JP3017252B2 - 自動車ドア補強材用焼入れ鋼管の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、自動車のサイドドアに取り付けられるイン
パクトバー等の補強部品として使用される高強度焼入れ
鋼管の製造方法に関する。

［従来の技術］ 近年、自動車、なかでも乗用車への安全対策の強化に
対する要求が高くなってきている。この要求の一つとし
て、側面からの衝突時の衝撃を吸収するため、サイドド
アにインパクトバー等の補強部品を装着することが採用
されるようになった。

従来のインパクトバーは、冷間圧延した高張力鋼板を
プレス形成したものが主体であった。しかし、一方で燃
費向上を目的として自動車の軽量化に対する要求は強い
ものがあり、100キロ級程度の冷延高張力鋼板からプレ
ス成形により製造したインパクトバーは、かなりの重量
をもつため、車両の軽量化には不向きである。

そこで、インパクトバー等の補強部品の軽量化を図る
ために、130kgf/mm²以上、好ましくは150kgf/mm²以上の
引張り強さをもつ高強度鋼管の使用が検討されてきた。
たとえば、機械構造用炭素鋼鋼管JIS−STKM19種や20種
等の鋼管を焼入れし、インパクトバー用高強度鋼管とす
る試みが一部で行われている。

鋼材の最も一般的な焼入れ方法には、ガス燃焼炉や電
気炉中に材料を装入して加熱した後、水等の冷却媒体中
に投入する方法がある。しかし、この方法を鋼管の焼入
れに適用すると、鋼管の真円度や真直度が大きく損なわ
れ易く、その手直しに多大の時間や手間が必要となる。

これに対し、順次短時間加熱された部分を冷却して焼
入れを行う高周波焼入れでは、形状変化が抑えられ、形
状特性に優れた焼入れ鋼管を得ることができる長所をも
っている。この点を重視し、インパクトバー用焼入れ鋼
管の製造に、高周波焼入れを組み入れた方法が一部で採
用されている。

［発明が解決しようとする課題］ 従来から採用されているインパクトバーに対する高周
波焼入れ方法においては、第２図に示すように、短尺鋼
管ｂを治具10で保持した状態で、短尺鋼管ｂの長手方向
に高周波加熱コイル11及び水冷管12を移動させている。
或いは、治具10を介し短尺鋼管ｂ自体を軸長方向に移動
させ、高周波加熱コイル11及び水冷管12を通過させる方
法も採用されている。しかし、何れもバッチ的な方法で
あり、治具10に対する鋼管ｂのセットや加熱コイル11等
の往復移動に時間がかかることから、生産性に問題があ
った。

この点、生産性を改善するため、複数の短尺鋼管を並
列的に並べてそれぞれを保持し、複数の加熱コイル及び
水冷管を使用して同時に焼入れを行う方法、製品寸法の
数倍以上の長さをもつ長尺鋼管を焼入れした後で所定長
さの短尺鋼管に切断する方法も開発されている。しかし
ながら、これらの方法によっても、生産性の向上は十分
満足できる状態に達していないのが現状である。

このように従来の焼入れ方法では、自動車用補強材と
して要求される高強度，軽量性，寸法精度等を含めた品
質の安定性及び大量生産に対応した生産性を満足する高
強度焼入れ鋼管の製造法は、実操業の面から必ずしも確
立されたものとはいえない。

本発明は、このような従来の焼入れ方法がもつ問題を
解消すべく案出されたものであり、使用する鋼の成分・
組成及び焼入れ方法に改良を加えることにより、高周波
焼入れ処理の生産性を高め、低コストで大量生産が可能
なインパクトバー等の補強材用高強度焼入れ鋼管製造す
ることを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、その目的を達成するため、重量比率でC:0.
10〜0.30％,Si:0.05〜0.50％,Mn:0.20〜1.50％,P:0.020
％以下,S:0.020％以下及びAl:0.01〜0.10％を含有する
基本成分系をもつ鋼を使用する。

