WO2004046397A1 - 超音波衝撃処理による冷間加工部の強度向上方法および破壊靭性および疲労強度の高い金属製品 - Google Patents

超音波衝撃処理による冷間加工部の強度向上方法および破壊靭性および疲労強度の高い金属製品 Download PDF

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WO2004046397A1
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metal
impact treatment
ultrasonic impact
cold
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Tomonori Tominaga
Kazumi Matsuoka
Koji Honma
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Nippon Steel Corporation
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D7/00—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation
    • C21D7/02—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working
    • C21D7/04—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working of the surface
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D5/00—Bending sheet metal along straight lines, e.g. to form simple curves
    • B21D5/01—Bending sheet metal along straight lines, e.g. to form simple curves between rams and anvils or abutments

Definitions

  • the present invention relates to a method for improving the strength of a cold-worked portion by ultrasonic impact treatment, and a metal product having high fracture toughness and fatigue strength manufactured by applying the method.
  • such a cold-worked or cut end face has a large residual tensile stress similarly to the welded portion.
  • a portion often has a stress concentration portion such as a notch.
  • the fracture toughness of a metal material generally decreases due to strain during cold working.
  • the toughness on the compression side is remarkably reduced.
  • the required toughness of steel is specified for each amount of strain given during cold bending.
  • shot peening is known as a method for improving the tensile residual stress in other parts (see “Carburizing and quenching”
  • the metal materials department becomes brittle at high strengths, and therefore, in order to produce high toughness high strength materials, expensive components and processes are required. Required. And, in the future, if the strength further increases, the necessary toughness may not be able to be secured even if the cost is increased.
  • the shot peening process used to solve the problem of tensile residual stress is a method in which steel particles are made to collide with the metal surface at high speed to process the metal surface. Positive compression residual stress can be improved.
  • the range in which the residual stress can be improved by the shot peening treatment is at most about 300 ⁇ m from the surface, and the effect of suppressing the crack growth by the shot peening treatment is limited. Become.
  • the shotpy jung treatment is not necessarily a sufficient method in terms of the effect of suppressing crack growth, and requires a large machine and a champer for placing the object to be treated. It is difficult to process objects.
  • the shot piezing process since the shot piezing process has low selectivity for the place to be treated, it is impossible to treat only the steel sheet surface to be treated. In other words, the shot peening treatment sometimes leaves a trace of the treatment at a portion that does not need to be treated, and impairs the appearance of the metal product. Therefore, the shot peening treatment has a problem that it cannot be used for an object requiring designability. I have.
  • the present inventor has been diligently developed, and as a result, the impact energy is given to the tensile side surface or the compression side surface of the processed portion of the metal to be processed by ultrasonic impact processing. And, on the tensile side or compression side surface of the processed part, alleviate the residual stress on the tensile side and / or alleviate the residual stress on the compressive side, and refine the metal structure to fracture toughness and fatigue strength. Enhance I found that I can do it.
  • the present invention has been made based on the above findings, and the gist thereof is as follows.
  • the surface hardness is at least 10% higher than the surface hardness of the surface not subjected to ultrasonic impact treatment.
  • the surface on the tensile side of the cold-bending portion of metal is subjected to ultrasonic impact treatment with a pin having a concave end, so that the surface hardness can be reduced.
  • fracture toughness and fatigue strength by increasing the surface hardness by at least 10% from the surface hardness of the steel and reducing the tensile residual stress from 50% or less of the tensile strength to the range of compression.
  • Strengthening method for cold-worked parts by ultrasonic impact treatment For a metal product formed by cold working, the inner surface and / or outer surface of the metal product is subjected to ultrasonic impact treatment, and the surface hardness is determined by the value of 10 to the surface hardness of the surface not subjected to ultrasonic impact treatment.
  • a metal product having high crushing toughness and fatigue strength characterized in that the tensile strength in the main load acting direction on the surface is reduced by 50% or more, and the tensile strength is reduced by 50% or more.
  • the inner surface and the Z or outer surface of the portion having the curvature are subjected to ultrasonic impact treatment, and the surface hardness is determined by the surface hardness of the surface not subjected to the ultrasonic impact treatment.
  • FIG. 1 is a diagram showing a process of manufacturing a metal tube from a flat metal plate by cold bending.
