JP2006281343A

JP2006281343A - 厚鋼板の温間ショットピーニング方法

Info

Publication number: JP2006281343A
Application number: JP2005102451A
Authority: JP
Inventors: Toru Hachiwaka; 徹八若
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2005-03-31
Filing date: 2005-03-31
Publication date: 2006-10-19
Anticipated expiration: 2025-03-31
Also published as: JP4770238B2

Abstract

【課題】本発明は、既存の投射装置を用いても、従来より疲労強度を格段に向上可能な厚鋼板の温間ショットピーニング方法を提供することを目的としている。
【解決手段】新たな厚鋼板の温間ショットピーニング方法を開発した。それは、厚鋼板の表面に、鉄粒子を多数、高速で衝突させ、ショットピーニングを行うに際し、前記鉄粒子の投射手段として、該鉄粒子を回転インペラで加速する遠心式投射装置を採用すると共に、前記厚鋼板の温度を２００〜７００℃に保持した状態で、鉄粒子を０．５〜２分間だけ衝突させる。また、前記厚鋼板の加熱を、該厚鋼板の熱間圧延ラインに配設してある熱処理装置を用いても良い。
【選択図】図１

Description

本発明は、厚鋼板の温間ショットピーニング方法に係わり、特に船体、圧力容器等の素材として有効な大型の構造材料を製造する技術に関する。

ショットピーニングは、粒状の銑鉄又は鋼（以下、ショットともいう）を多数に、且つ高速に鉄鋼製品の表面へたたきつける一種の表面処理方法であり、上記鉄粒子を機械的に飛ばすか、あるいは圧縮空気を利用してノズルから噴射させることで行われる。このショットピーニングは、当初は鉄鋼製品の表面硬化を狙って開発されたが、近年は酸洗に代って、スケール除去、清浄化に利用して研磨仕上げ等を省略したり、さらには疲労強度の増加にも多用されるようになった。

この鋼材の疲労強度向上を目的として行うショットピーニングは、繰り返し応力が高サイクルで負荷されるバネ,歯車、クランク軸、プロペラ軸、タービン翼等の比較的小さな部品への適用が主であった（特許文献１〜３参照）。また、ショットピーングの効果を高めるため、対象物を常温ばかりでなく、１５０〜３００℃程度に昇温しておいてから行う所謂「温間ショットピーニング」が適用されることもある（特許文献４参照）。

一方、繰り返し応力が低サイクルで負荷される圧力容器、船体等の素材とする大型の厚鋼板に対しては、従来より常温のショットピーニングを施し、それらの疲労強度を向上させる試みはある。実際には、疲労強度が期待するはど大きくないこと、及び疲労強度の向上を評価する「疲労試験」に時間がかかり過ぎること等の理由で、あまり行われないのが現状である。

ところが、最近、鉄鋼製品の用途拡大の見地より、かかる大型の厚鋼板に対しても疲労強度をもっと高めて欲しいというニーズが生じている。しかしながら、従来通りの常温でのショットピーニングでは、該ニーズに答えられない。つまり、厚鋼板に衝突させる鉄粒子の（１）硬度を高める、（２）サイズを大きくする、（３）単位面積当たりの衝突密度を高める、（４）ショットの投射時間延長等の対策は、既存の投射手段の改造となり、設備費が嵩むという問題がある。また、そのような対策を施しても、かえって表面の圧痕が大きくなって粗度が高まり、外観が悪くなったり、亀裂が発生したりして、単純には疲労強度の著しい向上には結びつかなかった。
特開平１−２７９７８６号公報特開平６−１７２８４７号公報特開２００１−８２５１８号公報特開平５−１４０６４３号公報

