JP3162104B2 - 金属材料の残留応力改善方法 - Google Patents

金属材料の残留応力改善方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、金属材料の残留応力改
善方法に係り、特に金属材料に存在する引張残留応力を
改善して応力腐食割れを防止するためにウォータージェ
ットピーニングを用いる金属材料の残留応力改善方法に
関する。
【0002】
【従来の技術】オーステナイトステンレス鋼などの金属
材料は高温水中に置かれた場合その溶接部またはその近
傍において応力腐食割れが発生することは一般的に知ら
れている。応力腐食割れは発生要因として材料、応力、
環境の因子が重畳した条件下で生ずるとされている。材
料因子としてはCr炭化物が結晶粒界へ析出してその周
囲に耐食性の劣るCr欠乏層が形成されることに因る鋭
敏化、応力因子としては溶接や加工によって材料内部に
残留する引張残留応力、環境因子としては高温水中の溶
存酸素量などが挙げられる。応力腐食割れはこれらの三
因子が重畳した条件下で発生することから、これら三因
子の中から一つの因子を取り除くことにより防止するこ
とが可能である。
【0003】残留応力改善手段として特開昭62−63
614号公報に記載されている従来技術は、残留応力改
善対象物である熱交換器等の管の内部に高圧液体ジェッ
トを噴出する回転ノズル部を有する高圧水ショットピー
ニング装置を挿入し、前記回転ノズルより高圧の液体ジ
ェットを噴出し、ジェットそのものの軸動圧エネルギー
(ジェット噴流の軸方向動圧エネルギー)で前記管内面
をピーニングすることにより、前記管に元々存在してい
た引張残留応力を圧縮残留応力に転化するものである。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、熱交
換器等の管内面の残留応力を改善する方法として有効な
方法ではあるが、この方法は大気中にてノズルから噴出
する液体ジェットを金属部材の表面に当て、この衝撃エ
ネルギーで前記金属部材表面をピーニングするものであ
り、この技術は大気中でウォータージェットの軸動圧を
利用したものであってウォータージェットの噴出圧力の
みに頼った方法であるため、例えば水中でこの技術を利
用した場合には、周囲水の抵抗があること、ウォーター
ジェットが周囲水と同相であるため拡散が速いこと等の
ため噴流軸動圧力は減衰し、ピーニング効果を有効に得
ることは難しく、大気中噴流と同等の軸動圧を得るに
は、超高圧でのウォータージェット噴出が必要となり、
ポンプ及び関連機器のコスト面で不利になる。
【0005】本発明の目的は、効率良く圧縮残留応力を
付与できる金属材料の残留応力改善方法を提供すること
にある。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、独立項としての請求項1に係る第1発明の特徴は、
ノズル口径をd及びノズルから金属材料までの距離をL
としたとき、L/dが10〜70の範囲内となる条件下
で、前記ノズルからキャビテーション気泡を含む液体流
を噴出させ、この液体流を前記金属材料の壊食を避ける
のに適切な処理時間をかけて液体中にて前記金属材料に
当て、前記キャビテーション気泡の崩壊により生じる衝
撃力によって前記金属材料に圧縮残留応力を発生させる
ことにある。
【0007】上記目的を達成するため、独立項としての
請求項4に係る第2発明の特徴は、ノズル口径をd及び
ノズルから金属材料までの距離をLとしたとき、L/d
が10〜70の範囲内となる条件下で、前記距離Lを一
定に保ちながら前記ノズルを前記金属材料の壊食を避け
るのに適切な移動速度で移動させると共に、前記ノズル
からキャビテーション気泡を含む液体流を噴出させ、こ
の液体流を液体中にて前記金属材料に当て、前記キャビ
テーション気泡の崩壊により生じる衝撃力によって前記
金属材料に圧縮残留応力を発生させることにある。同じ
く、従属項としての請求項2及び3に係る発明の特徴
は、請求項1に係る発明において、それぞれ、前記L/
dが10〜50及び20〜30の範囲内であることにあ
る。さらに、同じく、従属項としての請求項5に係る発
明の特徴は、請求項1ないし4に係るいずれかの発明に
おいて、前記ノズルとして、オリフィス部及びその下流
側につらなる末広がりのテーパーを有するホーン部を備
えたホーン型ノズルを用いることにある。
【0008】
【0009】
【作用】第1発明によれば、ウォータージェット噴出に
よるキャビテーション現象によって発生するキャビテー
ション気泡は成長し金属材料表面に衝突し崩壊す
る。この時、キャビテーション気泡は崩壊の速度が極め
て大きく、気泡が壊滅してしまったその中心核では、極
めて高い水撃圧力を発生する。このキャビテーション気
泡の崩壊による水撃圧力により金属材料の表面に局部的
