JP2006089775A

JP2006089775A - 耐久性に優れたタイヤ中子の製造方法

Info

Publication number: JP2006089775A
Application number: JP2004273822A
Authority: JP
Inventors: Koji Omosako; 浩次面迫; Takashi Matsumoto; 孝松元; Susumu Fujiwara; 進藤原
Original assignee: Nisshin Steel Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 2004-09-21
Filing date: 2004-09-21
Publication date: 2006-04-06

Abstract

【課題】パンク後の繰返し応力に十分耐え、パンク後にも２００ｋｍ以上の長距離を走行できるランフラットタイヤに適したタイヤ中子を提供する。
【解決手段】 C：0.08〜0.15質量％，Si：0.60〜2.0質量％，Mn：2.0〜2.6質量％，P：0.03質量％以下，S：0.005質量％以下，全Al：0.01〜0.1質量％を含むスラブを熱間圧延して５００〜６５０℃で巻き取り、酸洗後、圧下率：５０％以上で冷間圧延した冷延鋼帯を熱処理することにより、フェライト＋ベイナイト＋残留オーステナイト＋マルテンサイトの混合組織に調質した引張強さ：750N/mm²以上，疲労限：350N/mm²以上の鋼板をタイヤ中子の素材に使用する。冷延鋼帯の熱処理は連続焼鈍ライン又は連続溶融めっきラインで実施し、３段階の冷却速度(一次〜三次）で室温まで冷却する。
【選択図】なし

Description

本発明は、引張強さ，疲労強度が高く、タイヤを内部から支持して車両の安全性を高めたタイヤ中子を製造する方法に関する。

車両に装備した空気タイヤがパンク又はバーストすると、操向性が極端に低下して車両が走行不能になる。空気タイヤにトラブルが発生しても車両の安全走行を確保できれば危険が回避されるので、安全タイヤに関する改良が従来から種々提案されている。たとえば、タイヤ内部に組み込んだ部材（タイヤ中子）でタイヤを内側から支持する方式，タイヤのサイドウォールを補強する方式等がある。
主として扁平率：６０％以下のランフラットタイヤでは、タイヤのサイドウォールに比較的硬質のゴム製サイド補強層を積層することによりサイドウォールを補強している。サイド補強層の積層は、サイドウォールの補強には有効であるものの、タイヤ重量を増加させるばかりでなく、転がり抵抗の悪化，通常走行時の乗り心地や燃費の低下を招く。

扁平率：６０％以上の空気タイヤでは、リムに固定した金属製中子でパンク時の荷重を支持するランフラットタイヤが知られている（特許文献１，２）。タイヤ中子には鋼製，ゴム製，樹脂製等があるが、何れの中子を使用した場合でも、パンク後にタイヤと中子との間で発生する局部的な繰返し応力にタイヤが耐えきれず、パンク後の走行可能な距離が１００〜２００ｋｍ程度に留まっていた。厚い金属材料をタイヤ中子に使用することにより走行可能な距離を延ばすことができるが、厚い金属材料の使用はタイヤの軽量化，通常走行時の転がり抵抗，乗り心地等の面から好ましくない。
特開平10-297226号公報特開2001-163020号公報

本発明は、タイヤ中子用の素材に引張強さ：７５０Ｎ／ｍｍ²以上，疲労限：３５０Ｎ／ｍｍ²以上の鋼板を使用することにより、パンク後の繰返し応力に十分耐え、パンク後にも２００ｋｍ以上の長距離を走行できるランフラットタイヤに適したタイヤ中子を提供することを目的とする。

本発明では、Ｃ：０.０８〜０.１５質量％，Ｓｉ：０.６０〜２.０質量％，Ｍｎ：２.０〜２.６質量％，Ｐ：０.０３質量％以下，Ｓ：０.００５質量％以下，全Ａｌ：０.０１〜０.１質量％，Ｆｅ：実質的に残部の組成をもつスラブを熱間圧延して５００〜６５０℃で巻き取り、酸洗後、圧下率：５０％以上で冷間圧延した冷延鋼帯を熱処理することにより、フェライト＋ベイナイト＋残留オーステナイト＋マルテンサイトの混合組織に調質した引張強さ：７５０Ｎ／ｍｍ²以上，疲労限度：３５０Ｎ／ｍｍ²以上の鋼板をタイヤ中子の素材に使用する。

