(57)【要約】本発明は、焼入れ性、熱間加工性および疲労強度に優れた高強度厚肉電縫溶接鋼管およびその製造方法を提供するものであり、質量％で、Ｃ：０．２５〜０．４％、Ｓｉ：０．０１〜０．５０％、Ｍｎ：０．８〜１．５％、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０５％以下、Ａｌ：０．０５％以下、Ｔｉ：０．００５〜０．０５％、Ｂ：０．０００５〜０．０１％、Ｎ：０．００１〜０．００５％を含有し、  残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、式＜１＞で表される臨界冷却速度Ｖｃが３０℃／ｓ未満であり、肉厚ｔと外径Ｄの比であるｔ／Ｄが０．１５超〜０．３０の範囲である厚肉電縫溶接鋼管。ｌｏｇＶｃ＝２．９４−０．７５β          ・・・＜１＞    ただし、β＝２．７Ｃ＋０．４Ｓｉ＋Ｍｎ【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、
Ｃ：０．２５〜０．４％、
Ｓｉ：０．０１〜０．５０％、
Ｍｎ：０．８〜１．５％、
Ｐ：０．０５％以下、
Ｓ：０．０５％以下、
Ａｌ：０．０５％以下、
Ｔｉ：０．００５〜０．０５％、
Ｂ：０．０００５〜０．０１％、
Ｎ：０．００１〜０．００５％
を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、式＜１＞で表される臨界冷却速度Ｖｃが３０℃／ｓ未満であり、肉厚ｔと外径Ｄの比であるｔ／Ｄが０．１５超〜０．３０の範囲であることを特徴とする焼入れ性、熱間加工性および疲労強度に優れた高強度厚肉電縫溶接鋼管。
ｌｏｇＶｃ＝２．９４−０．７５β          ＜１＞
但し、β＝２．７Ｃ＋０．４Ｓｉ＋Ｍｎ
【請求項２】
質量％で、さらに、
Ｃｒ：０．１〜１％、
Ｍｏ：０．０５〜１％、
Ｖ：０．０１〜０．５％、
Ｎｉ：０．１〜１％の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に記載の焼入れ性、熱間加工性および疲労強度に優れた高強度厚肉電縫溶接鋼管。
但し、式＜１＞において、
β＝２．７Ｃ＋０．４Ｓｉ＋Ｍｎ＋０．４５Ｎｉ＋０．８Ｃｒ
＋２Ｍｏ
【請求項３】
質量％でさらに、
Ｎｂ：０．０１〜０．１％を含有することを特徴とする請求項１または２に記載の焼入れ性、熱間加工性および疲労強度に優れた高強度厚肉電縫溶接鋼管。
【請求項４】
質量％で、さらに、Ｃａ：０．０００２〜０．００５％を含有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の焼入れ性、熱間加工性および疲労強度に優れた高強度厚肉電縫溶接鋼管。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の成分を有する電縫溶接鋼管を８００〜１２００℃に加熱し、断面減少率が４０〜８０％の範囲で縮径圧延することを特徴とする焼入れ性、熱間加工性および疲労強度に優れた高強度厚肉電縫溶接鋼管の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、自動車の走行安定性を確保するための中空スタビライザーに適し、焼入れ性、熱間加工性および疲労強度に優れた高強度厚肉電縫溶接鋼管およびその製造方法に関する。
【背景技術】  自動車の燃費向上対策のひとつとして、車体の軽量化が進められている。自動車のコーナリング時に車体のローリングを緩和し、高速走行時に車体の安定性を確保するスタビライザーもその対象として挙げられている。従来、スタビライザーは、棒鋼などの中実材を所要の形状に加工して製造されていたが、軽量化を図るため継目無鋼管や電縫溶接鋼管などの中空材を使用して製造されることが多くなっている。
スタビラーザー用の電縫溶接鋼管として、ＷＯ２００２／０７０７６７号公報には、組成を規定することにより、電縫溶接部及び母材部の金属組織が均一で、電縫溶接部及び母材部の硬度差が小さく、加工性に優れた中空スタビライザー用電縫溶接鋼管が開示されており、また、特開平２００４−０１１００９号公報には、Ｔｉ、Ｎの含有量を規定することによって焼入れ性を確保する中空スタビラーザー用電縫溶接鋼管が開示されている。
特開２００４−００９１２６号公報には、鋼管の肉厚ｔと外径Ｄとの比ｔ／Ｄが２０％以上であり、引張強度が４００〜７５５Ｎ／ｍｍ２とする中空スタビライザー用電縫溶接鋼管が提案され、縮径圧延により肉厚を増加させることが開示されている。
また、特開２００３−２０１５４３号公報には、素管を縮径圧延し、引張強さが５８０ＭＰａ超、降伏比が７０％以下であるハイドロフォーミングに耐える加工性に優れた自動車構造部材用高強度鋼管が提案され、さらに、特開２００４−２９２９２２号公報には、縮径圧延における加熱温度、縮径率などを特定することにより、曲げ加工、縮径加工、管端扁平加工などの複合二次加工性に優れた高張力鋼管の製造方法が提案されている。
また、特開２００５−０７６０４７号公報には、素材素管を冷間曲げ加工によりスタビラーザー形状に成形する成形工程と、この成形鋼管に焼入れ、焼き戻し熱処理を施す中空スタビライザーの製造方法において、前記素材素管を、母鋼管に加熱処理を施した後、圧延温度６００〜８５０℃、累積縮径率４０％以上で絞り圧延を施したものとする耐疲労特性に優れた中空スタビライザーの製造方法が開示されている。