  • FIG. 2 is a diagram showing an aspect in which an ultrasonic impact treatment is performed on the inner and outer surfaces of the metal tube.
  • A shows a mode in which ultrasonic impact treatment is performed on the inner and outer surfaces of the metal tube, and
  • (b) shows a mode in which ultrasonic impact treatment is performed on the wrinkled inner surface of the metal tube.
  • C shows an embodiment in which the outer surface of the metal tube is subjected to ultrasonic impact treatment by an ultrasonic transducer having a concave end.
  • FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the outer peripheral surface position of the metal tube and the surface roughness.
  • FIG. 1 is a diagram showing a process of manufacturing a metal tube from a flat metal plate with a cold bending force p.
  • a metal plate 3 is manufactured by cold bending a metal flat plate 1 into a pipe shape 2 and then welding it 4 by gas arc welding or the like.
  • tensile residual stress generally occurs on the surface side of the metal tube 3, while compressive residual stress acts on the inner surface side of the metal tube 3.
  • a wrinkled surface may be formed on the inner surface of the metal tube 3 due to the compression plastic deformation, as shown in FIG. 2 (b).
  • the elastic strain of the compressive strain is repelled thereafter, and a phenomenon called springing back occurs in which the metallic material tries to return to the original state.
  • a wrinkle formed inside the metal tube may be a starting point of a crack, and brittle fracture may occur.
  • the starting point of the crack does not enter much on the tensile side of the outer surface of the metal tube due to cold working. Even if there is a crack (crack) before cold working, if brittle fracture does not occur during the cold working process, The plastic strain applied at that time slows the tip of the crack, making brittle fracture less likely to occur.
  • the outer surface of the metal tube originally has a large tensile residual stress, if it is damaged by collision with other objects after cold working, or if the weld has cracks or deep cracks. If this occurs, the cracks will propagate faster and the likelihood of brittle rupture will increase.
  • the risk of brittle rupture is more prominent near the weld because the crystal grains are coarsened by the heat effect in the vicinity of the weld and the toughness is significantly lower than that before welding. .
  • Such a phenomenon also occurs in a part obtained by processing a thin plate by pressing. That is, in a thin-plated part, a portion having a large amount of bending is easily broken, and the portion is liable to become a place of fatigue rupture during use. A method to reduce the residual stress was studied. As a result, the present inventor has found that at least the application of ultrasonic impact treatment from the outer surface can alleviate the residual tensile stress.
  • the tensile residual stress on the surface on the tensile side can be reduced to at least 50% or less of the yield strength of the material, and the fatigue strength of the processed surface can be improved.
  • the residual stress on the tensile side due to the redistribution effect due to plastic deformation applied to the surface and the stress relaxation effect due to the impact and ultrasonic energy transmitted to the surface on the tensile side Can be reduced to 80% or less of the yield stress of the material.
  • the treatment gives a very large working ratio of more than 100% to the outermost surface, and at the same time, the working heat and the friction heat between the material and the ultrasonic vibration pin. Temperature exceeds 600 ° C To rise. For this reason, especially in the case of steel materials, the state is similar to that of low-temperature rolling at a high level.
  • the situation is such that a thin film of super-steel is formed on the surface of ordinary steel.
  • Super steel has twice the strength of steel of the same composition, and has much higher toughness due to finer graining. Therefore, many dislocations are introduced into the metal material by warm working, and the hardness of the metal material is further increased by the same effect as that of the super steel.
  • FIG. 2 shows an embodiment in which the ultrasonic vibrator 5 performs ultrasonic impact treatment on the inner and outer surfaces of the metal tube.
  • FIG. 2A shows an embodiment in which the ultrasonic vibrator 5 performs ultrasonic shock treatment on the inner and outer surfaces of the metal tube.
  • Fig. 2 (b) for example, an amplitude of 20 to 60 ⁇ m, a frequency of 19 to 60 kHz, and an output of 0
  • the surface of the metal is subjected to ultrasonic impact treatment of 2-3 kW, A mode in which the center line average roughness Ra is smoothed to 10 ⁇ m or less will be described.
  • FIG. 2 (c) shows an embodiment in which an ultrasonic impact treatment is performed on the outer surface of the metal tube by the ultrasonic oscillator 5 having the concave portion 7 at the end.
