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CN1913985A - 冷加工无缝钢管 - Google Patents

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CN1913985A
CN1913985A CNA2005800039890A CN200580003989A CN1913985A CN 1913985 A CN1913985 A CN 1913985A CN A2005800039890 A CNA2005800039890 A CN A2005800039890A CN 200580003989 A CN200580003989 A CN 200580003989A CN 1913985 A CN1913985 A CN 1913985A
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Abstract

根据本发明的冷加工无缝钢管，控制因冷加工后的矫正加工而产生的残余应力，由クランプトン(Crampton)法测定的残余应力F为30MPa以上，且其偏差为30MPa以下。进而，根据需要，通过规定球状化碳化物的平均粒径，因钢管内外面的车削加工时产生的残余变形而导致的尺寸变形较少，在轴承用部件的最终加工中可确保精密的正圆度及优异的切削性。由此，可提供一种有助于削减轴承用部件的成本，并且尺寸精度高、车削加工或热处理等最终加工中的变形少的轴承用部件。

Description

冷加工无缝钢管
技术领域
本发明涉及轴承的套圈等轴承用部件使用的冷加工无缝钢管，更详细地，涉及因钢管内外面的车削加工时产生的残余变形而导致的尺寸变形较少、在轴承用部件的最终加工中正圆度及切削性优异的冷加工无缝钢管。
背景技术
通常，要求高尺寸精度的无缝钢管，在由曼内斯曼(Mannesmann)法或挤压法等热加工制管之后，实施球状化退火等软化处理，进而实施模拉拔法或皮尔格轧制的冷加工，从而可高精度地精加工为目标的外径及壁厚尺寸。
已冷精加工的无缝钢管在退火等软化处理之后，为了进行钢管的弯曲修正和确保钢管截面的正圆形状，作为精整处理而实施矫正加工，从而作为最终的钢管产品而进行检查，然后出厂。冷加工后实施的矫正加工为了拉直退火后产生的钢管的弓曲、及为了修正椭圆截面而进行，通常使用多辊矫正机或二辊矫正机。
已出厂的冷加工无缝钢管被切断成环状，由车削加工或抛光加工精加工为规定的尺寸，从而作为各种机械的轴承用部件而用于多种用途，作为其代表性的用途例有轴承的套圈等。
使用上述的冷加工无缝钢管加工轴承用部件时，作为从原材料钢管到轴承产品的普通的加工工序，可例示“热加工-球状化退火-冷加工-软化退火-矫正加工-出厂检查-钢管切断-车削加工-淬火回火(热处理)-抛光精加工-组装”。
可是，由上述工序加工的钢管，残余应力因冷加工后的矫正加工而产生，从而使其内部存在应变。因此，特别是在外径为70mm以上且壁厚相对于外径的比例为10％以下的薄壁钢管中，作为轴承用部件在切割成环状的车削加工时或作为最终热处理的淬火时，有时因上述的残余应力的影响而不能够确保正圆度，产生尺寸不良。
若残余应力变得显著，则因残余变形而导致的加工后的变形变得明显，从而有如下的问题：由于在最后工序中进行修正作业而导致磨削次数增加，进而由于过大的变形即使抛光加工也不能获得期望的产品形状。
为了应对这些问题，历来提出了各种方案。例如，在特开平10-137850号公报中，提出了一种在通过玻璃润滑剂高速挤压方式制造的无缝钢管的矫正时，使用二辊线接触型矫正机，设上下辊负载电流值为最佳条件而进行矫正的低残余变形矫正方法。
