JP5845623B2 - 耐ねじり疲労特性に優れた電縫鋼管及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は上記の課題を解決すべく、鋼板を素材とした電縫鋼管において、電縫溶接部(被溶接端部を電縫溶接結合してなる結合面)の酸化物、介在物等の欠陥を検出し、これを管理することで、焼入れ、あるいはさらに必要に応じ焼戻し処理を施した後にドライブシャフトとして必要とされる耐疲労特性を保証された、耐ねじり疲労特性に優れた電縫鋼管を、その好ましい製造方法と共に提供することを目的とする。
・ねじり疲労試験で電縫溶接部の欠陥を割れ起点として破断したサンプルについては、破面を走査型電子顕微鏡(SEM)により直接観察することにより欠陥サイズを求めた。
・電縫溶接部の欠陥部で割れずに、それ以外の部分で割れてしまったものについては、電縫溶接部の欠陥部をシームスライス材Cスキャン法(略してCスキャン法)により調査することで欠陥サイズを求めた。
ここで、電縫鋼管の溶接条件は、通常の電縫溶接条件と、微小欠陥量が極力少なくなるように溶接入熱とアプセット量を調整する条件とを含み、種々変化させた。また、点集束型超音波探触子には10MHzビームサイズ1.2mm×1.2mmのものを使用し、φ1.6mmのドリルホールからのエコー高さが80%となるように感度を調整し、その後、10倍にゲインアップして探傷を行った。この感度設定における信号強度(エコー高さ)と欠陥径の関係は図3に示すとおりである。
・Cスキャン法で検出できない微小な欠陥については、L断面(管長さ方向断面)を光学顕微鏡により観察することで欠陥サイズを測定した。
また、発明者らの知見では、電縫溶接部への溶接欠陥の投影面積が40000μm2以上であるものは、超音波ビームをビーム面積5mm2以下に集束させた超音波で電縫溶接部を走査することにより検出することができる。
本発明は、上述した知見に基づきなされたものであって、その要旨構成は以下の通りである。
(1) 母材部の組成が質量%で、C:0.25〜0.45%、Si:0.01〜1.0%、Mn:0.2〜3.0%、Al:0.1%以下、N:0.0010〜0.0100%、Ti:0.005〜0.1%、B:0.0003〜0.0050%を含み、かつ、N/14<Ti/47.9を満たし、残部Fe及び不可避的不純物である電縫鋼管であって、電縫溶接部への溶接欠陥の投影面積である下記で定義される溶接欠陥面積が40000μm2未満であり、外面でのせん断応力が350MPaとなる両振りねじり疲労試験でのねじり疲労寿命が34万回以上であることを特徴とする耐ねじり疲労特性に優れた電縫鋼管。
記
溶接欠陥面積:電縫溶接部を投影面として該投影面内における、相互の最隣接距離が50μmを超える実欠陥の個々の面積、或いは前記投影面内における、複数の実欠陥が相互の最隣接距離50μm以内で寄り集まって形成している集合体(クラスタ)の最外接線で囲まれた領域の個々の面積。
(2) Cr:2%以下、Mo:2%以下、W:2%以下、Nb:0.1%以下、V:0.1%以下のうち1種または2種以上を含む上記(1)に記載の電縫鋼管。
(3) Ni:2%以下、Cu:2%以下のうち1種又は2種を含む上記(1)または(2)のいずれか1つに記載の電縫鋼管。
(4) Ca:0.02%以下、REM:0.02%以下のうち1種又は2種を含む上記(1)〜(3)のいずれか1つに記載の電縫鋼管。
(5) ドライブシャフト用である上記(1)〜(4)のいずれか1つに記載の電縫鋼管。
(6) 上記(1)〜(5)のいずれか1つに記載の組成を有する鋼板を電縫溶接により管となした後、該管の電縫溶接部を中心とした円周方向±1mmの範囲を、超音波ビームをビーム面積5mm2以下に集束させた超音波で走査して、電縫溶接部への溶接欠陥の投影面積である下記で定義される溶接欠陥面積が40000μm2以上である溶接欠陥を検出し、該検出によって特定した管長さ方向部分を不良部分として排除することを特徴とする外面でのせん断応力が350MPaとなる両振りねじり疲労試験で34万回以上のねじり疲労寿命を有する耐ねじり疲労特性に優れた電縫鋼管の製造方法。
