JP2006022397A

JP2006022397A - 高速変形時の延性に優れたトーションバー用鋼

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Publication number: JP2006022397A
Application number: JP2004203970A
Authority: JP
Inventors: Hajime Saito; 肇齋藤; Tatsuro Ochi; 達朗越智; Takeyuki Sekiya; 武幸関谷
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2004-07-09
Filing date: 2004-07-09
Publication date: 2006-01-26
Anticipated expiration: 2024-07-09
Also published as: JP4464749B2

Abstract

【課題】
シートベルト巻き取り装置に使用される高速変形時の延性に優れたトーションバー用鋼を提供する。
【解決手段】
成分が質量％で、Ｃ量：０．０００１〜０．１％、Ｓｉ：１％以下、Ｍｎ：０．０５〜１％を含有し、Ａｌ：０．１％以下に制限した鋼であって、金属組織が、フェライトまたはフェライト・パーライトからなり、フェライト結晶粒界の全長に対する、前記粒界にセメンタイトが析出した粒界の総長の割合が３０％以下であることを特徴とする高速変形時の延性に優れたトーションバー用鋼。
【選択図】図１

Description

本発明はシートベルト巻き取り装置においてロードリミッタとして用いられるトーションバーに使用される鋼に関するものである。

自動車に装備されているシートベルト装置は、衝撃などによって車体に大きな減速速度が働いた場合に、シートベルトで乗員を拘束することにより乗員がシートから飛び出すことを阻止して、乗員を保護している。

ところで、シートベルト巻き取り装置においては、車両衝突時にシートベルトが乗員を拘束するとき、大きな車両減速が生ずるため、乗員が大きな慣性により前方に移動しようとする。このため、シートベルトには大きな荷重がかかるとともに乗員はこのシートベルトから大きな衝撃を受けるようになる。

従って、乗員に作用する衝突エネルギーを吸収するためのエネルギー吸収機構が必要となる。ベルト装着状態での衝突時に、衝突エネルギーを吸収し、シートベルトにかかる荷重を制限するようにしたシートベルト巻き取り装置がある（例えば、特許文献１参照）。このシートベルト巻き取り装置はトーションバーを備えており、衝突時にベルトの引き出しが阻止されようとすると乗員の前方への慣性移動によりシートベルトに引張力が加えられるのでシートベルト巻き取りシャフトがこのトーションバーのねじれ部をねじりながら回転し、乗員の衝撃エネルギーを吸収する。このトーションバーが所定量ねじれるとシートベルト巻き取りシャフトの回転が阻止されることでシートベルトの引き出しが阻止されて乗員が保護されるとともに、トーションバーのねじれが阻止されて、トーションバーの破断が防止される。

このようなシートベルト巻き取り装置を改善した発明がある。これはトーションバーに使用される鋼の横断面において、表面部分の硬度を中心部分の硬度より低く製造することによりエネルギー吸収能力を増大させる方法である（例えば、特許文献２参照）。さらに、トーションバー用鋼を改善したものがある。従来、トーションバーを形成する鋼はねじれの塑性変形をすることでエネルギーを吸収するため、延性が必要であり、球状化焼鈍することが必要であった。ところが、鋼のＣ含有量を０．０４重量％以下にし、ＴｉあるいはＮｂを添加することで、球状化焼鈍せずとも十分なねじれ変形をすることを可能とした（例えば、特許文献３参照）。さらに、本出願人は、Ｂ添加により、氷点下の温度域においても優れた延性を有するトーションバー用鋼を提案した（例えば、特許文献４参照）。このようにトーションバー用鋼はいくつかの改善がなされ、一定の成果をおさめてきた。しかし、最近、従来よりさらに延性の優れたトーションバー用鋼が要求されているのが実状である。

実公昭６１−１１０８５号公報特開２００１−１６３１７８号公報特開２００１−１２２０７７号公報特開２００３−３１３６２６号公報

本発明は、上記現状に鑑み、自動車の衝突安全性をさらに高めるために、シートベルト巻き取り装置のトーションバーに使用される高速変形時の延性に優れたトーションバー用鋼を提供することを課題とする。

