JP4837601B2 - 中空部品用鋼管及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、疲労強度を向上させた中空部品用鋼管及びその製造方法に関する。
自動車の燃費向上対策のひとつとして、車体の軽量化が進められている。自動車のコーナーリング時に車体のローリングを緩和し、高速走行時に車体の安定性を確保するスタビライザーやドライブシャフトもその対策として挙げられている。従来、スタビライザーやドライブシャフトは、棒鋼などの中実材を所要の形状に加工して製造されていたが、軽量化を図るため電縫溶接鋼管のような中空部品用鋼管の使用が進められている。
スタビライザーの電縫溶接鋼管として、特許文献１には、組成を規定することにより、電縫溶接部及び母材の金属組織が均一で、電縫溶接部及び母材部の硬度差が小さく、加工性に優れた中空スタビライザー用電縫溶接鋼管が開示されており、また、特許文献２には、Ｔｉ、Ｎの含有量を規定することにより焼入れ性を確保する中空スタビライザー用電縫溶接鋼管が開示されている。
例えば、スタビライザーは、電縫溶接鋼管をさらに熱間で縮径圧延し、所要の肉厚とした厚肉電縫溶接鋼管を用いて製造される。熱間で縮径圧延を行った後に、室温まで冷却される途中のα−γ２相域を通過する際に、その厚肉電縫溶接鋼管の表面にはフェライト脱炭層が形成されやすい。このフェライト脱炭層は強度が弱いため、厚肉電縫溶接鋼管の表面に形成されると、そのフェライト脱炭層が疲労破壊の発生する起点となり、その結果、厚肉電縫溶接鋼管の疲労強度を低下させる原因となる。
上述したようなフェライト脱炭層が鋼管の表面に形成された場合の対策としては次のような技術がある。
例えば、フェライト脱炭層を２５〜５００μｍ研削加工して鋼管表面から除去する。これにより、フェライト脱炭層による疲労強度の低下を抑制することができる（例えば特許文献３参照）。
また、鋼管表面にショットピーニングを行うことにより鋼管の強度を向上させてフェライト脱炭層による疲労強度の低下を抑制することができる（例えば特許文献４参照）。また、鋼管表面に浸炭層を形成させることにより鋼管の強度を向上させてフェライト脱炭層による疲労強度の低下を抑制することができる（例えば特許文献５参照）。
ＷＯ２００２／０７０７６７号公報 特開２００４−０１１００９号公報 特開平７−２１５０３８号公報 特開２００２−３３１３２６号公報 特開２０００−１１８２２４号公報
上述したように従来の中空部品用鋼管では、熱間で縮径圧延を行った後に、室温まで冷却される際に、その厚肉電縫溶接鋼管の表面にフェライト脱炭層が形成されやすく、そのフェライト脱炭層が厚肉電縫溶接鋼管の疲労強度を低下させる原因となっている。このため、フェライト脱炭層の発生を抑制した中空部品用鋼管を製造することが望ましい。
また、フェライト脱炭層が鋼管の表面に形成された場合の従来の対策では、研削加工工程などの追加の工程が必要となるため、製造コストが増加することとなり好ましくない。
本発明は上記のような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、フェライト脱炭層の発生を抑制することにより疲労強度を向上させた中空部品用鋼管及びその製造方法を提供することにある。
上記課題を解決するため、本発明に係る中空部品用鋼管は、電縫溶接鋼管が熱間で縮径圧延され、外表面から冷却された中空部品用鋼管であって、
肉厚が５ｍｍ以上で且つ肉厚ｔと外径Ｄの比であるｔ／Ｄが０．２以上であり、
管内表面の脱炭層の深さが２０μｍ以下であることを特徴とする。
上記本発明に係る中空部品用鋼管によれば、肉厚ｔと外径Ｄの比であるｔ／Ｄを０．２以上にすることにより、同じ外径の棒鋼に近い疲労強度を得ることができる。また、管内表面の脱炭層の深さを２０μｍ以下にすることにより疲労強度を向上させることができる。
また、本発明に係る中空部品用鋼管において、前記電縫溶接鋼管は、質量％で
Ｃ：０．１５〜０．５％
Ｓｉ：０．１〜０．４％
Ｍｎ：０．３〜２．０％
Ｔｉ：０．００５〜０．０５％
Ａｌ：０．００５〜０．０５％
Ｂ：０．０００５〜０．００５０％
Ｎ：０．００１〜０．００６％ を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、且つ下記式を満足することが好ましい。
９２３−５１３Ｃ−１０１Ｍｎ≦７００
また、本発明に係る中空部品用鋼管において、前記電縫溶接鋼管は、質量％で
Ｃ：０．１５〜０．５％
Ｓｉ：０．１〜０．４％
Ｍｎ：０．３〜２．０％
Ｔｉ：０．００５〜０．０５％
Ａｌ：０．００５〜０．０５％
Ｂ：０．０００５〜０．００５０％
Ｎ：０．００１〜０．００６％ を含有し、且つＣｒ：０．０５〜１．０％ およびＮｂ：０．００５〜０．１％ の少なくとも一方を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、且つ下記式を満足することが好ましい。
９２３−５１３Ｃ−１０１Ｍｎ−２０４Ｃｒ−１５１５Ｎｂ≦７００