また、特許第３，６５３，８７１号公報には、質量％で、Ｃ：０．１５〜０．３％、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ｃｕ：０．０５〜０．３０％を含み、更に、Ｓｉ≦０．４１％、Ｐ≦０．０２％、Ａｌ≦０．０３％、Ｎｂ≦０．０２０％、Ｂ≦０．００１％、Ｔｉ≦０．０１％、Ｃｒ≦０．４２％のうちから選択される１種以上を含有し、不可避的不純物として、０≦Ｎｉ＋Ｍｏ＜０．１５％およびＳ≦０．００３％に限定し、残部がＦｅからなる加工性に優れ、腐食による水素侵入後の残留強度率の高い焼き入れ用電縫鋼管が開示されている。
ところで、例えば、スタビライザーは、電縫溶接鋼管をさらに縮径圧延し、所要の肉厚／外径比とした厚肉電縫溶接鋼管を、１）曲げ加工などの冷間成形加工により所要の形状に成形し、これを加熱、水冷して焼入れした後、焼戻しを施すか、或いは、２）厚肉電縫溶接鋼管を加熱し、プレスなどの熱間成形加工により所要の形状に成形し、引き続いて水冷して焼入れした後、焼戻しを施すことによって製造される。後者の熱間成形加工による方法は、前者の冷間成形加工による方法に比べて、加工成形が容易であり、複雑な形状にも対応できる点で優れているため、製造プロセスとして有利である。
しかしながら、この方法では、加熱後成形するので、焼入れまでの時間が長くなり、成形した部材の温度が低下すること、プレス金型と素材鋼管（電縫溶接鋼管）との接触による温度の低下、或いは加熱スケールの生成による温度の不均一が発生することなどのために、全体に十分な焼入れ状態を確保することが困難となり焼入れ不足の発生が懸念され、さらに焼入れ性の優れた鋼管用鋼材が必要である。そのためスタビライザー用鋼には高い焼入れ性を有するＢ添加鋼を適用するのが一般的であるが、Ｂ添加鋼は熱間加工性に乏しく、熱間成型加工時に割れや疵が発生しやすいことが大きな問題になっている。さらに、Ｂ添加鋼はスタビラーザーにとって重要な特性である疲労強度が低くなる場合がある。
また、車体の軽量化はさらに加速化する趨勢にあり、スタビライザー用の電縫溶接鋼管としてさらに、強度の高いものが求められている。
【発明の開示】
上記のＷＯ２００２／０７０７６７号公報、特開平２００４−０１１００９号公報、特開２００４−００９１２６号公報、特開２００３−２０１５４３号公報、特開２００４−２９２９２２号公報、特開２００５−０７６０４７号公報、特開２００５−０７６０４７号公報、特許第３６５３８７１号などに記載のスタビライザー用電縫溶接鋼管や高強度鋼管は、自動車構造部材用鋼管として有用ではあるが、上述のように、自動車構造用部材の製造工程におけるプロセスの変化により生じている問題に対して十分対応できるものではない。また、疲労特性の面においても十分なものとは言えない。
本発明は、上記の問題点に鑑み、十分な焼入れ性を有すると共に、熱間加工性及び疲労強度に優れた高強度厚肉電縫溶接鋼管およびその製造方法を提供することを課題とする。
本発明の厚肉電縫溶接鋼管は、上記の課題を解決するためになされたものであり、溶接性、靭性を損なわない程度に極力Ｃを増やして強度（硬度）を向上させると共に、Ｎ含有量の範囲を厳密に限定することにより、熱間加工性や疲労強度を向上させ、さらに鋼材の組成を臨界冷却速度Ｖｃが特定の範囲となるように調整することによって、焼入れ性を確保するようにしたものである。そして、本発明の厚肉電縫溶接鋼管の製造においては、加熱温度、断面減少率を特定の範囲として電縫溶接鋼管に縮径圧延を施すものである。
その要旨とするところは以下のとおりである。
（１）質量％で、Ｃ：０．２５〜０．４％、Ｓｉ：０．０１〜０．５０％、Ｍｎ：０．８〜１．５％、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０５％以下、Ａｌ：０．０５％以下、Ｔｉ：０．００５〜０．０５％、Ｂ：０．０００５〜０．０１％、Ｎ：０．００１〜０．０５％を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、式＜１＞で表される臨界冷却速度Ｖｃが３０℃／ｓ未満であり、肉厚ｔと外径Ｄの比であるｔ／Ｄが０．１５超〜０．３０の範囲であることを特徴とする焼入れ性、熱間加工性および疲労強度に優れた高強度厚肉電縫溶接鋼管。
ｌｏｇＶｃ＝２．９４−０．７５β          ＜１＞
但し、β＝２．７Ｃ＋０．４Ｓｉ＋Ｍｎ
（２）質量％で、さらに、Ｃｒ：０．１〜１％、Ｍｏ：０．０５〜１％、Ｖ：０．０１〜０．５％、Ｎｉ：０．１〜１％の１種または２種以上を含有することを特徴とする（１）に記載の焼入れ性、熱間加工性および疲労強度に優れた高強度厚肉電縫溶接鋼管。
但し、式＜１＞において、
β＝２．７Ｃ＋０．４Ｓｉ＋Ｍｎ＋０．４５Ｎｉ＋０．８Ｃｒ
＋２Ｍｏ
（３）質量％で、さらにＮｂ：０．０１〜０．１％を含有することを特徴とする（１）また（２）に記載の焼入れ性、熱間加工性および疲労強度に優れた高強度厚肉電縫鋼管。
（４）質量％で、さらに、Ｃａ：０．０００２〜０．００５％を含有することを特徴とする（１）〜（３）のいずれか１項に記載の焼入れ性、熱間加工性および疲労強度に優れた高強度厚肉電縫溶接鋼管。
（５）（１）〜（４）のいずれか１項に記載の成分を有する電縫溶接鋼管を８００〜１２００℃に加熱し、断面減少率が４０〜８０％の範囲で縮径圧延することを特徴とする焼入れ性、熱間加工性および疲労強度に優れた高強度厚肉電縫溶接鋼管の製造方法。
