WO2005116284A1

WO2005116284A1 - シームレス鋼管およびその製造方法

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Publication number: WO2005116284A1
Application number: PCT/JP2005/008357
Authority: WO
Inventors: Kunio Kondo; Yuji Arai
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2004-05-07
Filing date: 2005-05-06
Publication date: 2005-12-08
Anticipated expiration: 2006-11-07
Also published as: EP1743950A1; EP1743950A4; US7316143B2; CA2564420A1; CA2564420C; CN1950532A; MXPA06012591A; JP4706183B2; KR20080066883A; EP1743950B1; CN100500910C; JP2005320575A; US20070101789A1; KR20060134199A; KR100882394B1

Abstract

　質量％で、Ｃ：０．３０～０．５０％、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：０．３～２．０％、Ｐ：０．０２５％以下、Ｓ：０．００５％以下、Ｃｒ：０．１５～１．０％、Ａｌ：０．００１～０．０５％、Ｔｉ：０．００５～０．０５％、Ｎ：０．０２％以下、Ｂ：０．０００５～０．０１％およびＯ（酸素）：０．００５０％以下を含み、下記（ａ）または（ｂ）式で規定するＢeffが０．０００１以上であることを特徴とするシームレス鋼管である。ただし、Ｎeff＝Ｎ－１４×Ｔｉ／４７．９≧０の場合に、Ｂeff＝Ｂ－１０．８×（Ｎ－１４×Ｔｉ／４７．９）／１４　・・（ａ）であり、同様に、Ｎeff＝Ｎ－１４×Ｔｉ／４７．９＜０の場合に、Ｂeff＝Ｂ　・・（ｂ）である。これにより、優れた冷間加工性、焼き入れ性、靱性および捩り疲労強度を同時に備え、一体成形型の中空ドライブシャフト用の中空軸素材として最適なシームレス鋼管を提供することができる。

Description

明細書

シームレス鋼管およびその製造方法

技術分野

[0001] 本発明は、自動車用ドライブシャフトの軽量ィ匕に適した中空軸素材として用いられるシームレス鋼管に関するものである。さらに詳しくは、両端を冷間スウェージカ卩ェした後、熱処理を実施して製作される中空ドライブシャフトの素材として好適な、冷間加ェ性、焼き入れ性、靭性および捩り疲労強度に優れるシームレス鋼管およびその製造方法に関するものである。

背景技術

[0002] 地球環境保護の観点から、自動車車体の軽量化を図り、燃費を向上させることが強く求められている。このため、自動車用部品における中実部材を中空部材に置き換える様々な試みがなされている。その試みの中で駆動力を車輪に伝達するドライブシャフトについても、中空素材の採用が検討されている。

[0003] 自動車用部品を中空化する目的は、単純な軽量ィ匕だけでなぐ捩り剛性の向上による加速レスポンスの改善や、振動特性の向上による走行中の室内静粛性の改善も期待できることから、これに応えることにあり、それに伴って、特殊形状に加工された中空シャフトの開発要請が高まっている。

[0004] 例えば、両軸端部を等速ジョイントに締結するシャフトの設計において、シャフトの中間部をなるベく薄肉大径化して、捩り剛性を高めると同時に、振動特性の改善も行われている。また、一方で、等速ジョイントに締結する両軸端部を従来用いられてきた中実部材の直径と同等にすることにより、既存の等速ジョイントをそのまま使用できるメリットがある。

[0005] 中空ドライブシャフトの製造方法として、中空素管の両端部に中空または中実のシャフトを摩擦圧接等で締結して製造する方法がある。し力しながら、この方法では中空部の径を大きくして両端部の径を小さくするのは困難である。上述の理由から中間部をなるベく薄肉大径化して、両端部の径が小さい形状のドライブシャフトを成形すベぐ鋼管材料を用いて冷間加工を施し、中間部を薄肉にしたのち、鋼管材料の両端に冷間絞り加工等を施して、両軸端部の外径を減ずるとともに増肉させることにより、一体成形型の中空ドライブシャフトを製造することが検討されてレ、る。

[0006] ところが、上記の一体成形型の中空ドライブシャフトは、その特異な形状を確保するため、複雑な冷間加工を施して成形される。このため、鋼管材料として溶接管を用い中空ドライブシャフトを製造すると、成形時に溶接部に沿って割れが発生したり、成形後に疲労試験を実施すると、溶接部に沿って疲労き裂が伸展するという問題がある。このため、溶接管を中空ドライブシャフトの中空軸素材とする場合には、十分な信頼性が得られてレ、なレ、のが現状である。

[0007] したがって、冷間加工による成形時に発生する割れをなくし、成形後の捩り疲労強度を確保するため、一体成形型の中空ドライブシャフトの中空素材として、シームレス鋼管を採用する要請が強くなつている。このような要請に対応して、シームレス鋼管を中空軸素材に採用した中空ドライブシャフトが提案されている。

[0008] シームレス鋼管を中空軸素材に用いて一体成形型の中空ドライブシャフトを製造する場合に、管端の絞り加工や転造力卩ェに起因する割れを防止することが重要である。さらに冷間加工後の熱処理により鋼管内面まで硬化させると同時に高靱性を確保し、また製品として高寿命が得られるように捩り疲労強度を確保することが要求される

