JP4277724B2

JP4277724B2 - 疲労特性に優れた２次加工鋼管

Info

Publication number: JP4277724B2
Application number: JP2004091034A
Authority: JP
Inventors: 裕二橋本; 孝司鈴木
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2004-03-26
Filing date: 2004-03-26
Publication date: 2009-06-10
Anticipated expiration: 2024-03-26
Also published as: JP2005271061A

Description

本発明は、疲労特性に優れた２次加工鋼管に関する。

近年、自動車部品の軽量化を図るため、中空ロアアームが注目されている。図５には、車体１０２と車輪１０３の間をつなぐ中空ロアアーム１００、１０１を示した。１０４は自動車の前進方向を示す。中空ロアアーム１００、１０１には、自動車の走行に伴って負荷が繰り返しかかる。このような自動車車体の足まわり部材には、鋼管長手方向断面で見て空洞が円形の鋼管を塑性加工して用いられる場合がある。この塑性加工して得た２次加工鋼管を自動車車体の足まわり部材として適用するには、疲労特性に優れた鋼管とする必要がある。

例えば、自動車車体の足まわり部材である中空スタビライザを製造するに際し、疲労特性を向上させることを目的として、鋼管素材の表面性状を調整することが提案されている（特許文献１、２）。
特許第３０８２５５８号特開平７−２６６８３７号公報

上記特許文献１には、中空スタビライザとして、素材である鋼管の内面が、２５〜１２００μm研削加工されている中空スタビライザが記載されている。

しかしながら、特許文献１に記載のような、素管の内面が２５〜１２００μm研削加工され、その後曲げ加工して得た２次加工鋼管は、素管の疲労強度に対する疲労強度低下が著しい場合があるという問題があった。

また、特許文献２には、素材として熱間仕上げ継目無鋼管を用い、この鋼管の曲げＲ部に相当する部分の内表面と外表面の少なくとも一方を研磨し、鋼管表面の欠陥を除去し、かつ表面粗さをＲｍａｘ５０μm（ＪＩＳＢ０６０１：２００１の最大高さ粗さＲｚに相当する）以下にしたのち、曲げ加工する中空スタビライザの製造方法が記載されている。

しかしながら、特許文献２に記載された、素管の曲げＲ部に相当する部分の内表面と外表面の少なくとも一方を研磨し、表面粗さをＲｍａｘ５０μm以下にしたのち、曲げ加工して得た２次加工鋼管は、素管の疲労強度に対する疲労強度低下が著しい場合があるという問題があった。

本発明は、上記従来技術の問題点を解消し、素管の疲労強度に対する疲労強度低下が小さい２次加工鋼管を提供することを目的とする。

本発明者らは、素管を表面に圧縮ひずみの作用する塑性加工して得た２次加工鋼管において、素管の疲労強度に対する疲労強度低下が著しい原因を鋭意検討した。その結果、外形が真円に近い素管を扁平加工した場合には、図６（ａ）に示す管の内表面２０１Ａに相当する部位は、２次加工時、加工工具と接触しないため、圧縮ひずみが生じる部位の肌が荒れ、圧縮ひずみが増大するに伴い、図６（ｂ）に示すようなしわ２０１Ｂが生じることがわかった。

そして、素管（２次加工に供する鋼管）の圧縮ひずみが生じる部位の最大高さ粗さＲｚを所定値以下とすることで、素管の疲労強度に対する２次加工鋼管の疲労強度低下を抑制できることを知見して、本発明をなした。

本発明は、長手方向断面で見た空洞が円形でかつ長手方向に真っ直ぐな素管の特性値は、ＪＩＳ１１号管状試験片を用いた引張試験によって得た破断時全伸びが４０％以上、降伏応力ＹＳと引張強さＴＳの比ＹＳ／ＴＳが０．８以下であり、かつ該素管の内、外表面での最大高さ粗さＲｚが１０μm以下であり、該素管を用い、該素管の長手方向の一部もしくは全部にわたり表面での圧縮ひずみが３０％以下となるように塑性加工したことを特徴とする疲労特性に優れた２次加工鋼管である。

