專利名稱：利用超聲波沖擊處理提高冷加工部的強(qiáng)度的方法及破壞韌性和疲勞強(qiáng)度高的金屬制品的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用超聲波沖擊處理提高冷加工部的強(qiáng)度的方法，及采用該方法制造的破壞韌性及疲勞強(qiáng)度高的金屬制品背景技術(shù)近年來，為了推進(jìn)高性能化、高功能化、低成本化等，結(jié)構(gòu)構(gòu)件所用鋼的高強(qiáng)度化正取得進(jìn)展。但是，例如，在船舶、海上結(jié)構(gòu)物、橋梁等在使用期間反復(fù)接受負(fù)載的結(jié)構(gòu)物中，通常，隨著高強(qiáng)度化，在結(jié)構(gòu)構(gòu)件上產(chǎn)生的應(yīng)力增高，多出現(xiàn)金屬疲勞顯著化的問題。
因此，因該金屬疲勞問題，有時(shí)也限制鋼的高強(qiáng)度化。
一般，在結(jié)構(gòu)物中，疲勞裂紋成為問題的地方，主要是應(yīng)力集中部或焊接部，但除此以外，在冷加工部或切斷面，疲勞裂紋也屢屢成為問題。
通常，在這樣的冷加工部或切斷端面，與焊接部一樣，存在大的拉伸殘余應(yīng)力。此外，在這樣的部位，有時(shí)屢屢存在切口等應(yīng)力集中部。
進(jìn)而，在氣體切斷等施熱的切斷法中，因急熱急冷，容易在切斷面顯著形成硬而脆的組織，形成這樣的組織的部位，一般與母材部相比，疲勞強(qiáng)度顯著降低。
尤其，在薄板的加工中，由于多采用沖壓等冷彎加工，另外在切斷中，采用被認(rèn)為是降低疲勞強(qiáng)度的剪切機(jī)，因此在焊接部以外的冷加工部或切斷部，需要確保疲勞強(qiáng)度。
此外，即使是厚板，對(duì)于干線用管等彎管滾壓加工的鋼管用材料，也要求確保加工后的焊接性或破壞韌性的同時(shí)進(jìn)行高強(qiáng)度化。
但是，在冷加工中，一般，因冷加工時(shí)的變形，金屬材料的破壞韌性降低。尤其，因鋼材的種類，壓縮側(cè)的韌性降低顯著。為防止該破壞韌性的降低，按冷彎加工時(shí)設(shè)定的每一變形量，規(guī)定鋼材的所需韌性。
此外，通過彎曲加工，通常在拉伸側(cè)，大的殘余應(yīng)力發(fā)生作用，通過該應(yīng)力，因疲勞等而產(chǎn)生的裂紋顯著地快速進(jìn)展。目前還未有改進(jìn)這樣的存在于冷加工部的拉伸殘余應(yīng)力的普通的技術(shù)。
但是，作為改進(jìn)其它部位上的拉伸殘余應(yīng)力的方法，已知有噴丸硬化處理(參照，“滲碳淬火的實(shí)際”第二版，日刊工業(yè)新聞社發(fā)行(滲碳鋼的噴丸硬化處理)(1999年2月26日))。
為解決上述的冷加工部上的問題，首先，關(guān)于破壞韌性，采取將進(jìn)行冷加工前的母材的韌性提高到所需水平的對(duì)策。
但是，一般，由于金屬材料一達(dá)到高強(qiáng)度就變脆，因此為了制造高韌性的高強(qiáng)度材料，需要成本高的成分或工藝。
另外，將來，如果進(jìn)行更高的高強(qiáng)度化，即使增加成本，有可能也不能確保所需的韌性。
為解決拉伸殘余應(yīng)力的問題而采用的噴丸硬化處理，是通過高速地對(duì)金屬表面沖撞鋼的粒子，加工金屬表面的方法，采用該方法，能夠謀求改善表面硬度或壓縮殘余應(yīng)力。但是，能夠用噴丸硬化處理改善殘余應(yīng)力的范圍，充其量也就到300μm左右的深度，噴丸硬化處理產(chǎn)生的抑制裂紋進(jìn)展的效果具有限度。
