JP2005095960A - 金属材の応力腐食割れ防止方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 金属材の成形加工品に対する簡便な応力腐食割れ防止方法を提供する。
【解決手段】 プレス加工を用い成形加工製品を製造していく工程において、金属材のブランク抜きの加工でブランク材１を形成し、次いでこのブランク材１の両面に対しバンピングを施しバンピング加工後の素材２を形成する。そして、バンピング加工後の素材２を半円筒状に絞り加工し絞り成形品３を形成し、製品加工の工程を通して最終の円筒絞り製品４を製造する。ここで、バンピングによる押圧によってブランク材１表面に圧縮応力を付与し、次の絞り成形で発生する引張残留応力を緩和させて円筒絞り製品４の応力腐食割れを防止する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、成形加工した金属材が応力を受けた場合に発生する腐食による割れの防止方法に関するものである。

絞り加工等のプレス加工で一般に使用されている代表的なステンレス鋼板にオーステナイト系ステンレス鋼の１８Ｃｒ−８Ｎｉ（ＳＵＳ３０４）がある。このオーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）は、耐食性、加工性、溶接性が優れているために広く使用されている。しかしながら、このオーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）は、高温水下で応力腐食割れを起こすことがしばしばある。上記のような応力腐食割れは、通常、材質、応力及び環境の三つの要因によって生じるものと考えられている。

そこで、応力腐食割れを防止する方法として、材質面からは、基本的にＳＵＳ３０４材などの使用は避け、例えば重量％でＣ：０．０３％以下、Ｓｉ：１％以下、Ｍｎ：２％以下、Ｐ：０．０４％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｃｒ：１６％超１８％未満、Ｎｉ：１２％超１６％未満、Ｍｏ：２％超３％未満を含有したステンレス鋼であるＳＵＳ３１６Ｌ材に材種変更したり、応力腐食割れ感受性に著しく低いフェライト系ステンレス鋼に材種変更したり、あるいは重量％でＣ：０．０３％超０．０８％未満、Ｓｉ：１％以下、Ｍｎ：２％以下、Ｐ：０．０４５％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｃｒ：１３％超１７％未満、Ｎｉ：１０％超１５％未満、Ｍｏ：０．０５％以下、Ｎ：０．０５％以下で残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる鋼組成を有する材質などに成分変更したりする方法が採られている（例えば、特許文献１参照）。

また、他の方法としては、よく知られた成形後の応力除去焼鈍があり、更には、成形後のショットピーニング加工あるいはショットブラスト加工がある。このショットピーニング加工あるいはショットブラスト加工は、ジルコニア系ボールを被加工物である金属表面にショットブラストし、この金属面に圧縮応力を付与し、被加工物の成形後に生じた引張応力を緩和させる方法である（例えば、特許文献２参照）。

特開平７−２１６５１２号公報 （段落［００２７］、表１） 特開平６−２４６６３７号公報 （段落［０００７］、図１）

しかしながら、特許文献１に記載されているような金属材の材種変更あるいは組成成分の変更は、製品精度、成形性及び溶接性などが悪くなり加工工程の増加につながると共に、多大なコストアップにつながるという問題があった。また、上記材種変更を行うと製品特性が変化する製品の場合は、材種や成分を変更できないという問題があった。

また、特許文献２に記載のショットピーニング、ショットブラストを行う場合、図６に模式的に示す、ショットブラストを用いて表面加工した被加工物２０は、早期に錆が発生し易いため、酸洗いなどの後処理が必要となる。これは、鋳鋼製などのショットブラスト、ステンレス製ショットブラストによって加工した被加工物２０の表面には、極微細な傷が無数に生じるために、錆が発生し易い状態になるためである。そして、アルミナやガラスなどを用いて、ショットピーニング・ショットブラストを表面加工すると、錆の発生は比較的少ないがショット球２１がすぐに破壊されてしまい、その都度、新たに用いるショット球２１の粒度の選別が必要となってくる。また、これらショットブラストの加工を行った被加工物２０の表面には、破壊されたショット球２１の細かい破片が突き刺さって残るため、このような残留物を除去するなどの後処理（洗浄、検査など）が必要となるなどの問題がある。