[0009] 換言すれば、中空ドライブシャフトの中空軸素材としてシームレス鋼管を用いる場合には、複雑な成形が問題なく得られる冷間加工性、熱処理にともなう焼き入れ性ならびに靱性、およびドライブシャフトとしての捩り疲労強度を満足することが必須になる。し力しながら、従来から提案されている中空ドライブシャフトにおいては、これらの観点に基づき材質面からシームレス鋼管を検討したものは殆どない。

[0010] 例えば、特開平 6— 341422号公報には、駆動軸用鋼管に回転振れまわりを低減するためのバランスウェイトを取り付けたドライブシャフトが開示されており、この駆動軸用鋼管およびバランスウェイトの炭素当量（Ceq = C + SiZ24 + Mn/6 + Cr/5 + Mo/4 + Ni/40 + V/ 14)の値を規定することで、バランスウェイトを溶接した部位から発生する疲労破壊を改善できることが開示されている。

[0011] し力ながら、駆動軸用鋼管とバランスウェイトの炭素当量 (Ceq)を規定するだけでは、冷間加工性および疲労特性がともに優れた駆動軸用鋼管を得ることができない。このため、特開平 6— 341422号公報で開示される自動車推進軸を一体成形型の中空ドライブシャフトとして適用することは困難である。

[0012] 次に、特開平 7— 18330号公報には、自動車の足まわりに使用される高強度部材に適した高強度高靱性鋼管の製造方法が提案されている。この提案の製造方法には具体的な成分系が規定されている力 Tiを添加せず、 Nについての規定もないことから、 Bを添加したとしても、十分に焼き入れ性が確保できる成分系になっていない。さらに、冷間加工性や疲労特性をも考慮した成分設計となっていないため、特開平 7— 18330号公報で提案の製造方法では、一体成形型の中空ドライブシャフトの素材として好適なシームレス鋼管を得ることが難しい。

[0013] さらに、特開平 7— 88537号公報には、素管をプラグ外径とダイス内径で規定する薄肉化引き抜き加工により異内径鋼管を製造する、一体成形型の中空ドライブシャフトの加工方法が開示されている。しかし、その実施例で開示されている鋼管の材質は JISに規格される S48C相当の炭素鋼であり、鋼の化学組成を特定することにより冷間加工性、焼き入れ性、および疲労特性を改善することを意図するものではない。

[0014] また、特開平 8— 73938号公報では、熱間製管圧延後に断面減少率が 10〜70% の冷間加工を実施し、次いで焼鈍を行い、さらに高周波焼入れ後、焼戻しする高強度高靱性鋼管の製造方法が開示されている。特開平 8— 73938号公報の製造方法では、適用する鋼材の具体的な成分系を規定しているが、前記特開平 7— 18330号公報の製造方法と同様に、 Tiや Bを添加したとしても、焼き入れ性を十分に確保できる成分系でなぐさらに冷間加工性や疲労特性を考慮した成分設計となっていないため、一体成形型の中空ドライブシャフトに好適な素材とすることができない。

[0015] 一方、特開 2000— 204432号公報には、黒鉛鋼を高周波焼き入れして表層を硬ィ匕させるとともに、芯部にフェライトとマルテンサイトの 2相組織を生成させたドライブシャフトが開示されている。しかし、特開 2000— 204432号公報が開示する化学組成は、摩擦圧接型の中空ドライブシャフト用鋼材に好適な成分系を示しており、黒鉛化鋼を得るために長時間の熱処理が必要となる。また、 Crを含有しない成分系であるため、焼き入れ性および疲労強度が十分でなぐ一体成形型のドライブシャフト用鋼材として好適な鋼管とすることができなレ、。

[0016] そして、特開 2001— 355047号公報は、ドライブシャフトの素材として、セメンタイトの粒径を 1 μ m以下とした冷間加工性および高周波焼き入れ性に優れた高炭素鋼管を提案している。しかし、特開 2001— 355047号公報の高炭素鋼管では、狙いの金属組織を得るために温間加工が必要となり、製造コストが上昇すると同時に、開示された成分組成では、冷間加工性、焼き入れ性および疲労特性を同時に満足する一体成形型のドライブシャフト用鋼材とすることができない。

発明の開示

[0017] 前述のとおり、中空ドライブシャフトの中空軸素材としてシームレス鋼管を用いる場合には、管端の絞り加工や転造加工にともなって発生する割れを防止するとともに、冷間成形カ卩ェ後の熱処理により、鋼管内面まで硬化させると同時に高靱性を確保する必要がある。また、さらに中空ドライブシャフトとして高寿命を達成するために、冷間加工性、焼き入れ性、靱性および捩り疲労強度を同時に確保することが必要になる。

[0018] ところが、従来の提案によるシームレス鋼管では、中空ドライブシャフトの中空軸素材として、優れた冷間加工性、焼き入れ性、靱性および捩り疲労強度特性を発揮できるように材質面から検討をカ卩え、化学組成を特定する試みは殆どなされていない。

[0019] 言い換えれば、中空ドライブシャフトが要求するこれらの特性は、単独で改善するのはそれ程困難ではなレ、が、全ての特性を同時に満足させることは、従来の知見では困難とされていた。例えば、高い疲労強度を確保するには、鋼の強度を上昇させることが有効であることから、素材として使用する鋼管を高強度にすると、それに起因して冷間加工性が低下することになる。