或いは、この成分系に、Ti:0.01〜0.10％及びB:0.000
5〜0.010％を添加した鋼、Ni:0.20〜1.50％,Cr:0.05〜
1.00％,Mo:0.05〜0.50％,V:0.01〜0.20％,Nb:0.01〜0.2
0％,Ca:0.001〜0.01％の合金成分の一種又は二種以上を
基本成分系に加えた鋼を使用することもできる。更に
は、Ti及びＢと前記合金成分を複合添加した鋼を使用す
ることもできる。

このような成分系をもつ鋼から常法に従って電縫鋼管
を製造した後、コンベア上で電縫鋼管を連続搬送しなが
ら高周波誘導加熱した後、直ちに水冷焼入れする。これ
により、マルテンサイト組織を持ち、引っ張り強度が13
0kgf/mm²以上の自動車ドア補強材用焼入れ鋼管が得られ
る。なお、電縫鋼管としては、通常の丸型は勿論、角型
に形成したものを使用することができる。

［作用］ 本発明者等は、焼入れ鋼管の強度や靱性レベル及び高
周波焼入れに対応した焼入れ性を勘案して鋼中の成分・
組成を制御すると共に、生産性の向上に適した焼入れ方
法を検討した。その結果、使用する電縫鋼管の成分・組
成を前述のように規定すると共に、鋼管を連続的にライ
ン上で搬送しながら高周波焼入れすることによって、イ
ンパクトバー等の補強材として要求される靱性，強度等
の性質を備えた高強度鋼管を高い生産性で製造できるこ
とを見い出した。

以下に、本発明で使用する電縫鋼管の成分及び組成に
ついて説明する。

C:焼入れ後の鋼管の強度を得るために必要な元素であ
り、0.10％未満ではインパクトバー用高強度鋼管として
要求される引張り強さ130kgf/mm²以上の強度が得られな
い。しかし、0.30％を超えてＣを含有させると、強度の
増加は図られるものの、靱性の低下がみられる。その結
果、衝撃荷重が負荷されたとき、脆性的に破断し、イン
パクトバーとして好ましくない性質を呈する。したがっ
て、Ｃ含有量を0.10〜0.30％の範囲に規定した。

Si:鋼の脱酸剤として使用される元素であり、また焼入
れ性を高めるためにも有用である。この作用を得るた
め、Siを0.05％以上含有させることが必要である。しか
し、酸素との親和力が強い元素であるために、電縫鋼管
製造工程の電縫溶接時にペネトレータが溶接部に形成さ
れ易くなり、健全な溶接部を得ることが難しくなる。そ
のため、高強度焼入れ鋼管としたときの靱性を阻害する
傾向がある。したがって、Si含有量は、上限を0.50％に
設定した。

Mn:鋼材の焼入れ性を高め、強靱化を図る上で有用な元
素である。しかし、過剰の含有は、Mn系の非金属介在物
を増加させ、しかも縞状組織を発達させる。その結果、
靱性が低下する。更に、Mnは、Siと同様に溶接部の健全
性にも悪影響を及ぼす。このため、Mn含有量を、0.20〜
1.50％の範囲に規定した。

P:焼入れ鋼管の靱性を劣化させる元素である。そこで、
Ｐ含有量の上限を0.020％とした。

S:鋼中に非金属介在物の生成を促進させ、靱性の劣化，
溶接部の健全性の低下等の欠陥を招く。そこで、Ｓ含有
量は、0.020％以下とした。

Al:溶鋼の脱酸剤として有用な元素である。しかし、Al
含有量が0.10％を超えると、鋼の清浄度が損なわれると
共に、表面傷が生じ易くなる。したがって、Al含有量
は、0.01〜0.10の範囲に規定した。

また、選択成分として添加されるTi,B,Ni,Cr,Mo,Nb,
V,Ca等は、それぞれ次の作用を呈する。

Ni:鋼の焼入れ性を向上させ、靱性の劣化を抑えながら
高強度化を図る上で有効な元素である。この作用を得る
ために、0.20％以上のNiを含有させることが必要であ
る。しかし、1.50％を超えてNiを含有させても、性質改
善効果が緩慢になるばかりでなく、鋼材のコスト上昇を
招く。したがって、Ni含有量は、0.20〜1.5％の範囲に
規定した。

