JP2009291918A - 繰り返し荷重履歴を受けた金属材料の疲労寿命を延命化させる方法 - Google Patents

Abstract

【要 約】
【課 題】 従来の技術では、繰り返し荷重履歴を受けた金属材料の疲労寿命を低コストで信頼性高く延命化させるのは困難である。
【解決手段】 繰り返し荷重履歴を受けた金属材料１の疲労寿命を延命化させる方法であって、前記金属材料に非破壊検査手法を適用して亀裂２を検出し、該検出された亀裂に対して超音波ピーニングを施工する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、繰り返し荷重履歴を受けた金属材料、例えば供用中の機械部品等、の疲労寿命を延命化させる方法に関する。

近年、機械部品等の金属材料では、供用中の応力の繰り返しによって生じた金属疲労による破損事故が多数発生している。供用中の機械が破損事故前に不調を示したときは、機械を停止して機械部品の点検を行い、亀裂が発見された場合、これを切削・研磨などで除去している。
金属材料の疲労強度を向上させる手法としては特許文献１に記載されているようなショットピーニング法が知られている。これは、ショットピーニングにより加工層を生成し、圧縮残留応力を付与することで疲労寿命を向上させるものである。また、特許文献２に記載されているように、微小亀裂を有する金属材料表面へのウォータージェットを用いたキャビテーション噴流を適用することにより、亀裂を除去すると共に表面に圧縮残留応力を付与する技術が知られている。

一方、超音波ピーニング(Ultrasonic Impact Treatment、略してＵＩＴ)と呼ばれるピーニング技術が国際溶接学会(IIW)などで研究され、非特許文献１など多くの非特許文献により、溶接構造物の疲労耐久性を向上させる手法が提案されている。
特開平2−185369号公報 特開平8−267400号公報 GUIDE FOR APPLICATION OF ULTRASONIC IMPACT TREATMENT IMPROVING FATIGUE LIFE OF WELDED STRUCTURE(S.Statnikov,Commission XIII of IIW 1999 Lisbon,IIWIIW/IIS-DOCUMENT XIII-1757-99)

しかし、供用中の機械が不調を示した際の機械部品点検時に発見される亀裂は比較的大きなものであり、これを切削・研磨によって補修するのは作業負荷が大きい。また、切削・研磨作業は欠陥部を残す可能性が高く、疲労寿命の延命化対策としては信頼性が低い。
また、ショットピーニングやウォータージェットによる加工は、比較的複雑な設備を用いるため高コストになる。また、超音波ピーニングを用いる公知手法は、簡素な装置を用いるため低コストであるが、溶接ビードのトウ部等への施工方法を示すにすぎず、母材（金属材料から溶接部および溶接熱影響部を除いた残部）が繰り返し荷重履歴を受けて疲労亀裂の発生源となるような金属材料への適用形態についてなんら開示がない。

以上のように、従来の技術では、繰り返し荷重履歴を受けた金属材料の疲労寿命を低コストで信頼性高く延命化させるのは困難であるという課題があった。

発明者らは、前記課題を解決するための手段を鋭意検討し、その結果、供用中の機械の部品をなす金属材料の、繰り返し荷重履歴からの応力による、疲労寿命に対する延命化技術として、非破壊検査手法によって亀裂を検出し、この亀裂に対して超音波ピーニングにより表面近傍の周辺金属および亀裂形状を変形させることにより応力集中を低減させること、さらに、塑性流動により亀裂周囲に圧縮応力が付加され、亀裂の進展を抑えることを見出し、本発明をなした。すなわち、本発明は、以下のとおりである。
（請求項１）
繰り返し荷重履歴を受けた金属材料の疲労寿命を延命化させる方法であって、前記金属材料に非破壊検査手法を適用して亀裂を検出し、該検出された亀裂に対して超音波ピーニングを施工することを特徴とする、繰り返し荷重履歴を受けた金属材料の疲労寿命を延命化させる方法。
（請求項２）
前記非破壊検査手法は、レプリカ試験、磁粉探傷試験、超音波探傷試験、浸透探傷試験、放射線探傷試験のいずれか１種または２種以上の組み合わせであることを特徴とする請求項１に記載の繰り返し荷重履歴を受けた金属材料の疲労寿命を延命化させる方法。
（請求項３）
前記超音波ピーニングは、これの施工後の亀裂深さが、亀裂深さ方向の金属材料肉厚の1/50以下、または２ｍｍ以下となるように施工することを特徴とする請求項１または２に記載の繰り返し荷重履歴を受けた金属材料の疲労寿命を延命化させる方法。
（請求項４）
前記超音波ピーニングの施工範囲を、前記検出された亀裂の亀裂長全体を含む範囲とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の繰り返し荷重履歴を受けた金属材料の疲労寿命を延命化させる方法。

