JP2001303192A - ハイドロフォーミング性に優れる構造用電縫鋼管およびその製造方法 - Google Patents
ハイドロフォーミング性に優れる構造用電縫鋼管およびその製造方法Info
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Abstract
提供する。 【解決手段】 質量%で、C:0.001 〜0.01%未満、S
i:1.0 %以下、Mn:2.0%以下、P:0.15%以下、S:
0.015 %以下、Al:0.01〜0.10%、Nb:0.01〜0.10%、
B:0.001 〜0.010 %を含み、かつTi:0.10%以下、Z
r:0.10%以下のいずれか1種または2種を含有し、さ
らに、C、Nb、Ti、Zrは、(12/48)(Ti (%) /C
(%) )+(12/93)(Nb (%) /C (%) )+(12/91)
(Zr (%) /C (%) )の値が1.0 以上となる範囲で含
有し、必要により、Mo:0.002〜0.5 %およびCr:0.02〜
1.0 %のうちのいずれか1種または2種を含有し、残部
はFeおよび不可避的不純物からなる、熱延または冷延の
帯状素材を円筒状に成形した後、継目部を電気抵抗溶接
し、次いで、外周長の絞り率で0.3 〜10%のサイジング
を施す。
Description
材や足回り部材などに用いて好適な鋼管であって、とく
にハイドロフォーミングにおける成形加工性(ハイドロ
フォーミング性)に優れる構造用電縫鋼管およびその製
造方法に関する。
種々の断面形状をもつ中空部材を製造するには、従来、
鋼板のプレス加工によって成形した部品同士をその溶接
代であるフランジ部でスポット溶接して接合する方法が
採用されてきたが、品質の面でも、生産効率の面でも改
善が求められていた。一方、最近になり、構造用の中空
部材に対して、衝突時のより高い衝撃吸収能が求められ
るようになり、素材として用いられる鋼板が一層高強度
化してきた。このため、従来のプレス成形による方法で
は、成形欠陥がなく、また成形品の形状や寸法精度が良
好な部材を製造することが次第に困難になってきてい
る。
形方法として、最近、ハイドロフォーミングが注目され
ている。ハイドロフォーミングは、鋼管の内部に高圧液
体を注入して塑性加工を行う方法であり、鋼管の断面寸
法を拡管加工などにより変化させて、複雑形状部材の一
体成形をはかるとともに、強度・剛性を高める機能をも
つ優れた成形法である。ところで、ハイドロフォーミン
グに供される鋼管としては、一般に、C:0.20〜0.10%
の中、低炭素鋼からなる素材で製造した電縫鋼管が用い
られることが多い。
C量を含む電縫鋼管にハイドロフォーミングを施して
も、素材そのものの加工性がよくないために、十分な拡
管率が得られないという問題があった。なお、ハイドロ
フォーミングにおける拡管率を高めるには、管軸方向に
軸力を加える方法もあるが、この方法は管が長手方向に
大きく曲がっているようなデザインの管の成形の場合に
は有効ではない。一方、電縫鋼管の素材そのものの加工
性を高めるために、炭素量を著しく低減した極低炭素鋼
を素材に用いることが考えられる。しかし、従来の極低
炭素鋼を用いて製造した電縫鋼管は、延性には優れてい
るものの、溶接に起因した別の問題を生じていた。すな
わち、従来の極低炭素電縫鋼管では、鋼管製造時の電気
抵抗溶接で溶接部(溶接熱影響部)の結晶粒が粗大化し
て軟化して、拡管成形での変形が局部的に集中し、素材
がもつ高延性を十分に発揮できないこと、また、ハイド
ロフォームした部材を他の部材と溶接した場合にも、同
様な軟化が生じて部材として必要な静的強度や疲労強度
が得られなくなることなどである。
抱えていた上記問題を解消した、ハイドロフォーミング
に適した電縫鋼管についての新たな提案を行うものであ
る。とくに、この発明は、極低炭素鋼の優れた加工性を
損なうことなく、溶接による結晶粒の粗大化、軟化を抑
制した、ハイドロフォーミング性に優れる構造用電縫鋼
管を提供することを目的とする。また、本発明鋼管が目
指す具体的な目標特性は、(鋼管のTS)×(管端固定
条件での拡管率)で表したハイドロフォーミング性が 9
000 MPa・%以上であり、溶接部の軟化抵抗を表す指
標として用いる溶接部の最低硬さ(Hv(min))と鋼管素
材の硬さ(Hv(素材))との比Hv(min) /Hv(素
材)が0.90以上であるものとする。