  • the surface hardness is increased by at least 10% from the surface hardness of the surface not subjected to the ultrasonic impact treatment, and the residual tensile stress is reduced from 50% or less of the tensile strength to the range of compression. can do.
  • Figure 3 shows the relationship between the position of the outer peripheral surface of the metal tube and the surface roughness.
  • the outer surface of the cold-worked metal tube has large irregularities.
  • small notches on the surface of the metal plate can be smoothed to a centerline average roughness Ra of 10 ⁇ m or less. The smoothness can enhance the design of the surface of the metal tube.
  • the ultrasonic impact treatment can increase the surface hardness by 10% or more compared to the surface hardness of the surface not subjected to the ultrasonic impact treatment.
  • the ultrasonic impact treatment reduces the tensile residual stress from 50% or less of the tensile strength to the compression range, and also reduces the residual tensile stress to 80% or less of the material's breaking strength. As a result, fracture toughness and fatigue strength can be improved.
  • the metal pipe has been described above, but the metal pipe is not limited to a round pipe, but may be a square pipe. That is, the ultrasonic impact treatment can be applied to a cold-worked portion of a rectangular metal tube or a cold-worked portion by a press or the like in which the same situation occurs.
  • the inner surface and the inner surface or the outer surface are subjected to the ultrasonic impact treatment only on the portion having the curvature in the above-mentioned cold-working corner portion, so that the surface hardness is reduced. 10% or more, and the tensile residual stress in the main load acting direction on the surface is reduced to 50% or less of the tensile strength to increase the crushing toughness and fatigue strength. Metal products can be obtained.
  • the steel material was bent to produce a BR steel pipe, which was then subjected to ultrasonic impact treatment. Then, after ultrasonic treatment, a part of the steel pipe was cut out to prepare a fatigue test piece and a micro test piece.