冷延鋼帯は、連続焼鈍ライン又は連続溶融めっきラインで熱処理される。熱処理工程では、７５０〜８７０℃の二相域又は単相域に加熱保持した後、平均冷却速度：１０℃／秒以下で７２０〜６００℃まで一次冷却し、次いで平均冷却速度：５℃／秒以上で過時効温度Ｔ：３５０〜５００℃で且つ５５０−３５０×Ｃ−４０×Ｍｎ＋３０×Ａｌ＋(−３０〜＋５０)℃を満足する二次冷却温度まで二次冷却し、二次冷却温度に０.５〜２０分保持した後、室温まで冷却する。

熱処理温度：７５０〜８７０℃での保持時間を６０秒以上，一次冷却温度：７２０〜６００℃での保持時間を１〜３秒とすることが好ましい。二次冷却温度から室温までは、好ましくは平均冷却速度：５℃／秒以上で三次冷却する。
熱処理後、所定幅のブランクに裁断し、プレス加工，ロール成形等で目標形状に加工することによりタイヤ中子が得られる。

発明の効果及び実施の形態

タイヤ中子用の鋼材に必要な強度は、第二相の分布量に大きく影響されるが、ベイナイト又はマルテンサイトだけで強度を確保しようとすると鋼材の延性が低下する。延性の低下は、フェライト，残留オーステナイトの加工硬化を利用することにより抑制できる。しかし、低成分系の鋼材を連続焼鈍ライン又は連続溶融めっきラインに通板して熱処理すると、冷却過程でパーライトが生成して残留オーステナイト量，マルテンサイト量が少なくなり、結果として強度が低下する。パーライトの生成は、延性，疲労限にとっても悪影響を及ぼす。

本成分系においては、オーステナイトのＣ濃度を高くすることによりパーライトの生成を抑制すると同時に、適量のＣ，Ｍｎを含ませることによりパーライト変態を遅延させる成分設計を採用している。高いＣ濃度は、熱処理時の冷却過程でベイナイトを生成させ、残留オーステナイトを存在させることによって、製品形状に加工する際の加工誘起変態による延性の確保，加工硬化による強度，疲労限度を上昇させる上でも有利である。しかも，一次冷却過程でフェライトが生成するので、降伏比が下がり、製品形状に加工する際に形状凍結性等の成形性にも優れている。
以下、本発明で使用する鋼材に含まれる合金成分，含有量，製造条件，熱処理条件等を説明する。

〔成分設計〕
・Ｃ：０.０８〜０.１５質量％
鋼材を強化すると共に、高疲労限に必要な加工硬化能のある残留オーステナイトの量及び安定性に大きな影響を及ぼすオーステナイト安定元素である。オーステナイトの安定度向上は、二相域又はベイナイト変態時にフェライトからオーステナイトにＣが濃化することに依る。引張強さ：７５０Ｎ／ｍｍ²以上，疲労限：３５０Ｎ／ｍｍ²以上の要求特性を満足させる上で残留オーステナイトを２体積％以上にすることが好ましいので、Ｃ含有量の下限を０.０８質量％とした。しかし、過剰なＣ含有は溶接性の劣化，過剰な強度上昇，極端な加工性の劣化の原因となるので、０.１５質量％以下に規制した。好ましくは、０.１０〜０.１４質量％の範囲でＣ含有量を選定する。

