JP4197590B2

JP4197590B2 - 高強度高靱性エアバッグ用鋼管と蓄圧器

Info

Publication number: JP4197590B2
Application number: JP2001371409A
Authority: JP
Inventors: 奨平野; 秀敏蔵田
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2001-12-05
Filing date: 2001-12-05
Publication date: 2008-12-17
Anticipated expiration: 2021-12-05
Also published as: JP2003171738A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エアバッグ用部品、特にその蓄圧器に適した高強度高靱性エアバック用鋼管に関する。さらに本発明は、そのような鋼管から構成したエアバッグ用蓄圧器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車産業においては、安全性を追求した装置の導入が積極的に進められている。その中の一つがエアバッグシステムである。これは自動車に搭載され、衝突時に乗員がハンドルやインストルメントパネルなどに衝突する前に、それらと乗員との間にガス等でエアバッグを展開させ、乗員の運動エネルギーを吸収して障害の軽減を図るシステムである。
【０００３】
エアバッグシステムには、従来、爆発性薬品を使用する方式が採用されてきたが、高価であり、かつ環境問題、リサイクル問題から、近年アルゴンガスを充填した鋼管製の蓄圧器を使用する方式が開発された。
【０００４】
アルゴンガス等の高圧不活性ガスを充填する蓄圧器に用いる鋼管（以降、エアバッグ用鋼管) は、通常は、不活性ガス等を高圧に保ったうえで、衝突時には少量の火薬の点火により、一気にガスを噴出させるので、極めて短時間に大きな歪速度で応力が負荷される。このためエアバッグ用鋼管には、従来の圧力シリンダーやラインパイプのような単なる構造物と異なり、高強度、高靱性と共に高加工性ならびに溶接性が要求される。さらに寒冷地での使用を考えると、−40℃程度でも十分な靱性を有することが求められる。近年の安全性の確保が寒冷地でも等しく求められるようになり、この低温靱性の要求が強い。
【０００５】
なお、当該蓄圧器の材料となる鋼管の寸法は一般的に、外径25〜100mm 、肉厚２〜５mm程度で必要長さに切断される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来にあっても、すでに、例えば特開平８−325641号公報、特開平10−140249号公報、特開平10−140250号公報、特開平10−140283号公報では、成分と加工法を規定した高強度高靱性エアバッグ用鋼管が種々提案されている。
【０００７】
しかし、いずれの提案も、前述のような今日的要求に十分に応えるには更なる改善が求められる。
そこで本発明者らは、そのような鋼管の集合組織について着目し、より良好な靭性が要求される場合には、靱性に影響を及ぼす組織それ自体を改善することを着想した。
【０００８】
ここに、本発明の第一の課題は、高靱性が要求されるエアバッグ用に適した鋼管を提供することである。
特にエアバッグに必要とされる性能の一つは、寒冷地でも確実に作動することで、そのためにはエアバッグ用鋼管、つまり蓄圧器が低温、高圧力下でも脆性的に破壊しないことが安全上求められる。
【０００９】
したがって、本発明の第二の課題は、この低温靱性を保証できる鋼管から成るエアバッグ用蓄圧器を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
エアバッグ用鋼管として要求される低温靱性は、低温雰囲気で内圧によるバースト試験により評価される。このバースト試験は長さ30cm程度の鋼管の両端に蓋を溶接し、片端から圧力媒体を注入できる構造の試験体を作製した上、安全のため周囲を鋼板で覆った雰囲気温度調整器の中で試験をする。この時の破断圧力は、例えば外径40mm、肉厚2.6mm 、長さ300mm の鋼管で、−40℃でも150MPa以上と十分な強度を示しても、脆性的に破断し開口部が試験片全長に走る場合がある。
【００１１】
本発明にあっては自動車における更なる安全性の確保のために、延性破断させることでそのような現象を防ぐのである。