本発明の厚肉電縫溶接鋼管は、焼入れ性に極めて優れているため、スタビライザーなどの自動車構造用部材の製造において、例えば熱間成形加工を行った後、直ちに焼入れ処理を行った場合でも十分な焼入れ効果を得ることができ、また、焼入れ手段も水冷に限らず、水冷に比べて冷却速度が小さい油焼入れによっても十分な焼入れ効果を得ることができる。
また、熱間加工性に優れているため、自動車部材を製造するに際して、熱間成形しても割れや疵が発生しにくい。加えて、疲労強度に優れているため、繰り返し荷重に対する耐久性が高い。さらに、強度が高いため、スタビライザーなど、自動車構造用部材をより軽量化することが可能となる。
【図面の簡単な説明】  図１は、厚肉電縫溶接鋼管用鋼材の焼入れ、焼き戻し後の硬さとＣ量との関係を示す図である。
図２は、８５０℃での絞り値とＮ含有量との関係を示す図である。
図３は、疲労試験の方法を説明するための図である。
【発明を実施するための最良の形態】  発明者らは、スタビラーザー用の厚肉電縫溶接鋼管の焼入れ性、熱間加工性および疲労強度を向上させると共に、強度をさらに強化する方法を検討した。
先ず、強度について検討を行ない、Ｃ量を変えた表１に示すような組成の電縫溶接鋼管用の鋼材（試験材Ａ、Ｂ、Ｃ）、および比較の鋼材（従来材Ａ，Ｂ）について水冷焼入れ、焼き戻し後の硬さを調査した。図１は、水冷焼入れ、焼き戻し後の硬さの変化とＣ量との関係を示したものである。
図１から判るように、Ｃ量が増えることによって硬度が増加し、例えば、従来材の硬度レベルよりほぼ１０％以上高くなっており、強度を向上させることができることが判る。なお、その効果は、Ｃ：０．２５％以上とすると、一層顕著であることがわかる。
【表１】
2007023873.tif 000002
次に、焼入れ性について検討した。
図１には１００％および９０％マルテンサイト組織の硬さとＣ量の関係も同時に示したが、試験材Ａ、Ｂ、Ｃは少なくとも９０％マルテンサイト組織まで焼きが入れば従来材の１０％以上の硬さが確保できていることがわかる。従って、焼入れ性の指標としては、例えば、鉄と鋼、７４（１９８８）Ｐ．１０７３により従来から知られている、９０％マルテンサイト組織が得られる臨界冷却速度Ｖｃ（℃／ｓｅｃ）を用いれば良い。これは、通常、下記＜１＞式で表されている。
ｌｏｇＶｃ＝２．９４−０．７５β            ・・・＜１＞
ただし、β＝２．７Ｃ＋０．４Ｓｉ＋Ｍｎ、或いは、β＝２．７Ｃ＋０．４Ｓｉ＋Ｍｎ＋０．４５Ｎｉ＋０．８Ｃｒ＋２Ｍｏ。
図１から、水焼入れでは９０％以上のマルテンサイト組織が得られていることは明らかであるが、油焼入れの場合には水焼入れに比べて冷却速度が大きく減少する。通常、スタビライザーに用いられるサイズの鋼管を油焼入れした時に達せられる冷却速度は３０℃／ｓである。従って、油焼入れでも９０％マルテンサイト組織を確保するために、本発明においては、臨界冷却速度Ｖｃを３０℃／ｓｅｃ未満とした。
上述のように、素材鋼管の強度を向上させるために、Ｃ量を増やすとともに、＜１＞で示される臨界冷却速度Ｖｃが３０℃／ｓｅｃ未満となるように成分を選択するものである。
次に、本発明者らは、熱間加工性および疲労強度を向上させる方法について検討した。
本発明者らは、熱間成形が施される６００〜９００℃の温度域で、Ｂ添加鋼の熱間加工性が良くない原因を調査した結果、鋼中Ｎ量が熱間変形抵抗に大きく影響していることをつきとめた。すなわち、発明者らは、０．３Ｃ−１．１Ｍｎ−０．０２０Ｔｉ−０．００１３Ｂ鋼に対して、Ｎ含有量を０．０１％〜０．００１％の範囲で変化させた試験材を製作し、実際に熱間成形される温度範囲内である８５０℃で単軸の引張試験を行い、その際の絞り値を測定した。
図２に８５０℃での絞り値とＮ含有量の関係を示す。
図２から判るように、Ｎの含有量が少なくなるほど絞り値が大きくなっており、すなわち、熱間加工性が向上していることがわかる。Ｎの含有量が０．００５％まで下がると、絞り値は熱間成形が概ね可能となる基準である４０％まで上昇し、Ｎの含有量が０．００４％未満では、熱間成形が問題なく実施できる５０％以上にまで絞り値が達している。この理由は、Ｎ含有量が下がることにより熱間成形を行う温度域で析出するＴｉＮの量が低減するためであることを見出した。すなわち、一般にＢ添加鋼には、Ｂの焼き入れ性向上効果を低下させるＢＮの析出を抑制するために、Ｎを固定する効果が高いＴｉを必ず含有させるのであるが、それが故にＢ添加鋼では熱間成形を行う温度域でＴｉＮが析出するために熱間加工性が良くなかった、ということを突き止めたのである。
さらにＴｉＮの多量析出は、スタビライザーの重要な特性である疲労強度も低下させることも見出した。また、ＴｉＮの多量析出は、靭性にも不利である。一方で、ＴｉＮが適量存在することによりγ粒の成長が抑制され靭性の向上に寄与する面もある。従って、従来はあまり厳密に管理されていなかったＮ含有量を厳密に管理することにより、Ｂ添加鋼の熱間加工性、疲労強度、靭性を望ましいものにすることが可能となるのである。
このように、本発明の厚肉電縫溶接鋼管は、Ｃ含有量を高め、かつＮ含有量を少量に抑制することによって、強度を向上させ、熱間加工性および疲労強度を向上させると共に、その他の成分を適切に制御することによって、臨界冷却速度Ｖｃを低くし、焼入れ性を向上させたものである。
以下に、本発明の厚肉電縫溶接鋼管の化学成分について説明する。