Cr:鋼の焼入れ性を向上させるために有効な元素であ
り、0.05％以上のCrを含有させることが必要である。し
かし、1.00％を超えてCrを含有させるとき、造管時の溶
接部にペネトレータが発生し易くなり、高強度鋼管とし
ての靱性が劣化する。したがって、Cr含有量は、0.05〜
1.00％の範囲に規定した。

Mo:鋼の焼入れ性を高める上で有効な元素であり、0.05
％以上のMoを含有させることが必要である。しかし、Mo
は、高価な合金元素であり、0.50％を越えて含有させて
も、それに見合った効果が得られず、経済的に不利とな
る。そこで、Mo含有量を、0.05〜0.50％の範囲に規定し
た。

V:安定な炭窒化物を形成し、焼入れ時に結晶粒の粗大化
を抑制し、靱性の劣化を防止する等の有効な作用を呈す
る。このような作用を得るためには、0.01％以上のＶを
含有させることが必要である。しかし、Ｖ含有量が0.20
％を超えるとき、ごく短時間で鋼材が加熱される高周波
焼入れでは炭化物の固溶不足に起因してマトリックスの
Ｃ濃度が低下する。その結果、必要とする強度が得られ
なくなる。そこで、Ｖ含有量を、0.01〜0.20％の範囲に
設定した。

Nb:Vと同様に、結晶粒の粗大化を抑制する上で、有効な
元素である。しかし、マトリックスに対する炭化物の固
溶を減少させて、強度低下を招く。したがって、Nb含有
量は、Ｖと同様に0.01〜0.20％の範囲に設定した。

Ti:熱処理時に固溶しにくい炭窒化物を形成して、ＶやN
bと同様な作用を呈する。また、Ｂを添加した鋼にあっ
ては、Tiの脱窒作用によってＢが有効に働き、所定の焼
入れ性が確保される。これらの作用を得るためには、Ti
を0.01％以上含有させることが必要である。しかし、0.
10％を超えてTiを含有させると、粗大な窒化物が形成さ
れ、靱性の劣化を招く。したがって、Ti含有量は、0.01
〜0.10％の範囲に規定した。

B:鋼の焼入れ性は、Ｂの微量添加によって大きく向上す
る。しかし、0.0005％未満のＢ含有では、焼入れ性向上
に効果がない。また、Ｂ含有量が0.01％を超えると、鋼
中に化合物が形成され、逆に焼入れ性の低下を招くばか
りか、靱性にも悪影響を及ぼす。この点から、0.0005〜
0.01％の範囲にＢ含有量を定めた。Ca:S系非金属介在物
の形態を制御して無害化し、鋼の靱性を高める上で有効
な元素である。この作用を得るためには、0.001％以上
のCaを含有させることが必要である。しかし、0.01％以
上のCaを含有させるとき、鋼中の非金属介在物の量が増
大し、かえって靱性の劣化がみられる。そこで、Ca含有
量は、0.001〜0.01％の範囲に規定した。

以上の合金元素を含有する鋼から鋼管を製造する方法
としては、種々の方法を採用することが可能である。た
とえば、製品特性の均質性の面からすると、継ぎ目のな
いシームレスパイプを製造することもできる。しかし、
製造コストを考慮するとき、高周波誘導抵抗加熱で板材
を溶接し電縫鋼管を製造する方法が、インパクトバー用
鋼管の製造に最も適した方法である。

この電縫鋼管は、たとえば第１図に概略を示した高周
波焼入れ装置によって熱処理される。すなわち、長尺の
電縫鋼管ａは、入側パイプラック１にストックされてお
り、焼入れ作業時に１本づつパイプラック１からローラ
コンベア２等のコンベアに払い出される。電縫鋼管ａ
は、ローラテーブル２により搬送され、ピンチロール３
に達する。この搬送過程で、長尺の電縫鋼管ａは、ロー
ラテーブル２のローラによって回転しながら搬送され
る。

次いで、電縫鋼管ａは、トンネル状の加熱コイル４に
送り込まれる。加熱個コイル４には高周波電源５から電
力が供給され、トンネル状の高周波コイル４中を移動す
る間に電縫鋼管ａが加熱され、オーステナイト領域まで
昇温される。