本発明は、かかる事情に鑑み、既存の投射装置を用いても、従来より疲労強度を格段に向上可能な厚鋼板の温間ショットピーニング方法を提供することを目的としている。

発明者は、上記目的を達成するため鋭意研究を重ね、その成果を本発明に具現化した。

すなわち、本発明は、厚鋼板の表面に、鉄粒子を多数、高速で衝突させ、ショットピーニングを行うに際し、前記鉄粒子の投射手段として、該鉄粒子を回転インペラで加速する遠心式投射装置を採用すると共に、前記厚鋼板の温度を２００〜７００℃に保持した状態で、鉄粒子を０．５〜２分間だけ衝突させることを特徴とする厚鋼板の温間ショットピーニング方法である。この場合、前記厚鋼板の加熱を、該厚鋼板の熱間圧延ラインに配設してある熱処理装置を用いたり、あるいは前記鉄粒子は、材質が鋳鋼、ほぼ球形に近い形状で外径が２ｍｍであり、厚鋼板の１ｍ²当たり１５０〜２００ｋｇの衝突密度で投射するのが好ましい。

本発明によれば、既存の投射装置及び熱処理装置を用いて、従来より疲労強度が格段に向上した厚鋼板を安価に製造できるようになる。

以下、発明をなすに至った経緯をまじえ、本発明の最良の実施形態を説明する。

まず、発明者は、バネ、歯車等の比較的小型部品に、その疲労強度を向上させるために施すショットピーニングは、常温よりも２００〜７００℃程度の所謂「温間」で行う方が疲労強度の向上効果の大きいことに着眼した。そして、この温間ショットピーニングを大型の厚鋼板（鋼種：ＳＭ４９０、サイズ：厚み２０ｍｍ、幅３０００ｍｍ×長さ１００００ｍｍ）に対して適用した場合の問題点を、常温でピーニングする際に利用する投射装置を用いて検討することにした。つまり、鉄粒子（ショット）として、材質が鋳鋼で、粒径が１〜５ｍｍの形状がほぼ球形に近いものを、衝突密度２００ｋｇ／ｍ²で厚鋼板に衝突させる前記機械的な投射装置を採用して実験を繰り返したのである。なお、鋼板の疲労強度は、ＪＩＳＺ２２７５に規定された「疲労試験方法」を用いて測定した。

その結果、ピーニングする温度を小型部品とほぼ同様な２００〜７００℃の範囲として実施すれば、常温よりも効果のあることを見出した。ピーニング温度を上記範囲に限定した理由は、２００℃未満では、常温の時と効果にあまり差がなく、７００℃超えでは、鋼板表面のショットの圧痕が大きくなって粗度が高まり、常温でピーニングした場合に比べかえって外観が悪くなったり、亀裂が発生したりするからである。

ただし、本発明の重要ポイントは、ピーニングする時間を常温の場合より短くしなければならないことである。常温より鋼板表面が凹み易いので、時間が長すぎると、前記したように鋼板表面のショットの圧痕が大きくなって粗度が高まり、常温でピーニングした場合に比べて、かえって外観が悪くなったり、亀裂が発生したりするからである。そこで、このピーニングする時間を前記温度範囲で種々の鋼種の厚鋼板について検討したところ、０．５〜２分間だけ衝突させるようにすればいずれの鋼種に対しても問題がなく、常温の場合より大きなピーニング効果を得られることが判った。つまり、０．５分未満ではほとんど効果が発現せず、２分超えでは上記した問題が発生するからである。

このように、温度：２００〜７００℃及び時間：０．５〜２．０分の範囲で適切な選択を行えば、いずれの鋼種の厚鋼板であっても常温でピーニングするのに比べて、その疲労強度が向上することが見出されたので、これらのことを要件に本発明を完成させたのである。

なお、実際の製造工程において本発明を実施するに際しては、予め試験操業で適切な温度及び時間を決定しておくことになる。また、厚鋼板を前記温度範囲に加熱するには、別途加熱炉を設ける必要がある。その加熱炉は、既存のショット投射装置の近傍に設けるのが好ましい。しかしながら、新設ではなく既設の投射装置を用いる場合には、加熱炉を新たに設けるスペースがない場合が多い。そこで、本発明では、厚鋼板の熱間圧延ラインには熱処理炉が配置されているので、それの利用を推奨する（図１参照）。ショット投射装置との間がかない離れていても、鋼板を前記温度範囲より十分に高く昇温できるからである。ただし、熱処理炉からショット投射装置まで鋼板が搬送される間に、鋼板の温度が前記温度範囲を確保できることが必要である。そのためには、両者間の鋼板搬送装置は鋼板の搬送速度を自在に変更できることが望ましい。