[0020] 本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであり、中空ドライブシャフトが具備すべき特性に基づき材質面から検討を加え、化学組成を特定することによって、一体成形型の中空ドライブシャフトの中空軸素材として好適な、冷間加工性、焼き入れ性、靭性および捩り疲労強度に優れるシームレス鋼管およびその製造方法を提供することを目的としている。

[0021] 本発明者らは、上記の課題を解決するため、冷間加工性、焼き入れ性、靭性および捩り疲労強度に及ぼす合金元素の影響について、種々の検討を重ねた。その結果、冷間加工性に及ぼす Siおよび Crの影響が大きいことが判明した。

[0022] 図 1は、冷間加工性 (冷間鍛造）に及ぼす Siの影響を示す図である。ベース鋼とし TO. 35%C- 1. 3%Mn-0. 17%Cr_0. 015%Ti-0. 001 %B岡を用レヽ、 Si含有量を変化させた場合の外径 14mm、長さ 21mmの圧縮試験片における割れが発生しない限界加工度（％)と硬度（HRB)との関係を示している。

[0023] 図 2は、冷間加工性 (冷間鍛造）に及ぼす Crの影響を示す図である。ベース鋼とし TO. 35%C-0. 2%Si- l . 3%Mn-0. 015%Ti-0. 001%B岡を用レヽ、 Cr含有量を変化させた場合の外径 14mm、長さ 21mmの圧縮試験片における割れが発生しない限界加工度（％)と硬度（HRB)との関係を示してレ、る。

[0024] 図 1に示すように、 Si含有量を低減させることによって、冷間加工時の割れ発生限界カ卩ェ度が大きく向上することが判明した。また、図 2に示すように、 Cr含有量を増加することによって冷間加工性が若干改善されることが分かった。これに対し、他の元素は冷間加工性をやや低下させるか、殆ど影響を示さなかった。

[0025] ところが、冷間加工性を向上させるために Si含有量を低減すると、焼き入れ性が低下することになり、鋼管の熱処理後に内面の強度が確保できなくなる。このため、 Si 含有量の低減による冷間加工性の向上に併せ、焼き入れ性の向上を検討する必要力 Sある。

[0026] 図 3は、焼き入れ性に及ぼす Bおよび Crの影響を示す図である。ベース鋼は 0. 35 %C-0. 05%Si- l . 3%Mn-0. 015%Ti— 0. 004%N鋼とし、 B— Cr含有量を変化させた試験片を準備し、ジョミニ一一端焼き入れ試験を行った。図中に水冷端からの距離と硬度分布の一例が示されているが、硬度低下の傾きが急に大きくなる地点の水冷端からの距離を焼き入れ深さとした。図 3に示すように、 Bまたは Zおよび C rの含有量を増加させることによって、焼き入れ性を向上させることができる。

[0027] 図 4は、焼き入れ性に及ぼす B、 Nおよび Tiの影響を示す図である。ベース鋼は（0 . 35〜0. 40) %C- (0. 05〜0. 3) %Si_ (l . 0〜： 1. 5) %Mn_ (0.：!〜 0. 5) % Cr鋼とし、 B、 Nおよび Tiの含有量を変化させ、前記図 3と同様に、ジョミニ一一端焼き入れ試験を行い、焼き入れ深さを測定した。

[0028] このとき、試験片の焼き入れ深さに及ぼす B、 Nおよび Tiの含有バランスによる影響を調查するため、下記（a)または（b)式で規定する Beff¾r用いた。

Neif=N- 14 X Ti/47. 9≥0の場合に

Beif=B- 10. 8 X (N- 14 X Ti/47. 9) /14 . · · (a)

Neif=N- 14 X Ti/47. 9く 0の場合に

Beff=B · · · (b)

図 4に示す焼き入れ深さと Beffの関係から、鋼の焼き入れ性の確保には B、 Tiおよび Nの含有バランスが重要な要件となり、 BefF≥0. 0001の条件を満足しなければ十分な焼き入れ性が得られなレ、ことが分かる。

[0029] 図 5は、疲労強度および耐久比に及ぼす Crの影響を示す図である。ベース鋼とし TO. 35%C-0. 2%Si- l . 3%Mn— 0. 015%Ti— 0. 001%Βί岡を用レヽ、 Cr含有量を変化させ、小野式回転曲げ試験により疲労限度および耐久比を測定した。ただし、耐久比は (疲労限度/引張強度)で示した。

[0030] 図 5に示すように、 Crの含有を増加させると、疲労強度の上昇にともなって耐久比がほぼ同等に上昇していることから、引張強度を高めることなく疲労強度を上昇させることができる。このことから、 Cr含有量を増加して疲労強度を上昇させることは、冷間加工性ゃ靭性には悪影響を及ぼすことが少ないことが分かる。

[0031] 従来から疲労強度を上昇させるには、引張強度を上昇させる必要があることが知られており、疲労強度を上昇させるために C含有量を増加させることが行われていたが、 C含有量の増加により冷間加工性ゃ靱性が低下する問題があった。しかし、前記図 5に示す知見から、 Cr含有量を増加して疲労強度を上昇させることにより、 C含有量を増加させずに冷間加ェ性ゃ靱性の低下を抑制しつつ、疲労強度の確保が図れることになる。

