JP3804438B2 - ハイドロフォーム特性に優れた鋼材、鋼帯・鋼管の製造方法及びハイドロフォーム成形方法 - Google Patents
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【発明の属する技術分野】
本発明は、金型内で管内に内圧をかけて所定の形状にハイドロフォームされて用いられる鋼管やその素材となる鋼帯などの鋼材およびそれらの製造方法に関し、特にサスペンションアームなどの足廻り部品、シャシー部品、ボディー部品、フレーム構造部品などの閉断面自動車構造部品用途に用いられるものに関する。
【0002】
【従来の技術】
鋼管をハイドロフォームにより閉断面自動車部品形状に加工する技術は、金属板プレス品を加工する技術による場合に比べて溶接代が不要なため軽量・高剛性な部品が得られる特徴がある。鋼管をハイドロフォームにより自動車部品形状に加工する技術として、例えば特公平5−55209号公報には箱形状の横断面を有したフレーム部材を形成する技術が開示されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、鋼管をハイドロフォームにより閉断面自動車部品形状に加工する技術は、断面周長さが素管の周長さと素管のハイドフォローム変形能に制約されるため、これまで長手方向で周長さの大きく異なる部分をもつ部品に適用することができず、特公平5−55209号公報による方法でも周長さが素管の5%を超える設計を行った場合、割れなどの不具合が生じる問題があった。
【0004】
この発明は上記のような周長さ方向張出し時の問題点を解決するために、ハイドロフォーム素材の材質面からなされたもので、ハイドロフォーム性に優れた鋼管やその素材となる鋼帯などの鋼材およびそれらの製造方法ならびにこれらの鋼材を用いたハイドロフォーム成形方法を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、鋼材(鋼管及びその素材となる鋼帯)のハイドロフォーム加工性に及ぼす成分組成の影響について化学成分、製造条件の種々異なる鋼帯及びこの鋼帯を素材に鋼管を製造し、鋭意検討を行った。
【0006】
鋼帯の肉厚は0.8〜12mmで、この鋼帯を素材として外径22〜254mmの鋼管を製造し、ハイドロフォーム加工性をバルジ試験により、評価した。
【0007】
図1に、液圧バルジ試験に用いる装置を模式的に示す。試験装置は成形型移動機構、軸圧縮力負荷機構、液圧発生機構およびそれらを制御するコンピューター9よりなり、自由バルジ試験の場合は素管1に内圧を油圧ポンプ8、圧力増幅器7、圧力計6よりなる液圧発生機構により、軸圧縮機3a、3bを経て負荷する。
【0008】
型バルジ試験の場合は、成形型2a、2bに素管1を挿入後、内圧を負荷し成形する。軸圧縮機3a、3bの変位量は変位計4a、4b、成形型2aの変位量は変位計5により、また内圧は圧力計6によりコンピューター9に取り込まれ制御に用いられる。
【0009】
尚、液圧バルジ試験の詳細は社団法人自動車技術会学術講演会前刷集98153「自動車用電縫鋼管のハイドフォローミング変形特性」1998−5 p149、平成11年度塑性加工春季講演会予稿集p237「予成形連続型成形による異形断面材の試作検討」等に記載されている。
【0010】
その結果、鋼材の成分組成におけるNの存在状態がハイドロフォーム性に影響を与え、特に、鋼中の全N量から析出物中のN量を引いて求められるSol.N量がある特定の範囲にある場合、鋼材のハイドロフォーム性が優れていることを見出した。
【0011】
本発明はこれらの知見を基になされたもので、すなわち、本発明は、
