JP2018024915A - インフレーター用ガス収納容器とその製造方法 - Google Patents

インフレーター用ガス収納容器とその製造方法 Download PDF

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圭介 森
Keisuke Mori
圭介 森
雄一郎 土田
Yuichiro Tsuchida
雄一郎 土田
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Abstract

【課題】簡便に、好適な強度を有し、かつ、支障なく加工や溶接を行えるインフレーター用ガス収納容器を提供すること。【解決手段】所定の鋼組成の鋼材料を冷間鍛造することによって形成されるインフレーター用ガス収納容器１０である。鋼材料の鋼組成は、質量％として、Ｃ：０．１０〜０．３１％、Ｓｉ：０．１３〜０．３９％、Ｍｎ：０．４９〜１．０５％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｎｉ：０．２８％以下、Ｃｒ：０．７６〜１．３８％、Ｍｏ：０．１３〜０．３３％、残部をＦｅ及び不可避的不純物としている。【選択図】図１

Description

本発明は、所定の鋼材料を冷間鍛造することにより形成されるインフレーター用ガス収納容器とその製造方法に関する。
従来、インフレーターのガス収納容器としては、所定の鋼組成の鋼材料を、まず、熱間加工によりシームレスの管体に形成して、所定長さ寸法に切断し、さらに、所定のボトル形状となるように冷間加工し、その後、ひずみ等の除去のために、焼入れや焼き戻し等の熱処理を施して、製造されているものがあった（例えば、特許文献１参照）。
なお、このようなインフレーター用ガス収納容器は、内部にアルゴンガスや窒素ガス等からなる不活性の加圧ガスを封入するハイブリットタイプのインフレーターに利用されるものであれば（例えば、特許文献２参照）、製造したインフレーター用ガス収納容器に、内部に加圧ガスを充填できるように充填口を穴空け加工して形成するとともに、加圧ガスを吐出させるようにスクイブを配設させたり、加圧ガスとスクイブの燃焼ガスとの混合ガスを吐出する吐出口部を配設させるように、それらの部材を溶接により取り付け、そして、充填口から加圧ガスを封入して、充填口に閉塞材を溶接して取り付けて、充填口を塞ぎ、ハイブリッドタイプのインフレーターとして利用することとなっていた。
特開２００２−１９４５０１号公報 特開２０１０−００２００５号公報
しかし、従来のインフレーター用ガス収納容器では、鋼材料を熱間加工してシームレスの管体を形成し、ついで、所定長さに切断して、冷間加工し、さらに、熱処理して、製造しており、製造工程が多く、簡便に、適切な強度を有し、かつ、その後の加工性や溶接性に好適となる製品を得られるか否かに、課題があった。
本発明は、上述の課題を解決するものであり、簡便に、好適な強度を有し、かつ、支障なく加工や溶接を行えるインフレーター用ガス収納容器とその製造方法とを提供することを目的とする。
本発明者らは、従来の熱間加工、冷間加工、及び、熱処理等の複数の工程を省いて製造でき、そして、得られたインフレーター用ガス収納容器が、寒冷地等の低温での脆性破壊を防止できるように、低温靭性を確保できるとともに、所定の耐圧強度、すなわち、所定の高いバースト圧、を確保できるように、好適な強度を有し、さらに、割れ等の不具合を発生させずに、切削等の加工や溶接を行なえるインフレーター用ガス収納容器を開発した。
本発明に係るインフレーター用ガス収納容器は、所定の鋼組成の鋼材料を冷間鍛造することによって形成されるインフレーター用ガス収納容器であって、
前記鋼材料の鋼組成が、質量％として、
Ｃ：０．１０〜０．３１％、Ｓｉ：０．１３〜０．３９％、Ｍｎ：０．４９〜１．０５％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｎｉ：０．２８％以下、Ｃｒ：０．７６〜１．３８％、Ｍｏ：０．１３〜０．３３％、残部をＦｅ及び不可避的不純物としていることを特徴とする。
このような鋼組成の鋼材料を冷間鍛造して得られたインフレーター用ガス収納容器では、適切な炭素量であって、好適に溶接や加工を行なえ、また、冷間鍛造による加工硬化により、適度な硬さとなって、低温時の脆性破壊を招くことなく、所定の強度（耐圧強度）を得ることができる。
したがって、本発明に係るインフレーター用ガス収納容器では、熱処理することなく、所定の鋼組成の鋼材料を冷間鍛造するだけの簡便な工程により、好適な強度を有し、かつ、支障なく加工や溶接を行なうことができる加工性と溶接性とを発揮できる。
そして、本発明に係るインフレーター用ガス収納容器では、前記鋼材料の鋼組成が、炭素当量を０．３７５〜０．８６５％の範囲内としていることが望ましい。
すなわち、冷間鍛造に使用する鋼材料の鋼組成に関し、炭素当量が０．３７５％未満であれば、冷間鍛造による加工硬化が、十分でなく、所定の耐圧強度を得難くなり、炭素当量が０．８６５％を超えれば、冷間鍛造による加工硬化により硬くなりすぎて、脆くなり、低温時の所定の耐圧強度（低温靭性）を得難くなるとともに、加工時や溶接時にヒビや割れを発生させることとなって、好ましくない。