高周波コイル４の出側には、環状の水冷管６が配置さ
れている。オーステナイト領域まで加熱された電縫鋼管
ａは、水冷管６から噴射される冷却水によって冷却さ
れ、焼入れされる。

焼き入れられた電縫鋼管ａは、出側ピンチローラ７を
経た後、出側ローラテーブル８で搬送される。そして、
ローラテーブル８から出側パイプラック９に払い出され
る。

以上の工程が繰り返されて、多数の長尺鋼管が順次焼
入れ処理される。このとき、後続する長尺鋼管をほとん
ど間隔を開けることなく先行の鋼管に続けて搬送するこ
とにより、多数の鋼管を連続的に処理することが可能と
なる。しかも、鋼管が回転しながらローラテーブル上を
送られるため、高周波加熱による加熱温度や水冷による
冷却温度が鋼管周方向に関し均一化し、偏熱が抑制され
ると共に、鋼管の真円度及び真直度が維持される。

また、本発明に従った焼入れ方法によるとき、鋼管が
常に一方向にローラテーブル2,8上を搬送され、加熱コ
イル４や水冷管６の移動がない。したがって、加熱コイ
ル４の往復や鋼管保持具の着脱工程が省略され、第２図
で説明した従来のバッチ的な高周波焼入れ方法に比較し
大幅に生産性を向上させることができる。

なお、加熱コイル４の入側及び水冷管６の出側にそれ
ぞれ配置したピンチロール3,7は、電縫鋼管ａの搬送速
度を精度良く制御し、焼入れ鋼管の材質を安定化させる
上で有効である。

通常のローラテーブルを使用するとき、数ｍ程度に切
断した長尺鋼管が熱処理の対象とされる。この場合、焼
入れ後の鋼管を所定長さに切断する工程が付加される。
しかし、ローラテーブルのローラのピッチ等を変更する
とき、インパクトバー製品長さに相当する1m程度の短尺
鋼管を焼入れすることもできる。

また、造管ラインに連結して、エンドレス状に送り出
された鋼管を搬送しながら焼入れ処理することも、原理
的には可能である。ただし、電縫鋼管を製造する通常の
造管機のラインスピードが毎分数十ｍと高速である。そ
こで、これと同期して焼入れ処理をするためには極めて
大容量の高周波加熱装置が必要となり、設備費用に対す
る負担が大きくなる。

［実施例］ 実施例により、本発明を具体的に説明する。

第１表に示した成分・組成をもつ鋼を転炉で溶製し、
連続鋳造によってスラブを製造した。このスラブをホッ
トストリップミルで板厚2.3mmの熱延鋼板に熱間圧延し
た。得られた熱延鋼板を酸洗した後、一部については更
に焼鈍を施し、所定の幅にスリットし、造管機により外
径25.4mmの電縫鋼管を製造した。

この電縫鋼管を長さ5mに切断し、第１図に示した高周
波焼入れ装置で焼入れを施した。高周波加熱による加熱
温度は900〜1000℃に、ラインスピードは毎分10mに設定
した。

焼入れ処理後の鋼管について、機械的性質を調査し
た。試験は、引っ張り試験及び衝撃曲げ試験を行った。
なお、衝撃曲げ試験では、２点支持した焼入れ鋼管上に
重錘を落下させ、鋼管の破壊形態を観察した。調査結果
を、第２表に示す。

試験例１は、焼入れ強度に最も大きな影響を与えるＣ
含有量が少ない。また、試験例６は、焼入れ性を向上さ
せる元素の含有量が少ないため、本発明に従った高周波
焼入れにおける冷却時に、一部フェライト変体が生じて
マルテンサイト量が減少する。その結果、第２表に示す
ように、比較例１及び６双方共に、インパクトバーとし
て要求される引張り強さ130kgf/mm²以上の強度が得られ
ていない。

また、多量のＣを含有する鋼材を使用した試験例７で
は、192kgf/mm²と非常に高い引張り強さが得られている
ものの、延性が低下している。そのため、インパクトバ
ーに必要な強靱性が不足している。