1. 質量%で、C:0.001〜0.30%、Si:0.001〜2.0%、Mn:0.5〜2.0%、P≦0.050%、S≦0.015%、O≦0.0030%、Al: 0.052〜0.15%を含み、N≦0.008%、且つ、Sol.N≦0.0010%を満足し、残部が鉄および不可避的不純物よりなることを特徴とする熱延鋼帯を素材としたTS≧400MPaのハイドロフォーム特性に優れた鋼材。
【0012】
2. 更に、鋼組成として質量%で、Cr:0.01〜0.3%、Mo:0.01〜0.3%、Ni:0.01〜0.3%、Cu:0.01〜0.3%、Nb:0.002〜0.03%、Ti:0.002〜0.03%、V:0.002〜0.03%、、B:0.0002〜0.003%、の一種又は二種以上を添加することを特徴とする1記載のハイドロフォーム特性に優れた鋼材。
【0013】
3. 更に、鋼組成として質量%で、Ca:0.0005〜0.004%を添加することを特徴とする1又は2記載のハイドロフォーム特性に優れた鋼材。
【0014】
4. 質量%で、C:0.001〜0.30%、Si:0.001〜2.0%、Mn:0.5〜2.0%、P≦0.050%、S≦0.015%、O≦0.0030%、Al: 0.052〜0.15%、N≦0.008%を満足し、残部が鉄および不可避的不純物よりなることを特徴とする鋼スラブを熱間圧延後、600〜680℃で巻取り、Sol.Nを0.0010%以下とすることを特徴とするハイドロフォーム特性に優れた熱延鋼帯の製造方法。
【0015】
5. 更に、鋼組成として質量%で、Cr:0.01〜0.3%、Mo:0.01〜0.3%、Ni:0.01〜0.3%、Cu:0.01〜0.3%、Nb:0.002〜0.03%、Ti:0.002〜0.03%、V:0.002〜0.03%、B:0.0002〜0.003%、の1種又は二種以上を添加することを特徴とする4記載のハイドロフォーム特性に優れた熱延鋼帯の製造方法。
【0016】
6. 更に、鋼組成として質量%で、Ca:0.0005〜0.004%を添加することを特徴とする4又は5記載のハイドロフォーム特性に優れた熱延鋼帯の製造方法。
【0017】
7. 4乃至6の何れかに記載の製造方法により得られた熱延鋼帯をロール成形後溶接し、幅絞りを加えて溶接鋼管に造管することを特徴とするハイドロフォーム特性に優れた鋼管の製造方法。
【0018】
8. 1乃至3の何れかに記載の鋼材を用いることを特徴とする、閉断面自動車構造部品のハイドロフォーム成形方法。
【0019】
【発明の実施の形態】
本発明の成分組成、製造条件の限定理由について説明する。
【0020】
1.成分組成
C
強度を得るため添加する。0.001質量%未満では、所望の強度(TS≧400MPa)が得られず、0.30質量%を超えると、ハイドロフォーム加工性が劣化するため、0.001〜0.30質量%(0.001質量%以上、0.30質量%以下)とする。
【0021】
Si
強度を得るため添加する。0.001%未満では、所望の強度(TS≧270MPa)が得られず、2.0%を超えると、ハイドロフォーム加工性が劣化するため、0.001〜2.0%(0.001%以上、2.0%以下)とする。
【0022】
Mn
強度を得るため添加する。0.50質量%未満では、所望の強度(TS≧400MPa)が得られず、2.0質量%を超えると、ハイドロフォーム加工性が劣化するため、0.10〜2.0質量%(0.10質量%以上、2.0質量%以下)とする。
【0023】
P
Pは、ハイドロフォーム加工性を劣化させるため、0.050%以下とする。
【0024】
S
Sは、ハイドロフォーム加工性を劣化させるため、0.015%以下とする。
【0025】
O
Oは、介在物としてハイドロフォーム加工性を劣化させるため、0.0030%以下とする。
【0026】
