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技術 疲労耐久性に優れた中空スタビライザー用電縫溶接鋼管

出願人 日新製鋼株式会社日新鋼管株式会社
発明者 面迫浩次平松昭史
出願日 1998年12月11日 (21年4ヶ月経過) 出願番号 1998-353401
公開日 2000年6月27日 (19年10ヶ月経過) 公開番号 2000-178688
状態 特許登録済
技術分野
  • -
主要キーワード 歪エネルギ X線式 アズロール 継ぎ目無し 軟化部分 残留応力測定装置 トルク振幅 ミクロクラック
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2000年6月27日)のものです。
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図面 (1)

目的

疲労耐久性に優れ高強度の中空スタビライザ用電縫鋼管を提供する。

構成

この電縫溶接鋼管は、C:0.03〜0.10%,Si:0.20〜1.0%,Mn:1.0〜2.5%,P:0.03%以下,S:0.005%以下,N+O:150ppm以下,Ti:0.02〜0.20%,Nb:0.02〜0.10%,全Al:0.01〜0.1%,B:0〜0.0050%,Ca:0〜0.0050%,Cr:0〜0.30%を含み、フェライト結晶粒径が10μm以下の微細フェライト及びパーライトが混在する混合組織をもち、熱影響部を含む電縫溶接部の硬さが400HV以下で最高硬さ最低硬さとの硬度差ΔHVが50HV以下に調整されている。外側表面の引張残留応力を300N/mm2 以下,表面粗さを最大高さでRy 10μm以下に調整することが好ましい。

概要

背景

自動車燃費向上に関する改善はめざましく、その対策の一つとして車体の軽量化が種々検討されている。たとえば、コーナリング時に車体のローリング緩和し、高速走行時に車体の走行定性を確保するため、スタビライザが使用されている。スタビライザとしては、SUP6,S45C等の棒鋼製品形状に加工して焼入れ焼戻し処理した中実スタビライザ,軽量化を図るためS20C等の継ぎ目無し鋼管電縫溶接鋼管を焼入れ焼戻し処理した中空スタビライザ等が従来から使用されている。コスト低減,軽量化が強く要求されている昨今では、焼入れ焼戻し等の熱処理工程を省略したアズロール型中空スタビライザの検討も進められている。アズロール型中空スタビライザでは、調質熱処理前提にする中空スタビライザのように強度が比較的低い鋼管を用いて複雑な曲げ加工を施すことなく、高強度鋼管を比較的単純な形状に成形加工し、アーク溶接等により他の部品接合して製造する方法も採用され始めている。このような製造方法から、中空スタビライザ用鋼管として、電縫溶接に加え、アーク溶接等による他部品と接合したときの熱影響部についても硬化軟化が生じ難い電縫溶接鋼管が望まれている。

概要

疲労耐久性に優れ高強度の中空スタビライザ用電縫鋼管を提供する。

この電縫溶接鋼管は、C:0.03〜0.10%,Si:0.20〜1.0%,Mn:1.0〜2.5%,P:0.03%以下,S:0.005%以下,N+O:150ppm以下,Ti:0.02〜0.20%,Nb:0.02〜0.10%,全Al:0.01〜0.1%,B:0〜0.0050%,Ca:0〜0.0050%,Cr:0〜0.30%を含み、フェライト結晶粒径が10μm以下の微細フェライト及びパーライトが混在する混合組織をもち、熱影響部を含む電縫溶接部の硬さが400HV以下で最高硬さ最低硬さとの硬度差ΔHVが50HV以下に調整されている。外側表面の引張残留応力を300N/mm2 以下,表面粗さを最大高さでRy 10μm以下に調整することが好ましい。

目的

効果

実績

技術文献被引用数
2件
牽制数
3件

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請求項1

C:0.03〜0.10重量%,Si:0.20〜1.0重量%,Mn:1.0〜2.5重量%,P:0.03重量%以下,S:0.005重量%以下,N+O:150ppm以下,Ti:0.02〜0.20重量%,Nb:0.02〜0.10重量%,全Al:0.01〜0.1重量%を含み、残部が実質的にFeの組成をもち、フェライト結晶粒径が10μm以下の微細フェライト及びパーライトが混在する混合組織をもち、熱影響部を含む電縫溶接部の硬さが400HV以下で最高硬さ最低硬さとの硬度差ΔHVが50HV以下である疲労耐久性に優れた中空スタビライザ電縫溶接鋼管