本発明でいう最大高さ粗さＲｚとは、ＪＩＳＢ０６０１：２００１で規定された断面曲線の最大高さである。

本発明によれば、素管の疲労強度に対する疲労強度低下が小さい２次加工鋼管を提供することができる。このため、素管表面に圧縮ひずみが作用する塑性加工して製造される自動車車体の足まわり部材などに適用することが可能となる。

本発明に係る鋼管は、図１に示すように長手方向断面で見た空洞が円形でかつ長手方向に真っ直ぐな素管１である。

本発明に係る２次加工鋼管の素材である素管１は、素管１の疲労強度に対する２次加工鋼管の疲労強度低下を抑制するため、ＪＩＳ１１号管状試験片を用いた引張試験によって得た破断時全伸びが４０％以上、降伏応力ＹＳと引張強さＴＳの比が０．８以下であり、かつ鋼管の内、外表面での最大高さ粗さＲｚが１０μm以下である鋼管とする。

このように限定する理由は、前記破断時全伸びか、降伏応力ＹＳと引張強さＴＳの比か、もしくは鋼管の内、外表面での最大高さ粗さＲｚのいずれかの特性値が上記範囲にない鋼管を素管１として用い、塑性加工して２次加工鋼管を製造した場合、２次加工時における表面での圧縮ひずみを３０％以下としても、素管１の疲労強度に対して得られる２次加工鋼管の疲労強度低下が大きいからである。この原因としては、図６に示したような、圧縮加工して得た２次加工鋼管２０１の内表面２０１Ａに生じるしわ２０１Ｂの影響により、内表面での最大高さ粗さＲｚが２０μmを超えてしまうことが挙げられる。

これに対して本発明に係る素管１は、ＪＩＳ１１号管状試験片を用いた引張試験によって得た破断時全伸びが４０％以上、降伏応力ＹＳと引張強さＴＳの比ＹＳ／ＴＳが０．８以下であり、かつ鋼管の内、外表面での最大高さ粗さＲｚが１０μm以下である鋼管とした。

このような鋼管を素管１として用い、塑性加工して２次加工鋼管を製造した場合には、２次加工時における表面での圧縮ひずみを３０％以下とすることによって、得られる２次加工鋼管の内、外表面での最大高さ粗さＲｚを２０μm以下にできる。このため、素管１の疲労強度に対する疲労強度低下が小さい２次加工鋼管を得ることができる。

また、本発明において、疲労特性に優れた２次加工鋼管とは、２次加工鋼管の疲労強度低下の程度を（２次加工鋼管の疲労強度）／（素管の疲労強度）×１００で評価し、その値が８０％以上である２次加工鋼管とした。

ここで、最大高さ粗さＲｚを表面性状パラメータとして用いた理由は、図６に示したような、圧縮加工して得た２次加工鋼管２０１の内表面２０１Ａに生じるしわ２０１Ｂの程度をよく表すことができるからである。

また、本発明に係る鋼管において、素管１の内、外表面での最大高さ粗さＲｚが１０μm以下と限定するのは、素管１の表面粗さが大きいと２次加工時、素管１の表面に作用する圧縮ひずみにより素管１の初期凹凸部が集中的に変形し、２次加工鋼管の表面粗さが著しく増大するためである。

本発明に係る素管１を電縫鋼管とする際には、通常の工程を経て得た熱延鋼帯、または焼鈍した冷延鋼帯にスキンパス圧延を施し、スキンパス圧延を施した鋼管用鋼帯を管状に曲げ成形し、長手方向に溶接して管体とする。この管体に冷牽あるいはスラリーによる研磨を施すことによって製造することができる。

本発明に係る素管１に用いる熱延鋼帯は、熱間圧延のままで用いられ、熱延鋼帯に施すスキンパス圧延の伸び率を０．５〜３％、焼鈍後の冷延鋼帯に施すスキンパス圧延の伸び率を０．２〜１．０％とすることにより鋼板表面の最大高さ粗さＲｚを１０μm以下にすることができる。