また、本発明に係る中空部品用鋼管において、前記電縫溶接鋼管は、質量％で
Ｃ：０．１５〜０．５％
Ｓｉ：０．１〜０．４％
Ｍｎ：０．３〜２．０％
Ｔｉ：０．００５〜０．０５％
Ａｌ：０．００５〜０．０５％
Ｂ：０．０００５〜０．００５０％
Ｎ：０．００１〜０．００６％ を含有し、
さらに、Ｓ：０．００４〜０．０１０％およびＣａ：０．０００５〜０．００７０％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、且つ下記式を満足することが好ましい。
９２３−５１３Ｃ−１０１Ｍｎ≦７００
また、本発明に係る中空部品用鋼管において、前記電縫溶接鋼管は、質量％で
Ｃ：０．１５〜０．５％
Ｓｉ：０．１〜０．４％
Ｍｎ：０．３〜２．０％
Ｔｉ：０．００５〜０．０５％
Ａｌ：０．００５〜０．０５％
Ｂ：０．０００５〜０．００５０％
Ｎ：０．００１〜０．００６％ を含有し、
且つＣｒ：０．０５〜１．０％ およびＮｂ：０．００５〜０．１％ の少なくとも一方を含有し、
さらに、Ｓ：０．００４〜０．０１０％およびＣａ：０．０００５〜０．００７０％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、且つ下記式を満足することが好ましい。
９２３−５１３Ｃ−１０１Ｍｎ−２０４Ｃｒ−１５１５Ｎｂ≦７００
本発明に係る中空部品用鋼管の製造方法は、電縫溶接鋼管を熱間で縮径圧延する第１工程と、
前記第１工程で縮径圧延された鋼管をα−γ２相温度域より低い温度まで外表面から冷却する第２工程と、
を具備する中空部品用鋼管の製造方法であって、
前記第１工程によって縮径圧延された鋼管は、その肉厚が５ｍｍ以上で且つ肉厚ｔと外径Ｄの比であるｔ／Ｄが０．２以上であり、
前記第２工程によって前記鋼管の内表面が冷却される過程でα−γ２相温度域を通過する際の冷却速度は５℃／秒以上であり、
前記第２工程によって冷却された前記鋼管の内表面に発生した脱炭層の深さは２０μｍ以下であることを特徴とする。

上記本発明に係る中空部品用鋼管の製造方法によれば、第２工程によって鋼管の内表面が冷却される過程でα−γ２相温度域を通過する際の冷却速度を５℃／秒以上にすることにより、前記鋼管の内表面に発生するフェライト脱炭層の深さを２０μｍ以下に抑制することができる。
以上説明したように本発明によれば、肉厚ｔと外径Ｄの比であるｔ／Ｄを０．２以上にすることにより、同じ外径の棒鋼に近い疲労強度を得ることができ、また、管内表面の脱炭層の深さを２０μｍ以下に抑制することにより疲労強度を向上させることができる。従って、フェライト脱炭層の発生を抑制することにより疲労強度を向上させた中空部品用鋼管及びその製造方法を提供することができる。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
本発明の実施の形態による中空部品用鋼管は、電縫溶接鋼管を母管として熱間で縮径圧延して室温まで冷却した鋼管であって、肉厚が５ｍｍ以上（好ましくは７ｍｍ以上）で且つ肉厚ｔ（ｍｍ）と外径Ｄ（ｍｍ）の比であるｔ／Ｄが０．２以上（好ましくは０．２３以上）の鋼管である。この鋼管の内表面のフェライト脱炭層の深さは２０μｍ以下であり、より好ましくは１０μｍ以下である。
肉厚／外径の比であるｔ／Ｄを０．２以上とする理由は次のとおりである。
鋼管の疲労破壊の起点は、肉厚／外径の比であるｔ／Ｄが概ね０．２未満の場合には鋼管の内表面側からとなり、０．２以上の場合には鋼管の外表面側からとなる。従って、同じ外径で棒鋼（中実材）並みの疲労強度を得るためには肉厚／外径の比であるｔ／Ｄを０．２以上とする必要がある。
また、通常の電縫溶接鋼管の製造プロセスでは、肉厚／外径の比であるｔ／Ｄの高い鋼管を製造するのは困難である。このため、本実施の形態による中空部品用鋼管は、母管である電縫溶接鋼管を熱間で縮径圧延することにより製造されるものである。
また、前述したように、母管である電縫溶接鋼管に熱間で縮径圧延を行った後に、室温まで冷却される途中のα−γ２相温度域を通過する際に、その鋼管の表面にはフェライト脱炭層が形成されやすい。鋼管の内表面にフェライト脱炭層が形成されてしまうと、ｔ／Ｄを０．２以上にして疲労破壊の起点を外表面側からとした鋼管でも、内表面の強度の弱いフェライト脱炭層によって疲労破壊の起点が内表面側に移行してしまう。従って、鋼管の内表面にフェライト脱炭層が発生するのを抑制する必要がある。
フェライト脱炭層はα−γ２相温度域で生じるため、α−γ２相温度域の通過時間を短くすることによりフェライト脱炭層の発生を抑制することができる。α−γ２相温度域の通過時間を短くする方法としては、電縫溶接鋼管を縮径圧延した鋼管の外表面に水を供給して速い速度で冷却することが好ましい。これにより、前記鋼管の内表面が冷却される過程でα−γ２相温度域を通過する際の冷却速度を５℃／秒以上にすることができる。その結果、前記鋼管の内表面に発生するフェライト脱炭層の深さを２０μｍ以下（より好ましくは１０μｍ以下）に抑制することができる。これにより、フェライト脱炭層によって疲労破壊の起点が内表面側に移行するのを抑制できる。よって、フェライト脱炭層による鋼管の疲労強度の低下を抑制することができる。
