JP2022090676A - Pipe material manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、強度が高い鋼管を製造する技術に関する。 The present invention relates to a technique for manufacturing a steel pipe having high strength.
近年、自動車に対しては、燃費改善に対する要求がますます高まり、更なる軽量化が強く要請されるようになってきている。そのため、自動車に使用される部品においては、鋼製の線材や棒材から成形されていた従来の部品を、鋼製の管材(以下、「鋼管」、あるいは、単に「管材」とも呼ぶ)から成形された部品に置き換えることが進められている。また、従来から管材を成形して製造されていた部品についても、軽量化のために薄肉化が求められる一方、十分な強度を維持することが求められている。このような要請は、自動車用部品の製造に使用される管材に限らず、鉄道車両や航空機等の移動体用の部品や各種機械装置に使用される部品等の製造に使用される管材に共通している。 In recent years, there has been an increasing demand for improved fuel efficiency of automobiles, and there is a strong demand for further weight reduction. Therefore, in the parts used for automobiles, conventional parts that were molded from steel wire rods and bar materials are molded from steel pipe materials (hereinafter, also referred to as "steel pipes" or simply "pipe materials"). It is being replaced with the parts that have been removed. In addition, parts that have been conventionally manufactured by molding pipe materials are also required to be thinned in order to reduce the weight, while maintaining sufficient strength. Such a request is not limited to pipe materials used for manufacturing automobile parts, but is common to pipe materials used for manufacturing parts for moving bodies such as railway vehicles and aircraft, and parts used for various mechanical devices. is doing.
一般的に、部品の成形に使用される管材は、外径および内径(管径)を部品の大きさに合わせるため、管径が当該管材よりも大きい厚肉の管材(素管)に冷間引抜加工を施すことにより製造される。しかしながら、冷間引抜加工によって得られる管材の強度を十分に高くすることは、必ずしも容易ではない。そこで、組成が適宜調整され、冷間引抜加工により予め所望の形状に形成された管材に、焼入や焼戻し等の熱処理を施して、強度を高くすることが行われている。例えば、特許文献1においては、エアバッグ用の管材を製造するため、クロム(Cr)やモリブデン(Mo)等を添加した鋼管に冷間引抜加工を施し、その後、所定の温度条件で焼入および焼戻しを行うことが提案されている。
Generally, in order to match the outer diameter and inner diameter (pipe diameter) of the pipe material used for molding parts to the size of the part, it is cold to a thick pipe material (bare pipe) whose pipe diameter is larger than the pipe material. Manufactured by drawing. However, it is not always easy to sufficiently increase the strength of the pipe material obtained by the cold drawing process. Therefore, the composition is appropriately adjusted, and the pipe material previously formed into a desired shape by cold drawing is subjected to heat treatment such as quenching or tempering to increase the strength. For example, in
また、特許文献1には、冷間引抜加工を施す鋼管にチタン(Ti)やニオブ(Nb)等の元素を添加して、結晶組織を微細粒化することが記載されている。一般に、鋼材の降伏応力は、結晶粒径が小さくなるほど高くなることが知られている。そのため、TiやNb等の元素を添加して、結晶組織を微細粒化することにより、管材の強度をより高くすることが期待できる。
Further,
しかしながら、焼入や焼戻し等の熱処理を行う場合、熱処理を行うのに伴って酸洗および中和が必要となり、また、酸洗を行うのに伴ってベーキングが必要となる。そのため、管径を縮小する冷間引抜加工においては、エネルギーの消費量を低減することができるものの、熱処理と、ベーキングとにおいて多くのエネルギーが消費されるため、管材の製造工程全体としてのエネルギーの消費量は多くなる。さらに、管材の強度をより高くするため、TiやNb等の結晶組織を微細粒化する元素を添加すると、管材のリサイクル性が低下する。 However, when heat treatment such as quenching or tempering is performed, pickling and neutralization are required with the heat treatment, and baking is required with the pickling. Therefore, although the energy consumption can be reduced in the cold drawing process in which the pipe diameter is reduced, a large amount of energy is consumed in the heat treatment and the baking, so that the energy of the entire pipe material manufacturing process is consumed. The amount of consumption will increase. Further, in order to further increase the strength of the pipe material, if an element such as Ti or Nb that finely granulates the crystal structure is added, the recyclability of the pipe material is lowered.
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、強度が高い管材を製造する際のエネルギー消費量を低減するとともに、管材のリサイクル性を改善する技術を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-mentioned conventional problems, and to provide a technique for reducing energy consumption when manufacturing a high-strength pipe material and improving the recyclability of the pipe material. The purpose.
上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明は、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。 In order to achieve at least a part of the above object, the present invention can be realized as the following form or application example.
[適用例1]
管材の製造方法であって、0.05~0.25重量%のCを含む鋼材からなり、長尺で中実の原材を準備する工程と、前記原材を切断して、中実のビレットを形成する原材切断工程と、前記ビレットを中空のブランクに加工する中空化加工工程と、前記ブランクを管状に温間押出成形する温間押出工程と、を備える、管材の製造方法。
[Application Example 1]
A method for manufacturing a pipe material, which consists of a steel material containing 0.05 to 0.25% by weight of C, and a step of preparing a long solid raw material and a step of cutting the raw material to form a solid material. A method for manufacturing a pipe material, comprising a raw material cutting step for forming a billet, a hollowing process for processing the billet into a hollow blank, and a warm extrusion step for warmly extruding the blank into a tubular shape.
この適用例によれば、得られる管材の結晶組織を微細粒化し、降伏応力をより高くするとともに、脆性遷移温度をより低くすることができる。そのため、得られた管材に焼入等の熱処理を施すことを省略することができるので、強度が高い管材の製造工程全体としてのエネルギーの消費量を低減することが可能となる。また、結晶組織を微細粒化は、結晶組織を微細粒化する元素の添加なしに発現するので、当該元素の添加に伴う管材のリサイクル性の低下を抑制することができる。 According to this application example, the crystal structure of the obtained tube material can be finely granulated to increase the yield stress and lower the brittle transition temperature. Therefore, it is possible to omit performing heat treatment such as quenching on the obtained pipe material, and it is possible to reduce the energy consumption of the entire manufacturing process of the pipe material having high strength. Further, since the fine graining of the crystal structure is expressed without the addition of the element for finely granulating the crystal structure, it is possible to suppress the deterioration of the recyclability of the tube material due to the addition of the element.
