JP2004238673A

JP2004238673A - 疲労強度に優れた鋼管部材及びその加工方法

Info

Publication number: JP2004238673A
Application number: JP2003028770A
Authority: JP
Inventors: Koji Seto; 厚司瀬戸
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2003-02-05
Filing date: 2003-02-05
Publication date: 2004-08-26

Abstract

【課題】疲労強度に優れたブラケット機能を有する鋼管部材を提供することを目的とする。
【解決手段】側面に開口部およびピン孔を少なくとも一つ有し、開口部の一部または全部が鋼管の側壁面における膨出部に位置し、長手方向のｒ値の平均が１．５以上及び／又はｎ値の平均が０．１５以上の鋼管から成り、前記鋼管が体積率で５０％以上のフェライトを含み、平均結晶粒径が１０μｍ以上であることを特徴とする疲労強度に優れた鋼管部材。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は自動車、船舶、橋梁、建設機械、建築構造物、海洋構造物、貯槽、各種プラント、ペンストック等で用いられる構造部材でブラケットを有する鋼管部材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車、建設機械、建築構造物等の鋼構造物では、図１３に示すように構造部材１０同士は連結部材５によりつながっていることが多く、構造部材１０は構造部材１０に取り付けられたブラケット１１とピン６を介して連結部材５に連結され、ブラケット１１はその構成要素であるフランジ１２が溶接により構造部材１０と接合される。したがって構造部材１０に発生した荷重は、構造部材１０から溶接部１３、ブラケット１１、ピン６、連結部材５の順に伝達されるが、このうちブラケット１１と構造部材１０の溶接部１３、特に溶接止端は応力集中が大きく、疲労き裂１４の発生起点となる。このため、構造部材１０へのブラケット１１の取り付け溶接部１３についていくつかの技術が提案されている。
例えば、特許文献１では自動車の液圧緩衝器におけるブラケット取り付け部の溶接を、円筒状把持部上方のみを溶接して疲労強度を向上させた構造が開示されている。
また、特許文献２では同じく自動車のアクセルハウジングとフレームを連結するトルクロッドのブラケットを対象として、フランジの両端部を中間部より突出させて、突出した両端部に挟まれた部分を溶接することにより始終端の応力集中を低減する取り付け構造が開示されている。
またさらに特許文献３では、同じく自動車の緩衝器を二重管にした上で外側の管にブラケットを溶接する構造が、特許文献４ではストラット保持部とブラケットを１体化した構造がそれぞれ提案されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−１９０３８０号公報
【特許文献２】
実開平２−１０７５０３号公報
【特許文献３】
特開平０３−２９２４２８号公報
【特許文献４】
特開平０８−５８３３０号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術のうち、まず特許文献１では、液圧緩衝器に取り付けるブラケット部材を、上方のみ溶接し、下方は溶接せずに圧入状態で外周面に巻きつけるように取り付けることにより、疲労破壊の防止を図った構造が開示されているが、構造部材へ開口部およびピン孔を加工した本発明の構造とは異なる構造である。