なお、前記鋼管の外表面に発生するフェライト脱炭層を問題にしていないのは、通常、鋼管は外表面に水を供給して冷却するため、鋼管の外表面の冷却速度が内表面の冷却速度に比べて速くなり、その結果、鋼管の外表面にはフェライト脱炭層が発生しにくいからである。また、鋼管を外表面から冷却した場合でも肉厚の薄い鋼管では、内表面と外表面との冷却速度の差が小さくなるため、外表面にフェライト脱炭層が生じない冷却条件であれば内表面にもフェライト脱炭層が生じにくいことが多い。しかし、本実施の形態のように肉厚が５ｍｍ以上の厚肉の鋼管では、外表面から冷却した場合に内表面側が冷却されにくいため、内表面側だけにフェライト脱炭層が発生する可能性がある。従って、肉厚が５ｍｍ以上の鋼管では、内表面にフェライト脱炭層の発生を抑制することが重要である。
また、本実施の形態では、鋼管の外表面に水を供給して冷却しているが、外表面だけでなく鋼管の内表面にも水を供給して冷却することも可能である。これにより、前記鋼管の内表面の冷却速度をより速めることができ、管内表面に発生するフェライト脱炭層の深さをより浅くすることができる。
次に、前記電縫溶接鋼管の化学成分について説明する。
（第１の化学成分）
前記電縫溶接鋼管は、質量％で、
Ｃ：０．１５〜０．５％
Ｓｉ：０．１〜０．４％
Ｍｎ：０．３〜２．０％
Ｔｉ：０．００５〜０．０５％
Ａｌ：０．００５〜０．０５％
Ｂ：０．０００５〜０．００５０％
Ｎ：０．００１〜０．００６％ を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、且つ下記式（１）を満足するものである。
９２３−５１３Ｃ−１０１Ｍｎ≦７００ ・・・（１）
（第２の化学成分）
前記電縫溶接鋼管は、質量％で、
Ｃ：０．１５〜０．５％
Ｓｉ：０．１〜０．４％
Ｍｎ：０．３〜２．０％
Ｔｉ：０．００５〜０．０５％
Ａｌ：０．００５〜０．０５％
Ｂ：０．０００５〜０．００５０％
Ｎ：０．００１〜０．００６％ を含有し、且つＣｒ：０．０５〜１．０％ およびＮｂ：０．００５〜０．１％ の少なくとも一方を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、且つ下記式（２）を満足するものである。
９２３−５１３Ｃ−１０１Ｍｎ−２０４Ｃｒ−１５１５Ｎｂ≦７００ ・・・（２）
（第３の化学成分）
前記電縫溶接鋼管は、質量％で、
Ｃ：０．１５〜０．５％
Ｓｉ：０．１〜０．４％
Ｍｎ：０．３〜２．０％
Ｔｉ：０．００５〜０．０５％
Ａｌ：０．００５〜０．０５％
Ｂ：０．０００５〜０．００５０％
Ｎ：０．００１〜０．００６％ を含有し、
さらに、Ｓ：０．００４〜０．０１０％およびＣａ：０．０００５〜０．００７０％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、且つ下記式（１）を満足するものである。
９２３−５１３Ｃ−１０１Ｍｎ≦７００ ・・・（１）
（第４の化学成分）
前記電縫溶接鋼管は、質量％で、
Ｃ：０．１５〜０．５％
Ｓｉ：０．１〜０．４％
Ｍｎ：０．３〜２．０％
Ｔｉ：０．００５〜０．０５％
Ａｌ：０．００５〜０．０５％
Ｂ：０．０００５〜０．００５０％
Ｎ：０．００１〜０．００６％ を含有し、且つＣｒ：０．０５〜１．０％ およびＮｂ：０．００５〜０．１％ の少なくとも一方を含有し、
さらに、Ｓ：０．００４〜０．０１０％およびＣａ：０．０００５〜０．００７０％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、且つ下記式（２）を満足するものである。
９２３−５１３Ｃ−１０１Ｍｎ−２０４Ｃｒ−１５１５Ｎｂ≦７００ ・・・（２）
第１の化学成分はＣｒとＮｂが無添加であり、第２の化学成分はＣｒとＮｂの少なくとも一方が添加されるものである。
第３および第４の化学成分は第１または第２の化学成分にＳおよびＣａが添加されるものである。
（第１の化学成分のより望ましい範囲）
前記電縫溶接鋼管は、質量％で、
Ｃ：０．２〜０．４％
Ｓｉ：０．２〜０．３％
Ｍｎ：０．５〜１．５％
Ｔｉ：０．０１〜０．０３％
Ａｌ：０．０１〜０．０５％
Ｂ：０．００１０〜０．００３０％
Ｎ：０．００２〜０．００４％ を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、且つ下記式（１）を満足するものである。
９２３−５１３Ｃ−１０１Ｍｎ≦７００ ・・・（１）
（第２の化学成分のより望ましい範囲）
前記電縫溶接鋼管は、質量％で、
Ｃ：０．２〜０．４％
Ｓｉ：０．２〜０．３％
Ｍｎ：０．５〜１．５％
Ｔｉ：０．０１〜０．０３％
Ａｌ：０．０１〜０．０５％
Ｂ：０．００１０〜０．００３０％
