JP6772075B2 - 車エアバッグ用高強度・高靭性継目無鋼管とその製造方法 - Google Patents

車エアバッグ用高強度・高靭性継目無鋼管とその製造方法 Download PDF

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Description

技術分野
本発明は、冶金製品及びその製造方法に関し、特に継目無鋼管およびその製造方法に関する。
背景技術
近年では、自用車保有量の急成長につれて、交通状況が混雑しつつあり、交通事項も多発しているため、車の安全性が特に重視されてきた。車が衝突時に、エアバッグは乗員に対する傷害を軽減することができ、二次的衝撃や、横転する時に運転者（同乗者を含む）の身体が車外へ放り出されることを防ぐことが可能である。通常、エアバッグは運転席や助手席に設備されているが、運転者の命を更に良く守るために、運転席や助手席以外に、サイド（前後部座席）とルーフにもエアバッグまたはカーテンシルドが設備されている。結果として、車毎のエアバッグ用鋼管の数量が増やした。車の安全性を向上させるために、エアバッグ用鋼管の重量も同時に増加する。車の安全性、軽量化と低コストといった要件に満たせるためには、高強靭積を備えた薄肉鋼管が求められている。
エアバッグの作動原理として、爆発性薬品が装填されているガス発生装置は衝突により発生した速度の変化を検知した時に、点火指示を受けて着火され、固体燃料の燃焼でガスを発生し、エアバッグが速く膨らみはじめ、衝突時の乗員に対する衝撃を軽減する。エアバッグのガス発生装置の製造中に、通常、継目無鋼管に比較的高いバースト強度、高強靭積及び低温耐衝撃靭性が求められている。
公開番号ＪＰ２００２−２９４３３９、公開日２００２年１０月９日の日本国特許文献である「高寸法精度で溶接性と成形性に優れるとともに、高引張り強さで、耐バースト性にも優れた高強度エアバッグ用鋼及びその製造方法」は、エアバッグ用鋼材とその製造方法に関する。該鋼材の化学元素成分（質量％）として、Ｃ：０．０５〜０．２０％、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：０．２０〜２．０％、Ｐ＜０．０２５％、Ｓ＜０．０１０％、Ｃｒ：０．０５〜１．０％、Ａｌ＜０．１０％、Ｍｏ＜０．５０％、Ｎｉ＜１．５％、Ｃｕ＜０．５％、Ｖ＜０．２％、Ｔｉ＜０．１％、Ｎｂ＜０．１％、Ｂ＜０．００５％を含有し、残部はＦｅ及び不純物である。該特許文献に、製造方法において、（少なくとも）Ａｃ１変態点の温度に加熱急冷し、次いで、Ａｃ１変態点の温度で焼戻すことが記載されている。
公開番号ＣＮ１０２３０４６１３Ａ、公開日２０１２年１月４日の中国特許文献である「エアバッグシステム鋼管及びその製造方法」にエアバッグ用継目無鋼管及びその製造方法が開示されている。該鋼材の化学元素成分組成として、質量％（ｗｔ％）で、Ｃ：０．１２％以下、Ｍｎ：１．００〜１．４０％、Ｓ：０．０１％以下、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓｉ：０．１５〜０．３５％、Ｎｉ：０．２５％以下、Ｃｒ：０．４０〜０．８０％、Ｍｏ：０．３０〜０．６０％、Ｖ：０．０７％以下、Ｃｕ：０．３５％以下、Ａｌ：０．１５〜０．０５％、Ｎｅ：０．０５％以下、Ｔｉ：０．０５％以下、Ｓｎ：０．０５％以下、Ｓｂ：０．０５％以下、Ａｓ：０．０５％以下、Ｐｂ：０．０５％以下を含有し、且つＳｎ、Ｓｂ、Ａｓ、Ｐｂ各元素的総含有量は０．１５％以下であり、残部はＦｅである。該中国特許文献に該継目無鋼管の製造方法も開示されている。
