(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高強度ばね用中空シームレスパイプであって、Ｃ：０．２〜０．７％（「質量％」の意味、化学成分組成について以下同じ）、Ｓｉ：０．５〜３％、Ｍｎ：０．１〜２％、Ａｌ：０．１％以下（０％を含まない）、Ｃｒ：３％以下（０％を含まない）、Ｐ：０．０２％以下（０％を含まない）、Ｓ：０．０２％以下（０％を含まない）およびＮ:０．０２％以下（０％を含まない）を夫々含有し、残部は鉄および不可避的不純物からなり、
内表層部における全脱炭層の深さが１００μｍ以下であると共に、内表面に存在する疵の深さが４０μｍ以下、疵の幅が６０μｍ以下であり、且つ内表層部に存在する円相当直径で５００ｎｍ以上の炭化物の個数密度が１．８×１０-2個／μｍ2以下であることを特徴とする高強度ばね用中空シームレスパイプ。
【請求項２】
更に、Ｂ：０．０１５％以下（０％を含まない）を含有する請求項１に記載の高強度ばね用中空シームレスパイプ。
【請求項３】
更に、Ｖ：１％以下（０％を含まない）、Ｔｉ：０．３％以下（０％を含まない）およびＮｂ：０．３％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上を含有する請求項１または２に記載の高強度ばね用中空シームレスパイプ。
【請求項４】
更に、Ｎｉ：３％以下（０％を含まない）および／またはＣｕ：３％以下（０％を含まない）を含有する請求項１〜３のいずれかに記載の高強度ばね用中空シームレスパイプ。
【請求項５】
更に、Ｍｏ：２％以下（０％を含まない）を含有する請求項１〜４のいずれかに記載の高強度ばね用中空シームレスパイプ。
【請求項６】
更に、Ｃａ：０．００５％以下（０％を含まない）、Ｍｇ：０．００５％以下（０％を含まない）およびＲＥＭ：０．０２％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上を含有する請求項１〜５のいずれかに記載の高強度ばね用中空シームレスパイプ。
【請求項７】
更に、Ｚｒ：０．１％以下（０％を含まない）、Ｔａ：０．１％以下（０％を含まない）およびＨｆ：０．１％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上を含有する請求項１〜６のいずれかに記載の高強度ばね用中空シームレスパイプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車等の内燃機関の弁ばねや懸架ばね等に使用される高強度ばね用中空シームレスパイプ、特にその内周面における脱炭を低減した高品質の高強度ばね用中空シームレスパイプに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、排ガス低減や燃費改善を目的とする自動車の軽量化や高出力化の要請が高まるにつれて、エンジンやクラッチ、サスペンション等に使用される弁ばね、クラッチばね、懸架ばね等においても高応力設計が志向されている。そのため、これらのばねは、高強度化・細径化していく方向であり、負荷応力が更に増大する傾向にある。こうした傾向に対応するため、耐疲労性や耐へたり性においても一段と高性能なばね鋼が強く望まれている。
【０００３】
また、耐疲労性や耐へたり性を維持しつつ軽量化を実現するために、ばねの素材としてこれまで用いられている棒状の線材（即ち、中実の線材）ではなく、中空にしたパイプ状の鋼材であって溶接部分のないもの（即ち、シームレスパイプ）をばねの素材として用いられるようになっている。
【０００４】
上記のような中空シームレスパイプを製造するための技術については、これまでにも様々提案されている。例えば、特許文献１には、穿孔圧延機の代表というべきマンネスマンピアサを用いて穿孔を行なった後（マンネスマン穿孔）、冷間でマンドレルミル圧延（延伸圧延）を行ない、更に８２０〜９４０℃に１０〜３０分の条件で再加熱し、その後仕上げ圧延する技術について提案されている。
【０００５】
一方、特許文献２には、熱間での静水圧押出しを行なって、中空シームレスパイプの形状とした後、球状化焼鈍を行ない、引続き冷間でピルガーミル圧延や引抜き加工等によって伸展（抽伸）する技術について提案されている。また、この技術では最終的に、所定の温度で焼鈍を行なうことも示されている。
【０００６】
