JPH0647707B2 - 二層構造の構造用電縫鋼管およびその製造法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は，信頼性が特に要求される移動構造物例えば車
輌等の懸架構造部品である中空スタビライザー，トーシ
ョンバー，トルクチューブなど向きの構造用鋼管として
好適な二層構造を有する電縫鋼管およびその製造法に関
する。

〔従来の技術〕

従来より，車輌等の懸架構造部品である信頼性の要求さ
れる中空スタビライザー，トーションバー，トルクチュ
ーブなどは，JISで定められている機械構造用炭素鋼鋼
管，自動車構造用電気抵抗溶接炭素鋼鋼管，機械構造用
合金鋼鋼管，さらにはJISに定めれた鋼成分ではないが
Ｂ，Mn,Crなどを添加した低合金炭素鋼鋼管などの鋼管
素材を用いて形成加工している。このような用途向きの
鋼管は２インチ以下の小径管が多い。

かような２インチ以下の小径管は通常は高周波誘導溶接
法によって造管するのが一般的である。そのさい，高周
波誘導溶接の効率を高めるためにインピーダーが使用さ
れる。インピーダーは温度上昇をきらうので水冷状態で
使用される。したがって造管中の管内には多量の冷却水
が通水されるのが通常である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

前記のような小径管の溶接造管において，インピーダー
冷却水による急冷によって溶接熱影響部がベイナイトや
マルテンサイトなどの低温変態相に変化して硬化する
が，特にビードに著しい硬化が生じる。すなわち，良好
な溶接強度を得るためには，誘導加熱によって固液共存
温度まで加熱し且つ十分なアプセット量をとることによ
り，いわゆるサードリップ形状の鋳ばり（ビード）を造
ることが大切であるが，ビードの溶融相は固液分離によ
って母材よりも高炭素の組成となるので著しく硬い低温
変態相となるばかりでなく，管内冷却水による急冷によ
って特に管の内面側の鋳ばり（内面ビード）には焼割れ
による無数のクラックが生じる。

一般に，溶接によって管の内外に形成されたビードは切
削などによって完全に除去する必要があるが，硬化の著
しい内面ビードの切削除去には刃物の交換頻度が高く生
産性の面からも品質安定の面からも困難を伴う。特に小
径管では管径が小さいという物理的制約上からもこれが
一層困難となる。したがって，高炭素鋼の電縫鋼管では
内面ビードを除去した鋼管は極めて高価なものとなり，
経済的な面で問題があった。

一方，内面ビードをそのままにした鋼管は前述のように
ビード中に多数のクラックを含んでいるので加工のさい
に割れの起点となって加工性が悪くなり，また疲労特性
にもバラツキが生じて中空スタビライザー，トーション
バー，トルクチューブなどの信頼性の要求される車軸構
造用鋼管としては品質の信頼性に欠けるという問題があ
る。

他方，内面ビードのクラックの発生を抑制するために溶
接温度を低くしたりアプセット代を小さくするなどして
クラックとなる溶融相を少なくする溶接条件を採用する
と，接合面に酸化物が捕捉されて十分な溶接強度が得ら
れないという問題が付随する。また，内面ビードによる
疲労強度等のバラツキを小さくする目的で造管後にシー
ムアニール或いは鋼管全体の焼きなましもしくは焼きな
らしを試みた例もあるが，溶融相に含まれるクラックが
本質的に除去されていないので，十分な改善効果が得ら
れないという問題がある。

本発明はこのような問題の解決を目的としたものであ
る。

〔問題点を解決する手段〕

本発明は，Ｃ≧0.20％以上の中高炭素鋼または中炭素低
合金鋼の焼入れ強化鋼板からなる外層管の内面に接して
Ｃ：0.03〜0.10％の低炭素鋼板からなる内層管を有し，
電縫溶接部において外層と内層とが一体化している二層
構造の構造用電縫鋼管を提供するものである。

第１図は本発明に従う電縫鋼管の断面構造を示したもの
である。図示のように，本発明の電縫鋼管は外層管１の
内面と内層管２の外面が接した二層構造を有しており，
電縫溶接部３において外層と内層とが一体化している。
一体化しているとは外層管１の鋼と内層管２との鋼とが
溶け合って溶着していることを意味する。４は溶接によ
る熱影響部を，そして５は内面ビードを示しており，こ
の内面ビード５は切削除去してもよいが，本発明鋼管に
おいてはこの内面ビード５にはクラックの発生がないの
で切削しなくてもよい。内層管２は外層管１よりも通常
は薄くするが，前記の目的を達成するには内層管２の外
層管１に対する板厚比率〔（内層管の板厚／外層管の板
厚）×100〕は望ましくは10％以上とするのがよい。

