CN100379883C - 用超声波冲击处理提高冷加工部的强度的方法及金属制品 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种利用超声波冲击处理提高冷加工部的强度的方法，通过对金属的冷弯加工部上的拉伸侧的表面实施超声波冲击处理，可使表面硬度比未实施超声波冲击处理的表面的表面硬度提高10%以上，并且，能够降低拉伸残余应力，提高破坏韧性及疲劳强度。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用超声波冲击处理提高冷加工部的强度的方法，及采用该方法制造的破坏韧性及疲劳强度高的金属制品
背景技术
近年来，为了推进高性能化、高功能化、低成本化等，结构构件所用钢的高强度化正取得进展。但是，例如，在船舶、海上结构物、桥梁等在使用期间反复接受负载的结构物中，通常，随着高强度化，在结构构件上产生的应力增高，多出现金属疲劳显著化的问题。
因此，因该金属疲劳问题，有时也限制钢的高强度化。
一般，在结构物中，疲劳裂纹成为问题的地方，主要是应力集中部或焊接部，但除此以外，在冷加工部或切断面，疲劳裂纹也屡屡成为问题。
通常，在这样的冷加工部或切断端面，与焊接部一样，存在大的拉伸残余应力。此外，在这样的部位，有时屡屡存在切口等应力集中部。
进而，在气体切断等施热的切断法中，因急热急冷，容易在切断面显著形成硬而脆的组织，形成这样的组织的部位，一般与母材部相比，疲劳强度显著降低。
尤其，在薄板的加工中，由于多采用冲压等冷弯加工，另外在切断中，采用被认为是降低疲劳强度的剪切机，因此在焊接部以外的冷加工部或切断部，需要确保疲劳强度。
此外，即使是厚板，对于干线用管等弯管滚压加工的钢管用材料，也要求确保加工后的焊接性或破坏韧性的同时进行高强度化。
但是，在冷加工中，一般，因冷加工时的变形，金属材料的破坏韧性降低。尤其，因钢材的种类，压缩侧的韧性降低显著。为防止该破坏韧性的降低，按冷弯加工时设定的每一变形量，规定钢材的所需韧性。
此外，通过弯曲加工，通常在拉伸侧，大的残余应力发生作用，通过该应力，因疲劳等而产生的裂纹显著地快速进展。目前还未有改进这样的存在于冷加工部的拉伸残余应力的普通的技术。
但是，作为改进其它部位上的拉伸残余应力的方法，已知有喷丸硬化处理(参照，“渗碳淬火的实际”第二版，日刊工业新闻社发行(渗碳钢的喷丸硬化处理)(1999年2月26日))。
为解决上述的冷加工部上的问题，首先，关于破坏韧性，采取将进行冷加工前的母材的韧性提高到所需水平的对策。
但是，一般，由于金属材料一达到高强度就变脆，因此为了制造高韧性的高强度材料，需要成本高的成分或工艺。
另外，将来，如果进行更高的高强度化，即使增加成本，有可能也不能确保所需的韧性。
为解决拉伸残余应力的问题而采用的喷丸硬化处理，是通过高速地对金属表面冲撞钢的粒子，加工金属表面的方法，采用该方法，能够谋求改善表面硬度或压缩残余应力。但是，能够用喷丸硬化处理改善残余应力的范围，充其量也就到300μm左右的深度，喷丸硬化处理产生的抑制裂纹进展的效果具有限度。
因此，喷丸硬化处理，在抑制裂纹进展的效果方面，未必是完美的方法，此外，由于需要装入大型机械和处理对象物的容器，因此难于处理大型的对象物。
此外，喷丸硬化处理，由于处理对象的场所选择性低，所以难以只处理想要实施处理的钢板面。即，喷丸硬化处理有时在不需要实施处理的部位残存处理的痕迹，损坏金属制品的外观，因此存在不能用于要求图案设计性的对象物等的问题。
发明内容
为解决上述的问题，本发明者进行了深入研究，结果发现，如果利用超声波冲击处理，对处理对象金属的加工部上的拉伸侧表面或压缩侧表面施加冲击能，就在该加工部上的拉伸侧表面或压缩侧表面，缓和拉伸侧的残余应力，及/或缓和压缩侧的残余应力，同时使金属组织微细化，从而能够提高破坏韧性及疲劳强度。
本发明，是基于以上的发现而形成的，其要旨如下。
