JP4419336B2 - 歪み時効性を有するハイドロフォーミング用鋼管の製造方法 - Google Patents

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の使途に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加工性（ハイドロフォーミング性）に優れ、しかも歪み時効性を有する構造用鋼管に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車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、従来から、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、生産効率の両面から改善が求められていた。
また、この構造用の中空部材に対しては、衝突時のより高い衝撃吸収能が求められるようになり、高強度化が求められている。このため、従来のプレス成形による方法では、成形欠陥のない、また成形品の形状・寸法精度の良好な部材を製造することが次第に困難になりつつある。
【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による成形法が注目されはじめた。ハイドロフォーミングは、鋼管を金型の内側に装填し、鋼管の内部に高圧液体を注入して拡管し、金型に沿わせるように塑性加工する方法であり、複雑形状部材の一体短時間成形をはかれるとともに、成形後部材の形状特性により、モノコック的な作用で強度・剛性を高めることもできる優れた成形法である。
ところで、このハイドロフォーミング用の鋼管としては、一般に、容易に強度が得られ、かつ安価である、質量％にしてＣ：0.10〜0.20％の低、中炭素鋼からなる電縫鋼管が用いられることが多かった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、かかるＣ量の電縫鋼管にハイドロフォーミングを施しても、材料の加工性がよくないために、十分な拡管率が得られない場合があるという問題があった。
このような状況において、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として用いることが考えられる。しかし、極低炭素鋼の電縫鋼管の場合には、ハイドロフォーミング性はよいものの、溶接によってもたらされる新たな問題が起こる。その問題とは、極低炭素鋼を素材とした電縫鋼管は鋼管製造時の溶接熱により、熱影響部の結晶粒が粗大化して軟化し、これをハイドロフォーミングすると、同部に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ずに破断しやすいこと、また、ハイドロフォーミング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溶接部強度が十分に得られず、結局、それを使用した製造物の使用部位強度が十分に得られないことである。
このように、十分な拡管率が得られ、かつ溶接熱影響部の軟化を生じにくい鋼管は未だに存在しないのが現状である。
【０００５】
そこで、本発明は、従来技術が抱えていたこれらの問題に鑑み、ハイドロフォーミングに適した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、ハイドロフォーミング性に優れるとともに、溶接軟化を生じにくく、さらにハイドロフォーミング後の塗装焼付処理で硬化する、いわゆる歪み時効性を具えた、電縫鋼管の製造方法を提案することを目的とする。
なお、本発明法で目指す鋼管の具体的目標特性は、鋼管の引張強度（ＴＳ）×拡管率（軸方向圧縮の条件下）で表したハイドロフォーミング性が13000 ＭＰａ・％以上であり、170 ℃×20分の歪み時効処理（焼付処理に相当）による引張強度の上昇量で表した歪み時効硬化量が40ＭＰａ以上であるものとする。
なお、本発明中、「鋼板」と記載の箇所があるが、これは鋼帯をも含む意味とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、上記課題を解決するために、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、Ｃ量を質量％にして0.01〜0.05％未満の範囲としたセミ極低炭素鋼を用いること、固溶Ｎを適正量含有させること、鋼板を円筒状に成形する際に生じた歪みを溶接後の焼鈍により取り除くことが極めて有効であることを見いだした。
【０００７】
