(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼組成が、質量％で
Ｃ：０．０１〜０．０５％未満、
Ｓｉ：１．０％以下、
Ｍｎ：１．０％未満、
Ｐ：０．１５％以下、
Ｓ：０．０１５％以下およびＡｌ：０．０１〜０．１％を含み、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなるスラブを熱間圧延し、または、熱間圧延後さらに冷間圧延−焼鈍して得られた、熱延または冷延の帯状素材を円筒状に成形した後、継目部を電気抵抗溶接し、次いで、外周長の絞り率で０．３〜１０％のサイジングを施すことにより、ハイドロフォーミングによる拡管率（％）×ＴＳ（ＭＰａ）が、管端固定によるハイドロフォーミングの場合に６８００ＭＰａ・％以上であり、軸方向圧縮によるハイドロフォーミングの場合に１７０００ＭＰａ・％以上であり、素材硬度に対する最少熱影響部硬度の比が０．９０以上であることを特徴とするハイドロフォーミング性に優れた構造用電縫鋼管の製造方法。
【請求項２】
上記スラブは、上記成分組成に加えてさらに、下記Ａ群〜Ｃ群から選ばれる１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１に記載の構造用電縫鋼管の製造方法。
記
Ａ群；Ｎｂ：０．００５〜０．０４０％、Ｔｉ：０．００５％以上０．０５％未満、Ｂ：０．０００５〜０．０２０％のうちの一種または２種以上
Ｂ群；Ｃｕ：０．０２〜０．５％、Ｎｉ：０．０２〜１．０％、Ｃｒ：０．０２〜１．０％、Ｍｏ：０．０２〜１．０％のうちの１種または２種以上
Ｃ群；Ｃａ：０．００２０〜０．０２％、ＲＥＭ：０．００２０〜０．０２％のうちの１種または２種
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、自動車の構造部材や足回り部材などの使途に好適な鋼管であって、とくにハイドロフォーム時の加工性（以下、ハイドロフォーミング性）に優れ、しかも溶接熱影響部における軟化を抑制したハイドロフォーミング性に優れた構造用電縫鋼管に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車用の構造部材として用いられる、種々の断面形状をもつ中空部材を製造するには、従来、鋼板のプレス加工によって成形した部品同士をその溶接代であるフランジ部でスポット溶接することによって接合する方法が採用されてきた。
一方、最近になり、構造用の中空部材に対して、衝突時のより高い衝撃吸収能が求められるようになり、素材が一層高強度化したために、従来のプレス成形による方法では、成形欠陥のない、また成形品の形状・寸法精度が良好な部材を製造することが次第に困難になってきている。
【０００３】
このような問題を解決するための成形方法として、最近、ハイドロフォーミングが注目されている。ハイドロフォーミングは、鋼管の内部に高圧液体を注入して塑性加工を行う方法であり、鋼管の断面寸法を拡管加工などにより変化させて、複雑形状部材の一体成形をはかるとともに、強度・剛性を高めるという機能を有している。
ところで、このハイドロフォーミングに供される鋼管としては、一般に、通常の鋼管と同様に、Ｃ：0.20〜0.10％の中、低炭素鋼からなる電縫鋼管が用いられることが多かった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、かかるＣ量の電縫鋼管にハイドロフォーミングを施しても材料の加工性がよくないために十分な拡管率が得られないという問題があった。ハイドロフォーミングにおける拡管率を高めるには管軸方向に軸力を加える方法もあるが、この方法は管が長手方向に大きく曲がっているようなデザインの管成形の場合には有効ではない。