(1)一种利用超声波冲击处理提高冷加工部的强度的方法，其特征在于：通过对金属的冷弯加工部的拉伸侧的表面实施超声波冲击处理，使表面硬度比未实施超声波冲击处理的表面的表面硬度增加10％以上，并且降低拉伸残余应力，提高破坏韧性及疲劳强度。
(2)一种利用超声波冲击处理提高冷加工部的强度的方法，其特征在于：通过对金属的冷弯加工部的压缩侧的表面实施超声波冲击处理，使金属表面的中心线的平均粗糙度Ra(JISB0601)平滑到10μm以下，并且，使表面硬度比未实施超声波冲击处理的表面的表面硬度增加10％以上，将拉伸残余应力缓和到抗拉强度的50％以下，并提高破坏韧性及疲劳强度。
(3)一种利用超声波冲击处理提高冷加工部的强度的方法，其特征在于：通过对金属的冷弯加工部的压缩侧的表面实施超声波冲击处理，使金属表面的中心线平均粗糙度Ra平滑到10μm以下，并且，将所述加工部的拉伸侧的拉伸残余应力，缓和到金属的破断强度的80％以下，提高图案设计性以及破坏韧性和疲劳强度。
(4)一种利用超声波冲击处理提高冷加工部的强度的方法，其特征在于：通过用前端形成凹部的针，对金属的冷弯加工部的拉伸侧的表面实施超声波冲击处理，使表面硬度比未实施超声波冲击处理的表面的表面硬度增加10％以上，并且，将拉伸残余应力缓和到抗拉强度的50％以下，提高破坏韧性及疲劳强度。
(5)一种破坏韧性及疲劳强度高的金属制品，其特征在于：在冷弯加工形成的金属制品中，对金属制品的内面及/或外面，实施超声波冲击处理，使表面硬度比未实施超声波冲击处理的表面的表面硬度增加10％以上，并且，使表面的在主要的负载作用方向的拉伸残余应力降低抗拉强度的50％以上。
(6)如上述(5)所述的破坏韧性及疲劳强度高的金属制品，其特征在于：所述金属制品是金属管。
(7)如上述(5)所述的破坏韧性及疲劳强度高的金属制品，其特征在于：所述金属制品是方型金属管。
(8)如上述(7)所述的破坏韧性及疲劳强度高的金属制品，其特征在于：在所述方型金属管的冷加工部上，对具有曲率的部分的内面及/或外面实施超声波冲击处理，使表面硬度比未实施超声波冲击处理的表面的表面硬度提高10％以上，并且，使表面上的主要在负载作用方向的拉伸残余应力降低抗拉强度的50％以上。
(9)如上述(5)～(8)中任何一项所述的金属制品，其特征在于：在所述金属制品中，板厚t和弯曲加工半径R的比R/t在15以下。
附图说明
图1是表示利用冷弯加工，从金属平板制造金属管的工序的图示。
图2是表示对金属管的内外面实施超声波冲击处理的方式的图示，(a)表示对金属管的内外面实施超声波冲击处理的方式，(b)表示对金属管的折皱状内面实施超声波冲击处理的方式，(c)表示对金属管的外面，用前端形成凹部的超声波振子实施超声波冲击处理的方式。
图3是表示金属管的外周面位置和表面粗糙度的关系的图示。
具体实施方式
以下，参照附图，详细说明本发明。
图1是表示利用冷弯加工，由金属平板制造金属管的工序的图示。如图所示，冷弯加工金属平板1，形成管形状2，然后，用气体电弧焊接等，通过焊接4制造金属管3。
在此种情况下，一般，在金属管3的表面侧产生拉伸残余应力，另外，在金属管3的内侧面，压缩残余应力发生作用。
进而，在金属管3的内面，如图2(b)所示，有时形成伴随压缩塑性变形的折皱状的表面。当金属材料因冷加工而接受太多的压缩应变时，其后，其压缩应变的弹性应变部分就反弹，出现返回到原来的状态的称为弹性变形回复的现象。
此时，形成在金属管的内侧的折皱成为裂纹的起点，有时产生脆性破坏。
近年来，尤其，对于钢材，判明压缩塑性变形与拉伸塑性应变相比，更降低韧性。因此，在钢管或方型钢管的制造中，必须防止从压缩侧即内侧产生裂纹。
另外，在金属管外面的拉伸侧，与内侧面不同，不那么因冷加工而出现裂纹的起点。假设即使在冷加工前出现伤痕(裂纹)，如果在冷加工过程中不产生脆性破坏，通过此时赋予的塑性应变，裂纹的前端钝化，反而不易产生脆性破坏。
可是，本来，由于在金属管的外面存在大的拉伸残余应力，因此在冷加工结束后，在因与其它物体的冲撞等而损伤的情况下，或在焊接部产生裂纹或深的切口的情况下，裂纹的进展加快，脆性破坏的可能性也增大。