そこで本発明者らは上記の課題を解決するために、この低温靱性を向上させる因子を明らかにすることに取り組んだ。その中で特に低温靱性に及ぼす集合組織の影響について鋭意研究を重ねた結果、集合組織の組成というよりその異方性が大きく影響し、しかも特定面方位の異方性がその低温靱性の改善に密接に関連していることを知り、本発明を完成した。
【００１２】
ここに本発明は次の通りである。
(1) 質量％で、Ｃ：0.01〜0.30％、Si：0.50％以下、Mn：0.20〜2.0％、Ｐ：0.025％以下、Ｓ：0.02％以下、Al：0.1％以下、Cr：0.11〜1.0％、Ni：0.05〜1.5％を含有し、残部Ｆｅおよび不純物からなる鋼組成を備え、鋼管の軸方向Ｌと周方向Ｔに垂直な面における｛110｝面のＸ線積分強度比のＬ／Ｔ比が４以下となるように、焼入れ・焼戻しを行って、Ｔｂおよび vTrs100 を−４０℃以下としたことを特徴とするエアバッグ用鋼管。
【００１３】
(2) 前記鋼組成が、質量％で、 Cu ： 0.5 ％以下、 Mo ： 0.5 ％以下、 Ti ： 0.1 ％以下、Ｖ： 0.2 ％以下、 Nb ： 0.1 ％以下、Ｂ： 0.005 ％以下、 Ca ： 0.005 ％以下、 Mg ： 0.005 ％以下の１種または２種以上をさらに含有するものであることを特徴とする請求項１に記載のエアバッグ用鋼管。
(3) 上記 (1) または (2) 記載の鋼管を用いたエアバッグ用蓄圧器。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は、鋼管10の模式図であり、Ｌ面は縦ハッチで示され、Ｔ面は斜めハッチで示される。ここに従来にあって「脆性的に破断し開口部が試験片全長に走る」とは、図示Ｔ面に沿って脆性破断が起こることを意味するのである。
【００１５】
そこでまず、本発明にかかる鋼管の集合組織を評価するために、図１に示すＬ、Ｔ面について｛110｝、｛200｝、｛211｝、｛222｝面のＸ線積分強度比を測定した。
【００１６】
ここで、Ｌ、Ｔとはそれぞれ軸方向と周方向の応力軸に対して垂直な面を意味する。またＸ線積分強度比とは、Ｘ線分光分析で得られる特定面方位のピーク面積を、粉末試料のような結晶方位的に無秩序なサンプルから得られる同じ面方位のピーク面積で除した値である。
【００１７】
本発明ではさらに集合組織の異方性を評価するため、特定面方位のＬ面のＸ線積分強度比を、Ｔ面のＸ線積分強度比でさらに除して比較した。その結果｛110｝面の値が、製造条件を変化させると最も大きく変化したので、組織評価として｛110｝面のＸ線積分強度比のＬ／Ｔ比 (Ｌ／Ｔ110 と表示する) で評価することができることを見出した。
【００１８】
一般に鉄のへき開面は｛110｝と言われており、したがって、そのような考えに従う限りＬ／Ｔ110 が例えば10以上というように、１より大きい程、図１のＴ面には｛110｝面が集積しておらず、内圧バースト破断時の脆性破壊防止にはむしろ有利と考えられる。しかし予想に反して、むしろＬ／Ｔ110 を例えば４以下というように１に近づけ、図１のＬ面とＴ面に｛110｝面が同程度集積した方が内圧バースト破断時の脆性破壊防止に有効なことが判明した。
【００１９】
すなわち、図２は、比較用の従来の鋼管（比較）と本発明の鋼管（発明）の｛110｝面、｛200｝面、｛211｝面、そして｛222｝についてＬ／Ｔを計測したときの結果を示すグラフであり、従来の鋼管では｛110｝面のＬ面への圧倒的な異方性が観察された。このことはＴ面には｛110｝面が集積していないことを意味する。
【００２０】
図３にこのときの試験結果を示す。これは種々の条件で製造した鋼管の集合組織と内圧バースト特性を調査したものである。図中、Ａ、Ｂとあるのは後述する表１の鋼種を示し、それぞれ○、△の記号で示す。熱処理条件を変えることで集合組織を変更し、白抜き符号は本発明の範囲外の場合を、黒塗り符号は本発明の範囲内の場合を、それぞれ示す。
【００２１】
このような知見を基に、０℃から−80℃までを20℃間隔で破断試験した後の破面を調べ、延性破面を示す限界温度 (Tbとする) で内圧バースト特性を評価した。この結果、内圧バースト性能を向上させるためには、Ｔ面およびＬ面における｛110｝面方位の集合組織の異方性を小さくする、すなわち、Ｌ／Ｔ110 を１に近づければよいことが判明した。
【００２２】
しかし、バースト試験は、試験に手間と費用が掛かる問題もある。これを解決するためバースト試験と汎用試験であるシャルピー衝撃試験の結果を比較評価もした。
【００２３】
