(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％にて、
Ｃ：０．０１％以下、
Ｍｎ：０．０１〜０．５％、
Ｓｉ：０．００５〜１．０％、
Ｓ：０．０３％以下、
Ｐ：０．０５％以下、
Ｎ：０．００５％以下、
ｓｏｌ．Ａｌ：０．００５〜０．１％、
Ｃｕ：０．８〜２．２％を含み、
残部がＦｅおよび不可避的不純物から構成される鋼の熱間仕上圧延をＡｒ3点以上で終了し、巻取、酸洗、冷間圧延の後、７５０℃〜Ａｃ3点で再結晶焼鈍し、引き続いて４５０〜７００℃で０．１〜３０分熱処理を施し、その後の調質圧延の最終パスを、算術平均粗さＲaが１０μｍ以下のワークロールによって行い、その後、板厚ｔと外径Ｄとの比である肉厚直径比ｔ／Ｄを０．００５〜０．０２として造管することを特徴とする軸押し込みを伴う液圧成形性に優れた高強度鋼管の製造方法。
【請求項２】
質量％にて、
Ｃ：０．０１％以下、
Ｍｎ：０．０１〜０．５％、
Ｓｉ：０．００５〜１．０％、
Ｓ：０．０３％以下、
Ｐ：０．０５％以下、
Ｎ：０．００５％以下、
ｓｏｌ．Ａｌ：０．００５〜０．１％、
Ｃｕ：０．８〜２．２％を含み、
残部がＦｅおよび不可避的不純物から構成される鋼の熱間仕上圧延をＡｒ3点以上で終了し、巻取、酸洗、冷間圧延の後、７５０℃〜Ａｃ3点で再結晶焼鈍し、その後の調質圧延の最終パスを、算術平均粗さＲaが１０μｍ以下のワークロールによって行い、その後、板厚ｔと外径Ｄとの比である肉厚直径比ｔ／Ｄを０．００５〜０．０２として造管し、引き続いて４５０〜７００℃で０．１〜３０分熱処理を施すことを特徴とする軸押し込みを伴う液圧成形性に優れた高強度鋼管の製造方法。
【請求項３】
更に鋼が、質量％にて、Ｔｉ：０．０１〜０．２％及びＮｂ：０．００５〜０．２％の一方又は双方を含有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の軸押し込みを伴う液圧成形性に優れた高強度鋼管の製造方法。
【請求項４】
更に鋼が、質量％にて、Ｎｉ：０．１５〜０．４５％を含有することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の軸押し込みを伴う液圧成形性に優れた高強度鋼管の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、軸押し込みを伴う液圧成形に用いた場合に優れた成形性を示す高強度鋼管に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
金属製の管を所定の金型にて保持した後、内部に液体を満たし、その液体の圧力を必要な値に制御しつつ、かつ、管の端面を押し込んで行くことによって所望の形状に膨出成形する加工方法が、液圧バルジ加工、または、ハイドロフォーム加工として知られている。
【０００３】
従来この加工方法は、配管用突き合わせ溶接継手や自転車のフレームの接続部材などの製造に専ら用いられていたが、最近、板材を曲げ加工などした複数部品を組み合わせて閉断面を有する形状に作られている部品などを、該加工方法によって管材から作製した部品に置換しようとする試みを中心に、自動車部品への適用が検討されるようになってきた。
【０００４】
その結果、溶接用継手や自転車のフレーム部材では、被接続管と同材質管を用いることが一般的であったため、ほとんど検討されて来なかった素管の材質が問題とされるようになって来た。例えば、特開平１０−８８２７８号公報には、熱間圧延後の冷却と巻取条件および造管条件を規定することにより液圧バルジ成形性に優れた電縫鋼管を得る方法が記載されている。
【０００５】
また、特開平１０−１３７８６３号公報には、液圧バルジ加工用に表面処理を施した鋼管が記載されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