因此，噴丸硬化處理，在抑制裂紋進(jìn)展的效果方面，未必是完美的方法，此外，由于需要裝入大型機(jī)械和處理對(duì)象物的容器，因此難于處理大型的對(duì)象物。
此外，噴丸硬化處理，由于處理對(duì)象的場所選擇性低，所以難以只處理想要實(shí)施處理的鋼板面。即，噴丸硬化處理有時(shí)在不需要實(shí)施處理的部位殘存處理的痕跡，損壞金屬制品的外觀，因此存在不能用于要求圖案設(shè)計(jì)性的對(duì)象物等的問題。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述的問題，本發(fā)明者進(jìn)行了深入研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，如果利用超聲波沖擊處理，對(duì)處理對(duì)象金屬的加工部上的拉伸側(cè)表面或壓縮側(cè)表面施加沖擊能，就在該加工部上的拉伸側(cè)表面或壓縮側(cè)表面，緩和拉伸側(cè)的殘余應(yīng)力，及/或緩和壓縮側(cè)的殘余應(yīng)力，同時(shí)使金屬組織微細(xì)化，從而能夠提高破壞韌性及疲勞強(qiáng)度。
本發(fā)明，是基于以上的發(fā)現(xiàn)而形成的，其要旨如下。
(1)一種利用超聲波沖擊處理提高冷加工部的強(qiáng)度的方法，其特征在于通過對(duì)金屬的冷彎加工部的拉伸側(cè)的表面實(shí)施超聲波沖擊處理，使表面硬度比未實(shí)施超聲波沖擊處理的表面的表面硬度增加10％以上，并且降低拉伸殘余應(yīng)力，提高破壞韌性及疲勞強(qiáng)度。
(2)一種利用超聲波沖擊處理提高冷加工部的強(qiáng)度的方法，其特征在于通過對(duì)金屬的冷彎加工部的壓縮側(cè)的表面實(shí)施超聲波沖擊處理，使金屬表面的中心線的平均粗度Ra(JISB0601)平滑到10μm以下，并且，使表面硬度比未實(shí)施超聲波沖擊處理的表面的表面硬度增加10％以上，將拉伸殘余應(yīng)力從抗拉強(qiáng)度的50％以下緩和到壓縮的范圍，并提高破壞韌性及疲勞強(qiáng)度。
(3)一種利用超聲波沖擊處理提高冷加工部的強(qiáng)度的方法，其特征在于通過對(duì)金屬的冷彎加工部的壓縮側(cè)的表面實(shí)施超聲波沖擊處理，使金屬表面的中心線平均粗度Ra平滑到10μm以下，并且，將所述加工部的拉伸側(cè)的拉伸殘余應(yīng)力，緩和到金屬的破斷強(qiáng)度的80％以下，提高圖案設(shè)計(jì)性以及破壞韌性和疲勞強(qiáng)度。
(4)一種利用超聲波沖擊處理提高冷加工部的強(qiáng)度的方法，其特征在于通過用前端形成凹部的針，對(duì)金屬的冷彎加工部的拉伸側(cè)的表面實(shí)施超聲波沖擊處理，使表面硬度比未實(shí)施超聲波沖擊處理的表面的表面硬度增加10％以上，并且，將拉伸殘余應(yīng)力從抗拉強(qiáng)度的50％以下緩和到壓縮的范圍，提高破壞韌性及疲勞強(qiáng)度。
(5)一種破壞韌性及疲勞強(qiáng)度高的金屬制品，其特征在于在冷加工形成的金屬制品中，對(duì)金屬制品的內(nèi)面及/或外面，實(shí)施超聲波沖擊處理，使表面硬度比未實(shí)施超聲波沖擊處理的表面的表面硬度增加10％以上，并且，使表面的在主要的負(fù)載作用方向的拉伸殘余應(yīng)力降低抗拉強(qiáng)度的50％以上。一種利用超聲波沖擊處理提高冷加工部的強(qiáng)度的方法，其特征在于通過對(duì)金屬的冷彎加工部上的拉伸側(cè)的表面實(shí)施超聲波沖擊處理，使表面硬度比未實(shí)施超聲波沖擊處理的表面的表面硬度提高10％以上，并且，能夠降低拉伸殘余應(yīng)力，提高破壞韌性及疲勞強(qiáng)度。
