JP4399954B2 - ハイドロフォーミング性に優れる構造用電縫鋼管およびその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、自動車の構造部材や足回り部材などに用いて好適な鋼管であって、とくにハイドロフォーミングにおける成形加工性（ハイドロフォーミング性）に優れる構造用電縫鋼管およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車用の構造部材として用いられる、種々の断面形状をもつ中空部材を製造するには、従来、鋼板のプレス加工によって成形した部品同士をその溶接代であるフランジ部でスポット溶接して接合する方法が採用されてきたが、品質の面でも、生産効率の面でも改善が求められていた。
一方、最近になり、構造用の中空部材に対して、衝突時のより高い衝撃吸収能が求められるようになり、素材として用いられる鋼板が一層高強度化してきた。このため、従来のプレス成形による方法では、成形欠陥がなく、また成形品の形状や寸法精度が良好な部材を製造することが次第に困難になってきている。
【０００３】
このような問題を解決するための新しい成形方法として、最近、ハイドロフォーミングが注目されている。ハイドロフォーミングは、鋼管の内部に高圧液体を注入して塑性加工を行う方法であり、鋼管の断面寸法を拡管加工などにより変化させて、複雑形状部材の一体成形をはかるとともに、強度・剛性を高める機能をもつ優れた成形法である。
ところで、ハイドロフォーミングに供される鋼管としては、一般に、Ｃ：0.20〜0.10％の中、低炭素鋼からなる素材で製造した電縫鋼管が用いられることが多い。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、かかるＣ量を含む電縫鋼管にハイドロフォーミングを施しても、素材そのものの加工性がよくないために、十分な拡管率が得られないという問題があった。なお、ハイドロフォーミングにおける拡管率を高めるには、管軸方向に軸力を加える方法もあるが、この方法は管が長手方向に大きく曲がっているようなデザインの管の成形の場合には有効ではない。
一方、電縫鋼管の素材そのものの加工性を高めるために、炭素量を著しく低減した極低炭素鋼を素材に用いることが考えられる。しかし、従来の極低炭素鋼を用いて製造した電縫鋼管は、延性には優れているものの、溶接に起因した別の問題を生じていた。すなわち、従来の極低炭素電縫鋼管では、鋼管製造時の電気抵抗溶接で溶接部（溶接熱影響部）の結晶粒が粗大化して軟化して、拡管成形での変形が局部的に集中し、素材がもつ高延性を十分に発揮できないこと、また、ハイドロフォームした部材を他の部材と溶接した場合にも、同様な軟化が生じて部材として必要な静的強度や疲労強度が得られなくなることなどである。
【０００５】
そこで、本発明は、従来の極低炭素鋼管が抱えていた上記問題を解消した、ハイドロフォーミングに適した電縫鋼管についての新たな提案を行うものである。とくに、この発明は、極低炭素鋼の優れた加工性を損なうことなく、溶接による結晶粒の粗大化、軟化を抑制した、ハイドロフォーミング性に優れる構造用電縫鋼管を提供することを目的とする。
また、本発明鋼管が目指す具体的な目標特性は、（鋼管のＴＳ）×（管端固定条件での拡管率）で表したハイドロフォーミング性が 9000 ＭＰａ・％以上であり、溶接部の軟化抵抗を表す指標として用いる溶接部の最低硬さ（Ｈｖ(min))と鋼管素材の硬さ（Ｈｖ（素材））との比Ｈｖ(min) ／Ｈｖ（素材）が0.90以上であるものとする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、上記課題を達成するために、電縫鋼管の成分組成、製造方法などについて種々の検討を重ねた。その結果、溶接による結晶粒の粗大化、軟化を効果的に抑制するためには、NbとＢを複合添加するとともにTi、Zrのいずれか一方を添加すること、継ぎ目部を電気抵抗溶接して造管した後に絞り率0.3 〜10％のサイジング（縮径）を行うことが有効であることを見いだした。本発明は上記知見を基にして完成したものであり、その要旨構成は次のとおりである。
【０００７】
（１）鋼組成が、質量％でＣ：０．００１〜０．０１％未満、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｐ：０．１５％以下、Ｓ：０．０１５％以下、Ａｌ：０．０１〜０．１０％、Ｎｂ：０．０１〜０．１０％、Ｂ：０．００１〜０．０１０％、Ｔｉ：０．１０％以下を含有し、さらに、Ｃ、Ｎｂ、Ｔｉは、（１２／４８）｛Ｔｉ（％）／Ｃ（％）｝＋（１２／９３）｛Ｎｂ（％）／Ｃ（％）｝＋（１２／９１）｛Ｚｒ（％）／Ｃ（％）｝の値が１．０以上となる範囲で含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物の鋼組成からなるスラブを熱間圧延した、または熱間圧延後さらに冷間圧延−焼鈍した、熱延または冷延の帯状素材を円筒状に成形した後、継目部を電気抵抗溶接し、次いで、外周長の絞り率で０．３〜１０％のサイジングを施した電縫鋼管であって、管端固定条件のもとでのハイドロフォームによる拡管率（％）と鋼管のＴＳ（ＭＰａ）が、拡管率（％）×ＴＳ（ＭＰａ）≧９０００ＭＰａ・％を満たすことを特徴とするハイドロフォーミング性に優れる構造用電縫鋼管。