Ｎ：０．００２〜０．００４％ を含有し、且つＣｒ：０．１〜０．５％ およびＮｂ：０．０１〜０．０５％ の少なくとも一方を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、且つ下記式（２）を満足するものである。
９２３−５１３Ｃ−１０１Ｍｎ−２０４Ｃｒ−１５１５Ｎｂ≦７００ ・・・（２）
（第３の化学成分のより望ましい範囲）
前記電縫溶接鋼管は、質量％で、
Ｃ：０．２〜０．４％
Ｓｉ：０．２〜０．３％
Ｍｎ：０．５〜１．５％
Ｔｉ：０．０１〜０．０３％
Ａｌ：０．０１〜０．０５％
Ｂ：０．００１０〜０．００３０％
Ｎ：０．００２〜０．００４％ を含有し、
さらに、Ｓ：０．００６〜０．００８％およびＣａ：０．００２０〜０．００５０％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、且つ下記式（１）を満足するものである。
９２３−５１３Ｃ−１０１Ｍｎ≦７００ ・・・（１）
（第４の化学成分のより望ましい範囲）
前記電縫溶接鋼管は、質量％で、
Ｃ：０．２〜０．４％
Ｓｉ：０．２〜０．３％
Ｍｎ：０．５〜１．５％
Ｔｉ：０．０１〜０．０３％
Ａｌ：０．０１〜０．０５％
Ｂ：０．００１０〜０．００３０％
Ｎ：０．００２〜０．００４％ を含有し、且つＣｒ：０．１〜０．５％ およびＮｂ：０．０１〜０．０５％の少なくとも一方を含有し、
さらに、Ｓ：０．００６〜０．００８％およびＣａ：０．００２０〜０．００５０％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、且つ下記式（２）を満足するものである。
９２３−５１３Ｃ−１０１Ｍｎ−２０４Ｃｒ−１５１５Ｎｂ≦７００ ・・・（２）
フェライト脱炭層の発生はγ相における炭素の拡散速度に律速されるので、α−γ２相域の温度が低いほど炭素の拡散速度を低くすることができるからフェライト脱炭を抑制することができる。従って、焼入れ性を高める元素を調整して５℃／ｓでのＡｒ３点が７００℃以下になるような化学成分にするべく、発明者らが実験を繰り返した。その結果、上記の化学成分及び上記式（１）又は式（２）を満足することにより、Ａｒ３点を７００℃以下にすることができることを見出した。なお、上記式（１）又は式（２）は実験を繰り返すことによって得られた回帰式である。
以下に、前記電縫溶接鋼管に含有する各成分について説明する。なお、各成分の含有量は質量％で記載している。
Ｃは、基地中に固溶或いは炭化物として析出し、鋼の強度を増加させる元素である。一般的な自動車構造用部材としては少なくとも１００ｋｇ／ｍｍ２の強度が必要であり、それに相当するＨｖ３２０前後の硬さが９０％マルテンサイト組織で得られるのは、Ｃ量が０．１５％の場合であるから、Ｃは０．１５％以上含有することが必要であるが、０．５％を超えて含有すると、加工性や溶接性が劣化するため、含有量を０．１５〜０．５％の範囲とする。なお、好ましくは、０．２〜０．４％である。
Ｓｉは、固溶強化に寄与する合金元素であり、その効果を得るためには０．１％以上含有することが必要であるが、０．４％を超えて含有すると、電縫溶接時の溶接欠陥となるＳｉ−Ｍｎ系の介在物を生成しやすくなり、電縫溶接部の健全性に悪影響を及ぼす。このため、Ｓｉ含有量を０．１〜０．４％の範囲とする。なお、好ましくは、０．２〜０．３％である。
Ｍｎは、焼入れ性を向上させる元素であり、含有量が０．３％未満では焼入れ性の向上効果を十分に確保することができず、また、２％を超えると溶接性及び溶接部の健全性にも悪影響を及ぼすため、Ｍｎ含有量を０．３〜２％の範囲とする。なお、好ましくは、０．５〜１．５％である。
Ａｌは、溶鋼の脱酸材として必要な元素であり、また、Ｎを固定する元素でもあるため、その量は結晶粒径や機械的性質に大きな影響を及ぼす。含有量が０．０５％を超えると、結晶粒径が粗大化して靭性が低下したり、非金属介在物が多くなって製品に表面疵が発生しやすくなるため、Ａｌ含有量は０．００５〜０．０５％とする。なお、好ましくは、０．０１〜０．０５％である。
Ｂは、微量の添加で鋼材の焼入れ性を大幅に向上させる元素であり、また、粒界強化の効果もある。含有量が０．０００５％未満で焼入れ性を向上させる効果が期待できず、一方、０．００５０％を超えると粗大なＢ含有相を生成する傾向があり、また脆化が起こりやすくなる。このため、Ｂ含有量は０．０００５〜０．００５０％とする。なお、好ましくは、０．００１０〜０．００３０％である。
Ｔｉは、鋼中Ｎを固定してＢＮの析出を抑制することにより、Ｂ添加による焼入れ性を安定的かつ効果的に向上させるために作用するが、含有量が０．００５％未満ではその効果が期待できず、一方、０．０５％を超えると靭性が劣化する傾向があるため、Ｔｉ含有量は０．００５〜０．０５％の範囲とする。なお、好ましくは、０．０１〜０．０３％である。
Ｎは、窒化物または炭窒化物を析出させ、強度を高めるための重要な元素である。その効果は０．００１％以上を含有させることにより発揮されるが、含有量が０．００６％を超えるとＢＮの析出による焼入れ性の低下や、窒化物の粗大化および時効硬化により靭性が劣化する傾向が見られる。このため、Ｎ含有量は０．００１〜０．００６％の範囲とする。なお、好ましくは、０．００２〜０．００４％である。