また、応力除去焼鈍を行った場合は、熱処理温度の影響により、精度が著しく変化するといった問題を有する。そして、成形加工後のショットピーニング・ショットブラストや応力除去焼鈍は、プレス加工と別加工となるために、多大な費用と時間を要し、実用的ではないなどの問題を有していた。

本発明は、前記実情に鑑みてなされたもので、簡便な手法で金属材の成形加工より生じる引張残留応力を緩和させ、応力腐食割れの発生を防止することを目的とする。

本発明の金属材の応力腐食割れ防止方法は、金属材の成形加工を行うに先立ち、前記金属材表面をバンピングし、前記金属材表面に圧縮応力を付与し、前記成形加工で生じる引張応力を緩和させる。そして、前記成形加工は絞り加工であり、前記金属材はＳＵＳ３０４ステンレス鋼である。

この構成により、上記バンピングによる押圧によって生じた圧縮応力が、絞り加工等の金属材の成形加工で発生する引張応力の残留を低下させる。このために、簡便な手法でもって、金属材の成形加工品の耐応力腐食割れ性が大幅に向上するようになる。

また、本発明の金属材の応力腐食割れ防止方法は、異なる形状のバンピングを複数回に分けて行う。

この構成により、金属材の成形加工において生じる引張応力の金属材表面での強度分布に対応して、上記金属材表面の領域において異なる圧縮応力を適切に付加することができる。このために、高い耐応力腐食割れ性を有し高品質の成形加工品ができあがる。

また、本発明の金属材の応力腐食割れ防止方法は、ブランク抜き、上記バンピング、成形加工の順に金属材を加工し、前記バンピングを前記ブランク抜き後の金属材の両面に行う。

この構成により、金属材の両面にバンピングによる押圧によって生じる圧縮応力が残留し、金属材の成形加工での引張残留応力の発生を抑制する。そして、金属材の成形加工品の耐応力腐食割れ性が向上する。

また、本発明の方法では、成形加工後に発生する引っ張り残留応力が特に高く発生する箇所に対し、バンピングのピッチを他の部分に比べてより狭ピッチとすることを特徴とする。
この構成により、バンピングによる押圧によって生じる圧縮応力を集中的に高め、引っ張り残留応力をより効率よく緩和することができる。

以上説明してきたように本発明は、金属材の成形加工を行うに先立ち上記金属材表面をバンピングし、金属材表面に圧縮応力を付与し、上記成形加工で生じる引張応力を緩和させる構成にすることで、金属材の成形加工品の耐応力腐食割れ性を簡便な手法で向上できる効果を有する金属材の応力腐食割れ防止方法を提供することができるものである。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。図１は本発明を適用して円筒絞り製品を製造する工程図である。本実施の形態の特徴は、円筒絞り製品などの絞り加工において、絞り加工工程内にバンピング加工工程を付加し、素材金属表面にバンピングによる押圧によって生じる圧縮応力を絞り加工前に強制的に付与し、絞り加工で生じる引張残留応力を緩和させ、円筒絞り製品の耐応力腐食割れ性を向上させるところにある。

図１に示すように、先ずオーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）素材のプレス加工を用いて絞り加工製品を製造していく工程において、先ず所望の形状に打ち抜くブランク抜き（加工）でブランク材１を形成し、次いでこのブランク材１の表面に対してバンピング（加工）を施しバンピング加工後の素材２を形成する。そして、バンピング加工後の素材２を半円筒状に絞り加工し絞り成形品３を形成し、製品加工の工程を通して最終の円筒絞り製品４を製造する。

上述した一連のプレス加工において、バンピングをブランク材１の表面に行うことにより、バンピングによる押圧によって生じる素材金属表面層の圧縮応力を絞り加工前に強制的に付与し、次工程の絞り成形で発生する引張残留応力を緩和させることで、応力腐食割れを防止することができるようになる。