[0032] さらに、冷間加工時の割れおよびドライブシャフト成形後の捩り疲労強度に対して、 S含有量が大きな影響を及ぼすことを明らかにした。特に、シームレス鋼管を使用して冷間加工を実施すると、結晶粒がパンケーキ状に変形するが、パンケーキが層状に積み重なる面と、転造加工による割れ方向、または捩り疲労試験による疲労き裂伸展方向が一致する。さらに伸展した MnSが起点となり、転造加工による割れや捩り疲労によるき裂の発生、伸展が容易になる。このため、ドライブシャフトに用いられる中空軸素材としては、 MnSを十分低減したシームレス鋼管が必要であることが判明した

[0033] 図 6は、偏平曲げ試験において割れが発生する限界高さ方向圧下度（％)に及ぼす S含有量の影響を示す図である。供試材は種々の S含有量からなる外径 3 lmmのシームレス鋼管を用レ、、さらに冷間抽伸により外径 27. 5mmに加工し、内外面を研削して外径 25mm、肉厚 5. 7mmの鋼管を製作した。さらに外径 18. 2mmにスゥヱージカ卩ェし、内外面を研削して外径 17. 5mm,肉厚 4. 8mmの試験片を 3個準備した。これらの試験片を扁平試験し、割れが発生した高さ方向圧下度を限界高さ方向圧下度（％)とした。なお、密着するまで、割れが発生しなかった場合の限界高さ方向圧下度を 100%とした。

[0034] 図 6に示すように、 S含有量が 0. 005%以下になると、各 3回の試験全てが割れを発生せずに密着するまで加工でき、限界高さ方向圧下度が大きく改善され、過酷なスウェージカ卩ェゃ転造力卩ェに耐えられることが分かる。

[0035] 図 7は、熱処理後の鋼管の捩り疲労強度に及ぼす S含有量の影響を示す図である。高周波加熱により焼き入れ後、 150°Cで焼き戻す熱処理を行ったシームレス鋼管を使用した。試験片サイズは外径 20mm、肉厚 5mmのものを用い、付加トルクを変化させて、 1000000回まで疲労破壊しない最高トノレク（N'm)をプロットした。

[0036] 図 7に示すように、偏平曲げ試験の場合と同様に、 S含有量が 0. 005%以下になると、最高トノレク (N'm)が著しく改善され、ドライブシャフトとして良好なねじり疲労強度を有していることが分かる。

[0037] 上記図 1〜図 7に示される技術知見に基づレ、てシームレス鋼管の化学組成を特定することにより、優れた冷間加工性、焼き入れ性、靱性および捩り疲労強度を確保すること力 Sでき、一体成形型の中空ドライブシャフトの中空軸素材として好適なシームレス鋼管を得ることができる。

[0038] ところが、対象となるドライブシャフトの形状によって加工がさらに過酷になり、一体成形の加工時やスプラインの転造カ卩ェ時に割れが発生することがある。このため、より一層の冷間加工性が要求されることがある。このような要求に対応するため、シームレス鋼管の製造方法としては、次のプロセスを採用することによって、さらに良好な冷間加工性を得ることができる。

[0039] 具体的には、シームレス鋼管として熱間製管された後、寸法精度を整えるために冷間抽伸等の冷間加工を断面減少率 5%以上で実施する。しかし、冷間加工のままではドライブシャフトとして十分な冷間加工性を確保できなレ、場合は、熱処理を実施して冷間加工性を改善することができる。

[0040] 上記熱処理として、寸法精度改善のために冷間抽伸等の冷間加工後、焼き鈍しまたは焼き準しを実施できる。または、他の熱処理として、冷間加工前若しくは冷間加ェ後に球状化焼鈍を実施できる。これらの熱処理を施すことにより、冷間加工性を大幅に改善し、過酷な成形加工に対応できるシームレス鋼管を得ることができ、高い捩り剛性や、高度の室内静粛性が確保できるドライブシャフトへの加工が容易となる。

[0041] 本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、下記（1)〜（4)のシームレス鋼管および（5)のシームレス鋼管の製造方法を要旨としている。

[0042] (1)質量⁰ /₀で、 C:0.30〜0.50%、 Si:0.5%以下、 Μη:0.3〜2·

0%、Ρ:0.025%以下、 S:0.005%以下、 Cr:0.15〜： 1.0%、A1:0.001〜0.0 5%、Ti:0.005〜0.05%、N:0.02%以下、 B:0.0005〜0.01%および 0(酸素） :0.0050%以下を含み、残部が Feおよび不純物であり、下記（a)または (b)式で規定する Beff¾S0.0001以上であることを特徴とするシームレス鋼管である。

ただし、 Ti、 Nおよび Bを含有量％とし、

Beif=B-10.8X (Ν-14ΧΤΪ/47.9)/14 .·· (a)

同様に、

く 0の場合に、 Beff=B ··· (b)

[0043] (¾上記（1)のシームレス鋼管では、さらに、質量⁰ /₀で、 Cu:0.05〜1%、 Ni:0.0 5〜 1 %および Mo： 0.05〜 1 %のうち力 1種または 2種以上を含有してもよレヽ。

[0044] (3)上記（1)および（2)のシームレス鋼管では、さらに、質量⁰ /₀で、 V:0.005〜0. l%、Nb:0.005〜0.1%および Zr:0.005〜0.1%のうちから 1種または 2種以上を含有してもよい。

