(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金型内に装着され、管内に内圧をかけ管周方向にひずみを与えて所定の形状に加工される鋼管であって、シームを有し、下記式(1) で与えられる周方向肉厚・硬度分布指数Ｚが0.1 以下であること特徴とする拡管加工性に優れた鋼管。
Ｚ＝（αmax −αmin ）／αav                  (1)
αmax ：母材部肉厚・硬度積の測定データの最大値
αmin ：母材部肉厚・硬度積の測定データの最小値
αav：母材部肉厚・硬度積の測定データの平均値
母材部肉厚・硬度積：シーム近傍材質特異点を除く管円周方向複数個所における各個所ごとに同じ位置で測定された肉厚と硬さの積
【請求項２】
下記式(2) で与えられるシーム部肉厚・硬度指数Ｙが1.0 以上である請求項１記載の鋼管。
Ｙ＝βav／αav                                (2)
βav：シーム部肉厚・硬度積の測定データの平均値
αav：母材部肉厚・硬度積の測定データの平均値
シーム部肉厚・硬度積：シーム近傍材質特異点の管円周方向複数個所における各個所ごとに同じ位置で測定された肉厚と硬さの積
母材部肉厚・硬度積：シーム近傍材質特異点を除く管円周方向複数個所における各個所ごとに同じ位置で測定された肉厚と硬さの積  
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、拡管加工性に優れた鋼管およびその製造方法に関し、とくに鋼管を金型内に装着し、管内に内圧をかけ管周方向にひずみを与えて所定の形状に加工する拡管加工用素材として好適な鋼管に関する。
本発明において、シームとは溶接された継目を指し、シーム近傍とはシームからの距離が管周長の５％以下の範囲を指す。
【０００２】
【従来の技術】
サスペンションアーム等の自動車足回り部品、フレーム等の自動車構造部品等々において、鋼管を拡管加工の一種であるハイドロフォーム加工により成形した製品が採用されはじめている。ハイドロフォーム加工法は、金属管を金型に入れ、金属管内に液を導入して内圧をかけて所定の形状に加工する方法である。内圧による拡管変形時に管軸方向に軸押ししながら加工することが多い。得られた成形品は軽量で、しかも複雑な形状のものまで成形可能である。
【０００３】
このようなハイドロフォーム加工においては、素管の特性として、延性（伸び）、ｎ値（加工硬化指数）の高い材料、ｒ値の高い材料を選択すべきことが知られている。
例えば、特開平10−175027号公報には、管軸方向のｒ値が管周方向のｒ値よりも大であることを特徴とするハイドロフォーム加工用金属管が開示されている。また、特開平10−176220号公報には、特定組織の電縫鋼管を冷間加工により薄肉管とし特定条件の熱処理を施すことを特徴とするハイドロフォーム加工性に優れた高強度鋼管の製造方法が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、管軸方向のｒ値が管周方向のｒ値よりも大なる鋼管は、冷延鋼板素材を用いた電縫溶接法での連続造管が困難であり、量産できない問題がある。というのは、かかる鋼管を電縫溶接法で連続造管するには、造管軸方向に対応させるべき圧延長さ方向（Ｌ方向）のｒ値が圧延幅方向（Ｃ方向）のｒ値よりも大きくなければならないが、一般に冷延鋼板ではその逆すなわちＬ方向のｒ値がＣ方向のｒ値よりも小さいものが多いからである。
【０００５】
また、冷間加工した薄肉管に熱処理を施して優れた拡管加工性を付与する方法は、熱処理工程付加を必要とするのでコストアップの問題がある。