Ｃｒは、焼入れ性を向上させる元素であり、また、焼き戻しによる軟化を抑制する作用を有する。含有量が１％を超えると電縫溶接時に欠陥を発生しやすくなる。このため、Ｃｒ含有量は０．０５〜１％の範囲とする。なお、好ましくは、０．１〜０．５％である。
Ｎｂは、Ｎｂ炭窒化物による析出強化の効果を有するのに加えて、Ｂとの複合添加効果によりＡｒ３点を大きく下げる効果を有する。
Ｎｂ含有量が０．１％を超えると炭化物が増加し、靭性が低下する。このため、Ｎｂ含有量は０．００５〜０．１％とする。なお、好ましくは、０．０１〜０．０５％である。
Ｓは、電縫溶接性を損なうため、製造上の観点からはコストの上昇を招かない範囲でできる限り低減させた方が望ましい。一方、Ｓにはフェライト脱炭層が抑制される効果がある。そのため、電縫溶接に格段の注意を払えるのであれば、０．００４０％以上、望ましくは０．００６０％以上のＳを含有することはフェライト脱炭抑制の観点からは望ましい。しかし、その場合、鋼中にＭｎＳが多量に析出し、機械的性質を損なうために、ＭｎＳの析出を抑制することを目的として、Ｓと同時にＣａを添加することが必要である。また、Ｓが０．０１００％を越えると、どんなに注意を払ってももはや健全な電縫溶接は困難であり、またＣａ添加によってもＭｎの析出を抑制することはできない。このため、Ｓ含有量は０．００４０〜０．０１００％である。
Ｃａはフェライト脱炭抑制の目的でＳを０．００４０〜０．０１００％の範囲で添加させた時に、ＭｎＳの析出の抑制のために添加が必要である。その効果を得るためには０．０００５％以上の添加が必要であり、また、０．００７０％を越えて添加するとＣａの介在物が電縫溶接衝合部に集積し、溶接部の健全性が損なわれる。このため、Ｃａ含有量は０．０００５〜０．００７０％、より好ましくは０．００２０〜０．００５０である。
次に、本実施の形態の中空部品用鋼管の製造方法について説明する。
所要の化学組成を有するように溶製した溶鋼を、鋳造して鋳片とするか、或いは一旦鋼塊とした後、熱間圧延して鋼片とし、この鋳片または鋼片を熱間圧延して熱間圧延鋼板とする。
この熱間圧延鋼板を通常の電縫溶接鋼管の製造方法、例えば熱間或いは冷間での電気抵抗溶接により電縫溶接鋼管とする。つまり、通常の電縫溶接鋼管の造管機にて肉厚ｔと外径Ｄの比であるｔ／Ｄが０．１５以下の電縫溶接鋼管（これを母管とも称する）を製造し、さらに、これに熱間で縮径圧延を施して、肉厚５ｍｍ以上（好ましくは７ｍｍ以上）で肉厚ｔと外径Ｄの比であるｔ／Ｄが０．２以上（好ましくは０．２３以上）の厚肉の鋼管を製造し、次いで、この鋼管の外表面に水を供給してα−γ２相温度域より低い温度まで冷却し、前記鋼管の内表面が冷却される過程でα−γ２相温度域を通過する際の冷却速度を５℃／秒以上とするものである。
縮径圧延は、ストレッチレデューサーなどを用いて行うことができる。
ストレッチレデューサーは、圧延軸の周りに３ロール或いは４ロールを有する圧延スタンドを複数、圧延軸に直列に備えた圧延装置であり、この圧延装置の各圧延スタンドのロール回転数及び圧下力を調整することにより、鋼管の管軸方向（圧延方向）の張力及び円周方向の圧縮力を制御し、これによって肉厚／外径比を増加させる縮径圧延を行うことができる。
すなわち、縮径圧延においては、鋼管の外径の圧下力により外径が縮小される一方で肉厚は増加するが、他方、鋼管の管軸方向に働く張力により肉厚が減少するので、両者のバランスにより最終の肉厚が決定される。このように縮径圧延した鋼管の肉厚は、上記圧延スタンドの間の張力により主として決定されるので、目標肉厚を得るための圧延スタンド間の張力を圧延理論などから求め、その張力が働くように各圧延スタンドのロール回転数を設定することが必要である。
上述のように、本実施の形態は、上記電縫溶接鋼管（母管）を８００〜１２００℃に加熱し、断面の減少率４０〜８０％で熱間での縮径圧延を施した後、その鋼管の外表面に水を供給してα−γ２相温度域より低い温度まで冷却し、その際の冷却速度を５℃／秒以上として、肉厚ｔと外径Ｄの比であるｔ／Ｄを０．２以上、好ましくは０．２３以上とした厚肉の鋼管を製造するものである。ここで、断面の減少率とは、（縮径前の鋼管の外径−縮径後の鋼管の外径）／縮径前の鋼管の外径×１００（％）である。
縮径圧延時の電縫溶接鋼管の加熱温度は、８００℃未満では変形抵抗が大きく、一方、１２００℃を超えると、加熱スケールの発生が著しくなり表面性状が劣化する。このため、加熱温度は、８００〜１２００℃の範囲が好ましい。
また、縮径圧延時の断面の減少率が４０％未満では圧縮力が不十分であり、肉厚／外径比が０．１５以下の電縫溶接鋼管（母管）から肉厚／外径比が０．２以上、好ましくは０．２３以上の厚肉の鋼管とすることが困難である。一方、断面の減少率が８０％を超えると、縮径圧延による鋼管の表面疵の発生が著しくなり、また、均一な形状の確保が困難になる。このため、縮径圧延における断面の減少率は４０〜８０％とすることが好ましい。
