JP5283937B2 - 低温衝撃特性に優れた自動車用高強度電縫鋼管とその製造方法 - Google Patents
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Description
C:0.2〜0.4%(化学成分の場合、質量%の意味、以下同じ)、
Si:0.05〜0.5%、
Mn:0.5〜2.5%、
P:0.025%以下(0%を含まない)、
S:0.01%以下(0%を含まない)、
Al:0.15%以下(0%を含まない)、
Cu:2%以下(0%を含まない)、
Cr:2%以下(0%を含まない)、
Ti:0.2%以下(0%を含まない)、
B:0.005%以下(0%を含まない)、
を含み、残部が鉄および不可避的不純物からなる鋼板であって、引張強度が1750N/mm2以上、0.1%耐力が1320N/mm2以上、試験温度がマイナス40℃におけるシャルピー衝撃値が50J/cm2以上である鋼板により構成されることを特徴とする低温衝撃特性に優れた自動車用高強度電縫鋼管である。
さらに、
Nb:0.2%以下(0%を含まない)、
V:0.5%以下(0%を含まない)、
Zr:0.5%以下(0%を含まない)、
Mo:1%以下(0%を含まない)、
Ni:3%以下(0%を含まない)、
Ca:0.005%以下(0%を含まない)、
よりなる群から選択される1種以上の元素を含むことが推奨される。
引張強度が1750N/mm2以上、0.1%耐力が1320N/mm2以上、試験温度がマイナス40℃におけるシャルピー衝撃値が50J/cm2以上である鋼板により構成される電縫鋼管を製造する方法であって、上記の化学成分を有する鋼板から鋼管を形成する工程と、前記鋼管をAc3変態点以上、950℃以下の温度に加熱した後、100℃/秒以上で冷却する高周波焼入れ工程と、前記鋼管を100℃〜250℃の温度に加熱した状態で1分〜60分間保持した後、冷却を行う焼戻し工程とを有するものである。
<化学成分>
上述の通り、本発明の自動車用高強度電縫鋼管は、高い引張強度、高い衝撃吸収特性、更に高い低温衝撃特性を実現させるため、鋼中の化学成分を規定したことに一つの特徴を有する。よって、まず、鋼の化学成分を上記の範囲に限定した理由について説明する。
本発明は、焼戻しマルテンサイト組織による強化を目指すものであり、焼戻しマルテンサイトの強度は、添加元素の影響を受けるが、鋼中Cの含有量でほとんど決定される。Cは、鋼管中にマルテンサイト等の低温変態組織を生成し、焼戻し処理時に微細な鉄炭化物を析出し、鋼管を高強度化するとともに、降伏強度の上昇を得るために必須の元素である。特に本発明のように1750N/mm2以上の強度を得るためには、0.2%以上の含有量が必要である。より好ましくは0.22%以上、さらに好ましくは0.24%以上である。しかし、C量が過剰になると、強度は上昇するものの延性や靭性が低下する。したがって、C量は、0.4%以下とする。より好ましくは0.35%以下、さらに好ましくは0.32%以下である。
Siは、鋼の脱酸剤として使用される元素であり、焼入れ性を高めるためにも有用であり、延性を劣化させることなく、鋼を固溶強化し強度確保に有用な元素である。また、電縫溶接で鋼管を製造する場合、溶接部の酸化物を排出し、健全性を維持する上で非常に有効な元素でもある。このような効果を得るためには、0.05%以上添加することが必要である。より好ましくは0.1%以上、さらに好ましくは0.15%以上である。しかし、過剰に添加すると表面性状が劣化するとともに、靭性を劣化させ好ましくない。したがって、Si量は0.5%以下とする。より好ましくは0.4%以下、さらに好ましくは0.35%以下である。