上記特許文献が開示した鋼材または継目無鋼管の製造方法において、高い引張り強さを得るために、いずれも鋼材または継目無鋼管に急冷＋焼戻しを施す熱処理を実施する必要がある。
公開番号ＣＮ１０１５２８９６４Ａ、公開日２００９年９月９日の中国特許文献である「エアバッグアキュムレータ用継目無鋼管とその製造方法」に継目無鋼管及びその製造方法が開示されている。該継目無鋼管の化学元素成分として、質量％（ｗｔ.％）で、Ｃ：０．０８〜０．２０％、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：０．６〜２．０％、Ｐ：０．０２５％以下、Ｓ：０．０１０％以下、Ｃｒ：０．０５〜１．０％、Μｏ：０．０５〜１．０％、Ａｌ：０．００２〜０．１０％を含み、さらにＣａ：０．０００３〜０．０１％、Ｍｇ：０．０００３〜０．０１％、およびＲＥＭ（希土類元素）：０．０００３〜０.０１％から選ばれた少なくとも１種と、Τｉ：０．００２〜０．１％およびＮｂ：０．００２〜０．１％から選ばれた少なくとも１種とを含み、下記の式（１）で定義されるＣＥＱが０.４５〜０.６３の範囲内である、
ＣＥＱ＝Ｃ＋Ｓｉ／２４＋Ｍｎ／６＋（Ｃｒ＋Ｍｏ）／５＋（Ｎｉ＋Ｃｕ）／１５ 式（１）。
上記中国特許文献に焼ならし＋焼戻しを施す熱処理を実施することにより高強度と高靭性を達成したが、前記継目無鋼管にＣａ、Ｍｇと希土類元素が含有され、鋼管の製造コストが増加している。
発明の開示
本発明の目的は、車エアバッグ用高強靭継目無鋼管を提供することである。該継目無鋼管は比較的高い強度と高強靭積、優れた低温靭性と低温耐バースト性、及び比較的高い伸び率と低温衝撃吸収能を有し、且つ薄肉であり、寸法精度に優れている。
上記目的を達成するために、本発明は車エアバッグ用高強靭継目無鋼管を提案し、その化学元素配合として、質量％で、
Ｃ： ０．０５〜０．１５％、
Ｓｉ： ０．１〜０．４５％、
Ｍｎ： １．０〜１．９％、
Ｎｉ： ０．１〜０．６％、
Ｃｒ： ０．０５〜１．０％、
Ｍｏ： ０．０５〜０．２％、
Ｃｕ： ０．０５〜０．５０％、
Ａｌ： ０．０１５〜０．０６０％、
Ｎｂ： ０．０２〜０．１％、
Ｖ： ０．０２〜０．１５％を含有し、
残部はＦｅ及び他の不可避不純物である。
本技術方案において、不可避不純物は主にＳとＰ元素であり、Ｓはできるだけ０．０１５％以下に抑えられ、Ｐは０．０２５％以下に抑えられる。
本発明の車エアバッグ用高強度・高靭性継目無鋼管に各元素の設定原理は下記の通りである。
Ｃ：Ｃは、鋼の強度を高める主要元素の一つである。炭化物を形成することで鋼強度を有効に高めることができ、添加コストも低い。Ｃ含有量が０．０５ｗｔ．％未満では、継目無鋼管の引張強さを８５０ＭＰａ以上とすることができない。一方、Ｃ含有量が０．１５ｗｔ％を超えると、継目無鋼管の靭性、低温耐衝撃性、低温耐バースト性及び溶接性などを含めた総合性能に影響を及ぼす。本発明の技術方案においてＣ含有量を０．０５〜０．１５ｗｔ．％に抑えることが必要である。
Ｓｉ：Ｓｉは、製鋼において還元剤と脱酸素剤として用いられる。鋼においてＳｉは炭化物を形成することがなく、且つ鋼に対する固溶度が高く、その中にフェライトを強化して鋼強度を高めることができる。しかし、Ｓｉ含有量が０．４５ｗｔ％を超えると、靭性、特に低温耐衝撃靭性が大幅に低下するとともに、鋼管の溶接性も悪化する。そのため、Ｓｉ含有量を０．１０〜０．４５ｗｔ．％に抑えすべきである。