  • Table 1 shows the steel materials used, and Table 2 shows the bending specifications and fatigue test results, as well as the measured grain size and hardness.
  • Table 2 shows the steel types ⁇ and B shown in Table 1 for the steel pipe plate thickness t: 12 mm, bending radius R: 60 mm, steel tube plate thickness t: 12 mm, bending radius R: 120 mm
  • the fatigue limit and the particle size in the case where the ultrasonic impact treatment was not performed and the case where the treatment was performed on the outer surface or the inner surface and the outer surface were shown.
  • the toughness and fatigue strength in the surface of a metal product are improved, and a metal product with a long life can be manufactured. Therefore, the present invention contributes to the development of metal product manufacturing technology.

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Abstract

金属の冷間曲げ加工部における引張側の表面に超音波衝撃処理を施すことにより、表面硬さを、超音波衝撃処理を施さない表面の表面硬さより１０％以上増加させ、かつ、引張残留応力を低減して、破壊靭性および疲労強度を向上させることを特徴とする超音波衝撃処理による冷間加工部の強度向上方法。

Description

明 細 書 超音波衝撃処理による冷間加工部の強度向上方法および破壌靱性お よび疲労強度の高い金属製品
〔技術分野〕
本発明は、 超音波衝擊処理による冷間加工部の強度向上方法およ びその方法を適用して製造した破壊靭性および疲労強度の高い金属 製品に関する。
〔背景技術〕
近年、 高性能化、 高機能化、 軽量化、 低コス ト化等を推進するた めに、 構造部材に使用する鋼の高強度化が進んでいる。 しかし、 例 えば、 船舶、 海洋構造物、 橋梁などの、 使用期間中に繰り返し荷重 を受ける構造物においては、 通常、 高強度化に伴い構造部材に発生 する応力が高くなり、 金属疲労の問題が顕在化する場合も多い。 それ故、 この金属疲労問題で、 鋼の高強度化が制限される場合も ある。
一般に、 構造物において疲労き裂が問題となる箇所は、 主と して 、 応力集中部や溶接部であるが、 その他、 冷間加工部や切断面でも 疲労き裂がしばしば問題となる。
通常、 このよ うな冷間加工や切断端面には、 溶接部と同様に、 大 きな引張残留応力が存在する。 また、 このよ う な部位には、 しばし ばノ ツチなどの応力集中部が存在する場合がある。
さらに、 ガス切断などの熱を与える切断法では、 急熱急冷によ り 、 切断面に著しく硬くて脆い組織が形成され易く、 そのような組織 が形成された部位は、 母材部より も疲労強度が著しく低いのが通例 である。
特に、 薄板の加工においては、 多くの場合、 プレスなどの冷間曲 げ加工を用い、 そして、， 切断においては、 疲労強度が低下すること が指摘されているシヤーリ ングを用いるので、 溶接部以外における 冷間加工部や切断部において疲労強度を確保することが必要になる また、 厚板にあっても、 ラインパイプ等のベンドロール加工され る鋼管用の素材については、 加工後の溶接性や破壊靭性を確保しな がら高強度化を進めることが求められている。
しかしながら、 冷間加工においては、 一般に、 冷間加工時の歪み によって金属材料の破壊靭性が低下する。 特に、 銅材の種類によつ ては、 圧縮側での靱性低下が顕著である。 この被壌靭性の低下を防 止するため、 冷間曲げ加工時に与える歪みの量毎に、 鋼材の必要靭 性が規定されている。