Ｃは、基地中に固溶或いは炭化物として析出し、鋼の強度を増加させる元素である。
従来以上に高強度な自動車構造用部材としては、９０％マルテンサイト組織で少なくともＨｖ４００の硬さが要求されるため、Ｃは、０．２５％以上含有させることが必要であるが、０．４％を超えて含有すると、加工性や溶接性が劣化するため、含有量を０．２５〜０．４％の範囲とする。
Ｓｉは、固溶強化に寄与する合金元素であり、その効果を得るためには０．０１％以上含有することが必要である。また、焼き戻し軟化抵抗性を高める効果があり、その効果を得るためには、０．２５％以上添加することが必要である。一方、０．５％を超えて添加すると靭性が低下する。このため、含有量を０．０１〜０．５０％の範囲とする。なお、好ましくは、０．２５〜０．３５％である。
Ｍｎは、焼き入れ性を向上させる元素であり、含有量が０．８％未満では焼き入れ性の向上効果を十分に確保することができず、また、１．５％を超えると溶接性及び溶接部の健全性にも悪影響を及ぼすため、含有量を０．８〜１．５％の範囲とする。
Ａｌは、溶鋼の脱酸材として必要な元素であり、また、Ｎを固定する元素でもあるため、その量は結晶粒径や機械的性質に大きな影響を及ぼす。含有量が０．０５％を超えると、結晶粒径が粗大化して靭性が低下したり、非金属介在物が多くなって製品に表面疵が発生しやすくなるため、その含有量は０．０５％以下とする。なお、好ましくは、０．０３％以下である。
Ｂは、微量の添加で鋼材の焼き入れ性を大幅に向上させる元素であり、また、粒界強化の効果もある。含有量が０．０００５％未満では焼き入れ性を向上させる効果が期待できず、一方、０．０１％を超えると粗大なＢ含有相を生成する傾向があり、また脆化が起こりやすくなる。このため、その含有量は０．０００５％〜０．０１％とする。なお、好ましくは、０．００１０超〜０．００２０％である。
Ｎは、窒化物または炭窒化物を析出させ、強度を高める効果を有する元素である。しかし、Ｂ添加鋼においてはＢＮの析出による焼入れ性の低下や、前述のように、ＢＮの析出を防止するために添加されるＴｉによって、ＴｉＮの析出による熱間加工性や疲労強度の低下、さらには靭性の低下が問題となる。一方で、ＴｉＮは高温時でのγ粒径の粗大化を抑制し靭性を向上させる効果も有する。そのため、熱間加工性、疲労強度および靭性のバランスを最適なものとするために、その含有量は０．００１〜０．００５％の範囲とする。なお、好ましくは、０．００２〜０．００４未満％である。
Ｔｉは、鋼中ＮをＴｉＮとして固定してＢＮの析出を抑制することにより、Ｂ添加による焼き入れ性を安定的かつ効果的に向上させるために作用する。従って、ＴｉＮの化学量論に見合うように、Ｎ含有量の３．４２倍以上の添加が最低限必要であり、上述のＮ含有量の範囲からＴｉ含有量の範囲も自動的に決定される。しかし、炭化物として析出する分もあるので、Ｎの固定をより確実にするために、理論値よりも高めの０．００５以上とし、一方、０．０５％を超えると靭性が劣化する傾向があるので、０．００５〜０．０５％の範囲とする。なお、好ましくは、０．０１〜０．０２％である。
Ｐは、耐溶接割れ性および靭性に悪影響を及ぼす元素であるため、０．０５％以下に限定する。なお、好ましくは、０．０３％以下である。
Ｓは、鋼材の非金属介在物の形成に影響し、鋼管の曲げ性、扁平性などの加工性を劣化させると共に、靭性の劣化や異方性及び再熱割れ感受性の増大の原因となる。また、溶接部の健全性にも影響を悪影響を及ぼす。このため、その含有量は０．０５％以下に限定する。なお、好ましくは、０．０１％以下である。
本発明の厚肉電縫溶接鋼管は、必要に応じて、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｉの一種または二種以上、および／またはＣａ，Ｎｂの一種以上を含有することができる。
Ｃｒは、焼き入れ性を向上させる元素であり、また、基地中にＭ２３Ｃ６型炭化物を析出させる効果を有し、強度を高めると共に炭化物を微細化する作用を有する。含有量が０．１％未満ではこれらの作用、効果を十分に期待することはできず、また、１％を超えると電縫溶接時に欠陥を発生しやすくなる。このため、その含有量は０．１〜１％の範囲とする。なお、好ましくは、０．１〜０．６％である。
Ｍｏは、焼き入れ性を向上させる効果を有する元素であり、固溶強化をもたらす効果を有する元素である。含有量が０．０５％未満ではこれらの効果を十分期待することができず、一方、１％を超えると粗大炭化物を析出しやすく、靭性を劣化させるため、その含有量は０．０５〜１％の範囲とする。なお、好ましくは、０．１〜０．５％である。
Ｎｉは、焼き入れ性及び靭性を向上させる効果を有する元素である。含有量が０．１％未満ではその効果を期待できず、一方、１％を超えると、焼き入れ後にも残留γが存在する可能性があり、疲労耐久性を劣化させる。このため、その含有量は、０．１〜１％の範囲とする。なお、好ましくは、０．０１５〜０．５％である。
Ｖは、焼き入れ性を向上させる効果を有する元素であり、Ｖ炭窒化物による析出強化の効果を有する元素である。含有量が０．０１％未満ではこれらの効果を十分期待することができず、一方、０．５％を超えると粗大炭化物を析出しやすく、靭性を劣化させるため、その含有量は０．０１〜０．５％の範囲とする。なお、好ましくは、０．０２〜０．０５％である。
Ｎｂは、Ｎｂ炭窒化物による析出強化の効果を有するのに加えて、旧オーステナイト粒径を微細化し、靭性を向上させる効果を有する。さらに、表面の脱炭を抑制する効果がある。