本発明は上記知見を基にして完成したものであり、質量％で、
Ｃ：0.01〜0.05％未満、
Si：0.01％以下、
Mn：3.0 ％以下、
Ｐ：0.15％以下、
Ｓ：0.015 ％以下、
Al：0.01％以下、
Ｎ：0.005 〜0.02％、かつ固溶状態で0.003 ％以上
を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物からなる、熱延または冷延した鋼板を円筒状に成形した後、継目部を溶接し、溶接後の鋼管を600 〜750 ℃の温度で焼鈍することを特徴とする歪み時効性を有するハイドロフォーミング用鋼管の製造方法である。
【０００８】
【発明の実施の形態】
この発明における鋼成分の限定理由、鋼管の製造方法などについて説明する。
Ｃ：0.01〜0.05％未満
Ｃ含有量を増やすと、鋼は強度が向上する反面、成形性は低下する。とくにＣ含有量が0.05％以上では成形性の低下が大きくなる。一方、含有量が0.01％に満たないと、鋼管製造時の溶接熱影響部の結晶粒が粗大化し、また、ハイドロフォーミングした部材をアーク溶接した際にも同様に結晶粒が粗大化し、それを使用した製造物の使用部位強度低下の原因となる。このため、Ｃ量は0.01〜0.05％未満の範囲とする。
【０００９】
Si：0.01％以下
Siは、鋼板を溶接するときと、それに本発明にいう溶接後の焼鈍のときに、高温に再加熱したときに、鋼中の固溶Ｎと結合して固溶Ｎ量を低下させ、歪み時効硬化量を低下させる。目標とする歪み時効硬化特性を発揮させるには、0.01％以下に抑制する必要がある。
【００１０】
Mn：3.0 ％以下
Mnは、表面性状および溶接性を低下させることなく、鋼板ひいてはハイドロフォーミングした部材の強度を向上させるのに有効な元素であるが、3.0 ％を超えて添加すると硬化しずぎ、ハイドロフォーミング時に達成可能な拡管率が低下する。したがって、Mn含有量は3.0 ％以下の範囲とする。
【００１１】
Ｐ：0.15％以下
Ｐは、鋼の強度向上に有効な元素であるが、0.15％を超えて含有させると溶接性が悪化する。とくに、Ｐによる強化作用がさほど必要ではないとき、またＣ量が高く溶接性の低下が懸念されるときには、0.02％以下に制限するのが望ましい。
【００１２】
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ミング中に鋼管が破断（バースト）する恐れがある。このため、Ｓ量は低いほど耐バースト性が改善され、0.015 ％以下とすればその効果があらわれる。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。
【００１３】
Al：0.01％以下
Alは、鋼の脱酸に必要であるとともに、結晶粒の粗大化抑制のために有用な元素であるので、0.005 ％以上の含有が望まれる。しかし、0.01％を超えて多量に含むと、固溶状態で残存するＮ量が減少し、歪み時効硬化量が低下する。このため、歪み時効硬化の作用を十分に発揮させるには、0.01％以下の範囲で含有させる。
【００１４】
Ｎ：0.005 〜0.02％、かつ固溶状態のＮとして0.003 ％以上
Ｎは、成形性（とくに延性）を低下させることなく鋼を強化するのに有用な元素である。このような効果は、Ｎ量（全Ｎ量）で0.005 ％以上、かつ固溶状態のＮ量で0.003 ％以上含有させることによって生じる。一方、0.02％を超えてＮを含有すると、スラブ製造時に割れが生じ、製造しにくくなる。よって、Ｎ量は0.005 〜0.02％、かつ固溶状態Ｎは0.003 ％以上の範囲とする。なお、固溶状態のＮ量は、鋼全体のＮ量から地鉄を化学的に溶解し、抽出残査を分析して得られたＮ量を差し引くする方法で求めることができる。
【００１５】
次に、本発明に係る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。スラブは、熱間圧延により熱延鋼板とするか、さらに冷間圧延−焼鈍の工程を経て冷延鋼板とする。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て形成される継目部を溶接する。ことに電縫溶接にて接合するのが好ましい。
