JP2864997B2

JP2864997B2 - 高強度高靭性鋼管の製造方法

Info

Publication number: JP2864997B2
Application number: JP23035494A
Authority: JP
Inventors: 靖英藤岡; 文彦菊池
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1994-08-30
Filing date: 1994-08-30
Publication date: 1999-03-08
Anticipated expiration: 2014-03-08
Also published as: JPH0873938A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、自動車等に使用され
る機械構造用鋼材のうち、特に自動車の足まわりに使用
される高強度部材に適した高強度高靭性鋼管の製造方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、自動車の駆動系ならびに足まわり
に使用される鋼材の中で、特にステアリングシャフト、
ドライブシャフト等には、引張強さ８０ｋｇｆ／ｍｍ²
クラスのＪＩＳＧ４０５１に規定の機械構造用炭素鋼
鋼材のＳ４５Ｃ、Ｓ５０Ｃ等の棒鋼が多く使用され、表
面高周波焼入れ、焼戻しされて使用されている。しかし
ながら、自動車の軽量化が進む中で、駆動系ならびに足
まわりに使用される鋼材も中空鋼管化が強く要望され
る。ステアリングシャフト、ドライブシャフト等を中空
化する場合、現状の引張強さ８０ｋｇｆ／ｍｍ²クラス
の機械構造用炭素鋼のＳ４５Ｃ、Ｓ５０Ｃ等の棒鋼に比
べ、中空分だけ更に高強度で、かつ高靭性の鋼管が要求
されると共に、表面高周波焼入れ、焼戻しされるため、
表面高周波焼入れされた部材として、硬さのみならず、
高いねじり強度と良好な曲げ特性が要求される。

【０００３】このため、自動車の足まわりに使用される
高強度、高靭性の継目無鋼管は、熱間にて継目無製管さ
れた管を単に焼入れ、焼戻し熱処理を施して高強度化す
るのみでは不十分であり、熱間にて継目無製管された管
を冷間加工し、所定の寸法精度を確保したのち熱処理を
施し、高強度化と高靭性化を図ることが試みられてい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、熱間に
て継目無製管された管を冷間加工したのち熱処理を施
し、高強度化と高靭性化を図るのみでは、特にステアリ
ングシャフト、ドライブシャフト等に使用される引張強
さ８０ｋｇｆ／ｍｍ²クラスの機械構造用炭素鋼のＳ４
５Ｃ、Ｓ５０Ｃ等の棒鋼の強度以上の高強度、高靭性を
付与することは不可能である。

【０００５】本発明者らは、高周波焼入れ前の素材特性
に優れた高強度、高靭性鋼管の製造方法として、Ｃ：
０．３５〜０．５５％、Ｓｉ：０．１０〜０．５０％、
Ｍｎ：１．０〜２．０％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：
０．０３％以下と、Ｃｒ：１．０％以下、Ｖ：０．２％
以下、Ｎｂ：０．０１５〜０．０５％、Ｂ：０．００１
０〜０．００５０％のうちの１種または２種以上を含有
し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼材を用
いて継目無鋼管を、製管時に仕上げ温度Ａｒ₃変態点以
上で最終圧延したのち、断面減少率１０〜７０％で冷間
加工して所定の寸法に仕上げ、ついで５００〜７００℃
の温度で熱処理を行うことを特徴とする高強度高靭性鋼
管の製造方法を既に特願平５−１９２８８５号として特
許出願している。この特願平５−１９２８８５号に開示
の方法は、高強度高靭性鋼管を得ることができるが、後
工程での高周波焼入れ特性については不十分であること
が判明した。

【０００６】この発明の目的は、自動車の足まわりに使
用される高強度部材に適した高周波焼入れ特性に優れた
高強度高靭性鋼管の製造方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記目的
を達成すべく高周波焼入れ条件を種々試験検討した結
果、９００〜１０００℃の高周波焼入れを行うことによ
って、現行のＳ４５Ｃ、Ｓ５０Ｃ等の棒鋼よりもねじり
強度ならびに曲げ特性の優れた高強度高靭性鋼管を製造
できることを確認し、この発明に到達した。

【０００８】すなわちこの発明は、Ｃ：０．３５〜０．
５５％、Ｓｉ：０．１０〜０．５０％、Ｍｎ：１．０〜
２．０％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下
と、Ｃｒ：１．０％以下、Ｖ：０．２％以下、Ｎｂ：
０．０１５〜０．０５％、Ｔｉ：０．０１０〜０．０５
％、Ｂ：０．００１０〜０．００５０％のうちの１種ま
たは２種以上を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純
物からなる鋼材を用いて継目無鋼管を製管する際、仕上
げ温度Ａｒ₃変態点以上で最終圧延したのち、断面減少
率１０〜７０％で冷間加工して所定の寸法に仕上げ、つ
いで５００〜７００℃の温度で熱処理を行い、さらに９
００〜１０００℃の温度範囲で表面高周波焼入れ後、焼
戻しを行うことを特徴とする高強度高靭性鋼管の製造方
法である。

