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技術 成形性、加工性に優れた鋼管の製造方法

出願人 新日鐵住金株式会社
発明者 朝日均篠原康浩吉永直樹藤田展弘
出願日 2001年12月27日 (19年0ヶ月経過) 出願番号 2001-397802
公開日 2003年7月15日 (17年5ヶ月経過) 公開番号 2003-200205
状態 未査定
技術分野 金属圧延一般 管の製造;マンドレル 鋼の加工熱処理
主要キーワード 円周方向全域 鋼管材料 設備変更 鋼管温度 減肉率 メンバー部材 伸管加工 加工硬化係数
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(2003年7月15日)のものです。
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図面 (5)

課題

ハイドロフォーム成形性、部品加工時の曲げ成形性、伸管加工性に優れた鋼管の製造方法を提供する。

解決手段

熱間絞り圧延において縮径率が25%以上で、かつ、肉厚が減少するように圧延機間張力を付与して圧延することを特徴とする成形性、加工性に優れた鋼管の製造方法。

概要

背景

最近、従来の成型および接合の両工程の組み合わせで製造されていた部材に対して、その工程省略および製品品質信頼性向上を目的として、一体成形で製造する方法が多く適用されるようになってきた。例えば、自動車分野においては、車体の軽量化、組み立てコスト低減のニーズに伴い、複雑な形状の部材については鋼管からハイドロフォーム法を用いて一体成形加工する技術が適用されつつある。このような新たなハイドロフォーム成形法(特開平10−175026号公報参照)などの一体成形加工方法が実際に採用されれば、コストの削減や設計の自由度が拡大されるなどの大きなメリットが期待される。

このハイドロフォーム成形法のメリットを十分生かすためには、この成形法に適した特性を有する材料が必要となる。

例えば、第50回塑性加工連合講演大会(1999,447頁)において、ハイドロフォーム成形性に及ぼす鋼管のr値の影響が報告されているが、主としてシミュレーションによる解析結果のみであり、実際にハイドロフォーム成形性を向上させるために必要となる鋼管の材質特性を示しているものではない。また、実際にはハイドロフォーム成形性と共に、部品加工時の曲げ成形性、伸管加工性等の厳しい成形加工時にも良好な成形性が得られるための鋼管材料が必要である。

成形性に重要な鋼管特性として、r値の高い鋼管に関しては多くの特許出願がなされており、その代表的なものとして、特開2001−214218号公報では、帯鋼電縫溶接してなる鋼管に、Ac1温度以上に加熱後、600℃以上、Ac3以下の温度域縮径率30%以上の縮径圧延を施すか、更にこの圧延後の冷却中、冷却完了後に再加熱して熱処理することにより円周方向全域でr値が1.2以上の高加工性鋼管とその製造方法が提案されている。

しかしながら、上述したようなハイドロフォーム成形性、部品加工時の曲げ成形性、伸管加工性等の厳しい成形加工に適した材料開発は実用レベルでは殆んど行われておらず、通常の電縫管を成形可能な用途で使用したり、シームレス鋼管を熱処理して使用したりしている。

概要

ハイドロフォーム成形性、部品加工時の曲げ成形性、伸管加工性に優れた鋼管の製造方法を提供する。

熱間絞り圧延において縮径率が25%以上で、かつ、肉厚が減少するように圧延機間張力を付与して圧延することを特徴とする成形性、加工性に優れた鋼管の製造方法。

目的

本発明は、熱間絞り圧延における圧延条件の規定により、ハイドロフォーム成形性、更には部品加工時の曲げ成形性、伸管加工性等の厳しい成形加工における成形加工特性に優れた鋼管の製造方法を提供するものである。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

熱間絞り圧延において縮径率が25%以上で、かつ、肉厚が減少するように圧延機間張力を付与して圧延することを特徴とする成形性、加工性に優れた鋼管の製造方法。

請求項2

熱間絞り圧延においてフェライト体積率が20%以上となる温度における縮径率が25%以上で、かつ、肉厚が減少するように圧延機間張力を付与して圧延することを特徴とする成形性、加工性に優れた鋼管の製造方法。