[適用例2]
前記原材は、球状化焼鈍が施されている、請求項1記載の管材の製造方法。この適用例によれば、得られる管材の延性を良好に改善することができる。
[Application example 2]
The method for producing a pipe material according to
[適用例3]
前記中空化加工工程は、冷間鍛造により前記ビレットを前記ブランクに加工する、請求項1または2記載の管材の製造方法。ビレットのブランクへの加工を冷間鍛造で行うことにより、ビレットの加熱に要するエネルギーの消費を抑制することができる。
[Application example 3]
The method for manufacturing a pipe material according to claim 1 or 2, wherein the hollowing processing step processes the billet into the blank by cold forging. By cold forging the billet into a blank, it is possible to suppress the consumption of energy required for heating the billet.
[適用例4]
前記鋼材は、さらに、0.60~1.5重量%のMnを含有している、請求項1ないし3のいずれか記載の管材の製造方法。原材となる鋼材にMnを添加することにより、得られる管材の引張強さをより高くすることができる。
[Application example 4]
The method for producing a pipe material according to any one of
[適用例5]
前記鋼材は、さらに、0.30~0.85重量%のMnと、0.85~1.25重量%のCrと、0.15~0.35重量%のMoとを含有している、請求項1ないし3のいずれか記載の管材の製造方法。原材となる鋼材にCrおよびMoを添加することにより、得られる管材は、加工硬化により引張強さが向上する。そのため、管材を加工して得られる部品の強度をより高くすることができる。
[Application Example 5]
The steel material further contains 0.30 to 0.85% by weight of Mn, 0.85 to 1.25% by weight of Cr, and 0.15 to 0.35% by weight of Mo. The method for manufacturing a pipe material according to any one of
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、管材の製造方法およびその製造方法で製造された管材、それらの管材を利用した各種部品等の態様で実現することができる。 The present invention can be realized in various aspects. For example, it can be realized by a method of manufacturing a pipe material, a pipe material manufactured by the manufacturing method, various parts using the pipe material, and the like.
以下、本発明を実施するための形態を以下の順序で説明する。
A.第1実施形態:
A1.第1実施形態における管材の製造工程:
A2.温間押出成形:
A3.第1実施形態の実施例:
B.第2実施形態:
B1.第2実施形態における管材の製造工程:
B2.第2実施形態の実施例:
Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in the following order.
A. First Embodiment:
A1. Manufacturing process of pipe material in the first embodiment:
A2. Warm extrusion:
A3. Example of the first embodiment:
B. Second embodiment:
B1. Manufacturing process of pipe material in the second embodiment:
B2. Example of the second embodiment:
A.第1実施形態:
A1.第1実施形態における管材の製造工程:
図1は、本発明の第1実施形態としての管材の製造工程を示す工程図である。図1(a)ないし図1(d)は、各工程において加工が施されたワーク、すなわち、ビレット910、中空ブランク920、押出材950および最終的な管材960の形態を示している。また、図1(a)ないし図1(d)において、一点鎖線C-C’は、ビレット910、中空ブランク920、押出材950および管材960の軸線を示している。
A. First Embodiment:
A1. Manufacturing process of pipe material in the first embodiment:
FIG. 1 is a process diagram showing a manufacturing process of a pipe material as the first embodiment of the present invention. 1 (a) to 1 (d) show the form of the workpiece processed in each step, that is, the
第1実施形態の管材の製造工程では、まず、管材の原材料である中実で長尺の鋼材(原材)を準備する。原材としては、線状の鋼材をコイル状にしたコイル材を用いても良く、また、棒状の鋼材である棒材(棒鋼)を用いてもよい。なお、原材の材質は、炭素(C)の含有量が0.05~0.25重量%の炭素鋼をベースとする鋼材であればよい。このように準備された原材を適宜の長さに切断することにより、図1(a)に示すように略円柱状のビレット910が得られる。
In the manufacturing process of the pipe material of the first embodiment, first, a solid and long steel material (raw material) which is a raw material of the pipe material is prepared. As the raw material, a coil material obtained by coiling a linear steel material may be used, or a bar material (bar steel) which is a bar-shaped steel material may be used. The material of the raw material may be a steel material based on carbon steel having a carbon (C) content of 0.05 to 0.25% by weight. By cutting the raw material prepared in this way to an appropriate length, a substantially
このようにして得られたビレット910は、図1(b)に示すように、中空ブランク920に加工される。図1(b)の例において、中空ブランク920は、中心に円形の穴929が設けられ、内周部922が外周部921よりも厚い略円環状に形成されている。このようなビレット910から中空ブランク920への加工(中空化加工)は、パーツフォーマー等を用いた一般的な冷間鍛造技術により行うことができる。なお、中空化加工は、冷間鍛造に限らず、温間鍛造や熱間鍛造によって行うことも可能である。但し、ビレット910の加熱に要するエネルギーの消費を抑制することができる点で、中空化加工は、冷間鍛造で行うのが好ましい。
The
なお、図1の例では、中空ブランク920は、内周部922が外周部921よりも厚くなるように形成されているが、中空ブランクの形状は、種々変更することができる。中空ブランクは、例えば、外周部から内周部まで厚みが均一な形状としても良く、また、外周部が内周部よりも厚い形状としてもよい。
In the example of FIG. 1, the hollow blank 920 is formed so that the inner
中空化加工により得られた中空ブランク920は、後方側(C方向側)から前方側(C’方向側)に向かって押出を行う温間押出成形(詳細については後述する)により、略管状の押出材950(図1(c))に成形される。なお、以下では、このように押出を行う方向(C’方向)を前方と呼び、その反対方向(C方向)を後方と呼ぶ。 The hollow blank 920 obtained by the hollowing process is substantially tubular by warm extrusion molding (details will be described later) in which extrusion is performed from the rear side (C direction side) to the front side (C'direction side). It is formed into an extruded material 950 (FIG. 1 (c)). In the following, the direction of extrusion (C'direction) is referred to as the front, and the opposite direction (C direction) is referred to as the rear.