そのため、鋼材料の鋼組成の炭素当量が、０．３７５〜０．８６５％の範囲内であれば、より好適な強度、及び、良好な加工性と溶接性とを得ることができる。
そして、本発明に係るインフレーター用ガス収納容器の製造方法では、所定の鋼組成の鋼材料から製造する製造方法であって、
前記鋼材料を、冷間鍛造して製造する構成とするとともに、
前記鋼材料の鋼組成が、質量％として、
Ｃ：０．１０〜０．３１％、Ｓｉ：０．１３〜０．３９％、Ｍｎ：０．４９〜１．０５％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｎｉ：０．２８％以下、Ｃｒ：０．７６〜１．３８％、Ｍｏ：０．１３〜０．３３％、残部をＦｅ及び不可避的不純物としていることを特徴とする。
本発明に係る製造方法では、インフレーター用として、好適な強度を有し、かつ、支障なく加工や溶接を行なうことができるインフレーター用ガス収納容器を、熱処理することなく、所定の鋼材料を冷間鍛造することにより、簡便に製造することができる。
そして、本発明に係るインフレーター用ガス収納容器の製造方法では、前記鋼材料の鋼組成の炭素当量を、０．３７５〜０．８６５％の範囲内としていれば、より好適な強度と加工性とを確保できるインフレーター用ガス収納容器を、製造することができる。
さらに、本発明に係るインフレーター用ガス収納容器の製造方法では、前記鋼材料の冷間鍛造の減面率が、８０〜９０％の範囲内としていることが望ましい。
このような構成であれば、加工段数や加工エネルギーの増加を抑えて、所定の加工硬化による硬さを得られることとなって、ヒビや割れを発生させいない加工性や溶接性を得られ、かつ、より好適な低温靭性を確保できるインフレーター用ガス収納容器を得ることができる。
本発明の実施形態のインフレーター用ガス収納容器と、インフレーターの製造に使用するために加工を施したハウジングと、のそれぞれの側面図と断面図とを示す図である。 実施形態のインフレーター用ガス収納容器を使用して製造したインフレーターを示す断面図である。
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明すると、図１に示すように、実施形態のインフレーター用ガス収納容器としての鋼管材１０は、円形に開口した開口端１４，１５を両端に配置させた鋼管から形成されている。鋼管材１０は、後述するように、所定の鋼組成とした円柱状の鋼材料（ブランク）を冷間鍛造して、形成されている。鋼管材１０は、孔空け加工して、円筒状の周壁部１２に、加圧ガスを充填するための充填口１３を設けるとともに、切削加工して、開口端１４，１５の内外周の縁に、角取り面１７，１８を設けて、図１，２に示すように、ハウジング（ボトル）１１に形成される。ハウジング１１には、後述するように、吐出側口金部２１やスクイブ側口金部２５等が組み付けられ、かつ、所定の加圧ガスＧが充填されて、インフレーター２０として利用されることとなる。
鋼管材１０を形成する鋼材料の化学成分とその質量％は、次のようである。
Ｃ：０．１０〜０．３１％
Ｃは、鋼の必要な強度を安価に得るために有効な元素であるが、０．１０％未満では、冷間鍛造に伴なう加工硬化による強度、すなわち、インフレーター用の十分な耐圧強度を、得難く、また、０．３１％を超えれば、加工性や溶接性が低下するため、０．１０〜０．３１％とした。なお、好ましくは、Ｃの質量％は、０．１２〜０．１８％が望ましい。実施形態の場合には、Ｃの質量％は、０．１４％としている。
Ｓｉ：０．１３〜０．３９％
Ｓｉは、鋼の強度向上に寄与する元素であり、０．１３％以上は必要であるが、０．３５％を超えると靭性が低下するため、０．１３〜０．３９％とした。なお、好ましくは、Ｓｉの質量％は、０．１５〜０．３５％が望ましい。実施形態の場合には、Ｓｉの質量％は、０．１９％としている。
Ｍｎ：０．４９〜１．０５％
Ｍｎは、鋼の強度と靱性を向上させるのに有効な元素であるが、０．４９％未満では十分な強度と靱性が得られず、また、１．０５％を越えると溶接性が悪化するため、０．４９〜１．０５％とした。なお、好ましくは、Ｍｎの質量％は、０．５５〜０．９５％が望ましい。実施形態の場合には、Ｍｎの質量％は、０．７７％としている。
Ｐ：０．０３％以下
Ｐは、鋼中の不純物として含まれるが、粒界偏析に起因する靱性低下をもたらすため、０．０３％以下とした。詳しくは、実施形態の場合、Ｐの質量％は、０．０１１％としている。
Ｓ：０．０３％以下
Ｓも、鋼中の不純物として含まれるが、鋼中のＭｎと化合してＭｎＳによる介在物を形成し、加工性の悪化ならびに靱性を低下させるため、０．０３％以下とした。詳しくは、実施形態の場合、Ｓの質量％は、０．００８％としている。
Ｎｉ：０．２８％以下
Ｎｉは、靱性を向上させるのに有効な元素であるが、高価であり、０．２８％を越えても、靭性向上のメリットが相殺されることから、０．２８％以下とした。なお、好ましくは、Ｎｉの質量％は、０．２５％以下が望ましい。実施形態の場合には、Ｎｉの質量％は、０．０３％としている。
Ｃｒ：０．７６〜１．３８％
Ｃｒは、鋼の強度・靱性と耐食性を向上させるのに有効な元素であるが、０．７６％未満では効果がなく、１．３８％を越えると加工性ならびに溶接部の靱性を低下させるため、０．７６〜１．３８％とした。なお、好ましくは、Ｃｒの質量％は、０．８５〜１．２５％が望ましい。実施形態の場合には、Ｃｒの質量％は、１．１３％としている。