本発明によれば、繰り返し荷重履歴を受けた金属材料の疲労寿命を低コストで信頼性高く延命化させることができる。発見した亀裂に対し超音波ピーニングを施工するから低コストであり、従来のような切削・研磨による欠陥部残りが存在する可能性は低いから信頼性が高い。また、大きく進展する前の微小な段階の亀裂に対して施工することで、従来よりも格段に寿命を向上させることが可能となる。

機械部品等をなす金属材料に疲労限を超える応力を付加するような大きな繰り返し荷重が作用すると微小な亀裂（マイクロクラック）が発生し、この微小亀裂先端部の応力集中および繰り返し荷重の作用から亀裂が進展し、やがて破断に至る。本発明では、この亀裂進展により破断に至る前に非破壊検査手法によって亀裂を検出する。非破壊検査手法として、磁粉探傷試験（略してＭＴ）、超音波探傷試験（略してＵＴ）、浸透探傷試験（略してＰＴ）、放射線探傷試験（略してＲＴ）、およびレプリカ試験などが好ましく用いうる。これらの試験は、いずれか１つを実施してもよく、また、必要に応じていずれか２つ以上を組み合わせて実施してもよい。検出（発見）する亀裂は、より小さい亀裂であることが望ましい。よって、非破壊検査を実施する時期は、機械等の耐用年数等を勘案して比較的短い周期に設定した定期点検の時期がよい。非破壊検査される機械部品等において非破壊検査を優先的に行う部位としては、過去に亀裂が発見された部位、あるいはＦＥＭ（有限要素法）等の解析で推定される応力集中部位とするのが好ましい。

発見された亀裂に対して、亀裂周辺に超音波ピーニングを施工する（略して、ＵＩＴ施工する）。これにより、被施工部の表層が塑性流動することで、亀裂先端形状が鈍化し、亀裂が同一平面を保てなくなり、見かけ上、不連続な空隙の集合となる。一般的に、図１に示すように、亀裂２の先端に応力集中が起こり、この応力集中の度合いを表す応力集中係数Ｋは、以下の式(1)で表される。

ここで、σは亀裂２の近傍に働く作用応力、πは円周率、ａは亀裂長２ａ（＝２×ａ）の半分の長さである。亀裂が不連続になることで、見かけ上、亀裂長２ａが小さくなるため、Ｋ値が小さくなり、先端の応力集中が低減される。
さらに、超音波ピーニングを施した際、亀裂周辺の塑性流動した部位に超音波振動が加わることにより、亀裂周辺に圧縮応力が付加されるため、亀裂の進展が抑制される。

図２は、超音波ピーニング施工方法を示す説明図である。超音波ピーニング装置10は、振動子（セラミック圧電素子、または、磁歪子）、振動変換子等を内蔵した本体部12に打撃子11を装着してなる。打撃子は、施工対象物（金属材料１）の形状や材質によって、直径３〜５ｍｍ程度の１〜７本程度のものを用い、超音波の周波数は２０〜５０Ｈｚ程度、変換子先端の振幅は２０〜４０μｍ程度に設定するのがよい。この装置を人力により押さえるか、または、固定器具、あるいは産業用ロボットを用いて固定し、打撃子11の振動方向が金属材料１の亀裂２を含む部位の表面Ｓに対してなるべく法線方向となるように設置し、本体部12と表面Ｓの間の距離を極力一定に保ちながら亀裂２を含む範囲内で縦横方向に平行移動させる。移動速度は４０ｃｍ/ｍｉｎ程度以下とし、打撃を連続的に加えるのがよい。

また、亀裂に対する超音波ピーニング施工による疲労寿命の延命化効果は、施工後の亀裂深さが、亀裂深さ方向の金属材料肉厚の1/50以下となる場合、あるいは２ｍｍ以下となる場合に、より大きいものとなる。そのため、亀裂に対する超音波ピーニングは、これの施工後の亀裂深さが、亀裂深さ方向の金属材料肉厚の1/50以下、または２ｍｍ以下となるように施工することが好ましい。

また、亀裂に対する超音波ピーニングの施工範囲は、少なくとも亀裂先端を含む範囲であれば相応の効果が得られるのであるが、より大きい延命化効果を得るには、亀裂の亀裂長全体を含む範囲とすることが好ましい。

製鉄所の圧延機の回転部分であるエンドヨーク部材に本発明方法を適用する場合を例にとって、本発明方法の実施手順をより詳しく説明する。
１）亀裂の検出
過去に疲労亀裂が発生した箇所や、解析により応力が高いと推定される部位に対して非破壊検査手法（レプリカ試験、ＭＴ，ＵＴ，ＰＴ，ＲＴなど）を用いて亀裂を検出する。本例では、図３に示すように、エンドヨーク部材５の構造、荷重、固定条件などからＦＥＭ解析した結果より、Ｒ部の端部側が最大応力発生位置６となっていることがわかる。そこで、この位置を中心に非破壊検査手法により亀裂を検出する。本例では、非破壊検査手法のうち、亀裂の検出精度が比較的高いＭＴにより、亀裂を検出した。