含有量が０．０１％未満では、強度、靭性の向上効果が十分ではなく、０．１％を超えて含有すると炭化物が増加し、靭性が低下する。このため、その含有量は０．０１〜０．１％の範囲とする。なお、好ましくは、０．０２〜０．０４％である。
Ｃａは酸化物、硫化物の形状を球状にして、加工性を向上させる効果を有する元素である。含有量が０．０００２％未満ではこれらの効果を十分期待することができず、一方、０．００５％を超えると鋼中酸化物が増えて靭性を劣化させるため、その含有量は０．０００２〜０．００５％の範囲とする。なお、好ましくは、０．０００２〜０．００４％である。
次に、本発明の厚肉電縫溶接鋼管において、鋼管の肉厚ｔ（ｍｍ）と鋼管の外径Ｄ（ｍｍ）との比であるｔ／Ｄの範囲を０．１５超〜０．３０のとした理由について説明する。
スタビライザーの軽量化のためにはｔ／Ｄが小さいほど望ましい。しかし、ｔ／Ｄが小さいほど使用時に加わる主応力が大きくなるために疲労特性が低下する。一方、ｔ／Ｄが大きくなると軽量化の効果が少なくなるのに加えて、電縫鋼管の製造が困難になる。最低限の疲労強度を確保するためにｔ／Ｄの下限を０．１５超、製造性と軽量化の観点から上限を０．３０に定めた。
本発明の厚肉電縫溶接鋼管の製造方法について説明する。
所要の化学組成を有するように溶製した溶鋼を、鋳造して鋳片とするか、或いは一旦鋼塊とした後、熱間圧延して鋼片とし、この鋳片または鋼片を熱間圧延して熱間圧延鋼板とする。
この熱間圧延鋼板を通常の電縫溶接鋼管の製造方法、例えば熱間或いは冷間での電気抵抗溶接により電縫溶接鋼管とする。
本発明の肉厚電縫溶接鋼管は、上述のように鋼管の肉厚／外径の比、ｔ／Ｄ、を０．１５超〜０．３０とするものであり、電縫溶接鋼管造管機の能力がこのような範囲の肉厚／外径比の電縫溶接鋼管の造管能力を有する場合は、上記の熱間圧延鋼板を用いて直接、本発明の肉厚電縫溶接鋼管を製造することができる。
しかしながら、電縫溶接鋼管は、肉厚が厚いほど、管の外径が小さいほど、また鋼管用鋼材の強度が高いほど製造が困難となる。一般に肉厚／外径比ｔ／Ｄが０．１５以下の電縫溶接鋼管は、通常の電縫溶接鋼管造管機により製造可能であるが、ｔ／Ｄが０．１５を超えると製造能力を超えるため通常の電縫溶接鋼管造管機では、ｔ／Ｄが０．１５超〜０．３０とする本発明の厚肉電縫溶接鋼管を直接製造することは困難となることが多い。
従って、通常の電縫溶接鋼管の造管機にて肉厚／外径比が０．１５以下の電縫溶接鋼管（これを母管とも称する）を製造し、さらに、これに熱間で縮径圧延を施して肉厚／外径比が０．１５超〜０．３０の厚肉電縫溶接鋼管を製造するものである。
縮径圧延は、ストレッチレデューサーなどを用いて行うことができる。
ステレッチレデューサーは、圧延軸の周りに３ロール或いは４ロールを有する圧延スタンドを複数、圧延軸に直列に備えた圧延装置であり、この圧延装置の各圧延スタンドのロール回転数及び圧下力を調整することにより、鋼管の管軸方向（圧延方向）の張力及び円周方向の圧縮力を制御し、これによって肉厚／外径比を増加させる縮径圧延を行うことができる。
すなわち、縮径圧延においては、鋼管の外径の圧下力により外径が縮小される一方で肉厚は増加するが、他方、鋼管の管軸方向に働く張力により肉厚が減少するので、両者のバランスにより最終の肉厚が決定される。このように縮径圧延した鋼管の肉厚は、上記圧延スタンドの間の張力により主として決定されるので、目標肉厚を得るための圧延スタンド間の張力を圧延理論などから求め、その張力が働くように各圧延スタンドのロール回転数を設定することが必要である。
上述のように、本発明は、上記電縫溶接鋼管（母管）を８００〜１２００℃に加熱し、断面減少率４０〜８０％で熱間での縮径圧延を施して、肉厚／外径比を０．１５超〜０．３０とした厚肉電縫溶接鋼管とするものである。
ここで、断面減少率とは、（縮径前の鋼管の外径−縮径後の鋼管の外径）／縮径前の鋼管の外径×１００（％）である。
縮径圧延時の電縫溶接鋼管の加熱温度は、８００℃未満では変形抵抗が大きく、一方、１２００℃を超えると、加熱スケールの発生が著しくなり表面性状が劣化する。このため、加熱温度は、８００〜１２００℃の範囲とする。
また、縮径圧延時の断面減少率が４０％未満では圧縮力が不十分であり、肉厚／外径比が０．１５以下の電縫溶接鋼管（母管）から肉厚／外径比が０．１５超〜０．３０の厚肉電縫溶接鋼管とすることが困難である。一方、断面減少率が８０％を超えると、縮径圧延による鋼管の表面疵の発生が著しくなりまた、均一な形状の確保が困難になる。このため、縮径圧延における断面減少率は４０〜８０％とする。
なお、本発明の肉厚電縫溶接鋼管が縮径圧延により製造されたものであるか否かは、管軸方向に垂直な断面（Ｃ断面）の内面の角張り状態の観察或いは、肉厚測定によって判断することができる。
例えば、縮径圧延に用いられるストレッチレデューサーは、上述のように、圧延軸の周りに３ロール或いは４ロールを有する圧延スタンドを複数、圧延軸に直列に備えた圧延装置であり、通常、隣合う圧延スタンド（例えば、ＮおよびＮ＋１圧延スタンド）のロールは位相がずらされており、３ロール圧延スタンドの場合は６０°、４ロール圧延スタンドの場合は４５°だけ位相をずらした配置となっている。
従って、縮径圧延によって製造された厚肉電縫溶接鋼管の管軸方向に垂直な断面（Ｃ断面）の内面形状は、ストレッチレデューサーが３ロールの圧延スタンドを備える場合は六角形、４ロールの圧延スタンドを備える場合は八角形となる。