[0045] (4)上記（1)〜（3)のシームレス鋼管では、さらに、質量⁰ /₀で、 Ca:0.0005〜0.0 1%、 Mg:0.0005〜0.01%および希土類元素（REM) :0.0005〜0.01%のうちから 1種または 2種以上を含有してもよい。 [0046] (5)上記（1)〜（4)のいずれかに記載された化学組成を有する素材を用いて製管された鋼管に、断面減少率 5%以上の冷間加工を施してシームレス鋼管を製造する方法であって、前記冷間加工の後に焼き鈍し若しくは焼き準しを実施し、または前記冷間加工の前若しくは後に球状化焼鈍を実施することを特徴とするシームレス鋼管の製造方法である。

図面の簡単な説明

[0047] 図 1は、冷間加工性に及ぼす Siの影響を示す図である。

図 2は、冷間加工性に及ぼす Crの影響を示す図である。

図 3は、焼き入れ性に及ぼす Bおよび Crの影響を示す図である。

図 4は、焼き入れ性に及ぼす B、 Nおよび Tiの影響を示す図である。

図 5は、疲労強度および耐久比に及ぼす Crの影響を示す図である。

図 6は、偏平曲げ試験において割れが発生する限界高さ方向圧下度（％)に及ぼす S含有量の影響を示す図である。

図 7は、熱処理後の鋼管の捩り疲労強度に及ぼす S含有量の影響を示す図である

発明を実施するための最良の形態

[0048] 本発明が対象とするシームレス鋼管を上記のように規定した理由について、化学組成および製造方法に区分して詳細に説明する。以下の説明において、化学組成は「質量％」で示す。

[0049] 1.化学組成

C : 0. 30〜0. 50%

cは、強度を増加し疲労強度を向上させる元素であるが、冷間加工性および靭性を低下させる元素である。 C含有量が 0. 30%未満であると、十分な疲労寿命が得られない。一方、 C含有量が 0. 50%を超えると、冷間加工性および靭性が顕著に低下するので、 C含有量は 0. 30〜0. 50%とした。

また、良好なバランスで疲労強度および冷間加工性ならびに靱性を確保するには、 C含有量を 0. 33〜0. 47%にするのが好ましぐさらにその含有量を 0. 37〜0. 42 %にするのがより好ましい。 [0050] Si : 0. 5%以下

Siは、脱酸剤として必要な元素である。しかし、その含有量が 0. 5%を超えると冷間加工性が確保できないので、 0. 5%以下とした。前記図 1に示すように、 Si含有量は少なくなればなるほど、冷間加工性が向上する。また、ドライブシャフトは形状によつて要求される冷間加工性が変化し、過酷な冷間加工が行われる場合がある。したがって、より過酷な冷間加工にも対応できるように、 Si含有量は 0. 3%以下にするのが好ましぐさらに好ましくは 0. 22%以下であり、最も好ましくは 0. 15%以下、さらに 0. 1 %以下と可能な限り低減させることである。

[0051] Μη : 0. 3〜2· 0%

Mnは、成形後の熱処理時の焼き入れ性を確保するのに有効な元素である。その効果を発揮し内面まで十分に硬化させるには、 Mn含有量は 0. 3%以上が必要である。一方、 Mnを 2. 0%を超えて含有させると、冷間加工性が低下する。このため、 M n含有量は 0. 3〜2. 0%とした。また、良好なバランスで焼き入れ性および冷間加工性を確保するには、 Mn含有量は 1.：!〜 1. 7%とするのが好ましぐさらに 1. 2〜： 1. 4%にするのがより好ましい。

[0052] P : 0. 025%以下

Pは、鋼中に不純物として含まれ、凝固時に最終凝固位置近傍に濃化し、かつ粒界に偏析して熱間加工性、靱性および疲労強度を低下させる。そのため、その含有は可及的に低減させるのが好ましいが、 0. 025%までは特に問題がなく許容できるので、 P含有量は 0. 025%以下とした。さらに、鋼の靭性および疲労強度を高水準で維持するには、 P含有量を 0. 019%以下にするのが好ましぐさらに 0. 009%以下にするのがより好ましい。

[0053] S : 0. 005%以下

Sは、鋼中に不純物として含まれ、凝固時に粒界に偏析し、熱間加工性および靱性を低下させるとともに、前記図 6および図 7に示すように、シームレス鋼管を中空軸素材として採用するとき、特に冷間加工性および捩り疲労強度を低下させる。このため、ドライブシャフトの中空軸素材に用いられるシームレス鋼管として必要な冷間加工性および熱処理後の捩り疲労強度を確保するには、 S含有量は 0. 005%以下にする必要がある。

ドライブシャフト用素材として冷間加工性および捩り疲労強度の確保が一層必要になる場合は、さらに S含有量を低減するのが好ましく 0. 003%以下とし、さらに好ましくは 0. 002%以下とし、最も好ましくは 0. 001%以下とする。