另外，在特开2001-329316号公报中，公开了一种为了除去无缝钢管的因热制管后的矫正而产生的残余应力，以520～630℃进行退火，接着使用二辊空气弯曲型矫正机，以偏置(offset)5mm以下，进行滚压修整(crush)为1.5～5mm的轻矫正，从而在车削加工时尺寸变形少的热加工无缝钢管的制造方法。
但是，最近，降低轴承用部件的制造成本的要求进一步提高，随之，要求削减在部件加工工序中的切削余量，进而要求进一步确保的精密的正圆度。对于这种要求，在历来提出的制造方法中，存在无法处理的问题。
如上所述，若对于轴承用部件使用的无缝钢管，进一步要求在削减了部件切削余量的最终精加工工序中的尺寸精度或加工精度，则在所述特开平10-137850号及特开2001-329316号的各公报作为对象的热加工无缝钢管中，不能确保要求的精度，无法应对所述要求。
进而，作为轴承用部件需要正圆度，若在最终的加工工序中进一步要求制造变形少的钢管，则作为轴承用钢管的制造工序，需要能够应对这些要求的新的处理。另外，进而还需要研究确保在轴承用部件的部件加工工序中的切削性这一情况。
发明内容
本发明正是鉴于上述的以往的问题而作出的，其目的在于提供一种有助于削减轴承用部件的成本，并且尺寸精度高、车削加工或热处理等最终加工中的变形少、可用于轴承的套圈等轴承用部件的冷加工无缝钢管。
本发明者们为了解决上述课题，对将无缝钢管作为轴承用部件而车削加工时产生的变形、及随后的淬火时产生的变形进行了详细的研究，其结果是，为了有效地抑制这些变形，着眼于因冷加工后的矫正加工而产生的残余应力，进而着眼于对淬火时的变形产生影响的球状化碳化物的粒径。
钢管的车削加工中的技术进步显著，例如，通过应用六爪卡盘(chuck)等，可不拘泥于被切削材的材质、尺寸而以高精度加工。但是，在钢管的车削加工时，若不能够确保被切削材自身的正圆度，则卡盘释放后的形状依存于被切削材的正圆度，因被切削材的状况，在加工后成为与正圆相差悬殊的截面形状。
若为钢管的残余应力是“0(零)”的状态，则车削加工时不产生因应变而导致的变形。但是，在无缝钢管的制造时，为了矫正弯曲及修正截面形状，弯曲矫正为必须的工序。因此，必须以产生某种程度的残余应力为前提。
而且，由于钢管的切削是一种破坏，因此通过固有某种程度的残余应力，能够提高钢管的切削性。即，通过在钢管的内部残留的应变的作用，可使切削加工进展，并且促进形成的切屑的排出。由此，可延长工具寿命，并且改善切削性。
因此，通过冷加工后的矫正加工，需要以产生某种程度的残余应力为前提并控制该前提中的残余应力的产生状况。具体地，在使钢管固有残余应力的条件下，通过控制该钢管内的残余应力的偏差，可抑制车削加工时产生的变形。
轴承用部件为了确保耐磨损性，需要在车削加工后实施油淬火等热处理从而确保高强度。但是，由于若伴随着淬火的变形增大，则不能够将部件投入到热处理后进行的抛光线上，因此不得不追加作为修正作业的抛光加工。进而，若该变形过大，则即使实施抛光加工也不能获得期望的产品形状，因而产生尺寸不良。
可是，在车削加工后实施淬火时，若钢管的组织中的碳化物未均匀地固溶到基体内，则在钢管的圆周方向产生软点，伴随着淬火产生变形。因此，为了抑制伴随着淬火产生的变形，淬火时需要使碳化物的固溶均匀，由此使碳化物的平均粒径均匀是有效的。
本发明基于上述的知识而完成，以下述(1)及(2)的冷加工无缝钢管为要点。
(1)一种冷加工无缝钢管，其特征在于，由クランプトン(Crampton)法测定的残余应力F(由下述(1)式算出)为30MPa以上，且其偏差为30MPa以下。
F＝E·(1/D-1/D’)·t/(1-v2)    …(1)
其中，E：杨氏模量(MPa)、v：泊松比
D：狭缝加工前的试验片外径(mm)