Al
Alは、NをAlNとして固定し、ハイドロフォーム加工性を向上させるため添加する。0.01%未満ではその効果が認められず、0.15%を超えるとその効果が飽和するため、0.01〜0.15%とする。
【0027】
N
Nはハイドロフォーム加工性を劣化させるため、0.008%以下とする。
【0028】
Sol.N≦0.0010%
優れたハイドロフォーム加工性を得るため、Sol.Nの規定は本発明では重要であり、Nを0.008%以下とし、且つ、Sol.Nを0.0010%以下とする。
【0029】
図2は、液圧自由バルジ試験におけるハイドロフォーム加工性に及ぼすSol.Nの影響を示すもので、Sol.Nが0.0010%以下の場合、軸圧縮なしの条件で、25%以上、軸圧縮ありの条件で45%以上の優れた周長増加率が得られる。
【0030】
液圧自由バルジ試験は、素管が型に接触していない変形状態でのハイドロフォーム加工性を示すもので、破断限界周長増加率により、変形部長さ2D(D:管外径)、軸圧縮なし及びありの2条件で評価した。
【0031】
ここで、軸圧縮力は管体の応力比(軸方向応力/円周方向応力)=W/(2πr2p)=−0.5となる条件とした。ここで、W:軸圧縮力、r:肉厚中心半径、p:内圧とする。
【0032】
図3は、型バルジ試験におけるハイドロフォーム加工性に及ぼすSol.Nの影響を示すもので、Sol.Nが0.0010%以下の場合、軸圧縮なしの条件で、14%以上、軸圧縮ありの条件で18%以上の優れた周長増加率が得られる。
【0033】
型バルジ試験は、型拘束時のハイドロフォーム加工性を示すもので、縦横比2:1の矩形断面形状をもつ型内部での型バルジ試験を行い、軸圧縮なし及びありの2条件における破断限界周長増加率により評価した。ここで軸圧縮力は座屈しない最大値とした。
尚、いずれの試験においても供試鋼管は表1中の鋼Aのスラブを熱間圧延で板厚2.0mmの熱延鋼板とし、酸洗後外径70φの鋼管としたもので、巻取温度の調整により、鋼中Sol.N量を種々変化させたものを用いた。
【0034】
Sol.N量は鋼中全N量から析出物中のN量を差し引いたもので、析出物中のN量は、10%AA系電解抽出残渣に、JIS G 1228−1994記載のアンモニア蒸留分離ビス(1−フェニル−3−メチル−5−ピラゾロン)吸光光度法を適用し求めた。Nを含有する析出物として、AlN,BN,TiN等がある。これらの析出物により、Sol.N量が0となる場合もある。
【0035】
本発明では更に、Cr,Mo,Ni,Cu,Ti,Nb,V,B,Caなどの元素を添加することは差し支えなく、ハイドロフォーム加工性を損なうものではない。これらの元素を添加する場合は質量%で、Cr:0.01〜0.3%、Mo:0.01〜0.3%、Ni:0.01〜0.3%、Cu:0.01〜0.3%、Nb:0.002〜0.03%、Ti:0.002〜0.03%、V:0.002〜0.03%、Ca:0.0005〜0.004%、B:0.0002〜0.003%の一種又は二種以上を添加する。
【0036】
これらの元素で、Cr,Mo,Ni,Cu,Nb,Ti,V、及びBは、固溶強化、析出強化、変態強化、分散強化により鋼材の強度を向上させ、Caは、硫化物の形態制御により、ハイドロフォーム性を向上させる。このような効果を得る場合、上述した範囲を好適範囲とする。
【0037】
2.製造条件
熱間圧延後の巻取温度
熱間圧延後の巻取温度は、窒化物の析出挙動を変化させ、ハイドロフォーム加工性に影響を与えるため、600〜680℃とする。尚、巻取り後の熱延コイルは、sol.N量低減のために保熱カバー等を用いて徐冷することが望ましい。
【0038】