Mnは、鋼のマルテンサイト変態温度を低下させるとともに、焼入れ性を向上させ、高強度を安定して得る非常に有効な元素である。このような効果を安定して発現させるためには、0.5%以上の添加が必要である。より好ましくは0.8%以上、さらに好ましくは1.0%以上である。しかし、Mnを過多に添加してもその効果が飽和するのみならず、偏析が大きくなり組織が不均一となる。したがって、Mn量の上限は、2.5%とする。より好ましくは2%以下、さらに好ましくは1.5%以下である。
Pは、鋼の延性を劣化させずに固溶強化する有用な元素であるが、反面、粒界に偏析し易く、粒界強度を低下させ、靭性を低下させ、破面遷移温度を上昇させる。したがって、P量は、0.025%以下、好ましくは0.020%以下、さらに好ましくは0.015%以下とする。しかし、P量を0%にすることは、工業的には困難である。
Sを多量に含有させると、硫化物系の介在物が増加し、靭性の劣化や溶接部の健全性低下等の問題を引き起こすので、0.01%以下とする。好ましくは0.008%以下、さらに好ましくは0.005%以下とする。しかし、S量を0%にすることは、工業的には困難である。
Alは、溶製時の脱酸剤として添加され、鋼の清浄度を向上させるのに有用な元素である。その効果を得るには、例えば、0.01%以上含有させるとよい。より好ましくは0.02%以上、さらに好ましくは0.03%以上である。しかし、Al量が過剰になると鋼中に介在物が多量に生成し、鋼の清浄度が損なわれるとともに表面疵の原因となるので、0.15%を上限とする。好ましくは0.1%以下、さらに好ましくは0.08%以下とする。
Cuは、生成錆を緻密化して大気環境下における鋼の腐食速度を低減でき、耐遅れ破壊特性の向上を図るうえで有用な元素である。また、鋼の焼入れ性を向上させ、高強度を安定して得るためにも有用な元素である。その効果を得るには、例えば、0.01%以上含有させるとよい。より好ましくは0.03%以上、さらに好ましくは0.05%以上である。しかし、他方において、Cuは熱間圧延時に脆化を引き起こす恐れがあるので、添加量の上限を2%とする。好ましくは1.5%以下、さらに好ましくは1%以下とする。また、熱間圧延時の脆化を抑制するには、Cu量の50%〜100%程度のNiと併せて添加することが好ましい。
Crは、鋼の焼入れ性を向上させるために有用な元素である。その効果を得るには、例えば、0.05%以上含有させるとよい。より好ましくは0.1%以上、さらに好ましくは0.2%以上である。しかし、Crを過剰に含有させると電縫鋼管の溶接時にペネトレータが発生し易くなり、高強度鋼管としての靭性低下の原因となるので、2%を含有量の上限とする。好ましくは1.5%以下、さらに好ましくは1%以下とする。
Tiは、微細な炭化物を形成することによって、結晶粒の微細化と粒成長抑制効果を有する。さらに、拡散性水素のトラップサイトとして作用し、鋼素材の水素脆化感受性を低下させる。また、生成錆の緻密化効果を発揮して、耐食性を向上させる。さらに、後述するBを添加した鋼では、Tiの脱窒効果によって、Bが有効に作用し所定の焼入れ性が確保される。これらの効果を得るためには、Tiを例えば0.005%以上含有させるとよい。より好ましくは0.01%以上、さらに好ましくは0.02%以上である。しかし、Tiを過度に添加すると炭化物が粗大化して靭性劣化を招くので、0.2%を含有量の上限とする。好ましくは0.15%以下、さらに好ましくは0.1%以下とする。
Bは、鋼の焼入れ性を大きく向上させる元素である。また、焼入れ組織の靭性向上にも効果のある有用な元素である。この効果を得るには、例えば、0.0002%以上含有させるとよい。より好ましくは0.0005%以上、さらに好ましくは0.001%以上である。しかし、Bを過度に含有させると鋼中にFe23(C,B)6で表される複合炭硼化物が生成し、逆に、焼入れ性の低下を招き、所定の強度が得られなくなるので、含有量の上限を0.005%とする。より好ましくは0.0045%以下、さらに好ましくは0.004%以下とする。