請求項2

更に0.0050重量%以下のBを含む請求項1記載の疲労耐久性に優れた中空スタビライザ用電縫溶接鋼管。

請求項3

更に0.0050重量%以下のCaを含む疲労耐久性に優れた請求項1又は2記載の中空スタビライザ用電縫溶接鋼管。

請求項4

更に0.30重量%以下のCrを含む請求項1〜3の何れかに記載の疲労耐久性に優れた中空スタビライザ用電縫溶接鋼管。

請求項5

外側表面の引張残留応力が300N/mm2 以下である請求項1〜4の何れかに記載の疲労耐久性に優れた中空スタビライザ用電縫溶接鋼管。

請求項6

最大高さRy が10μm以下の表面粗さに調整された外側表面をもつ請求項1〜5の何れかに記載の疲労耐久性に優れた中空スタビライザ用電縫溶接鋼管。

技術分野

0001

本発明は、自動車走行定性を保持する中空スタビライザに適し、溶接熱影響部が硬化又は軟化し難く、疲労耐久性に優れた高強度電縫溶接鋼管に関する。

背景技術

0002

自動車の燃費向上に関する改善はめざましく、その対策の一つとして車体の軽量化が種々検討されている。たとえば、コーナリング時に車体のローリング緩和し、高速走行時に車体の走行安定性を確保するため、スタビライザが使用されている。スタビライザとしては、SUP6,S45C等の棒鋼製品形状に加工して焼入れ焼戻し処理した中実スタビライザ,軽量化を図るためS20C等の継ぎ目無し鋼管や電縫溶接鋼管を焼入れ焼戻し処理した中空スタビライザ等が従来から使用されている。コスト低減,軽量化が強く要求されている昨今では、焼入れ焼戻し等の熱処理工程を省略したアズロール型中空スタビライザの検討も進められている。アズロール型中空スタビライザでは、調質熱処理前提にする中空スタビライザのように強度が比較的低い鋼管を用いて複雑な曲げ加工を施すことなく、高強度鋼管を比較的単純な形状に成形加工し、アーク溶接等により他の部品接合して製造する方法も採用され始めている。このような製造方法から、中空スタビライザ用鋼管として、電縫溶接に加え、アーク溶接等による他部品と接合したときの熱影響部についても硬化や軟化が生じ難い電縫溶接鋼管が望まれている。

発明が解決しようとする課題

0003

アズロール型中空スタビライザに使用される電縫溶接鋼管の特性を改善するため従来から種々の改良が提案されているが、電縫溶接部及び他部品との接合部の双方で硬化又は軟化を抑制する有効な方法は提案されていない。たとえば、特開平2−197525号公報では、C:0.08〜0.23重量%でMn,Si,Nbを特定量以下に規制し、Cr,Moの1種以上を添加した鋼を熱間圧延後に電縫溶接し、造管ままで又は歪取り焼鈍して引張強さ60〜100kgf/mm2 以上の鋼管を製造している。また、特開平6−10046号公報では、溶接時に熱影響部が軟化し難い合金設計を採用し、高強度鋼管の疲労強度を改善している。しかし、何れも0.3〜1.0重量%のCr又は0.3〜1.0重量%のMoを添加した中炭素鋼を使用することから、鋼材コストが高くなるばかりか、溶接熱影響部にベイナイトマルテンサイト等の低温変態相が生じ易くなる。低温変態相は、熱影響部を硬化又は軟化させる原因となる。

課題を解決するための手段

0004

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、C含有量下げ鋼種においてSi,Mnによる固溶強化,Ti,Nbの析出硬化フェライト粒微細化による高強度化等を図ることにより、電縫溶接部及び他部品との溶接接合部が硬化又は軟化し難く、スタビライザとして重要な特性である疲労特性にも優れ、690〜1100N/mm2 の引張強さをもつ高強度電縫溶接鋼管を提供することを目的とする。

0005

本発明の中空スタビライザ用電縫溶接鋼管は、その目的を達成するため、C:0.03〜0.10重量%,Si:0.20〜1.0重量%,Mn:1.0〜2.5重量%,P:0.03重量%以下,S:0.005重量%以下,N+O:150ppm以下,Ti:0.02〜0.20重量%,Nb:0.02〜0.10重量%,全Al:0.01〜0.1重量%を含み、残部が実質的にFeの組成をもち、フェライト結晶粒径が10μm以下の微細フェライト及びパーライトが混在する混合組織をもち、熱影響部を含む電縫溶接部の硬さが400HV以下で最高硬さ最低硬さとの硬度差ΔHVが50HV以下であることを特徴とする。使用する鋼材は、更に0.0050重量%以下のB,0.0050重量%以下のCa及び0.30重量%以下のCrの1種又は2種以上を含むことができる。電縫溶接鋼管は、外側表面の引張残留応力が300N/mm2 以下,最大高さRy 10μm以下の表面粗さに外側表面を調整することが好ましい。