また、ストレッチレデューサーの連続する４つの圧延スタンド（例えば、Ｎ、Ｎ＋１、Ｎ＋２、Ｎ＋３圧延スタンド）においてロールの位相を、３ロール圧延スタンドの場合に３０°、６０°、９０°とずらし、４ロール圧延スタンドの場合に２２．５°、４５°、６７．５°、とずらした場合は、縮径圧延後の厚肉電縫溶接鋼管の管軸方向に垂直な断面（Ｃ断面）の内面形状は、それぞれ、３ロール圧延スタンドを備える場合は、十二角形、４ロール圧延スタンドを備える場合は、十六角形となる。
このように、厚肉電縫溶接鋼管の管軸方向に垂直な断面の内面形状が、上述のような多角形状を形成している場合は、この厚肉電縫溶接鋼管が縮径圧延により製造されたものであることがわかる。
【実施例】  表２に示す組成を有する各種鋼を溶製し、鋳片に鋳造した。この鋳片を１１５０℃に加熱し、圧延仕上げ温度８９０℃、巻き取り温度６３０℃で熱間圧延し、板厚６ｍｍの鋼板とした。この熱間圧延鋼板を所定の幅にスリットし、高周波電縫溶接により外径９０ｍｍの電縫溶接鋼管（母管）とした。引き続き高周波誘導加熱によりこの鋼管を９８０℃に加熱した後、縮径圧延を施し、肉厚７ｍｍ、外径３５ｍｍ、の肉厚電縫溶接鋼管とした。
また、表２のＮｏ．１鋼にて製造した電縫溶接鋼管について、縮径圧延における断面減少率を変化させ、肉厚５〜７．５ｍｍ、外径３０〜３５ｍｍの肉厚電縫溶接鋼管を製造した。
得られた厚肉電縫溶接鋼管を９６０℃に加熱し水冷して、焼入れを行い、３００℃×１ｈｒ、および３５０℃×１ｈｒの焼き戻しを行なった。この鋼管より試験片を採取して各種の試験を行い、本発明の厚肉電縫溶接鋼管の特性を確認した。
硬さは肉厚中心部をＨｖ９．８Ｎで５点計測し平均値を求めた。
熱間加工性は、平行部の直径が６ｍｍの単軸引張試験片を用いて、８５０℃で引張り、破断部の断面積の減少率により評価した。
また、疲労特性は、ばね論文集、２８（１９８３）Ｐ．４６に記載の方法により、図３に示すような曲げ半径６０ｍｍで曲げた疲労試験片を採取し、片側を固定して、同一直径の中実材で第一主応力振幅が６００ＭＰａとなるような応力条件で両振りの疲労試験を実施し、破断繰り返し数を求めた。
これらの特性の結果を表２および表３に示す。
【表２】
2007023873.tif 000003
【表３】
2007023873.tif 000004
表２に示した、本発明の化学成分を有するＮｏ．１〜１１の鋼は、硬さ、熱間加工性および疲労強度において優れた特性を有していることがわかる。
それに対して、Ｎｏ．１２の鋼は臨界冷却速度Ｖｃが大きいために焼きが十分に入らず、Ｃ量も０．２２％と低く十分な硬さが得られなかった例である。Ｎｏ．１３の鋼はＮ量が高すぎたため熱間加工性が悪く、また疲労特性もやや低めであった例である。Ｎｏ．１４の鋼はＣ量が不足していたため、３００℃での焼き戻しでも、自動車構造用部材として最低限必要な硬さが得られなかった例である。
表３に示した、本発明鋼管Ｎｏ．ａ〜ｅは、破断繰り返し数が５０×１０３回を超える十分な疲労強度を有していることがわかる。
それに対して、Ｎｏ．ｆの鋼管は、ｔ／Ｄが小さすぎて十分な疲労強度が得られなかった例である。
【図１】
2007023873.tif 000005
【図２】
2007023873.tif 000006
【図３】
2007023873.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成19年1月5日(2007.1.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】請求の範囲
【請求項１】質量％で、
Ｃ：０．２５〜０．４％、
Ｓｉ：０．０１〜０．５０％、
Ｍｎ：０．８〜１．５％、
Ｐ：０．０５％以下、
Ｓ：０．０５％以下、
Ａｌ：０．０５％以下、
Ｔｉ：０．００５〜０．０５％、
Ｂ：０．０００５〜０．０１％、
Ｎ：０．００１〜０．００４％未満
を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、式＜１＞で表される臨界冷却速度Ｖｃが３０℃／ｓ未満であり、肉厚ｔと外径Ｄの比であるｔ／Ｄが０．１５超〜０．３０の範囲であることを特徴とする焼入れ性、熱間加工性および疲労強度に優れた高強度厚肉電縫溶接鋼管。
ｌｏｇＶｃ＝２．９４−０．７５β        ＜１＞
但し、β＝２．７Ｃ＋０．４Ｓｉ＋Ｍｎ
【請求項２】質量％で、さらに、
Ｃｒ：０．１〜１％、
Ｍｏ：０．０５〜１％、
Ｖ：０．０１〜０．５％、
Ｎｉ：０．１〜１％の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に記載の焼入れ性、熱間加工性および疲労強度に優れた高強度厚肉電縫溶接鋼管。
但し、式＜１＞において、
β＝２．７Ｃ＋０．４Ｓｉ＋Ｍｎ＋０．４５Ｎｉ＋０．８Ｃｒ＋２Ｍｏ
【請求項３】質量％でさらに、
Ｎｂ：０．０１〜０．１％を含有することを特徴とする請求項１または２に記載の焼入れ性、熱間加工性および疲労強度に優れた高強度厚肉電縫溶接鋼管。
【請求項４】質量％で、さらに、Ｃａ：０．０００２〜０．００５％を含有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の焼入れ性、熱間加工性および疲労強度に優れた高強度厚肉電縫溶接鋼管。