(6)如上述(5)所述的破壞韌性及疲勞強(qiáng)度高的金屬制品，其特征在于所述金屬制品是金屬管。
(7)如上述(5)所述的破壞韌性及疲勞強(qiáng)度高的金屬制品，其特征在于所述金屬制品是方型金屬管。
(8)如上述(7)所述的破壞韌性及疲勞強(qiáng)度高的金屬制品，其特征在于在所述方型金屬管的冷加工部上，對(duì)具有曲率的部分的內(nèi)面及/或外面實(shí)施超聲波沖擊處理，使表面硬度比未實(shí)施超聲波沖擊處理的表面的表面硬度提高10％以上，并且，使表面上的主要在負(fù)載作用方向的拉伸殘余應(yīng)力降低抗拉強(qiáng)度的50％以上。
(9)如上述(5)～(8)中任何一項(xiàng)所述的金屬制品，其特征在于在所述金屬制品中，板厚t和彎曲加工半徑R的比R/t在15以下。


圖1是表示利用冷彎加工，從金屬平板制造金屬管的工序的圖示。
圖2是表示對(duì)金屬管的內(nèi)外面實(shí)施超聲波沖擊處理的方式的圖示，(a)表示對(duì)金屬管的內(nèi)外面實(shí)施超聲波沖擊處理的方式，(b)表示對(duì)金屬管的折皺狀內(nèi)面實(shí)施超聲波沖擊處理的方式，(c)表示對(duì)金屬管的外面，用前端形成凹部的超聲波振子實(shí)施超聲波沖擊處理的方式。
圖3是表示金屬管的外周面位置和表面粗度的關(guān)系的圖示。
具體實(shí)施例方式
以下，參照附圖，詳細(xì)說明本發(fā)明。
圖1是表示利用冷彎加工，由金屬平板制造金屬管的工序的圖示。如圖所示，冷彎加工金屬平板1，形成管形狀2，然后，用氣體電弧焊接等，通過焊接4制造金屬管3。
在此種情況下，一般，在金屬管3的表面?zhèn)犬a(chǎn)生拉伸殘余應(yīng)力，另外，在金屬管3的內(nèi)側(cè)面，壓縮殘余應(yīng)力發(fā)生作用。
進(jìn)而，在金屬管3的內(nèi)面，如圖2(b)所示，有時(shí)形成伴隨壓縮塑性變形的折皺狀的表面。當(dāng)金屬材料因冷加工而接受太多的壓縮應(yīng)變時(shí)，其后，其壓縮應(yīng)變的彈性應(yīng)變部分就反彈，出現(xiàn)返回到原來的狀態(tài)的稱為彈性變形回復(fù)的現(xiàn)象。
此時(shí)，形成在金屬管的內(nèi)側(cè)的折皺成為裂紋的起點(diǎn)，有時(shí)產(chǎn)生脆性破壞。
近年來，尤其，對(duì)于鋼材，判明壓縮塑性變形與拉伸塑性應(yīng)變相比，更降低韌性。因此，在鋼管或方型鋼管的制造中，必須防止從壓縮側(cè)即內(nèi)側(cè)產(chǎn)生裂紋。
另外，在金屬管外面的拉伸側(cè)，與內(nèi)側(cè)面不同，不那么因冷加工而出現(xiàn)裂紋的起點(diǎn)。假設(shè)即使在冷加工前出現(xiàn)傷痕(裂紋)，如果在冷加工過程中不產(chǎn)生脆性破壞，通過此時(shí)賦予的塑性應(yīng)變，裂紋的前端鈍化，反而不易產(chǎn)生脆性破壞。
可是，本來，由于在金屬管的外面存在大的拉伸殘余應(yīng)力，因此在冷加工結(jié)束后，在因與其它物體的沖撞等而損傷的情況下，或在焊接部產(chǎn)生裂紋或深的切口的情況下，裂紋的進(jìn)展加快，脆性破壞的可能性也增大。