Ｍｏ：０．１３〜０．３３％
Ｍｏは、強度と靱性とを向上させる元素であるが、０．１３％未満では効果がなく、０．３３％を越えると溶接部が硬化し、かえって靱性が低下するため、０．１３〜０．３３％とした。なお、好ましくは、Ｍｏの質量％は、０．１５〜０．３０％が望ましい。実施形態の場合には、Ｍｏの質量％は、０．１６％としている。
そして、残部は不可避的不純物を除いてＦｅである。
さらに、この鋼管材１０を形成する鋼材料としては、上記の化学成分の質量％の範囲内として、さらに、つぎのような炭素等量の鋼材料が望ましい。
なお、炭素等量の算出式は、
炭素等量Ｃeq(%)＝Ｃ＋（Ｓｉ／２４）＋（Ｍｎ／６）＋（Ｎｉ／４０）＋（Ｃｒ／５）＋（Ｍｏ／４）＋（Ｖ／１４）である。
この鋼管材１０を形成する鋼材料の炭素等量は、０．３７５〜０．８６５％の範囲内とする。すなわち、冷間鍛造に使用する鋼材料の鋼組成に関し、炭素当量が０．３７５％未満であれば、冷間鍛造による加工硬化が、十分でなく、所定の耐圧強度を得難くなり、炭素当量が０．８６５％を超えれば、冷間鍛造による加工硬化により硬くなりすぎて、脆くなり、低温時の所定の耐圧強度（低温靭性）を得難くなるとともに、加工時や溶接時にヒビや割れを発生させることとなって、好ましくないからである。なお、既述の好ましい範囲内を考慮した鋼材料の炭素等量は、０．４２５〜０．６８４％の範囲内が望ましいこととなる。実施形態の場合、鋼材料の炭素等量は、０．５４２％としている。
そして、このような鋼組成の円柱状のブランクを、熱間加工や熱処理することなく、所定加工段数により、冷間鍛造し、端部を切削すれば、円筒状の鋼管材１０を得ることができる。
なお、鋼材料からの減面率は、８０〜９０％の範囲内としていることが望ましい。このような構成であれば、加工段数や加工エネルギーの増加を抑えて、所定の加工硬化による硬さを得られることとなって、ヒビや割れを発生させない加工性や溶接性を得られ、かつ、好適な低温靭性を確保できる鋼管材１０を得ることができるからである。なお、実施形態の減面率は、８６％としている。
このように得られた鋼管材１０では、図１に示すように、孔空け加工して、円筒状の周壁部１２に、加圧ガスを充填するための充填口１３を設けるとともに、切削加工して、開口端１４，１５の内外周の縁に、角取り面１７，１８を設けて、ハウジング（ボトル）１１を形成する。
なお、実施形態で製造した図例のハウジング１１は、外径寸法Ｄを２５φ、肉厚寸法ｔを２ｍｍ、長さ寸法Ｌを１３９．２ｍｍとしている。
ハウジング１１は、開口端１４の内周側に、吐出側口金部２１の元部２２の外周面２２ｂ側を、抵抗溶接等の溶接により固着させ、開口端１５の内周側に、ガス発生剤２７とガス発生剤２７に着火するスクイブ２６とを保持したスクイブ側口金部２５を、抵抗溶接等の溶接により固着させる。なお、吐出側口金部２１は、複数のガス吐出口２３ａを設けたガス吐出部２３を突設させている。
ハウジング１１における吐出側口金部２１とスクイブ側口金部２５との境界部位、すなわち、吐出側口金部２１の元部２２の流入口２２ａやスクイブ側口金部２５の流出口２８には、それぞれ、スクイブ２６の点火による衝撃波やガス発生剤２７の着火に伴う内圧上昇等により破裂可能として、ハウジング１１側を閉塞する破裂板３１，３２が配設されている。そして、充填口１３からアルゴンガスや窒素ガス等の不活性の加圧ガスＧを、ハウジング１１における吐出側口金部２１とスクイブ側口金部２５との間の充填室３４内に充填して、充填口１３に、鋼製の閉塞体３５を溶接して、充填口１３を塞げば、インフレーター２０を形成することができる。なお詳しくは、閉塞体３５にはガス流路が予め開口されており、充填口１３に閉塞体３５を挿入し、ガス流路を経て、充填室３４に加圧ガスＧを充填し、そして、閉塞体３５を周壁部１２に抵抗溶接し、その際、閉塞体３５のガス流路も、閉塞体３５自体の鋼材料が溶融固化して、閉塞されることとなって、インフレーター２０が製造されることとなる。
このように製造したインフレーター２０では、作動時、スクイブ２６が点火されて、ガス発生剤２７が着火すれば、破裂板３２，３１が破裂し、ガス発生剤２７の燃焼ガスと加圧ガスとの混合ガスが、ガス吐出部２３のガス吐出口２３ａから吐出される。
実施形態のインフレーター用ガス収納容器としての鋼管材１０（ハウジング１１）では、所定の鋼組成の鋼材料から、熱処理することなく、冷間鍛造だけにより、形成されており、好適に溶接や加工を行なえるとともに、冷間鍛造による加工硬化により、適度な硬さとなって、低温時の脆性破壊を招くことなく、所定の強度（耐圧強度）を得ることができ、インフレーター２０として、好適に使用できる。
また、実施形態のインフレーター用ガス収納容器としての鋼管材１０（ハウジング１１）の製造方法では、所定の鋼組成の鋼材料を使用して、熱間加工や熱処理等をすることなく、冷間鍛造によるだけで、好適な強度を有し、かつ、支障なく加工や溶接を行なうことができるインフレーター用ガス収納容器を、簡便に製造することができる。
ちなみに、実施形態の鋼管材１０からなるインフレーター２０では、バースト圧として、約１７６Ｍｐａ程度以上を確保でき、また、−４０℃〜−１００℃程度のタンク試験でも、ハウジング１１の破損は生じなかった。
１０…（インフレーター用ガス収納容器）鋼管材。