また、本発明に係る素管１としてシームレス鋼管等の熱間縮径圧延鋼管を用いる場合には、管体に冷牽加工を施すことで、素管１の内、外表面での最大高さ粗さＲｚを１０μm以下とした鋼管とすることができる。あるいは、本発明に係る素管１には、管体に施すスラリーによる研磨において、スラリーの粒度を#１００〜#４００のようにして行うことで、内、外表面での最大高さ粗さＲｚを１０μm以下とした鋼管としても良い。このように管体の内、外表面での表面性状の調整を行うことで２次加工鋼管に用いる素管１の最大高さ粗さＲｚを１０μm以下とすることができる。

ここで、本発明に係る２次加工鋼管を製造する際の表面での圧縮ひずみ（％）は、例えば、塑性加工である扁平加工、縮径加工および曲げ加工では、以下のように定義されている。また、扁平加工、縮径加工および曲げ加工で得られる２次加工鋼管は、例えば、図2-1、図3-1、図4-1に示すような形状を有する。

なお、本発明に係る２次加工鋼管を製造するには、例えば、扁平加工、縮径加工および曲げ加工では以下の実施例で説明する図2-2、図3-2、図4-2、図4-3のように行うことができる。但し、本発明に係る２次加工鋼管を製造する製造方法は、鋼管表面に圧縮が加わる加工であれば特に限定されず、素管１の長手方向の一部もしくは全部にわたり表面での圧縮ひずみが３０％以下となるように塑性加工することができればよい。また、２次加工鋼管の素材である素管１の外径ａ、肉厚ｔは、素管１の製造方法により適宜な範囲とすることができる。

図１に示すように外形ａが７５ｍｍ、肉厚ｔが２．６ｍｍの電縫鋼管を、上述した工程で製造した。得た２次加工を行う前の素管特性を表１〜表５に示す。それぞれの素管１には以下の条件で２次加工を施し、得られた２次加工鋼管の最大高さ粗さＲｚを測定すると共に疲労強度を求めた。

素管区分Ｅは、従来の鋼帯製造条件により製造した冷延鋼帯を用い、従来の電縫鋼管の製造工程により製造した鋼管である。

一方、素管区分Ａ、Ｂ、Ｃは、素管区分Ｅに用いた鋼帯と冷間圧延工程まで同条件で製造し、冷間圧延後、焼鈍を経たのちのスキンパス圧延で伸び率を０．５％に設定し、従来の伸び率１．０％より小さくしてスキンパスした。その後さらに電縫鋼管の製造工程においてフィンパスロール、スクイズロール、サイザーロールで付加される管周方向絞り率の総和が３％以下になるようにして造管した。さらに冷牽を行い最大高さ粗さＲｚを１０μm以下とした。素管区分Ｄは、素管区分Ｅの鋼管に用いた鋼帯と同じ鋼帯製造条件により製造した鋼帯を用い、電縫鋼管の製造工程において管体の状態でスラリーにより研磨して素管の最大高さ粗さＲｚを１０μm以下とした鋼管である。

いずれの鋼管も成分は、ＪＩＳ規格ＳＴＫＭ１５Ａ相当とした。

また、素管の特性値は、以下のようにして得た。

素管の最大高さ粗さＲｚは、触針式表面粗さ測定機を用い、素管から切り出した試験片について、測定方向を管軸方向又は管周方向とし、ＪＩＳＢ０６３３に規定される表面性状評価の方式及び手順にしたがって測定した。但し、内、外面の両方について最大高さ粗さＲｚを測定し、大きい方の値を素管の最大高さ粗さＲｚとした。

素管の引張試験は、素管から切り出したＪＩＳ１１号管状試験片を用い、ＪＩＳ２２４１に規定される金属材料の引張試験方法に準拠して室温で行い、その結果から破断時全伸びおよび降伏応力ＹＳと引張強さＴＳを求め、ＹＳ／ＴＳで表される降伏応力ＹＳと引張強さＴＳの比を算出した。

前記素管を用い、２次加工方法を以下の３条件として２次加工鋼管２を得た。
（ｉ）扁平加工
扁平加工により得た２次加工鋼管２を図2-1に示す。この場合、扁平加工は、図2-2に示すような断面形状が楕円状の孔型を有する上下の金型２１、２２により行った。扁平加工による表面の圧縮ひずみを変えるには、孔型Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４の順に短軸長を短くし、かつ長軸長を素管１の外径に一致させた楕円状の孔型で１回以上圧縮して行った。