自動車部品に求められる代表的要素は軽量かつ高剛性であり、これを適えるには、部品用素材、すなわち加工用素管は、高強度鋼から成る薄肉管であることが望ましい。しかし、一般に、鋼管の薄肉化は軸押し込み時の座屈の発生を生じ易くし、また一方で、高強度素材を用いることは、膨出成形性を劣化させることが多い。すなわち、自動車部品への適用を前提にした該加工方法に適する高強度鋼管には適切な強度と成形性が必要であるが、このような高強度薄肉鋼管についてその成形性を軸押し込みを伴う液圧成形について検討した例は見当たらない。
【０００７】
特開平１０−８８２７８号公報に記載されている発明は、熱間圧延鋼板を素材とした鋼管であるので薄肉管を得るには不向きであるとともに、その表面は冷間圧延鋼板を素材とした鋼管に比べてはるかに粗いため成形不良が高い確率で発生する恐れがあるという問題がある。また特開平１０−１３７８６３号公報に記載されている発明は、成形金型と素管の間の焼付き防止や、潤滑性を高めるために表面処理を施した鋼管に関するものであるが、鋼管の材質に関する検討は全く為されておらず、成形性に優れた鋼管を得るという目的には十分ではないという問題がある。
【０００８】
本発明は、こうした課題を解決すべく、座屈の発生を抑制しつつ薄肉化が可能で、かつ、優れた成形性を有する鋼管を製造する方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、
（１）質量％にて、
Ｃ：０．０１％以下、
Ｍｎ： ０．０１〜０．５％、
Ｓｉ：０．００５〜１．０％、
Ｓ：０．０３％以下、
Ｐ：０．０５％以下、
Ｎ：０．００５％以下、
ｓｏｌ．Ａｌ：０．００５〜０．１％、
Ｃｕ：０．８〜２．２％を含み、
残部がＦｅおよび不可避的不純物から構成される鋼の熱間仕上圧延をＡｒ3点以上で終了し、巻取、酸洗、冷間圧延の後、７５０℃〜Ａｃ3点で再結晶焼鈍し、引き続いて４５０〜７００℃で０．１〜３０分の熱処理を施し、その後の調質圧延の最終パスを、算術平均粗さＲaが１０μｍ以下のワークロールによって行い、その後、板厚ｔと外径Ｄとの比である肉厚直径比ｔ／Ｄを０．００５〜０．０２として造管することを特徴とする軸押し込みを伴う液圧成形性に優れた高強度鋼管の製造方法。
【００１０】
（２）質量％にて、
Ｃ：０．０１％以下、
Ｍｎ：０．０１〜０．５％、
Ｓｉ：０．００５〜１．０％、
Ｓ：０．０３％以下、
Ｐ：０．０５％以下、
Ｎ：０．００５％以下、
ｓｏｌ．Ａｌ：０．００５〜０．１％、
Ｃｕ：０．８〜２．２％を含み、
残部がＦｅおよび不可避的不純物から構成される鋼の熱間仕上圧延をＡｒ3点以上で終了し、巻取、酸洗、冷間圧延の後、７５０℃〜Ａｃ3点で再結晶焼鈍し、その後の調質圧延の最終パスを、算術平均粗さＲaが１０μｍ以下のワークロールによって行い、その後、板厚ｔと外径Ｄとの比である肉厚直径比ｔ／Ｄを０．００５〜０．０２として造管し、その後、４５０〜７００℃で０．１〜３０分熱処理を施すことを特徴とする軸押し込みを伴う液圧成形性に優れた高強度鋼管の製造方法。
【００１１】
（３）  更に、鋼に、質量％にて、Ｔｉ：０．０１〜０．２％及びＮｂ：０．００５〜０．２％の一方又は双方を含有させたことを特徴とする（１）又は（２）記載の製造方法。
【００１２】
（４）  更に、質量％にて、Ｎｉ：０．１５〜０．４５％を含有させたことを特徴とする（１）〜（３）のいずれか１項に記載の製造方法。
を要旨とするものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、鋼板として適切な強度と加工性を有すれば、それを用いて製造された鋼管も該加工方法に適しているものと考えて、特開昭６４−４４２９号公報にて開示されているＣｕの析出強化を利用した高加工性冷延鋼板に注目した。そして、まず、質量％でＣ：０．０１、Ｍｎ：０．２０、Ｓｉ：０．６０、Ｓ：０．００５、Ｐ：０．０９、Ｎ：０．００２０、ｓｏｌ．Ａｌ：０．０３５、Ｃｕ：１．２を含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物から成る鋼片を加熱してＡｒ3点以上の温度域で圧延し、７５０℃で巻き取った後、酸洗し、８０％の冷間圧延を施した。この際、熱延板の仕上げ板厚を変化させることによって板厚の異なる冷間圧延材を複数製造した。