温間押出成形により成形された押出材950は、管状の先端部951と、金型(後述する)の形状に沿って変形した後端部952とを有している。そして、図1(d)に示すように、押出材950から、その先端部951を切り出すことにより、円筒状の管材960が得られる。
The extruded
なお、図1の例では、図1(d)の管材の切り出しまでを含めて管材の製造工程としている。しかしながら、図1(c)に示す押出材950もその形態が略管状となっているため、図1(c)に示す温間押出成形の段階で管材の製造が完了していると考えることも可能である。そのため、本発明においては、温間押出成形までの工程をもって、管材の製造方法と謂う。
In the example of FIG. 1, the manufacturing process of the pipe material includes the cutting of the pipe material of FIG. 1 (d). However, since the extruded
A2.温間押出成形:
図2は、温間押出成形に用いる金型の構成と、当該金型により温間押出成形が行われる様子を示す説明図である。図2(a)ないし図2(c)は、温間押出成形により中空ブランク920が変形し、押出材950(図1(c))が形成されていく様子を示している。なお、図2(a)ないし図2(c)では、温間押出成形の金型を構成するパンチ100、カウンターパンチ200およびダイス300と、中空ブランク920および成形途中のワークである中間材930、940とをそれぞれ軸線C-C’に沿って切断した断面を示している。
A2. Warm extrusion:
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a configuration of a mold used for warm extrusion molding and a state in which warm extrusion molding is performed by the mold. 2 (a) to 2 (c) show how the hollow blank 920 is deformed by warm extrusion molding to form an extruded material 950 (FIG. 1 (c)). In addition, in FIGS. 2A to 2C, a
パンチ100は、温間押出成形に使用されるプレス装置のラムに取り付けられる平板状のベース110と、ベース110から前方(C’方向)に伸びる略円筒状の中間部120と、中間部120から前方に伸び、カウンターパンチ200とダイス300との間の空隙に進入する円筒状の先端部130とを有している。
The
カウンターパンチ200は、棒状の部材であり、後方側に位置し、外径が小さく設定された円柱状の小径部210と、小径部210の前方側に位置し、前方に向かって外径が拡大するテーパー部220と、テーパー部220の前方側に位置し、小径部210よりも外径が大きい大径部230とを有している。
The
ダイス300は、略円筒状の部材であり、内径が大きく設定された拡径部310と、拡径部310の前方側に位置し、前方に向かって内径が縮小するテーパー部320と、テーパー部320の前方側に位置し、拡径部310よりも内径が小さい縮径部330とを有している。
The
図2に示すように、カウンターパンチ200およびダイス300は、カウンターパンチ200の大径部230とダイス300の縮径部330とが対向し、かつ、カウンターパンチ200とダイス300の内面309とが同軸となるように配置される。また、パンチ100の先端部130は、その内径がカウンターパンチ200の小径部210の外径と略同一になるように設定され、その外径がダイス300の拡径部310の内径と略同一になるように設定されている。そして、パンチ100の先端部130と、カウンターパンチ200やダイス300の内面309とが同軸となるように配置し、パンチ100を前方に移動させることにより押出成形が行われる。
As shown in FIG. 2, in the
温間押出成形では、まず、押出成形が温間温度領域(後述する)で進行するように、中空ブランク920を予め設定されたブランク温度まで昇温するとともに、カウンターパンチ200およびダイス300を予め設定された金型温度まで昇温する。このようなブランク温度および金型温度は、押出成形が温間温度領域で進行するように、塑性変形による発熱(塑性発熱)を考慮したシミュレーション等により設定することができる。なお、一般的に温間温度領域は600~650℃となり、塑性発熱による温度上昇は100~150℃程度となるため、ブランク温度および金型温度は、450~550℃に設定される。
In the warm extrusion molding, first, the hollow blank 920 is heated to a preset blank temperature and the
次いで、昇温された中空ブランク920を、図2(a)に示すように、金型に装入する。具体的には、中空ブランク920は、カウンターパンチ200の小径部210と、ダイス300の拡径部310との間に配置される。
Next, the heated hollow blank 920 is charged into a mold as shown in FIG. 2 (a). Specifically, the hollow blank 920 is arranged between the
なお、図2(a)の例では、中空ブランク920と、カウンターパンチ200やダイス300との間に大きな隙間が生じないように、中空ブランク920の内径をカウンターパンチ200の小径部210の外径と略同一とし、外径をダイス300の拡径部310の内径と略同一にしている。しかしながら、中空ブランクの内径および外径は、中空ブランク920がカウンターパンチ200の小径部210とダイス300の拡径部310との間に配置できれば種々変更することができる。但し、温間押出成形によって形成される押出材950(図1(c))にボイドが発生することが抑制される点で、図2(a)のように、中空ブランク920と、カウンターパンチ200やダイス300との間に大きな隙間が生じないようにするのが好ましい。
In the example of FIG. 2A, the inner diameter of the hollow blank 920 is set to the outer diameter of the
図2(a)に示すように、中空ブランク920を金型に装入した後、パンチ100を前方に移動させると、中空ブランク920が変形し、変形した中空ブランクにより、カウンターパンチ200の小径部210およびテーパー部220と、ダイス300の拡径部310およびテーパー部320との間隙が充填される。そして、さらにパンチ100を前方に移動させると、図2(b)に示すように押出が開始され、変形した中空ブランクすなわち中間材930は、その後端部931がカウンターパンチ200の大径部230とダイス300の縮径部330との間隙(狭窄部)に押し出され、当該狭窄部において管状の先端部932が形成される。
As shown in FIG. 2A, when the hollow blank 920 is charged into the mold and then the
さらに、図2(b)に示すように押出が開始された後、パンチ100を前方に移動させて押出を進行させると、中間材930の後端部931がカウンターパンチ200の大径部230とダイス300の縮径部330との間隙に押し出される。そのため、図2(c)に示すように、中間材940の後端部941の体積が減少して、狭窄部が中間材940の中間部942により充填されるととも、ダイス300より前方の位置において、成形済の管状部943が形成される。
Further, as shown in FIG. 2B, when the
このように、押出が進行している状態において、中間材940の中間部942には、塑性変形により多数の転位が導入され、変形組織が形成される。また、中間部942の温度は、塑性発熱により、再結晶が進行する温間温度領域(600~650℃)まで上昇する。そして、中間部942の温度が温間温度領域となることにより、転位が導入された変形組織は、転位が消滅しあるいは再配列する回復の過程を経て、核生成および成長による一次再結晶が進行し、微細な結晶組織(サブグレイン)となる。
As described above, in the state where extrusion is in progress, a large number of dislocations are introduced into the
第1実施形態においては、成形済の管状部943がダイス300の外部に露出するので、管状部943の温度が温間温度領域よりも低下し、サブグレインの粒成長が抑制される。そのため、管状部943の結晶組織は、その大きさ(結晶粒径)が微細な状態(結晶粒径が1.5μm以下)に維持される。そして、管状部943の結晶組織が微細粒化されることにより、管状部943に対応する押出材950(図1(c))の先端部951や管材960(図1(d))の結晶組織も微細粒化する。
In the first embodiment, since the molded
このように、第1実施形態によれば、押出成形が温間温度領域で進行する温間押出成形を行うことにより、得られる管材960の結晶組織が微細粒化する。また、一般的に、鋼材の降伏応力は、結晶粒径が小さくなるほど高くなり、脆性遷移温度は、結晶粒径が小さくなるほど低くなる(ホール・ペッチ(Hall-Petch)の関係)。そのため、第1実施形態によれば、得られる管材960の結晶組織が微細粒化するので、管材960の降伏応力をより高くするとともに、脆性遷移温度をより低くすることができる。そのため、得られた管材960に焼入等の熱処理を施すことを省略することができるので、強度が高い管材の製造工程全体としてのエネルギーの消費量を低減することが可能となる。