此外，通常，在焊接部附近，因结晶粒热影响而粗大化，由于韧性比焊接前的韧性显著降低，因此脆性破坏的危险性在焊接部附近更显著。
这样的现象，即使在冲压加工薄板而成的构件上，也同样产生。即，在薄板加工构件上，弯曲量大的部分容易开裂，此外，该部分容易成为疲劳破坏的地方。
本发明者，研究了缓和发生在管的内外表面上的拉伸残余应力及压缩残余应力的方法。结果，本发明者发现，至少如果从外表面实施超声波冲击处理，能够缓和拉伸残余应力。
通过该处理，可以使拉伸侧的表面上的拉伸残余应力，至少缓和到材料的屈服强度的50％以下，能够提高加工表面的疲劳强度。
此外，在从压缩侧进行了上述处理的情况下，通过对表面施加塑性变形的再分配效果，或利用传递到拉伸侧的表面的冲击或超声波的能量的应力缓和效果，也能够将拉伸侧的残余应力缓和到材料的屈服应力的80％以下。
此外，在超声波冲击处理中，通过该处理，在最表面上实施超过100％的非常大的加工度，同时利用加工热及材料和超声波振动针的摩擦热，温度上升到600℃以上。因此，尤其对于钢材，形成与高水平的低温压延同样的状态。
这是在处理部的最表面部，实施与近年来开发的超钢铁材料同样的工艺，通过该处理，在最表面上，在从表面到30～100μm的深度范围内，形成粒径微细化到1μm以下区域。
即，成为在普通钢材的表面上形成超钢铁薄膜的状况。
超钢铁，与相同成分的钢材相比，强度倍增，此外，通过微细化，具有高得多的韧性。因此，通过利用热加工对金属材料导入大量的位错，进而利用与该超钢铁相同的效果，更加增大金属材料的硬度。
该特殊的层，由于厚度薄，因此该层形成的硬化程度，因计测方法而不同，但在用显微维氏硬度计等计测时，可以确认10％以上的硬化。此外，关于该最表面部，可预想韧性得到提高。
这样的效果，尤其在管的板厚t和弯曲加工半径R(内侧)的比R/t在15以下的情况下更显著。其结果，材料具有的破坏韧性值大大降低。所以，对普通钢材的表面形成超钢铁的薄膜的方法，与提高材料本来的韧性值的以往的方法相比，是特别有用的。
图2是表示对金属管的内外面，用超声波振子5实施超声波冲击处理的方式。图2(a)表示对金属管的内外面，用超声波振子5实施超声波冲击处理的方式。
图2(b)，表示对产生压缩残余应力、形成折皱状态6的金属管的内面，实施例如振幅20～60μm、频率19～60kHz、功率0.2～3kW的超声波冲击处理，使金属表面平滑为中心线平均粗糙度Ra在10μm以下的方式。
图2(c)，表示对金属管的外面，用前端形成凹部7的超声波振子5实施超声波冲击处理的方式。通过该处理，能够使表面硬度比未实施超声波冲击处理的表面的表面硬度提高10％以上，并且，将拉伸残余应力缓和到抗拉强度的50％以下，提高破坏韧性及疲劳强度。
图3表示金属管的外周面位置和表面粗糙度的关系。如图所示，在冷加工的金属管外周面上，凹凸大。通过对这样的外周面实施超声波冲击处理，能够使金属板表面上的小的切口的中心线平均粗糙度Ra，平滑到10μm以下。另外，通过该平滑化，能够提高金属管的表面的图案设计性。
此外，通过超声波冲击处理，与未实施超声波冲击处理的表面的表面硬度相比，能够使表面硬度提高10％以上。进而，通过超声波冲击处理，能够将拉伸残余应力缓和到抗拉强度的50％以下，同时能够将拉伸残余应力，缓和到材料的破断强度的80％以下，能够提高破坏韧性和疲劳强度。
以上，说明了金属管，但金属管并不局限于圆管，也可以是方型管。即，在方型金属管的冷加工部或产生与其相同的状况的管等的冷加工部等，也能够应用超声波冲击处理。
在此种情况下，通过只对在上述冷加工角部具有曲率的部分，对内面及/或外面实施超声波冲击处理，能够使表面硬度比未实施超声波冲击处理的表面的表面硬度提高10％以上，并且，将表面上的主要负载作用方向的拉伸残余应力降低到抗拉强度的50％以下。能够得到提高破坏韧性和疲劳强度的金属制品。
[实施例]
以下，通过实施例，具体说明本发明。
对钢材进行弯曲加工，制作BR钢管，然后实施超声波冲击处理。然后，在超声波处理后切下部分钢管，制作疲劳试验片及微观试验片。