【０００８】
上記（１）において、鋼組成が、上記成分のほか、さらに、Ｚｒ：０．１０％以下、Ｍｏ:０．００２〜０．５％およびＣｒ：０．０２〜１．０％のうちのいずれか１種または２種以上を含有することを特徴とするハイドロフォーミング性に優れる構造用電縫鋼管。
【０００９】
（３）質量％でＣ：０．００１〜０．０１％未満、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｐ：０．１５％以下、Ｓ：０．０１５％以下、Ａｌ：０．０１〜０．１０％、Ｎｂ：０．０１〜０．１０％、Ｂ：０．００１〜０．０１０％、Ｔｉ：０．１０％以下を含有し、さらに、Ｃ、Ｎｂ、Ｔｉは、（１２／４８）｛Ｔｉ（％）／Ｃ（％）｝＋（１２／９３）｛Ｎｂ（％）／Ｃ（％）｝＋（１２／９１）｛Ｚｒ（％）／Ｃ（％）｝の値が１．０以上となる範囲で含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物の鋼組成からなるスラブを熱間圧延した、または熱間圧延後さらに冷間圧延−焼鈍した、熱延または冷延の帯状素材を円筒状に成形した後、継目部を電気抵抗溶接し、次いで、外周長の絞り率で０．３〜１０％のサイジングを施すことにより、管端固定条件のもとでのハイドロフォームによる拡管率（％）と鋼管のＴＳ（ＭＰａ）が、拡管率（％）×ＴＳ（ＭＰａ）≧９０００ＭＰａ・％を満たす電縫鋼管を得ることを特徴とするハイドロフォーミング性に優れる構造用電縫鋼管の製造方法。
（４）上記（３）において、鋼組成が、上記成分のほか、さらに、Ｚｒ：０．１０％以下、Ｍｏ:０．００２〜０．５％およびＣｒ：０．０２〜１．０％のうちのいずれか１種または２種以上を含有することを特徴とするハイドロフォーミング性に優れる構造用電縫鋼管の製造方法。
【００１０】
【発明の実施の形態】
はじめに、この発明における鋼成分の限定理由について説明する。
Ｃ：0.001 〜0.01％
Ｃは、電縫鋼管の成形性を低下させる元素であるので、0.01％未満の極低炭素領域とする。しかし、0.001 ％に満たないＣ含有量では、後述するNb、Ｂの複合添加によっても、溶接部の結晶粒の粗大化を抑制することが困難になるので、Ｃ量は0.001 〜0.01％未満の範囲とする。
【００１１】
Si：1.0 ％以下
Siは、鋼の強化に有用な元素であり、所望の強度に応じて添加する。しかし、1.0 ％を超えて添加すると、添加効果が飽和するだけでなく、２次加工脆化が生じやすくなるので、1.0 ％以下の範囲で添加する。
【００１２】
Mn：2.0 ％以下
Mnは、表面性状および溶接性を低下させることなく、強度を向上させるのに有効な元素であるが、2.0 ％を超えて添加すると、添加効果が飽和するだけでなく、２次加工脆化が生じやすくなるので、Mn含有量は2.0 ％以下とする。
【００１３】
Ｐ：0.15％以下
Ｐは、強度の向上に有効な元素であるが、0.15％を超えて添加すると、添加効果が飽和するだけでなく、２次加工脆化が生じやすくなるので、0.15％以下の範囲で含有させる。
【００１４】
Ｓ：0.015 ％以下
Ｓは、鋼中で非金属介在物として存在し、これが起点となってハイドロフォーム時に鋼管を破断させる恐れがある。このため、Ｓ量は低いほど耐バースト性が改善されて、その効果は0.015 ％以下であればあらわれる。なお、耐バースト性の一層の向上には、好ましくは0.010 ％以下、さらに好ましくは0.005 ％以下に制限するのがよい。
【００１５】
Al：0.01〜0.10％、
Alは、鋼の脱酸作用を有する有用な元素であるので、0.01％以上の添加が必要である。一方、0.1 ％を超えて多量に添加しても、その効果が飽和するだけでなく、かえって鋼板の表面欠陥を生じてしまう。よって、Alは0.01〜0.10％の範囲で添加する。
【００１６】
Nb：0.01〜0.10％
Nbは、Ｂと複合添加することにより、とくに電気抵抗溶接（電縫溶接）で生じた溶接熱影響部の結晶粒を微細化し、軟化を抑制して、ハイドロフォーミング性を向上させるのに有用な元素である。
このような複合添加による効果を示す実験結果を図１に示す。この実験では、鋼成分をＣ：0.003 ％、Si：0.05％、Mn：0.3 ％、Ｐ：0.1 ％、Ｓ：0.005 ％、Al：0.04％、Ti：0.05％で、Nbを0.005 ％と0.015 ％に、Ｂを0 〜0.0030％の範囲で種々変えた、板厚2.0 ｍｍの熱延鋼板から製造した電縫鋼管に対して、後述する自由バルジ試験を行い、ハイドロフォームによる拡管率を調査した。なお、電縫鋼管を製造するに当たっては、造管後に外周長の絞り率で２％のサイジング（縮径）を行った。
図１から、Nb、Ｂとも拡管率を向上させる効果が見られるが、この効果はとくにNb：0.015 ％、Ｂ：0.0010％以上(10 ppm 以上) とすることで顕著にあらわれることがわかる。このような、効果が得られる理由は必ずしも明らかではないが、オーステナイトの粒成長が抑制されて、冷却時に粒界からのフェライト変態を促進したことが考えられる。
このようなNbの添加効果は0.01％以上であらわれる。一方、0.10％を超えて添加してもその効果が飽和し、コスト上不利となるので、Nbは0.01〜0.10％の範囲で添加する。