靱性については、図４に示すように鋼管30の円周方向から切り出して展開加工した板32にＶノッチ34を入れた衝撃試験片を用いた。これは亀裂を、バースト試験と同じ鋼管の軸方向に進展させるためである。シャルピー衝撃試験では、延性破面率が100 ％を確保できる下限温度(vTrs100とする) で評価した。
【００２４】
これらの結果から、図５に示すように内圧バースト試験で延性破面を示す下限温度(Tb)は、vTrs100 にほぼ一致することを見出した。すなわち、これはシャルピー衝撃試験でもvTrs100 を評価することで内圧バースト破断特性を類推できることを意味する。
【００２５】
後述する実施例の結果をまとめて示す図７にも、このvTrs100 に及ぼすＬ／Ｔ110 の影響を示すが、図３と同様の傾向が認められ、このvTrs100 の評価でも、本発明の有効性が明らかである。
【００２６】
本発明において、上述の所定の集合組織が得られる限りその鋼組成は特に制限されないが、好適態様では、いわゆる炭素鋼、低合金鋼を使用し、これは例えば次のような成分組成である。
【００２７】
質量％で、Ｃ：0.01〜0.30％、Si：0.50％以下、Mn：0.20〜2.0 ％、Ｐ：0.025 ％以下、Ｓ：0.02％以下、Al：0.1 ％以下を含むものである。
さらに好ましくは、熱処理特性や強度・靱性の改善のため以下の成分を必要によりさらに１種以上添加してもよい。
【００２８】
Cu：０〜0.5 ％、Cr：０〜1.0 ％、Ni：０〜1.5 ％、Mo：０〜0.5 ％、Ti：０〜0.1 ％、Ｖ：０〜0.2 ％、Nb：０〜0.1 ％、Ｂ：０〜0.005 ％、Ca：０〜0.005 ％、Mg：０〜0.005 ％。
【００２９】
本発明にかかる鋼管の製造方法としては例えば以下が挙げられる。
▲１▼熱間加工：押出やマンネスマン方式等の熱間穿孔・圧延を行うことで継目無鋼管が製造される。これに焼き入れ焼戻し処理等の熱処理をするとさらに異方性は改善される。ただし、エアバッグ用鋼管としてさらに高い寸法精度が求められる場合は、次の冷間加工が必要である。
【００３０】
▲２▼冷間加工：熱間穿孔・圧延を行うことで製造された継目無鋼管に冷間で引抜き加工や孔型ロールによる圧延加工を施した後、焼き入れ焼戻し処理等の熱処理をするのが集合組織の異方性の低減に有効である。特に高い寸法精度が求められる場合は、熱処理後、断面減少率で10％以下の軽度の冷間加工を行うことでＬ／Ｔ110 を４以下とすることができればエアバッグ用鋼管として求められるバースト破断特性は維持される。
【００３１】
焼き入れ処理を高周波加熱装置で行うことは、熱処理中の厚い酸化スケールの生成や変形を抑える点で有効である。
図６は本発明にかかるエアバッグ用蓄圧器を示す略式断面図である。図中、本発明にかかる蓄圧器１は、鋼管を切断後、両端を絞り加工した管体５と、次いでこの管体５の一端に溶接した蓋３とで構成される。管体５の片端にはエアバッグ作動装置２を装着する。エアバッグ作動装置２が衝撃を感知して作動すると、蓄圧器１内に充填されていた高圧ガスが噴出して図中破線で示すエアバッグ４を起動させるのである。
【００３２】
次に、本発明の作用効果を実施例に関連させて説明する。
【００３３】
【実施例】
表１に示す化学成分のＡ鋼およびＢ鋼のビレットを用い、マンネスマン−マンドレルミル方式による穿孔、圧延を行ったのち、レデューサにより外径70mm、肉厚4.0mm に仕上げた継目無鋼管を、冷間引き抜き、焼き入れ、焼戻し処理をして、得られた集合組織の異方性の測定と靱性の評価をした。
【００３４】
冷間仕上げ寸法は、外径60mm、肉厚3.5mm 、焼入れ930 ℃、焼戻し550 ℃を基本とし、冷間加工度、熱処理温度を変化させてＬ／Ｔ110 を変化させた。
また熱処理条件は引張強さが鋼Ａ、Ｂでそれぞれ700 、800MPa以上になるように選んだ。
【００３５】
靱性については、図４に示すように、鋼管の円周方向から切り出して展開加工した板にＶノッチを入れてJIS Z 2202に準じた衝撃試験片 (10mm×2.5mm −２Ｖノッチ) を用いてシャルピー衝撃試験を実施して、延性破面率が100 ％を確保できる下限温度(vTrs100) で評価した。
【００３６】
その結果、表２、図７にまとめて示す。図中、Ａ、Ｂとあるのは表１の鋼種を示し、それぞれ○、△の記号で示す。熱処理条件を変えることで集合組織を変更し、白抜き符号は本発明の範囲外の場合を、黒塗り符号は本発明の範囲内の場合を、それぞれ示す。
【００３７】
これらの結果からも分かるように、Ｌ／Ｔ110 が４以下のときにTbおよびvTrs100 が−40℃以下となり、エアバッグ用鋼管として充分な低温靱性が得られることが示された。
【００３８】
【表１】