本発明者らは、このような課題を解決するために詳細な研究を行なった結果、鋼のマトリックスと粒界の金属組織を最適に制御することにより、高速変形において優れた延性を有する鋼が得られることを見出し、本発明の完成に至った。
すなわち、本発明がその要旨とするところは、以下のとおりである。
（１）成分が、質量％で、
Ｃ：０．０００１〜０．１％、
Ｓｉ：１％以下、
Ｍｎ：０．０５〜１％
を含有し、
Ａｌ：０．１％以下に制限した
鋼であって、
金属組織が、フェライトまたはフェライト・パーライトからなり、
フェライト結晶粒界の全長に対する、前記粒界にセメンタイトが析出した粒界の総長の割合が３０％以下であることを特徴とするシートベルト巻き取り装置に使用される高速変形時の延性に優れたトーションバー用鋼。

（２）鋼の成分が、さらに質量％で、
Ｔｉ：０．３％以下、
Ｎｂ：０．１％以下、
Ｖ：０．５％以下、
Ｂ：０．００５％以下、
Ｃｒ：１．５％以下、
Ｍｏ：０．５％以下
のうちから１種または２種以上
を含有することを特徴とする上記（１）記載のシートベルト巻き取り装置に使用される高速変形時の延性に優れたトーションバー用鋼。

本発明によれば、破断伸びが高く、十分な延性を有するため、高速変形時の延性に優れたトーションバー用鋼であるので、これを自動車のシートベルト巻き取り装置に提供することができ、社会に貢献するところ大である。

以下に本発明を詳細に説明する。
まず、本発明のトーションバー用鋼に含有させる成分の限定理由について説明する。

Ｃ：０．０００１〜０．１％
トーションバーが高速変形する際に、十分なエネルギー吸収能を有するためには延性が必要である。Ｃが０．１％超では延性が劣化するので、上限を０．１％とする。Ｃ量が低減するほど、延性の向上に対して有利であるが、０．０００１％未満にすることは工業的なコストが増大する半面、延性向上の効果も飽和する。従ってＣ量の下限は０．０００１％とする。

Ｓｉ：１％以下
Ｓｉは添加しなくても良い。しかし、トーションバーは乗員を保護するのに必要なシートベルトシステムごとに定められたトルク強度が必要であり、材料側での強度調整には合金元素添加によって行われる。Ｓｉは固溶強化能の優れた便利な元素であるので、強度を上げたい場合に添加できる。添加する場合には０．０３％以上添加することで有効性が得られる。一方、Ｓｉは延性を阻害する元素でもある。１％超では十分な延性が得られないので上限を１％とする。

Ｍｎ：０．０５〜１％
Ｍｎはまず、不純物として含有するＳによる熱間脆性を防止する作用がある。０．０５％未満では熱間脆性が防止できないので、Ｍｎは０．０５％以上とする。一方、Ｍｎは延性の劣化を引き起こす元素であり、１％超では、十分な延性が得られないので上限を１％とする。

Ａｌ：０．１％以下
脱酸をＡｌで行う場合には、過剰添加による延性の低下に留意する必要がある。Ａｌは０．１％を超えて添加すると、延性が損なわれるので、０．１％以下に制限する。

Ｔｉ：０．３％以下，Ｎｂ：０．１％以下，Ｖ：０．５％以下，Ｂ：０．００５％以下，Ｃｒ：１．５％以下，Ｍｏ：０．５％以下
Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｂ、Ｃｒ、Ｍｏはフェライト相でセメンタイトが析出する以前に炭化物を生成する元素であり、これら元素の添加により、フェライト粒界へのセメンタイト析出を低減する作用がある。また、トーションバーのトルク強度を調整するためにも有効な元素である。しかし、Ｔｉ添加０．３％超、Ｎｂ添加０．１％超、Ｖ添加０．５％超、Ｂ添加０．００５％超、Ｃｒ添加１．５％超、Ｍｏ添加０．５％超は延性を劣化させるので、上限を設けた。これら元素の添加は１種のみでも２種以上の添加でも良い。