【００１７】
Ｂ：0.001 〜0.010 ％
Ｂは、図１で示したように、Nbとの複合添加により、とくに電縫溶接で生じた溶接熱影響部の結晶粒を微細化して、軟化を抑制し、ハイドロフォーミング性を向上させるのに有用な元素である。Ｂはオーステナイトの粒界に偏析し、冷却速度が比較的小さいときでも、熱影響部では、高温でのフェライト変態が抑制されるために、微細なフェライト粒や低温変態組織が形成されると思われる。
このようなＢの添加効果は0.001 ％以上であらわれるが、0.010 ％を超えて添加すると、熱間での割れが起こりやすくなるので、Ｂは0.001 〜0.010 ％の範囲で添加する。
【００１８】
Ti：0.10％以下、Zr：0.10％以下
TiおよびZrは、Nbとともに用いることにより、Ｃあるいはその他の溶質元素を固定し、ハイドロフォーミング性を向上させるのに有用な元素である。このような効果は、Ｃとの原子比の合計が1.0 ％以上となる添加、すなわち、 (12／48)｛Ti（％）／Ｃ（％）｝＋（12／93) ｛Nb（％）／Ｃ（％）｝＋（12／91) ｛Zr（％）／Ｃ（％）｝の値が1.0 以上の範囲で得られる。しかし、Ti、Zrのいずれも、それぞれ0.10％を超えて含有してもその効果が飽和するだけでなく、鋼の熱間変形抵抗を増大して製造性を阻害する。したがって、これらの元素は上記範囲で添加する。
【００１９】
Mo:0.002〜0.5 ％およびCr：0.02〜1.0 ％
MoおよびCrは、鋼に固溶して、加工性を維持したまま、強度を向上させるのに有用な元素である。このような効果は、Mo:0.002％以上、Cr：0.02％以上の添加で得られるが、Mo:0.5％、Cr：1.0 ％を超えて添加しても、その効果が飽和しコストの上昇を招くので、これら元素は上記範囲で添加する。
【００２０】
次に、本発明鋼管の必要特性について説明する。
鋼管の引張強度が小さいと、高い衝撃吸収能が得られず、また、ハイドロフォームによる拡管率が小さいと、ハイドロフォーミングにより成形できる形状が限定されてしまう。本発明では、これらの２つの特性がバランスしていることが必要である。また、ハイドロフォーミングでは、管の両端から水等の液体を供給し、液圧により管の内面から変形を行うが、管の両端を固定する場合（以下、管端固定という）と、管の両端から圧縮力を加える場合（以下、管端圧縮という）とがある。一般に、管端圧縮の方が高い拡管率を得ることができる。
本発明では、強度とハイドロフォーミング性とがバランスしていることが必要であることから、引張強度（MPa)×拡管率（％）が管端固定の場合で 9000 MPa・％以上であるものとする。
ここで拡管率は、外径ｄo の鋼管を変形部長さｌc ＝２ｄo として、管端から管内面に液体を供給して液圧を負荷し、円形断面自由バルジ変形させ、バーストした時の最大外径ｄmax より、（ｄmax −ｄo ）／ｄo ×100 で定義するものとする。本発明では、拡管率が20％以上であることが、ハイドロフォーミングを安定化させるうえで好ましい。
【００２１】
この拡管率の測定は、例えば、図２および図３に示される金型２ａ，２ｂを、図４に示す構成のハイドロフオーミング加工装置を用いて、拡管を行なうことにより実施できる。
図２は金型の斜視図であり、図３は金型の断面図である。金型２ａ，２ｂはそれぞれ、長さ方向両端側は、鋼管の外径ｄo に略等しい径の半筒状面で構成される鋼管保持部３を有し、長さ方向中央部には、径ｄc ＝２ｄo の半円筒状変形部４および傾斜角θ＝45°のテーパー状変形部５とよりなる変形部６を有し、変形部６の長さｌc がｄo の２倍となっている、上部金型２ａおよび下部金型２ｂからなる。図４に示すように、この上部金型２ａと下部金型２ｂとで、金型それぞれの鋼管保持部３に鋼管１が嵌まるように、鋼管１を挟み込む。この状態で、鋼管１の両端から該鋼管１の内面側に、軸押シリンダ７ａを介して水等の液体を供給して、液圧Ｐを付与し、円形断面自由バルジ変形させてバーストした時の最大外径ｄmax を測定する。なお、図４中の８、９はそれぞれ金型２ａ、２ｂが鋼管を挟み込んだ状態に保持しておくための、金型ホルダ、アウターリングである。
【００２２】
本発明において、拡管率は管端固定条件の下に測定するものとする。このため、管端が軸方向に移動しないようにする必要があり、例えば、軸押シリンダ７ａ、７ｂに鋼管１の両端をボルト締め等により固定するとともに、液圧負荷中に、軸押シリンダ７ａ、７ｂを鋼管１の軸方向に移動しないように固定することにより実施できる。
【００２３】
次に、電縫鋼管の製造方法について説明する。上述した成分組成にしたがう鋼を溶製した後、連続鋳造法あるいは造塊−分塊法によりスラブとする。次いでこのスラブを、熱間圧延により熱延鋼板とするか、熱間圧延の後、さらに冷間圧延−焼鈍により冷延鋼板とする。このようにして得られた熱延鋼板または冷延鋼板を素材として、ロール成形または曲げ加工により、ほぼ円筒状の形に成形し、両幅端部同士を突き合わせた継目部を電気抵抗溶接にて接合する。
電気抵抗溶接に次いで、外周長の絞り率で0.3 〜10％のサイジングを行う。サイジングを行う目的は、電縫鋼管をハイドロフォーミングに供するために、十分な形状精度を得ることと、材料変形の均一性を確保することにある。このような目的を達成するには、外周長の絞り率で少なくとも0.3 ％は必要であるが、10％を超えて行うと鋼管が顕著に加工硬化し、ハイドロフォーミング性の低下を招いてしまう。したがって、電気抵抗溶接後は、外周長の絞り率で0.3 〜10％のサイジングを行うものとする。