【請求項５】請求項１〜４のいずれか１項に記載の成分を有する電縫溶接鋼管を８００〜１２００℃に加熱し、断面減少率が４０〜８０％の範囲で縮径圧延することを特徴とする焼入れ性、熱間加工性および疲労強度に優れた高強度厚肉電縫溶接鋼管の製造方法。
【手続補正書】
【提出日】平成20年8月1日(2008.8.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、
Ｃ：０．２５〜０．４％、
Ｓｉ：０．０１〜０．５０％、
Ｍｎ：０．８〜１．５％、
Ｐ：０．０５％以下、
Ｓ：０．０５％以下、
Ａｌ：０．０５％以下、
Ｔｉ：０．００５〜０．０５％、
Ｂ：０．０００５〜０．０１％、
Ｎ：０．００１〜０．００４％未満
を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、式＜１＞で表される臨界冷却速度Ｖｃが３０℃／ｓ未満であり、肉厚ｔと外径Ｄの比であるｔ／Ｄが０．１５超〜０．３０の範囲であることを特徴とする焼入れ性、熱間加工性および疲労強度に優れた高強度厚肉電縫溶接鋼管。
ｌｏｇＶｃ＝２．９４−０．７５β          ＜１＞
但し、β＝２．７Ｃ＋０．４Ｓｉ＋Ｍｎ
【請求項２】
質量％で、さらに、
Ｃｒ：０．１〜１％、
Ｍｏ：０．０５〜１％、
Ｖ：０．０１〜０．５％、
Ｎｉ：０．１〜１％の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に記載の焼入れ性、熱間加工性および疲労強度に優れた高強度厚肉電縫溶接鋼管。
但し、式＜１＞において、
β＝２．７Ｃ＋０．４Ｓｉ＋Ｍｎ＋０．４５Ｎｉ＋０．８Ｃｒ＋２Ｍｏ
【請求項３】
質量％でさらに、
Ｎｂ：０．０１〜０．１％を含有することを特徴とする請求項１または２に記載の焼入れ性、熱間加工性および疲労強度に優れた高強度厚肉電縫溶接鋼管。
【請求項４】
質量％で、さらに、Ｃａ：０．０００２〜０．００５％を含有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の焼入れ性、熱間加工性および疲労強度に優れた高強度厚肉電縫溶接鋼管。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の成分を有する電縫溶接鋼管を８００〜１２００℃に加熱し、断面減少率が４０〜８０％の範囲で縮径圧延することを特徴とする焼入れ性、熱間加工性および疲労強度に優れた高強度厚肉電縫溶接鋼管の製造方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車の走行安定性を確保するための中空スタビライザーに適し、焼入れ性、熱間加工性および疲労強度に優れた高強度厚肉電縫溶接鋼管およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車の燃費向上対策のひとつとして、車体の軽量化が進められている。自動車のコーナリング時に車体のローリングを緩和し、高速走行時に車体の安定性を確保するスタビライザーもその対象として挙げられている。従来、スタビライザーは、棒鋼などの中実材を所要の形状に加工して製造されていたが、軽量化を図るため継目無鋼管や電縫溶接鋼管などの中空材を使用して製造されることが多くなっている。
スタビラーザー用の電縫溶接鋼管として、ＷＯ２００２／０７０７６７号公報には、組成を規定することにより、電縫溶接部及び母材部の金属組織が均一で、電縫溶接部及び母材部の硬度差が小さく、加工性に優れた中空スタビライザー用電縫溶接鋼管が開示されており、また、特開平２００４−０１１００９号公報には、Ｔｉ、Ｎの含有量を規定することによって焼入れ性を確保する中空スタビラーザー用電縫溶接鋼管が開示されている。
特開２００４−００９１２６号公報には、鋼管の肉厚ｔと外径Ｄとの比ｔ／Ｄが２０％以上であり、引張強度が４００〜７５５Ｎ／ｍｍ２とする中空スタビライザー用電縫溶接鋼管が提案され、縮径圧延により肉厚を増加させることが開示されている。
また、特開２００３−２０１５４３号公報には、素管を縮径圧延し、引張強さが５８０ＭＰａ超、降伏比が７０％以下であるハイドロフォーミングに耐える加工性に優れた自動車構造部材用高強度鋼管が提案され、さらに、特開２００４−２９２９２２号公報には、縮径圧延における加熱温度、縮径率などを特定することにより、曲げ加工、縮径加工、管端扁平加工などの複合二次加工性に優れた高張力鋼管の製造方法が提案されている。
また、特開２００５−０７６０４７号公報には、素材素管を冷間曲げ加工によりスタビラーザー形状に成形する成形工程と、この成形鋼管に焼入れ、焼き戻し熱処理を施す中空スタビライザーの製造方法において、前記素材素管を、母鋼管に加熱処理を施した後、圧延温度６００〜８５０℃、累積縮径率４０％以上で絞り圧延を施したものとする耐疲労特性に優れた中空スタビライザーの製造方法が開示されている。
また、特許第３，６５３，８７１号公報には、質量％で、Ｃ：０．１５〜０．３％、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ｃｕ：０．０５〜０．３０％を含み、更に、Ｓｉ≦０．４１％、Ｐ≦０．０２％、Ａｌ≦０．０３％、Ｎｂ≦０．０２０％、Ｂ≦０．００１％、Ｔｉ≦０．０１％、Ｃｒ≦０．４２％のうちから選択される１種以上を含有し、不可避的不純物として、０≦Ｎｉ＋Ｍｏ＜０．１５％およびＳ≦０．００３％に限定し、残部がＦｅからなる加工性に優れ、腐食による水素侵入後の残留強度率の高い焼き入れ用電縫鋼管が開示されている。
