JP4608739B2

JP4608739B2 - 自動車ドア補強用鋼管の製造方法

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Publication number: JP4608739B2
Application number: JP2000178246A
Authority: JP
Inventors: 高明豊岡; 正徳西森; 良和河端; 章依藤; 元晶板谷; 能知岡部; 昌利荒谷
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2000-06-14
Filing date: 2000-06-14
Publication date: 2011-01-12
Anticipated expiration: 2020-06-14
Also published as: CA2382073C; DE60133816T2; EP1293581B1; BR0106737B1; DE60133816D1; BR0106737A; CA2382073A1; KR100752912B1; US20030051782A1; JP2001355046A; KR20020022803A; US7018488B2; CN1388835A; EP1293581A4; WO2001096625A1; EP1293581A1; CN1145710C

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車ドア補強用鋼管に係り、とくに高強度でかつ３点曲げ特性に優れ、特に座屈限界変形量が大きい鋼管およびその製造方法に関する。
本発明でいう、「３点曲げ特性に優れた」とは、図１に示すように、鋼管を所定のスパンＬだけ離れた支持工具間に置き、その中央部を半径Ｒの曲げ治具で押す、いわゆる、３点曲げ試験で、座屈が発生する最大押し量（座屈限界押し量）が大きく、かつ座屈限界押し量までの押し荷重−押し量曲線下の面積（図２中の斜線部）、すなわち座屈発生までの吸収エネルギーが大きいことをいう。具体的に本発明では、31.8mmφ（肉厚 1.6mm）の鋼管を、Ｌ＝ 980mmで３点曲げ試験を実施し、座屈限界押し量（座屈限界変形量）までの吸収エネルギーが 450Ｊ以上である鋼管を「３点曲げ特性に優れた」鋼管とする。
【０００２】
【従来の技術】
自動車の衝突時に乗員の安全を確保するため、近年、自動車車体の衝突安全性の向上が要求されている。このため、自動車車体のなかで、自動車側面の強度、すなわちドア強度の増加が求められ、最近ではドア補強用バーが必ず取り付けられるようになっている。さらに、自動車車体の軽量化の目的から、ドア補強用バーにおいても、鋼管を使用することが多くなっている。
【０００３】
ドア補強バー用鋼管としては、その使用目的から高強度であることが必要であり、高強度化された鋼管が使用されている。従来は、鋼管として、電縫鋼管を使用し、高強度化のためにオフラインで、高周波焼入れ等のＱＴ処理を施し高強度化したオフラインＱＴ型鋼管や、電縫鋼管の素材である薄鋼板製造段階でＱＴ処理を施し高強度化した鋼板を、電縫溶接して電縫鋼管としたアズロール型鋼管が使用されていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、オフラインＱＴ型鋼管では、ＱＴ処理をオフラインで施す必要から、製造工程が複雑となり、製造期間が長くなるうえ、製造コストが増加するという問題があった。一方、アズロール型鋼管では、造管時の冷間歪が残留し、３点曲げ試験時に早期に座屈し、３点曲げ特性が低いという問題があった。さらにアズロール型鋼管では、薄鋼板製造段階でＱＴ処理を施し、その後造管するため、電縫溶接による接合部（高周波溶接部）が熱影響を受けて軟化するという問題もある。さらには、鋼管素材である薄鋼板製造段階で非常に高強度化しているため、造管時のスプリングバックが大きく、成形が難しく、造管設備を大型化する必要があり、設備コストが高くなるという問題もあった。