Ｍｎ：Ｍｎは重要な合金化元素と弱炭化物を形成する元素であり、主に固溶強化により鋼強度を高める。Ｍｎ含有量を増加させると、鋼の変態点温度の低下をもたらし、焼入れ臨界冷却速度が低くなる。Ｍｎ含有量が１．０ｗｔ．％以上になると、焼入れ性を著しく向上させることができるが、Ｍｎ含有量が１．９ｗｔ．％を超えると、衝撃靱性の低下が著しくなる。そのため、本技術方案においてＭｎ含有量を１．０〜１．９ｗｔ．％に設定する必要がある。
Ｎｉ：Ｎｉは、鋼の強度と焼入れ性を向上させる元素であり、靭性を向上させる元素でもある。総合的に鋼のコストの点から、本発明の技術方案において、Ｎｉ含有量を０．１〜０．６ｗｔ．％の範囲にしてこそ、他の元素と協働して理想的な強化作用が得られる同時に靭性の向上も達成できる。
Ｃｒ：Ｃｒは鋼において強炭化物を形成する元素である。鋼において一部のＣｒが鉄に置換されて合金セメンタイトが形成され、安定性が向上される。余分のＣｒがフェライトに固溶し、フェライトを固溶強化して強度と硬度を高める。その同時に、Ｃｒは、鋼の焼入れ性を高めるのに主要な元素であるが、その含有量が１．０ｗｔ．％を超えると、溶接部位の靭性に影響を及ぼす。コストの点も含めて、本発明の車エアバッグ用高強靭継目無鋼管において、Ｃｒ含有量は０．０５〜１．０ｗｔ．％とする。
Ｍｏ：Ｍｏは鋼の中で固溶強化と焼入れ性を高める作用がある。Ｍｏ含有量を０．０５ｗｔ．％とする場合、著しい固溶強化と焼入れ性を高める作用が得られる。Ｍｏ含有量が一定の範囲を超えると、鋼管溶接部位の靭性に影響を及ぼす。同時に、コストの点も含めて考慮すると、本発明の車エアバッグ用高強靭継目無鋼管において、Ｍｏ含有量を０．０５〜０．２ｗｔ．％とする。
Ｃｕ：Ｃｕは鋼の靭性を高めることができる。例えＣｕ含有量が少ない場合でも、それ相応の効果を得ることもできる。Ｃｕ含有量が０．５０ｗｔ．％を超えると、鋼の熱間加工性に大きい影響を及ぼすことになり、複合元素を添加しても鋼管の熱間加工性を確保することができない。従って、本発明の技術方案においてＣｕ含有量を０．０５〜０．５０ｗｔ．％とする必要がある。
Ａｌ：Ａｌは鋼において脱酸素作用を有し、靱性及び加工性を高めるのにも有効である。その含有量が０．０１５％以上になる場合、鋼の靱性及び加工性を高める効果が著しくなる。しかし、Ａｌ含有量が０．０６０ｗｔ．％を超えると、鋼に亀裂が発生する傾向を示す。したがって、本発明においてＡｌ含有量を０．０１５〜０．０６０ｗｔ．％とする。
Ｎｂ：Ｎｂは靭性を高める作用がある。Ｎｂ含有量が０．０２ｗｔ．％以上になると、前記作用は比較的に著しいが、０．１ｗｔ．％以下になると、靭性が逆に低下してしまう。したがって、本発明の技術方案においてＮｂ含有量を０．０２〜０．１ｗｔ．％とする。
Ｖ：Ｖは強炭化物を形成する元素であり、Ｃと結合する能力が強い。形成された細かいかつ分散的なＶＣ質点が分散強化作用を有し、鋼強度を著しく向上させる。Ｖ含有量が０．０２ｗｔ．％未満である場合、分散強化効果は不顕著であり、Ｖ含有量が０．１５ｗｔ．％を超えると、鋼の加工性にも影響を及ぼす。従って、Ｖ含有量を０．０２〜０．１５ｗｔ．％とする。
本発明の車エアバッグ用高強靭継目無鋼管はＣａ、Ｍｇあるいは希土金属などの高コスト添加元素を含有せず、最適な化学成分設定と合理的な製造プロセスを用いることで、本発明の車エアバッグ用高強靭継目無鋼管に高強度と高強靭積、優れた低温靭性と低温耐バースト性、及び高い伸び率と低温衝撃吸収能を付与した。
更に、本発明の車エアバッグ用高強靭継目無鋼管は０．００５ｗｔ％以下のＢ元素も含有する。