達成するために、電縫鋼管の成分組成、製造方法などに
ついて種々の検討を重ねた。その結果、溶接による結晶
粒の粗大化、軟化を効果的に抑制するためには、NbとB
を複合添加するとともにTi、Zrのいずれか一方を添加す
ること、継ぎ目部を電気抵抗溶接して造管した後に絞り
率0.3 〜10%のサイジング(縮径)を行うことが有効で
あることを見いだした。本発明は上記知見を基にして完
成したものであり、その要旨構成は次のとおりである。
C:0.001 〜0.01%未満、Si:1.0 %以下、Mn:2.0 %
以下、P:0.15%以下、S:0.015 %以下、Al:0.01〜
0.10%、Nb:0.01〜0.10%、B:0.001 〜0.010 %を含
み、かつTi:0.10%以下、Zr:0.10%以下のいずれか1
種または2種を含有し、さらに、C、Nb、Ti、Zrは、
(12/48) {Ti(%)/C(%)}+(12/93) {Nb
(%)/C(%)}+(12/91) {Zr(%)/C
(%)}の値が1.0 以上となる範囲で含有し、残部はFe
および不可避的不純物の鋼組成からなる電縫鋼管であっ
て、管端固定条件のもとでのハイドロフォームによる拡
管率(%)と鋼管のTS(MPa)が、拡管率(%)×TS
(MPa)≧9000 MPa・%を満たすことを特徴とするハイド
ロフォーミング性に優れる構造用電縫鋼管。
成分のほか、さらに、Mo:0.002〜0.5%およびCr:0.02
〜1.0 %のうちのいずれか1種または2種を含有するこ
とを特徴とするハイドロフォーミング性に優れる構造用
電縫鋼管。
i:1.0 %以下、Mn:2.0 %以下、P:0.15%以下、
S:0.015 %以下、Al:0.01〜0.10%、Nb:0.01〜0.10
%、B:0.001 〜0.010 %を含み、かつTi:0.10%以
下、Zr:0.10%以下のいずれか1種または2種を含有
し、さらに、C、Nb、Ti、Zrは、 (12/48) {Ti(%)
/C(%)}+(12/93) {Nb(%)/C(%)}+
(12/91) {Zr(%)/C(%)}の値が1.0 以上とな
る範囲で含有し、必要により、Mo:0.002〜0.5 %および
Cr:0.02〜1.0 %のうちのいずれか1種または2種を含
有し、残部はFeおよび不可避的不純物からなる、熱延ま
たは冷延の帯状素材を円筒状に成形した後、継目部を電
気抵抗溶接し、次いで、外周長の絞り率で0.3 〜10%の
サイジングを施すことを特徴とするハイドロフォーミン
グ性に優れる構造用電縫鋼管の製造方法。
分の限定理由について説明する。 C:0.001 〜0.01% Cは、電縫鋼管の成形性を低下させる元素であるので、
0.01%未満の極低炭素領域とする。しかし、0.001 %に
満たないC含有量では、後述するNb、Bの複合添加によ
っても、溶接部の結晶粒の粗大化を抑制することが困難
になるので、C量は0.001 〜0.01%未満の範囲とする。
て添加する。しかし、1.0 %を超えて添加すると、添加
効果が飽和するだけでなく、2次加工脆化が生じやすく
なるので、1.0 %以下の範囲で添加する。
度を向上させるのに有効な元素であるが、2.0 %を超え
て添加すると、添加効果が飽和するだけでなく、2次加
工脆化が生じやすくなるので、Mn含有量は2.0 %以下と
する。
て添加すると、添加効果が飽和するだけでなく、2次加
工脆化が生じやすくなるので、0.15%以下の範囲で含有
させる。
なってハイドロフォーム時に鋼管を破断させる恐れがあ
る。このため、S量は低いほど耐バースト性が改善され
て、その効果は0.015 %以下であればあらわれる。な
お、耐バースト性の一層の向上には、好ましくは0.010
%以下、さらに好ましくは0.005 %以下に制限するのが
よい。
01%以上の添加が必要である。一方、0.1 %を超えて多
量に添加しても、その効果が飽和するだけでなく、かえ
って鋼板の表面欠陥を生じてしまう。よって、Alは0.01
〜0.10%の範囲で添加する。
接(電縫溶接)で生じた溶接熱影響部の結晶粒を微細化
し、軟化を抑制して、ハイドロフォーミング性を向上さ
せるのに有用な元素である。このような複合添加による
効果を示す実験結果を図1に示す。この実験では、鋼成
分をC:0.003 %、Si:0.05%、Mn:0.3 %、P:0.1
%、S:0.005 %、Al:0.04%、Ti:0.05%で、Nbを0.
