JPH09157750A - 鋼管の高速焼入れ方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 安価なプレーン炭素鋼鋼管を使用して、強
度，靭性に優れたインパクトバー用焼入れ鋼管を得る。 【解決手段】 Ｃ：０．１０〜０．３０％，Ｓｉ：０．
０５〜０．５０％，Ｍｎ：０．２０〜０．９０％，Ｐ：
０．０２０％以下，Ｓ：０．０２０％以下及びＡｌ：
０．０１〜０．１０％を含み、残部が実質的にＦｅから
なる組成をもつ鋼管をコンベア上で搬送しながらオース
テナイト域まで高周波誘導加熱し、直ちに５〜１０列の
吐出口群をもつ筒状冷却水導管の内部に送り込み、吐出
口での流速１５〜３０ｍ／秒及び流量７リットル／秒以
上で水温２５℃以下の冷却水を鋼管の外周面に噴射させ
て水焼入れする。冷却水は、鋼管の進行方向に対して３
０〜６０度の角度で鋼管外周面に噴射することが好まし
い。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、自動車のサイドドアに
取り付けられるインパクトバー等の補強部品として使用
される高強度鋼管の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、自動車、特に乗用車については、
安全対策の強化に対する要求が高くなってきている。こ
の要求の一つとして、側面から衝突があったときの衝撃
を吸収するため、サイドドアにインパクトバー等の補強
部品を装着することが一般化してきている。インパクト
バーは、冷間圧延した高張力鋼板をプレス成形したもの
が主体であったが、車両軽量化の要求から現在では１，
１８０Ｎ／ｍｍ² 級，更には１，４７０Ｎ／ｍｍ² 級以
上の引張り強さをもつ高強度鋼管に代わり、一層の普及
をみている。高強度鋼管製インパクトバーは、高周波誘
導加熱・水焼入れで製造することが最も一般的である。
具体的には、５５０〜１，１００ｍｍ程度の最終寸法に
切断された鋼管を垂直又は水平に治具で固定し、鋼管の
長手方向に高周波誘導加熱コイル及び水冷導管を移動さ
せて焼入れしている。また、高周波誘導加熱コイル及び
水冷導管を固定し、鋼管を回転・移動させる方式も採用
されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の焼入れ法では、
高周波誘導加熱コイル及び水冷導管を近接配置した設備
が使用されている。この配置で冷却水の吐出速度を高め
ると、飛沫の影響で鋼管に加熱温度ムラが生じ、製品品
質に悪影響が現れる。そのため、冷却水吐出速度におの
ずと制約が加わり、冷却速度が比較的遅くなりがちであ
る。その結果、強度，靭性に優れた焼入れ組織であるマ
ルテンサイト相を得るためには、焼入れ性を改善する合
金元素を添加した鋼材でできた鋼管を使用する必要があ
る。たとえば、０．１０〜０．３０％Ｃ鋼にＭｎ，Ｂ，
Ｃｒ等を添加することによって焼入れ性を改善したイン
パクトバー用鋼が特開平４−５２４２９号公報に紹介さ
れている。これらの合金元素は、高価な添加材ではない
が、転炉精錬後の真空脱ガス処理に際して窒素含有量を
低くすると共に、残存するＮをＴｉで固定する必要があ
り、結果として製造コストが上昇する。

【０００４】また、高周波誘導加熱・水焼入れが多用さ
れているが、これは焼入れ後の形状を確保するためであ
る。たとえば、ガス燃焼炉や電気炉に鋼管を装入してオ
ーステナイト域に加熱した後、水等の冷却媒体に投入す
るとき、焼入れされた鋼管の真円度や真直度が大きく損
なわれ易い。このように劣化した形状を矯正するために
は、手直しに多大の手数や時間が必要になる。本発明
は、このような問題を解消すべく案出されたものであ
り、冷却条件を特定することにより、従来の高周波誘導
加熱・水焼入れに比較して高速の焼入れを可能とし、安
価な炭素鋼製の鋼管も同様に焼入れ可能にすることを目
的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の高速焼入れ方法
は、その目的を達成するため、Ｃ：０．１０〜０．３０
重量％，Ｓｉ：０．０５〜０．５０重量％，Ｍｎ：０．
２０〜０．９０重量％，Ｐ：０．０２０重量％以下，
Ｓ：０．０２０重量％以下及びＡｌ：０．０１〜０．１
０重量％を含み、残部が実質的にＦｅからなる組成をも
つ鋼管をコンベア上で搬送しながらオーステナイト域ま
で高周波誘導加熱し、直ちに５〜１０列の吐出口群をも
つ筒状冷却水導管の内部に送り込み、吐出口での流速１
５〜３０ｍ／秒及び流量７リットル／秒以上で水温２５
℃以下の冷却水を鋼管の外周面に噴射させて水焼入れす
ることを特徴とする。冷却水の噴射角度は、鋼管の進行
方向に対して３０〜６０度の範囲に維持することが好ま
しい。