上記バンピングに用いるバンピング加工部の構造は、図２に示すようにプレス加工装置と同様の加工部構造となっている。図２において、上部にはバンピング・パンチ５、それを支持するパンチ・プレート６、ストリップ・プレート７、スプリング８が備えられ、下部にはバンピング・ダイ９、それを支持するダイプレート１０が取り付けられている。ここで、バンピング・パンチ５あるいはバンチング・ダイ９には、図３，４で後述するバンピング用の表面形状が施されている。そして、上述のブランク材１は、バンピング・パンチ５とバンチング・ダイ９間でプレス成形がなされてバンピング加工後の素材２とされる。

上述したバンピング・パンチ５あるいはバンピング・ダイ９は以下では簡明のためバンピング工具と呼称する。このバンピング工具の表面は図３，４に示すような加工が施され所望の表面形状となっている。以下、異なる形状のバンピングを説明すべく、２種類のバンピング工具を使用する場合について詳細に説明する。

図３に示すのは、先の尖った四角錐形状の突起が２次元平面上に一定のピッチで配列している場合である。図３（ａ）はバンピング工具の斜視図であり、図３（ｂ）はバンピング工具の表面領域の断面図である。そして、図３（ｃ）はバンピング形状を示すためのバンピング加工後の素材表面の模式的な断面図である。

図３（ａ）、（ｂ）に示すように、バンピング工具１１上部には先端の尖った半四角錐形状となる凸部１２が、上述のブランク材１より硬度の高い剛材表面に研磨加工されて形成されている。この場合、このバンピング工具１１の押圧によって、ブランク材１の表面の一部は塑性変形し、図３（ｃ）に示す形状の凹部１３が形成される。すなわち、バンピング加工後の素材２の表面には、バンピング形状として、例えば、山角度９０°でその深さ０．０２ｍｍの凹部１３がピッチ０．２ｍｍで形成されることになる。ここで、元のブランク材１の板厚は０．２ｍｍである。このようにして、この凹部１３形成により、素材金属であるバンピング加工後の素材２の表面層に圧縮応力が残留する。

次に、図４は、バンピング工具にサーキュラ状のカット部が形成されている場合である。図４（ａ）、（ｂ）はバンピング工具の斜視図であり、図４（ｃ）は、上記図４（ａ）と図４（ｂ）のバンピング工具あるいは図３（ａ）のバンピング工具を併用して形成した絞り成形品３の断面図である。

図４（ａ）に示すように、バンピング工具１４上部には先端の尖ったサーキュラカット部１５が、同心円状の配列ピッチで、ブランク材１より硬度の高い剛材表面に研磨加工されて形成されている。同様に、図４（ｂ）に示すように、バンピング工具１６上部にも先端の尖ったサーキュラカット部１７が、同心円状の配列ピッチで、ブランク材１より硬度の高い剛材表面に研磨加工されて形成されている。ここで、サーキュラカット部１５の径は、上記サーキュラカット部１７の径より小さくなるように設けられている。初めに、上記バンピング工具１４を用いて、ブランク材１の片面をバンピングしその一部を塑性変形させる。続いて、上記バンピング工具１６を用いて、ブランク材１のバンピングしていない面をバンピングしその一部を塑性変形させる。上記２回のバンピングあるいは上述した図３で説明したバンピングを併用し異なる形状のバンピングを施すことで、金属材であるバンピング加工後の素材２の表面層の所望の領域に圧縮応力を残留させる。

このように、本実施の形態では、絞り成形後に発生する引っ張り残留応力が特に高く発生する箇所（絞り品のコーナ部近傍と絞り品のフランジコーナ部近傍の部分）のサーキュラカットのピッチを他の部分に比べてより狭ピッチとすることにより、バンピングによる押圧によって生じる圧縮応力を集中的に高め、引っ張り残留応力をより効率よく緩和することができる。

また、前記実施の形態では、図４（ｃ）の符号１８，１９で示した箇所に相当する領域すなわち、金属材の片面づつ２回のバンピング加工を実施した。しかしながら、１回のバンピングで、両面に実施することも可能である。すなわち、図２に示すバンピング加工部で、バンピング・パンチ５にバンピング工具１４を、バンピング・ダイ９にバンピング工具１６を、それぞれセットし同時にバンピング（プレス加工）するようにしてもよい。

