JP6437415B2

JP6437415B2 - 鋼管を熱間曲げ加工する工法

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Publication number: JP6437415B2
Application number: JP2015196061A
Authority: JP
Inventors: 理生鈴森; 義之永山
Original assignee: Toyoda Iron Works Co Ltd
Current assignee: Toyoda Iron Works Co Ltd
Priority date: 2015-10-01
Filing date: 2015-10-01
Publication date: 2018-12-12
Anticipated expiration: 2035-10-01
Also published as: JP2017064771A

Description

本発明は鋼管を熱間曲げ加工する工法に関するものであり、詳しくは表面に亜鉛や銅の不純物が付着した鋼管を、溶融金属脆化を抑えながら熱間曲げ加工する方法に関するものである。

本来延性を示すはずの固体金属にある種の液体金属を接触させると突然脆性を示すようになる液体金属脆化という現象が古くから知られている。特に母材の金属が多結晶固体である場合は、その固体金属の結晶粒界に液体金属原子が急速に浸透していくことがこの脆化現象のひとつの原因であると考えられている。結晶粒界に液体金属が浸み込むと材料の強度が著しく低下するため、例えば自動車の足回り部分に使われる鋼鉄製部材など、繰り返しの大きな曲げ荷重にさらされる機械部材ではこのような脆化が起きないようにすることが重要である。材料の脆化を抑えることができれば製品を薄く軽くできるため、設計の自由度が高まる。

特許文献１では、ステンレス鋼管を曲げる際に割れが発生するのを防止するため、鋼管を加熱する前に鋼管の表面に付着している銅、亜鉛、アルミニウムなどの低融点金属を研磨によって除去するとともに表面を滑らかにする工程を設けた方法が記載されている。しかしながら熱処理の前に研磨を行うのは時間が掛かるうえに特別な設備を要するため費用も掛かり好ましくない。

特許文献２では、亜鉛めっき鋼板を加熱炉内で９００°Ｃ程度で４分間ほど加熱した後に熱間プレス成形する方法が記載されている。このプレス成形前の加熱によりめっき層の鉄亜鉛固溶体や酸化亜鉛以外の亜鉛を蒸発させ、熱間プレス成形時には液体亜鉛が残らず母材鋼板の表面に脆化による割れが全く発生しないようにしている。

特開昭５４−０６２１６２号公報特開２０１３−１８４２２１号公報

鉄鋼素材の表面には生産の段階から微細な割れ（クラック）が自然に一定の割合で存在し、これをあらかじめ完全になくすことは困難である。この自然な割れは素材を曲げ加工するときに曲がりの外側で広がる傾向にあるが、大きく開口した割れがあるとそこに溶融金属が入り込んで新たな表面に接触するため上述の溶融金属脆化がさらに起きやすくなる。実験によれば、表面にある一定の値以上の引っ張り方向の歪みが生じたときに溶融金属の浸入が起きやすくなることがわかっている。したがって、素材を熱間曲げ加工する必要がある場合には、曲げの時点で脆化を起こすような液体金属が素材表面になるべく存在しないことが望ましい。しかし特許文献１にはこのように曲げによって生じうる問題について何も触れていない。また、特に鋼管素材の場合、特許文献１に記載されているような研磨を鋼管の内側表面に施すのは難しい。

本発明では、鉄鋼素材の製造過程で付着しやすくかつ素材の脆化を起こす可能性のある不純物金属として、特に亜鉛と銅に着目している。亜鉛は沸点が約９０６°Ｃと低いため、上記特許文献２で示唆されているように鉄鋼素材を焼き入れ温度まで加熱することにより、蒸発させて表面から除去できる。一方、銅は融点が約１０８３°Ｃ以上と高く、通常の焼き入れ温度では溶融しないため、脆化には寄与しないと考えられた。しかし、銅とともに亜鉛が存在する場合、亜鉛が銅の中に固溶したり銅と合金（真鍮など）を形成したりして融点が例えば８４０°Ｃ程度までは下がる可能性があるため、銅も液体状態となって脆化に影響しうると本発明者は考えた。本発明は以上のような問題の少なくともひとつを抑制することを課題とする。

本発明のひとつの形態としての方法は、鋼管を熱間曲げ加工する工法であって、表面に亜鉛と銅を含む不純物が付着した鋼管を曲げることなく亜鉛の沸点以上の温度に加熱した後、この鋼管を一時的に冷却し、その後焼き入れ可能な温度以上かつ銅の融点未満の温度でその鋼管を局所的に加熱しながら曲げ、この曲げられた鋼管を冷却して焼入れする。