【００１４】
その後、表１に示す製造条件で熱処理、調質圧延と造管とを行い成形用の素管を得た。造管はレーザービーム溶接により行った。
【００１５】
熱処理は、Ｃｕの析出が適切に成されることが期待される条件Ａ及びＢと、比較のため、Ｃｕの析出処理が不適切であると考えられる条件Ｃ及びＤとした。素管の直径（外径）、および、長さはそれぞれ６０．５ｍｍ、および、３００ｍｍである。また、板厚の違いに対応した異なる肉厚直径比ｔ／Ｄ（以下、単にｔ／Ｄという）を有する鋼管を作製した。
【００１６】
【表１】
0003764588.tif 000002
次に、図１にその主要部分を模式的に示す軸押し込みを伴う液圧成形装置を用いて、Ｔ型継手の成形試験に供した。軸押し込み量を片側３５ｍｍとし、軸押し込み量の変化に比例させて負荷する内圧を増加させる条件で予備試験を行い、試験体が破裂する圧力ＰBを各製造条件の各ｔ／Ｄ毎について求めた。次に本試験として、成形時の最終内圧をＰBの９０％、その他の条件は予備試験と同じとし、一つの種類の素管について各々５０体の成形を行った。
【００１７】
試験後、成形が問題なく為されたか否かを判定し、成形の成功率、すなわち（５０−成形不良数）／５０×１００（％）を求めた。本試験での成形不良の形態は、全て、非膨出部における小さなしわの発生、または、座屈の発生であった。各製造条件毎の成功率をｔ／Ｄに対してプロットしたグラフが図２である。
【００１８】
このように上記の化学成分を有する鋼を適切な製造条件で造管すれば、ｔ／Ｄが０．０２程度まではほぼ問題なく成形可能であるが、それよりｔ／Ｄの小さい極薄肉管になると、そのほとんどが成形不良となるＣｕの析出処理が不適切と考えられる鋼管に比べれば高い成功率が得られるものの、その値は高々５０％程度であり、工業的な使用には不向きであると判断される水準に留まっている。
【００１９】
そこで、本発明者らは、こうした極薄肉管であっても更に高い成功率で問題なく成形出来る鋼管の開発を目指し、数々の冷間圧延鋼板を用いた鋼管についてこうした試験を繰り返し行い、如何なる場合に成形不良、すなわち座屈またはしわの発生が生じるのかを究明した。その結果、極薄肉管の場合には、成形前の鋼管外面の表面粗さが劣るほど成功率が低くなることを見出した。
【００２０】
従って成形前に鋼管外面を厳しく管理すれば成形の成功率を高め得ることが明らかとなった。
【００２１】
しかしながら、鋼管外面全体を全ての素管について管理することは自動車部品のような大量生産工程には不向きであり、徒に製造コストを引き上げるのみであるから、より低いコストで効果のある方法を見出すため更に検討を進めた。そして、調質圧延に用いるワークロールの表面粗さ（調質圧延を複数パスで行う場合にはその最終パスで用いるワークロールの表面粗さ）を適切に管理しておけば極めて高い成功率で極薄肉管の成形が可能であるとの結論を得るに至った。
【００２２】
図３は、先に述べたものと同一の化学成分を有する鋼を、同じく先に述べた製造条件Ａを用いて素管とする過程のうち、調質圧延に用いるワークロールの表面粗度のみを変化させ、その後それらについて同一の成形試験にて成功率を調べた結果である。
【００２３】
この図から、調質圧延の最終パスに用いるワークロール表面の算術平均粗さＲa（以下、単にＲaという）が１０μｍ以下であれば極めて高い成功率で極薄肉管の成形が可能であることが明らかとなった。
【００２４】
本発明はこのような過程を経て成されたものであり、更に鋭意検討を行って本発明を完成した。
【００２５】
まず鋼材の化学成分について述べる。
【００２６】