此外，通常，在焊接部附近，因結(jié)晶粒熱影響而粗大化，由于韌性比焊接前的韌性顯著降低，因此脆性破壞的危險(xiǎn)性在焊接部附近更顯著。
這樣的現(xiàn)象，即使在沖壓加工薄板而成的構(gòu)件上，也同樣產(chǎn)生。即，在薄板加工構(gòu)件上，彎曲量大的部分容易開裂，此外，該部分容易成為疲勞破壞的地方。
本發(fā)明者，研究了緩和發(fā)生在管的內(nèi)外表面上的拉伸殘余應(yīng)力及壓縮殘余應(yīng)力的方法。結(jié)果，本發(fā)明者發(fā)現(xiàn)，至少如果從外表面實(shí)施超聲波沖擊處理，能夠緩和拉伸殘余應(yīng)力。
通過該處理，可以使拉伸側(cè)的表面上的拉伸殘余應(yīng)力，至少緩和到材料的屈服強(qiáng)度的50％以下，能夠提高加工表面的疲勞強(qiáng)度。
此外，在從壓縮側(cè)進(jìn)行了上述處理的情況下，通過對(duì)表面施加塑性變形的再分配效果，或利用傳遞到拉伸側(cè)的表面的沖擊或超聲波的能量的應(yīng)力緩和效果，也能夠?qū)⒗靷?cè)的殘余應(yīng)力緩和到材料的屈服應(yīng)力的80％以下。
此外，在超聲波沖擊處理中，通過該處理，在最表面上實(shí)施超過100％的非常大的加工度，同時(shí)利用加工熱及材料和超聲波振動(dòng)針的摩擦熱，溫度上升到600℃以上。因此，尤其對(duì)于鋼材，形成與高水平的低溫壓延同樣的狀態(tài)。
這是在處理部的最表面部，實(shí)施與近年來開發(fā)的超鋼鐵材料同樣的工藝，通過該處理，在最表面上，在從表面到30～100μm的深度范圍內(nèi)，形成粒徑微細(xì)化到1μm以下區(qū)域。
即，成為在普通鋼材的表面上形成超鋼鐵薄膜的狀況。
超鋼鐵，與相同成分的鋼材相比，強(qiáng)度倍增，此外，通過微細(xì)化，具有高得多的韌性。因此，通過利用熱加工對(duì)金屬材料導(dǎo)入大量的位錯(cuò)，進(jìn)而利用與該超鋼鐵相同的效果，更加增大金屬材料的硬度。
該特殊的層，由于厚度薄，因此該層形成的硬化程度，因計(jì)測方法而不同，但在用顯微維氏硬度計(jì)等計(jì)測時(shí)，可以確認(rèn)10％以上的硬化。此外，關(guān)于該最表面部，可預(yù)想韌性得到提高。
這樣的效果，尤其在管的板厚t和彎曲加工半徑R(內(nèi)側(cè))的比R/t在15以下的情況下更顯著。其結(jié)果，材料具有的破壞韌性值大大降低。所以，對(duì)普通鋼材的表面形成超鋼鐵的薄膜的方法，與提高材料本來的韌性值的以往的方法相比，是特別有用的。
圖2是表示對(duì)金屬管的內(nèi)外面，用超聲波振子5實(shí)施超聲波沖擊處理的方式。圖2(a)表示對(duì)金屬管的內(nèi)外面，用超聲波振子5實(shí)施超聲波沖擊處理的方式。
圖2(b)，表示對(duì)產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力、形成折皺狀態(tài)6的金屬管的內(nèi)面，實(shí)施例如振幅20～60μm、頻率19～60kHz、功率0.2～3kW的超聲波沖擊處理，使金屬表面平滑為中心線平均粗度Ra在10μm以下的方式。
圖2(c)，表示對(duì)金屬管的外面，用前端形成凹部7的超聲波振子5實(shí)施超聲波沖擊處理的方式。通過該處理，能夠使表面硬度比未實(shí)施超聲波沖擊處理的表面的表面硬度提高10％以上，并且，將拉伸殘余應(yīng)力從抗拉強(qiáng)度的50％以下，緩和到壓縮的范圍，提高破壞韌性及疲勞強(qiáng)度。