上記のような各技術では、マンネスマン穿孔や熱間静水圧押出しを行なう際に、１０５０℃以上に加熱したり、冷間加工前・後に焼鈍を行なう必要があり、熱間での加熱あるいは加工時に、更にはその後の熱処理工程において、中空シームレスパイプの内周面および外周面に脱炭が生じやすいという問題がある。また、加熱処理後の冷却時においても、フェライトとオーステナイト中への炭素の固溶量の違いに起因する脱炭（フェライト脱炭）が生じる場合がある。
【０００７】
上記のような脱炭が生じると、ばね製造時の焼入れ段階で、外周面および内周面で表層部が十分硬化しないという事態が生じ、成形されるばねにおいて十分な疲労強度を確保できないという問題が生じる。また、通常のばねでは外面にショットピーニングなどで残留応力を付与し、疲労強度を向上させることが通常行なわれているが、中空シームレスパイプで成形したばねでは、内周面にショットピーニングができないこと、および従来の加工方法では内周面で疵が発生しやすいことから、内面の疲労強度の確保が難しくなるという問題もある。
【０００８】
上記のような問題を解決する方法として、特許文献３のような技術も提案されている。この技術では、棒材を熱間圧延した後、ガンドリルで穿孔し、冷間加工（抽伸、圧延）でシームレス鋼管を製造することによって、穿孔や押出し時における加熱を回避するものである。しかしながら、この技術では、７５０℃以下の比較的低温で焼鈍が行われており（この点については、特許文献２の技術についても同様）、このような低温焼鈍を行うと、炭化物の粗大化が進行しやすいという別の問題がある。
【０００９】
粗大な炭化物は、焼入れ加熱時に未固溶状態で残存し、硬さ低下や不完全焼入れ組織生成を引き起こし、疲労強度（「耐久性」と言い換えることがある）の低下の原因となる。特に、近年では、ばね製造時における焼入れ工程において、脱炭低減や設備のコンパクト化を図る観点から、高周波加熱による短時間熱処理が主流になっており、未固溶状態の炭化物の残存が顕著になりやすい傾向がある。
【００１０】
しかも現在では、従来の要求レベルよりもより高度な疲労強度が求められており、これまで提案されているような技術では、要求される疲労強度を満足できるものではなく、耐久性の点で不十分である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平１−２４７５３２号公報
【特許文献２】特開２００７−１２５５８８号公報
【特許文献２】特開２０１０−２６５５２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明はこうした状況の下になされたものであって、その目的は、内表層部（内周面表層部）での脱炭の発生を極力低減すると共に、内表面に存在する疵の形態を制御することによって、成形されるばねにおいて十分な疲労強度を確保できるような高強度ばね用中空シームレスパイプを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成し得た本発明の高強度ばね用中空シームレスパイプとは、Ｃ：０．２〜０．７％（「質量％」の意味、化学成分組成について以下同じ）、Ｓｉ：０．５〜３％、Ｍｎ：０．１〜２％、Ａｌ：０．１％以下（０％を含まない）、Ｃｒ：３％以下（０％を含まない）、Ｐ：０．０２％以下（０％を含まない）、Ｓ：０．０２％以下（０％を含まない）およびＮ:０．０２％以下（０％を含まない）を夫々含有する鋼材からなり、内表層部における全脱炭層の深さが１００μｍ以下であると共に、内表面に存在する疵の深さが４０μｍ以下、疵の幅が６０μｍ以下であり、且つ内表層部に存在する円相当直径で５００ｎｍ以上の炭化物の個数密度が１．８×１０-2個／μｍ2以下である点に要旨を有するものである。尚、前記「円相当直径」とは、炭化物の大きさに着目し、これを同一面積の円に換算したとときの直径を意味する。
【００１４】