本発明では、成分規定していない元素、例えば、耐食性向上、脱炭防止、被削性向上といった目的のために、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｐｂなどを添加できる。これらの元素はＣとの相互作用がないので、セメンタイトの析出形態への影響はほとんどない。しかしながら、多量の添加は鋼の延性を劣化させるので、Ｎｉ添加１％以下、Ｃｕ添加１％以下、Ｓｂ添加０．１％以下、Ｔｅ添加０．００５％以下、Ｍｇ添加０．００５％以下、Ｃａ添加０．００５％以下、Ｐｂ添加０．３％以下にすることが好ましい。

本発明のトーションバー用鋼のマトリックスの金属組織は、フェライトまたはフェライト・パーライトとする必要があり、ベイナイトあるいはマルテンサイトが含まれてはならない。ベイナイトやマルテンサイトが存在すると、破断伸びが低下する。
マトリックスの金属組織をフェライトまたはフェライト・パーライトとするには、鋼成分を調整する他、冷水等による急速冷却を避けて温水冷却や空冷（大気中に放置した自然冷却）等により達成される。
さらに、本発明では、フェライト結晶粒界の全長に対する、前記粒界にセメンタイトが析出した粒界の総長（不連続な個々の長さの合計）の割合が３０％以下とすることが重要である。以下に詳細に説明する。
Ｃ量を０．００５％〜０．０６％、Ｔｉ添加量を０％〜０．０５％、Ｎｂ添加量を０％〜０．０５％、Ｖ添加量を０％〜０．３％、Ｂ添加量を０％〜０．００３％、Ｃｒ添加量を０％〜０．５％、Ｍｏ添加量を０％〜０．３％の水準で振った鋼を溶製し、鋼片を１１４０℃に加熱して熱間圧延し、９４０℃で仕上げ、９．８ｍｍφの線材とした。仕上げに引続く冷却方法として、保温カバー内での徐冷、空冷、２０〜９９℃の温水での浸漬冷却の３方法で冷却し、鋼成分と熱間圧延後の冷却方法との組合せにより、いずれの線材も金属組織がフェライトまたはフェライト・パーライトになるようにした。得られた線材を減面率８％で伸線後、引張試験片を作製した。この試験片を常温にて歪速度１，０００／秒にて高速引張試験を行ない破断延びを調査した。また、伸線前の線材から試験片を採取し、横断面を切断、研磨、エッチングした後、金属顕微鏡により１，０００倍で組織を撮影した。撮影面積は約１０，０００μｍ^２とした。この写真を画像処理装置で解析することにより、Ａ：フェライト（パーライトは除外）結晶粒界の全長と、Ｂ：フェライト（パーライトは除外）結晶粒界にセメンタイトが析出した粒界の総長を求め、Ｂ／Ａ（％）を算出した。
図１に、フェライト結晶粒界の全長に対する、フェライト結晶粒界にセメンタイトが析出した粒界の総長の割合（Ｂ／Ａ（％））と破断伸びの調査結果を示す。図１から、粒界にセメンタイトが析出したフェライト結晶粒界総長がフェライト結晶粒界全長に対して３０％を超えると破断伸びが著しく劣化することがわかった。
したがって、熱間圧延した線材の断面金属組織を観察し、フェライト結晶粒界全長に対する粒界にセメンタイトが析出したフェライト結晶粒界総長の割合が３０％以下の金属組織を有することを本発明範囲とした。
上記の割合（Ｂ／Ａ％）を３０％以下とするには、Ｃ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｂ、Ｃｒ、Ｍｏの各添加量を調整する他、金属組織がフェライトまたはフェライト・パーライトになる範囲において熱間圧延後の冷却速度を速めることによって達成される。