ここで、鋼管の素材となる熱延鋼板あるいは冷延鋼板の段階で固溶Ｎを0.003％以上確保しておくことが重要である。このような熱延鋼板は、上記の成分組成に従う鋼スラブの熱間圧延工程において、熱間仕上圧延終了後0.5 秒以内に冷却を開始し、おおむね40℃／ｓ以上の冷却速度で650 ℃以下まで冷却し、冷却終了温度以下の温度で巻取ることにより製造できる。また、この熱延鋼板を冷間圧延した後、焼鈍時の加熱温度を750 ℃以下とすることにより、固溶Ｎを0.003 ％以上含有する冷延鋼板を製造できる。本発明においては、歪み時効硬化性に寄与する固溶Ｎを所定量以上確保することが極めて重要であるので、上記工程におけるとくに鋼板の製造段階では、高温域（750 ℃超え）に保持する時間を短くすることが有効である。
【００１６】
次いで、上記工程で製造された熱延鋼板または冷延鋼板を円筒状に成形した後、継目部を電縫溶接することによって鋼管とし、さらに溶接後の鋼管を600 〜750 ℃の温度で焼鈍することによって本発明の電縫鋼管が製造される。
ここで、溶接後の鋼管を600 〜750 ℃の温度で焼鈍するのは、円筒状に成形する際に生じた歪みを除去するためであり、焼鈍温度が600 ℃に満たないと歪みの除去が十分でないために、電縫鋼管をこのまま長期間放置したときに、歪み時効硬化のために引張強度が上昇しハイドロフォーミング時の延性が低下してしまう。一方、750 ℃を超えると歪み時効硬化性に寄与する固溶Ｎ量を確保することが困難になる。よって、溶接後の焼鈍は600 〜750 ℃の温度範囲で行う。この焼鈍においては、焼鈍時間を１時間以内に短くすることが、固溶Ｎを確保する上で有利である。
上記の焼鈍は、長尺の電縫鋼管を数十本単位で加熱炉に装入し所定温度に加熱するか、電縫鋼管製造ラインの電縫溶接部の下流にインラインの誘導加熱コイルを設置して所定温度に加熱し、クーリングベッドに搬送して冷却するなどの方法で行う。
【００１７】
以上の方法で製造した電縫鋼管の特性は、引張強度（MPa)×拡管率（％）が 13000 MPa・％以上のハイドロフォーミング性と、焼付処理（拡管率10％のハイドロフォーミング後、170 ℃×20分の熱処理）後の引張強度と同処理前の鋼管の引張強度との差が40ＭＰａ以上の歪み時効硬化量を有するものとなる。
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、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。これらの２つの特性がバランスしていることが重要であるので、引張強度（MPa)×拡管率（％）を 13000 MPa・％以上がよいのである。なお、前記バランスを満足した上で、引張強度は好ましくは350MPa以上、破断 (バースト) 限界拡管率は好ましくは10％以上、さらに好ましくは28％以上あることが望まれる。
ここで拡管率とは、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。この拡管率の測定は、自由バルジ試験により行なう。
【００１８】
この自由バルジ試験は、例えば、図１および図２に示される金型２ａ，２ｂを、図３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１は金型の斜視図であり、図２は金型の断面図である。図において、１は鋼管である。上部金型２ａ、下部金型２ｂはそれぞれ、長さ方向両端域に、鋼管の外径ｄo に略等しい径の円柱中抜面の略半分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 の円柱中抜面の略半分で構成される変形部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。変形部４の径ｄc は、鋼管の外径ｄo の２倍のものを使用するが、ｄc はｄo の２倍に限るものではなく、２倍程度あればよい。図３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を鋼管１の内面に付与し、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３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。
【００１９】
なお、ハイドロフォーミングでは、管の両端を固定する場合と、軸押シリンダ７ａを鋼管を圧縮する方向に押し、管の両端から圧縮力を加える（軸方向圧縮という）場合とがあるが、一般に、軸方向圧縮を加える方が高い拡管率を得ることが可能であり、本発明においても、高い拡管率を得るには、管の両端から圧縮力を適宜負荷するものとする。この圧縮力の負荷は、図３において、軸押シリンダ７ａ，７ｂに対して軸方向に圧縮力Ｆを負荷することにより実施できる。
【００２０】