なお、本実施の形態の中空部品用鋼管が縮径圧延により製造されたものであるか否かは、管軸方向に垂直な断面（Ｃ断面）の内面の角張り状態の観察或いは、肉厚測定によって判断することができる。
例えば、縮径圧延に用いられるストレッチレデューサーは、上述のように、圧延軸の周りに３ロール或いは４ロールを有する圧延スタンドを複数、圧延軸に直列に備えた圧延装置であり、通常、隣合う圧延スタンド（例えば、ＮおよびＮ＋１圧延スタンド）のロールは位相がずらされており、３ロール圧延スタンドの場合は６０°、４ロール圧延スタンドの場合は４５°だけ位相をずらした配置となっている。
従って、縮径圧延によって製造された中空部品用鋼管の管軸方向に垂直な断面（Ｃ断面）の内面形状は、ストレッチレデューサーが３ロールの圧延スタンドを備える場合は六角形、４ロールの圧延スタンドを備える場合は八角形となる。
このように、中空部品用鋼管の管軸方向に垂直な断面の内面形状が、上述のような多角形状を形成している場合は、この中空部品用鋼管を縮径圧延により製造されたものであることがわかる。
上記のように本実施の形態では、フェライト脱炭層の発生を抑制することにより疲労強度を向上させた中空部品用鋼管及びその製造方法を得ることができる。
また、本実施の形態では、フェライト脱炭層の発生を抑制するため、フェライト脱炭層が形成された場合の従来技術の対策のような研削加工工程、ショットピーニング工程、浸炭処理工程などの追加の工程が不要となり、製造コストの増加を抑制することができる。
以下、本発明を実施例によりさらに具体的に説明する。
（表１、表２の素材の製造条件、フェライト脱炭層の測定、疲労試験の方法）
表１に示す組成を有する各種鋼を溶製し、鋳片に鋳造した。この鋳片を１１５０℃に加熱し、圧延仕上げ温度８９０℃、巻き取り温度６３０℃で熱間圧延し、板厚６ｍｍの鋼板とした。これらの板から２０×２０×４ｍｍの試験片を採取し、８００℃に加熱後５℃/sで冷却した際の表面の脱炭層厚さを光学顕微鏡により観察・測定した。その結果を表１に示している。
また、表１に示すＮｏ．３，４，７，１１，１３鋼については、この熱間圧延鋼板を所定の幅にスリットし、ロール成形した後、高周波電縫溶接により外径９０ｍｍの電縫溶接鋼管（母管）とした。引き続きこれらの鋼管を高周波誘導加熱により９８０℃に加熱して縮径圧延を施し、外径３０ｍｍ、肉厚４．０〜６．５ｍｍの厚肉鋼管を製造した。その際、縮径圧延直後に外表面側から水冷することにより、内表面の７００℃〜６００℃間の冷却速度を１〜８℃/sの範囲で変化させた。このようにして得られた厚肉鋼管を、その後９６０℃で焼入れし、３５０℃×１ｈｒの焼き戻しを行った。
これらの鋼管から、ばね論文集、２８（１９８３）ｐ．４６を参考に、図１に示すような曲げ半径６０ｍｍで曲げた疲労試験片を採取し、片側を固定して、同一直径の中実材で第一主応力振幅が６００ＭＰａとなるような応力条件で両振りの疲労試験を実施し、破断繰り返し数を求めた。その結果を表２に示している。
また、各々の管からL断面を鏡面研磨した光学顕微鏡観察用試料を採取し、ナイタールでエッチングした後、内表面近傍の組織を観察して脱炭層の厚さを測定した。その結果を表２に示している。
（比較例の説明）
表１に示した、本発明の化学成分を有するＮｏ．１〜１０の鋼は、冷却速度５℃/sにおける耐脱炭性において優れていることがわかる。Ｎｏ．９、１０の鋼は、フェライト脱炭層を抑制する効果のあるＳを含有するため、冷却速度５℃/sにおける耐脱炭性において特に優れていることがわかる。それに対して、比較例のＮｏ．１１〜１３の鋼は式（１）を満足しないために耐脱炭性に劣る。
９２３−５１３Ｃ−１０１Ｍｎ−２０４Ｃｒ−１５１５Ｎｂ≦７００ ・・・（１）
表２に示した、比較例Ｈ、Ｉは本発明の範囲の化学成分を有する鋼管であるが、肉厚が本発明の範囲よりも薄いために、外面側の冷却により内面側で容易に５℃/sを越える冷却速度が達せられ、脱炭を抑制することは困難ではないことを示した例である。また、比較例Ｊ、Ｋの鋼管は本発明の範囲の化学成分、肉厚を有する鋼管であるが、内面の冷却速度が５℃/sに達しなかったために、脱炭が抑制されず、疲労特性が劣った例である。また、比較例Ｌ、Ｍ、Ｎの鋼管は式（１）を満足しない鋼管であるために脱炭層が厚く、疲労強度が低かった例である。
図２は、鋼管内表面のフェライト脱炭層厚さと疲労強度との関係を示す図である。この図には、表２に示した本発明例ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｇと比較例Ｊ，Ｋ，Ｌ，Ｍ，Ｎそれぞれのフェライト脱炭層厚さと破断繰り返し数を示したものである。図２によれば、本発明の範囲として鋼管の内表面のフェライト脱炭層厚さを２０μｍ以下としたのが適切であることがわかる。
