汽车加固用钢管及其制造方法 【技术领域】
本发明涉及一种汽车门加固用钢管，具体是涉及具有高强度、而且3点弯曲特性优异、特别是压曲极限变形量大的钢管及其制造方法。
本发明提到的“三支点弯曲特性优异”是指：如图1所示，将钢管放置在距离一定跨度L的支撑工具上，用半径为R的弯曲工具压其中间部，在这种所谓的三支点弯曲试验中，产生压曲的最大下压量(压曲极限下压量)大，而且至压曲极限下压量为止的下压载荷-下压量曲线下的面积(图2中的斜线部分)，即，至压曲发生时吸收的能量大。本发明中，具体的是：把31.8mmφ(壁厚1.6mm)的钢管、以L＝980mm进行3点弯曲试验，至压曲极限下压量(压曲极限变形量)为止所吸收的能量在450J以上的钢管称为“三支点弯曲特性优异”的钢管。技术背景
在汽车冲撞时，为了确保乘客的安全，近年来，要求提高汽车车体的冲撞安全性能。为此，在汽车地车体中，要求增加汽车侧面的强度、即增加门的强度，近来已要求必须要安装门加固用挡杆。而且，从汽车车体轻型化的目的，门加固用挡杆也大多使用钢管。
作为门加固挡杆用钢管，从其使用目的必须具有高强度，要使用高强度化的钢管。以前，钢管是使用电焊钢管，使用为高强度化而脱机实施高频淬火等QT处理而高强度化的脱机QT型钢管，或使用adurol型钢管，这种钢管是将电焊钢管素材的薄钢板在制造阶段实施QT处理而高强度化的钢板用电焊焊接制成的电焊钢管。发明的公开
但是，脱机QT型钢管存在的问题是：因为必须要脱机实施QT处理，所以制造工程复杂，制造工期长，而且增加制造成本。另外，adurol型钢管的存在的问题是：残留有造管时的冷却变形，在3点弯曲试验时很早发生压曲，3点弯曲特性差。另外，adurol型钢管存在的问题还有：因为在薄钢板制造阶段实施QT处理、然后造管，所以由电焊焊接的结合部(高频焊接部)受到热影响而软化。另外，存在的问题还有：因为钢管素材的薄钢管强度非常高，所以造管时的回弹大，难以成型，造管设备必须大型化，设备成本增高。
本发明的目的是：解决上述以往的技术问题，提案具有拉伸强度1000Mpa以上的高强度、3点弯曲特性优异的汽车门加固用钢管以及其制造方法。
为了解决上述的课题，本发明者对于不需要进行脱机热处理、同时提高强度和3点弯曲特性的方案进行了锐意研究。研究结果为：在限定成分的钢管，在α+γ两相或者在其上方温度域施加累计减径率为20％以上的减径轧制、冷却，由此，组织成为以加工奥氏体相变的硬质马氏体、贝氏体为主体，混有铁素体的组织。从而，发现了不需要实施以往的脱机的特别热处理(QT处理)、而得到兼备高强度和优异3点弯曲特性钢管的方案。该3点弯曲特性的显著提高可以认为是：相对于以往的脱机QT型钢管的组织是从再加热的奥氏体(γ)相变的马氏体或贝氏体，而此钢管的组织是从被加工的γ(加工γ)相变的马氏体或贝氏体。图3所示的是：将以往的adurol型钢管的3点弯曲特性与具有由从加工γ相变的马氏体或贝氏体为主体的组织的钢管(本发明钢管)的3点弯曲特性进行比较。由图3可知，与以往的钢管比较，本发明钢管的压曲极限下压量(变形量)大，吸收的能量多。
根据上述的知识，经过进一步研究而完成了本发明。利用与以往的汽车门加固用钢管其技术思想具有本质区别的新型技术而构成了本发明。
即，第1的本发明涉及一种汽车门加固用钢管，其特征在于：成分以质量％计，具有：C：0.05～0.30％、Si：0.01～2.0％、Mn：1.8～4.0％、Al：0.005～0.10％，其余部分为Fe以及不可避免的杂质，拉伸强度TS在1000Mpa以上，而且3点弯曲特性优异，另外，在第1的本发明中，组织是马氏体以及/或贝氏体组织，或者是马氏体以及/或贝氏体与铁素体的混合组织，该马氏体以及/或贝氏体最好是从加工的奥氏体的相变生成物，而且，在第1的本发明中，组织中的前述铁素体其含有的面积率最好是在20％以下。而且，在第1的本发明中，屈服比最好是在80％以下。