このような二層構造の鋼管を製造するには，Ｃ≧0.20以
上の中高炭素鋼または中炭素低合金鋼の鋼板の上に，こ
れと実質上板幅が等しい（厚みは異なってもよい）Ｃ：
0.03〜0.10％の低炭素鋼の鋼板を重ね合わせ，この重ね
合わせた板を成形ロールで二重パイプに成形し，この二
重パイプの継目を電縫溶接して外層管と内層管とをこの
溶接部で一体的に溶着させればよい。焼入れ焼もどし処
理は用途に応じた管を成形加工してから行ってもよい
し，成形加工前の素材管の状態で行ってもよい。特に本
発明の電縫鋼管は，内面ビードのクラックの発生がない
ので，焼入れ焼もどし処理後の成形加工性に優れ，且つ
曲げ或いは捻り疲労強度も良好であるから素材管の状態
で焼入れ焼もどし処理を行ってから成形加工することが
できる。パイプへの成形と電縫溶接にあたっては単管用
の連続式電縫溶接設備をそのまま利用し，これに前記の
重ね合わせ板を通板することによって行うことができ
る。そのさい，重ね合わせる内層管用の鋼板としては，
第２図に示すように多数の開口６を有するパンチング板
７を使用してもよい。このパンチング板としては，各種
部品（例えばワッシャやチエーンブッシュ等）用の打ち
抜き片を採取したあとの打ち抜き残板を利用することも
できる。この場合，パンチング板の長手方向に沿う両側
縁部８と９には打ち抜き跡がないようなものを使用し，
パイプに成形して両側縁部８と９を当接させたさいに，
その当接面に開口が生じないようにすることが必要であ
る。

本発明の二層構造の電縫鋼管は，内層に低炭素鋼を配し
電縫部を一体化することによって内面ビードの焼入れ硬
化を防止している点に大きな特徴がある。すなわち，炭
素含有量が0.20％以上の中高炭素鋼または中炭素低合金
鋼の焼入れ強化鋼板からなる外層管の内面に炭素含有量
が0.03〜0.10％の低炭素鋼板からなる内層管を配するこ
とによって，電縫溶接のさいに外層材と内層材が溶融す
ることによって外層材単独の場合よりも溶融相の炭素濃
度が大きく希釈し，これによってビードの焼入れ硬化が
軽減して特に内面ビードのクラック発生を防止すること
ができる。この炭素濃度の希釈効果を得るには内層材の
炭素濃度は0.10％以下であることが必要である。しか
し，逆にあまり炭素濃度が低く例えば0.03％以下の極低
炭素となると融点が上昇する結果，外層材との融点差が
大きくなって相互の溶融相の混合が十分に行われなくな
り、かえって炭素濃度の希釈効果が失われる。したがっ
て，本発明で使用する内層材としては炭素含有量が0.03
〜0.10％の低炭素鋼板であることが必要である。

一方，外層材については，炭素含有量か0.02％以上の中
高炭素鋼または中炭素低合金鋼の焼入れ強化鋼板を使用
するのであるが，これは本発明でも従来同様に車輌等の
懸架構造部品である信頼性の要求される中空スタビライ
ザー，トーションバー，トルクチュープなどの適用され
る焼入れ強化鋼管を得ることにあるからである。この分
野で使用される鋼管は，JISで定めれている機械構造用
炭素鋼鋼管，自動車構造用電気抵抗溶接炭素鋼鋼管，機
械構造用合金鋼鋼管，さらにはJISに定められた鋼成分
ではないがＢ，Mn,Crなどを添加した低合金炭素鋼鋼管
などであるが，これら鋼管素材の炭素含有量としては，
十分な焼入強度を得るために（焼入れ強化で120kg/mm²
以上の強度を得るために）少なくとも0.20％以上とする
ことが必要である。したがって，本発明における外層材
としても炭素含有量が0.20％以上の中高炭素鋼または中
炭素低合金鋼を使用する。

小径管の場合には，アプセットによるメタルフローは外
径側に多く流れ内径側への流動は一般に少ないのである
が，内層材の肉厚を外層材の10％以上にすると焼入れ硬
化の抑止力が十分に発揮され，内面ビードを切削する場
合にもその除去は従来の単管のものに比べて格段に容易
である。