扁平加工による表面の圧縮ひずみ（％）は、（ｔ／２）／Ｓ×１００（％）で定義した。

ｔ：肉厚
Ｓ：長軸側の中立軸曲率半径
上述した扁平加工により得た２次加工鋼管２は、扁平加工による表面の圧縮ひずみを増大するほど、図2-1に示す２次加工鋼管２の長手方向に直角な断面において扁平比Ａ／Ｂが大きくなる。また、長軸Ａ側の曲率半径が短軸Ｂ側の曲率半径よりも小さい。
（ｉｉ）縮径加工
縮径加工により得た２次加工鋼管３を図3-1に示す。この場合、縮径加工は、図3-2に示すようなダイス孔の断面形状が円状のダイスを用い、引き抜きにより行った。縮径加工による表面の圧縮ひずみ（％）を変えるには、ダイス内径Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４をこの順に素管１の外径ａより小さくしたダイス３１、３２、３３、３４に素管１を１回以上通過させて行った。

縮径加工による表面の圧縮ひずみ（％）は、｛１−（２次加工鋼管２の内周長）／（素管１の内周長）｝×１００で定義される。

上述した縮径加工により得た２次加工鋼管３は、縮径加工による表面の圧縮ひずみを増大するほど、図3-1に示す２次加工鋼管３の長手方向に直角な断面において外径に対する縮径比ｂ／ａが小さくなる。但し、２次加工鋼管３の外径がｂである部分３Ａが縮径加工を受けた部分であり、縮径加工を受けた部分３Ａにつながる部分３Ｂは、縮径加工を受けていない。
（ｉｉｉ）曲げ加工
曲げ加工により得た２次加工鋼管４を図4-1に示す。この場合、管の曲げ加工は、公知のパイプベンダー４０により図4-2、図4-3に示すようにして行った。

なお、図4-1中、Ｒは曲げ半径を示し、Ｏは曲げ中心を示す。円弧ＰＱは曲げ中心Ｏを中心とした曲げ半径Ｒの円弧を示す。曲げ加工において表面の圧縮ひずみを変えるには、回転曲げ半径が異なる回転曲げ型４１を複数用意しておき、回転曲げ型４１を交換することにより行った。

パイプベンダー４０は、図4-2、図4-3に示したように、回転曲げ型４１と素管１の曲げ中心の内側に配置された当て型４２と、素管１の曲げ中心の外側に配置された圧力型４３とクランプ型４４を備えている。前記圧力型４３とクランプ型４４は、互いに所定の間隔をおいて配置され、かつ回転曲げ型４１の周りに移動可能に設けられている。

ここで、２次加工鋼管４の部分４Ａは、曲げ加工を受けた部分であり、その両側の部分４Ｂ、４Ｃは、曲げ加工を受けていない。曲げ加工を受けた部分４Ａの円弧ＰＱより内側が圧縮変形した箇所である。

曲げ加工による表面の圧縮ひずみ（％）は、（Ｄ／２）／Ｒ×１００で定義される。

但し、Ｄは素管１の内径、Ｒは上述した曲げ半径である。

このようにして得た２次加工鋼管２、３、４の２次加工を受けた部分から表面粗さ測定用試験片および疲労試験片をそれぞれ採取し、表面粗さ測定と疲労試験を行った。

表面粗さ測定は、適宜な大きさの表面粗さ測定用試験片を２次加工を受けた部分からそれぞれ採取して、素管１の表面粗さ測定に用いた表面粗さ測定機により同様な条件で２次加工鋼管２、３、４の内側に相当する試験片表面の最大高さ粗さＲｚを測定した。その際、表面粗さの測定方向は、扁平加工および縮径加工の場合は、周方向とし、曲げ加工の場合には、円弧ＰＱ方向とした。