另外，在第1本发明中，对前述成分进一步增加以下A～C组，以质量％计，
A组：Cu：1％以下、Ni：1％以下、Cr：2％以下、Mo：1％以下，从中选择1种或2种以上；
B组：Nb：0.1％以下、V：0.5％以下、Ti：0.2％以下、B：0.003％以下，从中选择1种或2种以上；
C组：REM：0.02％以下、Ca：0.01以下，从中选择1种或2种；最好是包括所选择中的1组或2组以上。
而且，第2的本发明涉及一种汽车门加固用钢管的制造方法，其特征在于：对于成分以质量％记、具有：C：0.05～0.30％、Si：0.01～2.0％、Mn：1.8～4.0％、Al：0.005～0.10％而其余部分为Fe以及不可避免的杂质的素材钢管，在进行加热或均热处理后，实施累积减径率在20％以上、轧制结束温度在800℃以下的减径轧制，而且，在第2的本发明中，对前述成分再增加以下A～C组，以质量％计，
A组：Cu：1％以下、Ni：1％以下、Cr：2％以下、Mo：1％以下，从中选择1种或2种以上；
B组：Nb：0.1％以下、V：0.5％以下、Ti：0.2％以下、B：0.003％以下，从中选择1种或2种以上；
C组：REM：0.02％以下、Ca：0.01以下，从中选择1种或2种；最好是包括所选择中的1组或2组以上。图的简单说明
图1是表示3点弯曲试验方法概况的说明图。
图2是表示3点弯曲吸收能量值定义的说明图。
图3是表示本发明钢管与以前钢管的3点弯曲试验结果的曲线图。实施发明的最佳形式
本发明的汽车门加固用钢管是拉伸强度TS：1000Mpa以上、而且3点弯曲特性优异的钢管，而且最好是屈服比在80％以下的钢管。另外，本发明的钢管可以是电焊钢管、锻接钢管等熔接钢管、或是无缝钢管中的任一种，其管坯的制造方法没有限定。
其次，说明本发明的汽车门加固用钢管的成分限定理由。以下质量％简记为％。
C：0.05～0.30％
C是固溶在基材中或是作为碳化物析出，是增加钢的强度的元素，本发明中，为确保所希望的强度，C必须要含有0.05％以上，但若超过0.30％，则焊接性能恶化。因此，C限定在0.05～0.30％的范围。
Si：0.01～2.0％
Si起到脱氧剂的作用，而且是固溶于基材而增加钢强度的元素。确认有以上这些效果，应含有Si为0.01％以上、最好是在0.1％以上，但含有量超过2.0％，会降低延性。因此，Si限定在0.01～2.0％的范围。另外，从强度-延性平衡的观点，最好是在0.10～1.5％的范围。
Mn：1.8～4.0％
Mn元素使钢的强度增加，而且提高淬火性能，促进轧制后冷却时马氏体、贝氏体的形成。含有Mn在1.8％以上，确认会有以上效果，但含有量超过4.0％，会降低延性。因此，Mn限定在1.8～4.0％的范围。另外，不进行脱机热处理而为了确保1000Mpa以上的高强度，Mn最好是在2.5～4.0％的范围，而更佳的是在2.5～3.5％的范围。
Al：0.005～0.10
Al是具有起到脱氧作用、细化晶粒作用的元素。由于该晶粒细化效果而细化了管坯阶段的组织，使本发明的效果更好。为此，Al至少必须要含有0.005％以上，但若超过0.10％，则氧化物的夹杂物量增加而降低了纯度。因此，Al限定在0.001～0.10％的范围。而最好是在0.015～0.06％。
在上述的基本成分中再增加下述的A～C组的合金元素组，根据需要最好是含有1组或2组以上。
A组：Cu：1％以下、Ni：1％以下、Cr：2％以下、Mo：1％以下，从中选择1种或2种以上。
Cu、Ni、Cr、Mo均是增加强度的元素，根据需要可以含有1种或2种以上。这些元素具有降低相变点、细化组织的效果。但是，若Cu超过1％而含量多时，则热加工性能差。而且，虽然Ni增加强度、而且也改善韧性，但若超过1％，即使含有Ni，也不能期望与含有量相应的效果。而且，若Cr含有量超过2％、Mo超过1％，则焊接性能、延性差，而且成本增高。鉴于这种情况，最好是：Cu：1％以下、Ni：1％以下、Cr：2％以下、Mo：1％以下。另外，更佳的是：Cu：0.1～0.6％、Ni：0.1～0.7％、Cr：0.1～1.5％、Mo：0.05～0.5％。