好ましい実施例として、鋼管がめっきや塗布により表面被膜が形成されていない裸材とすることもできる。

また好ましい実施例として、２回目の加熱を誘導加熱により行うこともできる。さらに１回目の加熱も誘導加熱により行い、間隔を空けて配置された各誘導コイルの中に鋼管を連続的に通すことによりそれぞれの加熱を行うこともできる。

また好ましい実施例として、鋼管の断面を長径と短径をもつ非円形断面とし、曲げる工程において長径側に曲げるようにすることもできる。

本発明によれば鋼管の表面に付着した亜鉛や銅やその合金が鋼管の熱間曲げの際に脆化を引き起こすのを抑制することができる。

本発明の方法を適用できる鋼管の形状の例と鋼管の表面に自然に存在する微細な割れを示す断面図である。鋼管を曲げたときに表面の微細な割れが開く様子を誇張して示す断面図である。本発明の方法の流れを不純物金属の変化とともに示す模式図である。

以下、本発明の各種実施例について図面を参照しながら説明する。本発明の方法は、鋼管を曲げて一箇所以上の曲がりを含む形状とする製造工程に適用することができる。鋼管の材料は焼き入れ可能な（焼き入れ硬化させて用いることを前提とした）炭素鋼であればいかなるものでもよい。鋼管の表面に亜鉛と銅を含む不純物が付着している場合、本発明の方法によれば溶融金属が微細な表面の割れに浸入することによる鋼管の脆化を抑えることができる。鋼管はめっきや塗布により表面に被膜が形成されていない裸材であるのが好ましい。裸材であると不純物金属が直接鋼管の素地に触れているため、溶融金属脆化が起きやすくなる。しかしめっき材であってもめっき層とその下の母材表面との間に亜鉛や銅が存在すればやはり脆化の問題は生じる可能性があると考えられる。

図１に示すように、鋼管１０の断面は任意の様々な形状とすることができ、何ら限定しない。例えば、一定の径をもつ円形断面１２のほか、長径ａと短径ｂをもつ長円形断面１４などの非円形断面（異形管ともいう）とすることもできる。あるいは正方形断面や長方形断面などの角管（図示せず）を用いることもできる。図１には、長円形断面１４の一例として、両側部に平行な平面状の壁を有する長円形断面の鋼管を示している。

図２に示すように、鋼管の表面には微細な割れ１６が自然に存在する。この微細な割れ１６は曲げの中立面を境として外側（引っ張り側）では広がる傾向にあるため、溶融金属が存在すると微細な割れ１６の奥まで浸入し脆化を引き起こす可能性が大きくなる。一方、曲げの内側では圧縮されるため、割れ１６の開口が閉じて液体金属の浸入の影響は小さい。特に、鋼管１０が長円形断面１４あるいは長方形の断面であって長径ａ側に（つまり長径方向を含む平面内で）曲げる場合など、曲げる方向の径が大きいほど曲げの外側の表面に生じる歪みが大きくなるため、口が開いた割れ１６に溶融金属が浸入するのを抑える必要性は大きくなる。

以下、図３を参照し、本発明の方法の実施例を説明する。まず、鋼管１０に変形を加えることなく鋼管１０を亜鉛の沸点（約９０６°Ｃ）以上の温度で加熱する。鋼管１０の加熱は様々な方法で行うことができる。例えば、後に述べるような誘導コイルを用いる誘導加熱や、赤外線加熱など外部の発熱体を利用する加熱を用いることもできる。

鋼管１０が加熱されると、表面に付着している亜鉛２０は液体状態を経て空気中に蒸発し、最終的に取り除かれる。加熱の温度は基本的に銅の融点よりも低いため鋼管の表面にある銅２２は固体のままである。また、銅は単体の形態ではなく鋼管の表面で亜鉛と固溶体や合金（真鍮など）２４を形成している場合も考えられる。この場合、固溶体ないし合金２４の融点は単体銅の融点から亜鉛の含有量に応じて下がり、亜鉛と銅の組成によっては約８４０°Ｃとなる。したがって加熱の温度が単体銅の融点より低くても鋼管表面には液体状態の銅成分が存在する可能性がある。このように加熱中には鋼管の表面に何らかの液体金属が存在する可能性があるため、鋼管には曲げなどの変形を何も加えないことが重要である。

次に、熱せられた鋼管１０は一時的に冷却する。鋼管１０の冷却は上記の加熱工程で溶融していた銅２２の成分が確実に再固化する温度になるまで行うのが好ましく、例えば亜鉛と銅の特定の中間化合物の融点である約８４０°Ｃ以下の温度まで冷却する。この冷却は周囲の室温空気による放冷や冷却水を掛ける水冷など、任意の方法により行うことができる。この冷却では鋼管を焼き入れ硬化させる必要はないが、目的に応じて完全あるいは不完全に焼き入れ硬化させてもよい。