[0054] Cr : 0. 15〜1. 0%

Crは、前記図 2および図 5に示すように、冷間加工性をあまり低下させずに疲労強度を高める元素であり、さらに前記図 3に示すように、 Bと同様に焼き入れ性の向上にも有効な元素である。したがって、 Cr含有量は、所定の疲労強度を確保するため、 0 . 15%以上とする。一方、 Crは 1. 0%を超えて含有すると、冷間加工性の低下が顕著となる。このため、 Cr含有量は 0. 15〜： 1. 0%とした。

さらに、良好なバランスで疲労強度、冷間加工性および焼き入れ性を確保するには、 Cr含有量を 0. 2〜0· 8%とするのが好ましぐ 0. 3〜0. 6%とするのがより好ましレヽ。 0. 4〜0. 6%とするとさらに好ましレヽ。

[0055] Α1 : 0. 001〜0. 05%

A1は、脱酸剤として作用する元素である。脱酸剤としての効果を得るためには、 0. 001%以上の含有が必要である力その含有量が 0. 05%を超えると、アルミナ系介在物が増加し、疲労強度が低下するとともに表面欠陥が多発するおそれがある。このため、 A1含有量を 0. 001-0. 05%とした。さらに、安定した表面品質を確保するには、 A1含有量を 0. 001〜0. 03%とするの力《好ましく、さらに 0. 001〜0. 015%とすると、表面性状が良好になるのでより好ましい。

[0056] 下記の Ti、 Nおよび Bは、鋼の焼き入れ性を確保するため、それぞれの元素含有量を規定すると同時に、さらにお互いの含有量バランスを規定する条件式を満足する必要がある。

[0057] Ti : 0. 005〜0. 05%

Tiは、鋼中の Nを TiNとして固定する作用を有している。し力し、 Ti含有量が 0. 00 5%未満では、 Nを固定する能力が十分に発揮されず、一方、 0. 05%を超えると、鋼の冷間加工性および靱性が低下する。このため、 Ti含有量は 0. 005-0. 05%とする。 [0058] N : 0. 01%以下

Nは、靱性を低下させる元素であり、鋼中で Bと結合し易レ、。 N含有量が 0. 02%を超えると、冷間加工性および靱性が著しく低下するので、その含有量を 0. 02%以下とした。冷間加工性および靱性を向上させる観点からは、 0. 01%以下が好ましぐ 0 . 007%以下がより好ましい。

[0059] B : 0. 0005〜0. 01 %

Bは、焼き入れ性を向上させる元素である。その含有量が 0. 0005%未満では、焼き入れ性が不足し、一方、 0. 01 %を超えて含有すると、冷間加工性および靱性が低下する。そのため、 B含有量を 0. 0005〜0. 01 %とした。

[0060] さらに、前記図 4に示すように、 Bが焼き入れ性を向上させる前提として、下記（a)または（b)式で規定する Beff¾So. 0001以上を満足する必要がある。

すなわち、 Neff=N— 14 XTi/47. 9≥0の場合に、

Beff=B— 10· 8 X (N— 14 X Ti/47. 9) /14 · · · (a)

同様に、 Neff=N— 14 X Ti/47. 9く 0の場合に、

Beff=B … (b)

[0061] Bが焼き入れ性を向上させる能力を発揮するには、鋼中の Nの影響をなくする必要がある。 Bは Nと結合し易ぐ鋼中にフリーな Nが存在すると、 Nと結合して BNが生成し、 Bが具備する焼き入れ性を向上させる作用が発揮されなレ、。このため、 N含有量に応じて Tiを添カ卩し、 TiNとして固定することにより、 Bを鋼中に存在させ焼き入れ性に有効に作用させるため、上記 Beffが 0. 0001以上を満足する必要がある。

また、 Beffの値は大きくなればなるほど、焼き入れ性が向上するので、 Beffが 0. 00 05以上を満足するのが好ましぐさらに Beff^O. 001以上を満足するのがより好ましレ、。

[0062] 〇（酸素）： 0. 0050%以下

〇は、靭性および疲労強度を低下させる不純物である。 O含有量が 0. 0050%を超えると、靭性および疲労強度が著しく低下するので、 0. 0050%以下と規定した。

[0063] 以下の元素は必ずしも添カ卩しなくてもよレ、が、必要に応じて、 1種または 2種以上を含有することによって、冷間加工性、焼き入れ性、靭性および捩り疲労強度を一層向上させることができる。

[0064] Cu : 0. 05〜1%、 Ni : 0. 05〜1%および Mo： 0. 05〜1 %

Cu、 Niおよび Moは、いずれも焼入れ性を向上させて鋼の強度を高め、疲労強度の向上に有効な元素である。これらの効果を得たい場合には、いずれかを 1種または 2種以上を含有させることができる。その効果は、 Cu、 Niおよび Moのいずれの元素も、含有量が 0. 05%以上で顕著となる。しかし、その含有量が 1%を超えると、冷間加工性が著しく低下する。このため、含有させる場合には、 Ni、 Moおよび Cuの含有量は、いずれも 0· 05〜1 %とした。

[0065] V: 0. 005〜0. 1%、 Nb : 0. 005〜0. 1 %および Zr : 0. 005〜0. 1%

V、 Nbおよび Zrは、いずれも炭化物を形成し、熱処理の加熱時での結晶粒粗大化を抑制し、靱性を向上させるのに有効な元素である。したがって、鋼の靱性を向上させる場合に、いずれ力 1種または 2種以上を含有させることができる。その効果は、 V 、 Nbおよび Zrのいずれの元素も、含有量が 0. 005%以上で得られる。し力し、いずれも 0. 1%を超える含有になると、粗大な析出物が生成し、かえって靱性を低下させる。このため、含有させる場合には、 V、 Nbおよび Zrの含有量は、いずれも 0. 005〜 0. 1%とした。

[0066] Ca : 0. 0005〜0. 01 %、 Mg : 0. 0005〜0. 01 %および希土類元素（REM) : 0.