As described above, according to the first embodiment, the crystal structure of the obtained
また、第1実施形態では、管材の製造にあたり、中実で長尺の鋼材を原材として用いている。そのため、第1実施形態によれば、原材料となる管材(素管)を加工して所望の形状の管材を製造する一般的な管材の製造方法と比較して、原材の保管スペースをより小さくすることができる。 Further, in the first embodiment, a solid and long steel material is used as a raw material in the production of the pipe material. Therefore, according to the first embodiment, the storage space of the raw material is smaller than that of a general method for manufacturing a pipe material in which a pipe material (raw pipe) as a raw material is processed to manufacture a pipe material having a desired shape. can do.
さらに、第1実施形態では、管材960の材質(すなわち、原材の材質)として、Cの含有量が0.05~0.25重量%の炭素鋼を用いた場合においても、管材960の結晶組織を十分に微細粒化することができる。そのため、チタン(Ti)やニオブ(Nb)等の結晶組織の微細粒化を促進する合金元素の添加を省略できるので、管材960のリサイクル性を高くするとともに、管材960の価格の低減を図ることができる。
Further, in the first embodiment, even when carbon steel having a C content of 0.05 to 0.25% by weight is used as the material of the pipe material 960 (that is, the material of the raw material), the crystals of the
なお、第1実施形態を適用して管材を製造するための原材の材質(すなわち、管材の材質)は、最終的な管材に要求される機械特性に応じて適宜変更することができる。例えば、引張強さを高くするため、Cと同様に引張強さを高くする合金元素であるマンガン(Mn)を添加した原材を使用することも可能である。この場合、Mnの含有量は、後述するように選択的に添加されるクロム(Cr)およびモリブデン(Mo)の有無によって調整するのが好ましい。CrおよびMoを添加する場合には、Mnの含有量は、0.30~0.85%とするのが好ましく、CrおよびMoを添加しない場合には、Mnの含有量は、0.60~1.5%とするのが好ましい。また、加工硬化による引張強さの向上を促進するため、CrおよびMoを添加した原材を使用することも可能である。この場合、Crの含有量は、0.85~1.25%とし、Moの含有量は、0.15~0.35%とするのが好ましい。 The material of the raw material (that is, the material of the pipe material) for manufacturing the pipe material by applying the first embodiment can be appropriately changed according to the mechanical properties required for the final pipe material. For example, in order to increase the tensile strength, it is also possible to use a raw material to which manganese (Mn), which is an alloying element for increasing the tensile strength, is added as in C. In this case, the Mn content is preferably adjusted by the presence or absence of chromium (Cr) and molybdenum (Mo) selectively added as described later. When Cr and Mo are added, the Mn content is preferably 0.30 to 0.85%, and when Cr and Mo are not added, the Mn content is 0.60 to 0.85%. It is preferably 1.5%. Further, in order to promote the improvement of tensile strength by work hardening, it is also possible to use a raw material to which Cr and Mo are added. In this case, the Cr content is preferably 0.85 to 1.25%, and the Mo content is preferably 0.15 to 0.35%.
A3.第1実施形態の実施例:
[管材の結晶粒径の評価]
第1実施形態の効果を確認するため、合金元素を添加していない炭素鋼(S15C)の原材から管材を作成し、作成した管材の結晶粒径を評価した。具体的には、原材として、S15Cのコイル材を準備した。準備したコイル材の化学成分は、次の表1の通りである。なお、表1において、Si、CuおよびNiは、それぞれ、シリコン、銅およびニッケルを表している。
[Evaluation of crystal grain size of pipe material]
In order to confirm the effect of the first embodiment, a pipe material was prepared from a raw material of carbon steel (S15C) to which no alloying element was added, and the crystal grain size of the prepared pipe material was evaluated. Specifically, a coil material of S15C was prepared as a raw material. The chemical composition of the prepared coil material is as shown in Table 1 below. In Table 1, Si, Cu, and Ni represent silicon, copper, and nickel, respectively.
次いで、パーツフォーマーを用いて、準備したコイル材を切断してビレットにするとともに、切断したビレットを冷間鍛造して中空ブランクを作成した。そして、中空ブランクを550℃まで昇温するとともに、カウンターパンチおよびダイスを472℃まで昇温し、押出成形を行った。このようにして押出成形で得られた押出材(図1(c)参照)の先端部(すなわち、管材)について、その軸方向(C-C’方向)に垂直な断面を走査型電子顕微鏡(以下、単に「電子顕微鏡」と謂う)で観察した。電子顕微鏡での観察は、管材の外径側、管材の内径側およびその中間の部分(中間部)について行った。 Next, using a parts former, the prepared coil material was cut into billets, and the cut billets were cold forged to create a hollow blank. Then, the temperature of the hollow blank was raised to 550 ° C, and the temperature of the counter punch and the die was raised to 472 ° C, and extrusion molding was performed. With respect to the tip end portion (that is, the pipe material) of the extruded material (see FIG. 1 (c)) thus obtained by extrusion molding, a scanning electron microscope (that is, a cross section perpendicular to the axial direction (CC'direction) is obtained. Hereinafter, the observation was simply performed with an "electron microscope"). Observation with an electron microscope was performed on the outer diameter side of the pipe material, the inner diameter side of the pipe material, and the intermediate portion (intermediate part).