D’：狭缝加工后的试验片外径(mm)
t：试验片的平均壁厚(mm)
(2)在上述(1)的冷加工无缝钢管中，优选组织中的球状化碳化物的平均粒径为0.35～0.70μm。进而，上述的冷加工无缝钢管，为了抑制在钢管内的残余应力的偏差，优选通过拉拔加工实施冷加工。
根据上述(1)、(2)的冷加工无缝钢管，控制因冷加工后的矫正加工而产生的残余应力，进而，根据需要，通过规定球状化碳化物的平均粒径，因钢管内外面的车削加工时产生的残余变形而导致的尺寸变形较少，在轴承用部件的最终加工中可确保精密的正圆度及优异的切削性。
由此，可提供一种有助于削减轴承用部件的成本，并且尺寸精度高、车削加工或热处理等最终加工中的变形少的轴承套圈等轴承用部件。
附图说明
图1是作为二辊矫正机的结构例表示2-2-2-1型对置型辊的结构图；
图2是说明Crampton法的试验片的选取要领的图，(a)表示从钢管的轴向选取环状试验片的部位，(b)及(c)表示狭缝加工前后的试验片的形状；
图3是表示实施例2采用的球状化退火的加热曲线图。
具体实施方式
在本发明中，作为轴承用部件的原材料钢，并不特别地限定成分组成，不过优选采用由JIS G4805规格化的SUJ2钢等高碳铬轴承钢。
作为本发明对象的无缝钢管，在通过曼内斯曼轧制法或玻璃润滑剂高速挤压法的热制管法制造成规定尺寸的钢管后，接受以软化为目的的球状化退火，接着实施冷拉拔或冷轧等冷加工。进而，在由冷加工而精加工成目标尺寸后，由退火等进行软化处理，并由多辊矫正机或二辊矫正机进行弯曲矫正。
图1是作为二辊矫正机的结构例表示2-2-2-1型对置型辊的图。在如图1所示的二辊矫正机中，是如下的构造：使轴相互倾斜的辊2沿相同方向旋转，并在两辊2间对钢管1一边赋予旋转弯曲一边进行矫正。在二辊矫正机中，作为矫正条件适当选择滚压修整量(mm)及偏置量(mm)。
例如，在由2-2-2-1型对置型辊进行弯曲矫正时，在设钢管的外径为D(mm)、钢管的壁厚为t(mm)的情况下，可将如下述(2)及(3)所示的滚压修整量Lc(mm)及偏置量Lo(mm)作为目标。在二辊矫正机中通过由下述(2)及(3)式管理矫正条件，可将截面形状维持为正圆，并控制弯曲矫正和残余应力，从而可获得在钢管的车削加工时或轴承用部件的淬火时尺寸变形少的冷加工无缝钢管。
Lc＝0.005×D+2.3+0.01×t    …(2)
Lo＝-0.06×D+17.4           …(3)
另一方面，虽未图示，不过多辊矫正机为锯齿型地配置有三个以上矫正辊的结构，弯管的矫正仅通过调整偏置量(mm)进行。
通常，在由多辊或二辊矫正机等进行弯曲矫正时，产品钢管的弯曲被管理为在1mm/1000mm以下。
本发明中规定的钢管的残余应力的测定方法是クランプトン(Crampton)法。因为根据同法，能够高精度地测定薄壁钢管的圆周方向的残余应力。
图2是说明Crampton法的试验片的选取要领的图，(a)表示从钢管的轴向选取环状试验片的部位，(b)及(c)表示狭缝加工前后的试验片的形状。由于矫正后的钢管1端部受到向矫正辊的咬入等影响而容易产生变形，因此，避开端部，如图2(a)所示，从钢管1连续地环切选取4～10片宽度10mm的环状的试验片1a。
使获得的试验片1a在对合了圆周方向位置的状态下，沿钢管的轴向一致，进行狭缝加工，形成狭缝3。
如图2(b)所示，测定狭缝加工前的试验片1a的外径D及平均壁厚t。然后，如图2(c)所示，在狭缝加工后，测定与狭缝加工位置90°交叉的位置的试验片1a的钢管外径D’，通过下述(1)式算出残余应力F。其中，式中的记号是杨氏模量E(MPa)及泊松比v。
F＝E·(1/D-1/D’)·t/(1-v2)    …(1)
