JP2005076047A

JP2005076047A - 耐疲労特性に優れた中空スタビライザの製造方法

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Publication number: JP2005076047A
Application number: JP2003304726A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Sakaguchi; 雅之坂口; Yoshikazu Kawabata; 良和河端
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2003-08-28
Filing date: 2003-08-28
Publication date: 2005-03-24
Anticipated expiration: 2023-08-28
Also published as: JP4066915B2

Abstract

【課題】耐疲労特性に優れた中空スタビライザの製造方法を提案する。
【解決手段】母鋼管を、加熱し、圧延温度：600〜850℃で累積縮径率：40％以上の絞り圧延を施して素材鋼管とし、素材鋼管に、曲げ半径Ｒが素材鋼管外径Ｄに対し２Ｄ以下の部分を含む冷間曲げ加工でスタビライザー形状に成形し、ついで、通電により所定の焼入れ加熱温度に加熱し、急冷する焼入れ処理と、それに続く、焼戻し処理を施す。これにより、肉厚減少率の少なく、耐疲労特性に優れた中空スタビライザとなる。
【選択図】なし

Description

本発明は、自動車等の車両に使用されるスタビライザの製造方法に係り、とくに中空スタビライザの耐疲労特性の向上に関する。

従来から、ほとんどの自動車には、コーナーリング時の車体のローリングを緩和したり、高速時の走行安定性を保持するために、スタビライザが装着されている。このスタビライザは、棒鋼を用いた中実のスタビライザが一般的に使用されてきた。しかし、最近では、地球環境保全の観点から自動車車体の軽量化を図ることが要求され、スタビライザにおいても、鋼管を用いた中空スタビライザの採用が検討されるようになっている。

中空スタビライザは車体の軽量化には大きく寄与するが、中実スタビライザに比べ断面積が大幅に減少するため、従来以上に強度靭性に優れた特性を有するとともに、複雑な形状に加工できるように曲げ加工性に優れること、高い疲労強度を確保するための十分な焼入れ性を有する素材を適用することが要求される。

このような要求に対し、例えば、特許文献１には、Ｃ、Si、Mn、Cr含有量を、理想臨界直径Ｄ_Ｉが1.0in以上、Ｃeqが0.48％以下となるように調整したスラブを用いて、熱間圧延し、巻取温度を570〜690℃に調整して巻取る中空スタビライザ用電縫鋼管用鋼の製造方法が提案されている。この技術によれば、機械的性質、熱処理特性のよい電縫鋼管が製造でき、信頼性が高い中空スタビライザを製造できるとしている。しかし、特許文献１に記載された技術で製造された電縫鋼管では、曲げ加工性が不足し、曲率半径が小さく複雑なスタビライザ形状への成形ができないという問題があった。このため、スタビライザ用鋼管に対する、更なる曲げ加工性の向上が要望されていた。

また、特許文献２には、中空スタビライザの製造方法が提案されている。特許文献２に記載された技術は、電縫管を熱間で連続的に縮管加工し素管を得る素管製造工程と、素管に減面率が30％以上となる冷間引抜加工を行い厚肉パイプ材とする冷間引抜工程と、厚肉パイプ材を冷間で所望のスタビライザ形状に曲げ加工する成形工程と、好ましくはさらに焼鈍工程およびショットピーニング工程と、を具備し、厚肉化を可能とした中空スタビライザの製造方法である。

また、特許文献３には、中空スタビライザの製造方法が提案されている。特許文献３に記載された技術は、電縫管を熱間または温間で縮管して外径に対する肉厚の割合を18〜35％にする縮管工程と、縮管された電縫管をスタビライザ形状に冷間成形または熱間成形する成形工程と、成形されたスタビライザ半製品に熱処理工程を行い、ついで、ショットピーニングと、塗装とを行う方法である。
特公昭61-45688号公報特開2000-233625号公報特開2002-331326号公報

しかしながら、特許文献２、特許文献３に記載された技術では冷間引抜き加工により鋼管の曲げ加工性が著しく劣化するため適用できるスタビライザ形状に限界があった。また、特許文献２、特許文献３に記載された技術によってもなお、耐疲労特性が低下するという問題があり、更なる耐疲労特性の向上が要望されていた。

本発明は、上記した従来技術の問題を有利に解決し、耐疲労特性に優れた中空スタビライザの製造方法を提案することを目的とする。

本発明者らは、上記した課題を達成するために、中空スタビライザの耐疲労特性に及ぼす各種要因について鋭意検討した。その結果、中空スタビライザの加工部での肉厚偏差が、耐疲労特性の劣化に大きく影響していることを突き止めた。そして、これは、素材鋼管の曲げ加工性の低下に起因していることに想到した。本発明は、上記した知見に基づき、さらに検討を加えて完成されたものである。

