JP4084581B2

JP4084581B2 - 高耐衝撃性鋼管の製造方法およびその方法により製造された高耐衝撃性鋼管

Info

Publication number: JP4084581B2
Application number: JP2002062216A
Authority: JP
Inventors: 功穴井; 逸朗弘重; 弘人田邉
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2001-08-17
Filing date: 2002-03-07
Publication date: 2008-04-30
Anticipated expiration: 2022-03-07
Also published as: JP2003129170A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車のドアインパクトビーム、バンパー用材料、バンパー補強用材料等の衝撃吸収エネルギーを必要とされる部材として用いられる高耐衝撃性鋼管の製造方法およびその方法により製造された高耐衝撃性鋼管に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車の側面衝突時の衝撃吸収を目的とするドアインパクトビーム用の鋼管には、引張強度が大きく、かつ耐力（降伏応力）が小さいことが求められる。この衝撃吸収特性は、耐力と引張強度との比として定義される降伏比で表現される。ところが一般に鋼管の引張強度を上げると耐力も大きくなり、従来品では引張強度１５００〜１６００ＭＰａ、降伏比７０〜８０％が限界となっていた。このため更に軽量化を図り、衝突安全性を高めるために、一段と高強度、低降伏比の鋼管が求められていた。
【０００３】
なお従来一般に耐力は、ＪＩＳに規定されている通り試験片に０．２％の永久歪みを生ずる応力を測定する方法により求められ、この０．２％耐力に基づいて降伏比が算出されている。図１は鋼の応力-歪み曲線を模式的に示した図であり、衝突時に衝撃吸収部材が変形することにより吸収できる衝撃エネルギーはハッチング部分の面積で表される。上記のように従来は０.２％耐力による評価がなされていたため、右下がりのハッチング部分の面積を衝撃エネルギーの吸収能力として設計がなされていた。ところが本発明者の研究によれば、降伏点が明確に現れないいわばなで肩の応力-歪み曲線を持つ鋼材の場合には、図１に示すように衝突時に鋼管は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、衝撃吸収特性を過小評価していたことが判明した。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記した従来の問題点を解決し、従来品よりも更に高強度、低降伏比の材料特性を備え、超軽量と高衝突安全性を兼ね備えた新規な高耐衝撃性鋼管及びその製造方法を提供するためになされたものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するためになされた請求項１の発明の高耐衝撃性鋼管の製造方法は、質量比で、Ｃ：０．１９〜０ . ３５％、Ｓｉ：０．１〜０．３％、Ｍｎ：１．０〜１．６％、Ｐ：０．０２５％以下、Ｓ：０．０２％以下、Ａｌ：０．０１０〜０．０５０％、Ｂ：２〜３５ｐｐｍ、Ｔｉ：０．００５〜０ . ０５％を必須成分として含有し、さらにＮｂ：０ . ００５〜０ . ０５０％、Ｖ：０ . ００５〜０ . ０７０％、Ｃｕ：０ . ００５〜０ . ５％、Ｃｒ：０ . ００５〜０ . ５％、Ｍｏ：０ . １〜０ . ５％、Ｎｉ：０ . １〜０ . ５％、Ｃａ：０ . ０１％以下、希土類元素（ＲＥＭ）：０ . １％以下のグループ中から選択された１種以上の選択成分を含有し、残部が不可避的不純物およびＦｅからなる組成を有する電縫鋼管を、９００℃以上に加熱したうえで、冷却速度１００℃／ｓｅｃ以上、冷却水温３５℃以下の条件で水冷焼入することを特徴とするものである。
【０００６】
また本発明の高耐衝撃性鋼管は、何れも請求項１の方法によって製造されたものであり、請求項２の高耐衝撃性鋼管は、引張強度ＴＳが１７００ＭＰａ以上であり、０．１％耐力ＹＳと引張強度ＴＳとの比（ＹＳ/ＴＳ）である降伏比ＹＲが７２％以下であることを特徴とする。また請求項３の高耐衝撃性鋼管は、引張強度ＴＳが１８００ＭＰａ以上であり、０．１％耐力ＹＳと引張強度ＴＳとの比（ＹＳ/ＴＳ）である降伏比ＹＲが７０％以下であることを特徴とする。また請求項４の高耐衝撃性鋼管は、引張強度ＴＳが１９００ＭＰａ以上であり、０．１％耐力ＹＳと引張強度ＴＳとの比（ＹＳ/ＴＳ）である降伏比ＹＲが６８％以下であることを特徴とする。また請求項５の高耐衝撃性鋼管は、引張強度ＴＳが２０００ＭＰａ以上であり、０．１％耐力ＹＳと引張強度ＴＳとの比（ＹＳ/ＴＳ）である降伏比ＹＲが６６％以下であることを特徴とする。