本発明の中空シームレスパイプにおいて、素材として用いる鋼材には、必要によって更に、（ａ）Ｂ：０．０１５％以下（０％を含まない）、（ｂ）Ｖ：１％以下（０％を含まない）、Ｔｉ：０．３％以下（０％を含まない）およびＮｂ：０．３％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上、（ｃ）Ｎｉ：３％以下（０％を含まない）および／またはＣｕ：３％以下（０％を含まない）、（ｄ）Ｍｏ：２％以下（０％を含まない）、（ｅ）Ｃａ：０．００５％以下（０％を含まない）、Ｍｇ：０．００５％以下（０％を含まない）およびＲＥＭ：０．０２％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上、（ｆ）Ｚｒ：０．１％以下（０％を含まない）、Ｔａ：０．１％以下（０％を含まない）およびＨｆ：０．１％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上、等を含有することも有用であり、含有される元素の種類に応じて、中空シームレスパイプ（即ち、成形されるばね）の特性が更に改善される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明では、素材としての鋼材の化学成分組成を適切に調整すると共に、その製造条件を厳密に規定することによって、内表層部での脱炭層の深さを極力低減すると共に、内表面に存在する疵の形態を制御し、且つ内表層部に存在する粗大炭化物の個数を低減した中空シームレスパイプが実現でき、こうした中空シームレスパイプから成形されるばねにおいて十分な疲労強度を確保できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】内表面に存在する疵の形態を説明するための図である。
【図２】ねじり疲労試験を実施する状態を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明者らは、高疲労強度化を図って耐久性を向上させるのに必要な制御因子について様々な角度から検討した。耐久性向上の支配因子としては、これまで脱炭層深さや疵深さ等が考えられ、こうした観点から様々の技術が提案されてきた。しかしながら、より高い応力域下では、これまで提案されてきた技術では耐久性向上には限界があり、他の要因についても検討する必要がある。
【００１８】
その結果、脱炭層深さや疵深さに加えて、鋼管内表面に存在する疵の形態の影響も大きいことが判明した。即ち、鋼管内表面に存在する疵の幅を６０μｍ以下となるように形態を制御することによって、中空シームレスパイプの耐久性が著しく向上し、特に高応力域では、その効果が顕著になったのである。
【００１９】
図１は、内表面に存在する疵の形態を説明するための図であり、図１（ａ）はパイプ横断面、図１（ｂ）は内面疵を模式的に示した拡大図である。図１に示すように、内表面に存在する疵は、パイプの円周方向に幅、肉厚方向（半径方向）に深さをもつことになる。
【００２０】
内表面に存在する疵の深さや疵の幅は、製造条件に影響を受ける。疵の形態を制御する手段として、酸洗工程や冷間加工工程での条件を制御することも考えられるが、本発明者らは別の手段として、最終工程での機械加工を試みた。この機械加工は、最終製品寸法よりも厚肉に作製したシームレス鋼管（中空シームレスパイプ）を用い、内周面の表層を研磨除去して所定寸法に仕上げる加工である。
【００２１】
従来技術においても、中間工程でのガンドリル穿孔による疵軽減技術が提案されているが（前記特許文献３）、この方法では後工程での疵発生までは制御しきれていないのが実情である。即ち、酸洗時のピット生成や、冷間加工での疵生成までは完全に制御しきれていないのである。こうした技術では、酸洗工程でのピット生成、冷間加工工程での疵生成までは制御が及ばず、特に高応力下にて優れた耐久性を発揮する中空シームレスパイプは実現しにくいのである。
【００２２】
本発明者らは、研磨紙を用いて、鋼管の内表層を研磨し、研磨条件が、内表面に存在する疵の形態や耐久性向上に与える影響について更に検討した。その結果、砥粒粒度が２４♯よりも大きな（砥粒サイズが小さい）研磨紙を用いて、内表層を１００μｍ以上研磨することで、内表層部での脱炭層深さを１００μｍ以下、内表面に存在する疵の深さを４０μｍ以下（好ましくは３０μｍ以下、より好ましくは２０μｍ以下）にできると共に、疵の幅を６０μｍ以下（好ましくは４０μｍ以下、より好ましくは２０μｍ以下）に制御でき、このような疵の形態にすることによって、耐久性が著しく向上できたのである。
【００２３】
また内表層を１００μｍ以上研磨することによって、脱炭層深さを１００μｍ以下（好ましくは８０μｍ以下、より好ましくは６０μｍ以下）にできる。このとき内表面疵も除去され、疵の深さは小さくなるが、用いる研磨紙における砥粒粒度が２４♯よりも小さくなると（砥粒サイズが大きくなると）、疵の幅が６０μｍより大きくなり、耐久性が向上しないものとなる。
【００２４】