図4は、液圧自由バルジ試験におけるハイドロフォーム加工性に及ぼす巻取温度の影響を示すもので、供試鋼管の鋼帯の巻取温度が本発明範囲内にある場合、軸圧縮なしの条件で、25%以上、軸圧縮ありの条件で45%以上の優れた周長増加率が得られる。
【0039】
図5は、型バルジ試験におけるハイドロフォーム加工性に及ぼす巻取温度の影響を示すもので、巻取温度が本発明範囲内の場合、軸圧縮なしの条件で、14%以上、軸圧縮ありの条件で18%以上の優れた周長増加率が得られる。
【0040】
供試鋼管は、いずれも熱間圧延後、2.0mmの板厚とし、巻取温度を種々変化させ、酸洗後外径70φとしたものを用いた。
【0041】
巻取温度が600〜680℃の場合、Sol.N等の侵入型固溶元素が析出物となるため、優れたハイドロフォーム加工性が得られるものと考えられる。
【0042】
【実施例】
表1に示す19種類の化学成分を有する鋼スラブを、仕上温度840℃で熱間圧延後、650℃で巻取し、酸洗後、板厚2.0mmの熱延鋼帯とした。
【0043】
No.1〜11の鋼A〜Kは本発明を満足し、No.12〜19の鋼L〜Sは、何れかの元素が発明の範囲外で比較例となっている。
【0044】
この鋼帯を一部管状にロール成形後溶接し、幅絞り率4%で外径70mmの溶接鋼管とした。
【0045】
幅絞り率は下記の式による。
【0046】
幅絞り率={[スリット幅}−π([外径]−[板厚])}/π([外径]−[板厚])×(100%)
【0047】
【表1】
【0048】
次に、得られた鋼管のハイドロフォーム特性を液圧自由バルジ試験、液圧型バルジ試験により評価し、表2に結果を示す。
【0049】
【表2】
【0050】
実施例No.1〜11(供試鋼は表1と共通)は本発明の実施例であり、これらのうち、TS<500MPaとなるものでは、液圧自由バルジ試験における周長増加率が軸圧縮なしで25%以上、軸圧縮有りで45%以上となり、液圧型バルジ試験では軸圧縮なしで14%以上、軸圧縮有りで18%以上の優れたハイドロフォーム加工性が得られている。
【0051】
また、TS≧500MPaとなるものでも、液圧自由バルジ試験における周長増加率が軸圧縮なしで23%以上、軸圧縮有りで42%以上となり、液圧型バルジ試験では軸圧縮なしで12%以上、軸圧縮有りで15%以上の優れたハイドロフォーム加工性が得られている。
【0052】
実施例No.12〜15は、Sol.N値が本発明範囲外で、実施例No.16はSol.N、Oが本発明範囲外で、実施例No.17〜19はC,Si,Mnの何れかが本発明範囲外であり、いずれも比較例で、本発明例と比べるとハイドロフォーム加工性に劣っている。
【0053】
表3に、鋼Aのスラブを用いて、熱延巻取り温度、熱延コイル以降の工程を変化させた鋼管(70φ×2.0t)のハイドロフォーム特性を示す。
【0054】
【表3】
【0055】
実施例No.20〜22は、熱延コイルを酸洗後、造管したもので、No.20,21は熱延巻取温度、Sol.N量が本発明の規定を満足し、優れたハイドロフォーム加工性が得られている。
【0056】
一方、実施例No.22は、熱延巻取温度、Sol.N量が本発明範囲外であり、ハイドロフォーム加工性に劣っている。
【0058】
いずれも、巻取り後の状態からSol.N量は変化するが、表より明らかなように優れたハイドロフォーム加工性が得られている。
【0059】
このように、ハイドロフォーム直前でSol.N量が0.0010%以下であれば、鋼帯の巻取り後の履歴において、Sol.N量が変化しても優れたハイドロフォーム加工性が得られる。
【0060】
本発明によるハイドロフォーム加工性に優れた鋼材は、曲げ、プレス、ハイドロフォーム、スウェージ等による予備成形後にハイドロフォームされてもよく、さらに高い張り出し量を得るために管表面に潤滑油を塗布、あるいは潤滑皮膜を形成させても良い。鋼帯から管を成形する際のシーム接合方法は電縫溶接、レーザ溶接、TIG溶接、鍛接などが可能で、特に限定しない。