図３は、鋼管内表面におけるα−γ２相温度域での冷却速度（℃／秒）と鋼管内表面のフェライト脱炭層の厚さとの関係を示す図である。この図には、表２に示した本発明例ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｇと比較例Ｈ，Ｉ，Ｊ，Ｋそれぞれの冷却速度とフェライト脱炭層厚さとを示したものである。図３においても、本発明の範囲として鋼管の内表面のフェライト脱炭層厚さを２０μｍ以下としたのが適切であることがわかる。
図４は、結晶粒径が３０μｍでγ域から５℃／秒で冷却した際のＡｒ３変態点とフェライト脱炭層の厚さとの関係を示す図である。この図には、表１に示した本発明例Ｎｏ．１〜１０と比較例Ｎｏ．１１〜１３それぞれの上記式（１）の左辺の値とフェライト脱炭層厚さとを示したものである。図４によれば、本発明の範囲として上記式（１）を満足することとしたのが適切であることがわかる。
図５は、肉厚ｔと外径Ｄの比であるｔ／Ｄと疲労強度との関係を示す図である。この図２には、表２に示した本発明例ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｇと比較例Ｈ，Ｉそれぞれのｔ／Ｄと破断繰り返し数とを示したものである。図５によれば、本発明の範囲として肉厚ｔと外径Ｄの比であるｔ／Ｄを０．２以上とすることとしたのが適切であることがわかる。
図６（ａ）は、比較例Ｋの試料管の溶接部から９０度の位置の断面を鏡面研磨した光学顕微鏡観察用試料を採取し、ナイタールでエッチングした後、内表面近傍の組織を示すミクロ写真である。図６（ｂ）は、本発明例ｇの試料管の溶接部から９０度の位置の断面を鏡面研磨した光学顕微鏡観察用試料を採取し、ナイタールでエッチングした後、内表面近傍の組織を示すミクロ写真である。
図６（ａ）に示す試料では、急冷を行っていないので、フェライト脱炭層の厚さが厚く形成されているのに対し、図６（ｂ）に示す試料では、急冷を行っているので、フェライト脱炭層の厚さを薄く抑えることができている。
尚、本発明は上記実施の形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することが可能である。例えば、上記実施の形態の中空部品用鋼管は種々の部品に適用可能であり、例えばスタビライザーに適用することができる。
疲労試験の方法を説明するための図である。 鋼管内表面のフェライト脱炭層厚さと疲労強度との関係を示す図である。 鋼管内表面におけるα−γ２相温度域での冷却速度（℃／秒）と鋼管内表面のフェライト脱炭層の厚さとの関係を示す図である。 結晶粒径が３０μｍでγ域から５℃／秒で冷却した際のＡｒ３変態点とフェライト脱炭層の厚さとの関係を示す図である。 肉厚ｔと外径Ｄの比であるｔ／Ｄと疲労強度との関係を示す図である。 （ａ）は、比較例Ｋの内表面近傍の組織を示すミクロ写真であり、（ｂ）は、本発明例ｇの内表面近傍の組織を示すミクロ写真である。

Claims (10)

  1. 電縫溶接鋼管が熱間で縮径圧延され、外表面から冷却された中空部品用鋼管であって、
    質量％で
    Ｃ：０．１５〜０．５％
    Ｓｉ：０．１〜０．４％
    Ｍｎ：０．３〜２．０％
    Ｔｉ：０．００５〜０．０５％
    Ａｌ：０．００５〜０．０５％
    Ｂ：０．０００５〜０．００５０％
    Ｎ：０．００１〜０．００６％ を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、且つ下記式を満足し、
    肉厚が５ｍｍ以上で且つ肉厚ｔと外径Ｄの比であるｔ／Ｄが０．２以上であり、
    管内表面の脱炭層の深さが２０μｍ以下であることを特徴とする中空部品用鋼管。
    ９２３−５１３Ｃ−１０１Ｍｎ≦７００
  2. 請求項１において、前記電縫溶接鋼管は、質量％で
    Ｃ：０．１５〜０．５％
    Ｓｉ：０．１〜０．４％
    Ｍｎ：０．３〜２．０％
    Ｔｉ：０．００５〜０．０５％
    Ａｌ：０．００５〜０．０５％
    Ｂ：０．０００５〜０．００５０％
    Ｎ：０．００１〜０．００６％ を含有し、且つＣｒ：０．０５〜１．０％ およびＮｂ：０．００５〜０．１％ の少なくとも一方を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、且つ下記式を満足することを特徴とする中空部品用鋼管。
    ９２３−５１３Ｃ−１０１Ｍｎ−２０４Ｃｒ−１５１５Ｎｂ≦７００
  3. 請求項１において、前記電縫溶接鋼管は、質量％で
    Ｃ：０．１５〜０．５％
    Ｓｉ：０．１〜０．４％
    Ｍｎ：０．３〜２．０％
    Ｔｉ：０．００５〜０．０５％
    Ａｌ：０．００５〜０．０５％
    Ｂ：０．０００５〜０．００５０％
    Ｎ：０．００１〜０．００６％ を含有し、
    さらに、Ｓ：０．００４〜０．０１０％およびＣａ：０．０００５〜０．００７０％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、且つ下記式を満足することを特徴とする中空部品用鋼管。