疲労試験にはＪＩＳＺ２２７３に準拠した試験片を採取した。疲労試験片の長さ方向が扁平加工の場合は、図2-1に示す２次加工鋼管２の長手方向に一致させ、縮径加工の場合は、図3-1に示す２次加工鋼管３の長手方向に一致させて採取した試験片を用い、ＪＩＳＺ２２７３に準拠して、片振り引張疲れ限度を求め、疲労強度とした。また曲げ加工の場合には、ＪＩＳＺ２２７３号疲労試験片を、曲げ加工を受けた部分４Ａのうちから、曲げ中心の最内側表面を含むように疲労試験片の長さ方向を円弧ＰＱ方向に一致させて採取しフラットニンク後、前記と同様に片振り引張疲れ限度を求め、疲労強度とした。

このようにして得た２次加工鋼管２、３、４の最大高さ粗さＲｚおよび片振り引張疲れ限度である疲労強度を前記表１〜５に合わせて示した。但し、素管区分Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅの素管１についても、ＪＩＳＺ２２７３号疲労試験片を同様に採取して、片振り引張疲れ限度を求め、素管１の疲労強度とし、（２次加工鋼管の疲労強度）／（素管１の疲労強度）×１００（％）により２次加工鋼管の疲労強度評価を行った。

２次加工鋼管の疲労強度の評価は、２次加工鋼管の疲労強度が素管の疲労強度の８０％以上である場合を○、すなわち疲労特性が優れるとし、２次加工鋼管の疲労強度が素管の疲労強度の８０％未満である場合を×、すなわち疲労特性が劣るとした。

表１〜５（表１、表２は参考例）に示した結果から、素管の特性値は、ＪＩＳ１１号管状試験片を用いた引張試験によって得た破断時全伸びが４０％以上、降伏応力ＹＳと引張強さＴＳの比ＹＳ／ＴＳが０．８以下であり、かつ前記素管の内、外表面での最大高さ粗さＲｚが１０μm以下である素管を用い、圧縮ひずみが３０％以下となるように圧縮加工した、本発明の範囲を満たす２次加工鋼管は、素管の疲労強度に対する疲労強度低下が小さい。

前記本発明の範囲を満たしていない素管を用いるか、もしくは本発明の範囲を満たす素管を用い、圧縮ひずみが３０％超えとなるように圧縮加工した２次加工鋼管は、素管の疲労強度に対する疲労強度低下が大きい。

素管１の形状を示す長手方向に直角な断面図である。扁平加工により得た２次加工鋼管２の形状を示す長手方向に直角な断面図である。扁平加工方法の説明図である。縮径加工により得た２次加工鋼管３の一例の形状を示す図である。縮径加工方法の説明図である。曲げ加工により得た２次加工鋼管４の一例の形状を示す図である。曲げ加工方法の説明図である。曲げ加工方法の説明図である。中空ロアアームの形状を示す概略図である。（ａ）は素管を圧縮加工して得た２次加工鋼管の断面模式図であり、（ｂ）は２次加工鋼管に生じたしわを示す模式図である。

符号の説明

１素管
ａ、ｂ外径
Ｄ内径
ｔ肉厚
Ａ／Ｂ扁平比
ｂ／ａ縮径比
Ｏ曲げ中心
Ｒ曲げ半径
Ｓ長軸側の中立軸曲率半径
２、３、４２次加工鋼管
３Ａ、３Ｂ、４Ａ、４Ｂ、４Ｃ２次加工鋼管の部分
２１、２２ロール
Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３Ｋ４孔型
３１、３２、３３、３４ダイス
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４ダイス内径
４０パイプベンダー
４１回転曲げ型
４２当て型
４３圧力型
４４クランプ型
１００、１０１中空ロアアーム
１０２車体
１０３車輪
１０４前進方向
２０１２次加工鋼管
２０１Ａ内表面
２０１Ｂしわ

Claims

長手方向断面で見た空洞が円形でかつ長手方向に真っ直ぐな素管の特性値は、ＪＩＳ１１号管状試験片を用いた引張試験によって得た破断時全伸びが４０％以上、降伏応力ＹＳと引張強さＴＳの比ＹＳ／ＴＳが０．８以下であり、かつ該素管の内、外表面での最大高さ粗さＲｚが１０μm以下であり、該素管を用い、該素管の長手方向の一部もしくは全部にわたり表面での圧縮ひずみが３０％以下となるように塑性加工したことを特徴とする疲労特性に優れた２次加工鋼管。