【０００７】
さらに請求項６の高耐衝撃性鋼管は、請求項２〜５の何れかに記載の高耐衝撃性鋼管であって、転位密度が１０¹⁰〜¹⁴ｍｍ^-2であることを特徴とするものである。
【０００８】
上記のように本発明は、従来品に比較して一段と高ＴＳ、低ＹＲの材料特性を狙って開発されたものである。一般にこのような高ＴＳの材料は、加熱後に水冷焼入を施し組織をマルテンサイト化することによって得られる。従来は硬質のマルテンサイト組織中に、軟質のオーステナイトやフェライトを一部残留させることによって耐力を低下させ、低降伏比の材料特性を得ていた。しかしこのような従来の手法では、前記したように強度が１５００〜１６００ＭＰａ、降伏比が７０〜８０％が限界であった。
【０００９】
これに対して本発明では、マルテンサイト組織中の残留オーステナイトや残留フェライトをなくして従来品に比較して一段と高ＴＳを実現する一方、硬質のマルテンサイト組織中の転位密度を従来品よりも格段に高め、応力下における変形を生じ易くしてＹＳ，ＹＲを低減させている。本発明品の転位密度は１０¹⁰〜¹⁴ｍｍ^-2であり、従来品の転位密度が１０⁸〜⁹ｍｍ^-2であるのに比べて、極めて高密度となっている。このような高転位密度を実現したことにより、本発明の高耐衝撃性鋼管は従来品に比較して一段と高ＴＳでありながら、低ＹＲとなる。しかもＹＲを算出するためのＹＳ値として従来は用いられていなかった０.１％耐力を採用したため、材料特性が衝撃吸収特性をより正しく反映したものとなり、ドアインパクトビームの設計に際しては限界付近までの軽量化を図ることが可能となる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の内容について詳細に説明する。
本発明の高耐衝撃性鋼管は、請求項１に記載したように、鋼中に質量比で、Ｃ：０．１９〜０.３５％、Ｓｉ：０．１〜０．３％、Ｍｎ：１．０〜１．６％、Ｐ：０．０２５％以下、Ｓ：０．０２％以下、Ａｌ：０．０１０〜０．０５０％、Ｂ：２〜３５ｐｐｍ、Ｔｉ：０．００５〜０.０５％を必須成分として含有し、Ｎｂ：０.００５〜０.０５０％、Ｖ：０.００５〜０.０７０％、Ｃｕ：０.００５〜０.５％、Ｃｒ：０.００５〜０.５％、Ｍｏ：０.１〜０.５％、Ｎｉ：０.１〜０.５％、Ｃａ：０.０１％以下、希土類元素（ＲＥＭ）：０.１％以下のグループ中から選択された選択成分を含有させた電縫鋼管を誘導加熱したうえ、水冷焼入することにより製造される。各成分の数値限定の理由は次のとおりである。
【００１１】
Ｃはマルテンサイト自体を強化して硬さを向上させるための必須成分であり、１７００ＭＰａ以上のＴＳを得るためには少なくとも０．１９％が必要である。しかしＣが過剰になるとマルテンサイト組織が脆くなり焼入れの際に破壊する焼割れを招くので、０.３５％以下とする。なお請求項２のＴＳが１７００ＭＰａ以上でＹＲが７２％以下である鋼管を得るためにはＣを０．２１％程度とし、請求項３のＴＳが１８００ＭＰａ以上、ＹＲが７０％以下である鋼管を得るためにはＣを０．２４％程度とし、請求項４のＴＳが１９００ＭＰａ以上、ＹＲが６８％以下である鋼管を得るためにはＣを０．２８％程度とし、請求項５のＴＳが２０００ＭＰａ以上、ＹＲが６６％以下である鋼管を得るためにはＣを０．３０％程度とすることが好ましい。
【００１２】
Ｓｉ、Ｍｎ、Ｔｉは何れも焼入れ時におけるオーステナイトからのマルテンサイト変態を促進する成分であり、Ｓｉ：０．１〜０．３％、Ｍｎ：１．０〜１．６％、Ｔｉ：０．００５〜０.０５％の各数値限定範囲よりも少ないと焼入れ性が低下して残留オーステナイトや残留フェライトを生じ、所期の材料特性を得られない。逆に上記の数値限定範囲を超えると、焼割れや偏析の原因となるので好ましくない。なおＴｉはＮを固定することにより、焼入れ性を向上させる作用を持つ。
【００１３】
Ｂはフェライトの析出を抑制する成分であるが、鋼中にガス成分として含まれるＮと結合してＢＮとなるとその効果が失われるため、２ｐｐｍ以上とする。しかし３５ｐｐｍを超えると偏析介在物となる。ＰとＳは偏析介在物となりマルテンサイト組織を脆くするため、Ｐ：０．０２５％以下、Ｓ：０．０２％以下とする必要がある。Ａｌは脱酸剤であり０．０１０％未満では脱酸効果が不十分となり、０．０５０％を超えるとその酸化物が結晶間介在物となるので好ましくない。
【００１４】