    ９２３−５１３Ｃ−１０１Ｍｎ≦７００
  4. 請求項１において、前記電縫溶接鋼管は、質量％で
    Ｃ：０．１５〜０．５％
    Ｓｉ：０．１〜０．４％
    Ｍｎ：０．３〜２．０％
    Ｔｉ：０．００５〜０．０５％
    Ａｌ：０．００５〜０．０５％
    Ｂ：０．０００５〜０．００５０％
    Ｎ：０．００１〜０．００６％ を含有し、且つＣｒ：０．０５〜１．０％ およびＮｂ：０．００５〜０．１％ の少なくとも一方を含有し、
    さらに、Ｓ：０．００４〜０．０１０％およびＣａ：０．０００５〜０．００７０％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、且つ下記式を満足することを特徴とする中空部品用鋼管。
    ９２３−５１３Ｃ−１０１Ｍｎ−２０４Ｃｒ−１５１５Ｎｂ≦７００
  5. 前記電縫溶接鋼管のＭｎ量が、質量％で
    Ｍｎ：０．３〜１．３％
    であることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の中空部品用鋼管。
  6. 電縫溶接鋼管を熱間で縮径圧延する第１工程と、
    前記第１工程で縮径圧延された鋼管をα−γ２相温度域より低い温度まで外表面から冷却する第２工程と、
    を具備する中空部品用鋼管の製造方法であって、
    前記電縫溶接鋼管は、質量％で
    Ｃ：０．１５〜０．５％
    Ｓｉ：０．１〜０．４％
    Ｍｎ：０．３〜２．０％
    Ｔｉ：０．００５〜０．０５％
    Ａｌ：０．００５〜０．０５％
    Ｂ：０．０００５〜０．００５０％
    Ｎ：０．００１〜０．００６％ を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、且つ下記式を満足し、
    前記第１工程によって縮径圧延された鋼管は、その肉厚が５ｍｍ以上で且つ肉厚ｔと外径Ｄの比であるｔ／Ｄが０．２以上であり、
    前記第２工程によって前記鋼管の内表面が冷却される過程でα−γ２相温度域を通過する際の冷却速度は５℃／秒以上であり、
    前記第２工程によって冷却された前記鋼管の内表面に発生した脱炭層の深さは２０μｍ以下であることを特徴とする中空部品用鋼管の製造方法。
    ９２３−５１３Ｃ−１０１Ｍｎ≦７００
  7. 請求項６において、前記電縫溶接鋼管は、質量％で
    Ｃ：０．１５〜０．５％
    Ｓｉ：０．１〜０．４％
    Ｍｎ：０．３〜２．０％
    Ｔｉ：０．００５〜０．０５％
    Ａｌ：０．００５〜０．０５％
    Ｂ：０．０００５〜０．００５０％
    Ｎ：０．００１〜０．００６％ を含有し、且つＣｒ：０．０５〜１．０％ およびＮｂ：０．００５〜０．１％ の少なくとも一方を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、且つ下記式を満足することを特徴とする中空部品用鋼管の製造方法。
    ９２３−５１３Ｃ−１０１Ｍｎ−２０４Ｃｒ−１５１５Ｎｂ≦７００
  8. 請求項６において、前記電縫溶接鋼管は、質量％で
    Ｃ：０．１５〜０．５％
    Ｓｉ：０．１〜０．４％
    Ｍｎ：０．３〜２．０％
    Ｔｉ：０．００５〜０．０５％
    Ａｌ：０．００５〜０．０５％
    Ｂ：０．０００５〜０．００５０％
    Ｎ：０．００１〜０．００６％ を含有し、
    さらに、Ｓ：０．００４〜０．０１０％およびＣａ：０．０００５〜０．００７０％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、且つ下記式を満足することを特徴とする中空部品用鋼管の製造方法。
    ９２３−５１３Ｃ−１０１Ｍｎ≦７００
  9. 請求項６において、前記電縫溶接鋼管は、質量％で
    Ｃ：０．１５〜０．５％
    Ｓｉ：０．１〜０．４％
    Ｍｎ：０．３〜２．０％
    Ｔｉ：０．００５〜０．０５％
    Ａｌ：０．００５〜０．０５％
    Ｂ：０．０００５〜０．００５０％
    Ｎ：０．００１〜０．００６％ を含有し、且つＣｒ：０．０５〜１．０％ およびＮｂ：０．００５〜０．１％ の少なくとも一方を含有し、
    さらに、Ｓ：０．００４〜０．０１０％およびＣａ：０．０００５〜０．００７０％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、且つ下記式を満足することを特徴とする中空部品用鋼管の製造方法。
    ９２３−５１３Ｃ−１０１Ｍｎ−２０４Ｃｒ−１５１５Ｎｂ≦７００
  10. 前記電縫溶接鋼管のＭｎ量が、質量％で
    Ｍｎ：０．３〜１．３％
    であることを特徴とする請求項６〜９の何れか１項に記載の中空部品用鋼管の製造方法。
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