B组：Nb：0.1％以下、V：0.5％以下、Ti：0.2％以下、B：0.003％以下，从中选择1种或2种以上。
Nb、V、Ti、B是作为碳化物、氮化物或碳氮化物析出，是有利于钢高强度化的元素。在具有特高温加热结合部的钢管，这些元素的析出物，起到了在结合时加热过程的晶粒的细化以及在冷却过程的铁素体的析出核的作用，也有防止结合部硬化的效果。本发明中，根据需要这些元素可以含有1种或2种以上。但是，因为若添加量过多，则焊接性能、韧性均会降低，所以，最好分别限定如下：Nb为0.1％以下、V为0.5％以下、Ti为0.2％以下、B为0.003％以下。另外，更佳的是：Nb为0.005～0.05％、V为0.05～0.1％、Ti为0.005～0.10％、B为0.0005～0.002％。
C组：REM：0.02％以下、Ca：0.01％以下，从中选取1种或2种。
REM、Ca均是作为硫化物、氧化物或者氧硫化物析出、使夹杂物的形状球状化，具有提高加工性能的作用，而且，具有的作用还有：防止具有结合部的钢管在结合部的硬化。本发明中，根据需要可以含有1种或2种。若REM超过0.02％、或Ca超过0.01％，则夹杂物过多，纯度降低，延性恶化。因此，最好是将REM在0.02％以下、Ca在0.01％以下。另外，因为当REM不足0.004％、Ca不足0.001％时，该作用效果很小，所以，最好是将REM在0.004％以上、Ca在0.001％以上。
上述成分以外的其余部分是由Fe以及不可避免的杂物组成。不可避免的杂物允许：P：0.025％以下、S：0.020％以下、N：0.010以下、O：0.006％以下。
P：0.025％以下
因为P偏晶界、恶化韧性，所以最好是尽可能减少，可允许至0.025％。
S：0.020％以下
因为S增加硫化物、恶化纯度，所以最好是尽可能减少，可允许至0.020％。
N：0.010以下
因为N恶化焊接性能，所以最好是尽可能减少，可允许至0.010％。
O：0.006％以下
因为O恶化纯度，所以最好是尽可能减少，可允许至0.006％。
本发明的钢管组织是马氏体以及/或贝氏体组织、或者是含有马氏体以及/或贝氏体与铁素体的混合组织。这些马氏体、贝氏体是从减径轧制后的加工奥氏体(γ)相变的相变生成物，有利于高强度化与低屈服比(YR)化，以及提高3点弯曲特性。另外，本发明中，在马氏体以及/或贝氏体的主相也可以含有铁素体。铁素体其面积率含有量最好是在20％以下。若铁素体的存在量多于20％，则不能确保所期望的高强度。因此，最好是将铁素体面积率在20％以下。
其次，说明本发明的制造方法。
在本发明的制造方法中，素材钢管(管坯)使用的是具有特定成分的钢管，但对制造该管坯的方法(造管法)并没有特殊的限定。以下任一种方法均可适于作为造管法使用：在冷或热加工中利用高频电流的电阻焊接法(管坯名称：电焊管、热加工的场合称为热电焊管)、在固相压焊温度域将开口管两边加热压焊结合的固相压焊法(管坯名称：固相压焊管)、锻接法(管坯名称：锻接管)以及曼内斯曼式穿孔轧制法(管坯名称：无缝钢管)。
对具有上述成分的钢管最好是在施以加热或均热处理后，进行累计减径率20％以上、轧制结束温度为800℃以下的减径轧制(缩径轧制)。只要是轧制结束温度在800℃以下，加热或均热处理无特殊限定。另外，如果素材钢管在常温冷却，则必须要进行加热处理，加热的温度可以适宜地调整为：减径轧制的轧制结束温度为800℃以下、最好是在α+γ的2相域。例如：也可以在Ac3相变点～Ac1相变点间加热、或加热Ac3相变点以上冷却，调整为减径轧制的轧制结束温度为800℃以下、最好是在α+γ的2相域。也可以是素材钢管的制造工序在热或温加工时，不冷却至常温而再加热或均热处理，调整为减径轧制的轧制结束温度为800℃以下、最好是在α+γ的2相域。