0006

本発明が対象とする鋼材は、加工性を確保し、溶接部の硬化を防止するためにC含有量を低下させている。C含有量の低下に起因する強度不足は、Si,Mnによる固溶強化,Ti,Nbの析出強化及びフェライト粒の微細化により解消している。また、Ti,Nb添加により、溶接熱影響部の軟化を防止している。このような合金設計に基づき、種々の調査実験から各合金成分を定量化することにより、電縫溶接部及び他部品との溶接接合部の双方において熱影響部が硬化又は軟化せず、優れた疲労強度及び引張強さを示す電縫溶接鋼管が得られる。

0007

以下、本発明電縫溶接鋼管に含まれる合金成分,含有量等を説明する。
C:0.03〜0.10重量%
強度向上のために0.03重量%以上のCが必要であるが、本発明では、加工性、溶接部の延性を確保するためC含有量を低く設定した。C含有量が0.10重量%を超えて多量に含まれると、溶接部の延性や鋼管の強度が劣化し、ベイナイト又はマルテンサイト組織になり、溶接熱影響部が軟化しやすく、加工性及び疲労耐久性も劣化する。
Si:0.20〜1.0重量%
固溶強化型の合金成分であり、C含有量を下げた本発明の鋼種にあっては、強度を確保するために0.20重量%のSiが必要である。しかし、1.0重量%を超えるSiが含まれると、スラブの加熱時にファイアライトが生成し、熱間圧延時のデスケール性が劣化する。その結果、疲労の起点となる表面疵が発生しやすく、疲労耐久性を劣化させる傾向がみられる。また、多量のSi含有量は、電縫溶接鋼管の溶接性及び靭性にも悪影響を及ぼす。

0008

Mn:1.0〜2.5重量%
強度及び靭性を確保するために必要な合金成分であり、1.0重量%以上でMnの添加効果が顕著になる。しかし、2.5重量%を超える過剰量のMnは、靭性に悪影響を及ぼすばかりでなく、焼入れ性を増大させて溶接部の靭性劣化,溶接熱影響部の軟化の原因になる。
P:0.03重量%以下
耐溶接割れ性及び靭性に悪影響を及ぼす成分であるため、P含有量を0.03重量%(好ましくは0.020重量%以下)に規制した。
S:0.005重量%以下
展延性のある非金属介在物MnSを生成し、加工性及び靭性を劣化させる有害性分である。また、Mnによる固溶強化を狙った鋼種であることから、Mnの添加効果を損わないためにS含有量の上限を0.005重量%(好ましくは、0.002重量%)に設定した。

0009

N+O:150ppm以下
Nは、TiNを形成し、溶接時に結晶粒の粗大化を抑制する合金成分である。しかし、多量のNが存在すると、固溶Nによる時効硬化が現われ、靭性が劣化する傾向がみられる。他方、酸素は、疲労破壊の起点となる酸化物を生成し、疲労耐久性を劣化させる。そこで、本発明においては、N及びOの合計含有量を150ppm以下に規制した。
Ti:0.02〜0.20重量%
溶接熱影響部の結晶粒を微細化する作用を呈する炭窒化物となり、強度向上に有効な合金成分である。結晶粒の微細化により、溶接熱影響部の靭性も向上する。このような効果は、0.02重量%以上のTi含有量で顕著になる。しかし、0.20重量%を超える多量のTiが含まれると、却って靭性が劣化する。

0010

Nb:0.02〜0.10重量%
結晶粒の微細化を促進させる炭窒化物となり、溶接熱影響部の軟化防止に有効な合金成分である。軟化抑制作用及び母材の高強度化は、0.02重量%以上のNb添加で顕著になる。しかし、0.10重量%を超える多量のNbを添加すると、鋼材コストが上昇するばかりでなく、溶接性及び靭性が劣化する虞れがある。
全Al:0.01〜0.1重量%
溶製段階で脱酸剤として添加される合金成分であり、Nを固定する作用も呈する。このような作用は、0.01重量%以上のAl含有量で顕著となる。しかし、鋼中のAl量が0.1重量%を超えると、非金属介在物が多量になって鋼材の清浄度が損われ、鋼板表面に疵が発生しやすくなる。

0011

B:0.0050重量%以下
必要に応じて添加される合金成分であり、極微量の添加で結晶粒界歪エネルギを低下させて靭性を改善する。しかし、0.0050重量%を超える過剰量のBを添加すると、溶接時にベイナイト組織が生じ易くなり、溶接熱影響部を硬化させ、靭性を劣化させる傾向が現れる。