一方、電縫鋼管の素材そのものの加工性を高めるために、炭素量を著しく低減した極低炭素鋼を素材に用いることが考えられる。しかし、極低炭素電縫鋼管は、ハイドロフォーミング性（耐バースト性と耐座屈性）はよいものの、あらたに溶接に起因した別の問題を生じてしまう。すなわち、極低炭素電縫鋼管では鋼管製造時における継目部の溶接熱により、熱影響部の結晶粒が粗大化して軟化し、拡管成形での変形が局部的に集中して素材がもつ高延性を十分に発揮できないこと、また、ハイドロフォーム成形した部材を他の部材と溶接する場合に、同様な軟化が生じて部材としての強度が十分に得られないことである。
【０００５】
そこで、本発明は、上述した従来技術が抱えていたこれらの問題に鑑み、ハイドロフォーミングに適した電縫鋼管についての新たな技術を提案するものである。とくに、この発明は、ハイドロフォーミング性に優れるとともに、溶接軟化の程度が少なく構造部材としての十分な強度を有する、構造用電縫鋼管の製造方法を提案することを目的とする。本発明が目指す目標特性は、ハイドロフォーミング性が鋼管のＴＳ×拡管率で表して、このハイドロフォーミングが管端固定の場合に６８００ＭＰａ・％以上、軸方向圧縮の場合に１７０００ＭＰａ・％以上であり、溶接熱影響部の軟化が少なく、素材硬度に対する最少熱影響部硬度の比で表して０．９０以上のものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、上記課題を達成するために、電縫鋼管の素材成分組成、製造方法などについて種々の検討を重ねた。その結果、Ｃ量を0.01〜0.05％未満の範囲としたセミ極低炭素材を用いること、電気抵抗溶接して造管後に絞り率0.3 〜10％のサイジング（縮径）成形することが極めて有効であることを見いだした。本発明は上記知見を基にして完成したものであり、その要旨構成は次のとおりである。
【０００９】
（１）鋼組成が、質量％でＣ：０．０１〜０．０５％未満、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：１．０％未満、Ｐ：０．１５％以下、Ｓ：０．０１５％以下およびＡｌ：０．０１〜０．１％を含み、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなるスラブを熱間圧延し、または、熱間圧延後さらに冷間圧延−焼鈍して得られた、熱延または冷延の帯状素材を円筒状に成形した後、継目部を電気抵抗溶接し、次いで、外周長の絞り率で０．３〜１０％のサイジングを施すことにより、ハイドロフォーミングによる拡管率（％）×ＴＳ（ＭＰａ）が、管端固定によるハイドロフォーミングの場合に６８００ＭＰａ・％以上であり、軸方向圧縮によるハイドロフォーミングの場合に１７０００ＭＰａ・％以上であり、素材硬度に対する最少熱影響部硬度の比が０．９０以上であることを特徴とするハイドロフォーミング性に優れた構造用電縫鋼管の製造方法。
（２）上記スラブは、上記成分組成に加えてさらに、下記Ａ群〜Ｃ群から選ばれる１種または２種以上を含有することを特徴とする上記（１）に記載の構造用電縫鋼管の製造方法。
記
Ａ群；Ｎｂ：０．００５〜０．０４０％、Ｔｉ：０．００５％以上０．０５％未満、Ｂ：０．０００５〜０．０２０％のうちの一種または２種以上
Ｂ群；Ｃｕ：０．０２〜０．５％、Ｎｉ：０．０２〜１．０％、Ｃｒ：０．０２〜１．０％、Ｍｏ：０．０２〜１．０％のうちの１種または２種以上
Ｃ群；Ｃａ：０．００２０〜０．０２％、ＲＥＭ：０．００２０〜０．０２％のうちの１種または２種
【００１０】
【発明の実施の形態】
この発明における鋼成分の限定理由、電縫鋼管の製造方法などについて説明する。
Ｃ：0.01〜0.05％未満
Ｃは、鋼の強化に寄与するが成形性を低下させる元素であり、とくにＣ含有量が0.05％以上では成形性が低下する。一方、0.01％に満たない含有量では、電縫鋼管製造時の抵抗溶接により溶接熱影響部の結晶粒が粗大化し、また、ハイドロフォーム成形した部材をアーク溶接した際にも同様に結晶粒が粗大化し、強度低下や不均一な変形の原因となる。このため、Ｃ量は0.01〜0.05％未満の範囲とする。
【００１１】
Si：1.0 ％以下
Siは、鋼の強化に有用な元素であり、所望の強度に応じて添加する。しかし、1.0 ％を超えて添加すると、鋼管の素材となる熱延または冷延鋼板の表面性状が悪化し、結局鋼管の表面性状の顕著な悪化につながり、結果的に耐バースト性を低下させるので、1.0 ％以下の範囲で添加する。