Nbは、Tiと同様に安定な炭窒化物を形成し、焼入れ時に結晶粒の粗大化を抑制し、靭性劣化を防止する等の有用な効果を有する。このような効果を得るには、例えば、0.002%以上含有させるとよい。より好ましくは0.005%以上、さらに好ましくは0.01%以上である。一方、Nbを過剰に含有すると、短時間で鋼材が加熱される高周波焼入れでは、炭化物の固溶不足に起因して、マトリックスのC濃度が低下する。その結果、必要とする強度が得られなくなる。したがって、Nbの含有量の上限は、0.2%とする。好ましくは0.15%以下、さらに好ましくは0.1%以下とする。
Vは、Tiと同様に安定な炭窒化物を形成し、焼入れ時に結晶粒の粗大化を抑制し、靭性劣化を防止する等の有用な効果を有する。このような効果を得るには、例えば、0.005%以上含有させるとよい。より好ましくは0.01%以上、さらに好ましくは0.02%以上である。一方、Vを過剰に含有すると、短時間で鋼材が加熱される高周波焼入れでは、炭化物の固溶不足に起因して、マトリックスのC濃度が低下する。その結果、必要とする強度が得られなくなる。したがって、Vの含有量の上限は、0.5%とする。好ましくは0.3%以下、さらに好ましくは0.2%以下とする。
Zrは、Tiと同様に安定な炭窒化物を形成し、焼入れ時に結晶粒の粗大化を抑制し、靭性劣化を防止する等の有用な効果を有する。このような効果を得るには、例えば、0.005%以上含有させるとよい。より好ましくは0.01%以上、さらに好ましくは0.02%以上である。一方、Zrを過剰に含有すると、短時間で鋼材が加熱される高周波焼入れでは、炭化物の固溶不足に起因して、マトリックスのC濃度が低下する。その結果、必要とする強度が得られなくなる。したがって、Zrの含有量の上限は、0.5%とする。好ましくは0.4%以下、さらに好ましくは0.3%以下とする。
Moは、鋼の焼入れ性を向上させるのに有用な元素であり、Moを添加することによって耐遅れ破壊特性を劣化させるC量を増加させることなく、より高強度の鋼を得ることができる。このような効果を得るためには、例えば、0.02%以上含有させるとよい。より好ましくは0.05%以上、さらに好ましくは0.1%以上である。しかし、過度に添加すると延性の低下をもたらすとともに、高価な元素であるので製造コストも高める。したがって、Moの含有量の上限を1%とする。好ましくは0.8%以下、さらに好ましくは0.6%以下とする。
Niは、鋼の焼入れ性を向上させ、同時に鉄原子間の結合エネルギーを高めることで、靭性の劣化抑えながら、高強度化を図るうえで非常に有用な元素である。また、生成錆の緻密化によって、鋼の耐食性を向上させる効果も有する。これらの効果を得るためには、例えば、0.05%以上含有させるとよい。より好ましくは0.1%以上、さらに好ましくは0.2%以上である。しかし、過度に添加すると鋼材のコスト上昇を招くことになる。したがって、Ni量は3%を上限とする。好ましくは2.5%以下、さらに好ましくは2%以下とする。
Caは硫化物を球状化し、素材の加工性を向上させるが、過剰に添加しても、その効果が飽和し、コストアップとなるので、0.005%を上限とする。好ましくは0.004%以下、さらに好ましくは0.003%以下とする。
自動車のドアのインパクトビーム等、自動車の補強部品として、引張強度が1750N/mm2以上であることが必要である。好ましくは、1765N/mm2以上、さらに好ましくは、1800N/mm2以上である。
JISで規定されている降伏強度は、0.2%の永久ひずみを生じる時の応力、0.2%耐力が用いられるのが一般的であったが、鋼管は0.2%の永久歪みを生ずるまでにかなりの衝撃エネルギーを吸収するため、このJISに規定される0.2%耐力を用いた降伏比は、自動車の衝撃吸収部材としては、衝撃吸収特性を過小評価している可能性がある。したがって、自動車ドアのインパクトビーム等の用途では、0.1%耐力を用いる方が吸収エネルギーを適切に評価できると考えられ、この値で本発明を規定することとした。