【００３９】
【表２】

【００４０】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によれば、−40℃という低温でも充分な靱性を有する高強度鋼管が得られ、エアバック用鋼管として従来にない優れた品質の製品が得られ、本発明の実用上の意義は大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる鋼管のＸ線積分強度比を求める試験面の説明図である。
【図２】本発明例と比較例における組織の異方性を示すグラフである。
【図３】集合組織と内圧バースト特性との関係を示すグラフである。
【図４】本発明にかかる鋼管の靱性試験の試験片採取の説明図である。
【図５】シャルピー衝撃試験の結果とバースト試験の結果とを比較して示すグラフである。
【図６】本発明にかかるエアバッグ用蓄圧器の略式断面図である。
【図７】実施例の結果をまとめて示すグラフである。

Claims

質量％で、Ｃ：0.01〜0.30％、Si：0.50％以下、Mn：0.20〜2.0％、Ｐ：0.025％以下、Ｓ：0.02％以下、Al：0.1％以下、Cr：0.11〜1.0％、Ni：0.05〜1.5％を含有し、残部Ｆｅおよび不純物からなる鋼組成を備え、鋼管の軸方向Ｌと周方向Ｔに垂直な面における｛110｝面のＸ線積分強度比のＬ／Ｔ比が４以下となるように、焼入れ・焼戻しを行って、Ｔｂおよび vTrs100 を−４０℃以下としたことを特徴とするエアバッグ用鋼管。
前記鋼組成が、質量％で、Cu：0.5％以下、Mo：0.5％以下、Ti：0.1％以下、Ｖ：0.2％以下、Nb：0.1％以下、Ｂ：0.005％以下、Ca：0.005％以下、Mg：0.005％以下の１種または２種以上をさらに含有するものであることを特徴とする請求項１に記載のエアバッグ用鋼管。
請求項１または２記載の鋼管を用いたエアバッグ用蓄圧器。