鋼に微量レベルのＢを添加しても著しく高めた焼入れ性が得られ、鋼のプロセス性能と力学性能を改善することができる。従って、本発明の車エアバッグ用高強靭継目無鋼管にＢを適量に添加し、その含有量を０．００５ｗｔ．％以下とする。
更に、本発明の車エアバッグ用高強靭継目無鋼管の肉厚は１．５ｍｍ以上である。
更に、本発明の車エアバッグ用高強靭継目無鋼管の外径は１５〜５０ｍｍである。
更に、本発明の車エアバッグ用高強靭継目無鋼管の微視的組織がフェライト＋下部ベイナイトである。
また、本発明は、
（１）素管を加熱した後、均熱処理を施す工程、
（２）熱間穿孔を実施し，ストレッチレデューサーを用いて素管を縮径、減肉厚し、自然冷却する工程、
（３）焼鈍、酸洗い、リン酸塩処理と鹸化処理を実施する工程、
（４）冷間加工で最終製品の寸法とする工程、
（５）応力除去焼鈍工程
を備えた、上記車エアバッグ用高強靭継目無鋼管の製造方法の提供を目的とする。
本発明の車エアバッグ用高強靭継目無鋼管の製造方法において、複雑な急冷＋焼戻しを施す熱処理を採用せずに、簡易かつ廉価である応力除去焼鈍を施す熱処理で高強度と高強靭積、優れた低温靭性と低温耐バースト性を有する継目無鋼管を得ることで、上記継目無鋼管の製造方法において工程を簡易にしただけではなく、急冷工程中変形量が大きくなり、車エアバッグ製品の高寸法精度に継目無鋼管が満足できないことを回避できる。応力除去焼鈍の熱処理を用いることで、鋼管の引張強さを確保できるほか、可塑性と強靭性も確保できる。
更に、本発明の車エアバッグ用高強靭継目無鋼管の製造方法の上記工程（１）において、素管を１２２０℃〜１２６０℃に加熱し、１０〜２０分間の均熱を施す。
更に、本発明の車エアバッグ用高強靭継目無鋼管の製造方法の上記工程（４）において、冷間抽伸あるいは冷間圧延を施す冷間加工を実施する。
冷間抽伸あるいは冷間圧延により鋼管を所定寸法に加工するのは、冷間加工中に生じる応力を低減することを狙っている。
更に、本発明の車エアバッグ用高強靭継目無鋼管の製造方法の上記工程（４）において、鋼管生産性を確保するとともに、冷間加工後に鋼管破裂などの欠陥が生じないために、各パスにおける冷間加工の伸長係数を１．５以下とする。
更に、本発明の車エアバッグ用高強靭継目無鋼管の製造方法の上記工程（４）において、最終熱処理前に鋼管の冷間加工強化強度を確保するために、最終パスにおける冷間加工の伸長係数を１．４以上とする。
更に、本発明の車エアバッグ用高強靭継目無鋼管の製造方法の上記工程（５）において、応力除去焼鈍温度を６８０〜７８０℃、保持時間を１０〜２０分間とする。
応力除去焼鈍の加熱温度が高すぎると、また保持時間が長すぎると、鋼管最終製品において結晶粒粗大をもたらすため、鋼管の強度と硬度を使用条件に満たせることができない。また、加熱温度が低すぎると、炭化物の析出が発生して十分に固溶できず、強化作用が得られない。ここで、本発明の車エアバッグ用高強靭継目無鋼管の製造方法の応力除去焼鈍温度を６８０〜７８０℃とする同時に、保持温度を１０〜２０分間に設定する理由としては、短時間で鋼から炭化物を析出させて固溶強化作用を得るとともに、結晶粒の成長を妨げて強度と靭性を高め、前記継目無鋼管の最終性能を車エアバッグ用鋼の使用条件に満たせるためである。
本発明の車エアバッグ用高強靭継目無鋼管は、上記技術方案を採用したため、比較的高強度と強靭積、優れた低温靭性と低温耐バースト性及び高い伸長率と低温衝撃吸収能が得られ、具体的に、引張り強さは８５０Ｍｐａ以上であり、−６０℃低温衝撃吸収能は１５Ｊ以上であり、伸長率は１８％以上である。