記
溶接欠陥面積:電縫溶接部を投影面として該投影面内における、相互の最隣接距離が50μmを超える実欠陥の個々の面積、或いは前記投影面内における、複数の実欠陥が相互の最隣接距離50μm以内で寄り集まって形成している集合体(クラスタ)の最外接線で囲まれた領域の個々の面積。
(7) 上記(6)において、前記不良部分を排除した後、管に焼入れ或いは更に焼戻し処理を施してドライブシャフト用とすることを特徴とする電縫鋼管の製造方法。
(必須に含有する成分)
C:0.25〜0.55%
Cが0.25%未満では、焼入れしても十分な硬度が得られず、要求される耐疲労特性が得られない。一方で、0.55%を超えると、溶接性が悪くなる為、安定した電縫溶接品質が得られない。なお、好ましくは0.30〜0.40%である。
Siは脱酸のために添加する場合もあり、0.01%未満では十分な脱酸効果が得られない。同時に、Siは固溶強化元素でもあり、その効果を得るためには0.01%以上の添加が必要である。一方で、1.0%を超えると、鋼管の焼入れ性が低下する。なお、好ましくは0.1〜0.4%である。
Mnは焼入れ性を向上させる元素であり、その効果を得るには0.2%以上の添加が必要である。一方で、3.0%を超えると電縫溶接品質を低下させ、さらに残留オーステナイト量が増加し耐疲労特性が低下する。なお、好ましくは0.5〜2.0%である。
Al:0.1%以下
Alは脱酸に有効な元素であり、また、焼入れ時のオーステナイト粒の成長を抑制することで焼入れ後の強度を確保するために必要である。その効果を得るためには、0.001%以上の添加が好ましい。しかし、Alが、0.1%を超えて添加するとその効果は飽和するだけでなく、Al系の介在物が増え、疲労強度を低下する場合がある。なお、好ましくは0.01〜0.08%である。
Nは、Alと結合し結晶粒を微細化する元素であり、このためには0.0010%以上含有する必要があるが、0.0100%を超えて過剰に含有すると、Bと結合しBNを形成することでフリーB量を不足せしめ、Bによる焼入れ性向上効果を阻害してしまう。なお、好ましくは0.0010〜0.005%である。
(任意選択的に含有できる成分)
本発明では、上記成分組成に加えて、必要に応じてさらに、下記の(A)〜(D)群のうち一群または二群以上を含有することができる。
(A) Ti:0.005〜0.1%、B:0.0003〜0.0050%を含み、かつ、N/14<Ti/47.9である。
(B) Cr:2%以下、Mo:2%以下、W:2%以下、Nb:0.1%以下、V:0.1%以下のうち1種または2種以上。
(C) Ni:2%以下、Cu:2%以下のうち1種又は2種を含む。
(D) Ca:0.02%以下、REM:0.02以下のうち1種又は2種を含む。
Ti:0.005〜0.1%
Tiは鋼中のNをTiNとして固定する作用を有する。しかし、0.005%未満ではNを固定する能力が十分に発揮されず、一方で0.1%を超えると鋼の加工性、靭性が低下する。なお、より好ましくは0.01〜0.04%である。
Bは焼入れ性を向上させる元素である。0.0003%未満では焼入れ性向上効果が十分に発揮されない。一方で0.0050%を超えて添加しても、その効果は飽和し、粒界に偏析して粒界破壊を促進し耐疲労特性を劣化させる。なお、より好ましくは0.0010〜0.0040%である。
フリーBを確保するためには、Nを確実にTiで固定する必要があり、そのためにはN原子%(=N質量%/N原子量14)がTi原子%(=Ti質量%/Ti原子量47.9)より小さい必要がある。
Cr:2%以下
Crは焼入れ性の向上に有効である。その効果を得るためには、0.01%以上の添加が好ましい。しかし、Crが、2%を超えて添加すると、酸化物を形成しやすくなり、電縫溶接部にCr酸化物が残存し電縫溶接品質が低下する。なお、より好ましくは0.001〜0.5%である。
