機械構造用炭素鋼鋼管は、日本産業規格 JIS G 3445 に規定される、機械部品や自動車部品、自転車、家具、器具などの機械的構造部分に使用される鋼管です。産業界ではその記号であるSTKMの名で広く知られています。
この材料の特徴は、単に構造体を支えるだけでなく、切削や研削、プレス加工といった二次加工が施されることを前提としている点にあります。一般構造用であるSTKが建築や土木の骨組みとして静的な荷重を支えるのを主目的としているのに対し、STKMは回転軸やシリンダー、ショックアブソーバーといった動的な運動を行う機械要素として、高い寸法精度と優れた表面肌、そして多様な強度特性が要求されます。
JIS規格と材料の多様性
STKMの最大の特徴は、その種類の豊富さにあります。強度の低い軟質なものから、焼入れによって硬化可能な高強度なものまで、化学成分と強度の組み合わせにより10種類以上のグレードが設定されています。
化学成分によるクラス分け
規格はSTKM11AからSTKM20Aまで多岐にわたります。 STKM11系および12系は、炭素含有量が0.18パーセント以下と低い低炭素鋼です。これらは引張強さよりも伸びや絞りといった延性が重視されており、曲げ加工や拡管加工、絞り加工といった塑性加工を伴う部品に最適です。 STKM13系は、炭素量が0.25パーセント程度の中炭素鋼領域にあり、強度と加工性のバランスが取れた最も汎用的なグレードです。自動車のサスペンション部品やブッシュ類などに多用されます。
STKM14系から20系にかけては、炭素量およびマンガン量が増加します。特にSTKM17系以上は炭素量が0.45パーセントを超えるものもあり、機械構造用炭素鋼鋼材であるS45Cなどに相当します。これらは焼入れ焼戻し処理によって高い硬度と強度を得ることができるため、強靭性が求められるシャフトやローラーなどに使用されます。
末尾記号 A・B・C の意味
STKMの記号の末尾に付くAやB、Cというアルファベットは、製造方法と熱処理状態、それに伴う機械的性質の違いを表す識別子です。
記号Aは、熱間仕上あるいは熱処理を施したものを指します。内部応力が除去されており、材料本来の粘り強さすなわち延性が高い状態です。
記号Bは、電気抵抗溶接まま、あるいは冷間仕上ままのものを指します。冷間加工による加工硬化が残っているため、引張強さは高いものの、伸びが低く加工性は劣ります。
記号Cは、冷間仕上後に応力除去焼鈍いわゆるSR処理を施したものを指します。冷間加工による高い寸法精度と強度を維持しつつ、有害な残留応力を除去して靭性を回復させた、最も高機能なグレードです。シリンダーチューブなどはこのC種が基本となります。
製造プロセスと冷間引抜き加工
STKMの製造方法は、継目無鋼管いわゆるシームレスパイプと、電気抵抗溶接鋼管いわゆる電縫管あるいはERW管の二つに大別されます。しかし、STKMの価値を決定づけているのはこれらの素管に対して行われる冷間引抜き加工です。
冷間引抜き加工のメカニズム
冷間引抜き、ドローイングとは、素管をダイスと呼ばれる穴の開いた金型に通し、常温で強制的に引き抜くことで縮径する加工法です。この際、管の内側にプラグあるいはマンドレルと呼ばれる工具を配置することで、外径だけでなく内径および肉厚をミクロン単位の精度で制御することが可能です。
この工程には三つの利点があります。 第一に、寸法精度の向上です。熱間圧延や溶接のままでは達成できない公差を実現し、後工程での切削代を大幅に削減あるいはゼロにすることができます。 第二に、表面粗さの改善です。ダイスとプラグによって表面がしごかれるため、平滑で美しい鏡面に近い肌が得られます。 第三に、加工硬化による高強度化です。塑性変形によって転位密度が増大し、材料の降伏点および引張強さが大幅に向上します。
DOM鋼管の特性
電気抵抗溶接管を原管として冷間引抜きを行ったものを、DOM鋼管と呼びます。Drawn Over Mandrelの略です。 かつてはシームレス管が強度の代名詞でしたが、溶接技術の向上により、肉厚の均一性に優れる電縫管をベースにしたDOM鋼管が、コストと品質のバランスに優れた材料として、シリンダーやショックアブソーバーの分野で主流となっています。溶接部の信頼性が母材と同等レベルまで高められていることが前提となります。
寸法精度と機械的特性の設計
機械部品としてSTKMを選定する際、最も重視されるのが寸法精度と機械的特性のマッチングです。
嵌め合い公差への対応
ベアリングを圧入するハウジングや、ピストンが往復運動するシリンダー内面など、機械部品にはH7やg6といった厳しい嵌め合い公差が要求されます。 通常の配管用パイプであるSGPやSTKでは、外径公差がプラスマイナス1パーセント程度と大きく、そのままでは機械部品として使用できません。
しかし、冷間引抜きされたSTKMであれば、外径および内径の公差を100分の数ミリメートル台に収めることが可能です。これにより、旋盤による荒加工や中仕上げを省略し、直接研削仕上げやホーニング加工に入ることができるため、トータルの製造コストを低減できます。
降伏比とバウシンガー効果