【００１２】
Mn：1.0 ％未満
Mnは、表面性状および溶接性を低下させることなく、鋼板ひいてはハイドロフォーム成形部材の強度を向上させるのに有効な元素であるが、1.0 ％以上の添加はハイドロフォーム時の拡管率を低下させる。したがって、Mn含有量は1.0 ％未満％とする。
【００１３】
Ｐ：0.15％以下
Ｐは、強度の向上に有効な元素であるが、0.15％を超えて添加すると溶接性を顕著に劣化させる。とくに、Ｐによる強化作用がさほど必要ではないとき、またＣ量が高く溶接性の低下が懸念されるときには、0.02％以下に制限するのが望ましい。
【００１４】
Ｓ：0.015 ％以下
Ｓは、鋼中で非金属介在物として存在し、これが起点となってハイドロフォーム時に鋼管を破断させる恐れがある。このため、Ｓ量は低いほど耐バースト性が改善され0.015 ％以下とすればその効果があらわれる。なお、耐バースト性の一層の向上には、好ましくは0.010 ％以下、さらに好ましくは0.005 ％以下に制限するのがよい。
【００１５】
Al：0.01〜0.1 ％
Alは、鋼の脱酸に必要であるとともに、結晶粒の粗大化抑制のために必要な元素である。このような効果を得るには、0.01％以上、好ましくは0.02％以上の添加が必要である。一方、0.1 ％を超えて添加してもそれ以上の効果が望めないばかりか、素材となる鋼板ひいては鋼管の表面性状を劣化させる。したがって、Al含有量は0.01〜0.1 ％の範囲で添加する。
【００１６】
Nb：0.005 〜0.040 ％、Ti：0.005 ％以上〜0.05％未満、Ｂ：0.0005〜0.020％
Nb、TiおよびＢは、いずれも結晶粒の微細化に有用な元素である。このような効果は、Nb：0.005 ％以上、Ti：0.005 ％以上、Ｂ：0.0005％以上の添加であらわれる。しかし、その効果は、Nb：0.040 ％超、Ti：0.05％以上、Ｂ：0.020 ％超で添加しても飽和するだけでなく、鋼の熱間変形抵抗を増大して製造性を阻害する。したがって、これら元素は上記範囲で添加する。
【００１７】
Cu：0.02％以上0.5 ％未満、Ni：0.02〜1.0 ％、Cr：0.02〜1.0 ％、Mo：0.02〜1.0 ％
Cu、Ni、Cr、Moは、鋼管の延性を損なうことなく、強度を向上させるのに有用な元素である。このような効果は、いずれも0.02％以上の添加で得られるが、その効果は、Cuで0.5 ％以上、Ni、CrおよびMoで1.0 ％を超えて添加しても飽和するほか、鋼の熱間加工性および冷間加工性を低下させる。したがって、これら元素は上記範囲で添加する。
【００１８】
Ca：0.0020〜0.02％、 REM：0.0020〜0.02％
Ca、 REMは、鋼中のＳを主体とした非金属介在物の形態を球状にして、その切欠作用を減少して、耐バースト性を向上させるのに有用な元素である。こうした効果は、Ca、 REMともに0.0020％の添加で得られるが、いずれの元素とも0.02％を超えて添加しても効果が飽和するかやや低下する傾向となる。したがって、これら元素は上記範囲で添加する。なお、Ca、 REMの両者を併用する場合には合計量で0.03％以下の範囲で添加するのが好ましい。
【００１９】
次に、本発明鋼管の必要特性について説明する。
鋼管の引張強度が小さいと、高い衝撃吸収能が得られず、また、ハイドロフォーム時の拡管率が小さいと、ハイドロフォーミングにより成形できる形状が限定されてしまう。本発明では、これらの２つの特性がバランスしていることが必要である。また、ハイドロフォーミングでは、管の両端から水等の液体を供給し、液圧により管の内面から変形を行うが、管の両端を固定する場合（以下、管端固定という）と、管の両端から圧縮力を加える場合（以下、管端圧縮という）とがある。一般に、管端圧縮の方が高い拡管率を得ることができる。