在本发明中，需要测定的残余应力F为30MPa以上且其偏差为30MPa以下。
设钢管中固有的残余应力F为30MPa以上是为了固有稳定的残余变形，确保作为轴承用钢管的切削性。如上所述，由于切削是一种破坏，因此残余应力F设为30MPa以上，通过内部应变的作用改善切削性，并且实现工具寿命的延长。
本发明中，还需要设同一钢管的残余应力F的偏差为30MPa以下。即，即使钢管中存在30MPa以上的残余应力F，通过将同一钢管内的偏差控制为30MPa以下，也能够抑制向轴承用部件的车削加工时的尺寸变形。由此，可降低轴承用部件的切削余量或简洁化抛光加工工序。
在作为本发明对象的无缝钢管中，优选组织中的球状化碳化物的平均粒径为0.35～0.70μm。如上所述，在将钢管车削加工成轴承用部件之后实施淬火时，若钢管的组织中的碳化物未均匀地固溶到基体内，则在钢管的圆周方向产生软点，伴随着淬火产生变形。
虽然理由不明确，但若球状化碳化物的平均粒径过大或过小，则正圆度劣化。因此，在本发明中，根据需要而规定球状化碳化物的平均粒径。
在本发明中，作为冷精加工中的冷加工方法，可应用拉拔加工及冷轧中的任一种。但是，为了在同一钢管内确保良好的残余应力F的偏差，作为冷加工优选采用使用孔模的拉拔加工。
在冷加工中应用拉拔加工时，设使用的孔模的开放角为20～25°为好。这是由于在使用了脱离该开放角度的孔模时，有时在残余应力中产生较大的偏差。
(实施例)
以下，基于实施例1～2，具体地说明本发明的冷加工无缝钢管发挥的效果。
(实施例1)
熔炼具有如表1所示的化学组成的钢，作成为JIS G4805中规定的SUJ2的轴承钢的试验用材。将该试验用材作为原材料，通过热制管法制造冷加工用的粗加工管，实施球状化退火，然后进行冷加工。冷加工后，实施软化退火并实施弯曲矫正，从而制造出试验用钢管。
[表1]
                                                  表1
                   试验用钢管的化学组成(质量％)       剩余部分：Fe及杂质
  C   Si   Mn   P   S   Cr   Cu   Ni   Mo
  1.00   0.23   0.33   0.008   0.005   1.38   0.01   0.02   0.01
作为热制管法使用曼内斯曼心轴轧制(mandrel mill)，制造外径为38～110mm、壁厚为3.1～6mm的冷加工用的粗加工管，热制管后在大气中放置冷却。对获得的各粗加工管实施球状化退火后，以通常的方法进行酸洗的脱鳞屑(scale)处理及表面处理，接着以如表2所示的加工表进行冷加工拉拔，从而制造出外径为30～100mm、壁厚为2.5～5mm的冷加工钢管。此时的加工率设为25～36％。
在拉拔加工时，使用了锥型模、和锥型或圆筒型塞子(plug)。此时的模开放角度如后述的表3所示，在10～25°的范围内变动。
[表2]
                           表2
                          拉拔加工表
  粗加工管尺寸(外径×壁厚)(mm)   精加工寸法(外径×壁厚)(mm) 截面减少率
  95×6   85×5   25％
  110×4.8   100×3.5   33％
  83×6   70×5   30％
  60×5.8   50×4.5   35％
  38×3.1   30×2.5   36％
在冷加工后实施软化退火并实施弯曲矫正，接着进行钢管特性的检查。在实施例1中，软化退火的条件设为以均热温度680℃保持20分钟。另外，弯曲矫正使用2-2-2-1对置型辊矫正机，按各试验用钢管调整滚压修整量及偏置量。矫正安排如表3中表示。