由于直接计测破坏韧性困难，因此用微观试验测定粒径，以该粒径作为韧性的参数(例如，在制铁研究No.327“微细分散的Ti氧化物对HSLA钢HAZ的韧性改善”的图7中，韧性(迁移温度)和粒径，具有y＝-1059(x0.5)+40[y为迁移温度、z为粒径]的关系)。用微观试验也计测了硬度。
表1中，示出使用的钢材，此外，在表2中，示出弯曲加工的规范和疲劳试验的结果，及计测的粒径和硬度。
表1
| 钢种 | 板厚(mm) | 韧性(J) | YS(MPa) | TS(MPa) | EL(％) |
| A | 12 | 245 | 424 | 522 | 28 |
| B | 12 | 150 | 349 | 520 | 25.3 |
表2
在表2中，就表1所示的钢种A和B，示出在钢管板厚t：12mm、弯曲加工半径R：60mm，和钢管板厚t：12mm、弯曲加工半径R：120mm的各自的情况下，在未实施超声波冲击处理时、和对内面和外面实施该处理时的疲劳极限和粒径。
从表2看出，未实施超声波冲击处理时的疲劳极限和韧性差，而对内面和外面实施该处理时的疲劳极限和韧性优异。
尤其，在对内面和外面实施超声波冲击处理时，与只对外面实施该处理时相比，疲劳极限及韧性优异。此外，关于硬度，通过实施超声波冲击处理，也能够谋求提高。
根据本发明，能够制造提高金属制品表面的破坏韧性及疲劳强度的、长寿命的金属制品。因此，本发明可为金属制品制造技术的发展做出贡献。
Claims (9)
1.一种利用超声波冲击处理提高冷加工部的强度的方法，其特征在于：通过对金属的冷弯加工部的拉伸侧的表面实施超声波冲击处理，使表面硬度比未实施超声波冲击处理的表面的表面硬度增加10％以上，并且降低拉伸残余应力，提高破坏韧性及疲劳强度。
2.一种利用超声波冲击处理提高冷加工部的强度的方法，其特征在于：通过对金属的冷弯加工部的压缩侧的表面实施超声波冲击处理，使金属表面的中心线的平均粗糙度Ra平滑到10μm以下，并且，使表面硬度比未实施超声波冲击处理的表面的表面硬度增加10％以上，将拉伸残余应力缓和到抗拉强度的50％以下，并提高破坏韧性及疲劳强度。
3.一种利用超声波冲击处理提高冷加工部的强度的方法，其特征在于：通过对金属的冷弯加工部的压缩侧的表面实施超声波冲击处理，使金属表面的中心线平均粗糙度Ra平滑到10μm以下，并且，将所述加工部的拉伸侧的拉伸残余应力，缓和到金属的破断强度的80％以下，提高图案设计性以及破坏韧性和疲劳强度。
4.一种利用超声波冲击处理提高冷加工部的强度的方法，其特征在于：通过用前端形成凹部的针，对金属的冷弯加工部的拉伸侧的表面实施超声波冲击处理，使表面硬度比未实施超声波冲击处理的表面的表面硬度增加10％以上，并且，将拉伸残余应力缓和到抗拉强度的50％以下，提高图案设计性、破坏韧性及疲劳强度。
5.一种破坏韧性及疲劳强度高的金属制品，其特征在于：在冷弯加工形成的金属制品中，对金属制品的内面及/或外面，实施超声波冲击处理，使表面硬度比未实施超声波冲击处理的表面的表面硬度增加10％以上，并且，使表面的在主要的负载作用方向的拉伸残余应力降低抗拉强度的50％以上。
6.如权利要求5所述的破坏韧性及疲劳强度高的金属制品，其特征在于：所述金属制品是金属管。
7.如权利要求5所述的破坏韧性及疲劳强度高的金属制品，其特征在于：所述金属制品是方型金属管。
8.如权利要求7所述的破坏韧性及疲劳强度高的金属制品，其特征在于：在所述方型金属管的冷加工部，对具有曲率的部分的内面及/或外面实施超声波冲击处理，使表面硬度比未实施超声波冲击处理的表面的表面硬度增加10％以上，并且，使表面上的在主要负载作用方向的拉伸残余应力降低抗拉强度的50％以上。
9.如权利要求5～8中任何一项所述的金属制品，其特征在于：在所述金属制品中，板厚t和弯曲加工半径R的比R/t在15以下。
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