【０００６】中空スタビライザー，インパクトバー等と
して使用される部材には、０．１０〜０．３０重量％の
炭素鋼にＭｎ，Ｂ，Ｃｒ等を添加した低合金鋼が使用さ
れている。これらの合金元素は、必ずしも高価な添加成
分ではないが、添加効果を引き出すため、転炉精錬後、
真空脱ガス設備で鋼中のＮを低減し、且つＴｉ等でＮを
固定する等の処理が必要とされ、結果として製造コスト
が高くなっている。この点、本発明では、特に真空脱ガ
ス処理を必要とせず、安価で一般的なＣ−Ｍｎ鋼を対象
にしている。そして、中空スタビライザー，インパクト
バー等に求められる強度や靭性レベルを付与するため、
高速焼入れの条件を種々検討した。

【０００７】高温の被焼入れ材を冷却水に接触させる
と、被焼入れ材の表面で多量の水蒸気が発生し、蒸気膜
となって被焼入れ材を取り囲む。この状態では、蒸気膜
が断熱層として働くため、大きな冷却速度が得られな
い。この点、低温の冷却水を高速で大量に被冷却材に噴
射させると、蒸気膜段階での冷却過程が短縮され、高速
焼入れが可能になる。その結果、生産性が高められると
共に、冷却速度の増大に伴い高価な低合金鋼からプレー
ンな炭素鋼に鋼管材質を変更することができる。高速焼
入れでは、抜熱量の小さな蒸気膜段階の短縮，抑制が有
効である。そこで、蒸気膜の破壊，沸騰促進のために核
形成物質の存在が有効であり、水温の上昇に伴って溶解
度が減少し、塩化ナトリウムの結晶を析出する塩水や、
水中に核形成物質を浮遊懸濁させた冷媒等が有効である
とされている。しかし、コンベヤ上を連続搬送しながら
鋼管を加熱し、筒状冷却水導管から吐出された冷却水で
冷却する焼入れ法では、設備の保全から塩水や核形成物
質の浮遊懸濁液を使用できない。そこで、本発明者等
は、工業用水の使用を前提として焼入れ条件を種々検討
した。

【０００８】すなわち、インパクトバーに使用される通
常一般の鋼管サイズを焼入れ対象とし、若干の樹脂系防
錆剤を添加した工業用水を使用して種々の焼入れ実験を
行った結果、水温２５℃以下，吐出口での流速１５ｍ／
秒以上，流量７リットル／秒以上で冷却水を噴射させる
とき、通常の組成をもつ炭素鋼でも十分にマルテンサイ
ト組織が得られることを見い出し、本発明を完成した。
更に、被焼入れ材である鋼管の外周面における冷却水の
衝突力を高め、常に新鮮な冷却水を鋼管の外周面に供給
する上で、鋼管の進行方向に対して３０〜６０度の範囲
に冷却水の噴射角度を維持することが有効であることが
判った。本発明で使用される筒状冷却水導管は、両管端
を密閉した二重管であり、外壁には上下二か所に冷却水
を導入するパイプが連結されている。また、二重管の内
壁には、同一円周上に１５〜２０度の間隔で口径２〜３
ｍｍの冷却水吐出口が列状に設けられている。この同一
円周上に設けられた冷却水吐出口列を１群とする吐出群
が５〜１０列配置され、筒状冷却水導管を構成してい
る。吐出口の配列や噴出角度は一定である必要はなく、
加熱された鋼管が進入してくる列番号の若い吐出口群を
密に配置し、吐出角度も３０〜６０度の範囲で列番号の
若い吐出口群ほど低く設定することが効果的である。