0012

Ca:0.0050重量%以下
必要に応じて添加される合金成分であり、MnS等の硫化物系介在物の形態を制御し、局部伸び及び靭性を向上させる作用を呈する合金成分である。そのため、優れた加工性が要求される場合に添加される。しかし、0.0050重量%を超えるCaの過剰添加は、非金属介在物の多量生成により鋼材の清浄度を低下させ、溶接性を劣化させる原因となる。
Cr:0.30重量%以下
必要に応じて添加される合金成分であり、溶接熱影響部の焼戻し軟化抵抗を向上させると共に、炭化物を微細化する作用を呈する。しかし、0.3重量%を超える過剰量のCrを添加すると、バンド状組織が生じ易くなると共に、焼入れ性が増加して溶接熱影響部の靭性が劣化する。

0013

結晶粒径10μm以下のフェライトとパーライトとの混合組織:金属組織は、本発明で重要な役割をもつ。強度レベルが同じ鋼材にあっては、素材組織をフェライト+パーライトの混合組織にすることにより、フェライト+ベイナイト組織,ベイナイト単相組織,フェライト+マルテンサイト組織等に比較して、延性は若干低下するものの疲労強度が向上する。疲労強度の向上にフェライト+パーライトの混合組織が有効なことは、本発明者等によって始めて見出されたものであり、詳細な理由は不明であるが次のように推察される。軟質のフェライトと硬質のベイナイト又はマルテンサイトが混在する組織では、フェライト相とベイナイト又はマルテンサイト相との間で塑性変形能の差が大きく、相界面ミクロクラックが発生しやすい。これに対し、フェライト+パーライト組織は、フェライト+ベイナイト組織,ベイナイト単相組織,フェライト+マルテンサイト組織等のようにラス状に変態したものに比較して、破壊亀裂の成長伝播を緩和する作用が強い。なかでも、フェライト結晶粒径を10μm以下にすると、緩和作用が一層顕著になる。

0014

しかも、電縫溶接部の熱影響部がマルテンサイトやベイナイトの混在する組織になった電縫溶接鋼管では、焼戻しによって組織が急激に軟化する。軟化部分は、応力が集中しやすく、疲労耐久性を劣化させる。これに対し、本発明では、微細なTi及びNbの炭窒化物によりフェライトが結晶粒径10μm以下に微細化され、パーライトと混在しているので、溶接熱影響部の軟化が抑制される。しかも、溶接熱影響部の硬化及び軟化に対する抑制効果は、他部品を電縫溶接鋼管に溶接する場合にも有効に発現され、スタビライザに要求される耐久性の劣化が抑制される。更には、溶融部においても、Ti,Nbの炭窒化物によって結晶粒の粗大化が防止される。

0015

電縫溶接部:硬さ400HV以下,硬度差ΔHV50HV以下
疲労破壊の原因である応力集中は、溶接で生じた軟化部や溶接熱影響部の硬化部に生じ易い。また、最高硬さが400HVを超えると切欠感受性が鋭くなり、疲労耐久性が劣化する。疲労耐久性の向上には硬さを均一化することも有効であり、溶接熱影響部を含む電縫溶接部の最高硬さと最低硬さ(軟化部の硬さ)との硬度差ΔHVを50HV以下にすると、応力集中が緩和され疲労耐久性が向上する。

0016

電縫溶接鋼管の外側表面:電縫溶接鋼管の疲労耐久性は、表面の引張残留応力によって低下する。そこで、一般にはショットピーニングによって圧縮残留応力負荷し、引張残留応力を抑えている。このことから、スタビライザ用素管として使用される電縫溶接鋼管の引張残留応力は可能な限り低くすることが好ましい。電縫溶接鋼管の引張残留応力が300N/mm2 を超えると、ショットピーニングによる効果が小さくなり、疲労耐久性が劣化する傾向が現れる。また、電縫溶接鋼管の外側表面にある疵等は、疲労破壊の起点として働き、疲労耐久性を劣化させる。そこで、電縫溶接鋼管の外側表面を最大高さRy で10μm以下の表面粗さに調整して疲労破壊の起点をなくすとき、疲労耐久性が更に向上する。

0017

表1の組成をもつ各種鋼を溶製し、スラブに鋳造した。スラブを1250℃に加熱し、仕上げ圧延温度880℃,巻取り温度500℃で板厚2.6mmの熱延板に熱間圧延した。熱延板を酸洗し、スリットした後、直径21.0mmの高周波電縫溶接鋼管に造管し、直ちに高周波加熱により電縫溶接部を680℃に焼き戻した。