冷間加工されたSTKM、特にB種やC種は、引張強さに対する降伏点の比率すなわち降伏比が高くなる傾向があります。これは、荷重がかかった際に塑性変形しにくく、高い弾性限度を持つことを意味します。 ただし、パイプを曲げ加工して使用する場合などには、一度塑性変形を受けた方向に強くなり、逆方向には弱くなるバウシンガー効果や、加工硬化による割れ感受性の増大に注意が必要です。厳しい曲げ加工を行う場合は、A種を選択するか、加工後に焼鈍を行う工程設計が不可欠です。
溶接性と加工性
STKMは、溶接構造体の一部としてあるいは複雑な形状に成形されて使用されることが多いため、その加工性は設計上の重要要素です。
炭素当量と溶接割れ
STKM11AからSTKM13Aまでの低炭素・中炭素グレードは、炭素当量が低く抑えられており、SGPやSTKと同様に良好な溶接性を持っています。被覆アーク溶接、半自動溶接、TIG溶接など、一般的な溶接法が適用可能です。 しかし、STKM15以上の高炭素グレードや、STKM13Bのような冷間加工ままの材料を溶接する場合、溶接熱による硬化や熱影響部の脆化、低温割れのリスクが高まります。対策としては、予熱を行って冷却速度を緩和する、低水素系の溶接材料を使用する、あるいは溶接後に応力除去焼鈍を行うといった施工管理が求められます。
拡管・縮管・フランジ加工
自動車の排気系部品やステアリングコラムなどでは、パイプの端部をラッパ状に広げる拡管加工や、逆に絞る縮管加工、つばを作るフランジ加工が行われます。 これらの加工の成否は、材料の円周方向の伸び、すなわち全伸びだけでなく一様伸びの能力に依存します。電縫管を使用する場合、溶接ビード部は母材部と組織が異なるため、過度な変形を与えるとビード割れが発生することがあります。これを防ぐために、製造段階でビード部の熱処理を適切に行った材料を選定するか、あるいは継ぎ目のないシームレス管を選定する必要があります。
油圧シリンダーとSTKM13C
STKMの代表的かつ高度な応用例の一つが、油圧シリンダーや空気圧シリンダーのチューブです。ここにはSTKM13Cが特に使用されています。
内面平滑性と真円度
シリンダーチューブ内面は、ピストンパッキンが高圧下で摺動するため、極めて高い真円度と表面粗さが要求されます。 STKM13Cは、冷間引抜きによって内径寸法を仕上げた後、応力除去焼鈍を行うことで、残留応力を解放しつつ高い強度を維持しています。このパイプの内面を、さらにホーニング加工やローラ・バニシング加工によって鏡面に仕上げることで、理想的なシリンダーチューブが完成します。 シームレス管ベースの場合は偏肉、つまり肉厚のばらつきが大きいため、長いシリンダーでは加工芯がずれやすいという欠点があります。
一方、電縫管ベースのDOM管は肉厚が均一で偏肉が少ないため、回転バランスが良く、加工時の芯振れも少ないという利点があり、シリンダー用として高く評価されています。
自動車産業における軽量化への貢献
現代の自動車開発における至上命題である軽量化に対し、STKMは中空化というアプローチで貢献しています。
中実軸から中空軸へ
ドライブシャフト、スタビライザー、ステアリングシャフトなど、かつては中実の丸棒で作られていた部品が、次々とSTKMによる中空パイプへと置き換えられています。 材料力学において、軸のねじり強度は断面極二次モーメントに依存しますが、中心部分の材料は強度への寄与率が低いため、ここを空洞にしても強度は大きく低下しません。STKMを用いることで、同等のねじり剛性を維持したまま、重量を30パーセントから50パーセント削減することが可能です。 特に高張力鋼ハイテンを用いたSTKMの開発が進んでおり、薄肉化と高強度化の両立が図られています。
ハイドロフォーミング技術
パイプの中に液体を高圧で充填し、金型形状に合わせて膨らませるハイドロフォーミング技術において、STKMは最適な素管です。 溶接やプレス成形を組み合わせた従来の工法に比べ、一体成形による部品点数の削減、剛性の向上、そしてデザインの自由度拡大を実現しています。この工法には、不純物が少なく延性に優れた高品質なSTKMが必要不可欠です。
他の鋼管規格との比較と選定指針
STK 一般構造用炭素鋼鋼管との違い
STKは建築資材としての性格が強く、寸法公差が緩やかで、表面仕上げも粗い状態です。また、化学成分の規定もSTKMほど厳密ではありません。 一方、STKMは機械部品素材としての性格が強く、寸法精度、表面肌、化学成分、内部組織が管理されています。したがって、加工せずにそのまま柱として使うならSTK、切削したり摺動させたりするならSTKMを選定する場合が多いです。
SGP 配管用炭素鋼鋼管との違い
SGPは流体輸送用であり、耐圧性能とねじ切り加工性が優先されています。肉厚のバリエーションが少なく、強度は低めです。 STKMは肉厚のラインナップが極めて豊富であり、設計上の必要強度に合わせて最適な断面係数を持つサイズを選ぶことができます。構造強度が必要な機械のフレームなどにSGPを使用するのは、強度不足や溶接信頼性の観点から避けるべきです。
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