(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
評価母材として中央部の外径及び肉厚が、両端部の外径及び肉厚と同じである鋼管を用い、この評価母材との接続部を、母材外径＋5mm≧フランジ継手外径≧母材外径、母材内径≧フランジ継手内径≧母材外径−5mmの範囲の円筒形とし、反対側の端部にフランジが形成されたフランジ継手を評価母材と同等以上の焼き入れ後強度を有する成分で製作し、前記接続部の端面を評価母材である鋼管の両端に摩擦接合し、その後に焼き入れた後にねじり疲労試験を行うことを特徴とする、鋼管のねじり疲労試験方法。
【請求項２】
評価母材と同等以上の焼き入れ後強度を有する成分とは、カーボン量が評価母材と同量以上、且つその他の選択元素の含有量が、次の評価指標（１）で示されるＶＣ９０以下であることを特徴とする請求項１に記載の鋼管のねじり疲労試験方法。
ＶＣ９０＝１０＾（２．９４−０．７５＊（２．７［Ｃ］＋０．４［Ｓｉ］＋［Ｍｎ］＋０．４５［Ｎｉ］＋０．４５［Ｃｕ］＋０．８［Ｃｒ］＋２［Ｍｏ］））・・・（１）
【請求項３】
評価母材として中央部の外径及び肉厚が、両端部の外径及び肉厚と同じである鋼管を用い、この評価母材の端部にフランジ継手を摩擦接合した試験体であって、フランジ継手は、評価母材と同等以上の焼き入れ性を有する成分で製作されたものであり、評価母材との接続部を、母材外径＋5mm≧フランジ継手外径≧母材外径、母材内径≧フランジ継手内径≧母材外径−5mmの範囲の円筒形とし、反対側の端部にフランジが形成された形状であり、フランジ継手の前記接続部の端面が評価母材である鋼管の両端に摩擦接合され、当該フランジ継手及び当該試験体が焼き入れされていることを特徴とする鋼管のねじり疲労試験方法に用いる試験体。
【請求項４】
評価母材と同等以上の焼き入れ性を有する成分とは、カーボン量が評価母材と同量以上且つその他の選択元素の含有量が次の評価指標（１）で示されるＶＣ９０以下であることを特徴とする請求項３に記載の鋼管のねじり疲労試験方法に用いる試験体。
ＶＣ９０＝１０＾（２．９４−０．７５＊（２．７［Ｃ］＋０．４［Ｓｉ］＋［Ｍｎ］＋０．４５［Ｎｉ］＋０．４５［Ｃｕ］＋０．８［Ｃｒ］＋２［Ｍｏ］））・・・（１）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電縫鋼管、シームレス鋼管などの焼き入れ鋼管母材のねじり疲労試験方法及びそれに用いる試験体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
鋼管を機械構造用に使用する場合、特に回転方向のトルクによって繰り返し荷重がかけられる部材に用いられることがあり、鋼管のねじり疲労特性を把握することは重要である。一般的にねじり疲労特性は、管端にフランジ部材を溶接し、フランジ部材を試験装置にボルト締結して管端を繰り返し強制的に回転方向の力を加える試験が行われる。このとき母材を適正に評価するためには、母材より強度の低い部位をなくさねばならない。これは負荷応力が低強度部に集中し、母材が破壊するより以前に低強度部が破壊するためである。
【０００３】
ねじり疲労試験時は、管端とフランジ治具は表面に凹凸がないように滑らかに接合する必要があるが、鋼管を溶接以外の方法で接合、例えばチャック締結であればチャック端に、ボルト締結であればボルト穴端に応力が集中し、そこから疲労破壊する。そのため、ねじり疲労試験では管端とフランジ治具とを溶接することが不可欠になるが、溶接には必ず熱影響（HAZ）による軟化を伴うため、母材より低強度部が発生する問題があった。この溶接過程は母材にとって焼鈍と等価な熱履歴となり、特に近年開発中の高強度焼入れ鋼管の場合は軟化部の強度が母材に比べて著しく低下することから、評価を実現する接合法がなかった。
【０００４】
従来、特許文献１にあるように、捻り疲労試験時に鋼管を試験装置ブラケットへ接続する際、鋼管の外径より最大0.6mm小さい内径のブラケット孔へ挿入した後に溶接することで、外圧による圧縮残留応力の発生に伴う摩擦力を増加させ、ねじり疲労特性を評価する手法が提案されている。しかし、本手法でも溶接が不可欠であり、溶接によって著しく軟化した部位が発生する高強度焼き入れ鋼管では、溶接部がほぼ同径であり、軟化部から破壊するため、適用は困難であった。また特許文献２の方法では、管端部を拡管してフランジと接合するので、溶接による軟化部が生じても径の大きさでカバーできる可能性がある。しかし、高強度材を所定の径まで拡管することは技術的に容易ではなく、拡管時に座屈や割れが発生する懸念が大きいため、やはり適用が難しい。特に５ｍｍ以上の厚手材を均質に拡管することは困難であり、比較的薄手材に有効な方法であった。