005 %と0.015 %に、Bを0 〜0.0030%の範囲で種々変
えた、板厚2.0 mmの熱延鋼板から製造した電縫鋼管に
対して、後述する自由バルジ試験を行い、ハイドロフォ
ームによる拡管率を調査した。なお、電縫鋼管を製造す
るに当たっては、造管後に外周長の絞り率で2%のサイ
ジング(縮径)を行った。図1から、Nb、Bとも拡管率
を向上させる効果が見られるが、この効果はとくにNb:
0.015 %、B:0.0010%以上(10 ppm 以上) とすること
で顕著にあらわれることがわかる。このような、効果が
得られる理由は必ずしも明らかではないが、オーステナ
イトの粒成長が抑制されて、冷却時に粒界からのフェラ
イト変態を促進したことが考えられる。このようなNbの
添加効果は0.01%以上であらわれる。一方、0.10%を超
えて添加してもその効果が飽和し、コスト上不利となる
ので、Nbは0.01〜0.10%の範囲で添加する。
くに電縫溶接で生じた溶接熱影響部の結晶粒を微細化し
て、軟化を抑制し、ハイドロフォーミング性を向上させ
るのに有用な元素である。Bはオーステナイトの粒界に
偏析し、冷却速度が比較的小さいときでも、熱影響部で
は、高温でのフェライト変態が抑制されるために、微細
なフェライト粒や低温変態組織が形成されると思われ
る。このようなBの添加効果は0.001 %以上であらわれ
るが、0.010 %を超えて添加すると、熱間での割れが起
こりやすくなるので、Bは0.001 〜0.010 %の範囲で添
加する。
はその他の溶質元素を固定し、ハイドロフォーミング性
を向上させるのに有用な元素である。このような効果
は、Cとの原子比の合計が1.0 %以上となる添加、すな
わち、 (12/48){Ti(%)/C(%)}+(12/93)
{Nb(%)/C(%)}+(12/91) {Zr(%)/C
(%)}の値が1.0 以上の範囲で得られる。しかし、T
i、Zrのいずれも、それぞれ0.10%を超えて含有しても
その効果が飽和するだけでなく、鋼の熱間変形抵抗を増
大して製造性を阻害する。したがって、これらの元素は
上記範囲で添加する。
強度を向上させるのに有用な元素である。このような効
果は、Mo:0.002%以上、Cr:0.02%以上の添加で得られ
るが、Mo:0.5%、Cr:1.0 %を超えて添加しても、その
効果が飽和しコストの上昇を招くので、これら元素は上
記範囲で添加する。
する。鋼管の引張強度が小さいと、高い衝撃吸収能が得
られず、また、ハイドロフォームによる拡管率が小さい
と、ハイドロフォーミングにより成形できる形状が限定
されてしまう。本発明では、これらの2つの特性がバラ
ンスしていることが必要である。また、ハイドロフォー
ミングでは、管の両端から水等の液体を供給し、液圧に
より管の内面から変形を行うが、管の両端を固定する場
合(以下、管端固定という)と、管の両端から圧縮力を
加える場合(以下、管端圧縮という)とがある。一般
に、管端圧縮の方が高い拡管率を得ることができる。本
発明では、強度とハイドロフォーミング性とがバランス
していることが必要であることから、引張強度(MPa)×
拡管率(%)が管端固定の場合で 9000 MPa・%以上で
あるものとする。ここで拡管率は、外径do の鋼管を変
形部長さlc =2do として、管端から管内面に液体を
供給して液圧を負荷し、円形断面自由バルジ変形させ、
バーストした時の最大外径dmax より、(dmax −do
)/do ×100 で定義するものとする。本発明では、
拡管率が20%以上であることが、ハイドロフォーミング
を安定化させるうえで好ましい。
図3に示される金型2a,2bを、図4に示す構成のハ
イドロフオーミング加工装置を用いて、拡管を行なうこ
とにより実施できる。図2は金型の斜視図であり、図3