【０００９】

【作用】この発明において、素材の化学成分の限定理由
は、下記の通りである。Ｃは素材の強度、歯切り部の高
周波焼入れ後の強度を得るために必要な元素で、０．３
５％未満では目標の硬度が得られず、また、０．５５％
を超えると硬度が高くなり靭性が悪化するため、０．３
５〜０．５５％とした。Ｓｉは鋼の脱酸のために重要な
元素で、０．１０％未満では脱酸が不十分となり、ま
た、０．５０％を超えると効果が飽和し、高価となるた
め、０．１０〜０．５０％とした。Ｍｎは素材の強度、
延性、靭性の確保に重要な元素で、１．０％未満では目
標とする機械的特性が得られず、また、２．０％を超え
ると靭性の低下を来すため、１．０〜２．０％とした。
Ｐは焼入れ後の靭性を悪化させる元素で、０．０３％を
超えると靭性が低下するので、０．０３％以下とした。
Ｓは非金属介在物のＭｎＳを生成させ、靭性を悪化させ
る元素で、０．０３％を超えるとその傾向が著しいの
で、０．０３％以下とした。

【００１０】Ｃｒは素材の強度を得るのに重要な元素で
あるが、高価なため、１．０％以下とした。Ｖは素材の
強度ならびに靭性の確保に有効な元素であるが、高価な
ため０．２％以下とした。Ｎｂは素材の強度ならびに結
晶粒微細化による靭性の向上に有効な元素で、０．０１
５％未満ではその効果が十分でなく、また、０．０５０
％を超えると靭性が悪化するため、０．０１５〜０．０
５０％とした。Ｔｉは結晶粒の微細化による靭性の向上
に有効な元素で、０．０１０％未満ではその効果が十分
でなく、また、０．０５０％を超えると靭性が悪化する
ため、０．０１０〜０．０５０％とした。Ｂは高周波焼
入れ部の焼入れ性ならびに粒界強化による靭性の向上に
有効な元素で、０．００１０％未満ではその効果が十分
でなく、また、０．００５０％を超えると靭性が悪化す
るため、０．００１０〜０．００５０％とした。

【００１１】熱間製管時の仕上げ温度をＡｒ₃変態点以
上としたのは、圧延組織を整粒の組織とするためであ
る。また、冷間加工時の加工度を１０〜７０％としたの
は、１０％未満では所定の寸法精度が得られず、また、
７０％を超えると冷間加工による割れが懸念されるから
である。さらに、冷間加工後の熱処理温度を７００〜５
００℃としたのは、７００℃を超えると所定の強度が得
られず、また、５００℃未満では高強度となりすぎて延
性、靭性が低下するからである。さらにまた、高周波焼
入れ条件として加熱温度を９００〜１０００℃としたの
は、９００℃未満では短時間急速加熱のため炭化物が十
分固溶できず、所定の焼入れ硬さが得られず、また、１
０００℃を超えると高強度となり過ぎ焼入れ部の靭性が
低下するからである。なお、焼戻し温度は、特に規定し
ないが、一般には１５０〜２００℃で実施される。ま
た、高周波の周波数を変えることにより焼入れ深さを変
えることが可能である。

【００１２】この発明においては、Ｃ：０．３５〜０．
５５％、Ｓｉ：０．１０〜０．５０％、Ｍｎ：１．０〜
２．０％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下
と、Ｃｒ：１．０％以下、Ｖ：０．２％以下、Ｎｂ：
０．０１５〜０．０５％、Ｔｉ：０．０１０〜０．０５
０％、Ｂ：０．００１０〜０．００５０％のうちの１種
または２種以上を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不
純物からなる鋼材を用いることによって、鋼材の強度、
延性、靭性が確保され、かつ、継目無鋼管を、製管時に
仕上げ温度Ａｒ３変態点以上で最終圧延するから、整粒
の組織が得られる。しかも、断面減少率１０〜７０％の
範囲で冷間加工して所定の寸法に仕上げたのち、５００
〜７００℃の温度で熱処理を行うから、継目無鋼管にス
テアリングシャフト、ドライブシャフト等に使用される
引張強さ８０ｋｇｆ／ｍｍ²クラスの強度が付与される
と共に、靭性、延性が確保されている。さらに９００〜
１０００℃の温度範囲で表面高周波焼入れ後、焼戻しを
行うことによって、所要の高いねじり強度と良好なねじ
り特性を有する高強度、高靭性鋼管を得ることができ、
ステアリングシャフト、ドライブシャフト等の中空鋼管
化が可能となり、自動車の軽量化を図ることができる。