一方、延性、ｎ値、ｒ値の著しく大きな材料として、極低炭素ＩＦ鋼（Ｃ：0.005 mass％以下）を素材とした電縫鋼管が考えられ、これを試作造管してその拡管特性を調査した結果、鋼管の機械的性質（伸び、ｎ値、ｒ値）の良さが反映されず、低炭素鋼（Ｃ：0.01〜0.1 mass％）や中炭素鋼（Ｃ：0.1 〜0.2 mass％）に比し大差のない拡管特性しか得られないことがしばしばある。とくに管軸方向に圧縮を付加せず純粋にバルジ成形するときにその傾向が強い。また、低炭素鋼、中炭素鋼においても、鋼管の引張試験から得られる機械的性質との対応がつかず、ハイドロフォーム加工性が著しく変動することがあった。
【０００６】
本発明は、これら従来技術の問題を解決し、熱延または冷延鋼板素材を用いた電縫溶接法で連続造管できる拡管加工用鋼管を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、前記課題を達成するために鋭意考究を重ねた結果、鋼管周方向の肉厚分布および硬さ分布の均一性が、鋼管の機械的性質（伸び、ｎ値、ｒ値）の差よりも、拡管加工性に大きく影響することを知見し、本発明をなすに至った。
【０００８】
すなわち、本発明は、金型内に装着され、管内に内圧をかけ管周方向にひずみを与えて所定の形状に加工される鋼管であって、シームを有し、下記式(1) で与えられる周方向肉厚・硬度分布指数Ｚが0.1 以下であること特徴とする拡管加工性に優れた鋼管である。
Ｚ＝（αmax −αmin ）／αav                  (1)
αmax ：母材部肉厚・硬度積の測定データの最大値
αmin ：母材部肉厚・硬度積の測定データの最小値
αav：母材部肉厚・硬度積の測定データの平均値
母材部肉厚・硬度積：シーム近傍材質特異点を除く管円周方向複数個所における各個所ごとに同じ位置で測定された肉厚と硬さの積
また、本発明ではさらに、下記式(2) で与えられるシーム部肉厚・硬度指数Ｙが1.0 以上である鋼管がより好ましい。
【０００９】
Ｙ＝βav／αav                                (2)
βav：シーム部肉厚・硬度積の測定データの平均値
αav：母材部肉厚・硬度積の測定データの平均値
シーム部肉厚・硬度積：シーム近傍材質特異点の管円周方向複数個所における各個所ごとに同じ位置で測定された肉厚と硬さの積
母材部肉厚・硬度積：シーム近傍材質特異点を除く管円周方向複数個所における各個所ごとに同じ位置で測定された肉厚と硬さの積
本発明では、鋼管が拡管加工用鋼管、就中、ハイドロフォーム加工用鋼管であることが好ましい。
【００１０】
また、本発明は、金属管を金型に装着し、管内に内圧をかけ管周方向にひずみを与えて所定の形状に加工する拡管加工方法において、金属管として、シームを有し、前記式(1) で与えられる周方向肉厚・硬度分布指数Ｚが0.1 以下であり、あるいはさらに前記式(2) で与えられるシーム部肉厚・硬度指数Ｙが1.0 以上である鋼管を用いることを特徴とする拡管加工方法でもある。
【００１１】
本発明では、前記鋼管が、Ｃ：0.001 〜0.3 mass％、Si：0.01〜1.0 mass％、Mn：0.1 〜1.5 mass％、Ｐ：0.1 mass％以下、Ｓ：0.01mass％以下、あるいはさらにTi：0.01〜0.1 mass％を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる組成を有する電縫鋼管であることが好ましい。  
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、Ｃ：0.002 〜0.12％を含有し組成と熱延条件が種々異なる冷延鋼板を電縫溶接した電縫鋼管について、周方向肉厚・硬度分布指数Ｚ（母材部肉厚・硬度積は５mmピッチで測定）、およびシーム部肉厚・硬度指数Ｙ（シーム部肉厚・硬度積は５mmピッチで測定）を求め、一方、ハイドロフォーミングによる拡管加工試験を行って拡管加工性を評価し、Ｚ，Ｙと拡管加工性の関係を調査した。
【００１３】