Moは焼入れ性を向上させる元素であり、鋼の強度を高め疲労強度の向上に有効である。その効果を得るためには、0.001%以上の添加が好ましい。しかし、Moが、2%を超えて添加すると加工性が著しく低下する。なお、より好ましくは0.001〜0.5%である。
Wは炭化物を形成することで鋼の強度を向上させるのに有効である。その効果を得るためには、0.001%以上の添加が好ましい。しかし、Wが、2%を超えて添加すると不必要な炭化物が析出し、耐疲労特性を低下させ加工性を低下させることになる。なお、より好ましくは0.001〜0.5%である。
Nbは焼入れ性を向上させる元素であるほか、炭化物を形成し強度上昇に寄与する。その効果を得るためには、0.001%以上の添加が好ましい。しかし、Nbが0.1%を超えて添加してもその効果は飽和し、加工性が低下する。なお、より好ましくは0.001〜0.04%である。
Vは炭化物を形成し、鋼の強度を上昇させるのに有効でかつ焼戻し軟化抵抗を有する元素である。その効果を得るためには、0.001%以上の添加が好ましい。しかしながら0.1%を超えて添加するとその効果は飽和し、加工性が低下する。なお、より好ましくは0.001〜0.5%である。
Niは焼入れ性を向上させる元素であり、鋼の強度を高め疲労強度の向上に有効である。その効果を得るためには、0.001%以上の添加が好ましい。しかし、2%を超えて添加すると加工性が著しく低下する。なお、より好ましくは0.001〜0.5%である。
Cuは焼入れ性を向上させる元素であり、鋼の強度を高め疲労強度の向上に有効である。その効果を得るためには、0.001%以上の添加が好ましい。しかし、2%を超えて添加すると加工性が著しく低下する。なお、より好ましくは0.001〜0.5%である。
Ca、REMは、いずれも非金属介在物の形態を球状とし、繰り返し応力が付与されるような使用環境下での疲労破壊時の割れ起点の低減に有効な元素であり、必要に応じて選択して含有できる。このような効果は、Ca、REMともに0.0020%以上の含有で認められる。一方で、0.02%を超えて含有すると、介在物量が多くなりすぎて清浄度が低減する。このためCa、REMともに0.02%以下に限定することが好ましい。Ca、REMの両者を併用する場合には、合計量で0.03%以下とすることが好ましい。
次に、溶接欠陥面積の限定理由について述べる。前述の通り、本発明にいう溶接欠陥には、溶接起因の酸化物、介在物、又は溶接の引け巣等の空隙である実欠陥のみならず、図6に示したように、複数の実欠陥が最隣接距離50μm以内の相互間隔で寄り集まってなる集合体(クラスタ状欠陥)をも含まれる。かかる溶接欠陥の、電縫溶接部への投影面積(すなわち溶接欠陥面積)が40000μm2以上である溶接欠陥のみが、耐ねじり疲労特性に悪影響を及ぼす(例えは図1に示した通り)。よって本発明では、溶接欠陥面積が40000μm2未満であること(すなわち、電縫溶接部には溶接欠陥面積が40000μm2以上である溶接欠陥が全く存在しないこと)を必須とした。
次に、好ましい製造方法としては、上記(1)〜(4)のいずれか1つに記載の組成を有する鋼板を電縫溶接により管となした後、該管の電縫溶接部を中心とした円周方向±1mmの範囲を、超音波ビームをビーム面積5mm2以下に集束させた超音波で走査して、電縫溶接部への溶接欠陥の投影面積である溶接欠陥面積が40000μm2以上である溶接欠陥を検出し、該検出によって特定した管長さ方向部分を不良部分として排除することが挙げられる。この製造方法によれば、得られる電縫鋼管は溶接欠陥面積が40000μm2以上である溶接欠陥を全く含まないものとなるから、耐ねじり疲労特性に優れた電縫鋼管が確実にかつ安定的に得られる。そして、この電縫鋼管に焼入れ或いは更に焼戻し処理などを施してドライブシャフト用とすることで、ドライブシャフトに必要な耐疲労特性を確実に保証することができる。
製造した電縫鋼管の電縫溶接部における溶接欠陥サイズをCスキャン法(図2参照)又はアレイUT法(図5参照)で測定し、溶接欠陥面積を求めた。また、電縫溶接部を真横にして扁平試験を行い、扁平値(割れ発生時の管高さH/扁平前の管外径D)を求めて扁平値が0.5以下のものを溶接品質良好と判断した。その後、電縫鋼管に対し、冷牽加工(冷間引き抜き加工)を行い、その後、焼準(950℃×10分)を行った後に、成形加工を加えて、中空ドライブシャフト形状とし、その後、高周波加熱により焼入れを施してドライブシャフトとした。