請求項3

前記熱間絞り圧延前の加熱温度Ac3以上であることを特徴とする請求項1または2記載の成形性、加工性に優れた鋼管の製造方法。

請求項4

前記熱間絞り圧延の終了温度が600℃以上であることを特徴とする請求項1〜3のうちのいずれか1項に記載の成形性、加工性に優れた鋼管の製造方法。

技術分野

0001

本発明は、例えば、自動車足回りメンバー部材、その他の機械組み立て品などに用いられ、ハイドロフォーム成型性曲げ成形性、伸管加工性等に優れた鋼管に関する。

背景技術

0002

最近、従来の成型および接合の両工程の組み合わせで製造されていた部材に対して、その工程省略および製品品質信頼性向上を目的として、一体成形で製造する方法が多く適用されるようになってきた。例えば、自動車分野においては、車体の軽量化、組み立てコスト低減のニーズに伴い、複雑な形状の部材については鋼管からハイドロフォーム法を用いて一体成形加工する技術が適用されつつある。このような新たなハイドロフォーム成形法(特開平10−175026号公報参照)などの一体成形加工方法が実際に採用されれば、コストの削減や設計の自由度が拡大されるなどの大きなメリットが期待される。

0003

このハイドロフォーム成形法のメリットを十分生かすためには、この成形法に適した特性を有する材料が必要となる。

0004

例えば、第50回塑性加工連合講演大会(1999,447頁)において、ハイドロフォーム成形性に及ぼす鋼管のr値の影響が報告されているが、主としてシミュレーションによる解析結果のみであり、実際にハイドロフォーム成形性を向上させるために必要となる鋼管の材質特性を示しているものではない。また、実際にはハイドロフォーム成形性と共に、部品加工時の曲げ成形性、伸管加工性等の厳しい成形加工時にも良好な成形性が得られるための鋼管材料が必要である。

0005

成形性に重要な鋼管特性として、r値の高い鋼管に関しては多くの特許出願がなされており、その代表的なものとして、特開2001−214218号公報では、帯鋼電縫溶接してなる鋼管に、Ac1温度以上に加熱後、600℃以上、Ac3以下の温度域縮径率30%以上の縮径圧延を施すか、更にこの圧延後の冷却中、冷却完了後に再加熱して熱処理することにより円周方向全域でr値が1.2以上の高加工性鋼管とその製造方法が提案されている。

0006

しかしながら、上述したようなハイドロフォーム成形性、部品加工時の曲げ成形性、伸管加工性等の厳しい成形加工に適した材料開発は実用レベルでは殆んど行われておらず、通常の電縫管を成形可能な用途で使用したり、シームレス鋼管を熱処理して使用したりしている。

発明が解決しようとする課題

0007

本発明は、熱間絞り圧延における圧延条件の規定により、ハイドロフォーム成形性、更には部品加工時の曲げ成形性、伸管加工性等の厳しい成形加工における成形加工特性に優れた鋼管の製造方法を提供するものである。

課題を解決するための手段

0008

本発明では、鋼管を母管として、さらに熱間絞り圧延する場合の圧延条件を規定することで成形加工性に優れた鋼管を提供するものである。

0009

即ち、本発明の要旨とするところは、熱間絞り圧延において、縮径率25%以上で、かつ、肉厚が減少するように圧延機間張力を付与して圧延することを特徴とする成形性、加工性に優れた鋼管の製造方法、である。或いは、本発明は、熱間絞り圧延においてフェライト体積率が20%以上となる温度における縮径率が25%以上で、かつ、肉厚が減少するように圧延機間張力を付与して圧延することを特徴とする成形性、加工性に優れた鋼管の製造方法、である。更に、上記発明のいずれかにおいて、好ましくは、前記熱間絞り圧延前の加熱温度がAc3以上であること、また、前記熱間絞り圧延の終了温度が600℃以上である成形性、加工性に優れた鋼管の製造方法、である。