さらに、ショットとして用いる鉄粒子には、従来、鋳鉄ショット、鋼線ショット（鋼線を細かく切断したもの）、鋳鋼ショット等が用いられる。しかしながら、鋳鉄ショットはもろくて破壊され易く、摩損も多いし、鋼線ショットは形状が尖ったものが多いので、本発明では、ほぼ球形に近い形状が多い鋳鋼ショットの利用が好ましい。また、該鋳鋼ショットの外径は、あまり大きいと圧痕が大きくなり過ぎるので、２ｍｍを推奨する。発明者の検討によれば、２ｍｍの場合が最もピーニング効果の発現に有効であったからである。さらに、本発明では、前記ショットの鋼板への衝突密度も特に限定しないが、厚鋼板の１ｍ²当たり１５０〜２００ｋｇの衝突密度で投射するのが好ましい。既存の投射装置を大幅に改良する必要がないので、設備費を増大させないからである。

熱間圧延工程で製造したサイズ及び鋼種が種々異なる厚鋼板に、本発明に係る温間ショットピーニング方法を適用した。利用したショット投射装置は既存の回転インペラ方式であり、ショットの鉄粒子には、外径２ｍｍで、ほぼ球形のものを用い、それを衝突密度：２００ｋｇ／ｍ²（鋼板面積）で各鋼板に投射した。加熱装置としては、図１に示すように、熱間圧延工場に設置されている熱処理装置１を利用して、鋼板温度が２００〜７００℃程度に加熱した後、搬送装置３の速度を調整してピーニング時には鋼板の温度が所定温度になるように、隣接したショットピーニング工場の既設のショット投射装置２（図示せず）まで搬送した。なお、各鋼板に適切なピーニング時温度及びピーニング時間は、予め、試験操業及び過去の操業で得たデータから決定した。また、本発明の効果を確認するため、同種の鋼板について、別途、従来の常温ピーニングも行った。実施成績は、鋼板の疲労強度で評価することとして、前記ＪＩＳＺ２２７５に規定された「疲労試験方法」で測定した。

実施結果を、鋼板の種類、サイズ、ピーニング時温度及びピーニング時間と一緒にして表１に示す。

表１より、本発明によれば、いずれの鋼板も疲労強度が従来の常温ピーニングを行った場合に比べて高く、本発明が優れたピーニング方法であることが明らかである。また、本発明の実施には、搬送装置以外に別途の装置を新設する必要がないので、本発明は、非常に経済的にも有利な方法であった。

本発明に係る厚鋼板の温間ピーニングを実施した際の各装置配置を示す平面図である。

符号の説明

１熱処理装置
２ショットの投射装置
３鋼板の搬送装置

Claims

厚鋼板の表面に、鉄粒子を多数、高速で衝突させ、ショットピーニングを行うに際し、
前記鉄粒子の投射手段として、該鉄粒子を回転インペラで加速する遠心式投射装置を採用すると共に、前記厚鋼板の温度を２００〜７００℃に保持した状態で、鉄粒子を０．５〜２分間だけ衝突させることを特徴とする厚鋼板の温間ショットピーニング方法。
前記厚鋼板の加熱を、該厚鋼板の熱間圧延ラインに配設してある熱処理装置を用いることを特徴とする請求項１記載の厚鋼板の温間ショットピーニング方法。
前記鉄粒子は、材質が鋳鋼、ほぼ球形に近い形状で外径が２ｍｍであり、厚鋼板の１ｍ²当たり１５０〜２００ｋｇの衝突密度で投射することを特徴とする請求項１又は２記載の温間ショットピーニング方法。