このようにして本発明による二重構造の構造用鋼管は，
内面ビードにはクラックが発生せずまたフェライト主体
の軟質な内面ビードが形成されるので，小径管のように
内面ビードの切削がしにくいものでは内面ビードを残し
たままでもシームレス鋼管と同等の加工性が得られ信頼
性の高い鋼管を提供することができる。内面ビード除去
処理が回避できることは造管コストの低減に大きく寄与
する。とくに，本発明の二重管では焼入れ強化して剛性
を高めた外層管と，強度は低いが切り欠き靱性の優れた
低炭素鋼の内層管とからなり，電縫溶接に内面ビードが
存在してもこれには応力集中源となるクラックを含まな
いので，疲労強度が高く且つそのバラツキも少ない信頼
性の高い構造用鋼管となり，焼入れ焼もどし処理後の成
形加工性も非常に良好である。そして，強度部材である
外層管が破損した場合に内層管が破断分離を抑えるサポ
ート材として機能する点でもユニークな管となる。第２
図に例示したようにパンチング板を内層材とした場合に
は車輌などの軽量化か必要な用途において部品自重を軽
減するうえでも有益である。

以下に実施例を挙げて本発明鋼管の特性を具体的に説明
する。

第１表に示す化学成分のＡ〜Ｃの鋼を転炉出鋼後，連続
鋳造，熱間圧延の各工程を経てそれぞれ板厚2.6mmの熱
延鋼帯を製造した。熱延条件は通常のとおり仕上温度85
0℃，巻取温度580〜650℃の条件で行った。このＡ〜Ｃ
の熱延板を外層板として使用した。

また，第１表に示す化学成分のイ〜ニの鋼は，前記Ａ〜
Ｃと同様にして板厚2.6mmの熱延鋼帯を製造し，各熱延
鋼帯を冷間圧延によって各種の板厚に冷延したあと焼鈍
した。なお，ロの極低炭素鋼については転炉出鋼後，脱
ガス装置によって脱炭処理を行って製造した。これらの
焼鈍済冷延板を内層材として使用した。

これらの鋼板を用いていずれの外径22.2mmφサイズの電
縫鋼管を高周波溶接によって製造した。第２表の例１〜
３はＡ〜Ｃの熱延板だけを用いて単管を製造した従来例
であり，例４〜10はＡ〜Ｃの熱延板を外層材，イ〜ニの
焼鈍済冷延板を内層材として，二層構造の電縫鋼管を製
造した例である。また例11は，内層材としてはハの焼鈍
済み冷延板（板厚0.3mm）から外径８mmφのワッシャー
を打ち抜き，打ち抜き前の板の単量に対して打ち抜き後
の単量が30％となった加工残板を用いた例である。

二層構造の電縫鋼管の製造にあたっては，電縫鋼管製造
装置の入り側で外層材の上に同じ板幅の内層材を重ねた
うえで該装置に通板し，ブレークダウンロールおよびフ
ィンパスロールの各成形ロールで二重パイプに成形し，
スクイズロール間で高周波誘導加熱溶接機を用いてその
継目を連続的に溶接した。

例１〜11のいずれの電縫鋼管も920℃に加熱した炉中で1
5分間加熱後水中に焼入れ，ついで350℃で30分間の焼き
もどし処理した。そして，得られた各電縫鋼管の特性を
調べた。その結果を第２表に総括して示した。

第２表におけるへん平試験は，第３図に示すように，電
縫溶接部３を最上部にして平板10と11の間で管を押し潰
す試験であり，割れが発生したときの平板管の距離Ｈを
もって指標とした。したがってこの距離Ｈの値が小さい
ほど加工性が良く且つ信頼性の高い鋼管であると言え
る。電縫溶接部３を最上部としたへん平試験は内面ビー
ド融合部の強度との対応が良いので，二層管の特性の比
較には適するものである。

以下に得られた試験結果について説明する。

（例４〜６） 例４〜６は，例１の単管と同じ鋼Ａを外層材とし，鋼イ
の板厚を変えて内層材とした二重管である。例４〜６の
いずれもへん平試験において例１に比べて大幅な改善が
見られる。特に例５および６はへん平試験における平板
間の距離が大幅に小さくなり，また割れ発生位置が母材
であることから，内面ビードが存在する電縫鋼管であっ
て溶接部が強度低下の原因となることがない点で，従来
にない電縫鋼管から得られたことがわかる。例４につい
ては内層材の外層材に対する板厚比率が小さいので，内
面ビード融合部の低炭素化が十分ではなくこのために内
面ビードにはわずかにクラックが発生し，これがへん平
試験の割れ発生起点となっているが，例１に比べて平板
間の距離は18.5mmから15.3mmにまで低下しており，やは
り改善効果が見られる。また，例４〜６は引張強さおよ
び伸びにおいて例４と同等またはそれ以上となり，全く
問題はない。