【０００５】
こうした問題から従来は、鋼管単体でのねじり疲労試験は実施できず、鋼管を機械構造に組み込んだ状態で試験するしかなかった。しかし、試験体の準備に時間やコストがかかり、様々な形状に依存する特殊な締結治具が必要になる問題がある上、鋼管自体の疲労特性が評価できないまま部品設計をするため、形状の検討が不十分となり易く、ねじり疲労試験後に設計への手戻りが生じるといった開発の遅延にも繋がっていた。こうした背景から、鋼管の母材自体のねじり疲労特性を評価する手法が強く望まれていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平７−１１２２７３号公報
【特許文献２】特願２０１５−２１９０７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
以上の問題を踏まえた本発明の目的は、高強度な焼き入れ鋼管であってもフランジ部材と適正に接合し、鋼管母材自体のねじり疲労特性を正確に評価することができるねじり評価試験方法とそれに用いる試験体を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するためになされた本発明のねじり疲労試験方法は、評価母材として中央部の外径及び肉厚が、両端部の外径及び肉厚と同じである鋼管を用い、この評価母材との接続部を、母材外径＋5mm≧フランジ継手外径≧母材外径、母材内径≧フランジ継手内径≧母材外径−5mmの範囲の円筒形とし、反対側の端部にフランジが形成されたフランジ継手を評価母材と同等以上の焼き入れ後強度を有する成分で製作し、前記接続部の端面を評価母材である鋼管の両端に摩擦接合し、その後に焼き入れた後にねじり疲労試験を行うことを特徴とするものである。
【０００９】
上記した本発明における評価母材と同等以上の焼き入れ性を有する成分は、カーボン量が評価母材と同量以上、且つその他の選択元素の含有量が、次の評価指標（１）で示されるＶＣ９０以下であることが好ましい。
ＶＣ９０＝１０＾（２．９４−０．７５＊（２．７［Ｃ］＋０．４［Ｓｉ］＋［Ｍｎ］＋０．４５［Ｎｉ］＋０．４５［Ｃｕ］＋０．８［Ｃｒ］＋２［Ｍｏ］））・・・（１）
【００１０】
【００１１】
上記の課題を解決するためになされた本発明のねじり疲労試験体は、評価母材として中央部の外径及び肉厚が、両端部の外径及び肉厚と同じである鋼管を用い、この評価母材の端部にフランジ継手を摩擦接合した試験体であって、フランジ継手は、評価母材と同等以上の焼き入れ性を有する成分で製作されたものであり、評価母材との接続部を、母材外径＋5mm≧フランジ継手外径≧母材外径、母材内径≧フランジ継手内径≧母材外径−5mmの範囲の円筒形とし、反対側の端部にフランジが形成された形状であり、フランジ継手の前記接続部の端面が評価母材である鋼管の両端に摩擦接合され、当該フランジ継手及び当該試験体が焼き入れされていることを特徴とする。
【００１２】
評価母材と同等以上の焼き入れ性を有する成分とは、カーボン量が評価母材と同量以上且つその他の選択元素の含有量が次の評価指標（１）で示されるＶＣ９０以下であることが好ましい。
ＶＣ９０＝１０＾（２．９４−０．７５＊（２．７［Ｃ］＋０．４［Ｓｉ］＋［Ｍｎ］＋０．４５［Ｎｉ］＋０．４５［Ｃｕ］＋０．８［Ｃｒ］＋２［Ｍｏ］））・・・（１）
【００１３】
【発明の効果】
【００１４】
本発明のねじり疲労試験方法及びそれに用いる試験体によれば、従来実現できなかった母材自体のねじり疲労試験を実施でき、部品の設計前に特性を把握できるため、大幅な開発リソースの削減が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】試験体の構造例を示す図である。
【図２】本発明の方法で製作した試験体の溶接まま時の溶接部近傍硬さを示すグラフである。
【図３】本発明の方法で製作した試験体を溶接後に焼き入れた時の溶接部近傍硬さを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に本発明の実施形態を説明する。