高圧力分布と降伏以上の歪みが発生し、金属材料表面
は打ち伸ばされ、塑性変形し横膨張する。この時、上記
打ち伸ばされた表面の周囲部の金属材料には圧縮された
弾性ひずみ領域が存在し、上記打ち伸ばされた表面は該
周囲の弾性ひずみ領域により押し返されて圧縮残留応力
が発生する。なお、ウォータージェットそのものの軸動
圧衝撃力も上記作用に寄与する。特に、第1発明は、L
/dを10〜70の範囲にするので、金属材料に大きな
圧縮残留応力を付与することができる。
【0010】第2発明は、L/dを20〜30の範囲に
するので、著しく大きな圧縮残留応力を金属材料に付与
することができる。
【0011】
【実施例】以下、本発明の1実施例を図1〜図3により
説明する。図1は、本実施例で用いるウォータージェッ
トピーニング設備の図で、水中で金属材料のウォーター
ジェットピーニングを行う状況を示している。水流は高
圧ポンプ1により加圧され、ホース2及び導水管15を
通り、ノズル3より金属材料4の表面にウォータージェ
ットとして噴出される。金属材料4はタンク16内の水
中に浸漬されており、ノズル3は該水中にてウォーター
ジェットを噴出する。このときノズル移動機構14によ
り金属材料4との距離を一定に保ちながらノズルを移動
させ、その移動速度は高圧ポンプ1とともに制御装置に
金属材料4の壊食を避けるのに最適となる適切な移動
速度に制御される。ノズル3は図2に示すようにホーン
型ノズル(特開昭60−168554参照)であり、こ
れを通る水流はオリフィス部5にて流速を増し、オリフ
ィス部5の下流にて軸心に対し末広がりにテーパをもた
せたホーン部6より水中に噴出される。このときウォー
タージェットはオリフィス部5及びホーン部6にて速度
及び圧力が大きく変化し、キャビテーション現象を誘発
して多数のキャビテーション気泡7を発生させる。この
キャビテーション気泡7が金属材料4の表面に衝突し崩
壊する際に発する水撃圧力により金属材料4の表面をピ
ーニングし圧縮残留応力を付与することができる。な
お、ウォータージェット自体の動圧衝撃力も上記作用に
寄与する。
【0012】図3に示すグラフは水中でのウォータージ
ェットピーニングの結果としての残留応力を表わしたも
ので、水深0.3mに浸漬されたSUS304製の板状
金属試験片に前記ホーン型ノズルにより700kg/c
2のウォータージェットを噴出し、キャビテーション
気泡を発生させ、試験片の壊食を避けるのに適切な処理
時間をかけて、試験片のピーニングを行った結果を示し
ている。グラフ中のdはノズル口径、Lはノズルから試
験片までの距離を示しており、また、グラフの縦軸はウ
ォータージェットピーニングの結果として得られた残留
応力の値(圧縮応力はマイナス値で示す)を表わしてい
る。図3に示されるように、L/d=20〜30におい
て最大の残留応力改善結果(約50kg/mm2の圧縮
残留応力)を生じさせることが出来た。
【0013】比較のため、従来型のジェットノズルを使
用し、大気中でSUS304製試験片にウォータージェ
ットピーニングを施す実験を行った。この場合は大気中
であることからキャビテーション気泡の崩壊による水撃
圧力の効果は期待できずウォータージェットの軸動圧エ
ネルギーを高める必要性があり、噴射圧力を3000k
g/cm2 と高めに設定した。また、L/dは試験片の
壊食(エロージョン)を避けるためにL/d=300と
設定した。噴出圧力3000kg/cm2 で5.2kg
/mm2 の残留圧縮応力が得られた。この残留圧縮応力
の値は、前記本発明の実施例による水中でのキャビテー
ションを利用したウォータージェットピーニングの場合
のそれに比べて低い数値である。このことから本発明の
キャビテーションを利用したウォータージェットピーニ
ングは残留応力改善に有効な技術であることがわかる。
【0014】
【0015】
【0016】第1発明によれば、その実施がノズルから
キャビテーション気泡を含む液体流を噴出させ、この液
体流を前記金属材料の壊食を避けるのに適切な処理時間
をかけて液体中にて前記金属材料に当てることで行なわ
れているので、効率よく金属材料に大きな圧縮残留応力
を付与することができる。
【0017】第2発明によれば、ノズルから金属材料ま
での距離を一定に保ちながら、前記金属材料の壊食を
避けるのに適切な移動速度でノズルを移動させ、このノ
ズルからキャビテーション気泡を含む液体流を噴出させ
るようにしているので、著しく大きな圧縮残留応力を金
属材料に付与することができる。なお、第1発明の従属
発明である請求項2及び3に係る発明によれば、それぞ
れ、L/dを10〜50及び20〜30の範囲内にある
ようにしたので、選択発明として著しく大きな圧縮残留
応力を付与することができ、同じく、第2発明の従属発
明である請求項5に係る発明によれば、ノズルとして、
オリフィス部及びその下流側につらなるホーン部を備え
たホーン型ノズルを用いているので、L/dの範囲の選