累计减径率不足20％时，奥氏体的加工不充分，其后生成的低温相变相(马氏体或贝氏体)的强化不足，拉伸强度TS不能达到1000Mpa以上的高强度。
减径轧制的温度定为轧制结束温度为800℃以下。另外，轧制温度最好是在α+γ的2相域的范围。
而且，若轧制结束温度超过800℃，则施以奥氏体的轧制变形会即刻恢复，其结果，从奥氏体相变生成的低温相变相(马氏体或贝氏体)的强化不足，拉伸强度TS不能达到1000Mpa以上的高强度。另外，从高强度的观点，轧制结束温度最好是马氏体或贝氏体相变结束温度以上。
减径轧制之后，可以按照常规方法冷却。冷却可以是气冷，也可以是水冷。
另外，本发明中，减径轧制适宜使用润滑下的轧制(润滑轧制)。由于使减径轧制为润滑轧制，厚度方向的变形分布均匀，能够使得在厚度方向组织的细化以及集合组织的形成均匀。若进行无润滑轧制，则由于剪切效应而使轧制变形仅集中在材料表层部分，形成厚度方向不均匀的组织。
而且，虽对减径轧制方法没有特殊限定，但最好是使用被称为减径机的多个孔型轧制机进行轧制。实施例
表1所示成分的热轧钢板(1.8或2.3mm厚)由电焊焊接制成焊接钢管(电焊管：外径58mmφ)，将这些焊接钢管作为素材钢管(管坯)，对该管坯进行加热处理，进而以表2所示的条件进行减径轧制(缩径轧制)，制成成品管。减径轧制是使用连续配置的减径机进行。(1)组织
从各成品管采取试验片，用光学显微镜、扫描电子显微镜对与管纵向垂直的断面进行组织照相。对得到的组织照片，使用图像分析装置得到组织的种类、组织比率。(2)拉伸特性
从各成品管沿管纵向采取JIS 11号试验片(管状试验片、标点间距离50mm)，按照JIS Z 2241的规定进行拉伸试验，得到屈服强度YS、拉伸强度TS、延伸率E。(3)3点弯曲特性
从各成品管采取试验片(管状)，以跨度L＝800mm或980mm、弯曲工具半径R＝152.4mm进行如图1所示的3点弯曲试验，得到载荷-下压量的关系、以及至压曲发生时的最大下压量δmax。而且，利用得到的载荷-下压量曲线，求得至压曲发生时的至最大下压量的载荷-下压量曲线下的面积，将其作为吸收能量E。
得到的结果在图2所示。
本发明例，拉伸强度均为1000Mpa以上，而且具有高的3点弯曲压曲极限下压量和高的3点弯曲吸收能量值。相对于此，而在非本发明范围的比较例中，以相同尺寸比较，压曲极限下压量小，而且吸收能量值低，3点弯曲特性差。
表1钢No 化学成分(mass％) C Si Mn P S Al Cu，Ni，Cr，Mo Nb，V，Ti，B REM.Ca A 0.14 0.18 2.99 0.018 0.005 0.03 Cr：0.10 Nb：0.020，Ti：0.015 - B 0.09 0.21 3.10 0.021 0.005 0.04 Cr：0.15 Nb：0.039 - C 0.16 0.25 2.50 0.016 0.003 0.03 Cu：0.12.Ni：0.15，Mo：0.15 Nb：0.015.V：0.08 Ca：0.0010 D 0.22 0.19 2.00 0.018 0.003 0.03 Cr：0.2 Ti：0.012，B：0.0009 - E 0.22 0.35 2.80 0.018 0.003 0.03 - - - F 0.25 0.35 1.50 0.018 0.003 0.03 Cr：0.5，Mo：0.10 Nb：0.022 -表2钢管No.