【００１３】

【実施例】

実施例１真空溶解した表１に示す化学成分の鋼（鋼種Ｎｏ．１〜
１１は本発明鋼、鋼種Ｎｏ．１２〜１６は比較鋼）を溶
製したのち、外径３１．８ｍｍ、肉厚８．０ｍｍに熱間
圧延（ただし、Ａｒ₃変態点以上の８３０℃で仕上げ）
して継目無鋼管となし、外径２３．０ｍｍ、肉厚６．０
ｍｍに冷間引抜き加工（断面減少率４６％）したのち、
ＪＩＳＺ２２４１に規定の引張試験での引張強さ８５
ｋｇｆ／ｍｍ²の強度となる条件で熱処理を行ったもの
について、周波数２０ｋＨｚにて最高加熱温度８５０〜
１０５０℃で焼入れを行ったのち、１７０℃で１時間焼
戻しを行った鋼管について、継目無鋼管の試験片の一端
を固定し、他端にねじり荷重を加えるねじり試験により
ねじり強度と割れの有無を調査した。その結果を表２に
示す。なお、鋼種Ｎｏ．２の本発明鋼を６５０℃で熱処
理したものについて、最高加熱温度９２０℃、９８０℃
で焼入れを行った場合を本発明例として、また、鋼種Ｎ
ｏ．２の本発明鋼を８００℃、４００℃で熱処理したも
のについて、最高加熱温度９５０℃で焼入れを行った場
合および鋼種Ｎｏ．２の本発明鋼を６５０℃で熱処理し
たものについて、最高加熱温度１０５０℃で焼入れを行
った場合を比較例として、同様の試験を行った。その結
果を表２に併記して示す。

【００１４】

【表１】

【００１５】

【表２】

【００１６】表２に示すとおり、本発明例はいずれもね
じり強度が高く、しかもねじり試験における割れの発生
は皆無であったが、比較例はねじり強度が低いもの、さ
らにねじり試験における割れの発生が認められ、延性、
靭性が乏しいものであった。

【００１７】実施例２表１に示す化学成分の鋼のうち、鋼種Ｎｏ．２の本発明
鋼と鋼種Ｎｏ．１２の比較鋼から製造した外径２３．０
ｍｍ、肉厚６．０ｍｍの本発明鋼管１、２および比較鋼
管について、図１に示すとおり、長さ３００ｍｍの鋼管
１の中央外周部に幅２ｍｍ、深さ２ｍｍ、底部Ｒが１ｍ
ｍのノッチ２の加工を行い、その部分に１００ｋＨｚで
高周波焼入れし、１７０℃で１時間焼戻しを行ったの
ち、図２に示すとおり、ノッチ２を下にして鋼管１の中
央から両側に７５ｍｍ離れた位置を支え３、３に載せ、
その中央部に上部から押金具を当て、押込み量１５ｍｍ
押曲げる曲げ試験をそれぞれ２回行い、曲げ吸収エネル
ギーを求めた。その結果を原鋼管の熱処理温度、引張強
さと共に表３に示す。なお、図３に供試材のノッチ位置
からの硬さ分布を、図４（ａ）に本発明鋼管の三点曲げ
チャート例を、図４（ｂ）に比較鋼管の三点曲げチャー
ト例を示す。

【００１８】

【表３】

【００１９】図３に示すとおり、鋼種Ｎｏ．２の本発明
鋼管は、鋼種Ｎｏ．１２の比較鋼管に比べ、焼入れ特性
が優れている。また、図４に示すとおり、鋼種Ｎｏ．２
の本発明鋼管は、鋼種Ｎｏ．１２の比較鋼管に比べ、ク
ラックの進展が小さく、靭性が著しく優れている。さら
に、表３に示すとおり、鋼種Ｎｏ．２の本発明鋼管は、
鋼種Ｎｏ．１２の比較鋼管に比べ、吸収エネルギーは
１．５〜１．７倍と良好な曲げ特性を示している。

【００２０】

【発明の効果】以上述べたとおり、この発明方法によれ
ば、高強度、高延性、高靭性化を図ることができ、特に
自動車の足まわりに使用される高強度部材の現行Ｓ４５
Ｃ棒鋼に比較し、中空鋼管化が可能となり、自動車の軽
量化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ノッチ加工した曲げ試験片の形状を示すもの
で、（ａ）図は正面図、（ｂ）図は側面図である。

【図２】曲げ試験方法の説明図である。

【図３】実施例２における本発明鋼管１、２と比較鋼管
のノッチ位置からの距離と硬さとの関係を示すグラフで
ある。

【図４】実施例２における本発明鋼管２と比較鋼管の三
点曲げチャート例を示すもので、（ａ）図は本発明鋼管
２の場合、（ｂ）図は比較鋼管の場合である。

【符号の説明】

１鋼管２ノッチ３支え

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｃ：０．３５〜０．５５％、Ｓｉ：０．
１０〜０．５０％、Ｍｎ：１．０〜２．０％、Ｐ：０．
０３％以下、Ｓ：０．０３％以下と、Ｃｒ：１．０％以
下、Ｖ：０．２％以下、Ｎｂ：０．０１５〜０．０５
％、Ｔｉ：０．０１０〜０．０５％、Ｂ：０．００１０
〜０．００５０％のうちの１種または２種以上を含有
し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼材を用
いて継目無鋼管を製管する際、仕上げ温度Ａｒ₃変態点
以上で最終圧延したのち、断面減少率１０〜７０％で冷
間加工して所定の寸法に仕上げ、ついで５００〜７００
℃の温度で熱処理を行い、さらに９００〜１０００℃の
温度範囲で表面高周波焼入れ後、焼戻しを行うことを特
徴とする高強度高靭性鋼管の製造方法。