【００２４】
【実施例】
表１に示す化学成分の鋼を溶製してスラブとした。このスラブを1200℃に加熱後、熱間圧延して板厚2.0 ｍｍの熱延鋼板とするか、または、熱間圧延に引き続き、酸洗−冷間圧延−連続焼鈍の工程により板厚2.0 ｍｍの冷延鋼板とした。
これらの熱延鋼板または冷延鋼板を、円筒状に成形後、その継目部を電気抵抗溶接して、直径63.5ｍｍ、肉厚2.0 ｍｍの鋼管とし、次いで外周長の絞り率で２％のサイジング（縮径）を行った。
【００２５】
得られた電縫鋼管から、長手方向に引張試験片（ＪＩＳ１２号）を採取し、引張強度を求めた。また、鋼管を、500 ｍｍの長さに切断しハイドロフォーム用の試験体とした。この試験体を図２〜図４に示したように、両端を拘束して管端部から水を供給して、水圧により円形断面自由バルジ変形させて、バーストしたときの最大の拡管率を求めた。ここで、金型寸法は、図３におけるｌc が 127.0ｍｍ、ｄc が 127.0ｍｍ、ｒd が５ｍｍ、ｌo が 550ｍｍ、θが45°のものとした。また、試験体を変形させるに当たっては金型と試験体表面（外周面）との間に粘度800 cst の潤滑剤を介在させた。そして、各電縫鋼管の特性は、拡管率だけでなく、素材強度とのバランスを考慮して、強度×拡管率でも表した。
【００２６】
さらに、ハイドロフォーミングのあと、溶接により部品に組付ける場合を想定して、アーク溶接による溶接部の強度を評価した。溶接条件は以下のとおりとした。
・溶接ワイヤ：ＪＩＳ ＹＧＷ１５相当
・溶接ワイヤ径：1.2 ｍｍ
・シールドガス：Ａｒ−20体積％ＣＯ２
・ガス流量：４０ ｌ／ｍｉｎ
・溶接電流：200 〜220 Ａ
・アーク電圧：１８〜１９Ｖ
・溶接速度：８０〜１００ ｃｍ／ｍｉｎ
・被溶接材形状：電縫鋼管と板厚２ｍｍの冷延鋼板（鋼組成は電縫鋼管と同一）との突き合わせ溶接（図５参照）
ここに、静的強度、疲労強度は、ともに素材の硬度Ｈv （素材）に対する溶接熱影響部（ＨＡＺ）の最軟化部の硬度Ｈv （ｍｉｎ）の比に依存することを確認したので、溶接部の強度として硬度の比、Ｈv （ｍｉｎ）／Ｈv （素材）で評価した。
【００２７】
得られた結果を表１に併せて示す。表１から、本発明にしたがう電縫鋼管は、強度×拡管率が高く、ハイドロフォーミング性が優れていることがわかる。このような高い拡管率が得られたのは、電縫溶接時の結晶粒の粗大化抑制により、溶接熱影響部の軟化が抑えられたことによるものである。また、Ｈv （ｍｉｎ）／Ｈv （素材）も0.90以上であり、溶接による軟化は小さいことがわかる。
【００２８】
【表１】
【００２９】
また、表１中の管No. ９の鋼管について、サイジングの際の絞り率を0.1 〜12％の間で変化させた場合の、拡管試験結果を表２に示す。
表２より、サイジング時の絞り率が0.3 〜10％の範囲内であると、ＴＳ×拡管率が9000 MPa・％以上となることがわかる。
【００３０】
【表２】
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、溶接熱影響部での軟化が抑制された結果、ハイドロフォーミング性に優れる電縫鋼管を提供することできる。また、本発明は、ハイドロフォーム後に、溶接する場合にも、溶接熱影響部の軟化を抑制することにも効果をもたらす。
【図面の簡単な説明】
【図１】 NbおよびＢが拡管率に及ぼす影響を示す図である。
【図２】自由バルジ試験に用いる金型を示す斜視図である。
【図３】自由バルジ試験に用いる金型を示す断面図である。
【図４】自由バルジ試験に用いるハイドロフォーミング加工装置の構成の例を示す断面図である。
【図５】被溶接材の形状を示す斜視図である。
【発明の属する技術分野】
この発明は、自動車の構造部材や足回り部材などに用いて好適な鋼管であって、とくにハイドロフォーミングにおける成形加工性（ハイドロフォーミング性）に優れる構造用電縫鋼管およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車用の構造部材として用いられる、種々の断面形状をもつ中空部材を製造するには、従来、鋼板のプレス加工によって成形した部品同士をその溶接代であるフランジ部でスポット溶接して接合する方法が採用されてきたが、品質の面でも、生産効率の面でも改善が求められていた。
一方、最近になり、構造用の中空部材に対して、衝突時のより高い衝撃吸収能が求められるようになり、素材として用いられる鋼板が一層高強度化してきた。このため、従来のプレス成形による方法では、成形欠陥がなく、また成形品の形状や寸法精度が良好な部材を製造することが次第に困難になってきている。
【０００３】
このような問題を解決するための新しい成形方法として、最近、ハイドロフォーミングが注目されている。ハイドロフォーミングは、鋼管の内部に高圧液体を注入して塑性加工を行う方法であり、鋼管の断面寸法を拡管加工などにより変化させて、複雑形状部材の一体成形をはかるとともに、強度・剛性を高める機能をもつ優れた成形法である。