は金型の断面図である。金型2a,2bはそれぞれ、長
さ方向両端側は、鋼管の外径do に略等しい径の半筒状
面で構成される鋼管保持部3を有し、長さ方向中央部に
は、径dc =2do の半円筒状変形部4および傾斜角θ
=45°のテーパー状変形部5とよりなる変形部6を有
し、変形部6の長さlc がdo の2倍となっている、上
部金型2aおよび下部金型2bからなる。図4に示すよ
うに、この上部金型2aと下部金型2bとで、金型それ
ぞれの鋼管保持部3に鋼管1が嵌まるように、鋼管1を
挟み込む。この状態で、鋼管1の両端から該鋼管1の内
面側に、軸押シリンダ7aを介して水等の液体を供給し
て、液圧Pを付与し、円形断面自由バルジ変形させてバ
ーストした時の最大外径dmax を測定する。なお、図4
中の8、9はそれぞれ金型2a、2bが鋼管を挟み込ん
だ状態に保持しておくための、金型ホルダ、アウターリ
ングである。
下に測定するものとする。このため、管端が軸方向に移
動しないようにする必要があり、例えば、軸押シリンダ
7a、7bに鋼管1の両端をボルト締め等により固定す
るとともに、液圧負荷中に、軸押シリンダ7a、7bを
鋼管1の軸方向に移動しないように固定することにより
実施できる。
る。上述した成分組成にしたがう鋼を溶製した後、連続
鋳造法あるいは造塊−分塊法によりスラブとする。次い
でこのスラブを、熱間圧延により熱延鋼板とするか、熱
間圧延の後、さらに冷間圧延−焼鈍により冷延鋼板とす
る。このようにして得られた熱延鋼板または冷延鋼板を
素材として、ロール成形または曲げ加工により、ほぼ円
筒状の形に成形し、両幅端部同士を突き合わせた継目部
を電気抵抗溶接にて接合する。電気抵抗溶接に次いで、
外周長の絞り率で0.3 〜10%のサイジングを行う。サイ
ジングを行う目的は、電縫鋼管をハイドロフォーミング
に供するために、十分な形状精度を得ることと、材料変
形の均一性を確保することにある。このような目的を達
成するには、外周長の絞り率で少なくとも0.3 %は必要
であるが、10%を超えて行うと鋼管が顕著に加工硬化
し、ハイドロフォーミング性の低下を招いてしまう。し
たがって、電気抵抗溶接後は、外周長の絞り率で0.3 〜
10%のサイジングを行うものとする。
した。このスラブを1200℃に加熱後、熱間圧延して板厚
2.0 mmの熱延鋼板とするか、または、熱間圧延に引き
続き、酸洗−冷間圧延−連続焼鈍の工程により板厚2.0
mmの冷延鋼板とした。これらの熱延鋼板または冷延鋼
板を、円筒状に成形後、その継目部を電気抵抗溶接し
て、直径63.5mm、肉厚2.0 mmの鋼管とし、次いで外
周長の絞り率で2%のサイジング(縮径)を行った。
験片(JIS12号)を採取し、引張強度を求めた。ま
た、鋼管を、500 mmの長さに切断しハイドロフォーム
用の試験体とした。この試験体を図2〜図4に示したよ
うに、両端を拘束して管端部から水を供給して、水圧に
より円形断面自由バルジ変形させて、バーストしたとき
の最大の拡管率を求めた。ここで、金型寸法は、図3に
おけるlc が 127.0mm、dc が 127.0mm、rd が5
mm、lo が 550mm、θが45°のものとした。また、
試験体を変形させるに当たっては金型と試験体表面(外
周面)との間に粘度800 cst の潤滑剤を介在させた。そ
して、各電縫鋼管の特性は、拡管率だけでなく、素材強
度とのバランスを考慮して、強度×拡管率でも表した。
接により部品に組付ける場合を想定して、アーク溶接に
よる溶接部の強度を評価した。溶接条件は以下のとおり
とした。 ・溶接ワイヤ:JIS YGW15相当 ・溶接ワイヤ径:1.2 mm ・シールドガス:Ar−20体積%CO2 ・ガス流量:40 l/min ・溶接電流:200 〜220 A ・アーク電圧:18〜19V ・溶接速度:80〜100 cm/min ・被溶接材形状:電縫鋼管と板厚2mmの冷延鋼板(鋼