・Ｓｉ：０.６０〜２.０質量％
強度-伸びバランスを改善しながら固溶強化によって硬度を高める合金成分である。オーステナイトへのＣ濃化を促進させる作用も呈し、結果として残留オーステナイトを安定化させ、室温での変態誘起塑性を示す残留オーステナイト量の確保が容易になる。Ｓｉによりフェライト変態が促進される結果、オーステナイトのＣ濃度が上昇することも残留オーステナイト安定化の一因である。また、適量のＳｉを含ませることにより、３５０〜５００℃のベイナイト変態温度域において未変態オーステナイトへのＣ濃化が促進される。要求特性を得る上で０.６０質量％以上のＳｉが必要であるが、過剰添加は熱延時に脱スケール性の悪いスケールを生成させ製品表面に悪影響を及ぼし、酸洗性，溶接性も劣化するので上限を２.０質量％とした。好ましくは、１.０〜１.６質量％の範囲でＳｉ含有量を選定する。

・Ｍｎ：２.０〜２.６質量％
焼入れ性，オーステナイトの安定化に有効な合金成分であり、冷却過程でパーライトの生成を抑制する作用もある。パーライトの生成抑制によりベイナイト変態が促されて強度が上昇し、必要な残留オーステナイト量も確保できる。このような効果は２.０質量％以上のＭｎでみられるが、２.４質量％を超えるＭｎの過剰含有は、鋼板の焼入れ性が過剰に高まり強度が過度に上昇して延性の劣化を招き、スポット溶接性にも悪影響を及ぼす。好ましくは、２.１〜２.４質量％の範囲でＭｎ含有量を選定する。

・Ｐ：０.０３質量%以下
Ｓｉと同様にフェライトの生成に影響を及ぼす成分であるが、多量に含ませると延性の低下が著しいので０.０３質量%以下（好ましくは、０.０１質量%以下）にＰ含有量を定めた。
・Ｓ：０.００５質量％以下
残留オーステナイトの生成に影響を及ぼさないものの、Ｓ含有量の増加に伴い加工性に有害なＡ系介在物が多量生成しやすくなる。加工性の指標となる伸びを確保するため、Ｓ含有量を０.０５質量％以下（好ましくは、０.００３質量％以下）に定めた。

・全Ａｌ：０.０１〜０.１質量％
Ｓｉと同様に、室温で安定な残留オーステナイトの確保に必須の成分である。また、セメンタイトに固溶せず、３５０〜５００℃での恒温保持（ベイナイト変態）の際にもセメンタイトの析出を抑制し、ベイナイト変態を遅延させる作用を呈する。フェライト形成能がＳｉよりも強いので、Ａｌ添加の系では変態開始がＳｉ添加の系よりも速く、極短時間の保持によっても二相共存温度域での焼鈍時にオーステナイトにＣが濃化する。そのため、オーステナイトの安定性が一層改善され、結果としてオーステナイトのＣ濃度が高くなり、生成する残留オーステナイトが多くなるので、高歪域でも高い加工硬化特性が得られる。Ａｌの添加効果は０.０１質量％以上でみられるが、０.１質量％を超える過剰添加は溶接性の劣化を招く。好ましくは、０.０４〜０.０８質量％の範囲でＡｌ含有量を選定する。

〔熱間圧延〕
所定組成に調整された鋼材を転炉で溶製し、スラブに鋳造する。スラブを熱間のまま熱間圧延し、或いは一旦室温まで冷却したスラブを再加熱した後熱間圧延することにより、熱延鋼帯を製造する。熱間圧延では、冷間圧延時の負荷や酸洗性を考慮して巻取り温度を５００〜６５０℃に設定する以外は、常法に従った条件を採用できる。
〔冷間圧延〕
熱延鋼帯は、引き続き常法に従って酸洗，冷間圧延される。冷間圧延では、鋼板の形状精度を向上させるため圧下率を５０％以上に設定する以外は、常法に従った条件を採用できる。

〔熱処理〕
得られた冷延鋼帯は、連続焼鈍ライン又は連続溶融めっきラインで熱処理される。
・再結晶焼鈍
熱処理工程では、熱処理温度を７５０〜８７０℃の二相域又は単相域に設定し、オーステナイトへのＣ濃化を促進させる。オーステナイトのＣ濃度は、二相域温度の方が高く、残留オーステナイトを増加させる上で好ましい。熱間圧延で析出した炭化物の再固溶やオーステナイトの安定化を図るため、好ましくは熱処理温度：７５０〜８７０℃に６０秒以上保持する。