また、 曲げ加工によって、 通常、 引張側に大きな残留応力が働く が、 この応力によって、 疲労などによって発生したき裂が、 著しく 速く進展する。 このよ うな、 冷間加工部に存在する引張残留応力を 改善する一般的な技術は存在しない。
しかし、 他の部位における引張残留応力を改善する法と しては、 ショ ッ トピーニング処理が知られている （ 「浸炭焼入れの実際」 第
2版、 日刊工業新聞社発行 （浸炭鋼のショ ッ ト ピーニング） （ 1 9 9 9年 2月 2 6 日） 、 参照） 。
上述したような、 冷間加工部における問題を解決するため、 まず 、 破壤靱性については、 冷間加工に供する前の母材の靱性を、 必要 レベルまで高くするという対策が取られている。
しかしながら、 一般に、 金属材科は、 高強度になると脆くなるの で、 高靭性の高強度材を造るためには、 コス トの高い成分やプロセ スが必要になる。 . そして、 将来的に、 さ らに高強度化が進むと、 コス トをかけても 、 必要な靱性を確保することができない可能性もある。
引張残留応力の課題を解決するために用いるショ ッ トピーニング 処理は、 金属の表面に高速で鋼の粒子を衝突させて金属表面を加工 する方法で、 この方法を用いることによ り、 表面硬さや圧縮残留応 力の改善を図ることができる。 しかし、 ショ ッ トピーニング処理で 残留応力を改善できる範囲は、 表面から、 せいぜい 3 0 0 μ mほど の深さまでであり、 ショ ッ トピーニング処理によるき裂進展抑制効 果は限定されたものとなる。
それ故、 ショ ッ トピーユング処理は、 き裂進展抑制効果の点で必 ずしも十分な方法ではなく、 また、 大きな機械と処理対象物を入れ るためのチャンパ一が必要となるので、 大型の対象物を処理するの は困難である。
また、 ショ ッ ト ピーユング処理は、 処理対象場所の選択性が低い ので、 処理を施したい鋼板面のみを処理することは不可能である。 即ち、 ショ ッ トピーニング処理は、 時には、 処理を施す必要のない 部位に処理痕を残し、 金属製品の外観を損ねるので、 意匠性が要求 される対象物には使用できない等の問題を抱えている。
〔発明の開示〕
上述したような問題を解消するために、 本発明者は鋭意開発を進 め、 その結果、 超音波衝搫処理により、 衝撃エネルギーを処理対象 金属の加工部における引張側表面または圧縮側表面に与えると、 該 加工部における引張側表面または圧縮側表面において、 引張側の残 留応力を緩和し、 および/または、 圧縮側の残留応力を緩和すると ともに、 金属組織を微細化して破壊靭性および疲労強度を高めるこ とができることを見い出した。
本発明は、 上記知見に基づいてなされたもので、 その要旨は、 以 下のとおりである。
( 1 ) 金属の冷間曲げ加工部における引張側の表面に超音波衝撃 処理を施すことによ り、 表面硬さを、 超音波衝撃処理を施さない表 面の表面硬さよ り 1 0 %以上増加させ、 かつ、 引張残留応力を低減 して、 破壊靭性および疲労強度を向上させることを特徴とする超音 波衝撃処理による冷間加工部の強度向上方法。
( 2 ) 金属の冷間曲げ加工部における圧縮側の表面に超音波衝撃 処理を施すことによ り、 金属表面を、 中心線平均粗さ R a ( J I S
B 0 6 0 1 ) で 1 0 m以下に平滑化し、 また、 表面硬さを、 超 音波衝撃処理を施さない表面の表面硬さよ り 1 0 %以上増加させ、 かつ、 引張残留応力を、 引張強度の 5 0 %以下から圧縮の範囲まで 緩和して、 破壌靱性および疲労強度を向上させることを特徴とする 超音波衝撃処理による冷間加工部の強度向上方法。
( 3 ) 金属の冷間曲げ加工部における圧縮側の表面に超音波衝撃 処理を施すことによ り、 金属表面を、 中心線平均粗さ； aで 1 0 μ m以下に平滑化し、 かつ、 上記加工部における引張側の引張残留応 力を、 金属の破断強度の 8 0 %以下に緩和して、 意匠性、 並びに、 破壊靭性および疲労強度を向上させることを特徴とする超音波衝撃 処理による冷間加工部の強度向上方法。
( 4 ) 金属の冷間曲げ加工部における引張側の表面に、 先端が凹 部をなすピンで超音波衝撃処理を施すこ とによ り、 表面硬さを、 超 音波衝撃処理を施さない表面の表面硬さよ り 1 0 %以上増加させ、 かつ、 引張残留応力を、 引張強度の 5 0 %以下から圧縮の範囲まで 緩和して、 意匠性、 並びに、 破壊靱性および疲労強度を向上させる ことを特徴とする超音波衝撃処理による冷間加工部の強度向上方法 ( 5) 冷間加工によって形成された金属製品において、 金属製品 の内面および/または外面に超音波衝撃処理を施し、 表面硬さを、 超音波衝撃処理を施さない表面の表面硬さよ り 1 0 %以上増加させ 、 かつ、 表面における主な荷重作用方向での引張残留応力を、 引張 強度の 50 %以上低減したことを特徴とする破壌靭性および疲労強 度の高い金属製品。