钢No 素材钢管 减径压延条件 制品管 拉伸特性 组织 3支点弯曲特性 备注 外径 mm 壁厚 mm 加热 均热 温度 ℃ 轧制 开始 温度 ℃ 减 径 率 ％ 轧制结束 温度 ℃轧制后冷却外径mm 壁厚 mm YS MPa TS MPa YR ％ EL ％ 种类 铁素体 面积率 ％ 弯曲 跨度 L mm 压曲极 限下压 量δ mm 至屈曲为 止的吸收 能量E J 1 A 28.6 1.6 - - - 电阻焊放置-28.6 1.6 1093 1190 92 7 B* - 800 80 350比较例 2 58.0 1.8 800 730 51 680水冷28.6 1.6 739 1337 55 22 M+F 8 800 125 450本发明例 3 800 740 51 700水冷28.6 1.6 882 1370 64 18 M，B - 800 100 460本发明例 4 850 780 51 730水冷28.6 1.6 660 1201 55 24 M+F 12 800 130 420本发明例 5 31.8 1.6 - - - 电阻焊放置-31.8 1.6 1129 1213 93 9 B* - 800 60 385比较例 6 58.0 1.8 750 700 45 650放冷31.8 1.6 844 1291 65 18 M，B+F 6 800 76 465本发明例 7 750 700 45 650放冷31.8 1.7 853 1305 65 18 M，B+F 8 800 91 724本发明例 8 58.0 2.3 750 700 45 650放冷31.8 2.0 980 1390 71 16 M，B+F 9 800 100 960本发明例 9 31.8 2.0 - - - 电阻焊放置-31.8 2.0 1145 1220 94 10 B* - 800 67 649比较例 10 31.8 1.6 - - - 电阻焊放置-31.8 1.6 1129 1213 93 9 B* - 980 76 398比较例 11 58.0 1.8 750 710 45 650放冷31.8 1.6 1066 1396 76 19 M，B+F 6 980 100 561本发明例 12 860 820 45 750放冷31.8 1.6 830 1089 76 18 M，B+F 6 980 110 470本发明例 13 980 930 45 850放冷31.8 1.6 602 990 61 15 B* - 980 95 395比较例 14 B 31.8 1.6 - - 0 电阻焊放置-31.8 1.6 921 1090 84 14 B* - 980 85 376比较例 15 58.0 1.8 870 830 45 750放冷31.8 1.6 666 1009 66 22 M，B+F 7 980 100 480本发明例 16 1050 980 45 900放冷31.8 1.6 600 890 67 24 B* - 980 95 365比较例 17 C 58.0 2.3 800 750 45 700放冷31.8 2.0 1076 1380 78 18 M+F 3 800 105 1160本发明例 18 D 58.0 2.3 800 750 45 700放冷31.8 2.0 1013 1350 75 19 M+F 3 800 115 1200本发明例 19 E 58.0 2.3 800 750 45 700放冷31.8 2.0 1078 1400 77 16 M，BB+F 10 800 110 1250本发明例 20 F 58.0 2.3 800 750 45 700放冷31.8 2.0 679 970 70 16 M，BB+F 25 800 70 700比较例B*：贝氏体(由再加热γ)，B：贝氏体，M：马氏体，F：铁素体产业上的利用可能性
根据本发明，不需要脱机热处理，可以提高钢管的生产效率，降低制造成本，而且由于提高了3点弯曲吸收能量，能够减小钢管的壁厚，可以有利于汽车重量的轻型化，产业上起到了显著的效果。