ハイドロフォーミングによる拡管加工試験は、図４に示すように、試験材としての管１を金型２（ａ，ｂは上，下）に入れて一方のシールヘッド３の通水路をバルブ閉６とし他方の通水路４からの高圧送水４により管１内に高圧水５を圧入し、拡管加工を行うものである。拡管加工性は、内圧負荷途上で管に亀裂が発生した時点での管径D1を測定し、これと試験前の管径D0とから、100(D1/D0-1)(%) で定義される限界拡管率を求めて評価した。
【００１４】
図１は、前記調査結果の第１例として、外径63.5mm×肉厚2.0mm のJIS STKM11A 相当の電縫鋼管の周方向肉厚・硬度分布指数Ｚと限界拡管率の関係を示すグラフである。限界拡管率はＺが0.1 を超えると極端に小さくなる。すなわち、拡管加工用には、Ｚが0.1 以下の鋼管が好適である。
また、図２は、前記調査結果の第２例として、Ｚ≦0.1 の電縫鋼管のシーム部肉厚・硬度指数Ｙと限界拡管率の関係を示すグラフである。限界拡管率はＹが1.0 以上で一段と高くなる。すなわち、拡管加工用には、Ｚ≦0.1 でかつＹ≧1.0 の鋼管がさらに好適である。
【００１５】
本発明の鋼管は、量産性の面から、電縫鋼管が好ましい。その鋼組成の好適成分範囲を前記のように定めた理由はつぎの通りである。
Ｃは、鋼の組織に強く影響して機械的性質を左右する元素であり、0.001 mass％未満では電縫鋼管の要求強度に達しにくく、また、0.3 mass％超では溶接ビードが硬化しすぎてビード切削性が低下する。そのため、0.001 〜0.3 mass％とした。
【００１６】
Siは、固溶強化元素であり、強度調整のためには0.01mass％以上が望ましいが、1.0 mass％超では強度が高くなりすぎ成形性が劣化するため、0.01〜1.0 mass％とした。
Mnは、固溶強化元素であり、強度調整に有効である。また、オーステナイト安定化元素であり、マルテンサイトの生成を容易にすることや、強度向上に寄与することから0.1 mass％以上が望ましいが、1.5 mass％超では強度が高くなりすぎ成形性が劣化するため、0.1 〜1.5 mass％とした。
【００１７】
Ｐは、マルテンサイト生成にあまり大きな影響を与えずに強度調整をするために含有させるが、0.1 mass％を超えると成形性が劣化するため、0.1 mass％以下とした。
Ｓは、0.01mass％を超えて含有すると成形性が劣化するため、0.01mass％以下とした。
【００１８】
Tiは、炭化物を形成して組織の微細化に寄与する元素であり、組織微細化のためには0.01mass％以上の添加が望ましいが、0.1 mass％を超えると成形性が劣化するため、0.01〜0.1 mass％とした。
本発明の鋼管は、例えば図３に示すような電縫管製造設備を用いて好ましく製造される。この設備は、粗成形ロール群10、クラスターロール群11、フィンパスロール群12、溶接機13、スクイズロール14、ビード切削装置15、シームアニール装置16、サイザーロール群17をこの順に配列して構成される。18、19は粗成形ロール群10入側、出側にそれぞれ設置された走査型厚み計、20は、シームアニール装置出側に設置された走査型厚み計である。
【００１９】
粗成形ロール群はエッジベンドロールとブレークダウンロールを組み合わせて構成されたものが好適である。溶接機は直接通電加熱式、誘導加熱式のいずれも好適である。走査型厚み計はＸ線走査型、γ線走査型のいずれも好適である。
鋼帯板材料は粗成形ロール群10入側から連続的に供給され、粗成形ロール群10、クラスターロール群11、フィンパスロール群12により幅を連続的に弧状に曲げるロール成形を施されてオープン管となり、このオープン管はその突合せ部を溶接機13およびスクイズロール14により電縫溶接されて電縫管となり、この電縫管はそのシーム周辺に生成した突起部（溶接ビード）をビード切削装置15により内外両側からビード切削され、必要に応じてそのシーム近傍をシームアニール装置16により焼なまし（アニール）され、さらに、サイザーロール群17により定径圧延されて、所定の外径寸法の金属管に仕上がる。
【００２０】