次に特許文献２では同じく自動車のアクセルハウジングとフレームを連結するトルクロッドのブラケットを対象として、ブラケット形状の改善および溶接位置の変更により溶接始終端の応力集中を低減する取り付け構造が開示されているが、溶接によりブラケットを取り付ける方法に変わりは無く、本発明のように開口部およびピン孔を施すことでブラケットの機能を持たせた鋼管とは異なる発明である。
図１３に示したように構造部材１０と連結部材５はブラケット１１の構成要素であるフランジ１２の端部により溶接されており、ブラケット１１と連結部材５の結合はピン６による場合が多く、ブラケット１１にはピンを通す孔３が設けられていることが多い。このピン６を介してブラケット１１に荷重が伝わり、構造部材１０とブラケット１１の溶接部１３を通じてさらに構造部材に荷重が伝わる。ブラケット１１と構造部材１０の溶接部１３は通常始終端を含む溶接であることが多く、構造的に始終端に応力が集中するだけでなく、始終端の溶接止端形状に依存した応力集中が重畳して疲労き裂１４が発生する。これら始終端の応力集中を低減するには、まず始終端局部の応力集中を低減させる方法として、特許文献２に記載しているような始終端の向きを変えるなどの構造が考えられるが、溶接ままでは始終端の止端形状は大きく変わらず、応力集中の低減はわずかである。
【０００５】
また同じく自動車の緩衝器を対象に、特許文献３では二重管かつ外側の管にブラケットを溶接する構造が、特許文献４ではストラット保持部とブラケットを１体化した構造がそれぞれ提案されているが、いずれも部材である緩衝器とは別にブラケットが溶接された外管もしくはブラケット機能を有する保持部が存在し、開口部とピン孔のみにより部材にブラケット機能を持たせた本発明とは異なる発明である。
疲労強度に優れたブラケット機能を有する鋼管部材を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の要旨とするところは、
（１）側壁面に開口部および対向する１対以上のピン孔を少なくとも一組有することを特徴とする疲労強度に優れた鋼管部材、
（２）開口部の一部または全部が鋼管の側壁面における膨出部に位置することを特徴とする上記（１）記載の疲労強度に優れた鋼管部材、
（３）長手方向のｒ値の平均が１．５以上及び／又はｎ値の平均が０．１５以上の鋼管から成ることを特徴とする上記（１）または（２）記載の疲労強度に優れた鋼管部材、
（４）体積率で５０％以上のフェライトを含み、平均結晶粒径が１０μｍ以上の鋼管から成ることを特徴とする上記（１）〜（３）のいずれか１項に記載の疲労強度に優れた鋼管部材、
（５）質量％で、
Ｃ：０．０００５〜０．５％、Ｓｉ：０．００１〜２．０％、Ｍｎ：０．０１〜３．０％、Ｐ：０．２％以下、Ｎ：０．０３％以下を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる鋼管を用いることを特徴とする上記（１）〜（４）のいずれか１項に記載の疲労強度に優れた鋼管部材、
（６）質量％で、さらに、
Ｔｉ：０．００１〜０．５％、Ｂ：０．０００１〜０．０１％、
Ｎｉ：０．００１〜１．５％、Ｃｕ：０．００１〜１．５％、
Ｃｒ：０．００１〜１．５％、Ｍｏ：０．００１〜１．５％、
Ｎｂ：０．００１〜０．５％、Ｖ：０．００１〜０．５％、
Ｃｏ：０．００１〜１．５％、Ｗ：０．００１〜１．５％、
Ａｌ：０．０００１〜１．５％、
の１種または２種以上を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる鋼管を用いることを特徴とする上記（５）記載の疲労強度に優れた鋼管部材、
（７）液体及び／又は気体を用いて、開口部の一部または全部が膨出部に位置するように加工し、同時またはその後に開口部およびピン孔を加工することを特徴とする（１）〜（６）の何れか１項に記載の鋼管部材の加工方法、
（８）開口部およびピン孔の加工前に鋼管に予加工を施すことを特徴とする（７）記載の鋼管部材の加工方法、
にある。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を詳細に説明する。