0018

0019

得られた電縫溶接鋼管について、90度2D曲げ試験で加工性を調査し、センタートルク振幅210N・mのねじり疲労試験で疲労特性を調査した。曲げ試験では、90度2D曲げで電縫溶接部に割れが発生しないことを加工性良否判定基準とした。ねじり疲労試験では、亀裂が発生したサイクル数疲労寿命とした。また、電縫溶接部の熱影響部について硬さ分布を測定し、熱影響部を含む電縫溶接部の最高硬さ−最低硬さを硬度差ΔHVとして求めた。最高硬さが400HV以下で、硬度差ΔHVが50以下を合格と判定した。電縫溶接鋼管の引張残留応力は,X線式残留応力測定装置を用いて電縫溶接部の外側表面を測定した。一部のサンプルについては、電縫溶接鋼管をアーク溶接した後で熱影響部の硬さ分布を測定した。このときのアーク溶接条件は、直径1.2mmのワイヤMGS80−1.2mmを用い、電流を140A,電圧を18V,溶接速度を40cm/分に設定した。

0020

表2の調査結果にみられるように、C含有量が高い試験番号1の電縫溶接鋼管では、電縫溶接部がマルテンサイト組織となって熱影響部の硬さが上昇するため、大きな硬度差ΔHVを示した。その結果、曲げ試験で割れが発生し、疲労試験においても電縫溶接部から亀裂が発生するため、短い疲労寿命であった。C含有量及びMn含有量の低い試験番号2の電縫溶接鋼管では、引張強さが低く、疲労寿命も短かった。Nb,Tiを過剰に添加した試験番号3の電縫溶接鋼管では、析出物が粗大化したことに加え、電縫溶接部がフェライト+ベイナイト組織になったため、大きな硬度差ΔHVを示した。その結果、曲げ試験で割れが発生し、疲労試験で電縫溶接部から亀裂が発生し、短い疲労寿命であった。多量のSi,Mnを含む試験番号4の電縫溶接鋼管では、最高硬さが高くなり、曲げ試験で加工割れが発生した。また、素材がベイナイト+マルテンサイトの組織になっているため、熱影響部が軟化し、大きな硬度差ΔHVを示した。その結果、疲労試験で電縫溶接部から亀裂が発生し、短い疲労寿命であった。S,Caを過剰に含む試験番号5の電縫溶接鋼管は、疲労破壊の起点となる介在物が粗大に成長しているため、短い疲労寿命を示した。Nb,Tiを添加していない試験番号6の電縫溶接鋼管では、熱影響部の軟化に起因して硬度差ΔHVが大きくなり、軟化部に応力が集中することから疲労寿命も短くなっていた。

0021

これに対し、本発明で規定した条件を満足する試験番号7〜14の電縫溶接鋼管は、何れも電縫溶接部の最高硬さが400HV以下,硬度差ΔHVが50HV以下になっており、試験番号1〜6に比較して疲労寿命が長く、曲げ加工によるわれも発生しなかった。アーク溶接した後でも、熱影響部の硬化が抑制されており、硬度差ΔHVも小さな値を示した。なかでも、試験番号7,8,13の電縫溶接鋼管では、外側表面の引張残留応力が300N/mm2 以下と低く、疲労耐久性に優れていた。次いで、試験番号10の鋼材を熱間圧延する際にデスケーリング条件を変化させることにより、表面粗さが異なる電縫溶接鋼管を製造した。電縫溶接鋼管の外側表面の表面粗さを最大高さRy で測定し、疲労試験における繰り返し回数と最大高さRy との関係を調査した。図1の調査結果から明らかなように、最大高さRy が10μm以下になったとき疲労耐久性が更に向上していた。

0022

発明の効果

0023

以上に説明したように、本発明の電縫溶接鋼管は、C含有量を下げて加工性を確保する共に、Ti,Nbの炭窒化物生成及び細粒化作用を利用して溶接熱影響部の軟化抑制と硬化抑制とを両立させることにより、疲労耐久性を改善している。しかも、高価なMo,V等の合金元素を必要とせず、従来のS45C,SUP6等に比較して熱処理も必要としないことから、低コストで引張強さ690〜1100N/mm2 の高強度中空スタビライザが提供される。更には、電縫溶接部が最高硬さ400HV以下で硬度差も小さく、電縫溶接部や他部品との溶接部が均一化され、応力集中が緩和されるために疲労破壊寿命も長くなる。

図面の簡単な説明

0024

図1電縫鋼管の外側表面の表面粗さが疲労特性に及ぼす影響を示したグラフ

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