为了通过Crampton法测定弯曲矫正后的残余应力F，从钢管连续地环切4～10片宽度10mm的环状的试验片。使获得的试验片在对合了圆周方向位置的状态下沿环切前的钢管的轴向一致，通过狭缝加工切除圆周方向的一部分。使用与狭缝加工位置90°交叉的位置的试验片外径D’、狭缝加工前的试验片外径D及试验片的平均壁厚t，从下述(1)式算出F值。其中，E为杨氏模量(MPa)，v为泊松比。
F＝E·(1/D-1/D’)·t/(1-v2)    …(1)
进而，使用所述环状试验片，由扫描型电子显微镜测定球状化碳化物的平均粒径。表3表示了残余应力F的最大值、最小值及作为最大值和最小值的差的偏差、以及球状化碳化物的平均粒径。
对切断成环状的钢管进行0.2～0.3mm的内外切削加工，测定正圆度。然后，进行830℃×30分钟的加热并进行油淬火，进而测定正圆度。正圆度的测定由外径的最大值-外径的最小值(mm)测定。
[表3]
                                                                   表3
  试验用材No. 拉拔加工 弯曲矫正          残余应力F的测定值(MPa) 球状化碳化物粒径(μm) 车削加工后正圆度(mm) 淬火后正圆度(mm) 备注
  精加工尺寸(外径×壁厚)(mm)   模开放角   滚压修整量(mm) 偏置量(mm) 最大值(Fmax) 最小值(Fmin)   偏差(Fmax-Fmin)
1 85×5 25° 2.7 12 85 72 13 0.48 0.06 0.08   本发明例
2 100×3.5 25° 2.9 11 112 90 22 0.51 0.10 0.12   本发明例
3 70×5 25° 2.7 13 86 68 18 0.45 0.10 0.09   本发明例
4 50×4.5 25° 2.6 15 64 54 10 0.42 0.05 0.05   本发明例
5 30×2.5 25° 2.4 17 40 31 9 0.39 0.02 0.03   本发明例
  6   85×5   25°   2.7   1   -   -   -   0.46   -   -   #
7 85×5 25° 4.0 12 170 128 *42 0.44 0.31 0.32   比较例
8 85×5 10° 2.7 12 83 45 *38 0.40 0.25 0.24   比较例
注)·表中标有*的表示脱离了本发明中规定的范围。
·备注栏中标有#的表示由于矫正后的钢管弯曲为2mm/1000mm，因此不能够制作环状试验片。
从如表3所示的结果可知，在残余应力F为30MPa以上且残余应力F的偏差为30MPa以下的本发明例(No.1～5)中，是如下的良好结果：在车削加工等切削性优异，并且淬火后的正圆度也在0.12mm以下。
相对于此，在残余应力F的偏差为38～42MPa的比较例(No.7、8)中，是如下的不良结果：淬火后的正圆度为0.24～0.32mm。
再有，试验用材No.6由于偏置量为1mm，较轻微，且由于矫正后也残存弓曲，弯曲为2mm/1000mm左右，不正常，因此不能够制作环状试验片，不能够测定残余应力F及淬火后的正圆度。
(实施例2)
与实施例1同样，熔炼具有如表1所示的化学组成的钢，作成为JISG4805中规定的SUJ2的轴承钢的原材料，通过热制管制造冷加工用的粗加工管。
图3是表示实施例2采用的球状化退火的加热曲线图。该球状化退火曲线为：在以780～820℃加热保持后，进行以50～200℃/hr的速度冷却到不足Ar1的温度的第一次球状处理，继续加热到超过Ac1并在Ac1+40℃以下的温度之后，重复三次以上的以50～200℃/hr的速度冷却到Ar1以下的温度的第二次球状化处理。