２）超音波ピーニング施工
先に図２を用いて説明した施工方法に従って超音波ピーニングを施工する。これにより、検出時（施工前）に例えば図４に示すような亀裂形状であった亀裂２は、施工後には図５に示すような亀裂形状へと縮小（あるいはさらに屈曲）し、不連続な亀裂となる。図６は超音波ピーニングの好ましい施工範囲の１例を示すものである。この例では、表面Ｓ内で、亀裂長２ａの亀裂２を、亀裂２からの最短距離が２ａである点の集まりからなる閉曲線で囲んだ領域を施工範囲としている。

３）処理後の亀裂形状の確認
超音波ピーニング施工後の亀裂形状を、目視、あるいは、好ましくは非破壊検査手法により確認し、亀裂の変形が見られるか否か調査する。この際、亀裂が真っ直ぐではなく、屈曲などが見られる方が望ましい。もし、亀裂形状に変化が見られない場合は、超音波ピーニングを再度施工して、亀裂が縮小（あるいはさらに屈曲）するまで繰り返すとよい。

また、施工後の亀裂深さを施工仕上がり状態の可否判定基準とする場合は、施工後の亀裂に対し、ＴＯＦＤ(Time of Flight Diffraction)法などで亀裂深さを測定するとよい。なお、ＴＯＦＤ法とはＵＴ手法の一種であり、一対の発信及び受信用の二つの探触子を対向させて配置し、被検査断面を透過させるように超音波の送受信を行い、表面直下の表面透過波（ラテラル波）および底面反射波と、「きず」の上下端で発生する回折波の伝播時間差を利用して、幾何学的に「きず」の位置（きず高さ、きずの指示長さ）を測定する手法であって、これによれば、簡便で高精度な探傷が可能であり、特に、肉厚方向の寸法を高精度計測できる（石川島検査計測株式会社のURL[http://www.iic-hq.co.jp/work_contents/01inspection_measurement/01nondestructive_testing/KH-01.html]からの情報）。

４）延命化効果の推定
本例の施工による疲労寿命の延命化効果は、例えば図７に示すような、本例のエンドヨーク部材について亀裂長さ（亀裂長）と寿命消費率を関係づけたマスターカーブを用いて推定できる。なお、このようなマスターカーブの算定方法については、本発明者らが出願した特願２００８−１０５７４に記載したので参照されたい。

例えば、４ｍｍ相当の亀裂が見つかった場合、ＵＩＴ工法により見かけの亀裂長を２ｍｍ程度とすることが可能である。エンドヨーク部材の寿命が１５年であるとすれば、本例の施工を行うことで、図７より、施工前の寿命消費率０．６（余寿命６年）程度であったものを、０．１（余寿命１４．５年）程度とすることが可能である。すなわち、この場合は、寿命が１．６倍（２３．５年/１５年）に延命化できるといえる。また、亀裂周辺に降伏応力程度の圧縮残留応力が付加されるため、寿命は、さらに伸びることが予想できる。

亀裂先端の応力集中を示す説明図である。 超音波ピーニング施工方法を示す説明図である。 エンドヨーク部材のＦＥＭ解析結果を示す概略図である。 検出時の亀裂形状を示す模式図である。 図４の亀裂に超音波ピーニング施工した後の亀裂形状を示す模式図である。 超音波ピーニングの施工範囲の１例を示す概略平面図（ａ）および概略断面図（ｂ）である。 亀裂長さと寿命消費率を関係づけたマスターカーブの１例を示すグラフである。

符号の説明

１ 金属材料（機械部品）
２ 亀裂
３ 超音波ピーニング施工範囲
５ 機械部品（エンドヨーク部材）
６ 最大応力発生位置
10 超音波ピーニング装置
11 打撃子
12 本体部

Claims (4)

1. 繰り返し荷重履歴を受けた金属材料の疲労寿命を延命化させる方法であって、前記金属材料に非破壊検査手法を適用して亀裂を検出し、該検出された亀裂に対して超音波ピーニングを施工することを特徴とする、繰り返し荷重履歴を受けた金属材料の疲労寿命を延命化させる方法。
2. 前記非破壊検査手法は、レプリカ試験、磁粉探傷試験、超音波探傷試験、浸透探傷試験、放射線探傷試験のいずれか１種または２種以上の組み合わせであることを特徴とする請求項１に記載の繰り返し荷重履歴を受けた金属材料の疲労寿命を延命化させる方法。
3. 前記超音波ピーニングは、これの施工後の亀裂深さが、亀裂深さ方向の金属材料肉厚の1/50以下、または２ｍｍ以下となるように施工することを特徴とする請求項１または２に記載の繰り返し荷重履歴を受けた金属材料の疲労寿命を延命化させる方法。
4. 前記超音波ピーニングの施工範囲を、前記検出された亀裂の亀裂長全体を含む範囲とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の繰り返し荷重履歴を受けた金属材料の疲労寿命を延命化させる方法。

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