・一次冷却
再結晶焼鈍後，平均冷却速度：１０℃／秒以下で７２０〜６００℃まで徐冷する。平均冷却速度：１０℃／秒以下，一次冷却温度：７２０〜６００℃は、オーステナイトをフェライト変態させてフェライト量を適量化し、オーステナイトへのＣ濃化を適正化する上で必要な条件である。因みに、７２０〜６００℃を外れる温度への冷却では、フェライト変態量が少なくなり、オーステナイトのＣ濃度不足に起因して残留オーステナイトが減少する。

・二次冷却（過時効処理）
二次冷却では、過時効温度Ｔ：３５０〜５００℃且つ５５０−３５０×Ｃ−４０×Ｍｎ＋３０×Ａｌ＋(−３０〜＋５０)℃を満足する二次冷却温度まで平均冷却速度：５℃／秒以上で冷却する。５００℃を超える冷却温度では、炭化物が生成しやすくオーステナイトにＣが濃化しがたくなる。逆に３５０℃未満の冷却温度では、マルテンサイトの生成に起因して強度が急激に上昇し、組織の分布状態の影響を受けて延性が劣化する。オーステナイトへのＣ濃化に必要なベイナイト変態を十分進行させる上で保持時間を０.５分以上に設定する。ベイナイト変態の十分な進行により、適量の残留オーステナイトが生成し、必要な疲労強度が発現する。また、５５０−３５０×Ｃ−４０×Ｍｎ＋３０×Ａｌ＋(−３０〜＋５０)℃を満足する保持温度とすることにより、鋼材成分に応じて変わるＭｓ点＋５０℃に過時効温度が保たれ、マルテンサイトの生成に起因した残留オーステナイトの減少が抑制される。
・三次冷却
過時効処理された鋼材は、好ましくは平均冷却速度：５℃／秒以上で室温まで冷却される。この三次冷却により、強度確保に有効な量のマルテンサイトが生成する。

〔熱処理後の組織〕
熱処理された鋼材は、フェライト＋ベイナイト＋残留オーステナイト＋マルテンサイトの混合組織に調質されているので、引張強さ：７５０Ｎ／ｍｍ²以上，疲労限：３５０Ｎ／ｍｍ²以上の優れた特性を示す。混合組織の残留オーステナイトは、加工性を含めた要求特性を満足させる上で２〜１０体積％（好ましくは、５〜９体積％）の範囲に調整される。適正な組織分率は、フェライト：４０〜５０体積％，ベイナイト：５〜１０体積％，マルテンサイト：３０〜４０体積％，オーステナイト：５〜１０体積％が好ましい。

〔タイヤ中子への加工〕
鋼帯から所定の幅，長さに切り出した鋼板の長さ方向両端を溶接する。溶接法には、TIG，MIG，プラズマ，レーザ溶接等が採用される。溶接で得られた鋼製円筒１１を液圧成形装置の金型にセットし、円筒内部から液圧を加えてＭ型山部１２を成形する（図１）。成形されたタイヤ中子１０はリムホイール１５に取り付けられ、その上にタイヤ１６が装着される（図２）。
Ｍ型山部１２の頂点１３R，１３Lが路面に対向する個所であり、一般的に頂点１３R，１３Lの高低差が振動の原因となる。しかし、降伏比が低く形状凍結性に優れた鋼材を素材としているので、精度良く目標形状に加工できるため安定走行に適したタイヤ中子が得られる。また、歪みが集中する溶接軟化部にネッキング（肉厚減少）が生じがちであるが、残留オーステナイトがある本成分系の鋼材では、液圧成形中に残留オーステナイトがマルテンサイト変態しながら目標形状に加工されるため、均一伸びに優れ溶接熱影響部の肉厚減少も抑えられる。その結果、疲労寿命が改善されたタイヤ中子となる。