【0062】
【発明の効果】
本発明によれば、サスペンションアーム等の閉断面自動車構造部品をハイドロフォームにより、割れ、部分的な肉厚減少等の欠陥を生ずることなく加工することが可能で、産業上、極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【図1】液圧バルジ試験に用いた装置の模式図。
【図2】破断限界周長増加率(液圧自由バルジ試験)に及ぼすSol.Nの影響を示す図。
【図3】破断限界周長増加率(液圧型バルジ試験)に及ぼすSol.Nの影響を示す図。
【図4】破断限界周長増加率(液圧自由バルジ試験)に及ぼす巻取温度の影響を示す図。
【図5】破断限界周長増加率(液圧型バルジ試験)に及ぼす巻取温度の影響を示す図。
【符号の説明】
1…素材、
2a,2b…成形型、
3a,3b…軸圧縮装置、
4a,4b…軸圧縮装置用変位計。
5・・・成形用変位計
6・・・圧力計
7・・・圧力増幅器
8・・・油圧ポンプ
9・・・制御用コンピュータ
Claims (8)
- 質量%で、C:0.001〜0.30%、Si:0.001〜2.0%、Mn:0.5〜2.0%、P≦0.050%、S≦0.015%、O≦0.0030%、Al:0.052〜0.15%を含み、N≦0.008%、且つ、Sol.N≦0.0010%を満足し、残部が鉄および不可避的不純物よりなることを特徴とする熱延鋼帯を素材としたTS≧400MPaのハイドロフォーム特性に優れた鋼材。
- 更に、鋼組成として質量%で、Cr:0.01〜0.3%、Mo:0.01〜0.3%、Ni:0.01〜0.3%、Cu:0.01〜0.3%、Nb:0.002〜0.03%、Ti:0.002〜0.03%、V:0.002〜0.03%、B:0.0002〜0.003%、の一種又は二種以上を添加することを特徴とする請求項1記載のハイドロフォーム特性に優れた鋼材。
- 更に、鋼組成として質量%で、Ca:0.0005〜0.004%を添加することを特徴とする請求項1又は2記載のハイドロフォーム特性に優れた鋼材。
- 質量%で、C:0.001〜0.30%、Si:0.001〜2.0%、Mn:0.5〜2.0%、P≦0.050%、S≦0.015%、O≦0.0030%、Al:0.052〜0.15%、N≦0.008%を満足し、残部が鉄および不可避的不純物よりなることを特徴とする鋼スラブを熱間圧延後、600〜680℃で巻取り、Sol.Nを0.0010%以下とすることを特徴とするハイドロフォーム特性に優れた熱延鋼帯の製造方法。
- 更に、鋼組成として質量%で、Cr:0.01〜0.3%、Mo:0.01〜0.3%、Ni:0.01〜0.3%、Cu:0.01〜0.3%、Nb:0.002〜0.03%、Ti:0.002〜0.03%、V:0.002〜0.03%、B:0.0002〜0.003%、の一種又は二種以上を添加することを特徴とする請求項4記載のハイドロフォーム特性に優れた熱延鋼帯の製造方法。
- 更に、鋼組成として質量%で、Ca:0.0005〜0.004%を添加することを特徴とする請求項4又は5記載のハイドロフォーム特性に優れた熱延鋼帯の製造方法。
- 請求項4乃至6の何れかに記載の製造方法により得られた熱延鋼帯をロール成形後溶接し、幅絞りを加えて溶接鋼管に造管することを特徴とするハイドロフォーム特性に優れた鋼管の製造方法。
- 請求項1乃至3の何れかに記載の鋼材を用いることを特徴とする、閉断面自動車構造部品のハイドロフォーム成形方法。
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