【０００５】
本発明は、上記した従来技術の問題を解決し、引張強さ1000MPa 以上の高強度で、３点曲げ特性に優れた自動車ドア補強用鋼管およびその製造方法を提案することを目的とする。なお、ここで、「３点曲げ特性に優れた」とは、座屈発生までの３点曲げ吸収エネルギーが大きいこと、特に、座屈限界押し量が大きいことを意味する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記した課題を解決するために、オフライン熱処理を行うことなく、強度と３点曲げ特性を同時に向上させる方策について鋭意研究した。その結果、組成を限定した鋼管に、α＋γ二相域またはその直上温度域で累積縮径率を20％以上とする絞り圧延を施し冷却することにより、組織が、加工オーステナイトから変態した硬質のマルテンサイト、ベイナイトを主体とし、フェライトが混在した組織となる。これにより、従来のようなオフラインでの特別な熱処理（ＱＴ処理）を施すことなく、高強度と優れた３点曲げ特性とが両立した鋼管が得られることを見いだした。この３点曲げ特性の顕著な向上は、従来のオフラインＱＴ型鋼管の組織が再加熱したオーステナイト（γ）から変態したマルテンサイトまたはベイナイトであるのに対し、この鋼管の組織が加工されたγ（加工γ）から変態したマルテンサイトまたはベイナイトであることによるとものと考えられる。従来のアズロール型鋼管の３点曲げ特性と、加工γから変態したマルテンサイトまたはベイナイトを主体とする組織を有する鋼管（本発明鋼管）の３点曲げ特性とを比較して図３に示す。図３から、従来の鋼管に比較し、本発明鋼管の座屈限界押し量（変形量）が大きく、吸収エネルギーが多いことがわかる。
【０００７】
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。本発明は、従来の自動車ドア補強用鋼管とはその技術思想が本質的に異なる新規な技術で構成されたものである。
【０００９】
本発明は、質量％で、Ｃ：0.05〜0.30％、Si：0.01〜2.0 ％、Mn：1.8 〜4.0 ％、Al：0.005 〜0.10％を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有する素材鋼管に、加熱または均熱処理を施したのち、α＋γ二相域またはその直上温度域で累積縮径率20％以上、圧延終了温度 800℃以下とする絞り圧延を施すことを特徴とする自動車ドア補強用鋼管の製造方法であり、また、本発明では、前記組成に加えて、さらに、質量％で、次Ａ〜Ｃ群
Ａ群：Cu：１％以下、Ni：１％以下、Cr：２％以下、Mo：１％以下のうちから選ばれた１種または２種以上
Ｂ群：Nb：0.1 ％以下、Ｖ：0.5 ％以下、Ti：0.2 ％以下、Ｂ：0.003 ％以下のうちから選ばれた１種または２種以上
Ｃ群：REM ：0.02％以下、Ca：0.01％以下のうちから選ばれた１種または２種のうちから選ばれた１群または２群以上を含有することが好ましい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の自動車ドア補強用鋼管は、引張強さＴＳ：1000MPa 以上で、かつ３点曲げ特性に優れる鋼管であり、好ましくはさらに降伏比が80％以下である鋼管である。なお、本発明の鋼管は、電縫鋼管、鍛接鋼管等の溶接鋼管、あるいは継目無鋼管のいずれでもよく、その素管製造方法に限定されない。
【００１１】
次に、本発明の自動車ドア補強用鋼管の組成限定理由を説明する。以下、質量％は単に％と記す。
Ｃ：0.05〜0.30％
Ｃは、基地中に固溶しあるいは炭化物として析出し、鋼の強度を増加させる元素であり、本発明では、所望の強度を確保するために、Ｃは0.05％以上含有する必要があるが、0.30％を超えて含有すると溶接性が劣化する。このため、Ｃは0.05〜0.30％の範囲に限定した。
【００１２】
Si：0.01〜2.0 ％