また、本発明の車エアバッグ用高強靭継目無鋼管は薄肉かつ軽量であり、寸法精度にも優れているため、軽量化車の使用要件に満たせることができる。
また、本発明の車エアバッグ用高強靭継目無鋼管に高価金属元素が添加されていないため、生産コストが低い。
本発明の車エアバッグ用高強靭継目無鋼管の製造方法は、高引張り強度と高強靭積、優れた低温靭性と低温耐バースト性及び高い伸長率と優れた低温衝撃吸収能を有する継目無鋼管を製造することができる。
また、本発明の車エアバッグ用高強靭継目無鋼管の製造方法は、各パスにおける冷間加工伸長係数を制御することで、鋼管の製造効率を確保できただけではなく、鋼管の破裂も有効に回避できた。
発明を実施するための最良の形態
以下、具体的実施例を用いて、本発明の車エアバッグ用高強靭継目無鋼管及びその製造方法を更に説明するが、本発明の技術方案は具体的実施例及びその説明に限定されない。
実施例Ａ１−Ａ１０と比較例Ｂ１−Ｂ６
下記工程に従って本発明の車エアバッグ用高強靭継目無鋼管の実施例Ａ１−Ａ１０と比較例Ｂ１−Ｂ６を作製した。
（１）製錬を行って素管を作製し、鋼の化学元素質量％を表１に示す配合になるようにする；
（２）回転式加熱炉で素管を１２２０℃〜１２６０℃に加熱し、１０〜２０分間の均熱を施す；
（３）竪型円錐形熱間ピアサーを用いて熱間穿孔を行って、三ロールストレッチレデューサーを用いて素管を縮径、減肉厚し、自然冷却する；
（４）酸洗い後に中間焼鈍の熱処理を行い、次に、リン酸塩処理と鹸化処理を実施する；
（５）冷間抽伸あるいは冷間圧延により最終製品の寸法に冷間加工し、各パスにおける冷間加工の伸長係数を１．５以下とし、最終パスにおける冷間加工の伸長係数を１．４〜１．５とし、冷間加工後に鋼管最終製品の寸法は肉厚１．５〜５ｍｍ、外径１５〜５０ｍｍとなる；
（６）応力除去焼鈍温度６８０〜７８０℃、保持時間１０〜２０分間の条件で応力除去焼鈍を実施した後に、空冷する。
ここで、鋼管の冷間加工性能を更に確保するために、上記工程（５）を施す前に中間熱処理プロセスを適宜採用しても構わない。
表１に本発明における実施例Ａ１−Ａ１０と比較例Ｂ１−Ｂ６の化学元素の質量％配合を示す。
Figure 0006772075
表２に実施例Ａ１〜Ａ１０と比較例Ｂ１〜Ｂ５において各工程のプロセスパラメーターを示す。
Figure 0006772075
上記実施例と比較例の継目無鋼管から、肉厚方向に沿って寸法２ｍｍ＊１０ｍｍ＊５５ｍｍのカーブ状試験片を採取し、側面に２ｍｍの標準Ｖノッチを作った後、−６０℃で衝撃を受けて得た各衝撃能の数値を表３に示す。
上記実施例と比較例の継目無鋼管は車エアバッグ用高強靭継目無鋼管に適用しているかを判断するための評価基準は下記の通りである：
１）引張り強さ＞８５０ＭＰａ、２）−６０℃衝撃吸収能＞１５Ｊ、かつ３）−６０℃低温バースト破裂面で靭性破裂を示す。即ち、上記継目無鋼管は１）〜３）の基準に全て満足する場合に合格と判断され、そうでなければ不合格と判断される。得られた実施例と比較例の継目無鋼管の総合力学性能パラメーターを表３に示す。
Figure 0006772075