ＮｂとＶはマルテンサイト組織中に析出物を生じて転位の通過を妨げることにより、強度を向上させる析出強化成分である。Ｃｕ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉはマルテンサイト結晶中に固溶されて転位の通過を妨げることにより、強度を向上させる固溶強化成分である。なおＣｒ、Ｍｏは析出強化成分としても作用する。これらの成分は強度増加に寄与するが、コストアップ要因となるうえ過剰の添加は偏析介在物となるため、Ｎｂ：０.００５〜０.０５０％、Ｖ：０.００５〜０.０７０％、Ｃｕ：０.００５〜０.５％、Ｃｒ：０.００５〜０.５％、Ｍｏ：０.１〜０.５％、Ｎｉ：０.１〜０.５％が適当である。
【００１５】
Ｃａと希土類元素（ＲＥＭ）は介在物の形態制御に寄与する成分であるが、過剰の添加はマルテンサイト組織の破壊につながる有害な偏析を招くので、Ｃａ：０.０１％以下、ＲＥＭ：０.１％以下が適当である。なおこれらのＮｂ、Ｖ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｃａ、希土類元素（ＲＥＭ）は必須成分ではなく、必要に応じて添加される選択成分である。希土類元素（ＲＥＭ）としては例えばＹ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｓｍを用いることができる。
【００１６】
本発明では、上記組成の鋼からなる鋼管を電縫溶接により製造したのち、高周波加熱用のワークコイルに通して９００℃以上に誘導加熱し、オーステナイト状態から水冷焼入する。このとき鋼管をコンベヤ上で連続搬送しながら固定されたワークコイル及び水冷焼入装置に通しても、鋼管を固定しておきワークコイル及び水冷焼入装置を移動させる方法を採用してもよい。
【００１７】
この水冷焼入によりオーステナイトからマルテンサイトへの変態が瞬時に生ずると同時に、変態歪みに伴い７〜８％程度の膨張が発生し、マルテンサイト組織中の転位密度が急激に増加する。なお転位密度の測定は、ＪＩＳによる引張試験を行なった後の試験片を透過電子顕微鏡により観察し、１μｍ×１μｍの視野当たりの転位数を１０視野で測定し、その平均値を取る方法で行なわれる。転位密度は単位体積当たりの転位長さで表すので、その単位はｍｍ^-2となる。
【００１８】
前記したように本発明品の転位密度は１０¹⁰〜¹⁴ｍｍ^-2であり、従来品の転位密度が１０⁸〜⁹ｍｍ^-2であるのに比べて、極めて高密度となっている。このような高転位密度を実現したことにより降伏点が低下し、本発明の高耐衝撃性鋼管は従来品に比較して高ＴＳでありながら、低ＹＲとなる。
【００１９】
このように高ＴＳ、低ＹＲの高耐衝撃性鋼管を得るためには、水冷焼入の冷却速度を１００℃／ｓｅｃ以上とすることが好ましい。図２は冷却速度とＹＲとの関係を示すグラフであり、１００℃／ｓｅｃ以上とすることによってＹＲの急激な低下が見られる。これは急冷によって急激に変態歪みが発生し、転位密度を増加させるためと考えられる。
【００２０】
また高ＴＳ、低ＹＲの高耐衝撃性鋼管を得るためには、水冷焼入の冷却水温を３５℃以下とすることが好ましい。図３に示すように、冷却水温が上昇するとＹＲが上昇する。これは冷却水温の上昇とともに焼入れが不十分となり、理想的なマルテンサイト変態が実現できなくなるためと考えられる。
【００２１】
このようにして得られた本発明の高耐衝撃性鋼管は、従来品に比較してはるかに高強度でありながら低ＹＲであるから、自動車のドアインパクトビーム、バンパー用材料、バンパー補強用材料等の衝撃吸収エネルギーを必要とされる部材として用いれば、優れた衝撃吸収性能を発揮することができる。また従来品とは異なり０．１％耐力を採用したため、０.２％耐力に基づいて算出されていた衝撃吸収能力に比較して、図１に水平ハッチングで示す面積分だけ衝撃吸収能力が増加することとなり、実際の衝突時における衝撃吸収性能との相関がより的確になる。このため高強度であることとあいまって、限界付近までの軽量化を図ることができる。このため超軽量、高衝突安全性を兼ね備えた衝撃吸収部材を提供することが可能となる。
以下に本発明の実施例を示す。
【００２２】
【実施例】
表１に示す各組成の鋼からなる電縫鋼管を製造し、コンベヤ上を一定速度で移動させてワークコイルに通すことにより誘導加熱したうえ隣接する水冷焼入装置で常温まで急冷した。冷却速度と冷却水温は表２に示した。切り出した試験片を引張試験機にかけて０.１％耐力と破断強度を測定した。また引張試験後の試験片を透過電子顕微鏡により観察し、転位密度を測定した結果も表２に示した。
【００２３】
【表１】