シャルピー衝撃試験で求められる吸収エネルギーは、試験片の板厚に依存する。JISで規定されている衝撃試験片の形状:JIS4号試験片は、2mm−Vノッチを付与した試験片であり、板厚:10mm、7.5mm、5mm、2.5mmが標準試験片となる。実際に衝撃試験では、対象製品の板厚が変化すると試験片板厚も変化することになるので、板厚の影響を加味し、単位面積当たりの吸収エネルギー値(シャルピー衝撃値)としている。
<熱延鋼板の製造>
まず、上記の化学成分を有する鋼を製鋼し、鋼片(スラブ)とし、これが熱間圧延に供されるが、スラブの加熱温度は、例えば1100℃以上、巻取り温度650℃以下の条件にて、熱間圧延を行う。鋼片加熱温度においては、本発明に用いられる鋼管では、熱間圧延時の圧延荷重が高くなる傾向があるので、圧延温度が低くなり過ぎないようにすることが望ましく、そこで、鋼片の加熱温度を1100℃以上とする。より好ましくは、1150℃以上、さらに好ましくは、1200℃以上とする。
このようにして得られた熱延鋼板(鋼帯)を、酸洗、研削、ショットブラスト等の手段によって表面のスケールを除去した後、所定幅にスリット加工した鋼帯を電縫鋼管に成形する。造管時の溶接は、一般的な高周波誘導抵抗溶接機を用いる。
得られた電縫鋼管から、所望の特性を得るための熱処理には、順次短時間加熱された部分を噴射水冷却して焼入れを行う高周波焼入れを用いる。高周波焼入れは、熱処理時の形状変形が抑制され、形状特性に優れた電縫鋼管を得ることができるので、好適である。
得られた焼入れ鋼管に焼戻し処理を行い、所望の特性を得る。焼入れ処理で得たマルテンサイト組織では、同一引張強度でも降伏強度が低く、局部座屈が早期に低い荷重で起こるので、衝撃吸収能が低い。この焼入れ鋼管に低温で焼戻し処理を行うことで、鉄炭化物が微細、かつ均一に分散析出し、高い降伏強度が得られ、降伏強度の高い鋼管が得られる。同時に、焼入れ急冷処理に伴い内在する残留応力の緩和や、格子ひずみの解放が起こり、低温靭性も回復することになる。
Claims (3)
- C:0.2〜0.4%(化学成分の場合、質量%の意味、以下同じ)、
Si:0.05〜0.5%、
Mn:0.5〜2.5%、
P:0.025%以下(0%を含まない)、
S:0.01%以下(0%を含まない)、
Al:0.15%以下(0%を含まない)、
Cu:2%以下(0%を含まない)、
Cr:2%以下(0%を含まない)、
Ti:0.2%以下(0%を含まない)、
B:0.005%以下(0%を含まない)、
を含み、残部が鉄および不可避的不純物からなり、引張強度が1750N/mm2以上、0.1%耐力が1320N/mm2以上、試験温度がマイナス40℃におけるシャルピー衝撃値が50J/cm2以上であることを特徴とする低温衝撃特性に優れた自動車用高強度電縫鋼管。 - さらに、
Nb:0.2%以下(0%を含まない)、
V:0.5%以下(0%を含まない)、
Zr:0.5%以下(0%を含まない)、
Mo:1%以下(0%を含まない)、
Ni:3%以下(0%を含まない)、
Ca:0.005%以下(0%を含まない)、
よりなる群から選択される1種以上の元素を含む請求項1に記載の低温衝撃特性に優れた自動車用高強度電縫鋼管。 - 引張強度が1750N/mm2以上、0.1%耐力が1320N/mm2以上、試験温度がマイナス40℃におけるシャルピー衝撃値が50J/cm2以上である電縫鋼管を製造する方法であって、請求項1または請求項2に記載の化学成分を有する鋼板から鋼管を形成する工程と、前記鋼管をAc3変態点以上、950℃以下の温度に加熱した後、100℃/秒以上で冷却する高周波焼入れ工程と、前記鋼管を100℃〜250℃の温度に加熱した状態で1分〜60分間保持した後、冷却を行う焼戻し工程とを有する低温衝撃特性に優れた自動車用高強度電縫鋼管の製造方法。
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