次に、鋼管１０は焼き入れ可能な温度以上かつ銅の融点未満の温度（例えば約１０３０°Ｃ）で局所的に加熱しながら曲げる熱間曲げを行う。鋼管１０の熱間曲げは任意の公知の方法を用いることができる。好ましい例としては、高周波の交流電流を流したコイルの中に鋼管１０を通していき、電磁的に鋼管材料内に渦電流を誘導することによって熱する誘導加熱により行うとよい。誘導加熱は鋼管１０を短時間で高温（例えば１０００°Ｃ）まで昇温することができるとともに、コイルの幅に対応する鋼管１０の短い区間を局所的に加熱することができる。したがって加熱中に鋼管１０の端に力を加えると高温となっている特定の部位で鋼管１０を曲げることができ、変形を制御することが容易である。このような熱間曲げ方法は例えば国際公開第２００８／１２３５０５号に説明されている。

曲げ角度と曲げ半径も用途に応じて様々に変えることができる。曲げ角度は小さいほど曲げの外側の表面に生じる歪みが大きくなるため、口が開いた割れ１６に溶融金属が浸入するのを抑える必要性が増す。

次に、曲げられた鋼管１０を冷却して焼入れする。冷却速度は鋼鉄材料の焼き入れ性、素材の寸法、目的の用途に応じて様々に変えることができる。一つの実施例としては、前述の加熱工程のための誘導コイルのすぐ直後に冷却水を供給する冷却ユニットを配置することにより簡便に冷却することができる。

最初の加熱工程と２回目の加熱工程はひとつの製造ラインで連続的に行うことができる。例えば、一つの実施例として、各加熱工程に対応する誘導コイルを備えた２個の加熱ユニットを適当な距離（例えば５００ｍｍほど）だけ離して設置し、その中に鋼管１０を通していく。最初の加熱ユニットを通り抜けたところで周囲の室温空気により一時的な冷却を行い、２番目の加熱ユニットを通っている間に曲げ加工を行う。しかし、別の実施例として、別個のラインでそれぞれの加熱を行うこともできる。

以上の方法によって曲げた鋼管１０は様々な用途に用いることができるが、一つの実施例としては自動車など陸上車両のサスペンションのアーム部材として用いるのが適する。サスペンションのアームは他の骨格部材の合間を縫って配置されるため複雑な曲がり形状を必要とするうえに、車両の荷重を支えるため素材の脆化をなるべく抑える必要もある。しかしながら本発明を適用して曲げた鋼管１０は車両以外にも屈曲形状を有する様々な機械構造部材に用いることができる。

以上、本発明の実施例を具体的な態様に触れて説明したが、当業者であれば本発明の目的から逸脱することなく様々な置換、改良、変更を施すことが可能なことは明らかである。すなわち、本発明の実施例には添付した特許請求の範囲の真意と目的に適うあらゆる置換、改良、変更が含まれる。

試験例：２本の同一の長円形断面をもった鋼管素材を用意し、一方は従来の方法で熱間曲げ加工し、他方は本発明の方法を用いて一回目の加熱をした後に一旦冷却し、その後再び加熱しながら曲げ加工することにより試料を作成した。曲げられた２つの鋼管試料にはそれぞれ曲げの外側の表面に一定の応力を繰り返し加える試験を行った。従来の方法で曲げた試料は多くの繰り返し負荷を与えていくとある時点で曲げの外側から深い亀裂が入り破断したが、本発明の方法を適用して曲げた試料は従来の試料が破断したときの回数の約４．５倍の回数の繰り返し負荷を経てもなお破断しなかった。

１０鋼管
１２円形断面
１４長円形断面
２０亜鉛
２２銅
２４合金

Claims

鋼管を熱間曲げ加工する工法であって、表面に亜鉛と銅を含む不純物が付着した鋼管を曲げることなく亜鉛の沸点以上の温度に加熱した後、この鋼管を一時的に冷却し、その後焼き入れ可能な温度以上かつ銅の融点未満の温度でその鋼管を局所的に加熱しながら曲げ、この曲げられた鋼管を冷却して焼入れすることを特徴とする工法。
請求項１に記載した工法であって、鋼管がめっきや塗布により表面被膜が形成されていない裸材であることを特徴とする工法。
請求項１または請求項２に記載した工法であって、２回目の加熱を誘導加熱により行うことを特徴とする工法。
請求項３に記載した工法であって、１回目の加熱も誘導加熱により行い、間隔を空けて配置された各誘導コイルの中に鋼管を連続的に通すことによりそれぞれの加熱を行うことを特徴とする工法。
請求項１から請求項４に記載した工法であって、鋼管の断面が長径と短径をもつ非円形断面であり、曲げ工程において鋼管を長径側に曲げることを特徴とする工法。