【００２４】
【表２】

【００２５】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の高耐衝撃性鋼管は従来品よりも高強度、低降伏比の材料特性を備えたものであるうえ、０.１％耐力を採用したことにより衝撃吸収特性を正しく反映したものとなるから、限界付近までの軽量化を図った超軽量、高衝突安全性のドアインパクトビーム、バンパー用材料、バンパー補強用材料等の衝撃吸収エネルギーを必要とされる部材に適したものとなる。また本発明の製造方法によれば、このような高耐衝撃性鋼管を安定して製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】鋼の応力-歪み曲線を示す模式図である。
【図２】冷却速度とＹＲとの関係を示すグラフである。
【図３】冷却水温とＹＲとの関係を示すグラフである。

Claims

質量比で、Ｃ：０．１９〜０.３５％、Ｓｉ：０．１〜０．３％、Ｍｎ：１．０〜１．６％、Ｐ：０．０２５％以下、Ｓ：０．０２％以下、Ａｌ：０．０１０〜０．０５０％、Ｂ：２〜３５ｐｐｍ、Ｔｉ：０．００５〜０.０５％を必須成分として含有し、さらにＮｂ：０.００５〜０.０５０％、Ｖ：０.００５〜０.０７０％、Ｃｕ：０.００５〜０.５％、Ｃｒ：０.００５〜０.５％、Ｍｏ：０.１〜０.５％、Ｎｉ：０.１〜０.５％、Ｃａ：０.０１％以下、希土類元素（ＲＥＭ）：０.１％以下のグループ中から選択された１種以上の選択成分を含有し、残部が不可避的不純物およびＦｅからなる組成を有する電縫鋼管を、９００℃以上に加熱したうえで、冷却速度１００℃／ｓｅｃ以上、冷却水温３５℃以下の条件で水冷焼入することを特徴とする高耐衝撃性鋼管の製造方法。
請求項１の方法によって製造され、引張強度ＴＳが１７００ＭＰａ以上であり、０．１％耐力ＹＳと引張強度ＴＳとの比（ＹＳ/ＴＳ）である降伏比ＹＲが７２％以下であることを特徴とする高耐衝撃性鋼管。
請求項１の方法によって製造され、引張強度ＴＳが１８００ＭＰａ以上であり、０．１％耐力ＹＳと引張強度ＴＳとの比（ＹＳ/ＴＳ）である降伏比ＹＲが７０％以下であることを特徴とする高耐衝撃性鋼管。
請求項１の方法によって製造され、引張強度ＴＳが１９００ＭＰａ以上であり、０．１％耐力ＹＳと引張強度ＴＳとの比（ＹＳ/ＴＳ）である降伏比ＹＲが６８％以下であることを特徴とする高耐衝撃性鋼管。
請求項１の方法によって製造され、引張強度ＴＳが２０００ＭＰａ以上であり、０．１％耐力ＹＳと引張強度ＴＳとの比（ＹＳ/ＴＳ）である降伏比ＹＲが６６％以下であることを特徴とする高耐衝撃性鋼管。
転位密度が１０¹⁰〜¹⁴ｍｍ^-2である請求項２〜５の何れかに記載の高耐衝撃性鋼管。