すなわち、本発明の要旨は、つぎのとおりである。
（１）素材鋼管に、冷間曲げ加工によりスタビライザー形状に成形する成形工程と、該成形された鋼管に焼入れ処理および焼戻し処理を行う熱処理工程とを順次施す中空スタビライザーの製造方法において、前記素材鋼管が、母鋼管に、加熱処理を施したのち、圧延温度：600〜850℃で累積縮径率：40％以上の絞り圧延を施してなる鋼管であることを特徴とする耐疲労特性に優れた中空スタビライザの製造方法。
（２）（１）において、前記冷間曲げ加工の曲げ半径Ｒが素材鋼管外径Ｄに対して２Ｄ以下である部分を有することを特徴とする中空スタビライザの製造方法。
（３）（１）または（２）において、前記母鋼管が、質量％で、Ｃ：0.2〜0.38％、Si：0.35％以下、Mn：0.3〜1.5％、Ｐ：0.025％以下、Ｓ：0.005％以下、Al：0.1％以下、Ti：0.005 〜0.1％、Ｂ：0.0005〜0.005％を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有する溶接鋼管であることを特徴とする中空スタビライザの製造方法。
（４）（１）ないし（３）のいずれかにおいて、前記加熱処理の温度を、800〜1000℃の範囲の温度とすることを特徴とする中空スタビライザの製造方法。

本発明によれば、安価な方法で、耐疲労特性に優れた中空スタビライザが製造でき、スタビライザの耐久性を顕著に向上させることができ、自動車車体の軽量化が可能となり、産業上格段の効果を奏する。

中空スタビライザの一例を図１に示す。図１に示す例では、中空スタビライザ１は、車体の幅方向に延びるトーション部11と、トーション部11の両端に連なる一対のアーム部12,12とを有している。トーション部11はブッシュ類11aを介して車体に取り付けられる。アーム部12の端部12a,12aはスタビライザリンク等（図示せず）を介してサスペンション機構等に連結される。なお、トーション部11とアーム部12の一部には、曲げ半径Ｒで加工された曲げ加工部13を有する。

本発明の中空スタビライザの製造方法では、素材鋼管に、冷間曲げ加工によりスタビライザ形状に成形する成形工程と、該成形された鋼管に焼入れ処理および焼戻処理を行う熱処理工程とを順次施す。

本発明では、素材鋼管として、母鋼管に加熱処理を施したのち、圧延温度：600〜850℃で累積縮径率：40％以上の絞り圧延を施してなる鋼管を使用する。

母鋼管としては、質量％で、Ｃ：0.2〜0.38％、Si：0.35％以下、Mn：0.3〜1.5％、Ｐ：0.025％以下、Ｓ：0.005％以下、Al：0.1％以下、Ti：0.005〜0.1％、Ｂ：0.0005〜0.005％を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有する溶接鋼管を用いることが好ましい。

母鋼管の組成を上記した範囲に限定した理由は、つぎのとおりである。以下、質量％は単に％で記す。

Ｃ：0.2〜0.38％
Ｃは、鋼の焼入れ性を向上させ、鋼管の強度を増加させる元素であり、所望のスタビライザ強度を確保するために、0.2％以上含有することが好ましい。一方、0.38％を超える含有は、強度が高くなりすぎて延性が低下するとともに溶接硬化性が増加し溶接鋼管性状に悪影響を及ぼす。このようなことから、Ｃは0.2〜0.38％の範囲に限定することが好ましい。

Si：0.35％以下
Siは、脱酸剤として作用するとともに、基地中に固溶して鋼の焼入れ性を向上させ鋼管の強度を増加させる。このような効果は0.01％以上、より好ましくは0.10％以上で認められるが、0.35％を超えて含有すると、延性低下が顕著となる。このようなことから、Siは
0.35％以下に限定することが好ましい。

Mn：0.3〜1.5％
Mnは、鋼の焼入れ性を向上させ、鋼管の強度を増加させる元素であり、所望のスタビライザ強度を確保するために、0.3％以上含有することが好ましい。一方、1.5％を超えて含有すると、延性低下とともに溶接硬化性が顕著に増加し、溶接部の健全性が低下する。このため、Mnは0.3〜1.5％とすることが好ましい。