表１、表２および表３から、実施例Ａ１〜Ａ１０の継目鋼管が本発明の技術方案で定める化学元素質量％配合を有し、かつ本発明の製造方法により加工生産されることが分かる。実施例Ａ１〜Ａ１０の車エアバッグ用高強靭継目無鋼管はいずれも引張り強さ≧８５５Ｍｐａ、伸長率≧１８％かつ強靭積≧１４６２０ＭＰａ＊Ｊである。また、該車エアバッグ用高強靭継目無鋼管の−６０℃衝撃吸収能は少なくとも１７Ｊ以上であり、同時に、−６０℃液バースト破裂面で靭性破裂を示し、かつ鋼管のいずれかの端面にも亀裂が貫通していない。一方、比較例Ｂ１〜Ｂ６の継目無鋼管において、ある化学元素の質量％配合が本発明の技術方案で限定した範囲を越えたため、あるいは加工プロセスを本発明の製造方法に準拠せずに加工生産を実施したため、これらの継目無鋼管の総合力学性能において、少なくとも１項が車エアバッグ用高強靭継目無鋼管の基準に満足していない。
上記表の記載から、本発明の技術方案において、合理的な成分設定＋合理的な加工プロセス＋最適化した熱処理により、高引張り強度と高強靭積、優れた低温衝撃性及び伸長率を有する継目無鋼管が得られた。このような継目無鋼管は特に車エアバッグの製造に適している。
以上では具体的な実施例を示したが、本発明は上記実施例に限定されないことは明らかであり、様々な変更も存在している。本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは、当業者にとって明らかである。

Claims (7)

  1. 化学元素配合として、質量％で、Ｃ：０．０５〜０．１５％、Ｓｉ：０．１〜０．４５％、Ｍｎ：１．０〜１．９％、Ｎｉ：０．１〜０．６％、Ｃｒ：０．０５〜１．０％、Ｍｏ：０．０５〜０．２％、Ｃｕ：０．０５〜０．５０％、Ａｌ：０．０１５〜０．０６０％、Ｎｂ：０．０２〜０．１％、Ｖ：０．０２〜０．１５％を含有し、更に、０．００５ｗｔ％以下のＢ元素も含有し、残部はＦｅ及び他の不可避不純物である、車エアバッグ用高強靭継目無鋼管であって、
    前記高強靭継目無鋼管は、フェライト＋下部ベイナイトの微視的組織を有し、
    前記高強靭継目無鋼管は、８５０ＭＰａ以上の引張強さ、１５Ｊ以上の−６０℃低温衝撃吸収能、および１８％以上の伸長率を有する、車エアバッグ用高強靭継目無鋼管。
  2. 肉厚が１．５ｍｍ以上である請求項１に記載の車エアバッグ用高強靭継目無鋼管。
  3. 外径が１５〜５０ｍｍである請求項１に記載の車エアバッグ用高強靭継目無鋼管。
  4. （１）素管を加熱した後、均熱処理を施す工程、
    （２）熱間穿孔を実施し、ストレッチレデューサーを用いて素管を縮径、減肉厚し、自然冷却する工程、
    （３）焼鈍、酸洗い、リン酸塩処理と鹸化処理を実施する工程、
    （４）冷間加工で最終製品の寸法とする工程、
    （５）応力除去焼鈍工程
    を備え、
    前記工程（４）において、各パスにおける冷間加工の伸長係数を１．５以下とし、
    前記工程（４）において、最終パスにおける冷間加工の伸長係数を１．４以上とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の車エアバッグ用高強靭継目無鋼管の製造方法。
  5. 前記工程（１）において、素管を１２２０℃〜１２６０℃に加熱し、１０〜２０分間の均熱を施す、請求項４に記載の車エアバッグ用高強靭継目無鋼管の製造方法。
  6. 前記工程（４）において、冷間抽伸あるいは冷間圧延を施す冷間加工を実施する、請求項４に記載の車エアバッグ用高強靭継目無鋼管の製造方法。
  7. 前記工程（５）において、応力除去焼鈍温度を６８０〜７８０℃、保持時間を１０〜２０分間とする、請求項４に記載の車エアバッグ用高強靭継目無鋼管の製造方法。
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