圖3表示金屬管的外周面位置和表面粗度的關(guān)系。如圖所示，在冷加工的金屬管外周面上，凹凸大。通過對(duì)這樣的外周面實(shí)施超聲波沖擊處理，能夠使金屬板表面上的小的切口的中心線平均粗度Ra，平滑到10μm以下。另外，通過該平滑化，能夠提高金屬管的表面的圖案設(shè)計(jì)性。
此外，通過超聲波沖擊處理，與未實(shí)施超聲波沖擊處理的表面的表面硬度相比，能夠使表面硬度提高10％以上。進(jìn)而，通過超聲波沖擊處理，能夠?qū)⒗鞖堄鄳?yīng)力從抗拉強(qiáng)度的50％以下，緩和到壓縮的范圍，同時(shí)能夠?qū)⒗鞖堄鄳?yīng)力，緩和到材料的破斷強(qiáng)度的80％以下，能夠提高破壞韌性和疲勞強(qiáng)度。
以上，說明了金屬管，但金屬管并不局限于圓管，也可以是方型管。即，在方型金屬管的冷加工部或產(chǎn)生與其相同的狀況的管等的冷加工部等，也能夠應(yīng)用超聲波沖擊處理。
在此種情況下，通過只對(duì)在上述冷加工角部具有曲率的部分，對(duì)內(nèi)面及/或外面實(shí)施超聲波沖擊處理，能夠使表面硬度比未實(shí)施超聲波沖擊處理的表面的表面硬度提高10％以上，并且，將表面上的主要負(fù)載作用方向的拉伸殘余應(yīng)力降低到抗拉強(qiáng)度的50％以下。能夠得到提高破壞韌性和疲勞強(qiáng)度的金屬制品。
以下，通過實(shí)施例，具體說明本發(fā)明。
對(duì)鋼材進(jìn)行彎曲加工，制作BR鋼管，然后實(shí)施超聲波沖擊處理。然后，在超聲波處理后切下部分鋼管，制作疲勞試驗(yàn)片及微觀試驗(yàn)片。
由于直接計(jì)測破壞韌性困難，因此用微觀試驗(yàn)測定粒徑，以該粒徑作為韌性的參數(shù)(例如，在制鐵研究No.327“微細(xì)分散的Ti氧化物對(duì)HSLA鋼HAZ的韌性改善”的圖7中，韌性(遷移溫度)和粒徑，具有y＝-1059(x0.5)+40[y為遷移溫度、z為粒徑]的關(guān)系)。用微觀試驗(yàn)也計(jì)測了硬度。
表1中，示出使用的鋼材，此外，在表2中，示出彎曲加工的規(guī)范和疲勞試驗(yàn)的結(jié)果，及計(jì)測的粒徑和硬度。
表1

表2

在表2中，就表1所示的鋼種A和B，示出在鋼管板厚t12mm、彎曲加工半徑R60mm，和鋼管板厚t12mm、彎曲加工半徑R120mm的各自的情況下，在未實(shí)施超聲波沖擊處理時(shí)、和對(duì)內(nèi)面和外面實(shí)施該處理時(shí)的疲勞極限和粒徑。
從表2看出，未實(shí)施超聲波沖擊處理時(shí)的疲勞極限和韌性差，而對(duì)內(nèi)面和外面實(shí)施該處理時(shí)的疲勞極限和韌性優(yōu)異。
尤其，在對(duì)內(nèi)面和外面實(shí)施超聲波沖擊處理時(shí)，與只對(duì)外面實(shí)施該處理時(shí)相比，疲勞極限及韌性優(yōu)異。此外，關(guān)于硬度，通過實(shí)施超聲波沖擊處理，也能夠謀求提高。
根據(jù)本發(fā)明，能夠制造提高金屬制品表面的破壞韌性及疲勞強(qiáng)度的、長壽命的金屬制品。因此，本發(fā)明可為金屬制品制造技術(shù)的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種利用超聲波沖擊處理提高冷加工部的強(qiáng)度的方法，其特征在于通過對(duì)金屬的冷彎加工部的拉伸側(cè)的表面實(shí)施超聲波沖擊處理，使表面硬度比未實(shí)施超聲波沖擊處理的表面的表面硬度增加10％以上，并且降低拉伸殘余應(yīng)力，提高破壞韌性及疲勞強(qiáng)度。
