮｏ．３１の鋼板と比べて、５０％程度の疲労強度向上効果が認められた。これにより、本発明の超音波衝撃処理鋼板は、疲労強度向上に有効であることが確認された。
【００５０】
脱炭により作製した鋼材の実施例であるＮｏ．１７〜Ｎｏ．２４の鋼板は、板厚が同じで、脱炭により作製した鋼材であるが、軟質層のビッカース硬さＨｖｓが本発明の範囲外にある比較例Ｎｏ．２８の鋼板と比べて、４０％以上の疲労強度向上効果が認められた。また、軟質層の厚さが、本発明の範囲よりも薄い比較例Ｎｏ．３２の鋼板と比べて、４０％以上の疲労強度向上効果が認められた。更に、本発明の請求項２に係る発明の実施例であるＮｏ．１７〜Ｎｏ．２４の鋼板は、軟質層のＣ含有量が内層よりも低く、延性の改善された組織となって疲労亀裂の進展速度を遅らせる効果があるため、複層鋳造により作製した鋼材に関する実施例のＮｏ．１１〜Ｎｏ．１６の鋼板に比べて、２０％程度高い疲労強度を示した。
【００５１】
実施例Ｎｏ．２５及びＮｏ．２６の鋼板は、鋼板自体は本発明の範囲内であるが、超音波衝撃処理で使用した先端工具の幅が本発明の請求項５に係る発明で規定している範囲から外れている。このため、比較例Ｎｏ．２９の鋼板と比べると、３０％以上の疲労強度向上効果が認められるが、板厚が同じで、脱炭により作製した実施例Ｎｏ．１７〜Ｎｏ．２４の鋼板と比べると、疲労強度が２０％程度低かった。
【００５２】
上述した結果から、本発明の超音波衝撃処理用鋼材及び超音波衝撃処理方法は、鋼材の疲労強度向上に極めて有効であることが判明した。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の超音波衝撃処理用鋼材を超音波衝撃処理した場合の表面の形状、及び残留応力の厚さ方向における分布を示す図である。
【図２】硬さが均一な均質鋼材を超音波衝撃処理した場合の表面の形状及び残留応力の厚さ方向における分布を示す図である。
【図３】本発明の超音波衝撃処理鋼材を、幅が狭い先端工具を使用して超音波衝撃処理した場合の表面の形状、及び残留応力の厚さ方向における分布を示す図である。
【図４】本発明の超音波衝撃処理鋼材を、幅が広い先端工具を使用して超音波衝撃処理した場合の表面の形状、及び残留応力の厚さ方向における分布を示す図である。
【図５】本発明の実施例における疲労試験片を示す図である。
【符号の説明】
【００５４】
１  鋼材表面
２  超音波衝撃処理部分
３  圧縮残留応力
３ａ  引張残留応力
４  圧縮残留応力が最大となる位置
５，５ａ，５ｂ  先端工具
６  軟質層
７  内層
Ｌ  表面１と圧縮残留応力が最大となる位置４との距離
Ｒ  先端工具５，５ａの幅（直径）
【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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