ところで、ハイドロフォーミングに供される鋼管としては、一般に、Ｃ：0.20〜0.10％の中、低炭素鋼からなる素材で製造した電縫鋼管が用いられることが多い。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、かかるＣ量を含む電縫鋼管にハイドロフォーミングを施しても、素材そのものの加工性がよくないために、十分な拡管率が得られないという問題があった。なお、ハイドロフォーミングにおける拡管率を高めるには、管軸方向に軸力を加える方法もあるが、この方法は管が長手方向に大きく曲がっているようなデザインの管の成形の場合には有効ではない。
一方、電縫鋼管の素材そのものの加工性を高めるために、炭素量を著しく低減した極低炭素鋼を素材に用いることが考えられる。しかし、従来の極低炭素鋼を用いて製造した電縫鋼管は、延性には優れているものの、溶接に起因した別の問題を生じていた。すなわち、従来の極低炭素電縫鋼管では、鋼管製造時の電気抵抗溶接で溶接部（溶接熱影響部）の結晶粒が粗大化して軟化して、拡管成形での変形が局部的に集中し、素材がもつ高延性を十分に発揮できないこと、また、ハイドロフォームした部材を他の部材と溶接した場合にも、同様な軟化が生じて部材として必要な静的強度や疲労強度が得られなくなることなどである。
【０００５】
そこで、本発明は、従来の極低炭素鋼管が抱えていた上記問題を解消した、ハイドロフォーミングに適した電縫鋼管についての新たな提案を行うものである。とくに、この発明は、極低炭素鋼の優れた加工性を損なうことなく、溶接による結晶粒の粗大化、軟化を抑制した、ハイドロフォーミング性に優れる構造用電縫鋼管を提供することを目的とする。
また、本発明鋼管が目指す具体的な目標特性は、（鋼管のＴＳ）×（管端固定条件での拡管率）で表したハイドロフォーミング性が 9000 ＭＰａ・％以上であり、溶接部の軟化抵抗を表す指標として用いる溶接部の最低硬さ（Ｈｖ(min))と鋼管素材の硬さ（Ｈｖ（素材））との比Ｈｖ(min) ／Ｈｖ（素材）が0.90以上であるものとする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、上記課題を達成するために、電縫鋼管の成分組成、製造方法などについて種々の検討を重ねた。その結果、溶接による結晶粒の粗大化、軟化を効果的に抑制するためには、NbとＢを複合添加するとともにTi、Zrのいずれか一方を添加すること、継ぎ目部を電気抵抗溶接して造管した後に絞り率0.3 〜10％のサイジング（縮径）を行うことが有効であることを見いだした。本発明は上記知見を基にして完成したものであり、その要旨構成は次のとおりである。
【０００７】
（１）鋼組成が、質量％でＣ：０．００１〜０．０１％未満、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｐ：０．１５％以下、Ｓ：０．０１５％以下、Ａｌ：０．０１〜０．１０％、Ｎｂ：０．０１〜０．１０％、Ｂ：０．００１〜０．０１０％、Ｔｉ：０．１０％以下を含有し、さらに、Ｃ、Ｎｂ、Ｔｉは、（１２／４８）｛Ｔｉ（％）／Ｃ（％）｝＋（１２／９３）｛Ｎｂ（％）／Ｃ（％）｝＋（１２／９１）｛Ｚｒ（％）／Ｃ（％）｝の値が１．０以上となる範囲で含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物の鋼組成からなるスラブを熱間圧延した、または熱間圧延後さらに冷間圧延−焼鈍した、熱延または冷延の帯状素材を円筒状に成形した後、継目部を電気抵抗溶接し、次いで、外周長の絞り率で０．３〜１０％のサイジングを施した電縫鋼管であって、管端固定条件のもとでのハイドロフォームによる拡管率（％）と鋼管のＴＳ（ＭＰａ）が、拡管率（％）×ＴＳ（ＭＰａ）≧９０００ＭＰａ・％を満たすことを特徴とするハイドロフォーミング性に優れる構造用電縫鋼管。
【０００８】
上記（１）において、鋼組成が、上記成分のほか、さらに、Ｚｒ：０．１０％以下、Ｍｏ:０．００２〜０．５％およびＣｒ：０．０２〜１．０％のうちのいずれか１種または２種以上を含有することを特徴とするハイドロフォーミング性に優れる構造用電縫鋼管。
【０００９】
（３）質量％でＣ：０．００１〜０．０１％未満、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｐ：０．１５％以下、Ｓ：０．０１５％以下、Ａｌ：０．０１〜０．１０％、Ｎｂ：０．０１〜０．１０％、Ｂ：０．００１〜０．０１０％、Ｔｉ：０．１０％以下を含有し、さらに、Ｃ、Ｎｂ、Ｔｉは、（１２／４８）｛Ｔｉ（％）／Ｃ（％）｝＋（１２／９３）｛Ｎｂ（％）／Ｃ（％）｝＋（１２／９１）｛Ｚｒ（％）／Ｃ（％）｝の値が１．０以上となる範囲で含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物の鋼組成からなるスラブを熱間圧延した、または熱間圧延後さらに冷間圧延−焼鈍した、熱延または冷延の帯状素材を円筒状に成形した後、継目部を電気抵抗溶接し、次いで、外周長の絞り率で０．３〜１０％のサイジングを施すことにより、管端固定条件のもとでのハイドロフォームによる拡管率（％）と鋼管のＴＳ（ＭＰａ）が、拡管率（％）×ＴＳ（ＭＰａ）≧９０００ＭＰａ・％を満たす電縫鋼管を得ることを特徴とするハイドロフォーミング性に優れる構造用電縫鋼管の製造方法。