組成は電縫鋼管と同一)との突き合わせ溶接(図5参
照) ここに、静的強度、疲労強度は、ともに素材の硬度Hv
(素材)に対する溶接熱影響部(HAZ)の最軟化部の
硬度Hv (min)の比に依存することを確認したの
で、溶接部の強度として硬度の比、Hv (min)/H
v (素材)で評価した。
ら、本発明にしたがう電縫鋼管は、強度×拡管率が高
く、ハイドロフォーミング性が優れていることがわか
る。このような高い拡管率が得られたのは、電縫溶接時
の結晶粒の粗大化抑制により、溶接熱影響部の軟化が抑
えられたことによるものである。また、Hv (min)
/Hv (素材)も0.90以上であり、溶接による軟化は小
さいことがわかる。
サイジングの際の絞り率を0.1 〜12%の間で変化させた
場合の、拡管試験結果を表2に示す。表2より、サイジ
ング時の絞り率が0.3 〜10%の範囲内であると、TS×
拡管率が9000 MPa・%以上となることがわかる。
溶接熱影響部での軟化が抑制された結果、ハイドロフォ
ーミング性に優れる電縫鋼管を提供することできる。ま
た、本発明は、ハイドロフォーム後に、溶接する場合に
も、溶接熱影響部の軟化を抑制することにも効果をもた
らす。
る。
る。
る。
加工装置の構成の例を示す断面図である。
Claims (3)
- 【請求項1】 鋼組成が、質量%で C:0.001 〜0.01%未満、 Si:1.0 %以下、 Mn:2.0 %以下、 P:0.15%以下、 S:0.015 %以下、 Al:0.01〜0.10%、 Nb:0.01〜0.10%、 B:0.001 〜0.010 % を含み、かつ Ti:0.10%以下、 Zr:0.10%以下 のいずれか1種または2種を含有し、さらに、C、Nb、
Ti、Zrは、 (12/48) {Ti(%)/C(%)}+(12/
93) {Nb(%)/C(%)}+(12/91) {Zr(%)/
C(%)}の値が1.0 以上となる範囲で含有し、残部は
Feおよび不可避的不純物の鋼組成からなる電縫鋼管であ
って、管端固定条件のもとでのハイドロフォームによる
拡管率(%)と鋼管のTS(MPa)が、拡管率(%)×T
S(MPa)≧9000 MPa・%を満たすことを特徴とするハイ
ドロフォーミング性に優れる構造用電縫鋼管。 - 【請求項2】請求項1において、鋼組成が、上記成分の
ほか、さらに、Mo:0.002〜0.5 %およびCr:0.02〜1.0
%のうちのいずれか1種または2種を含有することを特
徴とするハイドロフォーミング性に優れる構造用電縫鋼
管。 - 【請求項3】 質量%で C:0.001 〜0.01%未満、 Si:1.0 %以下、 Mn:2.0 %以下、 P:0.15%以下、 S:0.015 %以下、 Al:0.01〜0.10%、 Nb:0.01〜0.10%、 B:0.001 〜0.010 % を含み、かつ Ti:0.10%以下、 Zr:0.10%以下 のいずれか1種または2種を含有し、さらに、C、Nb、
Ti、Zrは、 (12/48) {Ti(%)/C(%)}+(12/
93) {Nb(%)/C(%)}+(12/91) {Zr(%)/
C(%)}の値が1.0 以上となる範囲で含有し、必要に
より、Mo:0.002〜0.5 %およびCr:0.02〜1.0 %のうち
のいずれか1種または2種を含有し、残部はFeおよび不
可避的不純物からなる、熱延または冷延の帯状素材を円
筒状に成形した後、継目部を電気抵抗溶接し、次いで、
外周長の絞り率で0.3 〜10%のサイジングを施すことを
特徴とするハイドロフォーミング性に優れる構造用電縫
鋼管の製造方法。
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