図3は、管材の結晶粒径を評価した結果を示す電子顕微鏡写真である。図3(a),図3(b)は、外径側の結晶組織を示し、図3(c),図3(d)は、中間部の結晶組織を示し、図3(e),図3(f)は、内径側の結晶組織を示している。また、図3(a),図3(c),図3(e)は、5000倍の倍率で観察した様子を示し、図3(b),図3(d),図3(f)は、10000倍の倍率で観察した様子を示している。 FIG. 3 is an electron micrograph showing the result of evaluating the crystal grain size of the tube material. 3 (a) and 3 (b) show the crystal structure on the outer diameter side, and FIGS. 3 (c) and 3 (d) show the crystal structure in the middle portion, and FIGS. 3 (e) and 3 (e) show. 3 (f) shows the crystal structure on the inner diameter side. Further, FIGS. 3 (a), 3 (c), and 3 (e) show the observation at a magnification of 5000 times, and FIGS. 3 (b), 3 (d), and 3 (f) show the observation. It shows the observation at a magnification of 10,000 times.
図3(a),図3(c),図3(e)から分かるように、評価を行った管材においては、その外径側、中間部および内径側のいずれにおいても、すなわち、管材の肉厚全体において、再結晶化によって結晶組織が形成されていた。また、図3(b),図3(d),図3(f)から分かるように、管材の肉厚全体において、結晶粒径が1.5μmとなっていることが確認できた。 As can be seen from FIGS. 3 (a), 3 (c), and 3 (e), in the evaluated pipe material, the meat of the pipe material is obtained on any of the outer diameter side, the intermediate portion, and the inner diameter side. Throughout the thickness, recrystallization formed a crystalline structure. Further, as can be seen from FIGS. 3 (b), 3 (d), and 3 (f), it was confirmed that the crystal grain size was 1.5 μm in the entire wall thickness of the pipe material.
以上のことから、温間押出成形を行う第1実施形態を適用して管材を製造することにより、原材として結晶組織の微細粒化を促進する元素を添加していないS15Cを用いた場合においても、得られる管材の結晶組織を微細粒化することが可能であることが分かった。 From the above, when the tube material is manufactured by applying the first embodiment of warm extrusion molding, and S15C to which an element that promotes fine graining of the crystal structure is not added is used as the raw material. It was also found that it is possible to finely granulate the crystal structure of the obtained tube material.
[微細粒の発現条件の確認]
管材の結晶粒径の評価に次いで、原材の材質、原材の加工状態およびブランクや金型の温度を変更して、微細粒が発現する条件の確認を行った。具体的には、強い圧縮応力により塑性変形が進行する押出加工に対応する加工方法として、加熱状態において圧縮加工を行い、圧縮された試験片の結晶組織を電子顕微鏡を用いて観察した。また、比較対象として、冷間圧縮加工により圧縮された試験片の結晶組織を電子顕微鏡を用いて観察した。
[Confirmation of fine grain expression conditions]
Following the evaluation of the crystal grain size of the tube material, the material of the raw material, the processing state of the raw material, and the temperature of the blank and the mold were changed, and the conditions under which fine particles were developed were confirmed. Specifically, as a processing method corresponding to extrusion processing in which plastic deformation progresses due to strong compressive stress, compression processing was performed in a heated state, and the crystal structure of the compressed test piece was observed using an electron microscope. For comparison, the crystal structure of the test piece compressed by cold compression processing was observed using an electron microscope.
加熱状態で圧縮加工を行う試験片の材質としては、管材において結晶粒径を評価した炭素鋼(S15C)と、高強度化が可能なマンガン鋼(Q345B)とを使用した。また、比較対象として冷間圧縮加工を行う試験片の材質としては、加熱状態での圧縮加工に用いたS15CおよびQ345Bと、Cの含有量が略同一で構造用鋼として使用されるクロムモリブデン鋼(SCM415)とを使用した。これら試験片として使用した鋼材の化学成分は、次の表2の通りである。なお、表2において、下線を付した項目は、鋼材への添加元素を示している。
圧縮加工の試験片としては、S15C、Q345BおよびSCM415の棒材を軸方向に垂直な面で切断して切り出し、厚さが7.7mmの平板状としたものを準備した。また、第1実施形態において温間押出加工に先立って行われる中空化加工の影響の有無を確認するため、S15CおよびQ345Bの棒材に40%の加工率で軸方向の据込鍛造を施した後、据込鍛造を施した材料を据込方向に垂直な面で切断して切り出して、厚さが7.7mmの平板状の試験片を準備した。なお、以下では、このように据込鍛造を施した材料を切り出した試験片については、試験片の加工率を40%と表し、棒材を軸方向に垂直な面で切断して得られた試験片については、試験片の加工率を0%と表す。 As the test piece for compression processing, a flat plate having a thickness of 7.7 mm was prepared by cutting out the rods of S15C, Q345B and SCM415 on the plane perpendicular to the axial direction. Further, in order to confirm the presence or absence of the influence of the hollowing process performed prior to the warm extrusion process in the first embodiment, the rods of S15C and Q345B were subjected to axial stationary forging at a processing rate of 40%. After that, the material subjected to the embedding forging was cut out on a plane perpendicular to the embedding direction, and a flat plate-shaped test piece having a thickness of 7.7 mm was prepared. In the following, for the test piece obtained by cutting out the material subjected to the stationary forging in this way, the processing rate of the test piece is expressed as 40%, and the bar is obtained by cutting the bar in a plane perpendicular to the axial direction. For the test piece, the processing rate of the test piece is expressed as 0%.