（４）上記（３）において、鋼組成が、上記成分のほか、さらに、Ｚｒ：０．１０％以下、Ｍｏ:０．００２〜０．５％およびＣｒ：０．０２〜１．０％のうちのいずれか１種または２種以上を含有することを特徴とするハイドロフォーミング性に優れる構造用電縫鋼管の製造方法。
【００１０】
【発明の実施の形態】
はじめに、この発明における鋼成分の限定理由について説明する。
Ｃ：0.001 〜0.01％
Ｃは、電縫鋼管の成形性を低下させる元素であるので、0.01％未満の極低炭素領域とする。しかし、0.001 ％に満たないＣ含有量では、後述するNb、Ｂの複合添加によっても、溶接部の結晶粒の粗大化を抑制することが困難になるので、Ｃ量は0.001 〜0.01％未満の範囲とする。
【００１１】
Si：1.0 ％以下
Siは、鋼の強化に有用な元素であり、所望の強度に応じて添加する。しかし、1.0 ％を超えて添加すると、添加効果が飽和するだけでなく、２次加工脆化が生じやすくなるので、1.0 ％以下の範囲で添加する。
【００１２】
Mn：2.0 ％以下
Mnは、表面性状および溶接性を低下させることなく、強度を向上させるのに有効な元素であるが、2.0 ％を超えて添加すると、添加効果が飽和するだけでなく、２次加工脆化が生じやすくなるので、Mn含有量は2.0 ％以下とする。
【００１３】
Ｐ：0.15％以下
Ｐは、強度の向上に有効な元素であるが、0.15％を超えて添加すると、添加効果が飽和するだけでなく、２次加工脆化が生じやすくなるので、0.15％以下の範囲で含有させる。
【００１４】
Ｓ：0.015 ％以下
Ｓは、鋼中で非金属介在物として存在し、これが起点となってハイドロフォーム時に鋼管を破断させる恐れがある。このため、Ｓ量は低いほど耐バースト性が改善されて、その効果は0.015 ％以下であればあらわれる。なお、耐バースト性の一層の向上には、好ましくは0.010 ％以下、さらに好ましくは0.005 ％以下に制限するのがよい。
【００１５】
Al：0.01〜0.10％、
Alは、鋼の脱酸作用を有する有用な元素であるので、0.01％以上の添加が必要である。一方、0.1 ％を超えて多量に添加しても、その効果が飽和するだけでなく、かえって鋼板の表面欠陥を生じてしまう。よって、Alは0.01〜0.10％の範囲で添加する。
【００１６】
Nb：0.01〜0.10％
Nbは、Ｂと複合添加することにより、とくに電気抵抗溶接（電縫溶接）で生じた溶接熱影響部の結晶粒を微細化し、軟化を抑制して、ハイドロフォーミング性を向上させるのに有用な元素である。
このような複合添加による効果を示す実験結果を図１に示す。この実験では、鋼成分をＣ：0.003 ％、Si：0.05％、Mn：0.3 ％、Ｐ：0.1 ％、Ｓ：0.005 ％、Al：0.04％、Ti：0.05％で、Nbを0.005 ％と0.015 ％に、Ｂを0 〜0.0030％の範囲で種々変えた、板厚2.0 ｍｍの熱延鋼板から製造した電縫鋼管に対して、後述する自由バルジ試験を行い、ハイドロフォームによる拡管率を調査した。なお、電縫鋼管を製造するに当たっては、造管後に外周長の絞り率で２％のサイジング（縮径）を行った。
図１から、Nb、Ｂとも拡管率を向上させる効果が見られるが、この効果はとくにNb：0.015 ％、Ｂ：0.0010％以上(10 ppm 以上) とすることで顕著にあらわれることがわかる。このような、効果が得られる理由は必ずしも明らかではないが、オーステナイトの粒成長が抑制されて、冷却時に粒界からのフェライト変態を促進したことが考えられる。
このようなNbの添加効果は0.01％以上であらわれる。一方、0.10％を超えて添加してもその効果が飽和し、コスト上不利となるので、Nbは0.01〜0.10％の範囲で添加する。
【００１７】
Ｂ：0.001 〜0.010 ％
Ｂは、図１で示したように、Nbとの複合添加により、とくに電縫溶接で生じた溶接熱影響部の結晶粒を微細化して、軟化を抑制し、ハイドロフォーミング性を向上させるのに有用な元素である。Ｂはオーステナイトの粒界に偏析し、冷却速度が比較的小さいときでも、熱影響部では、高温でのフェライト変態が抑制されるために、微細なフェライト粒や低温変態組織が形成されると思われる。
このようなＢの添加効果は0.001 ％以上であらわれるが、0.010 ％を超えて添加すると、熱間での割れが起こりやすくなるので、Ｂは0.001 〜0.010 ％の範囲で添加する。
【００１８】
Ti：0.10％以下、Zr：0.10％以下
TiおよびZrは、Nbとともに用いることにより、Ｃあるいはその他の溶質元素を固定し、ハイドロフォーミング性を向上させるのに有用な元素である。このような効果は、Ｃとの原子比の合計が1.0 ％以上となる添加、すなわち、 (12／48)｛Ti（％）／Ｃ（％）｝＋（12／93) ｛Nb（％）／Ｃ（％）｝＋（12／91) ｛Zr（％）／Ｃ（％）｝の値が1.0 以上の範囲で得られる。しかし、Ti、Zrのいずれも、それぞれ0.10％を超えて含有してもその効果が飽和するだけでなく、鋼の熱間変形抵抗を増大して製造性を阻害する。したがって、これらの元素は上記範囲で添加する。
【００１９】
Mo:0.002〜0.5 ％およびCr：0.02〜1.0 ％