(6) 前記金属製品が金属管であることを特徴とする、 前記 （5 ) に記載の破壊靭性および疲労強度の高い金属製品。
( 7 ) 前記金属製品が角型金属管であることを特徴とする前記 （ 5) に記載の破壊靭性および疲労強度の高い金属製品。
(8) 前記角型金属管の冷間加工部において、 曲率を有する部分 の内面および Zまたは外面に超音波衝撃処理を施し、 表面硬さを、 超音波衝擊処理を施さない表面の表面硬さよ り 1 0 %以上増加させ
、 かつ、 表面における主な荷重作用方向での引張残留応力を、 引張 強度の 50 %以上低減したことを特徴とする前記 （7) に記載の破 壊靭性および疲労強度の高い金属製品。
(9) 前記金属製品において、 板厚 t と曲げ加工半径 Rの比 RZ tが 1 5以下であることを特徴とする前記 （5) 〜 （8) のいずれ かに記載の金属製品。
〔図面の簡単な説明〕
図 1は、 冷間曲げ加工により金属平板から金属管を製造する工程 を示す図である。
図 2は、 金属管の内外面に超音波衝撃処理を施す態様を示す図で ある。 （a) は、 金属管の内外面に超音波衝撃処理を施す態様を示 し、 （b) は、 金属管のしわ状内面に超音波衝撃処理を施す態様を 示し、 （ c ) は、 金属管の外面に、 先端が凹部をなす超音波振動子 で超音波衝撃処理を施す態様を示す。
図 3は、 金属管の外周面位置と表面粗さとの関係を示す図である
〔発明を実施するための最良の形態〕
以下、 本発明について図面に従って詳細に説明する。
図 1は、 冷間曲げ力 pェにょ り金属平板から金属管を製造する工程 を示す図である。 図に示すよ うに、 金属平板 1 を冷間曲げ加工して パイプ形状 2 と した後、 ガスアーク溶接等で溶接 4 と して金属管 3 を製造する。 '
この場合、 一般に、 金属管 3の表面側には引張残留応力が生じ、 一方、 金属管 3の内面側には圧縮残留応力が働く。
さらに、 金属管 3の内面には、 図 2 ( b ) に示すように、 圧縮塑 性変形に伴う しわ状の表面が形成されることがある。 金属材料は、 冷間加工によって、 あまりに多くの圧縮ひずみを受けると、 その後 、 その圧縮ひずみの弾性ひずみ分が反発して、 元の状態に戻ろう と する、 スプリ ングバック という現象が起きる。
その時、 金属管の内側に形成されたしわがき裂の起点となり、 脆 性破壊が生じることがある。
近年、 特に、 鋼材については、 圧縮塑性ひずみの方が、 引張塑性 ひずみに比べ、 よ り靱性を低下させることが判明している。 それ故 、 鋼管や角形鋼管の製造においては、 圧縮側である内面からき裂が 発生することを防止しなければならない。
一方、 金属管外面の引張側には、 内面側と異なり、 冷間加工によ り、 き裂の起点はそれほど入らない。 かりに、 冷間加工前に傷 （き 裂） が入っていても、 冷間加工の過程で脆性破壊が生じなければ、 そのときに付与される塑性ひずみによって、 き裂の先端は鈍化し、 むしろ、 脆性破壊は生じにく くなる。
しかしながら、 もともと、 金属管の外面には大きな引張残留応力 が存在するので、 冷間加工終了後に、 他の物体との衝突等によ り傷 が付いた場合、 または、 溶接部に割れや深いノ ッチが生じた場合は 、 き裂の進展は早くなり、 脆性破壌の可能性も高くなる。
また、 通常、 溶接部近傍では熱影響によ り結晶粒が粗大化し、 靭 性が溶接前の靭性よ り著しく低下するので、 脆性破壌の危険性は、 溶接部近傍でよ り顕著である。
このような現象は、 薄板をプレスで加工した部品においても、 同 様に生じる。 即ち、 薄板加工部品においては、 曲げ量の大きな部分 が割れ易く、 また、 同部分が、 使用時に疲労破壌の箇所となり易い 本発明者は、 管の内外表面に発生した引張残留応力および圧縮残 留応力を緩和する手法を検討した。 その結果、 本発明者は、 少なく とも、 外表面から超音波衝撃処理を施すと、 引張残留応力を緩和で きることを見出した。
この処理によって、 引張側の表面における引張残留応力を、 少な く とも、 材料の降伏強度の 5 0 %以下に緩和し、 加工表面の疲労強 度を向上させることができる。
また、 上記処理を圧縮側から行った場合も、 表面に与える塑性変 形による再分配効果や、 引張側の表面にまで伝達する衝撃や超音波 のエネルギーによる応力緩和効果によって、 引張側の残留応力を、 素材の降伏応力の 8 0 %以下まで緩和することができる。