前記造管工程において、ロール成形前の材料幅端部の厚みを走査型厚み計18にて計測しその結果に応じて同部の曲げ圧下量を設定（エッジベンドロールの圧下位置を設定）する制御、および／または、ロール成形中の材料弧央部の厚みを走査型厚み計19にて計測しその結果が目標に合うように同部の曲げ圧下量を変更（ブレークダウンロールの圧下位置を変更）する制御を行うことにより、圧下のかけすぎによる偏肉を抑制できて周方向肉厚分布を均一化することができ、母材部の周方向硬さ分布が極端に不均一でない限り、鋼管の周方向肉厚・硬度分布指数Ｚを安定して0.1 以下にすることができるようになる。
【００２１】
さらに、ビード切削後またはシームアニール後のシーム近傍の厚みを走査型厚み計20で計測し、同時に電縫溶接あるいはさらにシームアニールのヒートパターンからシーム近傍の硬さを推定し、該推定した硬さと前記計測した厚みの積が目標（母材部の厚みと硬さの積以上の値がよい）に合うようにビード切削量を変更する制御を行うことにより、シーム部肉厚・硬度指数Ｙを安定して1.0 以上にすることができるようになる。
【００２２】
また、前記造管工程で使用する鋼帯板材料は、供給安定性の面から量産に適した製造法、すなわち、加熱、粗圧延、仕上圧延、圧延後冷却、巻取をこの順に行う熱間圧延、あるいはさらにその後の冷間圧延により製造することが好ましく、このとき、熱間圧延では、
ａ）仕上圧延前の材料幅全部を加熱してＦＤＴを目標に合わせる制御
ｂ）仕上圧延前の材料幅端部を加熱してＦＤＴを目標に合わせる制御
ｃ）圧延後冷却中の材料幅端部をマスキングしてＣＴを目標に合わせる制御
の１種または２種以上を行うことが、造管前の材料幅方向硬さ分布を効果的に均一化することができて好ましい。
【００２３】
粗圧延後仕上圧延前の材料を加熱するには、幅全部加熱の場合、例えば高周波誘導式のシートバーヒータ、幅端部加熱の場合、例えば高周波誘導式のシートバーエッジヒータがそれぞれ好ましく用いうる。各ヒータの出力はＦＤＴを目標に一致させるように適宜変更される。
圧延後冷却中の材料幅端部をマスキングするには、冷媒噴射手段（例えばスプレーノズル）と材料幅端部の間に、噴射された冷媒（例えば冷却水）を遮断する可動式遮蔽板を設置するのが好ましい。遮蔽板の位置はＣＴを目標に一致させるように、好ましくは200mm 程度以下のストロークで変更される。
【００２４】
前記鋼帯板材料をなす鋼は、前述の理由から、前記好適成分範囲の組成を有する鋼が好ましい。なお、必要に応じて前記組成にさらに、Nb：0.005 〜0.040 mass％、Cr：0.02〜1.0 mass％が付加された組成の鋼としてもよい。
Nbは、未再結晶オーステナイト域での圧延歪蓄積を助長して組織の微細化に寄与する元素であり、組織微細化のためには0.005 mass％以上の添加が望ましいが、0.040 mass％を超えると成形性が劣化するため、0.005 〜0.040 mass％とした。
【００２５】
Cr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効な元素であり、このためには0.02mass％以上の添加が望ましいが、1.0 mass％を超えると強度が飽和するほか鋼の熱間加工性および冷間加工性が劣化するため0.02〜1.0 mass％とした。
その場合、ＦＤＴの目標は、Ar3 〜（Ar3 ＋30℃）とするのが好ましい。ＦＤＴがAr3 未満ではフェライトとオーステナイトの混合組織を熱間加工することになって硬さのばらつきが大きくなり、一方、ＦＤＴが（Ar3 ＋30℃）を超えると、結晶粒成長により組織が粗大化し、延性が低下して成形性が劣化するためである。また、ＣＴの目標は、幅方向偏差（幅方向ばらつき範囲）25℃以下とするのが好ましい。ＣＴの幅方向偏差が25℃を超えると硬さの幅方向ばらつきが大きくなり、周方向肉厚・硬度分布指数Ｚを0.1 以下に抑えるのが難しくなるからである。
【００２６】
【実施例】