MoおよびCrは、鋼に固溶して、加工性を維持したまま、強度を向上させるのに有用な元素である。このような効果は、Mo:0.002％以上、Cr：0.02％以上の添加で得られるが、Mo:0.5％、Cr：1.0 ％を超えて添加しても、その効果が飽和しコストの上昇を招くので、これら元素は上記範囲で添加する。
【００２０】
次に、本発明鋼管の必要特性について説明する。
鋼管の引張強度が小さいと、高い衝撃吸収能が得られず、また、ハイドロフォームによる拡管率が小さいと、ハイドロフォーミングにより成形できる形状が限定されてしまう。本発明では、これらの２つの特性がバランスしていることが必要である。また、ハイドロフォーミングでは、管の両端から水等の液体を供給し、液圧により管の内面から変形を行うが、管の両端を固定する場合（以下、管端固定という）と、管の両端から圧縮力を加える場合（以下、管端圧縮という）とがある。一般に、管端圧縮の方が高い拡管率を得ることができる。
本発明では、強度とハイドロフォーミング性とがバランスしていることが必要であることから、引張強度（MPa)×拡管率（％）が管端固定の場合で 9000 MPa・％以上であるものとする。
ここで拡管率は、外径ｄo の鋼管を変形部長さｌc ＝２ｄo として、管端から管内面に液体を供給して液圧を負荷し、円形断面自由バルジ変形させ、バーストした時の最大外径ｄmax より、（ｄmax −ｄo ）／ｄo ×100 で定義するものとする。本発明では、拡管率が20％以上であることが、ハイドロフォーミングを安定化させるうえで好ましい。
【００２１】
この拡管率の測定は、例えば、図２および図３に示される金型２ａ，２ｂを、図４に示す構成のハイドロフオーミング加工装置を用いて、拡管を行なうことにより実施できる。
図２は金型の斜視図であり、図３は金型の断面図である。金型２ａ，２ｂはそれぞれ、長さ方向両端側は、鋼管の外径ｄo に略等しい径の半筒状面で構成される鋼管保持部３を有し、長さ方向中央部には、径ｄc ＝２ｄo の半円筒状変形部４および傾斜角θ＝45°のテーパー状変形部５とよりなる変形部６を有し、変形部６の長さｌc がｄo の２倍となっている、上部金型２ａおよび下部金型２ｂからなる。図４に示すように、この上部金型２ａと下部金型２ｂとで、金型それぞれの鋼管保持部３に鋼管１が嵌まるように、鋼管１を挟み込む。この状態で、鋼管１の両端から該鋼管１の内面側に、軸押シリンダ７ａを介して水等の液体を供給して、液圧Ｐを付与し、円形断面自由バルジ変形させてバーストした時の最大外径ｄmax を測定する。なお、図４中の８、９はそれぞれ金型２ａ、２ｂが鋼管を挟み込んだ状態に保持しておくための、金型ホルダ、アウターリングである。
【００２２】
本発明において、拡管率は管端固定条件の下に測定するものとする。このため、管端が軸方向に移動しないようにする必要があり、例えば、軸押シリンダ７ａ、７ｂに鋼管１の両端をボルト締め等により固定するとともに、液圧負荷中に、軸押シリンダ７ａ、７ｂを鋼管１の軸方向に移動しないように固定することにより実施できる。
【００２３】
次に、電縫鋼管の製造方法について説明する。上述した成分組成にしたがう鋼を溶製した後、連続鋳造法あるいは造塊−分塊法によりスラブとする。次いでこのスラブを、熱間圧延により熱延鋼板とするか、熱間圧延の後、さらに冷間圧延−焼鈍により冷延鋼板とする。このようにして得られた熱延鋼板または冷延鋼板を素材として、ロール成形または曲げ加工により、ほぼ円筒状の形に成形し、両幅端部同士を突き合わせた継目部を電気抵抗溶接にて接合する。
電気抵抗溶接に次いで、外周長の絞り率で0.3 〜10％のサイジングを行う。サイジングを行う目的は、電縫鋼管をハイドロフォーミングに供するために、十分な形状精度を得ることと、材料変形の均一性を確保することにある。このような目的を達成するには、外周長の絞り率で少なくとも0.3 ％は必要であるが、10％を超えて行うと鋼管が顕著に加工硬化し、ハイドロフォーミング性の低下を招いてしまう。したがって、電気抵抗溶接後は、外周長の絞り率で0.3 〜10％のサイジングを行うものとする。
【００２４】
【実施例】
表１に示す化学成分の鋼を溶製してスラブとした。このスラブを1200℃に加熱後、熱間圧延して板厚2.0 ｍｍの熱延鋼板とするか、または、熱間圧延に引き続き、酸洗−冷間圧延−連続焼鈍の工程により板厚2.0 ｍｍの冷延鋼板とした。
これらの熱延鋼板または冷延鋼板を、円筒状に成形後、その継目部を電気抵抗溶接して、直径63.5ｍｍ、肉厚2.0 ｍｍの鋼管とし、次いで外周長の絞り率で２％のサイジング（縮径）を行った。
【００２５】
得られた電縫鋼管から、長手方向に引張試験片（ＪＩＳ１２号）を採取し、引張強度を求めた。また、鋼管を、500 ｍｍの長さに切断しハイドロフォーム用の試験体とした。この試験体を図２〜図４に示したように、両端を拘束して管端部から水を供給して、水圧により円形断面自由バルジ変形させて、バーストしたときの最大の拡管率を求めた。ここで、金型寸法は、図３におけるｌc が 127.0ｍｍ、ｄc が 127.0ｍｍ、ｒd が５ｍｍ、ｌo が 550ｍｍ、θが45°のものとした。また、試験体を変形させるに当たっては金型と試験体表面（外周面）との間に粘度800 cst の潤滑剤を介在させた。そして、各電縫鋼管の特性は、拡管率だけでなく、素材強度とのバランスを考慮して、強度×拡管率でも表した。
【００２６】