本発明の鋼管部材が疲労特性に優れているのは以下の理由による。
本発明者らは、図１３に示すようなブラケットと構造部材の接合部での応力集中を低減する構造を検討した結果、本発明では図１に示すように鋼管の側壁面に開口部２および対向する１対以上のピン孔３を少なくとも１組設けてブラケット機能を付与した鋼管１を構造部材に用いることにより、追加のブラケット部材が不要となるため、図２のようにピン６によって連結部材５を連結した場合、ピン孔３から構造部材１までの形状が滑らかになり、かつ溶接が無くなることにより、構造的および局部的応力集中が低減され、疲労強度に優れた構造となることを見出した。
また、図３〜図５に示すように開口部２を形成する鋼管１の側壁の一部または全部を鋼管の側壁面よりも外側に張り出させて、膨出部４を有する形状にし、この膨出部４の一部に対向する１対以上のピン孔３を形成して、ブラケットのフランジの機能を持たせることにより、さらに高い疲労強度を得ることが出来、部品省略・軽量化が図れることが判明した。
【０００８】
次に、本発明の部材に用いる鋼管部材の特性について説明する。
まず、図３〜図５に示すように鋼管１の側壁の開口部２にブラケットの機能を持たせる場合、鋼管１の側壁の一部または全部を鋼管側面よりも外側に膨出させる必要があるが、そのような加工が施される鋼管の機械的特性については、長手方向のｒ値が影響を及ぼすことが、技術文献１に示されている。本発明者は、このｒ値ならびに他の特性値に注目して検討した結果、長手方向のｒ値は平均値で１．５以上、及び／又は加工硬化指数ｎ値が平均で０．１５以上の鋼管であれば、ブラケットのフランジとして使えるほど十分な張り出し変形がえられることが判明した。ｒ値およびｎ値の上限は特に規定するものではないが、ｒ値を大きくしようとすると、集合組織の発達が避けられず、諸特性の異方性が顕著になって実用に耐えられなくなることから、３．０を上限の目安とする。測定方法は、薄板金属材料のＪＩＳＺ２２５４塑性ひずみ比試験方法による。またｎ値については、ｎ値が大きすぎると降伏応力を下げなければならず、静的強度が不足することになるので上限の目安を０．３とする。
【０００９】
このｎ値はＪＩＳ１１号管状試験片またはＪＩＳ１２号弧状試験片による引張試験によって測定されたデータをもとに、ＪＩＳＺ２２５３薄板金属材料の加工硬化指数試験法のうち、２点法によって評価する。２点のひずみは、５％および１５％のひずみで評価するが、均一伸びが１５％未満の場合には５％および１０％のひずみで、また均一伸びが１０％未満の場合には３％および５％のひずみで評価する。
【００１０】
次に、組織に関する限定理由について述べる。本発明の鋼管部材を形成する鋼管の組織は、体積率で５０％以上のフェライト相から成る。５０％未満では開口部の一部もしくは全部を鋼管側面よりも外側に膨出させるほど大きく変形させることが困難であるためである。さらに７５％以上が好ましい。フェライト相の体積率は１００％でも本発明の鋼管部材を形成することができる。特に鋼管部材の強度を高める必要がある場合には、第二相を適度に分散させることが好ましい。
フェライト相以外の第二相は、パーライト、セメンタイト、オーステナイト、ベイナイト、マルテンサイト、アシキュラーフェライト、炭窒化物、金属間化合物のうち、１種または２種以上からなるものである。
なお、組織の体積率の測定方法は、第３版鉄鋼便覧、ＩＶ鉄鋼材料、試験分析（日本鉄鋼協会編）ｐ．３８５〜３８６に記載の点分析もしくは線分析を用いる。またフェライトの平均粒径はＪＩＳＧ０５５２鋼のフェライト結晶粒度試験方法の付属書２に記載の方法を用いる。
また鋼管部材を形成する鋼管のフェライトの平均結晶粒径は１０μｍ以上とすることが好ましい。１０μｍ未満では同じく、開口部の一部もしくは全部を鋼管側面よりも外側に膨出させるほど大きく変形させることが困難であるためである。さらに好ましくは３０μｍ以上とする。フェライトの平均粒径の上限は特に定めないが、極端に大きすぎるとむしろ大変形に追従できるほどの延性を損なうため、２００μｍ以下とすることが好ましい。