0005〜0. 01 %

Ca、 Mgおよび REMは、冷間加工性および捩り疲労強度の向上に寄与する元素である。これらの効果を得たい場合には、いずれ力 4種または 2種以上を含有させること力 Sできる。 Ca、 Mgおよび REMのいずれの元素も、 0. 0005%以上の含有で顕著な効果が得られる。しかし、いずれも 0. 01%を超える含有になると、粗大な介在物が生成し、力えって疲労強度を低下させる。このため、含有させる場合には、 Ca、 Mg および REMの含有量は、いずれも 0. 005〜0. 01%とした。

[0067] 2.製造方法

本発明では、本発明が規定する化学組成を含有する鋼を素材として、冷間加工性、焼き入れ性、靱性および捩り疲労強度に優れるシームレス鋼管を得るため、次の製造方法を採用できる。すなわち、本発明のシームレス鋼管は、上記した化学組成の鋼を転炉で精鍊する、電気炉または真空溶解炉で溶製し、連続铸造法または造塊法で凝固させ、鎳造材をそのまま、または铸造材若しくは造塊材を分塊して製管素材 (ビレット）とし、通常の継目無鋼管の製造プロセスを経て鋼管としたのち、放冷することにより製造できる。

[0068] 一般に、継目無鋼管の製造プロセスを経て得られたシームレス鋼管は、そのまま中空ドライブシャフトの中空軸素材として適用することもできる。しかし、本発明のシームレス鋼管の製造方法では、得られた鋼管に断面減少率が 5%以上の冷間加工を実施して寸法精度を高めた後、 500〜： 1100°Cに加熱して放冷する焼き鈍し若しくは焼き準しを実施するか、前記冷間加工前若しくは冷間加工後に球状化焼鈍を実施するものである。これらの熱処理によりシームレス鋼管の冷間加工性が向上し、中空ドライブシャフトの中空軸素材として、好適な特性を確保することができる。

[0069] 本発明のシームレス鋼管の製造方法では、断面減少率が 5%以上の冷間加工を実施することにより、表面性状が良好な鋼管が得られ、疲労破壊の起点を減少でき、疲労強度の向上を図ることができる。

[0070] さらに、冷間加工後の焼き鈍しまたは焼き準しの加熱温度は、 500〜： 1100°Cとする。加熱温度が 500°C未満では、冷間加工時の歪みが残存し冷間加工性が低下する。一方、加熱温度が 1100°Cを超えると、結晶粒が粗大化して、靱性が低下する。

[0071] 球状化焼鈍の条件は特に指定しないが、例えば、 720〜850°Cの温度範囲に加熱し、 650〜670°Cの間の温度までを 50°CZ時間以下の冷却速度で徐冷する処理を、 1回または 2回以上繰り返す熱処理を実施することができる。冷却速度は遅ければ遅いほど、炭化物の球状化が進行するので、好ましくは 40°CZ時間以下、より好ましくは 30°C/時間以下である。球状化焼鈍により、パーライト組織のセメンタイトが分断されセメンタイトが球状化するので、さらに冷間加工性を向上できる。

[0072] (実施例）

本発明のシームレス鋼管が中空ドライブシャフトの中空軸素材として発揮する効果を、具体的な実施例に基づいて説明する。

(実施例 1)

真空溶解し、表 1および表 2に示す化学組成の鋼 No.：!〜 No. 32の鋼（発明例は鋼 No.：!〜 No. 21、比較例は鋼 No. 22〜No. 32)を溶製し、これらを素材（ビレット )として外径 50. 8mm、肉厚 7. 9mmの鋼管に製管圧延した。

[表 1]

表 1

[zm [woo]

.SC800/SOOZdf/X3d 1^8^91 l/SOOZ OAV 表 2

注)表中で *を付したものは、本発明で規定する条件を外れたことを示す

[0075] 得られた鋼管を用レ、、外径 40mm、肉厚 7mmに冷間抽伸を実施し、さらに外径 28 mm、肉厚 9mmにスウェージカ卩ェを実施した。冷間加工時に発生する割れの有無を観察し、表 3に割れが発生しない場合を〇で示し、割れが発生した場合を Xで示した

[0076] また、冷間転造カ卩ェによるスプライン力卩ェを模擬して、 40%の偏平プレス加工を実施し、割れの有無を観察した。表 3に割れが発生しない場合を〇で示し、割れが発生した場合を Xで示した。

[0077] その後、スウェージカ卩ェされた外径 28mm、肉厚 9mmの素材に高周波加熱焼入れを実施し、焼き入れ性を調査した。この場合に、外表面のビッカース硬度と内表面のビッカース硬度を測定し、その差が 50以下である場合には、焼き入れ性を〇で示し、その差が 50を超える場合には、焼き入れ性は十分でないとして Xで示した。