発明を実施するための最良の形態

0010

以下に、本発明を詳細に説明する。

0011

一般に鋼管の成形加工性を向上させるためにはn値加工硬化係数)、または一様伸びを高めることが必要であることが知られているが、本発明者らは、この事実に加え、さらに、鋼管長手方向のr値(ランクフォード値)、つまり、rL値を高めることにより、ハイドロフォーム成形、性部品加工時の曲げ成形性、伸管加工性等の厳しい成形加工における成形性が向上することを見出した。

0012

図1はハイドロフォーム成形における最大拡管率とrL値の関係を示したものであるが、rL値が高くなると成形における最大拡管率も高くなることが分かる。

0013

このように、ハイドロフォーム成形および部品加工時の曲げ成形性、伸管加工性等の成形加工性を高めるためには従来知られているn値と共に、rL値を高めることが必要であることが分かった。

0014

また、一般に、冷間で製管した鋼管は製管加工時に歪みが導入されるためn値が低くなり、例えば、電縫管に比べてこの電縫管を母管として熱処理したり、又は、熱間絞り加工した鋼管の方がn値が高く、加工性が良いことが知られている。

0015

例えば、特開2001−214218号公報には熱間絞り圧延において所定圧延温度域で縮径率が高くなるとrL値が高まることが開示されている。しかし、この方法では、部品加工時の曲げ成形性、伸管加工性等のより厳しい成形加工においても優れた成形加工特性を得るためには充分とは云えないため、本発明者らはさらに高いrL値を得るための熱間絞り圧延における圧延条件を鋭意検討した。

0016

一般に、絞り圧延は多段絞り圧延機を用いて圧延機間でのバックリングを防ぐためにわずかに張力をかけて絞り圧延が行われる。通常の絞り圧延時の圧延機間張力は、バックリングを抑制できる程度の小さな張力のため、絞り圧延後の鋼管成品の肉厚は、縮径により圧延前の母管に比べて同じかまたは増肉される。

0017

本発明者らは、絞り圧延における縮径率と圧延機間張力に着目し、これらの条件を詳細に検討した結果、絞り圧延時の縮径率を所定値以上にすると共に、圧延機間の張力を従来に比べて非常に高くして鋼管の肉厚が減少するようにするとrL値が大幅に向上することを見出した。

0018

図2増肉率が0%(一定)になるように絞り圧延した場合の縮径率とrL値の関係を示す。なお、縮径率および増肉率は以下のように定義される。

0019

縮径率(%)=(母管外径縮径圧延後の成品外径)/(母管外径)×100増肉率(%)=(縮径圧延後の成品肉厚−母管肉厚)/(母管肉厚)×100また、rL値は縮径圧延後の成品(管)から弧状引張り試験片を加工し、引張り変形時の周方向(板での幅方向に相当)変形と引張り方向変形を測定し、体積一定の仮定の下、周方向変形と肉厚変形を求め計算した。

0020

図2から絞り圧延における縮径率の増加に伴ってrL値は向上し、従来(rL値:1.0未満)に比べてrL値を向上させるためには、絞り圧延における縮径率を25%以上とする必要がある。また、図3には、縮径率が25%(一定)になるように絞り圧延した場合の増肉率とrL値の関係を示す。この図から、増肉率が負(−)になる、つまり、減肉となるように圧延機間の張力を付与して絞り圧延することによりrL値を大幅に向上できることがわかる。

0021

従来、絞り圧延における縮径率を増加することによりrL値を向上させる方法は知られているが、この方法を用いる限り、最大母管径は圧延機ハウジングの大きさにより制約されるため、成品径が比較的大きい鋼管成品を絞り圧延する場合には、縮径率の増加に限界が生じ、充分に高いrL値を得ることができない。例えば、成品径が112.5mmの鋼管のrL値を1.5以上とするためには、増肉率が10%の場合、母管径が281mmの大きな母管を用いる必要(縮径率:60%)が生じる。このような母管径の大きい母管(圧延素材)を圧延するためには、ハウジングの大きな圧延機に設備変更する必要があり、非常に費用がかかり経済性の点で問題となる。