そして、上述したバンピング加工後の素材２に対して絞り加工を施すと図４（ｃ）に示すような絞り成形品３ができ上がる。ここで、図４（ｃ）の絞り成形品３の天面コーナ部１８近傍に発生する引張残留応力は、上述したバンピング工具１４を用いたバンピングでのサーキュラカット部１５の押圧によって生成し残留させた圧縮応力で緩和される。同様に、絞り成形品３のフランジコーナ部１９近傍に発生する引張残留応力は、上述したバンピング工具１６を用いたバンピングでのサーキュラカット部１７の押圧によって生成し残留させた圧縮応力で緩和される。

前記実施の形態では、オーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）素材を用いた絞り加工製品の耐応力腐食割れ性の向上について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。本発明は、予め付加するバンピングでの圧縮応力によって、金属材の成形加工で生じる引張残留応力を低減させることを特徴とするために、オーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）以外の金属材からなる成形加工品の製造に同様に適用できるものであり、成形加工は、（深）絞り加工以外のプレス成形の場合も含まれる。例えば、高い耐応力腐食割れ性を必要とする原子炉関係のガス／冷却水等の配管部品、高温・高圧ガス関係の部品の製造においても同様に適用できる。

このように本発明の実施の形態によれば、簡便な手法でもって、金属材の成形加工品の耐応力腐食割れ性を大幅に向上することができる。そして、従来の技術においてみられる、被加工材の材種や成分変更を行うことにより発生する製品精度、成形性及び溶接性などの悪化による加工工程数の増加、多大なコストアップ、そして材種変更による製品特性の変化、等の問題を解消することができる。また、従来の技術である、成形加工後のショットピーニング・ショットブラストや応力除去焼鈍は、金属材のプレス加工とは全く異なる加工手法となるために、その処理に多大な時間と費用を要するという問題があるが、本発明を構成するバンピングは、金属材のプレス加工であり上記の問題も皆無となる。

次に、本発明の実施例について図面を参照しつつ詳細に説明する。本実施例では、板厚ｔ＝０．２ｍｍのオーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）の素材を用い、図１で説明した一連のプレス加工を通して円筒絞り製品４を製作した。すなわち、先ず上記素材をブランク抜きしブランク材１を形成し、次いで第１のバンピングとして、図３で説明したバンピングを上記ブランク材１の両面に施した。更に、第２のバンピングとして、図４で説明したような２回のバンピングを追加した。このようにして、次工程の絞り加工において引張応力が形成される領域に、予め圧縮応力を残留するように生成させた。そして、上述の絞り加工工程において順次に円筒絞り加工を行っていき、最終的に円筒絞り製品４を製作した。また、比較するために、バンピングを全く行わず絞り成形加工のみを行った円筒絞り製品も製作した。

図５は、上述した完成品である円筒絞り製品において、バンピングを行った場合と行わなかった場合との残留応力値の比較を表したものである。図５で縦軸は、残留応力値を表している。横軸は、上記円筒絞り製品の測定箇所を表している。ここで、各測定箇所は図５の上部の挿入図に示す。この残留応力の測定では、微小部Ｘ線応力測定装置を用い、その測定条件は表１の通りである。

上記測定箇所は、図５の挿入図に示すように、円筒絞り製品の天面部Ａと天面コーナ部Ｂと側壁部Ｃとフランジコーナ部Ｄの４箇所である。図中の○印を結ぶ実線は、上記バンピングを行った場合の上記製品の測定結果である。×印を結ぶ破線は、バンピングを行わなかった場合の上記製品の測定結果である。図５から明らかなように、バンピングを行うことにより、円筒絞り製品の天面部Ａでは元々圧縮応力を示していたものが、更に１５ｋｇｆ／ｍｍ² （約１４７ＭＰａ）ほど、圧縮応力が大きくなり、天面コーナ部Ｂと側壁部Ｃとフランジコーナ部Ｄは引張応力値が約２０ｋｇｆ／ｍｍ² （約２００ＭＰａ）低下している。このように、本発明のバンピングの押圧によって生じる圧縮応力を付与することで、引張残留応力を緩和させることが可能であることがわかる。

