JP2863611B2

JP2863611B2 - 車体補強用鋼管

Info

Publication number: JP2863611B2
Application number: JP23258490A
Authority: JP
Inventors: 弘人田邉; 一正川崎
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1990-09-04
Filing date: 1990-09-04
Publication date: 1999-03-03
Anticipated expiration: 2014-03-03
Also published as: JPH04116138A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は特に高強度を必要とする鋼管、例えば、自動
車側面衝突時の運転者の安全性を確保するためのドア補
強用鋼管であるドアインパクトバー、あるいはバンパー
用芯材等の引張強さ120kgf/mm²以上及び、曲げ変形を受
けた時高い吸収エネルギーを要求される車体補強用鋼管
に関するものである。

（従来の技術）自動車車体補強用部材たとえば、自動車の側面衝突に
対しての車体強度向上を目的としたインパクトビームと
しては、従来高張力鋼板のプレス成形品が用いられてき
たが、車体の重量を極力増加させず、より大きな塑性変
形領域まで高い引張応力・曲げ応力を確保できる材料・
形状へのニーズには高いものがある。

インパクトビームに鋼管を使用した場合、丸形状断面
のものは周方向座屈を起こしにくいため、曲げ変形抵抗
荷重が、比較的大きな変形領域でも高く保たれる。しか
し、長手方向に断面形状の均一な鋼管を使用した場合、
衝突による曲げ荷重の集中した領域のみの局部変形の発
生となり、局部的にはいかに座屈しにくい鋼管形状とは
いえ、座屈発生を生じ、急激な曲げ荷重の低下を生じて
しまう。また、変形が一点に集中する関係上、集中変形
部より鋼管は鋭角に折れ曲がり、車内にダメージを与え
てしまう。

ところで、高強度な鋼管の製造方法としては、特公昭
56-46538号公報に記載された高張力電縫鋼管の製造方法
が知られているが、該方法では、延性を確保するために
焼戻処理を施しており、一般に焼戻処理は鋼管の靱性・
延性回復のために必要であった。しかし、靱性・延性が
回復するほど高温の焼戻処理を施すと強度が大幅に低下
するため、例えば120kgf/mm²以上という高強度の鋼管を
得るのは困難であった。

（発明が解決しようとする課題）本発明は、上述の如く、インパクトビームのように、
大変形領域においても、高い曲げ強度・引張り強度特性
を確保し、車体衝突によって受ける大変形に至るまで
に、衝突エネルギーを効果的に吸収することを要求され
る補強材の、吸収エネルギー特性を落とさずに軽量化を
達成し、さらに車内へのダメージを少なくした車体補強
用鋼管を提供するものである。

（課題を解決するための手段）本発明の要旨は、車体補強用鋼管の長さＬに対して管
端から長さL/10以外の場所に、鋼管の局部的偏平化ある
いは薄肉化あるいは径小化により、局部的に曲げ断面係
数の低い領域を２箇所以上設けることを特徴とする車体
補強用鋼管及び引張強さ120kgf/mm²以上、伸び10％以上
とした車体補強用鋼管である。更に本発明はC:0.15〜0.
25％（重量％、以下同じ）、Mn≦1.5％、Si≦0.5％、Ti
≦0.04％、B:0.0003〜0.0035％、Ｎ≦0.0080％、を含有
し、あるいはさらにこれらに加えて、Ni≦0.5％、Cr≦
0.5％、Mo≦0.5％の１種または２種以上を含有し、残部
Feよりなる車体補強用鋼管である。

（作用）本発明は、車体補強用鋼管の管端部L/10以外の場所
に、局部的に曲げ断面係数の小さい領域を２箇所以上設
けることにより、局部的な座屈現象による曲げ荷重の低
下を押さえ、軽量で高吸収エネルギー特性を達成すると
同時に、さらには局部的に折れ曲がった部位が車両内部
に与えるダメージを軽減できる。

また、さらに鋼管の特性、たとえば成分を限定するこ
とにより、焼入処理後にて良好な伸び・靱性を示す高強
度鋼管とすることができ、より軽量・高吸収エネルギー
特性を効果的に得ることができる。