【００１１】
次に鋼管部材を形成する鋼管の元素規定理由について述べる。
Ｃは高強度化に有効な元素であり、構造材料として必要な強度を得るためには０．０００５％以上の添加が必要であるが、過度に添加すると変形能が劣化するため上限を０．５％とする。さらに０．００１〜０．１５％が好ましい。
Ｓｉは安価に機械的強度を高めるのに有効な元素であるが、過度の添加は変形能を劣化させるので２．０％を上限とする。また下限を０．００１％としたのは製鋼技術上、これ未満とすることが困難なためである。０．３〜１．５％が好ましい。
Ｍｎは高強度化に有効な元素であり、構造材料として必要な強度を得るためには０．０１％以上の添加が必要であるが、過度に添加すると変形能が劣化するため上限を３．０％とする。０．０５〜０．５％がより好ましい範囲である。またＳに起因する熱間割れを防止する目的から、Ｍｎ／Ｓ≧１５となるように添加することが好ましい。
【００１２】
Ｐは０．２％を超えると熱間圧延時に欠陥が発生したり変形能が低下したりするので０．２％を上限とする。また下限は特に定めないが、０．００５％未満にするには製鋼コストが高くなるので下限を０．００５％とすることが好ましい。
Ｎは高強度化に有効な元素であるが、変形能の低下を防ぐには上限を０．０３％とする。下限は特に定めないが強度確保の観点から０．０００１％以上は添加することが好ましい。
【００１３】
Ｔｉ、Ｎｂ，Ｖはそれぞれ０．００１％の添加で炭化物、窒化物もしくは炭窒化物を形成して高強度化に寄与するが、それぞれ０．５％を超えるとこれらの化合物が多量にフェライト粒内および粒界に析出して変形能を低下させるため、０．５％を上限とする。
Ｃｒ、Ｍｏ，Ｗ，Ｃｏは強化元素であり、必要に応じてそれぞれ０．００１％以上添加する。しかし過剰の添加は変形能を低下させるので、それぞれの上限を１．５％とする。
【００１４】
Ｂは粒界の強化に有効な元素であり、その効果を発揮するには０．０００１％以上の添加が必要であるが、添加量が０．０１％を超えるとその効果が飽和するばかりか変形能を低下させるので０．０１％を上限とする。
【００１５】
ＮｉおよびＣｕは強化元素であり、必要に応じてそれぞれ０．００１％以上添加する。しかし過剰の添加は変形能を低下させるので、それぞれの上限を１．５％とする。
【００１６】
Ａｌは変形能の向上に寄与する元素であり、その効果を発揮するには０．０００１％以上の添加が必要であるが、過剰添加は多量の酸化物、硫化物、窒化物等を晶出、析出させて変形能を低下させるので１．５％を上限とする。
また、本発明の鋼管部材を構成する鋼管は、不可避的不純物元素として、Ｏ、Ｓｎ、Ｓ、Ｚｎ、Ｐｂなどそれぞれ０．０１％以下の範囲で含んでも本発明の効果を失するものではない。
【００１７】
次に、本発明の鋼管部材の加工方法について述べる。
従来ではブラケットを構造部材に接合するためには通常、予めピン孔の開いたブラケットを溶接や機械接合により接合していたが、接合部は構造の急変部となるため、応力が集中し疲労破壊しやすくなる。
本発明ではまず図６に示すように鋼管の一部が外側に変形できるように加工した金型７の中に鋼管１を挿入し、次に図７に示すように液体及び／又は気体８を鋼管の内側に圧入して内圧を高め、塑性変形により鋼管の一部を外側に変形させる。次に図８に示すように外側に変形した部分の一部を切り取ることにより開口部２を作成し、また図９に示すように外側に変形した部分に１つ以上のピン孔３を加工することにより、リンク部材との接続が可能なブラケットとして機能することができる。
【００１８】