Siは、脱酸剤として作用するとともに、基地中に固溶し鋼の強度を増加させる元素である。これらの効果は0.01％以上、好ましくは0.1 ％以上の含有で認められるが、2.0 ％を超える含有は延性を劣化させる。このため、Siは0.01〜2.0 ％の範囲に限定した。なお、好ましくは強度−延性バランスの点から0.10〜1.5 ％の範囲である。
【００１３】
Mn：1.8 〜4.0 ％
Mnは、鋼の強度を増加させ、また、焼入れ性を向上させ圧延後の冷却時にマルテンサイト、ベイナイトの形成を促進する作用を有する元素である。このような効果は1.8 ％以上の含有で認められるが、4.0 ％を超える含有は延性を劣化させる。このため、Mnは1.8 〜4.0 ％の範囲に限定した。なお、オフライン熱処理をせずに1000MPa 以上の高強度を確保するためには、Mnは2.5 〜4.0 ％の範囲とするのが好ましく、またより好ましくは2.5 〜3.5 ％の範囲である。
【００１４】
Al：0.005 〜0.10％
Alは、脱酸作用に加えて、結晶粒を微細化する作用を有する元素である。この結晶粒微細化効果により素管段階における組織を微細化し、本発明の効果をより大きくする。このためには少なくとも0.005 ％以上の含有を必要とするが、0.10％を超えると酸化物系介在物量が増加し清浄度が劣化する。このため、Alは0.001 〜0.10％の範囲に限定した。なお、好ましくは0.015 〜0.06％である。
【００１５】
上記した基本組成に加えて、次に述べるＡ〜Ｃ群の合金元素群を、必要に応じ１群あるいは２群以上含有することが好ましい。
Ａ群：Cu：１％以下、Ni：１％以下、Cr：２％以下、Mo：１％以下のうちから選ばれる１種または２種以上
Cu、Ni、Cr、Moは、いずれも強度を増加させる元素であり、必要に応じ１種または２種以上を含有できる。これら元素は、変態点を低下させ、組織を微細化する効果を有している。しかし、Cuは１％を超えて多量に含有すると熱間加工性が劣化する。また、Niは強度増加とともに靭性をも改善するが１％を超えて含有しても含有量に見合う効果が期待できない。また、Crは２％、Moは１％を超えて多量含有すると溶接性、延性が劣化するうえコスト高となる。このようなことから、Cu：１％以下、Ni：１％以下、Cr：２％以下、Mo：１％以下とするのが好ましい。なお、より好ましくは、Cu：0.1 〜0.6 ％、Ni：0.1 〜0.7 ％、Cr：0.1 〜1.5 ％、Mo：0.05〜0.5 ％である。
【００１６】
Ｂ群：Nb：0.1 ％以下、Ｖ：0.5 ％以下、Ti：0.2 ％以下、Ｂ：0.003 ％以下のうちから選ばれる１種または２種以上
Nb、Ｖ、Ti、Ｂは、炭化物、窒化物あるいは炭窒化物として析出し、高強度化に寄与する元素である。とく高温に加熱される接合部を有する鋼管では、接合時の加熱過程での粒の微細化や、冷却過程でのフェライトの析出核として作用し、接合部の硬化を防止する効果もあり、必要に応じ１種または２種以上添加できる。しかし多量に添加すると、溶接性、靭性とも劣化するため、Nbは0.1 ％以下、Ｖは0.5 ％以下、Tiは0.2 ％以下、Ｂは0.003 ％以下にそれぞれ限定するのが好ましい。なお、より好ましくはNb：0.005 〜0.05％、Ｖ：0.05〜0.1 ％、Ti：0.005 〜0.10％、Ｂ：0.0005〜0.002 ％である。
【００１７】
Ｃ群：REM ：0.02％以下、Ca：0.01％以下のうちから選ばれる１種または２種 REM 、Caは、いずれも硫化物、酸化物、または酸硫化物として析出して、介在物の形状を球状化して、加工性を向上させる作用を有するとともに、接合部を有する鋼管での接合部の硬化を防止する作用をも有する。本発明では、必要に応じ１種または２種含有できる。REM が0.02％、あるいはCaが0.01％を超えると、介在物が多くなりすぎ清浄度が低下し延性が劣化する。このため、REM ：0.02％以下、Ca：0.01％以下とするのが好ましい。なお、REM が0.004 ％未満、Caが0.001 ％未満ではこの作用による効果が少ないため、REM ：0.004 ％以上、Ca：0.001 ％以上とするのがより好ましい。