表１の組成をもつ鋼材を転炉で溶製し、スラブに鋳造した後、室温まで一旦冷却した。冷却後のスラブを再度１２５０℃に均熱し、１１５０〜９３０℃で熱間圧延して６００℃で巻き取ることにより、板厚：３.２ｍｍの熱延鋼帯を製造した。次いで、熱延鋼帯を酸洗し、板厚：１.６ｍｍまで冷間圧延した。次いで、各冷延鋼帯を表２の条件下で連続焼鈍した。

連続焼鈍後の鋼帯から試験片を切り出し、フェライトと第二相の組織分率を画像解析で求め、着色エッチング法で色分けした第二相中のベイナイト，マルテンサイトを画像解析することによりベイナイト，マルテンサイトの分率をもとめ、Ｘ線回折により残留オーステナイト量を求めた。セメンタイトについては炭化物現出液を用いて別途測定し、パーライトについてはSEM画像の解析により求めた。

また、試験片を引張試験，疲労試験に供し、引張り特性，疲労強度を調査した。更に、各鋼帯からタイヤ中子を作製し、タイヤ中子の耐久性をも調査した。
引張試験では、JIS ５号引張試験片をインストロン型引張試験機（株式会社島津製作所製）にかけ、引張速度：１０ｍｍ／分で引張強さ，全伸びを測定した。
疲労試験では、JIS Z2275の１号引張試験片を用い、PWOG平面曲げ疲労試験で疲労限度（１０⁷）を求めた。

タイヤ中子の耐久試験では、幅：１６０ｍｍ，長さ：１７２７ｍｍ，板厚：１.６ｍｍの鋼板の長手方向両端をTIG溶接して鋼製円筒とし、液圧成形によって高さ：２５ｍｍ（Ｒ５０ｍｍ）の二つの頂点１３R，１３LをもつＭ型山部１２が形成された外径５５０ｍｍの鋼製タイヤ中子（図１）を使用した。
鋼製タイヤ中子に軸荷重を負荷し、タイヤ回転数：７７０ｒｐｍ（時速８０ｋｍに相当）で頂点１３R，１３Lにかかる繰返し応力を中子加工後の弾性限内である最大繰返し応力：５５０／ｍｍ²（一本のタイヤにかかる軸荷重を約４００ｋｇｆとし、中子のＭ型山部１２にかかる応力：約２５０Ｎ／ｍｍ²，接触面積：１６ｍｍ²と仮定すると、安全率：２倍となる）として耐久試験した。また、パンク後５００ｋｍを走行すると仮定し、タイヤ回転数：３０万回で破損なしを合格とした。
熱処理によって作り込まれた混合組織を表３に、母材の強度，疲労限度及びタイヤ中子の耐久性を表４に示す。

成分条件，熱処理条件共に本発明で規定した範囲にある試験No.２〜６，８は、タイヤ中子に要求される母材強度が７５０Ｎ／ｍｍ²以上，疲労限（１０⁷回）が３５０Ｎ／ｍｍ²以上であり、タイヤ回転数３０万回でも破損しなかった。
成分条件が本発明で規定した範囲にある鋼材No.５を使用しても、熱処理条件が適正でないと疲労強度に劣り、タイヤ回転数が３０万回に達する前に破損した（試験No.１０〜１１）。

具体的には、加熱温度の低い熱処理パターンＪでは、二相域の加熱であるものの、熱延工程で生成していたパーライトの一部がオーステナイト化したため、必要量のベイナイトが生成せず、残留オーステナイトがほとんどなかった。そのため、３５０Ｎ／ｍｍ²以上の疲労限度を示すものの、耐久試験では早期に破損した。
二次冷却温度が低く保持時間も短い熱処理パターンＫでは、必要なベイナイトが生成せず残留オーステナイトがほとんどないため、３５０Ｎ／ｍｍ²以上の疲労限度を示すものの、耐久試験で早期に破損した。