以下本発明における形状・機械的性質・成分の限定理
由について述べる。

まず、形状の限定理由であるが、第１図（ａ）の如
く、長手方向均等断面形状の車体補強用鋼管１は、ビー
ムは北米安全規定（FMVSS No.214）に準拠した負荷子２
荷重を受けると、３点曲げ状態となり、負荷子直下部で
モーメント最大となって、局部的変形部位３を生じる。
局部的変形部位３では、座屈現象にて急激な強度低下を
生じる。

ここで、第１図（ｂ）のように局部的に断面係数の少
ない領域５を２箇所以上設けると、この部位は本来曲げ
モーメントが負荷子２の直下より低いが、断面係数を小
さくした部位は局部的に若干の塑性変形を受け、負荷子
直下の一点への変形集中を回避でき、曲げ荷重が急激に
低下する座屈現象を起こりにくくし、負荷子直下部が車
体内部に与えるダメージを少なくできる。

負荷子押込変位−荷重曲線の特徴を第２図に示す。

破線は長手方向均等断面の鋼管で、実線はこの鋼管に
２箇所断面係数の小さな領域を設けた場合を示す。

断面係数の小さな領域を設けることにより、変形初期
荷重６の上昇を若干遅らせる結果となるが、最大荷重７
は断面係数の小さな部位を設けていないものと同レベル
で、座屈発生域８までにより大きな変位を吸収できる。

次にこの断面係数を局部的に小さくする方法である
が、鋼管の局部的偏平化、薄肉化、径小化などが考えら
れるが、いずれの方法でも良い。ただし、極端に断面係
数を小さくしすぎると、負荷子直下部はまったく変形せ
ず、断面係数を小さくした箇所のみの変形となり、最大
曲げ荷重が著しく低下してしまう場合がある。

断面係数を小さくした部位のうける曲げモーメントの
曲げモーメント最大部に対する比率をＡとすると、（１
−Ａ）×1.5以下の曲げ断面二次係数の低下代とするの
が望ましい。

また、断面係数を小さくする領域を管端部からL/10長
さ以外の場所とした理由であるが、管端からL/10の領域
は、車体衝突時殆ど曲げモーメントを受けない領域であ
り、この範囲が塑性変形を起こし、負荷子直下部の塑性
変形を緩和するまで、断面係数を小さくすることは、実
際には困難であるため、管端L/10の領域を除く部位とす
る。

次に、鋼管の材料特性についてであるが、軽量にて効
果的に吸収エネルギーを高めるには、前記した形状のも
のを用いると同時に、鋼管の材料特性の改善も効果があ
る。

材料強度を高めると、曲げ最大荷重は材料強度に比例
して上昇し、延いては曲げ吸収エネルギーも材料強度に
比例して上昇する。そこで、工業的に安定して強度を高
めることのできる引張り強度120kgf/mm²以上が軽量・高
吸収エネルギー達成に効果的である。ただし、むやみに
強度を高くすると、伸びの低下が著しい。インパクトビ
ームのように大塑性変形領域まで使用される鋼管の場
合、局部的な変形歪が７％程度観察される場合があり、
材料の全伸び量としては、10％程度以上確保するのが必
要である。

次に成分の限定理由についてのべる。

本発明は、軽量化を達成すべく引張り強度を120kgf/m
m²以上及び、大変形を受ける部材であるため延性を、さ
らには、低温環境にても使用される場合があるため靱性
を重要視している。

本成分は、最終商品の車体補強用鋼管の時点では焼入
マルテンサイト組織による強化をめざしたもので、焼入
ままのマルテンサイト組織の強度はＣ含有量によって決
定される。変態の利用により過飽和に導入される固溶Ｃ
量が支配要因となっていると考えられる。

そこで、90％以上のマルテンサイト組織を得る前提で
120kgf/mm²以上の強度を確保するためには、本発明にて
詳細に検討した結果、第３図に示すごとくC0.15以上必
要である。一方、Ｃ量を増やしていくと延性の劣化が顕
著となる。10％程度以上の伸びを確保するには、Ｃ≦0.
25が必要である。