【００１８】
上記成分以外の残部は、Feおよび不可避的不純物からなる。不可避的不純物としては、Ｐ：0.025 ％以下、Ｓ：0.020 ％以下、Ｎ：0.010 ％以下、Ｏ：0.006 ％以下が許容される。
Ｐ：0.025 ％以下
Ｐは、粒界に偏析し、靭性を劣化させるため、できるだけ低減するのが好ましいが、0.025 ％までは許容できる。
【００１９】
Ｓ：0.020 ％以下
Ｓは、硫化物を増加し清浄度を劣化させるため、できるだけ低減するのが好ましいが、0.020 ％までは許容できる。
Ｎ：0.010 ％以下
Ｎは、溶接性を劣化させるため、できるだけ低減するのが好ましいが、0.010 ％までは許容できる。
【００２０】
Ｏ：0.006 ％以下
Ｏは、清浄度を劣化させるため、できるだけ低減するのが好ましいが、0.006 ％までは許容できる。
本発明鋼管の組織は、マルテンサイトおよび／またはベイナイト組織か、あるいはマルテンサイトおよび／またはベイナイトとフェライトを含む混合組織である。これらマルテンサイト、ベイナイトは、絞り圧延後の加工オーステナイト（γ）から変態した変態生成物であり、高強度化と低降伏比（YR）化、および３点曲げ特性の向上に大きく寄与する。なお、本発明では、マルテンサイトおよび／またはベイナイトの主相にフェライトを含んでもよい。フェライトは、面積率で20％以下含まれるのが好ましい。フェライトの存在量が20％より多くなると所望の高強度が確保できない。このため、フェライトは、面積率で20％以下とするのが好ましい。
【００２１】
次に、本発明の製造方法について説明する。
本発明の製造方法では、特定の組成を有する鋼管を素材鋼管（素管）として用いるが、この素管を製造する手段（造管法）は特に限定されない。造管法としては、冷間または熱間での高周波電流を利用した電気抵抗溶接法（素管名称：電縫管、熱間の場合は熱間電縫管）、オープン管両エッジ部を固相圧接温度域に加熱し圧接接合する固相圧接法（素管名称：固相圧接管）、鍛接法（素管名称：鍛接管）およびマンネスマン式穿孔圧延法（素管名称：継目無鋼管）のいずれも好適に使用できる。
【００２２】
上記した組成を有する素材鋼管に、好ましくは加熱あるいは均熱処理を施したのち、累積縮径率20％以上で、圧延終了温度 800℃以下とする絞り圧延（縮径圧延）を施す。加熱あるいは均熱処理は、圧延終了温度が800 ℃以下となる温度であればよく、とくに限定されるものではない。なお、素材鋼管が一旦常温に冷却された場合には、加熱処理を施す必要があるが、加熱処理の温度は、絞り圧延が圧延終了温度 800℃以下、好ましくはα＋γの２相域となるように適宜調整すればよい。例えば、Ａc₃変態点〜Ａc₁変態点間に加熱するか、あるいはＡc₃変態点以上に加熱し冷却して、絞り圧延が圧延終了温度 800℃以下、好ましくはα＋γの２相域となるように調整してもよい。素材鋼管の製造工程が熱間あるいは温間の場合には常温まで冷却せずに、再加熱あるいは均熱処理して、絞り圧延が圧延終了温度 800℃以下、好ましくはα＋γの２相域となるように調整してもよい。
【００２３】
累積縮径率が20％未満では、オーステナイトの加工が不十分で、その後に生成する低温変態相（マルテンサイトまたはベイナイト）の強化が不足し、引張強さＴＳ：1000MPa 以上という高強度化が達成できない。
絞り圧延の温度は、圧延終了温度を800 ℃以下とする。なお、好ましくは、圧延温度はα＋γの２相域の範囲である。
【００２４】
また、圧延終了温度が 800℃を超えると、オーステナイトへ付与した圧延歪が即時に回復し、その結果オーステナイトから変態生成する低温変態相（マルテンサイトまたはベイナイト）の強化が不足し、引張強さＴＳ：1000MPa 以上という高強度化が達成できない。なお、圧延終了温度は高強度化の観点から、マルテンサイトまたはベイナイト変態終了温度以上とするのが好ましい。
【００２５】
絞り圧延した後は、常法に従って冷却すればよい。この冷却は空冷でも水冷でもよい。