さらに、ハイドロフォーミングのあと、溶接により部品に組付ける場合を想定して、アーク溶接による溶接部の強度を評価した。溶接条件は以下のとおりとした。
・溶接ワイヤ：ＪＩＳ ＹＧＷ１５相当
・溶接ワイヤ径：1.2 ｍｍ
・シールドガス：Ａｒ−20体積％ＣＯ２
・ガス流量：４０ ｌ／ｍｉｎ
・溶接電流：200 〜220 Ａ
・アーク電圧：１８〜１９Ｖ
・溶接速度：８０〜１００ ｃｍ／ｍｉｎ
・被溶接材形状：電縫鋼管と板厚２ｍｍの冷延鋼板（鋼組成は電縫鋼管と同一）との突き合わせ溶接（図５参照）
ここに、静的強度、疲労強度は、ともに素材の硬度Ｈv （素材）に対する溶接熱影響部（ＨＡＺ）の最軟化部の硬度Ｈv （ｍｉｎ）の比に依存することを確認したので、溶接部の強度として硬度の比、Ｈv （ｍｉｎ）／Ｈv （素材）で評価した。
【００２７】
得られた結果を表１に併せて示す。表１から、本発明にしたがう電縫鋼管は、強度×拡管率が高く、ハイドロフォーミング性が優れていることがわかる。このような高い拡管率が得られたのは、電縫溶接時の結晶粒の粗大化抑制により、溶接熱影響部の軟化が抑えられたことによるものである。また、Ｈv （ｍｉｎ）／Ｈv （素材）も0.90以上であり、溶接による軟化は小さいことがわかる。
【００２８】
【表１】
また、表１中の管No. ９の鋼管について、サイジングの際の絞り率を0.1 〜12％の間で変化させた場合の、拡管試験結果を表２に示す。
表２より、サイジング時の絞り率が0.3 〜10％の範囲内であると、ＴＳ×拡管率が9000 MPa・％以上となることがわかる。
【００３０】
【表２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、溶接熱影響部での軟化が抑制された結果、ハイドロフォーミング性に優れる電縫鋼管を提供することできる。また、本発明は、ハイドロフォーム後に、溶接する場合にも、溶接熱影響部の軟化を抑制することにも効果をもたらす。
【図面の簡単な説明】
【図１】 NbおよびＢが拡管率に及ぼす影響を示す図である。
【図２】自由バルジ試験に用いる金型を示す斜視図である。
【図３】自由バルジ試験に用いる金型を示す断面図である。
【図４】自由バルジ試験に用いるハイドロフォーミング加工装置の構成の例を示す断面図である。
【図５】被溶接材の形状を示す斜視図である。
Claims (4)
- 鋼組成が、質量％で
Ｃ：０．００１〜０．０１％未満、
Ｓｉ：１．０％以下、
Ｍｎ：２．０％以下、
Ｐ：０．１５％以下、
Ｓ：０．０１５％以下、
Ａｌ：０．０１〜０．１０％、
Ｎｂ：０．０１〜０．１０％、
Ｂ：０．００１〜０．０１０％、
Ｔｉ：０．１０％以下を含有し、
さらに、Ｃ、Ｎｂ、Ｔｉは、（１２／４８）｛Ｔｉ（％）／Ｃ（％）｝＋（１２／９３）｛Ｎｂ（％）／Ｃ（％）｝＋（１２／９１）｛Ｚｒ（％）／Ｃ（％）｝の値が１．０以上となる範囲で含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物の鋼組成からなるスラブを熱間圧延した、または熱間圧延後さらに冷間圧延−焼鈍した、熱延または冷延の帯状素材を円筒状に成形した後、継目部を電気抵抗溶接し、次いで、外周長の絞り率で０．３〜１０％のサイジングを施した電縫鋼管であって、管端固定条件のもとでのハイドロフォームによる拡管率（％）と鋼管のＴＳ（ＭＰａ）が、拡管率（％）×ＴＳ（ＭＰａ）≧９０００ＭＰａ・％を満たすことを特徴とするハイドロフォーミング性に優れる構造用電縫鋼管。 - 請求項１において、鋼組成が、上記成分のほか、さらに、Ｚｒ：０．１０％以下、Ｍｏ:０．００２〜０．５％およびＣｒ：０．０２〜１．０％のうちのいずれか１種または２種以上を含有することを特徴とするハイドロフォーミング性に優れる構造用電縫鋼管。
- 質量％で
Ｃ：０．００１〜０．０１％未満、
Ｓｉ：１．０％以下、
Ｍｎ：２．０％以下、
Ｐ：０．１５％以下、
Ｓ：０．０１５％以下、
Ａｌ：０．０１〜０．１０％、
Ｎｂ：０．０１〜０．１０％、
Ｂ：０．００１〜０．０１０％、
Ｔｉ：０．１０％以下を含有し、
さらに、Ｃ、Ｎｂ、Ｔｉは、（１２／４８）｛Ｔｉ（％）／Ｃ（％）｝＋（１２／９３）｛Ｎｂ（％）／Ｃ（％）｝＋（１２／９１）｛Ｚｒ（％）／Ｃ（％）｝の値が１．０以上となる範囲で含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物の鋼組成からなるスラブを熱間圧延した、または熱間圧延後さらに冷間圧延−焼鈍した、熱延または冷延の帯状素材を円筒状に成形した後、継目部を電気抵抗溶接し、次いで、外周長の絞り率で０．３〜１０％のサイジングを施すことにより、管端固定条件のもとでのハイドロフォームによる拡管率（％）と鋼管のＴＳ（ＭＰａ）が、拡管率（％）×ＴＳ（ＭＰａ）≧９０００ＭＰａ・％を満たす電縫鋼管を得ることを特徴とするハイドロフォーミング性に優れる構造用電縫鋼管の製造方法。 - 請求項３において、鋼組成が、上記成分のほか、さらに、Ｚｒ：０．１０％以下、Ｍｏ:０．００２〜０．５％およびＣｒ：０．０２〜１．０％のうちのいずれか１種または２種以上を含有することを特徴とするハイドロフォーミング性に優れる構造用電縫鋼管の製造方法。
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