DOM チューブの機械的特性: ASTM A513 強度、硬度および選択

DOM チューブの機械的特性とは何ですか?

機械的特性は、DOM 鋼管が荷重、変形、摩耗にどのように反応するかを定義します。 ASTM A513 タイプ 5 に基づいてドローイング オーバー マンドレル チューブを指定するエンジニアとバイヤーの場合、引張強度、降伏強度、伸び、硬度という 4 つの指標が選択決定の 90% を決定します。引張強さは、チューブが破断する前に耐えることができる最大応力です。降伏強度は永久変形点を示します。ASTM E8 に基づく 0.2% オフセット法によりこの値が決定されます。伸びは延性を測定し、2 インチのゲージ長さにわたる伸び率として報告されます。硬度、通常はロックウェル B (HRB) は、圧痕に対する耐性を評価し、機械加工性および摩耗寿命と相関します。これらの数値を総合すると、チューブが油圧スパイクに耐えられるか、回転シャフトの疲労に耐えられるか、またはしっかりとした圧入アセンブリに耐えられるかが決まります。

DOM チューブは、冷間引抜により鋼が加工硬化され、結晶粒構造が微細化されるため、標準の溶接チューブよりも高い機械的特性を実現します。マンドレルのステップにより内部の溶接ビードが排除され、均一な肉厚が形成され、応力分散が改善されます。一般的な冷間引抜き 1026 DOM チューブは、85,000 psi 近くの引張強度を示します。これは、溶接されたままの状態の同じグレードよりも約 15 ～ 20% 高いです。これらの値の相互作用を理解することで、過剰なエンジニアリングを行うことなく、強度、成形性、コストのバランスを取ることができます。

ASTM A513 タイプ 5: 材料グレード別の標準機械的特性

ASTM A513 タイプ 5 は、マンドレル上で冷間引抜き加工された電縫溶接された炭素鋼および合金鋼のチューブを対象としています。この規格は、すべてのグレードに対して機械的特性の固定セットを規定しているわけではありません。代わりに、プロパティは生産者と購入者の間で合意されます。しかし、数十年にわたる工場の実践により、最も指定されたグレードの信頼できる標準値が確立されました。以下の表は、1020、1026、および 4130 DOM チューブの絞り加工状態での代表的な最小値を示しています。これらの数値は商用仕様と一致しており、予備設計に使用できます。

1026 DOM チューブは、コストと強度のバランスが求められる油圧シリンダーおよび構造コンポーネントの主力製品です。それは届けます 引張状態で最大 85 ksi の引張強度と 75 ksi の降伏強度 、壁の厚さを増やすことなく、より高い使用圧力を直接サポートします。 1020 は優れた延性を提供します。25% の伸びは、1026 よりも成形および溶接応力を吸収できることを意味します。4130 合金 DOM チューブにより、より高い硬化性が追加されます。引張状態での引張強度が 95 ksi であるため、その後の熱処理を受ける部品に適しており、強度対重量比がさらに高くなります。

熱処理により DOM チューブの機械的特性が調整される仕組み

冷間引抜きは強度を高めますが、材料に応力がかかり、延性が低下した状態になる可能性があります。熱処理により、同じ塩基化学反応のより広い特性範囲が解放されます。 3 つの一般的な熱プロセス (焼きなまし、焼きならし、焼き戻し) はそれぞれ、強度と延性のバランスを予測可能な方法で変化させます。以下の表は、1026 DOM チューブへの影響を示しています。

アニーリングはチューブを柔らかくし、最大の延性を回復します。これは、部品に激しい冷間成形や溶接が行われる場合に重要です。焼きならしは適度な強度を維持しながら内部応力を緩和し、機械加工前によく使用されます。焼き入れと焼き戻し 実用可能な伸びを残しながら、降伏強度を 100 ksi 近くに押し上げます 。耐摩耗性のために HRC 25 以上の硬度が必要な油圧シリンダー ロッドの場合、1026 または 4130 に関する Q&T プロセスが明確な経路となります。伸線状態の同じチューブは柔らかすぎて、高サイクル動作下ではかじりの危険性があります。特定の熱処理状態を知っているバイヤーは、成形中に亀裂が入る硬化しすぎたチューブや、使用中に故障する強度不足のチューブの注文を避けることができます。

DOM と冷間引抜シームレス (CDS): 機械的特性の比較

DOM と冷間引き抜きシームレス チューブは両方とも、寸法精度を高めるために冷間仕上げされていますが、異なる生の形状から始まります。 DOM は、平らに圧延されたストリップとして始まり、成形および溶接されてから冷間引抜きが行われ、溶接線は区別できなくなります。 CDS は、溶接なしで絞り加工された穴あきビレットから作られています。 DOM に溶接が存在してもチューブが弱くなるわけではありません。冷間引抜により、溶接部の鋳造構造が消去されます。実際、DOM 1026 は頻繁に次のような症状を示します。 CDS 1026 よりも 10 ～ 15% 高い降伏強度 絞りによる冷間加工が母材と再結晶溶接部の両方に作用するためです。下の表は数字を並べて示したものです。