また、一部のものについては、熱延鋼帯を電縫鋼管とした後に、表2に示す縮径圧延条件(表2中の加熱温度は誘導加熱による再加熱温度の意)にて縮径圧延を行い、電縫鋼管(縮径圧延を行わない電縫鋼管と区別するために、以降は縮径圧延鋼管と称す)を得た後、同上の溶接欠陥サイズ測定→冷牽加工→焼準→成形加工→焼入れ(→あるいはさらに焼戻し)、を行ったものを作製した。
焼入れ後あるいはさらに焼戻し後のドライブシャフトは、焼入れ部から軸方向に引張試験片(ASTM比例試験片)を採取し、引張強度を測定した。その後、これらのドライブシャフトに対し、外面でのせん断応力τが350MPaとなる条件で両振りねじり疲労試験を行い、疲労寿命の比較を行った。これら特性評価結果を表2に示す。
なお、この実施例では電縫鋼管の管素材を熱延鋼板としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、管素材として冷延鋼帯を使用する形態のものであってもよい。
2 シーム(電縫溶接部)
3 サンプル
4 点集束型超音波探触子
5 走査方向
6 アレイ探触子
Claims (7)
- 母材部の組成が質量%で、C:0.25〜0.45%、Si:0.01〜1.0%、Mn:0.2〜3.0%、Al:0.1%以下、N:0.0010〜0.0100%、Ti:0.005〜0.1%、B:0.0003〜0.0050%を含み、かつ、N/14<Ti/47.9を満たし、残部Fe及び不可避的不純物である電縫鋼管であって、電縫溶接部への溶接欠陥の投影面積である下記で定義される溶接欠陥面積が40000μm2未満であり、外面でのせん断応力が350MPaとなる両振りねじり疲労試験でのねじり疲労寿命が34万回以上であることを特徴とする耐ねじり疲労特性に優れた電縫鋼管。
記
溶接欠陥面積:電縫溶接部を投影面として該投影面内における、相互の最隣接距離が50μmを超える実欠陥の個々の面積、或いは前記投影面内における、複数の実欠陥が相互の最隣接距離50μm以内で寄り集まって形成している集合体(クラスタ)の最外接線で囲まれた領域の個々の面積。 - Cr:2%以下、Mo:2%以下、W:2%以下、Nb:0.1%以下、V:0.1%以下のうち1種または2種以上を含む請求項1に記載の電縫鋼管。
- Ni:2%以下、Cu:2%以下のうち1種又は2種を含む請求項1または2のいずれか1項に記載の電縫鋼管。
- Ca:0.02%以下、REM:0.02%以下のうち1種又は2種を含む請求項1〜3のいずれか1項に記載の電縫鋼管。
- ドライブシャフト用である請求項1〜4のいずれか1項に記載の電縫鋼管。
- 請求項1〜5のいずれか1項に記載の組成を有する鋼板を電縫溶接により管となした後、該管の電縫溶接部を中心とした円周方向±1mmの範囲を、超音波ビームをビーム面積5mm2以下に集束させた超音波で走査して、電縫溶接部への溶接欠陥の投影面積である下記で定義される溶接欠陥面積が40000μm2以上である溶接欠陥を検出し、該検出によって特定した管長さ方向部分を不良部分として排除することを特徴とする外面でのせん断応力が350MPaとなる両振りねじり疲労試験で34万回以上のねじり疲労寿命を有する耐ねじり疲労特性に優れた電縫鋼管の製造方法。
記
溶接欠陥面積:電縫溶接部を投影面として該投影面内における、相互の最隣接距離が50μmを超える実欠陥の個々の面積、或いは前記投影面内における、複数の実欠陥が相互の最隣接距離50μm以内で寄り集まって形成している集合体(クラスタ)の最外接線で囲まれた領域の個々の面積。 - 請求項6において、前記不良部分を排除した後、管に焼入れ或いは更に焼戻し処理を施してドライブシャフト用とすることを特徴とする電縫鋼管の製造方法。
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