Ｃは、鋼板の成形性と密接に関わる元素であり、０．０１％を越えると成形性を劣化させるので、その上限を０．０１％とする。
【００２７】
Ｍｎは、０．０１％以上添加することにより鋼を強化する作用があり、所望の強度に応じて添加量を調整すればよいが、０．５％を越えると成形性に悪影響を及ぼすので、その上限を０．５％とする。
【００２８】
Ｓｉは、０．００５％以上添加することにより鋼を強化する作用があり、所望の強度に応じて添加量を調整すればよいが、１．０％を越えると成形性に悪影響を及ぼすので、その上限を１．０％とする。
【００２９】
Ｓは、少ない程成形性を高めるが、０．０３％以下（０％を含む）であれば特段問題とならないので０．０３％を上限とする。
【００３０】
Ｐは、不純物であり、粒界に偏析して粒界脆化を起こし二次加工割れに対する懸念を生じさせるので少ない程好ましい。ただし０．０５％以下（０％を含む）であれば許容出来るのでその上限を０．０５％とする。
【００３１】
Ｎは、少ない程成形性を高めるが、０．００５％以下（０％を含む）であればさほど悪影響を及ぼさないのでその上限を０．００５％とする。
【００３２】
Ａｌは、鋼の脱酸、脱窒を目的に添加するものであるが、ｓｏｌ．Ａｌの含有量が０．００５％未満ではその効果が得られず、また、０．１％を越えて含有させると延性の劣化をもたらすので、０．００５％以上０．１％以下とする。
【００３３】
Ｃｕは、本発明上最も重要な元素であり、適切な熱処理によって析出させることにより成形性を劣化させることなく強度を高める効果を有する。該効果は０．８％未満では十分発現されないので、０．８％を下限とする。一方、２．２％を越えて含有させてもその効果は飽和してしまうだけでなく、鋼板の表面品位を劣化させるので２．２％をその上限とする。
【００３４】
Ｔｉは、固溶Ｃ、および、固溶Ｎを低減させる働きを有し、成形性を高めるのに有利な元素である。しかし、０．０１％未満では効果がなく、一方０．２％を越えて含有させてもそれ以上の効果は得られず、鋼のコストを高めてしまう。そのため含有量を０．０１％以上、０．２％以下とする。
【００３５】
Ｎｂは、固溶Ｎを低減させ、また、熱間圧延の仕上げ圧延前の結晶粒径を微細化する働きを有し、成形性を高めるのに有効であるが、０．００５％未満では効果がなく、０．２％を越えて含有させてもそれ以上の効果が得られないばかりでなく、再結晶温度を上昇させてしまうので０．００５％以上０．２％以下とする。
【００３６】
Ｎｉは、Ｃｕが添加され、かつ、スケールが生成する条件下で加熱される場合には、鋼板の表面品位を保ち熱間脆化を防止するのに有効な元素である。必要に応じて０．１５％以上０．４５％以下の範囲で添加してもよい。
【００３７】
次に熱間圧延等の条件について述べる。
【００３８】
本発明に用いる鋼の熱間圧延は、連続鋳造後直接、または、冷却再加熱後のいずれで為されてもよい。その仕上圧延の終了温度がＡｒ3点未満になると表層近傍を中心に剪断変形を受けた組織がそのまま冷延原板にもたらされるため高い成形性を有する鋼板を得ることが出来ない。このため仕上圧延はＡｒ3点以上で終了する必要がある。仕上圧延の開始温度は特に限定する必要はなく、それに先立つ粗圧延を１０００℃前後で終了し、続いて仕上圧延を開始すればよい。
【００３９】
熱間圧延後の巻き取りを５００〜６５０℃で行うとＣｕの析出が起こり、これが冷間圧延板の再結晶を遅延させる。これを避けるために巻き取り温度は４５０℃以下もしくは７００℃以上が望ましい。
【００４０】
冷間圧延の合計圧延率は良好な成形性を得るためには５０％以上、９０％以下が望ましい。
【００４１】
冷間圧延材の熱処理と調質圧延、および、造管工程について述べる。
【００４２】