本発明では、強度とハイドロフォーミング性とがバランスしていることが必要であることから、引張強度（MPa)×拡管率（％）が管端固定の場合で 6800 MPa・％以上、管端圧縮の場合で17000  MPa・％以上であるものとする。
ここでハイドロフォーム時の拡管率（％）は、外径ｄo の鋼管を変形部長さｌc ＝２ｄo として、管端から管内面に液体を供給して液圧を負荷し、円形断面自由バルジ変形させ、バーストした時の最大外径ｄmax より、（ｄmax −ｄo ）／ｄo ×100 で定義するものとする。
【００２０】
この拡管率の測定は、自由バルジ試験により行う。この自由バルジ試験は、例えば、図１および図２に示される金型２ａ，２ｂを、図３に示す構成のハイドロフォーミング加工装置を用いて、拡管を行なうことにより実施できる。
図１は金型の斜視図であり、図２は金型の断面図である。金型２ａ，２ｂはそれぞれ、長さ方向両端側は、鋼管の外径ｄo に略等しい径の半筒状面で構成される鋼管保持部３を有し、長さ方向中央部には、径ｄc ＝２ｄo の半円筒状変形部４および傾斜角θ＝45°のテーパー状変形部５とよりなる変形部６を有し、変形部６の長さｌc がｄo の２倍となっている、上部金型２ａおよび下部金型２ｂからなる。図３に示すように、この上部金型２ａと下部金型２ｂとで、金型それぞれの鋼管保持部３に鋼管１が嵌まるように、鋼管１を挟み込む。この状態で、鋼管１の両端から該鋼管１の内面側に、軸押シリンダ７ａを介して水等の液体を供給して、液圧Ｐを付与し、変形部６の位置で鋼管１を円形断面自由バルジ変形させてバーストした時の最大外径ｄmax を測定する。
【００２１】
なお、管端固定の場合には、管端が軸方向に移動しないようにする必要があり、例えば、軸押シリンダ７ａ、７ｂに鋼管１の両端をボルト締め等により固定するとともに、液圧負荷中に、軸押シリンダ７ａ、７ｂを鋼管１の軸方向に移動しないように固定する（図３中の圧縮力Ｆを零とする）ことにより実施できる。
また、管端圧縮の場合には、管端が軸方向に移動するように、管端に対して圧縮力を付与するものとし、例えば、軸押シリンダ７ａ、７ｂに対して軸方向に圧縮力Ｆを負荷することにより実施できる。ここで、管端の軸方向への移動量、すなわち鋼管１の両端側の鋼管保持部３で挟み込まれている部分の変形部６への流れ込み量が大きいほど鋼管バーストする際の径が大きくなり高い拡管率が得られやすくなる。この移動量を大きくするには、管端に付与する圧縮力Ｆを大きくすることにより可能であるが、圧縮力Ｆが大きすぎると、拡管と同時に変形部における鋼管の座屈が生じる。したがって、管端圧縮の場合には、鋼管の座屈が生じないで、かつ最大の拡管率が得られる圧縮力Ｆを付与するものとする。
なお、図３中の８、９は、それぞれ金型２ａ、２ｂが鋼管を挟み込んだ状態に保持しておくための、金型ホルダ、アウターリングである。
【００２２】
次に、本発明鋼管の製造方法について説明する。
上述した成分組成にしたがう鋼を溶製した後、連続鋳造法あるいは造塊−分塊法によりスラブとする。スラブは、熱間圧延により熱延鋼板とするか、さらに冷間圧延−焼鈍により冷延鋼板とする。このようにして得られた熱延鋼板または冷延鋼板を素材として、ロール成形または曲げ加工により、ほぼ円筒状の形に成形し、両幅端部同士の継目部を電気抵抗溶接にて接合する。そして、電気抵抗溶接に次いで、外周長の絞り率で0.3 〜10％のサイジングを行う。
サイジングを行う目的は、電縫鋼管をハイドロフォームに供するために、十分な形状精度を得ることと、材料変形の均一性を確保することにある。このような目的を達成するには、少なくとも0.3 ％の絞り率が必要であるが、10％を超えて行うと鋼管が顕著に硬化し、加工性の劣化を招いてしまう。したがって、電気抵抗溶接後、外周長の絞り率で0.3 〜10％のサイジングを行うものとする。
【００２３】
【実施例】
表１に示す化学成分の鋼を溶製してスラブとした。このスラブを1200℃に加熱後、熱間圧延して板厚2.0 ｍｍの熱延鋼板とするか、または、熱間圧延に引き続き、酸洗−冷間圧延−連続焼鈍の工程により板厚2.0 ｍｍの冷延鋼板とした。これらの熱延鋼板または冷延鋼板を用いて、円筒状に成形後、その継目部を電気抵抗溶接して、直径63.5ｍｍ、肉厚2.0 ｍｍの鋼管とし、次いで外周長の絞り率で2.0 ％のサイジングを行った。