溶接部の特性は母材焼き入れ後強度に依存しており、高強度材では必然的に溶接部位の軟化を伴う。これに対し本発明では、フランジ継手を評価母材と焼き入れ後強度が同じ或いは高い成分で製作し、試験体である鋼管の両端に取り付け、摩擦圧接後に全体を焼き入れることによって母材部のねじり疲労評価を実現する。尚、ここで焼き入れ性が同じ或いは高い成分としては、例えば、焼き入れ後強度に最も効くカーボン量が評価母材と同量以上、且つその他の選択元素については焼き入れ速度の評価指標である下記式（１）
ＶＣ９０＝１０＾（２．９４−０．７５＊（２．７［Ｃ］＋０．４［Ｓｉ］＋［Ｍｎ］＋０．４５［Ｎｉ］＋０．４５［Ｃｕ］＋０．８［Ｃｒ］＋２［Ｍｏ］））    （１）
で示されるＶＣ９０以下である成分とすることが好ましい。尚、これ以外に焼き入れ後強度が同じ或いは高い成分を判断するには、例えば実際にサンプル試作と硬度測定による方法がある。この判断方法は、上記式に含まれていないNb、Ti、Vなどの析出強化元素も考慮して設計した成分をラボ溶解して試験片を製作し、炉でA3点（オーステナイト域）以上まで加熱後、急冷する。その後、試験片を切断して汎用的な硬度測定器で硬度を測定する。例えば、ビッカース硬度計を用い、試験片断面の表層から１００μｍ深さの部位及び中心付近の部位をそれぞれ５点ずつ測定し、平均値を取る。部位によって硬度が異なる場合は、同時に母材成分も試作し、部位ごとに直接硬度を比較することが好ましい。
【００１７】
図１にねじり疲労試験体の構造を示す。試験体１の両端にフランジ部材２ａ、２ｂが３の位置で摩擦圧接されている。この場合、拡管加工などで評価母材の管端外径を極端に大きくする必要がないという特徴がある。また固溶拡散による摩擦圧接では接続部の鋼材成分が変化せず、焼き入れによって母材同等の強度になることも初めて検証された。なお実用上、フランジに別成分の材料を使っても、評価母材よりも外径を大きくしておくことでねじり疲労試験を実現できる。図１に示したように、フランジ部材２ａ、２ｂは、評価母材との接続部を円筒形とし、反対側の端部にフランジが形成された形状である。評価母材として、中央部の外径及び肉厚が、両端部の外径及び肉厚と同じである鋼管を用いる。
【００１８】
また、フランジの評価母材との接続部の内外径は評価母材と完全に同じである必要はなく、摩擦圧接の接合性確保の観点から、内径については、母材内径≧フランジ継手内径、外径については、母材外径≦フランジ継手外径であればよい一方、焼き入れ冷速が大きく異ならないことが望ましく、内径側は母材内径−5mm≦フランジ継手内径、外形側は母材外径＋5mm≧フランジ継手外径とすることが望ましい。
以下に本発明の実施例を示す。
【実施例】
【００１９】
評価母材は150ksiクラス、φ38.1×t7.0×400mmLの高強度鋼管であり、フランジ材料には評価指標（１）を満足するSCM440を用いた。フランジの評価母材との接続部は内径φ25、外径φ40の円筒形とし、反対側の端部には試験装置とボルト１２本で接続するためのフランジが形成されている一体型の加工品である。
【００２０】
これらを余熱圧力：２kg/mm2、余熱時間：５秒、摩擦圧力：５．０kg/mm2、摩擦より代：３mm、アプセット圧力：１０kg/mm2、アプセット時間：５秒、回転数：１０００rpm及び、より代：５mmで摩擦圧接した。その後、加熱炉にて９５０℃で１０分間保持し、水冷を行った。
【００２１】
図２は上記の方法で製作した試験体の溶接部から２０mmまでの焼き入れ前の硬さ（３倍すると強度に変換できる）を示している。溶接ままではHAZ部の硬度が評価母材部の半分以下に低下していることが分かる。この状態で試験をすると、硬度の低い（低強度）部位が先行して割れ、母材評価に至らなかった。一方、図３は上記条件で焼入れた後の硬さを示しており、焼き入れることで母材と同じ硬度に回復したことが分かる。本試験体を用いてねじり疲労試験を行ったところ、溶接部及び溶接部近傍で破壊することなく、母材自体のねじり特性を評価できるようになった。
【符号の説明】
【００２２】
１：評価母材
２ａ、２ｂ：フランジ部材
３：摩擦圧接部
【図１】
0006642034.tif 000002
【図２】
0006642034.tif 000003
【図３】
0006642034.tif 000004