本発明の加工方法のように液体及び／又は気体を用いると、ブラケット機能を有する膨出部４から鋼管１までの形状が滑らかで連続的であり、溶接や機械接合部などの不連続形状部が無いため、疲労強度に優れたブラケット付き鋼管を得ることが出来る。
また本発明の方法は内圧を作用させる方法を用いているため、図１０に示すように同一鋼管に複数の膨出部を一度に加工することも可能であり、類似部品を同時に複数個製作することができる。
【００１９】
またさらにピン孔３の加工は鋼管の塑性変形後にドリル加工などで加工するのみならず、図１１に示すように塑性変形途中に内圧を利用して外側からポンチ９を押し出すことによりピン孔３を加工することもでき、さらに効率的に加工できる。
また、鋼管部材は直管のみならず、図１２に示すように曲げ加工、内圧加工など事前に必要な加工をしたのち上述の加工方法を用いることにより、ブラケットの機能を有する最終形状の鋼管部材を効率的に加工することが可能となる。
加工に用いる液体及び／又は気体については特に限定するものではなく、水、油、水に油を混ぜたもの、空気などの１種以上の組合せ等で差し支え無い。
なお、鋼管素管の断面形状は特に限定するものではなく、円形だけでなく楕円形でも多角形でも差し支え無い。また造管用の鋼板についても特に限定するものではなく、熱延板、冷延板又は冷延焼鈍板を用いることができる。
またさらに造管の溶接方法についても特に限定するものではなく、電縫溶接、ＴＩＧ，ＭＩＧなどのアーク溶接、レーザー溶接、シーム溶接、鍛接等の各種接合方法によって製造されたものでも、シームレス鋼管であっても差し支え無い。
【００２０】
【技術文献１】
第５０回塑性加工連合講演大会（１９９９、４４７ページ）
【００２１】
【実施例】
実施例として、表１に示す成分の鋼板から通常の電縫管工程またはレーザー溶接工程を経て造管したのち、８００〜１０５０℃に加熱して外径１００ｍｍに縮径加工を行い、鋼管を製造し、さらに内圧負荷により外径を変えずに角形の鋼管に加工した。この鋼管を構造部材として、開口部およびピン孔を加工した部材（図１４）、水を用いて水圧により膨出部を加工してその部分に開口部およびピン孔を加工した部材（図１５および１６）を製作して、ピン孔からピンを介して取り付けた連結部材に引張荷重を載荷することにより疲労試験を行った。また比較例として、２．２ｍｍ厚の軟鋼板を折り曲げて製作したブラケットを２箇所の炭酸ガスアーク溶接により構造部材に取り付けた部材（図１７）も製作して疲労試験を行った。
【００２２】
疲労試験条件は応力比（＝最小荷重／最大荷重）を−１とする荷重制御疲労試験であり、目視で１ｍｍ以上の長さの疲労き裂が確認できる寿命が２００万回となる荷重で評価した。
また、膨出部を加工する図１５および図１６のタイプの部材に用いる鋼管については、種々の押し込み量および内圧にてバーストもしくは座屈するまで拡管加工を行い、最大拡管率を求めて成形性を評価した。
連結部材は、同じく内径２０ｍｍのピン孔を有する外径５０ｍｍの鋼製円筒部および円筒部にねじで接合された直径１０ｍｍのロッドからなり、円筒部のピン孔の位置とブラケットのピン孔の位置を合わせたのち直径１９．５ｍｍの鋼製ピンを差し込み連結部材とブラケットに取り付けた。
【００２３】
疲労試験結果を同じく表１に示す。本発明の部材Ｎｏ．１〜１９は比較例Ｎｏ．２０〜２２に比べて全て２倍以上の疲労荷重を示した。またｎ値が０．１５未満かつｒ値が１．５未満となるＮｏ．１８、１９はフェライト粒も小さく拡管率も小さい。ただし、本実施例では図１６のタイプのブラケット形成に支障は無く、比較例よりも高い疲労荷重を示した。
【表１】

【表１（続き）】

【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は鋼管に開口部およびピン孔を加工してブラケットの機能を付与して疲労強度を向上させているため、鋼構造物の種類によらずブラケットを含む構造部材と連結部材の結合部の疲労強度を安定して向上させることが可能であり、その工業的意味は大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の鋼管部材の一例を示す図である。