圧縮加工は、凸形状の上型および下型を凸部が対向するように配置し、下型上に試験片を載置した後に上型を下降させ、上型および下型の凸部の間で厚さが1mmとなるように(すなわち、圧縮加工の加工率が87%となるように)圧縮加工を行った。加熱状態で圧縮加工を行う際には、試験片と上型および下型とを予め加熱温度が設定された加熱炉にて昇温し、昇温後15分間、加熱状態を維持した。その後、加熱炉から取り出した上型および下型を用いて、速やかに、試験片の圧縮加工を行った。一方、冷間圧縮加工を行う際には、常温の上型および下型を用いて、常温の試験片の圧縮加工を行った。 In compression processing, the upper and lower dies of the convex shape are arranged so that the convex portions face each other, the test piece is placed on the lower mold, and then the upper mold is lowered, and between the convex portions of the upper mold and the lower mold. The compression process was performed so that the thickness was 1 mm (that is, the processing rate of the compression process was 87%). When compression processing was performed in a heated state, the temperature of the test piece and the upper and lower molds were raised in a heating furnace in which the heating temperature was set in advance, and the heated state was maintained for 15 minutes after the temperature rise. Then, the test piece was quickly compressed using the upper and lower dies taken out from the heating furnace. On the other hand, when the cold compression process was performed, the test piece at room temperature was compressed using the upper and lower dies at room temperature.
図4ないし図6は、圧縮加工を行った試験片の結晶粒径を評価した結果を示す電子顕微鏡写真である。図4(a)ないし図4(c)は、材質としてS15C、Q345BおよびSCM415を用いた各試験片について、冷間圧縮加工を施した試験片の結晶組織を示している。図5(a)ないし図5(f)は、材質としてS15Cを用い、加熱状態で圧縮加工を施した試験片の結晶組織を示し、図6(a)ないし図6(f)は、材質としてQ345Bを用い、加熱状態で圧縮加工を施した試験片の結晶組織を示している。 4 to 6 are electron micrographs showing the results of evaluating the crystal grain size of the compressed test piece. 4 (a) to 4 (c) show the crystal structure of the test piece subjected to cold compression processing for each test piece using S15C, Q345B and SCM415 as the materials. 5 (a) to 5 (f) show the crystal structure of the test piece subjected to compression processing in a heated state using S15C as the material, and FIGS. 6 (a) to 6 (f) show the crystal structure of the test piece as the material. The crystal structure of the test piece subjected to the compression processing in a heated state using Q345B is shown.
図4(a)ないし図4(c)から分かるように、冷間圧縮加工を行った試験片については、試験片の材質に関わりなく微細粒が発現しなかった。一方、図5(a),図5(b),図6(a),図6(b)から分かるように、加熱温度を450℃とした試験片では、試験片の材質や加工率にかかわらず、微細粒が発現していた。これに対し、加熱温度を550℃あるいは650℃とした試験片(図5(c)~図5(f),図6(c)~図6(f))では、微細粒は発現しているものの、結晶粒径は加熱温度を450℃とした試験片よりも大きくなった。これは、圧縮加工の開始時点における試験片および金型の温度が過度に高かったため粒成長がすすみ、試験片の結晶組織が粗大化したものと考えられる。 As can be seen from FIGS. 4 (a) to 4 (c), no fine particles were expressed in the test piece subjected to the cold compression process regardless of the material of the test piece. On the other hand, as can be seen from FIGS. 5 (a), 5 (b), 6 (a), and 6 (b), the test piece having a heating temperature of 450 ° C. is irrespective of the material and processing rate of the test piece. However, fine particles were expressed. On the other hand, in the test pieces having a heating temperature of 550 ° C. or 650 ° C. (FIGS. 5 (c) to 5 (f) and 6 (c) to 6 (f)), fine particles are expressed. However, the crystal grain size was larger than that of the test piece having a heating temperature of 450 ° C. It is considered that this is because the temperature of the test piece and the mold at the start of the compression process was excessively high, so that the grain growth proceeded and the crystal structure of the test piece became coarse.
図7は、圧縮加工を行った試験片の結晶粒径を評価した結果を示すグラフである。図7(a)は、冷間圧縮加工品を含む試験片の結晶粒径を示し、図7(b)は、冷間圧縮加工品を含まない試験片の結晶粒径を示している。 FIG. 7 is a graph showing the results of evaluating the crystal grain size of the test piece subjected to compression processing. FIG. 7A shows the crystal grain size of the test piece containing the cold-compressed product, and FIG. 7B shows the crystal grain size of the test piece not containing the cold-compressed product.
図7(a)に示すように、冷間圧縮加工を行った試験片では、材質をSCM415とする試験片について結晶粒径が約20μmとなり、材質をS15CあるいはQ345Bとする試験片について結晶粒径が約50μmとなった。これに対し、温間圧縮加工を行った試験片では、試験片の結晶粒径は、微細粒化の目標とする結晶粒径である1.5μm(図7(a)の破線)に近くなった。 As shown in FIG. 7A, in the test piece subjected to cold compression processing, the crystal grain size of the test piece whose material is SCM415 is about 20 μm, and the crystal grain size of the test piece whose material is S15C or Q345B is about 20 μm. Was about 50 μm. On the other hand, in the test piece subjected to warm compression processing, the crystal grain size of the test piece is close to 1.5 μm (broken line in FIG. 7A), which is the crystal grain size targeted for fine granulation. rice field.
さらに、図7(b)に示すように、加熱温度を550℃あるいは650℃とした試験片では、結晶粒径は2μm以上となった。一方、加熱温度を450℃とした試験片では、結晶粒径は1μm以下となり、目標とする結晶粒径である1.5μmを下回ることが確認できた。 Further, as shown in FIG. 7B, in the test piece having a heating temperature of 550 ° C or 650 ° C, the crystal grain size was 2 μm or more. On the other hand, in the test piece having a heating temperature of 450 ° C., it was confirmed that the crystal grain size was 1 μm or less, which was lower than the target crystal grain size of 1.5 μm.
なお、加熱状態での圧縮加工では、圧縮加工中の試験片の温度が塑性加熱により約150℃上昇するものと想定される。従って、加熱温度、すなわち、圧縮加工の開始時点における試験片および金型の温度を450℃とした試験片では、圧縮加工が温間温度領域で進行したため結晶粒径が1μm以下となったものと考えられる。一方、加熱温度を550℃あるいは650℃とした試験片では、圧縮加工が温間温度領域よりも高い温度で進行したため結晶粒径が2μm以上となったものと考えられる。 In the compression process in the heated state, it is assumed that the temperature of the test piece during the compression process rises by about 150 ° C. due to plastic heating. Therefore, in the test piece whose heating temperature, that is, the temperature of the test piece and the mold at the start of the compression processing was 450 ° C., the crystal grain size was 1 μm or less because the compression processing proceeded in the warm temperature region. Conceivable. On the other hand, in the test piece having a heating temperature of 550 ° C. or 650 ° C., it is considered that the crystal grain size was 2 μm or more because the compression processing proceeded at a temperature higher than the warm temperature region.