（例７〜９） 例７〜９は，例２の単管と同じ鋼Ｂを外層材とし，内層
材としては炭素含有量が異なる鋼ロ，鋼ハ，鋼ニを使用
した二重管である。

例７では，内層材の炭素含有量が本発明で規定する量よ
り低い0.005％であり，外層材の炭素含有量0.24％に比
べて非常に低い。したがって，内層材は溶接時における
固液２相域の温度範囲が狭く且つ融液相の生成温度も高
く，この結果，内層材と外層材との融点差が大きくなっ
て内外層の相互の炭素濃度の希釈が十分に行われなかっ
たために内面ビード融合部に焼き割れによるクラックが
発生し，へん平試験での割れはこのクラックから発生し
ている。この結果，例２の単管と比較しても平板間の距
離では差が現れず，改善効果が見られない。この結果か
ら内層材として極低炭素鋼を使用した場合には本発明の
目的が達成できないことがわかる。

例９は内層材の炭素含有量が本発明で規定する量より多
い0.13％である。このため，内面ビード融合部の内外層
の炭素濃度の差が小さく，溶融相の希釈効果が減少して
内面ビード融合部に焼き割れによるクラックが発生し，
この場合にも例２に比べてへん平試験での改善効果が見
られない。

これに対して例８では，内層材の炭素含有量が本発明で
規定する範囲にあり，この場合には内面ビード融合部の
低炭素化が計られ，造管時に生じる内面ビード部の焼き
割れによるクラックの発生が抑制されている。このた
め，へん平試験での平板間の距離も14mmと例２に比べて
大幅に低下しており，加工性において大幅な改選が達成
されている。

（例10） 例10は，外層材の炭素含有量か0.43％と高い場合の例で
ある。この外層材と同じ鋼で製造した例３の単管の電縫
鋼管では平板間の距離は最も大きく，クラックを有する
内面ビードが存在したままでは加工性に欠ける。例10で
は外層材と内層材との炭素濃度差が大きいので内面ビー
ド融合部の炭素濃度の希釈効果が顕著になり，焼き割れ
によるクラックの発生も抑制され，へん平試験における
平板間の距離は例３の21.5mmから16.0mmにまで大幅に低
下し，内面ビードが存在したままでも加工性の良好な信
頼性の高い電縫鋼管が得られたことかわかる。

（例11） 例11は，外層材と内層材ともに例８と同じ鋼成分の鋼板
を使用したものであるが，例８で使用したのと同じ鋼ハ
の鋼板から外径８mmφのワッシャーを打ち抜き，打ち抜
き前の板の単重に対して打ち抜き後の単重が30％となっ
た加工残板を内層材に用いた例である。この場合にも，
例８と同様に内面ビード融合部の低炭素化が計られ，焼
き割れによる内面ビードのクラックの発生もなく，へん
平試験での平板間の距離も15mmと例８と同水準である。
この例11の二重電縫鋼管は例８と特性は同水準でありな
がら，単重が例８に比べて６％の軽量化が計られている
点で軽量化が必要な用途に有益である。

第４図は，例２の単管と例５の二重管について疲労試験
を行った結果を示したものである。第４図に見られるよ
うに，例２の単管では繰返し応力のバラツキが大きいの
に対し例５の二重管ではバラツキが小さい。そして，同
一繰返し数で繰返し応力を比較した場合，例５の二重管
は例２の単管より高い値を示している。したがって，本
発明による二重管は構造用電縫鋼管として高い信頼性を
有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に従う二層構造の電縫鋼管を断面構造の
例を示した管断面図，第２図は内層材として使用するパ
ンチング板の例を示す斜視図，第３図はへん平試験状況
を示す略断面説明図，第４図は従来管の本発明管の疲労
試験結果を示す図である。 １……外層管，２……内層管，３……電縫溶接部，４…
…溶接熱影響部，５……内面ビード部。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】Ｃ≧0.20％以上の中高炭素鋼または中炭素
   低合金鋼の焼入れ強度鋼板からなる外層管の内面に接し
   てＣ：0.03〜0.10％の低炭素鋼板からなる内層管を有
   し，電縫溶接部において外層と内層とが一体化している
   二層構造の構造用電縫鋼管。
2. 【請求項２】内層管の肉厚／外層管の肉厚の比率が10％
   以上である特許請求の範囲第１項記載の電縫鋼管。
3. 【請求項３】内層管はパンチング板からなる特許請求の
   範囲第１項または第２項記載の電縫鋼管。
4. 【請求項４】Ｃ≧0.20％以上の中高炭素鋼または中炭素
   低合金鋼の鋼板の上にＣ：0.03〜0.10％の低炭素鋼の鋼
   板を重ね合わせて成形ロールで二重パイプに成形し，こ
   の二重パイプの継目を電縫溶接して外層管と内層管とを
   この溶接部で一体的に溶着させた二層構造の構造用電縫
   鋼管の製造法。