これまでの製造方法では、７５０℃以下の比較的低温で焼鈍が行われており（前記特許文献２、３）、このような低温焼鈍を行なうと、内表層部（内面表層部）に存在する鋼中炭化物の粗大化が進行しやすいという別の問題もある。この点に関して、本発明者らが検討したところ、焼鈍条件を適切にすることによって、粗大な炭化物の低減が図れ、耐久性が更に向上し得ることも見出している。即ち、後述するように焼鈍条件を適切に制御することによって、円相当直径で５００ｎｍ以上となるような粗大炭化物の個数密度を１．８×１０-2個／μｍ2以下にできたのである。尚、炭化物の個数密度は、好ましくは１．５×１０-2個／μｍ2以下であり、より好ましくは１．０×１０-2個／μｍ2以下である。また、本発明で対象とする炭化物とは、金属組織中に存在するセメンタイト（Ｆｅ3Ｃ）の他、鋼材成分中の炭化物形成元素（例えば、Ｍｎ，Ｃｒ，Ｖ，Ｔｉ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｚｒ，Ｔａ，Ｈｆ）の炭化物を含む趣旨である。
【００２５】
本発明の中空シームレスパイプは、化学成分組成を適切に調整した鋼材に対して（適切な化学成分組成については後述する）、下記の手順に従って製造することができる。この製造方法における各行程について、より具体的に説明する。
【００２６】
［中空化手法］
まず中空化手法としては、熱間押出しによって素管を作製した後、圧延または抽伸等の冷間加工、および軟化焼鈍、酸洗処理を複数回繰り返し、所定の径（外径、内径）、長さまで成形する。但し、内径については、後述する研磨による減少量も考慮しておく。
【００２７】
［熱間押出し時の加熱温度：１０５０℃未満］
上記の熱間押出しにおいて、その加熱温度は１０５０℃未満とすることが推奨される。このときの加熱温度が１０５０℃以上となると、トータル脱炭（全脱炭）が多くなる。好ましくは、１０２０℃以下とするのが良い。
【００２８】
［熱間押出し後の冷却条件：押出し後７２０℃までの平均冷却速度を１．５℃／秒以上］
上記のような条件で、熱間押出しを行なった後、７２０℃までを比較的速やかに冷却することによって、冷却中の脱炭を軽減することができる。こうした効果を発揮させるためには、７２０℃までの平均冷却速度を１．５℃／秒以上とするのが良い。このときの平均冷却速度は、好ましくは２℃／秒以上とするのが良い。
【００２９】
熱間押出しにより得た素管に対して、冷間加工、焼鈍、酸洗を繰り返し実施して所定寸法のサイズに製造する。このとき、焼鈍、酸洗では、脱炭や疵の発生防止のため、適切な条件にて実施する必要がある。
【００３０】
［冷間加工］
鋼管の冷間加工としては、圧延、抽伸が一般的である。圧延は比較的大きな減面率の加工が可能であるのに対し、抽伸は加工速度が速く、寸法精度が高いメリットがあり、場合によって使い分ければよい。
【００３１】
［焼鈍工程］
冷間加工後には、材料の硬度が高くなり、次工程での作業が難しくなる場合が多く、必要によって焼鈍を行なう。この焼鈍を行なうに際しては、その雰囲気を非酸化性雰囲気に制御することで、焼鈍中に発生する脱炭を顕著に軽減できる。また、生成スケールを極めて薄くできるため、焼鈍後に実施する酸洗時の浸漬時間を短縮でき、深い酸洗ピット生成を抑制するのに有効である。また、焼鈍時の加熱温度は、９５０℃以上とすることが好ましい。焼鈍温度については、従来技術では（前記特許文献２、３）、７５０℃以下の比較的低温で焼鈍されるのが一般的である。しかしながら、焼鈍温度が７５０℃以下であると、炭化物の粗大化が促進されることになる。本発明では、この点に着目し、焼鈍温度については、従来のような低温ではなく、炭化物が溶解するような高温で焼鈍するようにした。
【００３２】
この焼鈍温度については、８２０〜９４０℃程度の温度が採用される場合もあるが（例えば、前記特許文献１）、このような温度域では炭化物を固溶させるには依然として不十分である。しかも、９００℃前後の温度域は、フェライト脱炭が最も生じやすい温度域である。そこで、本発明では焼鈍温度を９５０℃以上に設定し、炭化物の固溶を促進させつつ、フェライト脱炭の生成を回避したのである。この焼鈍温度は、より好ましくは９７０℃以上、更に好ましくは９９０℃であるが、あまり高温になり過ぎると、トータル脱炭（全脱炭）が増加する上、冷間加工性も劣化する。こうしたことから、焼鈍温度は１１００℃以下とすることが好ましく、より好ましくは１０８０℃以下、更に好ましくは１０４０℃以下である。このような温度範囲に制御しつつ焼鈍を行なうことによって、酸化スケールを低減しつつ、深い酸洗ピットの生成を抑制し、しかも脱炭層深さを減少し、粗大炭化物の少ない中空シームレスパイプを製造することができる。