Ｐ：0.025％以下
Ｐは、固溶して鋼の強度を増加させるが、延性を低下させるとともに、粒界に偏析し、熱処理後の低温焼戻し脆性を助長する傾向が強いため、できるだけ低減することが望ましく、本発明では0.025％以下に限定することが好ましい。

Ｓ：0.005％以下
Ｓは、鋼中では硫化物として存在し、清浄度を劣化させ、延性を低下させる。素材鋼管の加工性を向上させるために、母鋼管のＳは0.005％以下でできるだけ低減することが望ましい。

Al：0.1％以下
Alは、脱酸剤として作用するとともに、結晶粒を微細化する作用を有している。結晶粒微細化のために、Alは0.001％以上含有することが好ましい。しかし、0.1％を超えて含有すると、酸素系介在物量が多くなり、清浄度が低下する。このため、Alは0.1％以下に限定することが好ましい。

Ti：0.005〜0.1％
Tiは、Ｎと結合しTiNを形成し、結晶粒の微細化に寄与するとともに、窒素を固定しＢの焼入れ性向上効果を有効に作用させる。このような効果を得るためには、0.005％以上含有することが好ましい。一方、0.1％を超えて含有すると延性が低下し、鋼管の加工性が劣化する。このため、Tiは0.005〜0.1％に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.01〜0.05％である。

Ｂ：0.0005〜0.005％
Ｂは、微量の含有で鋼の焼入れ性を大幅に向上させる元素であり、このような効果を得るためには、0.0005％以上含有することが好ましい。一方、0.005％を超える含有は却って焼入れ性が低下する。このため、Ｂは0.0005〜0.005％に限定することが好ましい。

なお、上記した成分以外の残部は、Feおよび不可避的不純物であり、不可避的不純物としては、Ｎ：0.005％以下、Ｏ：0.005％以下が許容できる。

母鋼管の製造方法については、とくに限定されないが、製造コストの観点からは溶接鋼管とすることが好ましい。溶接鋼管の製造方法は、鋼帯を成形加工により造管し、シーム部を電縫溶接して製造される公知の方法がいずれも適用できる。継目無鋼管を用いても何ら問題はない。

本発明では、上記した組成の母鋼管に、加熱処理を施し、圧延温度：600〜850℃で累積縮径率：40％以上の絞り圧延を施してなる鋼管を、素材鋼管として使用する。

母鋼管を加熱する温度は、800〜1000℃とすることが好ましい。加熱する温度が800℃未満では適正な絞り圧延の圧延温度を確保できない。一方、加熱する温度が1000℃を超えて高くなると、表面性状が劣化するとともに、オーステナイト粒が粗大化して、素材鋼管の延性が低下する。なお母鋼管の加熱方法はとくに限定されないが、誘導加熱による加熱とすることが好ましい。

加熱された母鋼管は、ついで絞り圧延を施される。絞り圧延は、レデューサと呼ばれる連続して配設された複数基（複数スタンド）の孔型圧延機による圧延とすることが好ましい。

絞り圧延は、600〜850℃のオーステナイト温度域以下とする。この温度域で絞り圧延を行うことにより圧延集合組織が発達して結果としてｒ値が高くなり、鋼管の加工性が顕著に向上することになる。絞り圧延の圧延温度が600℃未満では、変形抵抗が高く、圧延が困難となるか、あるいは再結晶が不十分となり加工歪が残存し延性が低下して、曲げ加工性が劣化する。一方、絞り圧延の圧延温度が850℃を超えて高くなると、結晶粒の成長が著しくなり、また圧延集合組織の形成が不十分となり延性、曲げ加工性が低下する。このため、絞り圧延の圧延温度は600〜850℃の温度域に限定した。なお、好ましくは700〜800℃である。

また、絞り圧延における累積縮径率は、40％以上とする。なお、累積縮径率は、
累積縮径率（％）＝｛（母鋼管外径−圧延後鋼管外径）／母鋼管外径｝×100％
で定義される。

累積縮径率が40％未満では縮径率が少なすぎて、上記した絞り圧延の効果が期待できない。また、累積縮径率が40％未満では生産性が低いという問題もある。なお、累積縮径率を40％以上とすることにより、組織の微細化、集合組織の形成が顕著となり、著しく曲げ加工性が向上する。このため、母鋼管絞り圧延の累積縮径率は40％以上とすることが好ましい。なお、累積縮径率は50％以上とすることがより好ましい。