【図２】本発明の鋼管部材の一例と連結部材との結合状況を示す図である。
【図３】本発明の鋼管部材の別の例を示す図である。
【図４】本発明の鋼管部材の別の例を示す図である。
【図５】本発明の鋼管部材の別の例を示す図である。
【図６】本発明の鋼管部材加工方法の一工程である、鋼管を金型に入れた状況を示す図である。
【図７】本発明の鋼管部材加工方法の一工程である、鋼管に内圧を作用させて変形させている状況を示す図である。
【図８】本発明の鋼管部材加工方法の一工程である、鋼管に開口部を加工した状態を示す図である。
【図９】本発明の鋼管部材加工方法の一工程である、鋼管にピン孔を加工した状態を示す図である。
【図１０】本発明の鋼管部材加工方法を適用して複数の膨出部を加工した鋼管の図である。
【図１１】本発明の鋼管部材加工方法の一工程である、内圧を作用させた状態でのピン孔加工を示す図である。
【図１２】本発明の鋼管部材加工方法の一工程である、予加工を施した鋼管に膨出部を設けて、開口部およびピン孔を加工する工程の図である。
【図１３】従来の構造部材とブラケット、連結部材の関係を表す図である。
【図１４】実施例における本発明の鋼管部材の疲労試験状況を示す図である。
【図１５】別の実施例における本発明の鋼管部材の疲労試験状況を示す図である。
【図１６】別の実施例における本発明の鋼管部材の疲労試験状況を示す図である。
【図１７】比較例の疲労試験状況を示す図である。
【符号の説明】
１鋼管
２開口部
３ピン孔
４膨出部
５連結部材
６ピン
７金型
８液体及び／又は気体
９ポンチ
１０構造部材
１１ブラケット
１２フランジ
１３溶接部
１４疲労き裂

Claims

側壁面に開口部および対向する１対以上のピン孔を少なくとも一組有することを特徴とする疲労強度に優れた鋼管部材。
開口部の一部または全部が鋼管の側壁面における膨出部に位置することを特徴とする請求項１記載の疲労強度に優れた鋼管部材。
長手方向のｒ値の平均が１．５以上及び／又はｎ値の平均が０．１５以上の鋼管から成ることを特徴とする請求項１または２記載の疲労強度に優れた鋼管部材。
体積率で５０％以上のフェライトを含み、平均結晶粒径が１０μｍ以上の鋼管から成ることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の疲労強度に優れた鋼管部材。
質量％で、
Ｃ：０．０００５〜０．５％、Ｓｉ：０．００１〜２．０％、Ｍｎ：０．０１〜３．０％、Ｐ：０．２％以下、Ｎ：０．０３％以下を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる鋼管を用いることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の疲労強度に優れた鋼管部材。
質量％で、さらに、
Ｔｉ：０．００１〜０．５％、Ｂ：０．０００１〜０．０１％、
Ｎｉ：０．００１〜１．５％、Ｃｕ：０．００１〜１．５％、
Ｃｒ：０．００１〜１．５％、Ｍｏ：０．００１〜１．５％、
Ｎｂ：０．００１〜０．５％、Ｖ：０．００１〜０．５％、
Ｃｏ：０．００１〜１．５％、Ｗ：０．００１〜１．５％、
Ａｌ：０．０００１〜１．５％、
の１種または２種以上を含有する鋼管を用いることを特徴とする請求項５記載の疲労強度に優れた鋼管部材。
液体及び／又は気体を用いて、開口部の一部または全部が膨出部に位置するように鋼管を加工し、同時またはその後に開口部およびピン孔を加工することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の鋼管部材の加工方法。
開口部およびピン孔の加工前に鋼管に予加工を施すことを特徴とする請求項７記載の鋼管部材の加工方法。