表１に示す組成になる鋼を、加熱、粗圧延、仕上圧延、圧延後冷却、巻取を順次行う熱間圧延工程に供し、うち一部はさらに通常の冷間圧延工程に供して、帯板（熱延板または冷延板）となし、これらの帯板を、図３に示した電縫管製造設備を用いて、ロール成形、電縫溶接（溶接機は高周波誘導式）、ビード切削、シームアニール（シームアニール装置は中周波誘導加熱式）、定径圧延を順次行う造管工程に供して、目標寸法：外径63.5mm×肉厚2.0mm の電縫鋼管となした。このとき、熱間圧延工程および造管工程に以下に記す制御要件を表２に示すように割り振ることで、製造条件を種々変えた。
【００２７】
ａ）仕上圧延前に高周波誘導式シートバーヒータにより板幅全部を加熱してＦＤＴをAr3 ＋（０〜30）℃に制御
ｂ）仕上圧延前に高周波誘導式シートバーエッジヒータにより板幅端部を加熱してＦＤＴをAr3 ＋（０〜30）℃に制御
ｃ）圧延後冷却中に可動式遮蔽板により板幅端部をマスキングしてＣＴ幅方向偏差を25℃以下に制御
ｄ）Ｘ線走査型厚み計にてロール成形前の板幅端部の厚みを計測しその結果に応じて曲げ圧下量を、予め実験により決定した板幅端部の厚みと最適曲げ圧下量（エッジベンドロール最適圧下位置）との関係式の厚みに前記計測した結果を代入して得られる最適曲げ圧下量に制御
ｅ）Ｘ線走査型厚み計にてロール成形中の材料弧央部の厚みを計測しその結果が目標（計測データのばらつき範囲が許容値以下という目標）に合うように同部の曲げ圧下量（ブレークダウンロール圧下位置）を制御
ｆ）Ｘ線走査型厚み計にてシームアニール後のシーム近傍の厚みを計測し、同時に電縫溶接およびシームアニールのヒートパターンからシーム近傍の硬さを推定し、該推定した硬さと前記計測した厚みの積が目標（別途推定した母材部の厚みと硬さの積以上という目標）に合うようにビード切削量を制御
これらの電縫鋼管について、管軸直交断面の肉厚と肉厚中心部のヴィッカース硬さを周方向５mmピッチで計測して母材部肉厚・硬度積αとシーム部肉厚・硬度積βを算出することにより周方向肉厚・硬度分布指数Ｚおよびシーム部肉厚・硬度指数Ｙを測定するとともに、図４に示した方法により限界拡管率を測定して拡管加工性を評価した。
【００２８】
結果を表２に示す。表２より、本発明の実施例は、比較例に比べて限界拡管率が格段に高く、優れた拡管加工性を顕現した。
【００２９】
【表１】
0004423755.tif 000002
【００３０】
【表２】
0004423755.tif 000003
【００３１】
【発明の効果】
本発明の鋼管は、肉厚と硬さの積を用いて周方向特性の均一性を規定することにより、安定して優れた拡管加工性を有することから拡管加工時の不良率が低く、また、熱間圧延工程や冷間圧延工程で製板した帯板を電縫溶接法で造管する生産性の高い製造プロセスで製造できることから拡管加工用素管の安定供給を可能にするという、産業上寄与するところ大なる効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】電縫鋼管の周方向肉厚・硬度分布指数Ｚと限界拡管率の関係を示すグラフである。
【図２】Ｚ≦0.1 の電縫鋼管のシーム部肉厚・硬度指数Ｙと限界拡管率の関係を示すグラフである。
【図３】本発明の鋼管の製造に用いて好適な電縫管製造設備の一例を示す配置図である。
【図４】ハイドロフォーミングによる拡管加工試験方法を示す説明図である。
【符号の説明】
１  管
２  金型
３  シールヘッド
４  高圧送水
５  高圧水
６  バルブ閉
10  粗成形ロール群
11  クラスターロール群
12  フィンパスロール群
13  溶接機
14  スクイズロール
15  ビード切削装置
16  シームアニール装置
17  サイザーロール群
18、19、20  走査型厚み計
【図１】
0004423755.tif 000004
【図２】
0004423755.tif 000005
【図３】
0004423755.tif 000006
【図４】
0004423755.tif 000007