また、 超音波衝撃処理においては、 該処理によ り、 最表面に 1 0 0 %を超える非常に大きな加工度が与えられると同時に、 加工熱お よび材料と超音波振動ピンの摩擦熱によ り、 温度が 6 0 0 °C以上に 上昇する。 このため、 特に、 鋼材においては、 高いレベルでの低温 圧延と同様の状態となる。
これは、 近年開発が進められている超鉄鋼材料と同様のプロセス を処理部最表面部で実施することであり、 この実施により、 最表面 に、 表面から 3 0〜 1 0 0 μ Π1の深さの範囲で、 粒径が Ι μ ΠΙ以下 に細粒化された領域が形成される。
即ち、 普通鋼材の表面に、 超鉄鋼の薄い膜が形成されているよ う な状況となる。
超鉄鋼は、 同じ成分の鋼材と比較して、 強度は倍であり、 また、 細粒化によ り、 はるかに高い靭性を持つ。 したがって、 金属材料に は、 温間加工によって多くの転位が導入され、 さらに、 この超鉄鋼 と同様の効果により、 金属材料の硬さはよ り増大する。
この特殊な層は、 厚さが薄いので、 該層による硬化の程度は、 計 測の仕方にもよるが、 マイク ロ · ビッカース等による計測で、 1 0
%以上の硬化を確認できる。 また、 この最表面部に関しては、 靭性 も向上していると予想される。
このよ うな効果は、 特に、 管の板厚 t と曲げ加工半径 R (内法） の比 R Z t が 1 5以下の場合に著しく、 その結果、 材料の持つ破壊 靭性値が、 大きく低下する。 したがって、 普通鋼材の表面に超鉄鋼 の薄い膜を形成するという手法は、 材料の元々の靱性値を向上させ るという従来の手法に比較して、 特に有用である。
図 2に、 金属管の内外面に、 超音波振動子 5で超音波衝撃処理を 施す態様を示す。 図 2 ( a ) に、 金属管の内外面に超音波振動子 5 で超音波衝撃処理を施す態様を示す。
図 2 ( b ) には、 圧縮残留応力が生じてシヮ状態 6 となった金属 管の内面に、 例えば、 振幅 2 0〜 6 0 μ m、 周波数 1 9〜 6 0 k H z、 出力 0 . 2〜 3 k Wの超音波衝擊処理を施して、 金属表面を、 中心線平均粗さ R aで 1 0 μ m以下に平滑化する態様を示す。
図 2 ( c ) には、 金属管の外面に、 先端が凹部 7をなす超音波振 動子 5 で超音波衝撃処理を施す態様を示す。 この処理によ り表面硬 さを、 超音波衝撃処理を施さない表面の表面硬さより 1 0 %以上増 加させ、 かつ、 引張残留応力を、 引張強度の 5 0 %以下から圧縮の 範囲まで緩和することができる。
図 3に、 金属管の外周面位置と表面粗さとの関係を示す。 図に示 すように、 冷間加工した金属管外周面においては、 凹凸が大きい。 このよ うな外周面に超音波衝擊処理を施すことにより、 金属板表面 の小さなノ ツチを、 中心線平均粗さ R a で 1 0 μ m以下に平滑化す ることができる。 そして、 この平滑化により、 金属管の表面の意匠 性を高めることができる。
また、 超音波衝撃処理によ り、 表面硬さを、 超音波衝撃処理を施 さない表面の表面硬さと比較して 1 0 %以上増加させることができ る。 さ らに、 超音波衝撃処理によ り、 引張残留応力を、 引張強度の 5 0 %以下から圧縮の範囲まで緩和するとともに、 引張残留応力を 、 材料の破断強度の 8 0 %以下に緩和して、 破壊靭性および疲労強 度を向上させることができる。
以上、 金属管について説明したが、 金属管は、 丸管に限定される ことなく、 角型管でもよい。 即ち、 角型金属管の冷間加工部や、 そ れと同様の状況が生じるプレスなどによる冷間加工部にも、 超音波 衝撃処理を適用できる。
この場合、 上記冷間加工角部において曲率を有する部分のみに、 内面およびノまたは外面に超音波衝撃処理を施すことによ り、 表面 硬さを、 超音波衝撃処理を施さない表面の表面硬さよ り 1 0 %以上 増加し、 かつ、 表面における主な荷重作用方向での引張残留応力を 、 引張強度の 5 0 %以下に低減して、 破壌靭性および疲労強度の高 い金属製品を得ることができる。
〔実施例〕
以下、 本発明について実施例によつて具体的に説明する。
鋼材に曲げ加工を行って B R鋼管を作製し、 その後、 超音波衝撃 処理を施した。 その後、 超音波処理後に鋼管の一部を切り出して、 疲労試験片および、 ミクロ試験片を作製した。
破壌靱性を直接計測することは困難なので、 ミクロ試験で粒径を 測定し、 その粒径を靭性のパラメータと した （例えば、 製鉄研究 N o . 3 2 7 「微細分散した T i酸化物による H S L A鋼 H A Zの靭 性改善」 の図 7では、 靱性 （遷移温度） と粒径は、 y =— 1 0 5 9 ( χ 0· 5 ) + 4 0 〔 yは遷移温度、 Xは粒径〕 、 という関係にある ) 。 硬さもミクロ試験で計測した。