2.一種利用超聲波沖擊處理提高冷加工部的強(qiáng)度的方法，其特征在于通過對(duì)金屬的冷彎加工部的壓縮側(cè)的表面實(shí)施超聲波沖擊處理，使金屬表面的中心線的平均粗度Ra平滑到10μm以下，并且，使表面硬度比未實(shí)施超聲波沖擊處理的表面的表面硬度增加10％以上，將拉伸殘余應(yīng)力從抗拉強(qiáng)度的50％以下緩和到壓縮的范圍，并提高破壞韌性及疲勞強(qiáng)度。
3.一種利用超聲波沖擊處理提高冷加工部的強(qiáng)度的方法，其特征在于通過對(duì)金屬的冷彎加工部的壓縮側(cè)的表面實(shí)施超聲波沖擊處理，使金屬表面的中心線平均粗度Ra平滑到10μm以下，并且，將所述加工部的拉伸側(cè)的拉伸殘余應(yīng)力，緩和到金屬的破斷強(qiáng)度的80％以下，提高圖案設(shè)計(jì)性以及破壞韌性和疲勞強(qiáng)度。
4.一種利用超聲波沖擊處理提高冷加工部的強(qiáng)度的方法，其特征在于通過用前端形成凹部的針，對(duì)金屬的冷彎加工部的拉伸側(cè)的表面實(shí)施超聲波沖擊處理，使表面硬度比未實(shí)施超聲波沖擊處理的表面的表面硬度增加10％以上，并且，將拉伸殘余應(yīng)力從抗拉強(qiáng)度的50％以下緩和到壓縮的范圍，提高破壞韌性及疲勞強(qiáng)度。
5.一種破壞韌性及疲勞強(qiáng)度高的金屬制品，其特征在于在冷加工形成的金屬制品中，對(duì)金屬制品的內(nèi)面及/或外面，實(shí)施超聲波沖擊處理，使表面硬度比未實(shí)施超聲波沖擊處理的表面的表面硬度增加10％以上，并且，使表面的在主要的負(fù)載作用方向的拉伸殘余應(yīng)力降低抗拉強(qiáng)度的50％以上。
6.如權(quán)利要求5所述的破壞韌性及疲勞強(qiáng)度高的金屬制品，其特征在于所述金屬制品是金屬管。
7.如權(quán)利要求5所述的破壞韌性及疲勞強(qiáng)度高的金屬制品，其特征在于所述金屬制品是方型金屬管。
8.如權(quán)利要求7所述的破壞韌性及疲勞強(qiáng)度高的金屬制品，其特征在于在所述方型金屬管的冷加工部上，對(duì)具有曲率的部分的內(nèi)面及/或外面實(shí)施超聲波沖擊處理，使表面硬度比未實(shí)施超聲波沖擊處理的表面的表面硬度增加10％以上，并且，使表面上的在主要負(fù)載作用方向的拉伸殘余應(yīng)力降低抗拉強(qiáng)度的50％以上。
9.如權(quán)利要求5～8中任何一項(xiàng)所述的金屬制品，其特征在于在所述金屬制品中，板厚t和彎曲加工半徑R的比R/t在15以下。
全文摘要
本發(fā)明提供一種利用超聲波沖擊處理提高冷加工部的強(qiáng)度的方法，通過對(duì)金屬的冷彎加工部上的拉伸側(cè)的表面實(shí)施超聲波沖擊處理，可使表面硬度比未實(shí)施超聲波沖擊處理的表面的表面硬度提高10％以上，并且，能夠降低拉伸殘余應(yīng)力，提高破壞韌性及疲勞強(qiáng)度。
文檔編號(hào)C21D7/00GK1714162SQ20038010359
公開日2005年12月28日 申請日期2003年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月18日
發(fā)明者富永知德, 松岡和巳, 本間宏二 申請人:新日本制鐵株式會(huì)社