【０００９】焼入れに使用する冷却水の抜熱効率は、水
温の上昇に応じて低下する。特に２５℃を超える水温で
は、抜熱効率が急激に低下する。吐出口における流速
は、蒸気膜を破壊する上から、同一流量であっても早い
流速ほど有効である。特に流速１５ｍ／秒以上で高速焼
入れの効果が顕著になる。しかし、流速を徒に高めて
も、水の利用効率が低下する。更には、吐出口の摩滅変
形等、設備の耐久性にも問題を生じる。このようなこと
から、流速の上限を３０ｍ／秒に設定することが好まし
い。冷却水の水量は、高速焼入れに必要な抜熱能力を低
下させる水温の上昇を抑制するため、本発明が対象とす
る鋼組成では７リットル／秒以上に設定することが必要
である。水量が７リットル／秒に達しないと、十分なマ
ルテンサイト組織が得られない。

【００１０】筒状冷却水導管の中での吐出角度は、特に
規制する必要はないが、被焼入れ材である鋼管に衝突散
乱した先行水流によって後続水流の鋼管への衝突力が弱
められないように、吐出角度を鋼管の進行方向に傾斜さ
せることが有効である。このときの傾斜角度は、３０〜
６０度の範囲が好ましい。６０度を超える傾斜角度で
は、先行水流による干渉が大きく、後続水流の衝突力が
弱められる。逆に、３０度に達しない傾斜角度では、衝
突力そのものが維持されなくなる。このように、本発明
にあっては、冷却条件を設定することによって高速焼入
れを可能とし、従来の焼入れ法では優れた強靭性を示す
マルテンサイト組織が得られなかった鋼組成であっても
良好な焼入れ組織にすることができる。

【００１１】次いで、本発明で使用する鋼に含まれる合
金成分及びその含有量を説明する。 Ｃ：０．１０〜０．３０重量％ 焼入れ後の鋼管の強度を得るために必要な合金元素であ
り、０．１０重量％未満のＣ含有量ではインパクトバー
用高強度鋼管として要求される１，１８０Ｎ／ｍｍ² 級
以上の強度が得られない。しかし、０．３０重量％を超
える多量のＣが含まれると、強度の増加は図られるもの
の、靭性が低下し、衝撃荷重が負荷されたとき脆性的に
破断し、インパクトバーとしての用途上で好ましくな
い。 Ｓｉ：０．０５〜０．５０重量％ 鋼の脱酸剤として使用される元素であり、造管性や焼入
れ性の向上にも有効である。これらの作用は、０．０５
重量％以上のＳｉ含有で顕著になる。しかし、酸素との
親和力が強いため、０．５０重量％を超える多量のＳｉ
を含有させると、電縫鋼管製造工程の電縫溶接時にペネ
レトータが溶接部に形成され易くなり、健全な溶接部を
得ることが困難になる。

【００１２】Ｍｎ：０．２０〜０．９０重量％ 鋼材の焼入れ性を高め、強靭化を図る上で有効な合金元
素であり、０．２０重量％以上の含有量でＭｎの添加効
果が顕著になる。しかし、０．９０重量％を超える過剰
のＭｎが含有されると、Ｍｎ系非金属介在物の増加，縞
状組織の形成等によって靭性が低下する。 Ｐ：０．０２０重量％以下 被焼入れ材の靭性を劣化させる元素であることから、本
発明においてはＰ含有量の上限を０．０２０重量％に規
制した。 Ｓ：０．０２０重量％以下 硫化物系介在物を形成し、鋼材の靭性を劣化させる。ま
た、電縫鋼管溶接部の健全性も低下させる。このような
ことから、本発明においてはＳ含有量を０．０２０重量
％以下に規制した。

【００１３】Ａｌ：０．０１〜０．１０重量％ 溶鋼の脱酸剤として有効な合金元素であるが、０．０１
重量％未満ではその効果が十分でない。しかし、Ａｌ含
有量が０．１０重量％を超えると、鋼の清浄度が低くな
り、鋼板に圧延したとき表面疵が発生し易くなる。以上
のように成分が調整された鋼材は、従来焼入れに供され
ることがほとんどなかった鋼材である。また、かかる鋼
成分の電縫鋼管は、ＪＩＳ ＳＴＫＭ１２Ａに組成が近
似しており、容易に入手できる材料であり、現在インパ
クトバーとして多用されている低合金鋼に比較して経済
性にも優れている。本発明に従った鋼管焼入れは、たと
えば図１に示す設備を使用して実施される。長尺の電縫
鋼管ａが入側パイプラック１にストックされており、焼
入れ作業時に１本づつパイプラック１からロールコンベ
ア２等のコンベア上に払い出される。電縫鋼管ａは、ロ
ールコンベア２で搬送され、ピンチロール３に達する。
電縫鋼管ａは、ピンチロール３により回転を付与された
状態で搬送され、トンネル状の高周波誘導加熱コイル４
に送り込まれる。