表 1に、 使用鋼材を示し、 また、 表 2に、 曲げ加工のスペック と 疲労試験結果、 および、 計測した粒径と硬さを示す。
O C
表 1 O C 鋼 板厚 靭性 Y S T S E L 種 (mm) ( J ) (M P a ) (M P a ) (%)
A 12 245 424 522 28
B 12 150 349 520
表 2
Figure imgf000012_0001
表 2に、 表 1に示す鋼種 Αと Bについて、 鋼管板厚 t ： 1 2 m m 、 曲げ加工半径 R ： 6 0 m mと、 鋼管板厚 t ： 1 2 m m、 曲げ加工 半径 R ： 1 2 0 m mのそれぞれの場合において、 超音波衝撃処理を 施さない場合と、 該処理を外面または内面と外面に施した場合にお ける疲労限と粒径を示した。
表 2から、 超音波衝撃処理を施さない場合の疲労限および靭性は 劣っているが、 上記処理を外面または内面と外面に施した場合の疲 労限および靭性は優れていることが解かる。
特に、 超音波衝撃処理を内面と外面に施した場合は、 該処理を外 面のみの場合に比較して、 疲労限および靭性がより優れている。 ま た、 硬さについても、 超音波衝撃処理を施すことによ り、 向上が図 られている。
〔産業上の利用可能性〕
本発明によれば、 金属製品の表面における破壌靭性および疲労強 度を向上せしめ長寿命の金属製品を製造することができる。 よって 本発明は金属製品製造技術の発展に貢献する。

Claims

1 . 金属の冷間曲げ加工部における引張側の表面に超音波衝撃処 理を施すことにより、 表面硬さを、 超音波衝撃処理を施さない表面 の表面硬さより 1 0 %以上増加させ、 かつ、 引張残留応力を低減し て、 破壊靭性および疲労強度を向上させることを特徴とする超音波 青
衝撃処理による冷間加工部の強度向上方法。
2 . 金属の冷間曲げ加工部における圧縮側の表面に超音波衝撃処 理を施すことにより、 金属表面をの、 中心線平均粗さ R aで 1 0 μ m 以下に平滑化し、 また、 表面硬さを、 超音波衝撃処理を施さない表 面の表面硬さよ り 1 0 %以上増加させ、 か囲つ、 引張残留応力を、 引 張強度の 5 0 %以下から圧縮の範囲まで緩和して、 破壊靭性および 疲労強度を向上させることを特徴とする超音波衝撃処理による冷間 加工部の強度向上方法。
3 . 金属の冷間曲げ加工部における圧縮側の表面に超音波衝撃処 理を施すことによ り、 金属表面を、 中心線平均粗さ R aで 1 0 μ m 以下に平滑化し、 かつ、 上記加工部における引張側の引張残留応力 を、 金属の破断強度の 8 0 %以下に緩和して、 意匠性、 並びに、 破 壌靭性および疲労強度を向上させることを特徴とする超音波衝撃処 理による冷間加工部の強度向上方法。
4 . 金属の冷間曲げ加工部における引張側の表面に、 先端が凹部 をなすピンで超音波衝撃処理を施すことによ り、 表面硬さを、 超音 波衝撃処理を施さない表面の表面硬さより 1 0 %以上増加させ、 か つ、 引張残留応力を、 引張強度の 5 0 %以下から圧縮の範囲まで緩 和して、 意匠性、 並びに、 破壌靱性および疲労強度を向上させるこ とを特徴とする超音波衝撃処理による冷間加工部の強度向上方法。
5 . 冷間加工によって形成された金属製品において、 金属製品の 内面および/または外面に超音波衝撃処理を施し、 表面硬さを、 超 音波衝撃処理を施さない表面の表面硬さよ り 1 0 %以上増加させ、 かつ、 表面における主な荷重作用方向での引張残留応力を引張強度 の 5 0 %以上低減したことを特徴とする破壊靭性および疲労強度の 高い金属製品。
6 . 前記金属製品が金属管であるこ とを特徴とする、 請求の範囲 5に記載の破壊靱性および疲労強度の高い金属製品。
7 . 前記金属製品が角型金属管であることを特徴とする請求の範 囲 5に記載の破壊靭性および疲労強度の高い金属製品。
8 . 前記角型金属管の冷間加工部において、 曲率を有する部分の 内面および/または外面に超音波衝撃処理を施し、 表面硬さを、 超 音波衝撃処理を施さない表面の表面硬さよ り 1 0 %以上増加させ、 かつ、 表面における主な荷重作用方向での引張残留応力を、 引張強 度の 5 0 %以上低減したことを特徴とする請求の範囲 7に記載の破 壊靭性および疲労強度の高い金属製品。
9 . 前記金属製^において、 板厚 t と曲げ加工半径 Rの比 t が 1 5以下であることを特徴とする請求の範囲 5〜 8のいずれかに 記載の金属製品。
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