本発明では、上記した条件で得られた素材鋼管に、成形工程と熱処理工程とを施し中空スタビライザとする。

成形工程では、素材鋼管に冷間曲げ加工を加えてスタビライザ形状に成形する。成形には、略任意の形状に成形可能なＮＣベンダーを用いることが好ましい。なお、曲げ型を用いて成形してもよい。本発明では、加工性に富む素材鋼管を用いるため、加工部、とくに曲げ部外側の肉厚の減少が抑えられる。本発明では、冷間曲げ加工の曲げ半径Ｒが素材鋼管外径Ｄに対し２Ｄ以下である部分を有していても、肉厚の減少は少ない。

スタビライザ形状に成形された成形品は、ついで、所定の温度（焼入れ温度）に通電加熱されたのち、焼入れ槽に投入され急冷される焼入れ処理を施される。通電加熱は、成形品の両端部を電極でクランプし通電することにより行う方法が、成形品の変形も少なく廉価であることから好ましい。焼入れ槽の冷媒は、水または焼入れ油とすることが好ましい。なお、所定の焼入れ温度は、鋼管の組成に依存して決定される。

焼入れされた成形品は、ついで焼戻し処理を施される。焼戻し処理により、不安定な粒界炭化物が粒内に析出し靭性が顕著に向上する。なお、焼戻し温度は、180〜400℃とすることが好ましい。

表１に示す組成の電縫鋼管（88mmφ×肉厚7.5mm）を母鋼管として、該母鋼管に、表２に示す条件で絞り圧延を施して、素材鋼管（25.4mmφ×肉厚7mm）とした。母鋼管は熱延鋼板を冷間成形してオープン管とし端部を電縫溶接し、電縫鋼管としたものを用いた。

得られた素材鋼管を所定の長さに切断し、冷間の回転引き曲げ加工による成形工程を施し図１に示すような所定のスタビライザ形状に成形し、成形品（最小曲げ半径Ｒ：40 mm）とした。なお、アーム部端部は潰した状態に成形した。ついで、成形品の両端部をクランプして通電により950℃に加熱したのち、焼入れ槽（冷媒：水）に投入する焼入れ処理を施した。焼入れ処理後、350℃で焼戻する焼戻し処理を施して製品（中空スタビライザ）を得た。

得られた製品について、ブッシュを固定しアーム部両先端を反対方向に上下する疲労試験を実施し、割れ発生までの繰り返し数を求め、耐疲労特性を評価した。

疲労試験の他の条件は、次のとおりとした。

・負荷応力：曲げ部分の表面応力で700MPa
・繰り返し速度：２Ｈｚ
また、得られた製品の曲げ加工部から試験片を採取し、管断面外側肉厚の減少率（％）を調査した。肉厚減少率は、次式で定義される。

肉厚減少率＝｛｛（素材鋼管の肉厚）−（曲げ加工後の鋼管外側肉厚）｝／（素材鋼管の肉厚）｝×100％
得られた結果を表２に示す。

本発明例はいずれも、加工部の肉厚減少率も少なく、また耐疲労特性が顕著に向上している。一方、本発明範囲を外れる素材鋼管を用いた比較例では、加工部の肉厚減少率が大きくなり、耐疲労特性も劣化している。

スタビライザ形状の一例を示す模式図である。

符号の説明

１中空スタビライザ
11 トーション部
11a ブッシュ類
12 アーム部
12a アーム部端
13 曲げ加工部

Claims

素材鋼管に、冷間曲げ加工によりスタビライザー形状に成形する成形工程と、該成形された鋼管に焼入れ処理および焼戻し処理を施す熱処理工程とを順次施す中空スタビライザーの製造方法において、前記素材鋼管が、母鋼管に、加熱処理を施したのち、圧延温度：600〜850℃で累積縮径率：40％以上の絞り圧延を施してなる鋼管であることを特徴とする耐疲労特性に優れた中空スタビライザの製造方法。
前記冷間曲げ加工の曲げ半径Ｒが素材鋼管外径Ｄに対して２Ｄ以下である部分を有することを特徴とする請求項１に記載の中空スタビライザの製造方法
前記母鋼管が、質量％で、Ｃ：0.2〜0.38％、Si：0.35％以下、Mn：0.3〜1.5％、Ｐ：0.025％以下、Ｓ：0.005％以下、Al：0.1％以下、Ti：0.005〜0.1％、Ｂ：0.0005〜0.005％を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有する溶接鋼管であることを特徴とする請求項１または２に記載の中空スタビライザの製造方法。
前記加熱処理の加熱温度を、800〜1000℃の範囲の温度とすることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の中空スタビライザの製造方法。