このように、第1実施形態によれば、押出加工が温間温度領域で進行する温間押出成形により管材を製造することにより、得られる管材において結晶粒径が1.5μm以下となるように結晶組織を微細粒化することが可能である。そのため、得られる管材の降伏応力をより高くするとともに、脆性遷移温度をより低くすることできるので、焼入等の熱処理を省略して強度が高い管材の製造工程全体としてのエネルギーの消費量を低減することができる。さらに、このような微細粒化が結晶組織の微細粒化を促進する元素を添加することなく発現するので、得られる管材のリサイクル性を高くするとともに、管材の価格の低減を図ることができる。 As described above, according to the first embodiment, the crystal grain size of the obtained tube material is 1.5 μm or less by producing the tube material by warm extrusion molding in which the extrusion process proceeds in the warm temperature region. It is possible to make the crystal structure finer. Therefore, the yield stress of the obtained pipe material can be increased and the brittle transition temperature can be lowered, so that heat treatment such as quenching can be omitted and the energy consumption of the entire manufacturing process of the high-strength pipe material can be reduced. can do. Further, since such fine granulation is expressed without adding an element that promotes fine granulation of the crystal structure, it is possible to improve the recyclability of the obtained pipe material and reduce the price of the pipe material.
B.第2実施形態:
B1.第2実施形態における管材の製造工程:
図8は、第2実施形態における管材の製造工程を示すフローチャートである。第2実施形態は、ビレットの形成を行う原材の切断工程(ステップS2)に先だって、原材の球状化焼鈍を行う工程(ステップS1)を有している点で第1実施形態と異なっている。原材の切断(ステップS2)から管材の切り出し(ステップS5)までの各工程は、第1実施形態と同様であるので、ここではその説明を省略する。
B. Second embodiment:
B1. Manufacturing process of pipe material in the second embodiment:
FIG. 8 is a flowchart showing a manufacturing process of the pipe material in the second embodiment. The second embodiment is different from the first embodiment in that it has a step of spheroidizing and annealing the raw material (step S1) prior to the cutting step of the raw material for forming the billet (step S2). There is. Since each step from cutting the raw material (step S2) to cutting out the pipe material (step S5) is the same as that of the first embodiment, the description thereof will be omitted here.
原材を球状化焼鈍することにより、原材中においてフェライトと積層してパーライトを形成していた鉄カーバイド(Fe3C)が原材中に分散し、微小な球状セメンタイトとして析出する。そして、第2実施形態においては、ビレットの形成から管材の形成までの製造工程全体(ステップS2~S5)において、ワークの温度が温間温度領域より高くならない。そのため、最終的な管材においても、鉄カーバイドは球状セメンタイトの状態に維持されるので、得られる管材の延性をより高くすることができる。 By spheroidizing and annealing the raw material, iron carbide (Fe 3C ), which was laminated with ferrite to form pearlite in the raw material, is dispersed in the raw material and precipitated as fine spherical cementite. Then, in the second embodiment, the temperature of the work does not become higher than the warm temperature region in the entire manufacturing process (steps S2 to S5) from the formation of the billet to the formation of the pipe material. Therefore, even in the final pipe material, the iron carbide is maintained in a spherical cementite state, so that the ductility of the obtained pipe material can be further increased.
一方、第2実施形態では、第1実施形態と同様に温間押出加工により管材を形成する。そのため、第1実施形態と同様に、最終的に得られる管材において結晶組織が微細粒化する。そのため、第2実施形態によれば、管材の降伏応力をより高くし、脆性遷移温度をより低くするとともに、延性をより高くすることが可能となる。 On the other hand, in the second embodiment, the pipe material is formed by warm extrusion processing as in the first embodiment. Therefore, as in the first embodiment, the crystal structure is finely divided in the finally obtained tube material. Therefore, according to the second embodiment, the yield stress of the pipe material can be made higher, the brittle transition temperature can be made lower, and the ductility can be made higher.
なお、第2実施形態では、管材の製造工程のステップS1で原材に球状化焼鈍を施しているが、予め球状化焼鈍が施された原材を準備することによりステップS1を省略することも可能である。また、ステップS1の球状化焼鈍を行う工程を、球状化焼鈍が施された原材を準備する工程と捉えることも可能である。 In the second embodiment, the raw material is spheroidized and annealed in step S1 of the pipe material manufacturing process, but step S1 may be omitted by preparing the raw material that has been spheroidized and annealed in advance. It is possible. Further, the step of performing the spheroidizing annealing in step S1 can be regarded as the step of preparing the raw material to which the spheroidizing annealing has been performed.
B2.第2実施形態の実施例:
第2実施形態の効果を確認するため、管材における微細粒の発現と管材の機械特性とに対する球状化焼鈍の影響を評価した。具体的には、Q345Bからなる棒材を複数準備し、その一部に球状化焼鈍を行い、球状化焼鈍を行っていない棒材と球状化焼鈍を行った棒材とから、第1実施形態の実施例と同様に、温間圧縮加工の試験片と、管材製造のためのビレットとを作成した。なお、準備した棒材の化学組成は、表2に示す第1実施形態の実施例と同じである。
B2. Example of the second embodiment:
In order to confirm the effect of the second embodiment, the effect of spheroidizing annealing on the expression of fine particles in the tube material and the mechanical properties of the tube material was evaluated. Specifically, a plurality of rods made of Q345B are prepared, and a part of the rods is spheroidized and annealed, and the rods not spheroidized and annealed and the spheroidized and annealed rods are the first embodiment. A test piece for warm compression processing and a billet for manufacturing a pipe material were prepared in the same manner as in the above embodiment. The chemical composition of the prepared bar is the same as that of the first embodiment shown in Table 2.