【００３３】
［酸洗工程］
上記のような焼鈍を行った後は、材料表層に少なからずスケールが生成しており、圧延、抽伸等の後工程に悪影響を及ぼすため、硫酸や塩酸等を用いて酸洗処理を実施する。但し、酸洗処理が長くなると、大きな酸洗ピットが生成し、疵として残存することになる。こうした観点から、酸洗時間を短くすることが有利であり、具体的には３０分以内とすることが好ましい（より好ましくは２０分以内）。
【００３４】
［内表層部研磨］
鋼管内表面に存在する疵の深さを４０μｍ以下、疵の幅を６０μｍ以下、更に内表層部の脱炭層深さを１００μｍ以下とするために、焼鈍および酸洗の後に、研磨紙を用いてパイプの全長に亘って内表層を研磨する。このときの、砥粒粒度（♯）は少なくとも２４以上（好ましくは３０以上）とし、また研磨量（肉厚減少量）を７０μｍ以上（好ましくは１００μｍ以上）とする。
【００３５】
本発明の中空シームレスパイプは、素材となる鋼材の化学成分組成も適正に調整されていることも重要である。次に、化学成分の範囲限定理由を説明する。
【００３６】
［Ｃ：０．２〜０．７％］
Ｃは、高強度を確保するのに必要な元素であり、そのためには０．２％以上含有させる必要がある。Ｃ含有量は、好ましくは０．３０％以上であり、より好ましくは０．３５％以上である。しかしながら、Ｃ含有量が過剰になると、延性の確保が困難になるので、０．７％以下とする必要がある。Ｃ含有量は、好ましくは０．６５％以下であり、より好ましくは０．６０％以下である。
【００３７】
［Ｓｉ：０．５〜３％］
Ｓｉは、ばねに必要な耐へたり性の向上に有効な元素であり、本発明で対象とする強度レベルのばねに必要な耐へたり性を付与するには、Ｓｉ含有量を０．５％以上とする必要がある。好ましくは１．０％以上、より好ましくは１．５％以上である。しかしながら、Ｓｉは脱炭を促進させる元素でもあるため、Ｓｉを過剰に含有させると鋼材表面の脱炭層形成を促進させる。その結果、脱炭層削除のためのピーリング工程が必要となるので、製造コストの面で不都合である。こうしたことから、本発明ではＳｉ含有量の上限を３％とした。好ましくは２．５％以下、より好ましくは２．２％以下である。
【００３８】
［Ｍｎ：０．１〜２％］
Ｍｎは、脱酸元素として利用されると共に、鋼材中の有害元素であるＳとＭｎＳを形成して無害化する有益な元素である。この様な効果を有効に発揮させるには、Ｍｎは０．１％以上含有させる必要がある。好ましくは０．１５％以上、より好ましくは０．２０％以上である。しかしながら、Ｍｎ含有量が過剰になると、偏析帯が形成されて材質のばらつきが生じる。こうしたことから、本発明ではＭｎ含有量の上限を２％とした。好ましくは１．５％以下であり、より好ましくは１．０％以下である。
【００３９】
［Ａｌ：０．１％以下（０％を含まない）］
Ａｌは、主に脱酸元素として添加される。また、ＮとＡｌＮを形成して固溶Ｎを無害化すると共に組織の微細化にも寄与する。特に固溶Ｎを固定させるには、Ｎ含有量の２倍を超えるようＡｌを含有させることが好ましい。しかしながら、ＡｌはＳｉと同様に脱炭を促進させる元素でもあるため、Ｓｉを多く含有するばね鋼ではＡｌの多量添加を抑える必要があり、本発明では０．１％以下とした。好ましくは０．０７％以下、より好ましくは０．０５％以下である。
【００４０】
［Ｃｒ：３％以下（０％を含まない）］
冷間加工性を向上させる観点からは、Ｃｒ含有量は少ない程好ましいが、Ｃｒは焼戻し後の強度確保や耐食性向上に有効な元素であり、特に高レベルの耐食性が要求される懸架ばねに重要な元素である。こうした効果は、Ｃｒ含有量が増大するにつれて大きくなるが、こうした効果を優先的に発揮させるためには、Ｃｒは０．２％以上含有させることが好ましい。更に好ましくは０．５％以上とするのがよい。しかしながら、Ｃｒ含有量が過剰になると、過冷組織が発生し易くなると共に、セメンタイトに濃化して塑性変形能を低下させ、冷間加工性の劣化を招く。またＣｒ含有量が過剰になると、セメンタイトとは異なるＣｒ炭化物が形成されやすくなり、強度と延性のバランスが悪くなる。こうしたことから、本発明で用いる鋼材では、Ｃｒ含有量を３％以下に抑える。好ましくは２．０％以下、より好ましくは１．７％以下である。
【００４１】
［Ｐ：０．０２％以下（０％を含まない）］