【００１４】高周波誘導加熱コイル４には高周波電源５
から電力が供給されており、トンネル内を回転移動する
電縫鋼管ａをオーステナイト域まで加熱昇温する。高周
波誘導加熱コイル４の出側に筒状冷却水導管６が配置さ
れており、オーステナイト域まで加熱昇温された電縫鋼
管ａが誘導されてくると、筒状冷却水導管６に設けられ
た５〜１０列の吐出口群から噴射される冷却水によって
冷却され、焼入れされる。焼入れされた電縫鋼管ａは、
出側ピンチロール７を経た後、出側ローラーテーブル８
で搬出され、出側パイプラック９に払い出される。な
お、筒状冷却水導管６から噴射された冷却水は貯水槽１
０に戻され、水温２５℃以下に冷却された後、再び筒状
冷却水導管６に導かれる。

【００１５】以上の工程が繰り返され、多数の長尺鋼管
が順次焼入れ処理される。このとき、後続する長尺鋼管
をほとんど間隙をあけることなく、先行の鋼管に続けて
搬送することにより、加熱負荷量の変動が抑えられ、多
数の鋼管を安定して連続処理することが可能となる。し
かも、鋼管は、ピンチロール３によって回転を与えられ
つつローラテーブル上を送られるため、高周波誘導加熱
や水冷による冷却温度が鋼管周方向に関して均一化さ
れ、偏熱が抑制されると共に鋼管の真円度及び真直度が
維持される。筒状冷却水導管６としては、たとえば図２
の構造をもつものが使用される。冷却水は、図２（ａ）
に示すように上下２系列で冷却水溜１１に供給される。
冷却水溜１１は、図２（ｂ）に示すように、高周波加熱
された電縫鋼管ａを同心円状に取り囲む筒状になってお
り、電縫鋼管ａの周面に対向する冷却水溜１１の側壁に
は複数の噴射孔１２が開口している。噴射孔１２は、電
縫鋼管ａの軸方向に関し、図２（ａ）に示すように上流
側から下流側に向けて分布密度を低下させている。ま
た、電縫鋼管ａの円周方向に関しては、図２（ｂ）に示
すように等間隔で形成されている。この分布密度によっ
て、電縫鋼管ａは、噴射孔１２から噴出された冷却水１
３で効率よく冷却される。

【００１６】高周波誘導加熱コイル４から出た直後の鋼
管ａは、非常に高温になっている。高温状態の鋼管ａに
冷却水を吹き付けると、断熱層として働く蒸気膜が鋼管
ａの表面に形成され、冷却効果が低減する。その結果、
所定の冷却効果を得るために、蒸気膜を破る圧力で水流
を噴射することが要求される。鋼管ａの搬送方向に沿っ
て噴射孔１２が等間隔で設けられていると搬送方向に関
して一定の冷却能が得られるものの、冷却水の水圧は、
冷却初期において蒸気膜を破るに足る高い圧力に設定さ
れる。その結果、多量の高圧水が必要になることは勿
論、後続する工程で多量の冷却水が吹き付けられること
から鋼管ａが過剰冷却される。

【００１７】この点、冷却初期には密で、冷却後期には
粗の分布密度で噴射孔１２が配置されているので、冷却
水の効率的な使用により、冷却能力が過剰になることな
く、鋼管ａの焼入れが可能になる。また、送水ポンプに
も、能力の小さなものが使用される。鋼管ａの円周方向
に関しては等間隔で噴射孔１２が配置されているので、
鋼管ａの円周方向に冷却ムラが生じることも防止され
る。また、高速搬送されている鋼管ａに対する冷却ゾー
ンを短くすることもできる。個々の噴射孔１２は、図３
に示すように鋼管ａの搬送方向下流側に傾斜している。
この傾斜により、高周波誘導加熱コイル４側に冷却水１
３が逆流することが防止され、焼入れ作業が安全に行わ
れる。噴射孔１２の傾斜角度αは、図３では３５度の一
定値に設定しているが、３０〜６０度の範囲で各列ごと
に変更してもよい。

【００１８】

【実施例】表１に示した組成をもつ鋼を転炉で溶製し、
連続鋳造でスラブに製造した。なお、表１に掲げた比較
鋼のうち、低合金鋼については真空脱ガス処理を施して
成分調整した。そのため、Ｐ，Ｓ等の不純物元素も減少
している。