0022

一方、本発明では、絞り圧延において縮径率と共に増肉率を減少するように圧延機間の張力を付与するため、従来に比べて低い縮径率でも充分に高いrL値を得られ、母管(圧延素材)の母管径を大きくするために圧延機の変更を行う必要はない。例えば、母管径が150mmの比較的小さな母管を用いて成品径が112.5mmの鋼管のrL値を1.5以上に向上させる場合でも、増肉率が−20%となるように圧延機間張力を付与して縮径率:25%での絞り圧延することにより達成できる。

0023

以上の知見から、本発明では、従来に比べて充分に高いrL値(従来のrL値:1.0未満)を経済的に得るために、熱間絞り圧延において縮径率が25%以上で、かつ、肉厚が減少するように圧延機間張力を付与することとする。

0024

熱間絞り圧延時の縮径率及び減肉率の増加によるrL値の向上は、縮径率及び圧延機間張力の増加に伴い加工フェライトが増加し、この加工フェライトが再結晶された結果、rL値が向上したものと考えられる。

0025

さらに、本発明者らの検討の結果、rL値は、熱間絞り圧延時の温度によって影響され、フェライト分率が高くなる温度で縮径圧延することにより、さらにrL値の向上が図られることがわかった。

0026

図4に、増肉率が0%および−10%のそれぞれの条件で、フェライト分率が20%、50%および80%となる温度で熱間絞り圧延した場合の縮径率とrL値の関係を示す。通常の熱間絞り圧延では、母管(鋼管)をオーステナイト域温度以上に加熱直後に、絞り圧延が行われるため、その絞り圧延におけるフェライト分率は20%未満である。図4から明らかなように同じ縮径率および増肉率(圧延機間張力)の条件でも、絞り圧延時の温度をフェライト分率が20%以上となる温度に制御して絞り圧延を行うことによりrL値はさらに向上することがわかる。これは、絞り圧延時のフェライト分率の増加により加工フェライトがさらに増加し、この加工フェライトの再結晶によりrL値が向上したものと考えられる。

0027

図4より、フェライト分率(体積率)が20%以上となる温度で熱間絞り圧延を行うことにより、従来に比べて、比較的低い縮径率でもrL値を向上させることができるが、縮径率が25%未満になると、1.0以上の充分なrL値が得られなくなるため、本発明では、熱間絞り圧延においてフェライト体積率が20%以上となる温度における縮径率が25%以上で、かつ、肉厚が減少するように圧延機間張力を付与して圧延することとする。

0028

なお、通常の熱間絞り圧延は、母管(鋼管)をオーステナイト域温度以上に加熱直後に絞り圧延が行われるが、本発明では、母管(鋼管)の加熱後、放冷または強制冷却することによりフェライト分率が20%以上になる温度とし、この温度において縮径率が25%以上で、かつ、肉厚が減少するように圧延機間張力を付与して絞り圧延を行うものである。

0029

なお、フェライト分率が20%になる温度は、絞り圧延に用いられる母管(鋼管)の化学成分で決まる変態温度および加熱温度によって異なるため例えば、特定鋼種及び温度履歴で絞り圧延の模擬実験を行い、その冷却速度におけるγ−αの変態膨張量測定値を基に変態膨張曲線を予め求めておき、これから得られる特定温度のフェライト分率に基づいてその温度を決定することが好ましい。