[0078] 次に、高周波加熱焼入れした供試鋼管に 150°Cで 1時間の焼き戻しを行レ、、 JIS Z 2202および JIS Z 2242に準拠したシャルピー破断エネルギー値を調査した。ハーフサイズの試験片（試験片幅 5mm、 2mmの Uノッチ試験片）を使用して 20°C試験でのシャルピー破断エネルギー値 J)を調査し、 2個のデータの平均値が 10J以上の場合を〇、 10J未満の場合を Xで示した。

[0079] また、疲労寿命の評価に際しては、負荷トルクを変化させて捩り疲労試験を実施し、 1000000回まで疲労破壊を起こさない最大トルクで評価し 2500N'mを超えるデータを〇、 2500N'm未満を Xと記載した。

[0080] [表 3]

表 3

[0081] 表 3に示すように、鋼 No. 1〜鋼 No. 21の鋼は、本発明で規定する条件を満足する発明例であり、いずれの場合にも冷間加工性、焼き入れ性、靱性および捩り疲労強度の基本性能は良好な結果が得られた。

[0082] —方、鋼 No. 22〜鋼 No. 32の鋼は、本発明で規定する条件のいずれかを満足しない比較例であるため、いずれかの基本性能が劣っており、何らかの問題が生じるおそれがあり、ドライブシャフト用素材として使用できない。

[0083] (実施例 2)

前記表 3に示す発明例であって、その基本性能により冷間加工時や転造時に割れを発生しない場合でも、冷間加工度が過大になると、割れを発生する場合がある。例えば、前記表 3に示す鋼 No. 1は、断面減少度で評価する冷間加工度 60%では割れの発生がないが、冷間加工度が 80%以上になると、割れを発生する場合がある。

[0084] 冷間加工の断面減少率を過大にした場合に、冷間加工の工程中に焼き準し (ノルマライズ)若しくは焼き鈍し、または冷間加工前若しくは冷間加工後に球状化焼鈍の熱処理を実施した場合の効果を表 4に示した。表 4中の割れ発生状況は、割れが発生しない場合を〇で示し、割れが発生した場合を Xで示した。さらに転造によるスプライン加工を実施したときに割れが発生しない場合を〇で示し、割れが発生した場合を Xで示した。冷間加工時に割れが発生し、転造カ卩ェできない場合を一で示した。

[0085] [表 4] 表 4

[0086] 表 4に示すように、冷間加工にともなって焼き準し (ノルマライズ）、または球状化焼鈍熱処理を実施することによって、冷間加工時または転造時に発生する割れを防止することができる。本発明の製造方法が採用する熱処理により、冷間加工性に顕著な効果が現れることを確認できた。

産業上の利用可能性本発明のシームレス鋼管によれば、優れた冷間加工性、焼き入れ性、靱性および捩り疲労強度を同時に備えることができるので、中空ドライブシャフトの中空軸素材として管端の絞り加工や転造力卩ェにともなって発生する割れを防止するとともに、冷間成形加工にともなう熱処理により、鋼管内面まで硬化させるとともに高靱性を確保し、さらにドライブシャフトとして高寿命を達成することができる。

したがって、本発明のシームレス鋼管は、一体成形型の中空ドライブシャフト用の中空軸素材として最適であり、自動車部品用として広く採用することができる。

Claims

請求の範囲

質量⁰ /₀で、 C:0.30〜0.50%、 Si:0.5%以下、 Mn:0.3〜2.0%、 P:0.025 %以下、 S:0.005%以下、 Cr:0.15〜： 1.0%、A1:0.001〜0.05%、Ti:0.00 5〜0.05%、 N:0.02%以下、 B:0.0005〜0.01%および〇（酸素） :0.0050% 以下を含み、残部が Feおよび不純物であり、下記（a)または (b)式で規定する Beff¾S 0.0001以上であることを特徴とするシームレス鋼管。

ただし、 Ti、 Nおよび Bを含有量％とし、 Neff=N-14XTi/47.9≥0の場合に Beff=B— 10· 8X (N— 14XTi/47.9)/14 ··· (a)

同様に、 Neff=N— 14XTi/47.9く 0の場合に

Beff=B … (b)

さらに、質量⁰ /₀で、 Cu:0.05〜1%、 Ni:0.05〜1%および Mo:0.05〜1%のうちから選ばれた 1種または 2種以上を含有することを特徴とする請求項 1に記載のシームレス鋼管。

さらに、質量⁰ /₀で、 V:0.005〜0. l%、Nb:0.005〜0.1%および Zr:0.005〜

0.1%のうちから選ばれた 1種または 2種以上を含有することを特徴とする請求項 1または 2に記載のシームレス鋼管。

さらに、質量⁰ /₀で、 Ca:0.0005〜0.01%、 Mg:0.0005〜0.01%および希土類元素（REM) :0.0005〜0.01%のうち力選ばれた 1種または 2種以上を含有することを特徴とする請求項 1〜3のいずれかに記載のシームレス鋼管。

請求項 1〜4のいずれかに記載された化学組成を有する素材を用い製管された鋼管に、断面減少率 5%以上の冷間加工を施してシームレス鋼管を製造する方法であつて、前記冷間加工の後に焼き鈍し若しくは焼き準しを実施し、または前記冷間加工の前若しくは後に球状化焼鈍を実施することを特徴とするシームレス鋼管の製造方法。