【００１９】

【００２０】各スラブを熱間圧延して、板厚１．８０ｍ
ｍの熱延板を製造した。酸洗後、所定の幅にスリット
し、造管機により外径３１．８ｍｍの電縫鋼管を製造し
た。得られた電縫鋼管を長さ６．５００ｍｍに切断し、
図１に示した高周波誘導加熱・焼入れ装置で焼き入れ
た。このとき、高周波誘導加熱による加熱温度を８５０
〜９５０℃，ラインスピードを１０ｍ／分に設定した。
焼入れ冷却条件を種々変更し、焼入れ冷却条件がマルテ
ンサイト生成量に及ぼす関係を調査した。調査結果を表
２に示す。

【００２１】

【００２２】現在インパクトバーとして生産されている
鋼成分（Ｈ，Ｉ）の鋼管を使用するとき、水量の少ない
試験番号１，吐出口径が小さく、吐出速度は十分大きい
ものの水量が少ない試験番号２，水温の高い試験番号５
等の比較例でも、強度，靭性に優れた焼入れ組織である
マルテンサイト相が９０％以上得られた。しかし、経済
的なプレーン炭素鋼の鋼管を焼入れすると、十分なマル
テンサイト相が確保されず、インパクトバーとして要求
される機械的特性が得られなかった。これに対し、本発
明で規定した条件を満足する試験番号３，４では、プレ
ーン炭素鋼（Ｂ〜Ｆ）の鋼管を焼入れした場合でも、９
０％以上のマルテンサイト相が得られていた。また、試
験番号３の機械的性質を表３に示す。表３から明らかな
ように、供試材Ｂ〜Ｄが１１８０Ｎ／ｍｍ² 級として、
その他は１４７０Ｎ／ｍｍ² 級として十分な材料特性を
示している。しかも、機械的特性は、従来からインパク
トバー用に使用されていたＭｎ−Ｃｒ−Ｂ系の低合金鋼
に比べても何ら遜色のない値であった。しかし、同じプ
レーン炭素鋼であっても、比較鋼ＤのようにＶ含有量が
０．３５重量％と高い材料では脆性的な不安定破壊を起
こし、延性が低下していた。

【００２３】

【００２４】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明の高速焼
入れ法では、高周波誘導加熱で高温に加熱された鋼管を
冷却するときの冷却条件を規制することによって、普通
鋼鋼管であっても強度，靭性に優れたマルテンサイト相
をもつ焼入れ組織にしている。そのため、Ｍｎ，Ｃｒ，
Ｂ等を添加した高価な合金鋼を必要とすることなく、強
度的に優れたインパクトバー，中空スタビライザー等の
補強部品を安価に提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に従った焼入れ装置のレイアウト

【図２】 筒状冷却水導管を半径方向（ａ）及び軸方向
（ｂ）にみた断面図

【図３】 傾斜した噴射孔を示す筒状冷却水導管の一部
断面図

【符号の説明】

１：入側パイプラック ２：ロールコンベア ３：
ピンチロール ４：高周波誘導加熱コイル ５：高
周波電源 ６：筒状冷却水導管 ７：出側ピンチロ
ール ８：出側ローラテーブル ９：出側パイプラ
ック １０：貯水槽 １１：冷却水溜 １２：噴
射孔 １３：冷却水 ａ：電縫鋼管

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｃ：０．１０〜０．３０重量％，Ｓｉ：
   ０．０５〜０．５０重量％，Ｍｎ：０．２０〜０．９０
   重量％，Ｐ：０．０２０重量％以下，Ｓ：０．０２０重
   量％以下及びＡｌ：０．０１〜０．１０重量％を含み、
   残部が実質的にＦｅからなる組成をもつ鋼管をコンベア
   上で搬送しながらオーステナイト域まで高周波誘導加熱
   し、直ちに５〜１０列の吐出口群をもつ筒状冷却水導管
   の内部に送り込み、吐出口での流速１５〜３０ｍ／秒及
   び流量７リットル／秒以上で水温２５℃以下の冷却水を
   鋼管の外周面に噴射させて水焼入れする鋼管の高速焼入
   れ方法。
2. 【請求項２】 鋼管の進行方向に対して３０〜６０度の
   角度で冷却水を鋼管外周面に噴射する請求項１記載の高
   速焼入れ方法。