これに対して、本発明に従った試験例２〜５では、イ
ンパクトバーとして要求される引張り強さ130kgf/mm²以
上の高強度が得られており、靱性も優れている。

なお、以上の例においては、丸型の電縫鋼管を使用し
た場合を説明した。しかし、本発明は、これに拘束され
るものではなく、たとえば電縫溶接した鋼管を角形に成
形したものに対しても同様に適用される。この場合、角
形鋼管は、ローラテーブル上を転がることがない。しか
し、長尺の鋼管に加えられる高周波は、長尺のために均
質化されて各部に作用し、偏熱を発生させることがな
い。そのため、焼入れ後の組織は、均一化する。

［発明の効果］ 以上に説明したように、本発明においては、使用する
電縫鋼管の成分・組成を調整すると共に、ローラテーブ
ルで連続的に搬送しながら高周波焼入れしている。これ
により、従来の製造法に比較して大幅に向上した生産性
で、インパクトバー等の車両用補強部品として要求され
る強度及び靱性に対応した特性をもち、形状特性の良好
な焼入れ鋼管を製造することが可能となる。また、優れ
た強度及び靱性を考慮して、その分だけ補強部品を薄肉
軽量化することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に従った高周波焼入れ装置の概略を示
し、第２図は従来のバッチ式高周波焼入れ装置の概略を
示す。 1:入側パイプラック、2:入側ローラテーブル 3:入側ピンチローラ、4:高周波加熱コイル 5:高周波電源、6:環状の水冷管 7:出側ピンチロール、8:出川ローラテーブル 9:出側パイプラック、a:電縫鋼管

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｃ２２Ｃ 38/00 ３０１ Ｃ２２Ｃ 38/00 ３０１Ａ 38/06 38/06 (56)参考文献 特開 昭60−67623（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−139848（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−215719（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−122219（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C21D 9/08,1/42,1/18 B60J 5/04 C22C 38/00 - 38/60

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】重量比率で C:0.10〜0.30％， Si:0.05〜0.50％， Mn:0.20〜1.50％， P:0.020％以下， S:0.020％以下及び Al:0.01〜0.10％ を含有する電縫鋼管を、コンベア上で連続搬送しながら
   高周波誘導加熱した後、直ちに水冷焼入れすることを特
   徴とする引張り強さに優れた自動車ドア補強材用焼入れ
   鋼管の製造方法。
2. 【請求項２】重量比率で C:0.10〜0.30％， Si:0.05〜0.50％， Mn:0.20〜1.50％， P:0.020％以下， S:0.020％以下， Al:0.01〜0.10％ Ti:0.01〜0.10％及び B:0.0005〜0.010％ を含有する電縫鋼管を、コンベア上で連続搬送しながら
   高周波誘導加熱した後、直ちに水冷焼入れすることを特
   徴とする引張り強さに優れた自動車ドア補強材用焼入れ
   鋼管の製造方法。
3. 【請求項３】重量比率で C:0.10〜0.30％， Si:0.05〜0.50％， Mn:0.20〜1.50％， P:0.020％以下， S:0.020％以下， Al:0.01〜0.10％及び Ni:0.20〜1.50％,Cr:0.05〜1.00％,Mo:0.05〜0.50％,V:
   0.01〜0.20％,Nb:0.01〜0.20％,Ca:0.001〜0.01％のう
   ちの一種又は二種以上 を含有する電縫鋼管を、コンベア上で連続搬送しながら
   高周波誘導加熱した後、直ちに水冷焼入れすることを特
   徴とする引張り強さに優れた自動車ドア補強材用焼入れ
   鋼管の製造方法。
4. 【請求項４】重量比率で C:0.10〜0.30％， Si:0.05〜0.50％， Mn:0.20〜1.50％， P:0.020％以下， S:0.020％以下， Al:0.01〜0.10％， Ti:0.01〜0.10％， B:0.0005〜0.010％及び Ni:0.20〜1.50％,Cr:0.05〜1.00％,Mo:0.05〜0.50％,V:
   0.01〜0.20％,Nb:0.01〜0.20％,Ca:0.001〜0.01％のう
   ちの一種又は二種以上 を含有する電縫鋼管を、コンベア上で連続搬送しながら
   高周波誘導加熱した後、直ちに水冷焼入れすることを特
   徴とする引張り強さに優れた自動車ドア補強材用焼入れ
   鋼管の製造方法。