Claims (5)

  1. 所定の鋼組成の鋼材料を冷間鍛造することによって形成されるインフレーター用ガス収納容器であって、
    前記鋼材料の鋼組成が、質量％として、
    Ｃ：０．１０〜０．３１％、Ｓｉ：０．１３〜０．３９％、Ｍｎ：０．４９〜１．０５％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｎｉ：０．２８％以下、Ｃｒ：０．７６〜１．３８％、Ｍｏ：０．１３〜０．３３％、残部をＦｅ及び不可避的不純物としていることを特徴とするインフレーター用ガス収納容器。
  2. 前記鋼材料の鋼組成が、炭素当量を０．３７５〜０．８６５％の範囲内としていることを特徴とする請求項１に記載のインフレーター用ガス収納容器。
  3. 所定の鋼組成の鋼材料から製造するインフレーター用ガス収納容器の製造方法であって、
    前記鋼材料を、冷間鍛造して製造する構成とするとともに、
    前記鋼材料の鋼組成が、質量％として、
    Ｃ：０．１０〜０．３１％、Ｓｉ：０．１３〜０．３９％、Ｍｎ：０．４９〜１．０５％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｎｉ：０．２８％以下、Ｃｒ：０．７６〜１．３８％、Ｍｏ：０．１３〜０．３３％、残部をＦｅ及び不可避的不純物としていることを特徴とするインフレーター用ガス収納容器の製造方法。
  4. 前記鋼材料の鋼組成が、炭素当量を０．３７５〜０．８６５％の範囲内としていることを特徴とする請求項３に記載のインフレーター用ガス収納容器の製造方法。
  5. 前記鋼材料の冷間鍛造の減面率が、８０〜９０％の範囲内としていることを特徴とする請求項３若しくは請求項４に記載のインフレーター用ガス収納容器の製造方法。
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