熱処理パターンＬでは、一次冷却速度が速く一次冷却温度も低いためフェライトの生成が少ないためオーステナイトへのＣ濃化が十分でなく、二次冷却速度も遅いためパーライトが生成していた。そのため、３５０Ｎ／ｍｍ²以上の疲労限度を示すものの、耐久試験で早期に破損した。
熱処理パターンＭでは、加熱温度が高すぎほぼ単相域での熱処理のため、オーステナイトのＣ濃度が低くなり、フェライトが生成しやすく強度不足になっていた。しかも、二次冷却温度が５５０℃と高いため、未変態オーステナイトからセメンタイトが析出した結果、母材の疲労限度が低下し、耐久試験でも早期に中子が破損した。

熱処理パターンＮでは、二次冷却速度が遅いためパーライトが生成し、三次冷却速度も遅いため部分的にベイナイトが生成した。その結果、組織の均一性が損なわれ、疲労限度も低く、疲労試験では早期に中子が破損した。
他方、Ｃ量が少ない鋼種No.１を用いた場合（試験No.１）、強度不足となり、母材の疲労限度も低く、疲労試験では早期に中子が破損した。Ｓｉ量が少ない鋼種No.７を用いた場合（試験No.７）、強度不足で残留オーステナイトも少ないため母材の疲労限度が低く、疲労試験でも早期に中子が破損した。

多量のＣ，Ｓｉ，Ｍｎを含む鋼種No.９を用いた場合（試験No.９）、強度が１１００Ｎを超え伸びも低く、ベイナイトの生成が進行せずに未変態オーステナイトから生成するマルテンサイトの量が多くなった。その結果、組織の均一性が損なわれ、疲労限度も低く、疲労試験では早期に中子が破損した。

以上に説明したように、引張強さ：７５０Ｎ／ｍｍ²以上，疲労限：３５０Ｎ／ｍｍ²以上の鋼材をタイヤ中子用素材に使用することにより、パンク状態においても走行可能距離が２００ｋｍを超えるランフラットタイヤが得られる。しかも、薄板でも要求特性が十分満足されるため、転がり特性，乗り心地等を損なうことなく、燃費軽減に必要な軽量化が図られる。

Ｍ型山部を形成したタイヤ中子の断面図タイヤ中子を装着した自動車用タイヤの概略斜視図

符号の説明

１０：タイヤ中子１１：鋼製円筒１２：Ｍ型山部１３R，１３L：Ｍ型山部の頂点１５：リムホイール１６：タイヤ

Claims

Ｃ：０.０８〜０.１５質量％，Ｓｉ：０.６０〜２.０質量％，Ｍｎ：２.０〜２.６質量％，Ｐ：０.０３質量％以下，Ｓ：０.００５質量％以下，全Ａｌ：０.０１〜０.１質量％，Ｆｅ：実質的に残部の組成をもつスラブを熱間圧延して５００〜６５０℃で巻き取り、酸洗後、圧下率：５０％以上で冷間圧延することにより冷延鋼帯を用意し、
該冷延鋼帯を連続焼鈍ライン又は連続溶融めっきラインに通板して、７５０〜８７０℃の二相域又は単相域に加熱保持した後、平均冷却速度：１０℃／秒以下で７２０〜６００℃まで一次冷却し、次いで平均冷却速度：５℃／秒以上で過時効温度Ｔ：３５０〜５００℃で且つ５５０−３５０×Ｃ−４０×Ｍｎ＋３０×Ａｌ＋(−３０〜＋５０)℃を満足する二次冷却温度まで二次冷却し、二次冷却温度に０.５〜２０分保持した後、室温まで冷却してフェライト＋ベイナイト＋残留オーステナイト＋マルテンサイトの混合組織に調質し、
熱処理後の鋼帯を裁断し、目標中子形状に成形することを特徴とする耐久性に優れたタイヤ中子の製造方法。
二次冷却温度から平均冷却速度：５℃／秒以上で室温まで三次冷却する請求項１記載の製造方法。