第４図に炭素量に対する焼入材の靱性を示す。

C0.25以下では靱性を高く保つことができる。第４図
には特開昭56-46538号公報に記載された方法にて、炭素
含有量の多い場合に強度低下が少ない範囲で、靱性改善
を目的に焼戻を実施した場合を破線及び斜線の領域で示
すが、焼戻では低Ｃ材の靱性レベルまでは向上されてい
ない。

特公昭56-46538号公報にみられる如く、従来一般的に
行なわれている焼入後焼戻処理を施こす場合の焼戻処理
は、延性を確保するため行なわれるものであるが、固溶
Ｃは凝集し炭化物へ移行する。従って、焼戻処理を実施
する場合の鋼の強化機構は、固溶強化から、析出強化に
変化するものであり、本発明は析出強化とは異なり、焼
戻処理を行なわないことによる固溶強化を行なうもので
あり、強化機構が大きく異なるものである。

以上のように本発明においては、炭素量の効果を詳細
に調べることにより0.15≦Ｃ≦0.25にて、焼入処理後に
て高強度と高靱性・高延性を達成することができ、車体
補強用鋼管として有効な特性が得られることが明確にな
った。

他の成分元素の限定理由について述べる。

Mnは鋼のマルテンサイト変態温度を低下させ、焼入性
を向上させるとともに、焼入処理途中にて変態後のセル
フテンパーを回避し、強度を高く保つ効果を持つことが
できる元素である。ただし、Mnは、例えば電縫溶接にて
鋼管を製造する場合を想定すると溶接欠陥を生じ易く、
Mnは1.50％が上限と考えられる。

Mnに比べ、Ni,Cr,Moは非常に高価であるが、Mnの他に
これらNi,Cr,Moを添加すると、マルテンサイト変態温度
を低下させ、セルフテンパーを回避し、高強度化により
効果を有するものである。溶接性の観点から上限はそれ
ぞれ0.5％,0.5％,0.5％とする。

Siについては、Mnとともに電縫溶接にて鋼管を製造す
る場合に、溶接部の健全性を維持するうえで非常に重要
な元素である。Siの上限は、溶接部にてペネトレーター
と呼ばれる酸化物を形成しないため上限を0.5％以下と
するとともに、Mn/Si比のバランスを、３〜10とするの
が望ましい。

Ｂは、焼入性を飛躍的に向上させる元素で、本鋼種の
場合比較的低Ｃにてマルテンサイト分率90％以上を得る
ため、Ｂ添加を特徴としているが、0.0003％未満では、
焼入性向上効果が望まれず、また0.0035％超の場合、コ
スト高になるばかりでなく、表面傷や靱性劣化の原因と
なり易い。従って、Ｂ含有量は0.0003〜0.0035とした。

このＢの焼入性向上効果は、Ｎが0.003％以上存在す
ると失われるので、このＮの固定化の目的でTiの添加を
実施する。添加するTiの量は、0.04％を超えると傷の発
生、切削性等品質面でトラブルを生じ易く、従ってTi≦
0.04％に規制する。

尚、Ｎは不可避的に鋼中に存在し、BNを形成し、Ｂの
効果を軽減してしまう。そこで、Ｎは極力軽減し、上限
を0.0080％とする。

以上のような鋼管形状、あるいはさらに鋼管特性・成
分を限定して製造した鋼管は、焼入処理を実施すること
により引張強さを120kgf/mm²以上で、延性・靱性に優
れ、軽量にても良好な曲げ吸収エネルギー特性を有し、
車内にもダメージを与えにくい車体補強用鋼管として用
いられる。

（実施例）第１表に長手方向に局部的に２箇所以上断面係数を小
さくした本発明例および長手方向均等断面の比較例を示
す。

素材の成分・強度は、第２表の例Ｑと同じで、第１表
では、形状のみ変化させている。

例A,B,C,E,F,Gは曲げスパン950mmの中央部より80mm離
れた位置を中心に、幅50mm程度の範囲の断面係数を小さ
くしたもので、例A,Eは曲げ面内が短軸になる方向の偏
平化、例B,Fは外面切削により肉厚を減少させた例、例
C,Gはプレスにより縮径を実施した場合である。