DOM は、高い降伏強度で必要な肉厚を削減し、重量とコストを削減する利点を備えています。 DOM のわずかに低い伸びは、静的疲労または低サイクル疲労の用途ではほとんど問題になりません。部品がフレアや激しい曲げに対して最大の延性を必要とする場合、またはシームレスな血統が顧客の要件である場合には、CDS が依然として有利です。油圧シリンダーバレル、ドライブシャフト、コンベアローラーなど、ほとんどの機械用途において、DOM はより優れた強度対コスト比を提供します。重要なのは、伸びの数値を成形プロセスに一致させることです。ショップがチューブを 2D 中心線半径まで曲げる場合、15% の伸びで DOM 1026 は成功します。 1D 半径では、アニーリングされた DOM または CDS が必要になる場合があります。

寸法公差が機械的性能に与える影響

機械的特性は真空中には存在しません。チューブが圧力を保持したり、周期的な荷重に耐えたりする能力は、壁の厚さと楕円形に左右されます。 DOM チューブは、溶接されたままのチューブよりも厳しい外径および肉厚公差で供給されます。通常、外径は ±0.005 インチ、肉厚は ±10% です。これらの数値は、安全マージンに直接変換されます。 Barlow の薄肉圧力容器の公式を使用すると、許容内圧を計算できます: P = (2 × S × t) ÷ D、ここで、S は許容応力 (多くの場合、降伏の 50%)、t は最小壁、D は最大外径です。

75,000 psi 降伏の 2,000 インチ外径 × 0.120 インチ壁 1026 DOM チューブを考えてみましょう。 S = 37,500 psi。公称寸法では、P = (2 × 37,500 × 0.120) ÷ 2.000 = 4,500 psi となります。ここで公差を考慮します。許容最小壁寸法 0.108 インチ (-10%)、最大外径 2.005 インチ P_min = (2 × 37,500 × 0.108) ÷ 2.005 = 4,040 psi — 許容範囲が小さいスタックでは、安全作動圧力が 10% 低下します。 ショックアブソーバーチューブのような疲労に敏感な部品の場合、壁の変化により応力振幅が変化します。公差を厳しくすると、次に大きな肉厚に変更する必要がなく、部品を意図した設計範囲内に維持できます。

圧力境界に DOM チューブを指定する場合は、公称値ではなく、常に最小公差条件に合わせて設計してください。 ASTM のデフォルトよりも厳しい壁厚公差 (たとえば ±7%) を要求すると、コストが増加する可能性がありますが、ハイサイクル油圧システムの隠れたリスクを排除できます。

アプリケーション主導の選択: プロパティとユースケースのマッチング

単一の特性に固執するのではなく、引張強度、硬度、伸び、寸法安定性の組み合わせを、荷重、成形ステップ、完成したアセンブリの表面要件と照らし合わせて材料を選択することが成功します。以下の決定マトリックスは、4 つの一般的な DOM チューブの用途と特性の優先順位、推奨されるグレードおよび熱処理を結び付けています。

油圧シリンダーでは、バレルは永久変形することなくフープ応力に耐えなければなりません。伸線されたままの 1026 DOM の降伏は 75 ksi であるため、所定のボア圧力で肉厚を薄くすることができ、その表面仕上げ (スカイビングとローラー バニシング後の通常 30 ～ 50 Ra) はシールの摩擦を軽減します。 DOM ホーニングチューブの ID 公差は ±0.002 インチで、ピストンシールの接触を一定に保ちます。 ドライブシャフトの場合、ねじり強度が最も重要です。 Q&T 1026 DOM チューブは降伏を 95 ksi に押し上げ、設計者が疲労寿命を犠牲にすることなく OD を削減し、回転慣性を節約できるようにします。ショックアブソーバーでは、ID 粗さが減衰の一貫性を直接制御します。硬度 HRB 70 の焼きなました 1026 チューブは、Ra 0.2 ～ 0.4 μm まで均一に研磨されます。構造ロール ケージの場合、1020 DOM の 25% の伸びが破断前の塑性変形を通じて衝突エネルギーを吸収します。この特性は強度数値だけでは保証できません。

DOM チューブの機械的特性を指定するための重要なポイント

DOM チューブの選択では、データシート以上のことが有効になります。生の特性は、開始グレード、冷間加工レベル、および熱履歴によって異なります。 1026 では、引張状態で 85 ksi の引張強度と 75 ksi の降伏強度が得られ、ほとんどの圧力や構造用途に十分です。 4130 は、摩耗しやすい部品の絞り後硬化への扉を開きます。熱処理により伸びが 12% から 28% に変化し、成形性を制御できるようになります。また、許容差の選択により、安全な動作圧力が直接変化し、多くの場合 10% 以上変化します。これらの要素をアプリケーションの特定の要求 (シリンダー、シャフト、アブソーバー、フレーム) と組み合わせると、推測をやめてデータを使用したエンジニアリングを開始できます。精密なグレード、熱処理、およびミルテストレポートに裏付けられた寸法要件については、設計に必要な正確な機械的特性を備えた DOM チューブを供給できる専門家にご相談ください。