Ｐは、鋼材の靭性や延性を劣化させる有害元素であるため、極力低減することが重要であり、本発明ではその上限を０．０２％とする。好ましくは０．０１０％以下、より好ましくは０．００８％以下に抑えるのが良い。尚、Ｐは鋼材に不可避的に含まれる不純物であり、その量を０％にすることは工業生産上困難である。
【００４２】
［Ｓ：０．０２％以下（０％を含まない）］
Ｓは、上記Ｐと同様に鋼材の靭性や延性を劣化させる有害元素であるため、極力低減することが重要であり、本発明では０．０２％以下に抑える。好ましくは０．０１０％以下、より好ましくは０．００８％以下である。尚、Ｓは鋼に不可避的に含まれる不純物であり、その量を０％とすることは工業生産上困難である。
【００４３】
［Ｎ：０．０２％以下（０％を含まない）］
Ｎは、Ａｌ、Ｔｉ等が存在すると窒化物を形成して組織を微細化させる効果があるが、固溶状態で存在すると、鋼材の靭延性および耐水素脆化特性を劣化させる。本発明では、Ｎ量の上限を０．０２％以下とする。好ましくは０．０１０％以下、より好ましくは０．００５０％以下である。
【００４４】
本発明で適用する鋼材において、上記成分の他（残部）は、鉄および不可避的不純物（例えば、Ｓｎ，Ａｓ等）からなるものであるが、その特性を阻害しない程度の微量成分（許容成分）も含み得るものであり、こうした鋼材も本発明の範囲に含まれるものである。
【００４５】
また必要によって、更に（ａ）Ｂ：０．０１５％以下（０％を含まない）、（ｂ）Ｖ：１％以下（０％を含まない）、Ｔｉ：０．３％以下（０％を含まない）およびＮｂ：０．３％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上、（ｃ）Ｎｉ：３％以下（０％を含まない）および／またはＣｕ：３％以下（０％を含まない）、（ｄ）Ｍｏ：２％以下（０％を含まない）、（ｅ）Ｃａ：０．００５％以下（０％を含まない）、Ｍｇ：０．００５％以下（０％を含まない）およびＲＥＭ：０．０２％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上、（ｆ）Ｚｒ：０．１％以下（０％を含まない）、Ｔａ：０．１％以下（０％を含まない）およびＨｆ：０．１％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上、等を含有させることも有効である。これらの成分を含有させるときの範囲限定理由は、次の通りである。
【００４６】
［Ｂ：０．０１５％以下（０％を含まない）］
Ｂは、鋼材の焼入れ・焼戻し後において旧オーステナイト粒界からの破壊を抑制する効果がある。この様な効果を発現させるには、Ｂを０．００１％以上含有させることが好ましい。しかしながら、Ｂを過剰に含有させると、粗大な炭硼化物を形成して鋼材の特性を害する。またＢは、必要以上に含有させると圧延材の疵の発生原因にもなる。こうしたことから、Ｂ含有量の上限を０．０１５％とした。より好ましくは０．０１０％以下、更に好ましくは０．００５０％以下とするのが良い。
【００４７】
［Ｖ：１％以下（０％を含まない）、Ｔｉ：０．３％以下（０％を含まない）およびＮｂ：０．３％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上］
Ｖ，ＴｉおよびＮｂは、Ｃ，Ｎ，Ｓ等と炭・窒化物（炭化物、窒化物および炭窒化物）、或は硫化物等を形成して、これらの元素を無害化する作用を有する。また上記炭・窒化物を形成して組織を微細化する効果も発揮する。更に、耐遅れ破壊特性を改善するという効果も有する。これらの効果を発揮させるには、Ｖ，ＴｉおよびＮｂの少なくとも１種を０．０２％以上（２種以上含有させるときは合計で０．０２％以上）含有させることが好ましい。しかしながら、これらの元素の含有量が過剰になると、粗大な炭・窒化物が形成されて靭性や延性が劣化する場合がある。よって本発明では、Ｖ，ＴｉおよびＮｂの含有量の上限を、夫々１％以下、０．３％以下、０．３％以下とすることが好ましい。より好ましくは、Ｖ：０．５％以下、Ｔｉ：０．１％以下、Ｎｂ：０．１％以下である。更には、コスト低減の観点からして、Ｖ：０．３％以下、Ｔｉ：０．０５％以下、Ｎｂ：０．０５％以下とすることが好ましい。
【００４８】
［Ｎｉ：３％以下（０％を含まない）および／またはＣｕ：３％以下（０％を含まない）］