択と相挨って最大の残留応力改善結果を生じさせること
となった。
【0018】
【図面の簡単な説明】
【図1】発明の一実施例である金属材料の残留応力改
善方法に用いるウォータージェットピーニング装置の構
成図である。
【図2】図1の装置に用いられるホーン型ノズルの断面
である。
【図3】図1の装置を用いたウォータージェットピーニ
ングによって金属材料表面に付与された圧縮残留応力を
示す特性図である
【符号の説明】
1…高圧ポンプ 2…ホース 3…ホーン型ノズル 4…金属材料 5…オリフィス部 6…ホーン部 7…キャビテーション気泡
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 黒沢孝一 茨城県日立市幸町3丁目1番1号 株式 会社日立製作所日立工場内 (72)発明者 斉藤英世 茨城県日立市幸町3丁目1番1号 株式 会社日立製作所日立工場内 (72)発明者 辻村 浩 茨城県日立市幸町3丁目1番1号 株式 会社日立製作所日立工場内 (72)発明者 榎本邦夫 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社 日立製作所機械研究所内 (72)発明者 沼田孝幸 茨城県日立市弁天町三丁目10番2号 日 立協和工業株式会社内 (72)発明者 進藤丈典 広島県呉市宝町2−9 バブコック日立 株式会社呉工場内 (72)発明者 市江浩三 富山県魚津市本江2410番地 株式会社ス ギノマシン内 (72)発明者 酒井英明 富山県魚津市本江2410番地 株式会社ス ギノマシン内 (56)参考文献 特開 昭62−63614(JP,A) KATSUYA YANAIDA”W ATER JET CAVITATIO N PERFORMANCE OF S UBMERGED HORN SHAP ED NOZZLES”P.336−349 PROCEEDINGS THIRD U.S.WATER JET CONF ERENCE(1985)MAY 21−23 UNIVERSITY OF PITT SBURGH発行 H.KRAUSE and M.MA THIAS”INVESTIGATIO N OF CAVITATION ER OSION USING X−RAY RESIDUAL STRESS AN ALYSIS”P.343−352 WEA R,119(1987)ELSEVIER S EQUOIA S.A.LAUSANN E 発行 常盤井、木村「超音波照射によるSU S304ステンレス鋼のSCC寿命の改善」 電力中央研究所報告 研究報告:284019 (昭和60年10月)図11、12 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C21D 7/06 B24C 1/10 JICSTファイル(JOIS)

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ノズル口径をd及びノズルから金属材料
    までの距離をLとしたとき、L/dが10〜70の範囲
    内となる条件下で、前記ノズルからキャビテーション気
    泡を含む液体流を噴出させ、この液体流を前記金属材料
    の壊食を避けるのに適切な処理時間をかけて液体中にて
    前記金属材料に当て、前記キャビテーション気泡の崩壊
    により生じる衝撃力によって前記金属材料に圧縮残留応
    力を発生させることを特徴とする金属材料の残留応力改
    善方法。
  2. 【請求項2】 前記L/dが10〜50の範囲内である
    ことを特徴とする請求項1に記載の金属材料の残留応力
    改善方法。
  3. 【請求項3】 前記L/dが20〜30の範囲内である
    ことを特徴とする請求項1に記載の金属材料の残留応力
    改善方法。
  4. 【請求項4】 ノズル口径をd及びノズルから金属材料
    までの距離をLとしたとき、L/dが10〜70の範囲
    内となる条件下で、前記距離Lを一定に保ちながら前記
    ノズルを前記金属材料の壊食を避けるのに適切な移動速
    度で移動させると共に、前記ノズルからキャビテーショ
    ン気泡を含む液体流を噴出させ、この液体流を液体中に
    て前記金属材料に当て、前記キャビテーション気泡の崩
    壊により生じる衝撃力によって前記金属材料に圧縮残留
    応力を発生させることを特徴とする金属材料の残留応力
    改善方法。
  5. 【請求項5】 前記ノズルとして、オリフィス部及びそ
    の下流側につらなる末広がりのテーパーを有するホーン
    部を備えたホーン型ノズルを用いることを特徴とする請
    求項1ないし4のいずれかに記載の金属材料の残留応力
    改善方法。
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