温間圧縮加工の試験片については、加熱温度を450℃として温間圧縮加工を行い、微細粒の発現の有無の確認と機械特性の評価を行った。一方、管材製造のためのビレットについては、中空化加工の後、温間押出成形を行って管材を作成し、得られた管材について扁平試験を行った。なお、その他、圧縮加工の条件や管材の製造条件等の各種条件については、第1実施形態の実施例と同様である。 The test pieces for warm compression processing were subjected to warm compression processing at a heating temperature of 450 ° C., and the presence or absence of fine particles was confirmed and the mechanical properties were evaluated. On the other hand, for billets for manufacturing pipe materials, after hollowing, warm extrusion molding was performed to prepare pipe materials, and the obtained pipe materials were subjected to a flattening test. In addition, various conditions such as compression processing conditions and pipe material manufacturing conditions are the same as those in the first embodiment.
図9は、球状化焼鈍の結晶粒径に対する影響を評価した結果を示す電子顕微鏡写真である。図9(a)は、球状化焼鈍を行っていない試験片の結晶組織を示し、図9(b)は、球状化焼鈍を行った試験片の結晶組織を示している。 FIG. 9 is an electron micrograph showing the results of evaluating the effect of spheroidizing annealing on the crystal grain size. FIG. 9A shows the crystal structure of the test piece that has not been spheroidized and annealed, and FIG. 9B shows the crystal structure of the test piece that has been spheroidized and annealed.
図9(a)および図9(b)から分かるように、温間圧縮加工を施すことにより、球状化焼鈍の有無にかかわらず、結晶組織が微細粒化することが確認できた。また、球状化焼鈍を行うことにより、結晶粒径がやや大きくなるものの、結晶組織は十分に微細粒化することが確認できた。 As can be seen from FIGS. 9 (a) and 9 (b), it was confirmed that the crystal structure became finer by performing the warm compression process regardless of the presence or absence of spheroidizing annealing. Further, it was confirmed that the crystal structure was sufficiently finely granulated, although the crystal grain size was slightly increased by performing spheroidizing annealing.
温間圧縮加工を行った試験片の機械特性の評価は、常温および低温(-40℃)における引張試験によっておこなった。次の表3は、各試験片における結晶粒径と、引張試験の評価結果を示している。
表3に示すように、常温および低温のいずれの試験においても、原材に球状化焼鈍を施すことにより、引張強さがやや低下する(常温で-10%)ものの、伸びが顕著に大きくなる(常温で+47%)ことが分かった。この結果から、原材に球状化焼鈍を施すことにより、温間押出成形に対応する温間圧縮加工を行った試験片の延性を、良好に改善することが可能であることが分かった。 As shown in Table 3, in both normal temperature and low temperature tests, by applying spheroidizing annealing to the raw material, the tensile strength is slightly reduced (-10% at room temperature), but the elongation is significantly increased. It was found to be (+ 47% at room temperature). From this result, it was found that the ductility of the test piece subjected to the warm compression processing corresponding to the warm extrusion molding can be satisfactorily improved by subjecting the raw material to spheroidizing annealing.
図10は、球状化焼鈍の延性に対する影響を評価した結果を示す説明図である。図10(a)および図10(b)は、原材に球状化焼鈍を施していない管材について、扁平試験を行った試料の上面および側面を観察した写真である。図10(c)および図10(d)は、原材に球状化焼鈍を施した管材について、扁平試験を行った試料の上面および側面を観察した写真である。 FIG. 10 is an explanatory diagram showing the results of evaluating the effect of spheroidizing annealing on the ductility. FIGS. 10 (a) and 10 (b) are photographs of the upper surface and the side surface of the sample subjected to the flattening test for the pipe material which has not been spheroidized and annealed in the raw material. FIGS. 10 (c) and 10 (d) are photographs of the upper surface and the side surface of the sample subjected to the flattening test for the tube material obtained by spheroidizing and annealing the raw material.
図10(a)および図10(b)に示すように、球状化焼鈍を行っていない管材では、側面側には割れが生じていないものの、上面側において割れが生じていた。これに対し、図10(c)および図10(d)に示すように、球状化焼鈍を行った管材では、上面側および側面側のいずれにも割れが生じなかった。この結果から、原材に球状化焼鈍を施すことにより、温間押出成形で形成された管材についても、その延性を良好に改善することが可能であることが分かった。 As shown in FIGS. 10 (a) and 10 (b), in the pipe material not subjected to spheroidizing annealing, cracks were not generated on the side surface side, but cracks were generated on the upper surface side. On the other hand, as shown in FIGS. 10 (c) and 10 (d), in the spheroidized annealed pipe material, cracks did not occur on either the upper surface side or the side surface side. From this result, it was found that the ductility of the pipe material formed by warm extrusion can be satisfactorily improved by subjecting the raw material to spheroidizing annealing.
以上の結果から、第2実施形態を適用することにより、管材の結晶組織を十分に微細粒化することができるので、管材の降伏応力をより高くし、脆性遷移温度をより低くすることができ、また、原材の球状化焼鈍により管材の延性をより高くすることが可能となることが分かった。 From the above results, by applying the second embodiment, the crystal structure of the tube material can be sufficiently finely granulated, so that the yield stress of the tube material can be made higher and the brittle transition temperature can be made lower. It was also found that the ductility of the pipe material can be further increased by spheroidizing annealing of the raw material.
100…パンチ
110…ベース
120…中間部
130…先端部
200…カウンターパンチ
210…小径部
220…テーパー部
230…大径部
300…ダイス
309…内面
310…拡径部
320…テーパー部
330…縮径部
910…ビレット
920…中空ブランク
921…外周部
922…内周部
929…穴
930…中間材
931…後端部
932…先端部
940…中空ブランク
941…後端部
942…中間部
943…管状部
950…押出材
951…先端部
952…後端部
960…管材
100 ... Punch 110 ...
Claims (5)
0.05~0.25重量%のCを含む鋼材からなり、長尺で中実の原材を準備する工程と、
前記原材を切断して、中実のビレットを形成する原材切断工程と、
前記ビレットを中空のブランクに加工する中空化加工工程と、
前記ブランクを管状に温間押出成形する温間押出工程と、
を備える、
管材の製造方法。 It is a manufacturing method of pipe material,
The process of preparing a long, solid raw material made of steel containing 0.05 to 0.25% by weight of C, and
A raw material cutting step of cutting the raw material to form a solid billet,
A hollowing process for processing the billet into a hollow blank, and
A warm extrusion step in which the blank is warm-extruded into a tubular shape, and
To prepare
Manufacturing method of pipe material.
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