高速引張試験における破断伸びに及ぼす因子については、未だ明らかではないが、実験で得られた現象から、冷却中にＣがフェライト結晶粒界に拡散して、セメンタイトを形成することが、破断に至る伸びを減ずるものと推察される。また、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｂ、Ｃｒ、Ｍｏはフェライト相でセメンタイトが析出する前に微細炭化物を形成するので、セメンタイトがフェライト相の結晶粒界に析出する量を低減する作用があるものと推定される。

以下に本発明を実施例によってさらに詳細に説明するが、これらの実施例は本発明を限定する性質のものではなく、前記、後記の趣旨に徴して設計変更することはいずれも本発明の技術的範囲に含まれるものである。

表１に示す１７種類の化学組成の鋼を溶製し、分塊圧延した鋼片を１１００℃に加熱して熱間圧延し、９２０℃で仕上げた後、引続き、冷却速度が異なる種々の冷却方法で冷却し、１０ｍｍφの線材を製造した。これを減面率８．８％で伸線後、引張試験片を作製した。この試験片を常温にて歪速度１，０００／秒にて高速引張試験を行なった。破断伸びの結果を表２に示す。また、伸線前の線材から試験片を採取し、前記の方法で、フェライト（パーライトは除外）結晶粒界の全長に対する、フェライト（パーライトは除外）結晶粒界にセメンタイトが析出したフェライト結晶粒界の総長の割合を算出した。この結果も表２に示す。

試番１〜１３は本発明例であり、いずれも破断伸びが４０％を上回り、十分な延性を有する。試番１４〜２０は比較例である。試番１４は、鋼のＣ量が本発明範囲を超えて高く、素材としての延性が劣化したため、十分な破断伸びが得られなかった例である。試番１５、１６は熱間圧延後の冷却速度が遅過ぎたために全フェライト結晶粒界長に対する粒界にセメンタイトの析出したフェライト結晶粒界長の割合が３０％を超えた金属組織を有し、本発明の範囲を超えたために十分な高速変形能が得られなかった例である。試番１７は、鋼のＳｉ量が本発明範囲を超えて高く、素材としての延性が劣化したため、十分な高速変形能が得られなかった例である。試番１８は、鋼のＭｎ量が本発明範囲を超えて高く、素材としての延性が劣化したため、十分な高速変形能が得られなかった例である。試番１９は、鋼のＡｌ量が本発明範囲を超えて高く、素材としての延性が劣化したため、十分な高速変形能が得られなかった例である。試番２０は、熱間圧延後に冷水に浸漬したもので、冷却速度が速過ぎたために、ベイナイト相が混在し、十分な高速変形能が得られなかった例である。

フェライト結晶粒界の全長に対する、フェライト（パーライトは除外）結晶粒界にセメンタイトが析出した粒界の総長の割合と高速引張試験での破断までの伸びとの関係を示す図である。

Claims

成分が、質量%で、
Ｃ：０．０００１〜０．１％、
Ｓｉ：１％以下、
Ｍｎ：０．０５〜１％
を含有し、
Ａｌ：０．１％以下に制限した
鋼であって、
金属組織が、フェライトまたはフェライト・パーライトからなり、
フェライト結晶粒界の全長に対する、前記粒界にセメンタイトが析出した粒界の総長の割合が３０％以下であることを特徴とするシートベルト巻き取り装置に使用される高速変形時の延性に優れたトーションバー用鋼。
鋼の成分が、さらに質量%で、
Ｔｉ：０．３％以下、
Ｎｂ：０．１％以下、
Ｖ：０．５％以下、
Ｂ：０．００５％以下、
Ｃｒ：１．５％以下、
Ｍｏ：０．５％以下のうちの１種または２種以上
を含有することを特徴とする請求項１記載のシートベルト巻き取り装置に使用される高速変形時の延性に優れたトーションバー用鋼。