なお、本発明では、絞り圧延は潤滑下での圧延（潤滑圧延）とするのが好適である。絞り圧延を潤滑圧延とすることにより、厚み方向の歪分布が均一となり、組織の微細化や集合組織の形成を厚み方向に均一にすることができる。無潤滑圧延を行うとせん断効果により材料表層部にのみ圧延歪が集中し、厚み方向に不均一な組織が形成される。
【００２６】
また、絞り圧延方法は、特に限定されるものではないが、レデューサーと称される複数の孔型圧延機による圧延が好適である。
【００２７】
【実施例】
表１に示す組成の熱延鋼板（1.8 または 2.3mm厚）を電縫溶接により溶接鋼管（電縫管：外径58mmφ）とし、これら溶接鋼管を素材鋼管（素管）とし、該素管に、加熱処理を施し、さらに表２に示す条件で絞り圧延（縮径圧延）を施し、製品管とした。絞り圧延はタンデム配置のレデューサーを使用して行った。
【００２８】
得られた製品管について、組織、引張特性、３点曲げ特性を調査した。
（１）組織
各製品管から、試験片を採取し、管長手方向と直交する断面について、光学顕微鏡、走査型電子顕微鏡を用いて組織を撮像した。得られた組織写真について、画像解析装置を用い、組織の種類、組織分率を求めた。
（２）引張特性
各製品管から、管長手方向にJIS 11号試験片（管状試験片、標点間距離50mm）を採取して、JIS Z 2241の規定に準拠して引張試験を実施し、降伏強さYS、引張強さTS、伸びElを求めた。
（３）３点曲げ特性
各製品管から試験片（管状）を採取し、スパンＬ＝ 800mmまたは 980mm、曲げ治具半径Ｒ＝152.4mm で図１に示すような３点曲げ試験を実施し、荷重−押し量の関係、および座屈が発生するまでの最大押し量δmax を求めた。また、得られた荷重−押し量曲線を用いて、座屈が発生するまでの最大押し量までの荷重−押し量曲線下の面積をもとめ、吸収エネルギーＥとした。
【００２９】
得られた結果を表２に示す。
【００３０】
【表１】

【００３１】
【表２】

【００３２】
本発明例は、いずれも引張強さ1000MPa 以上でかつ高い３点曲げ座屈限界押し量と高い３点曲げ吸収エネルギー値を有している。これに対し、本発明の範囲を外れる比較例では、同一サイズで比較して座屈限界押し量が低く、また吸収エネルギー値が低く、３点曲げ特性が低下している。
【００３３】
【発明の効果】
以上にように、本発明によれば、オフライン熱処理を必要とせず、鋼管の生産効率の向上、製造コスト低減が可能であり、さらには３点曲げ吸収エネルギーの向上により、鋼管の肉厚低減が可能となり、自動車重量の軽量化に寄与でき、産業上格段の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】３点曲げ試験方法の概略を示す説明図である。
【図２】３点曲げ吸収エネルギー値の定義を示す説明図である。
【図３】本発明鋼管と従来鋼管の３点曲試験結果を示すグラフである。

Claims

質量％で、
Ｃ：0.05〜0.30％、 Si：0.01〜2.0 ％、
Mn：1.8 〜4.0 ％、 Al：0.005 〜0.10％
を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有する素材鋼管に、加熱または均熱処理を施したのち、α＋γ二相域またはその直上温度域で累積縮径率20％以上、圧延終了温度 800℃以下の絞り圧延を施すことを特徴とする自動車ドア補強用鋼管の製造方法。
前記組成に加えて、さらに、質量％で、下記Ａ〜Ｃ群のうちから選ばれた１群または２群以上を含有することを特徴とする請求項１に記載の自動車ドア補強用鋼管の製造方法。
記
Ａ群：Cu：１％以下、Ni：１％以下、Cr：２％以下、Mo：１％以下のうちから選ばれた１種または２種以上
Ｂ群：Nb：0.1 ％以下、Ｖ：0.5 ％以下、Ti：0.2 ％以下、Ｂ：0.003 ％以下のうちから選ばれた１種または２種以上
Ｃ群：REM ：0.02％以下、Ca：0.01％以下のうちから選ばれた１種または２種