Ｎｉは、コスト低減を考慮した場合には、添加を控えるためその下限を特に設けないが、表層脱炭を抑制したり耐食性を向上させる場合には、０．１％以上含有させることが好ましい。しかしながら、Ｎｉ含有量が過剰になると、圧延材に過冷組織が発生したり、焼入れ後に残留オーステナイトが存在し、鋼材の特性が劣化する場合がある。こうしたことから、Ｎｉを含有させる場合には、その上限を３％以下とする。コスト低減の観点からは、好ましくは２．０％以下、より好ましくは１．０％以下とするのが良い。
【００４９】
Ｃｕは、上記Ｎｉと同様に表層脱炭を抑制したり耐食性を向上するのに有効な元素である。この様な効果を発揮させるには、Ｃｕを０．１％以上含有させることが好ましい。しかしながら、Ｃｕの含有量が過剰になると、過冷組織が発生したり、熱間加工時に割れが生じる場合がある。こうしたことから、Ｃｕを含有させる場合には、その上限を３％以下とする。コスト低減の観点からは、好ましくは２．０％以下、より好ましくは１．０％以下とするのが良い。
【００５０】
［Ｍｏ：２％以下（０％を含まない）］
Ｍｏは焼戻し後の強度確保、靭性向上に有効な元素である。しかしながら、Ｍｏ含有量が過剰になると靭性が劣化する。こうしたことからＭｏ含有量の上限は２％以下とすることが好ましい。より好ましくは０．５％以下とするのが良い。
【００５１】
［Ｃａ：０．００５％以下（０％を含まない）、Ｍｇ：０．００５％以下（０％を含まない）およびＲＥＭ：０．０２％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上］
Ｃａ，ＭｇおよびＲＥＭ（希土類元素）は、いずれも硫化物を形成し、ＭｎＳの伸長を防ぐことで、靭性を改善する効果を有し、要求特性に応じて添加することができる。しかしながら、夫々上記上限を超えて含有させると、逆に靭性を劣化させる。夫々の好ましい上限は、Ｃａで０．００３０％以下、Ｍｇで０．００３０％以下、ＲＥＭで０．０１０％以下である。尚、本発明において、ＲＥＭとは、ランタノイド元素（ＬａからＬｎまでの１５元素）およびＳｃ（スカンジウム）とＹ（イットリウム）を含む意味である。
【００５２】
［Ｚｒ：０．１％以下（０％を含まない）、Ｔａ：０．１％以下（０％を含まない）およびＨｆ：０．１％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上］
これらの元素は、Ｎと結びついて窒化物を形成し、安定で加熱時のオーステナイト（γ）粒径の成長を抑制し、最終的な組織を微細化し、靭性を改善する効果がある。但し、いずれも０．１％を超えて過剰に含有させると窒化物が粗大化し、疲労特性を劣化させるため好ましくない。こうしたことから、いずれもその上限を０．１％以下とした。より好ましい上限はいずれも０．０５０％以下であり、更に好ましい上限は０．０２５％以下である。
【００５３】
以下本発明を実施例によって更に詳細に説明するが、下記実施例は本発明を限定する性質のものではなく、前・後記の趣旨に徴して設計変更することはいずれも本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【実施例】
【００５４】
下記表１に化学成分組成を示す各種溶鋼（中炭素鋼）を、通常の溶製法によって溶製し、この溶鋼を冷却して分塊圧延後に断面形状が１５５ｍｍ×１５５ｍｍのビレットとした後、熱間鍛造によって直径：１５０ｍｍの丸棒に成形し、機械加工により押出しビレットを作製した。尚、下記表１において、ＲＥＭはＬａを２０％程度とＣｅを４０〜５０％程度含有するミッシュメタルの形態で添加した。下記表１中「−」は元素を添加していないことを示している。
【００５５】
【表１】
0006018394.tif 000002
【００５６】
上記押出しビレットを用いて、外径：５４ｍｍφ、内径：３８ｍｍφの押出し管を作製し（押出し後、７２０℃までの平均冷却速度：２℃／秒）、次に冷間加工（抽伸加工、圧延加工）、焼鈍（下記表２）、酸洗を複数回繰り返し、外径：１６ｍｍ、内径：７．６ｍｍまたは８．０ｍｍの中空シームレスパイプを作製した（下記表２）。このとき、内径が７．６ｍｍの中空シームレスパイプについては、研磨紙を用い、全長に亘って内表層を研磨し、内表層を最大０．２ｍｍ（５０〜２００μｍ）研磨除去した（最終の内径が７．７〜８．０ｍｍ）。
【００５７】
【表２】
0006018394.tif 000003
【００５８】
得られた中空シームレスパイプについて、内表層部の脱炭層深さ、内表面の疵の深さ（疵深さ）、疵の幅（疵幅）、粗大炭化物（円相当直径で５００ｎｍ以上の炭化物）の個数密度を下記の方法によって調査した。