また、これらの円筒絞り製品をステンレス鋼板の応力腐食試験方法として、一般的である塩化マグネシウム水溶液（濃度４２％の状態を保ち、沸点を１４３℃±１℃に調整する。）の応力腐食割れ試験方法（ＪＩＳ Ｇ ０５７６）にて、試験を行った。

バンピング無しの場合は、連続２４時間（Ｈ）の浸漬試験で割れを確認した。しかし、バンピング有りの場合では、連続４８Ｈ以上（５０Ｈでも割れは確認できなかった）の浸漬試験でも割れは起こらなかった。この結果から、本発明を実施することにより、少なくとも２倍以上の耐腐食割れが可能となる。

上記実施例では、上述したように、第１のバンピングで施すバンピングの形状は、図３（ｄ）に示されている山角度９０°、ピッチ０．２ｍｍ、深さ０．０２ｍｍであった。そこで、上記実施例の他に表２のような第１のバンピングを施した場合についても確認を行った。

この結果から、何れの場合でも、バンピングを行わない場合よりも耐腐食割れ性の向上することが判る。そして、山角度は９０°、ピッチは板厚の１００％、深さは板厚の１０％にする場合に最も効果的になることも判る。上記実施例では、板厚ｔ＝０．２ｍｍのＳＵＳ３０４ステンレス鋼板の場合を例に挙げているが、板厚ｔ＝０．５ｍｍの場合でも同様の結果を得ることができた。

本発明は、上記の実施の形態に限定されることなく、本発明の技術思想の範囲内において、本発明の実施の形態は適宜に変更可能である。

以上説明してきたように本発明は、ＳＵＳなどの金属材の成形加工における応力腐食割れ防止に、使用することができ、極めて容易に実現可能な方法である。

本発明の実施の形態における円筒絞り製品の製造工程図 本発明の実施の形態におけるバンピングに用いるバンピング加工部の構造概略図 （ａ）本発明のバンピングに用いるバンピング工具の斜視図（ｂ）上記バンピング工具表面領域の断面図（ｃ）本発明のバンピング加工後の金属材の断面図 （ａ）本発明のバンピングに用いる別のバンピング工具の斜視図（ｂ）本発明のバンピングに用いる更に別のバンピング工具の斜視図（ｃ）本発明のバンピングを適用した円筒絞り製品の断面図 本発明の効果を説明するための円筒絞り製品の残留応力測定値を示すグラフ 従来の技術でのショットブラストを説明する断面図

符号の説明

１ ブランク材
２ バンピング加工後の素材
３ 絞り成形品
４ 円筒絞り製品
５ バンピング・パンチ
６ パンチ・プレート
７ ストリップ・プレート
８ スプリング
９ バンピング・ダイ
１０ ダイプレート１０
１１，１４，１６ バンピング工具
１２ 凸部
１３ 凹部
１５，１７ サーキュラカット部
１８ 天面コーナ部
１９ フランジコーナ部
２０ 被加工物
２１ ショット球

Claims (5)

1. 金属材の成形加工を行うに先立ち、前記金属材表面をバンピングし、前記金属材表面に圧縮応力を付与し、前記成形加工で生じる引張応力を緩和させることを特徴とする金属材の応力腐食割れ防止方法。
2. 前記成形加工が絞り加工であることを特徴とする請求項1記載の金属材の応力腐食割れ防止方法。
3. 前記金属材がＳＵＳ３０４ステンレス鋼であることを特徴とする請求項２記載の金属材の応力腐食割れ防止方法。
4. 異なる形状のバンピングを複数回に分けて行うことを特徴とする請求項1乃至３のいずれか１項記載の金属材の応力腐食割れ防止方法。
5. 成形加工後に発生する引っ張り残留応力が特に高く発生する箇所に対し、バンピングのピッチを他の部分に比べてより狭ピッチとすることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の金属材の応力腐食割れ防止方法。

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