冷間圧延された鋼板は加工組織を有しているため再結晶させると共にＣｕを固溶させる。温度は７５０℃以上Ａｃ3点以下とする。Ａｃ3点を越えて加熱されると成形性に好ましい集合組織の形成が為されないからである。この熱処理に引き続き、４５０〜７００℃に冷却後、その温度域で０．１分以上熱処理しＣｕの析出を図る。熱処理が３０分を超えると析出したＣｕが粗大化し、更には母相との結晶学的整合性を失って鋼を強化する効果が減少するという問題が生じるので、上限を３０分とする。これらの熱処理は連続焼鈍により行うものとする。その後、該帯鋼に調質圧延を施す。その際どのような表面粗さのワークロールを用いるかが極めて重要であり、Ｒaが１０μｍ以下であることが必要である。調質圧延を複数パスで行う場合に、最終以前のパスに使用するワークロールについては特に規定しないが、同程度の粗さであることが望ましい。
【００４３】
調質圧延で加えられる伸び率は、鋼材の機械的性質や平坦度の修正などの必要量によって適宜決定されればよく、０．３〜５％の範囲とする。
【００４４】
Ｒaの下限は、本発明の目的上は特に設けない。なおＲaはＪＩＳ  Ｂ  ０６１０−１９９４の規定に基づき、ロールの軸方向の等間隔の１０箇所を全周に渡って測定し、それらのうちの最大値を採用した。
【００４５】
かくして得られた帯鋼を造管して所定の寸法の鋼管と為す。鋼管の製造方法はどのようなものでもよく、シーム溶接の方法も特に限定しない。
【００４６】
また、Ｃｕの析出を図るための熱処理を造管後に行ってもよい。この方式によれば、造管時の鋼板は低強度であるため造管機の負荷を軽減することが出来るとともに、Ｃｕの析出処理と造管後の歪除去処理を一つの工程で済ませることが出来る。
【００４７】
【実施例】
本発明の実施例を比較例とともに説明する。
【００４８】
表２に化学成分を示す鋼片を加熱して圧延し、９０２〜９１７℃で仕上げた。巻き取り温度は７５１〜７６０℃であった。これらの熱間圧延板を酸洗した後、８０％の冷間圧延を施した。次いで、表３の製造条件にて鋼管とした。造管はレーザービーム溶接により行った。そのうち調質圧延工程は、複数の、Ｒaの異なるワークロールを使用して行った。管の外径は６０．５ｍｍ、成形に用いる素管の長さは３００ｍｍ、軸押し込み量は片側３５ｍｍとした。複数のｔ／Ｄ毎に５０体のＴ型成形試験を行った結果を表４に示す。
【００４９】
【表２】
0003764588.tif 000003
【００５０】
【表３】
0003764588.tif 000004
【００５１】
【表４】
0003764588.tif 000005
表２において、ａ〜ｄは本発明の範囲内の鋼であるが、ｅはＣｕ量が本発明の範囲外の鋼である。
【００５２】
また、表３において、Ｐ１〜Ｐ６は本発明の範囲内の製造条件であるが、Ｐ７およびＰ８はＣｕの析出条件が本発明の範囲外である。
【００５３】
更に表４において、Ｎｏ．８はＲaが本発明の範囲外である。
【００５４】
成形試験の結果、表４に見られるように、本発明の範囲内で製造された鋼管を用いれば、ｔ／Ｄが０．００５程度の極薄肉管であってもかなり高い成功率で成形可能であるのに対して、いずれかの条件でも本発明の範囲を外れる場合、成形の成功率ははるかに低くなり、工業的な生産には不適切であることが明らかとなった。
【００５５】
【発明の効果】
本発明の製造方法を用いれば、特段のコスト増もなく、軸押し込みを伴う液圧成形性に優れた高強度鋼管を得ることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ｔ型継手の成形試験に用いた軸押し込みを伴う液圧成形装置の主要部分を示す模式図である。
【図２】製造条件毎の、ｔ／Ｄと成形の成功率の関係を示すグラフである。
【図３】Ｒa毎の、ｔ／Ｄと成形の成功率の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１  上金型
２  成形前の鋼管の断面
３  成形後の鋼管の断面
４  下金型
５  軸押し込み用シリンダー
【図１】
0003764588.tif 000006
【図２】
0003764588.tif 000007
【図３】
0003764588.tif 000008