【００２４】
得られた電縫鋼管より長手方向に引張試験片（ＪＩＳ１２号）を採取し、引張強度を求めた。また、この鋼管を500 ｍｍの長さに切断しハイドロフォーミング用の試験体とした。この試験体に、図１〜３により説明したように、管端から水を供給して、円形断面自由バルジ変形させて、バーストしたときの拡管率を測定した。ここで、金型寸法は、図２におけるｌc が 127.0ｍｍ、ｄc が 127.0ｍｍ、ｒd が５ｍｍ、ｌo が 550ｍｍ、θが45°のものとした。また、試験体を変形させるに当たっては、金型と試験体表面（外周面）との間に粘度800 cst の潤滑剤を介在させた。各電縫鋼管の特性は、鋼管の強度と拡管率のバランスを考慮して、鋼管強度×拡管率でも表した。なお、拡管試験は、鋼管の両端を拘束した場合（管端固定）と鋼管の軸方向に圧縮した場合（軸方向圧縮）の２条件で行った。
【００２５】
さらに、ハイドロフォーミングのあと、溶接により部品に組付けて使用する場合を想定し、得られた電縫鋼管についてアーク溶接による溶接部の強度を評価した。溶接条件は以下のとおりとした。
・溶接ワイヤ：ＪＩＳ  ＹＧＷ１５相当
・溶接ワイヤ径：1.2 ｍｍ
・シールドガス：Ａｒ−20体積％ＣＯ２
・ガス流量：４０  ｌ／ｍｉｎ
・溶接電流：200 〜220 Ａ
・アーク電圧：１８〜１９Ｖ
・溶接速度：８０〜１００  ｃｍ／ｍｉｎ
・被溶接材形状：電縫鋼管と板厚２ｍｍの冷延鋼板（鋼組成は電縫鋼管と同一）との突き合わせ溶接（図４参照）
ここに、静的強度、疲労強度は、ともに素材の硬度Ｈｖ対する溶接熱影響部（ＨＡＺ）の最軟化部の硬度Ｈｖ(min) の比に依存することを確認したので、溶接部の強度として硬度の比、Ｈｖ（ｍｉｎ）／Ｈｖ（素材）で評価した。
【００２６】
【表１】
0004474730.tif 000002
【００２７】
得られた結果を表２に示す。表１、２から、本発明にしたがう電縫鋼管は、素材強度×拡管率が高く、ハイドロフォーミング性が優れているとともに、溶接による強度低下も少ないことがわかる。すなわち、発明例の素材強度×拡管率は、管端固定の場合に７０８０ＭＰａ・％以上、軸方向圧縮の場合に１９８８０ＭＰａ・％以上はあり、またＨｖ（ｍｉｎ）／Ｈｖ（素材）は０．９２以上を有している。
一方、化学成分が適正でない比較例は、ハイドロフォーミング性が劣るか、溶接による強度低下が大きいかのいずれかの欠点をもち、ハイドロフォーム成形部材の構造部材としての性能に欠けるものである。
【００２８】
【表２】
0004474730.tif 000003
【００２９】
また、表１中の管No. １の鋼管について、サイジングの際の絞り率を0.1 〜12％の間で変化させた場合の、拡管試験結果を表３に示す。
表３より、サイジング時の絞り率が0.3 〜10％の範囲内であると、ＴＳ×拡管率が、管端固定の場合で6800 MPa・％以上、管端圧縮の場合で 17000 MPa・％以上となることがわかる。
【００３０】
【表３】
0004474730.tif 000004
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ハイドロフォーミング性に優れ、しかも溶接後の強度も十分確保できる構造用電縫鋼管を提供することが可能になる。したがって、本発明は、ハイドロフォーム成形および溶接により製造される構造部材の高品質、安定生産に寄与する。
【図面の簡単な説明】
【図１】自由バルジ試験に用いる金型を示す斜視図である。
【図２】自由バルジ試験に用いる金型を示す断面図である。
【図３】自由バルジ試験に用いるハイドロフォーミング加工装置の構成の例を示す断面図である。
【図４】被溶接材の形状を示す斜視図である。
【図１】
0004474730.tif 000005
【図２】
0004474730.tif 000006
【図３】
0004474730.tif 000007
【図４】
0004474730.tif 000008