0030

圧延機間の張力は、絞り圧延に使用する圧延機の台数、各材料鋼種によって異なる変形抵抗などの諸条件によって異なるため、例えば、特定条件下ロール周速の変化などにより圧延機間張力を変化させ、減肉率の増加量と圧延機間張力との関係を予め求めておき、この関係から所定減肉率を得るために必要な圧延機間張力を設定することができる。また、減肉率が増加するほどrL値は向上するが、圧延機間の張力を過度に増加すると、圧延ロールの間で鋼管がスリップして、鋼管表面に疵が発生し、成品の成形加工性が低下するが、この場合は、絞り圧延に使用する圧延機の段数を増やすことによりスリップの発性を抑制することができる。

0031

また、熱間絞り圧延前の鋼管(母管)の加熱温度は、一旦オーステナイト域に加熱して鋼管(母管)の製造前歴、或いは、溶接管を母管として使用する場合には溶接部均質化し、絞り圧延前の初期集合組織ランダム化してrL値を向上させるために、Ac3点以上とする。

0032

本発明のように高い縮径率で熱間絞り圧延する場合には、鋼管温度の低下が助長されるために加工フェライトが再結晶され難く、rL値ばかりか、n値の向上を阻害されやすい。従って、本発明では、加工フェライトの再結晶を充分に行わせるために、熱間絞り圧延の終了温度を600℃以上とする。特に、高いn値が必要な場合は熱間絞り圧延の終了温度を700℃以上とすることが望ましい。

0033

なお、本発明で使用される鋼管用素材としては、質量%で、C:0.0005〜0.5%、Si:0.001〜2.0%、Mn:0.01〜3.0%を主要成分とし、更に必要に応じて、Ni:3%以下、Cr:3%以下、Cu:2%以下、Mo:2%以下、W:2%以下、Co:3%以下、Sn:0.5%以下の1種または2種を合計で0.001〜3.5%以下含有することが望ましい。更に、鋼管が要求される特性に応じて、必要によりTi:0.3%以下、Nb:0.3%以下、V:0.3%以下の1種または2種を合計で0.005〜0.3%含有してもよい。また、Al,Zr,Mg,P,B,Ca等を少量添加することも差し支えない。

0034

表1に示す主要化学成分を有する鋼板を、通常の電縫管工程で外径127mm、肉厚2.6mmの鋼管を製造した。この鋼管を、表2に示す条件で縮径加工し、製造された鋼管のn値とrL値を測定した。表2に示すように、本発明範囲内にある本発明例1〜12の鋼管はrL値が1.0を超える良好な値を示す。比較例13、15では縮径率が10%、15%と小さいので、減肉になるように張力が付与されていてもrL値は低い。比較例14、16では増肉になっているので、縮径率は充分ではあるものの、rL値は低かった。

0035

なお、表2における縮径率および増肉率は以下のように定義される。

0036

縮径率(%)=(母管外径−縮径圧延後の成品外径)/(母管外径)×100
増肉率(%)=(縮径圧延後の成品肉厚−母管肉厚)/(母管肉厚)×100
また、rL値は縮径圧延後の成品(管)から弧状引張り試験片を加工し、引張り変形時の周方向(板での幅方向に相当)変形と引張り方向変形を測定し、体積一定の仮定の下、周方向変形と肉厚変形を求め計算した。

0037

また、絞り圧延時のフェライト分率は、予め特定鋼種及び温度履歴で絞り圧延の模擬実験を行い、その冷却速度におけるγ−αの変態膨張量の測定値を基に変態膨張曲線を求め、これから絞り圧延温度におけるフェライト分率(変態膨張曲線から求めたγ+αに対するαの膨張量の比率)に基づいて求めた。

0038

n値は5%歪みから15%歪みの間の平均加工硬化率を測定した。

0039

0040

発明の効果

0041

本発明は、熱間絞り圧延の条件を規定することで成形性、加工性に優れた鋼管を提供することができる。

図面の簡単な説明

0042

図1ハイドロフォーム加工での最大拡管率とrL値の関係を示す図。
図2熱間絞り圧延における縮径率とrL値の関係を示す図。
図3熱間絞り圧延における増肉率とrL値の関係を示す図。
図4熱間絞り圧延における縮径率とrL値の関係におよぼすフェライト分率の影響を示す図。

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