いずれも、比較例I,Jの板厚同じ場合に比べ、三点曲
げにて座屈を発生し、荷重が急激に低下するまでの変位
が１割程度大きくなり、結果として押し込み変位と荷重
の積分で現される吸収エネルギーを１〜２割程度高める
ことができた。

これは、吸収エネルギーを同じとした場合、より軽量
化できることを意味する。また、200mm程度押し曲げた
場合、負荷子直下部の先端より、鋼管がさらに内部へ突
き出すが、本発明例の場合断面減少させた領域でも塑性
変形を発生し、結果として突き出し量を半分以下にする
ことができた。

実施例は、補強用鋼管が鋭角に折れ曲がり鋭角先端部
が運転者に与えるだろうダメージを大幅に軽減できるこ
とを示している。例N,Qは断面減少部を４箇所設けた場
合で、この場合も他の例以上の効果が確認できた。

第２表に成分系に関しての本発明例および比較例を示
す。

外径31.8mm×肉厚2.0mmの鋼管とした後の熱処理方法
及び熱処理後のJIS11号引張り特性、シャルピー吸収エ
ネルギーを示す。ここで、シャルピー吸収エネルギー
は、靱性評価用に専用に作製したフルサイズの試験片に
て得たデーターを示す。

例Ｋ〜Ｑ鋼管に焼入処理を実施することによりいずれ
の場合も120kgf/mm²以上、伸び10％程度、吸収エネルギ
ー２kgf-m/cm²以上程度が得られる。

比較例Ｒは炭素含有量が本発明成分範囲より低い場合
で、最終的目標の強度が得られない。

比較例ＳはＣ量が本発明成分範囲より高い場合で、強
度は充分達成できるもの、伸びが非常に低い状態であ
る。

（発明の効果）以上説明したように長手方向に局部的に曲げ断面係数
の小さな領域を２箇所以上設けることにより、曲げ吸収
エネルギーを落とさず軽量化を達成し、さらに車内への
ダメージを少なくすることができ、車体の重量増を極力
抑えて、運転者の安全性を高められる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ），（ｂ）は、長手方向に２箇所曲げ断面係
数の小さい領域を設けることにより曲げ荷重を受けたと
きの変形モードの違いを示す模式図、第２図（ａ）は、
本発明鋼管および長手方向均一断面鋼管の三点曲げ試験
時の負荷子変位−荷重曲線の比較を示す図表、第２図
（ｂ）は試験法の模式図、第３図は、素材の炭素含有量
が焼入処理後の最終的な鋼管の引張り特性に対する影響
を示す図表、第４図は、素材の炭素含有量が焼入処理後
の最終的な鋼管の引張り強さ、シャルピー衝撃値に対す
る影響を示す図表、第５図（ａ）は実施例の先端突出量
（ｄ）の試験測定の模式図、第５図（ｂ）は試験測定の
試料の模式図、第５図（ｃ）は第５図（ｂ）の部分拡大
図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) C22C 38/00 - 38/60 C21D 9/08 B60J 5/04 B62D 29/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】車体補強用鋼管の長さＬに対して管端から
長さL/10以外の場所に、鋼管の局部的偏平化あるいは薄
肉化あるいは径小化により、局部的に曲げ断面係数の低
い領域を２箇所以上設けたことを特徴とする車体補強用
鋼管。
【請求項２】引張強さを120kgf/mm²以上、伸び10％以上
としたことを特徴とする請求項１記載の車体補強用鋼
管。
【請求項３】C :0.15〜0.25％（重量％、以下同じ）、 Mn:≦1.5％、 Si:≦0.5％、 Ti:≦0.04％、 B :0.0003〜0.0035％、 N :≦0.0080％を含有し、残部Feからなることを特徴とする請求項１又
は２記載の車体補強用鋼管。
【請求項４】請求項３記載の成分の鋼に、さらに Ni:≦0.5％、 Cr:≦0.5％、 Mo:≦0.5％の１種または２種以上を含有することを特徴とする車体
補強用鋼管。