さらに、拡管率10％のハイドロフォーミング後、170 ℃×20分の熱処理を行なう歪み時効処理を行う。ここで、拡管率10％のハイドロフォーミングは、図２に示した金型において、変形部４の径ｄc が鋼管の外径ｄo の1.1 倍のものを用い、鋼管を金型の変形部６に沿うまでハイドロフォーミングを行なうことにより実施する。また、 170℃×20分の熱処理は、成形部品の塗装焼付処理に相当するものである。
したがって、歪み時効処理により引張強度が40 MPa以上上昇するという上記の特性を有することにより、ハイドロフォーミングによる成形後の塗装焼付処理により、成形部品が高強度化して、高い衝撃吸収能を具えるようになるのである。
【００２１】
【実施例】
各種化学成分からなる鋼スラブを1220℃に加熱後、熱間圧延して板厚2.0 ｍｍの熱延鋼板としたものを用いるか、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の冷延鋼板としたものを用いる。ここで、熱間圧延にあたっては、圧延終了後0.5 秒以内に冷却を開始し、40℃／ｓ以上の冷却速度で650 ℃以下まで冷却し、冷却終了温度以下かつ400 ℃以上の温度で巻き取った。また、冷延鋼板では焼鈍時の加熱温度を750 ℃以下とした。得られた熱延鋼板または冷延鋼板の成分組成を表１に示す。これらの熱延鋼板または冷延鋼板を、電縫鋼管製造ラインにて外径63.5ｍｍの鋼管を製造し、その後、この鋼管を表１に示す各条件で焼鈍熱処理した。
【００２２】
これらの電縫鋼管から、長手方向に引張試験片（ＪＩＳＺ２２０１に準拠した１２Ｂ号試験片）を採取し、素材の引張強度を求めた。また、電縫鋼管を500 ｍｍの長さに切断しハイドロフォーミング用の試験体とした。図１〜３で説明したように、この試験体の両端から水を供給して、円形断面自由バルジ変形させて、バーストしたときの拡管率を測定した。ここで、金型の寸法は、図２におけるｌc が127 ｍｍ、ｄc が127 ｍｍ、ｒd が７ｍｍ、ｌo が550 ｍｍ、θが45°のものを用いた。
各電縫鋼管の特性は、拡管率だけでなく、鋼管の強度ＴＳとのバランスを考慮して、ＴＳ×拡管率でも表した。また、電縫鋼管に拡管率10％のハイドロフォーミング加工を行い、次いで170 ℃で20分の塗装焼付処理相当の熱処理を施し、各工程終了後の引張強度（ＴＳ）を、鋼管の変形部位よりＪＩＳＺ２２０１に準拠した１２Ｂ号試験片を切り出して、それぞれ測定した。
【００２３】
【表１】

【００２４】
得られた結果を表２に示す。表１、２から、本発明にしたがう電縫鋼管は、ＴＳ×拡管率が高く、ハイドロフォーミング性が優れているとともに、歪み時効硬化量が大きいことがわかる。すなわち、発明例では、素材強度×拡管率の値で13000 ＭＰａ・％以上が得られ、また焼付処理相当熱処理後のＴＳ（Ｄ）と鋼管のＴＳ（Ｂ）との差が１１４ＭＰａ以上、焼付相当熱処理後のＴＳ（Ｄ）と10％ハイドロフォーミング後のＴＳ（Ｃ）との差が５８ＭＰａ以上、という大きな歪み時効硬化量が得られる。
一方、比較例は、ハイドロフォーミング性が劣るか、歪み時効硬化量が少ないかのいずれかの難点を抱えており、ハイドロフォーミング部材の構造部材としての性能に欠けるものである。
【００２５】
【表２】

【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ハイドロフォーミング性に優れ、しかも大きな歪み時効硬化量を有する電縫鋼管を提供することが可能になる。したがって、本発明は、ハイドロフォーミング後、塗装焼付処理して製造される構造部材の高品質、安定生産に大きく寄与する。
【図面の簡単な説明】
【図１】自由バルジ試験に用いる金型を示す斜視図である。
【図２】自由バルジ試験に用いる金型を示す断面図である。
【図３】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。

Claims (1)

1. 質量％で、
   Ｃ：0.01〜0.05％未満、
   Si：0.01％以下、
   Mn：3.0 ％以下、
   Ｐ：0.15％以下、
   Ｓ：0.015 ％以下、
   Al：0.01％以下、
   Ｎ：0.005 〜0.02％、かつ固溶状態で0.003 ％以上
   を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物からなる、熱延または冷延した鋼板を円筒状に成形した後、継目部を溶接し、溶接後の鋼管を600 〜750 ℃の温度で焼鈍することを特徴とする歪み時効性を有するハイドロフォーミング用鋼管の製造方法。

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