【００５９】
［脱炭層深さの測定］
中空シームレスパイプを、これを横断して試験片とし、ＪＩＳ  Ｇ０５５８に従って光学顕微鏡観察から、内表層部おける脱炭層（全脱炭層）の深さを計測した。
【００６０】
脱炭層の深さが１００μｍ以下のものの評価を合格とし（「○」印で示す）、脱炭層の深さが１００μｍを超えるものの評価を不合格とし（「×」印で示す）、その結果を下記表３に示した。
【００６１】
［内表面の疵深さ、疵幅の測定］
内表面の疵に関しては、任意の横断面（パイプの軸直角断面）を観察するため、切断、樹脂埋め込み、研磨して、観察試料とし、光学顕微鏡で観察して、内表面疵の形態を観察した。横断面で観察された最も深い疵の深さおよび幅を測定した。
【００６２】
［粗大炭化物の個数密度の測定方法］
内表層の粗大炭化物の個数密度に関しては、任意の横断面（パイプの軸直角断面）を観察するため、切断、樹脂埋め込み、研磨し、ピクラール腐食して観察試料とし、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で、内表面から１００μｍ位置の表層部を観察した（倍率：３０００倍）。ＳＥＭ写真に基づき（測定箇所：３箇所）、画像解析ソフト（Ｉｍａｇｅ−Ｐｒｏ）を用いて炭化物面積を測定し、円相当直径に換算した。そして円相当直径で５００ｎｍ以上の炭化物について、個数密度を測定し、平均した。
【００６３】
上記各中空シームレスパイプを下記の条件で焼入れ・焼戻し処理した後、図２［（ａ）は正面図、（ｂ）試験片の端面を示す側面図］に示す円筒形試験片１を加工した。
（焼入れ・焼戻し条件）
焼入れ条件：９２５℃で１０分間保持した後、油冷
焼戻し条件：３９０℃で４０分間保持した後、水冷
【００６４】
［ねじり疲労試験］
上記円筒形試験片１を用い、ねじり疲労試験を実施した。
【００６５】
試験片内径：７．７〜８．０ｍｍ
拘束部外径：１６ｍｍ
中央部外径：１２ｍｍ
中央部板厚：２．０〜２．１５ｍｍ
負荷応力（中央部の外表面応力）：５５０±３７５ＭＰａ
【００６６】
繰り返し数：１０5回以上でも破断しなかったものを「○」、１０5回までに破断したものを「×」とした。
【００６７】
これらの結果を、一括して下記表３に示す。
【００６８】
【表３】
0006018394.tif 000004
【００６９】
これらの結果から明らかなように、適切な製造条件で得られた中空シームレスパイプ（試験Ｎｏ．３、４、６、１０〜１２、１４、１９〜２３のもの：本発明例）では、本発明で規定する要件を満足するものとなって、ねじり疲労強度が良好なものが得られていることが分かる。
【００７０】
これに対して、試験Ｎｏ．１、２、５、７〜９、１３、１５〜１８のもの（比較例）は、製造方法が適切ではないので、本発明で規定する要件を満足しないものとなって、疲労強度が劣化していることが分かる。即ち、試験Ｎｏ．１、７のものは、内周面表層の研磨を行なわなかったものであり、脱炭層深さが大きく、また疵深さが大きくなっており、疲労強度（耐久性）が低下している。試験Ｎｏ．２のものは、内周面表層の研磨で用いた砥粒粒度（♯）が小さくなっており、疵深さ、疵幅が大きくなって疲労強度（耐久性）が低下している。
【００７１】
試験Ｎｏ．５のものは、内周面表層の研磨量が少ないものであり、脱炭層深さが大きくなっており、疲労強度（耐久性）が低下している。試験Ｎｏ．８のものは、内周面表層の研磨量が少なく、且つ内周面表層の研磨で用いた砥粒粒度（♯）が小さくなっており、疵深さおよび疵幅が大きくなって疲労強度（耐久性）が低下している。
【００７２】
試験Ｎｏ．９のものは、砥粒粒度が小さいものであり、疵幅が大きくなっており、疲労強度（耐久性）が低下している。試験Ｎｏ．１３のものは、内周面表層の研磨で用いた砥粒粒度（♯）が大きいが、内周面表層の研磨量が少ないものであり、脱炭層深さが大きくなって疲労強度（耐久性）が低下している。
【００７３】
試験Ｎｏ．１５〜１８のものは、大気中で焼鈍を行ない、しかも焼鈍時の温度が低いものであり、粗大炭化物の個数密度が大きくなっており、疲労強度（耐久性）が低下している。このうち、試験Ｎｏ．１８のものは、焼鈍温度を８５０℃とすることによって、フェライト脱炭生成による影響によって、脱炭層深さが大きくなっている。
【図１】
0006018394.tif 000005
【図２】
0006018394.tif 000006