此时，通过控制球状化退火曲线，制造出各种各样的碳化物粒径的钢管。然后，进行冷加工，实施软化退火并实施弯曲矫正，从而制造出试验用钢管。
在热制管中使用曼内斯曼心轴轧制，制造外径为95mm、壁厚为6mm的冷加工用的粗加工管，热制管后在大气中放置冷却。对获得的各粗加工管实施控制了曲线的球状化退火，然后以通常的方法进行酸洗的脱鳞屑处理及表面处理，接着进行加工度为25％的冷拉拔，从而以精加工尺寸作成外径是85mm、壁厚为5mm的冷加工钢管。与实施例1的情况同样，使用锥型模及圆筒型塞子，并设模开放角度为25°。
另外，设软化退火的条件为以均热温度680℃保持20分钟，在弯曲矫正后的检查工序中，在与实施例1相同的条件下，测定残余应力F及球状化碳化物的平均粒径。进而，对切断成环状的钢管进行0.2～0.3mm的内外切削加工，测定正圆度。然后，进行830℃×30的分钟加热并进行油淬火，进而测定正圆度。
表4表示拉拔加工表、矫正安排、以及残余应力F、球状化碳化物的平均粒径及正圆度的测定结果。
[表4]
                                                                    表4
试验用材No. 拉拔加工 弯曲矫正          残余应力F的测定值(MPa) 球状化碳化物粒径(μm) 车削加工后正圆度(mm) 淬火后正圆度(mm) 备注
  加工尺寸(外径×壁厚)(mm)   模开放角   滚压修整量(mm)   偏置量(mm)   最大值(Fmax)   最小值(Fmin)   偏差(Fmax-Fmin)
9 85×5 25° 2.7 12 85 72 13 0.48 0.07 0.08   本发明例
10 85×5 25° 2.7 12 89 69 20 0.31 0.13 0.22   本发明例
11 85×5 25° 2.7 12 84 73 11 0.81 0.10 0.21   本发明例
从如表4所示的结果可知，即使残余应力F为30MPa以上，车削加工后的正圆度良好，若球状化碳化物的平均粒径脱离0.35～0.70μm(No.10、11)，则淬火后的正圆度也稍微降低为0.21～0.22mm。
(工业上的可利用性)
根据本发明的冷加工无缝钢管，控制因冷加工后的矫正加工而产生的残余应力，由クランプトン(Crampton)法测定的残余应力F为30MPa以上，且其偏差为30MPa以下。进而，根据需要，通过规定球状化碳化物的平均粒径，因钢管内外面的车削加工时产生的残余变形而导致的尺寸变形较少，在轴承用部件的最终加工中可确保精密的正圆度及优异的切削性。由此，由于可提供一种有助于削减轴承用部件的成本，并且尺寸精度高、车削加工或热处理等最终加工中的变形少的轴承用部件，因此可作为各种工业机械用的轴承用钢管而广泛应用。

Claims (3)

1.一种冷加工无缝钢管，其特征在于，
由クランプトン(Crampton)法测定的残余应力F(由下述(1)式算出)为30MPa以上，且其偏差为30MPa以下。
F＝E·(1/D-1/D’)·t/(1-v2)…(1)
其中，E：杨氏模量(MPa)、v：泊松比
      D：狭缝加工前的试验片外径(mm)
      D’：狭缝加工后的试验片外径(mm)
      t：试验片的平均壁厚(mm)
2.根据权利要求1所述的冷加工无缝钢管，其特征在于，
组织中的球状化碳化物的平均粒径为0.35～0.70μm。
3.根据权利要求1或2所述的冷加工无缝钢管，其特征在于，
冷加工通过拉拔加工进行。
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