【０００３】
ところで、例えば、スタビライザーは、電縫溶接鋼管をさらに縮径圧延し、所要の肉厚／外径比とした厚肉電縫溶接鋼管を、１）曲げ加工などの冷間成形加工により所要の形状に成形し、これを加熱、水冷して焼入れした後、焼戻しを施すか、或いは、２）厚肉電縫溶接鋼管を加熱し、プレスなどの熱間成形加工により所要の形状に成形し、引き続いて水冷して焼入れした後、焼戻しを施すことによって製造される。後者の熱間成形加工による方法は、前者の冷間成形加工による方法に比べて、加工成形が容易であり、複雑な形状にも対応できる点で優れているため、製造プロセスとして有利である。
しかしながら、この方法では、加熱後成形するので、焼入れまでの時間が長くなり、成形した部材の温度が低下すること、プレス金型と素材鋼管（電縫溶接鋼管）との接触による温度の低下、或いは加熱スケールの生成による温度の不均一が発生することなどのために、全体に十分な焼入れ状態を確保することが困難となり焼入れ不足の発生が懸念され、さらに焼入れ性の優れた鋼管用鋼材が必要である。そのためスタビライザー用鋼には高い焼入れ性を有するＢ添加鋼を適用するのが一般的であるが、Ｂ添加鋼は熱間加工性に乏しく、熱間成型加工時に割れや疵が発生しやすいことが大きな問題になっている。さらに、Ｂ添加鋼はスタビラーザーにとって重要な特性である疲労強度が低くなる場合がある。
また、車体の軽量化はさらに加速化する趨勢にあり、スタビライザー用の電縫溶接鋼管としてさらに、強度の高いものが求められている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のＷＯ２００２／０７０７６７号公報、特開平２００４−０１１００９号公報、特開２００４−００９１２６号公報、特開２００３−２０１５４３号公報、特開２００４−２９２９２２号公報、特開２００５−０７６０４７号公報、特開２００５−０７６０４７号公報、特許第３６５３８７１号などに記載のスタビライザー用電縫溶接鋼管や高強度鋼管は、自動車構造部材用鋼管として有用ではあるが、上述のように、自動車構造用部材の製造工程におけるプロセスの変化により生じている問題に対して十分対応できるものではない。また、疲労特性の面においても十分なものとは言えない。
本発明は、上記の問題点に鑑み、十分な焼入れ性を有すると共に、熱間加工性及び疲労強度に優れた高強度厚肉電縫溶接鋼管およびその製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の厚肉電縫溶接鋼管は、上記の課題を解決するためになされたものであり、溶接性、靭性を損なわない程度に極力Ｃを増やして強度(硬度)を向上させると共に、Ｎ含有量の範囲を厳密に限定することにより、熱間加工性や疲労強度を向上させ、さらに鋼材の組成を臨界冷却速度Ｖｃが特定の範囲となるように調整することによって、焼入れ性を確保するようにしたものである。そして、本発明の厚肉電縫溶接鋼管の製造においては、加熱温度、断面減少率を特定の範囲として電縫溶接鋼管に縮径圧延を施すものである。
その要旨とするところは以下のとおりである。
（１）質量％で、Ｃ：０．２５〜０．４％、Ｓｉ：０．０１〜０．５０％、Ｍｎ：０．８〜１．５％、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０５％以下、Ａｌ：０．０５％以下、Ｔｉ：０．００５〜０．０５％、Ｂ：０．０００５〜０．０１％、Ｎ：０．００１〜０．００４％未満を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、式＜１＞で表される臨界冷却速度Ｖｃが３０℃／ｓ未満であり、肉厚ｔと外径Ｄの比であるｔ／Ｄが０．１５超〜０．３０の範囲であることを特徴とする焼入れ性、熱間加工性および疲労強度に優れた高強度厚肉電縫溶接鋼管。
ｌｏｇＶｃ＝２．９４−０．７５β          ＜１＞
但し、β＝２．７Ｃ＋０．４Ｓｉ＋Ｍｎ
（２）質量％で、さらに、Ｃｒ：０．１〜１％、Ｍｏ：０．０５〜１％、Ｖ：０．０１〜０．５％、Ｎｉ：０．１〜１％の１種または２種以上を含有することを特徴とする（１）に記載の焼入れ性、熱間加工性および疲労強度に優れた高強度厚肉電縫溶接鋼管。
但し、式＜１＞において、
β＝２．７Ｃ＋０．４Ｓｉ＋Ｍｎ＋０．４５Ｎｉ＋０．８Ｃｒ＋２Ｍｏ
（３）質量％で、さらにＮｂ：０．０１〜０．１％を含有することを特徴とする（１）また（２）に記載の焼入れ性、熱間加工性および疲労強度に優れた高強度厚肉電縫鋼管。
（４）質量％で、さらに、Ｃａ：０．０００２〜０．００５％を含有することを特徴とする（１）〜（３）のいずれか１項に記載の焼入れ性、熱間加工性および疲労強度に優れた高強度厚肉電縫溶接鋼管。
（５）（１）〜（４）のいずれか１項に記載の成分を有する電縫溶接鋼管を８００〜１２００℃に加熱し、断面減少率が４０〜８０％の範囲で縮径圧延することを特徴とする焼入れ性、熱間加工性および疲労強度に優れた高強度厚肉電縫溶接鋼管の製造方法。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の厚肉電縫溶接鋼管は、焼入れ性に極めて優れているため、スタビライザーなどの自動車構造用部材の製造において、例えば熱間成形加工を行った後、直ちに焼入れ処理を行った場合でも十分な焼入れ効果を得ることができ、また、焼入れ手段も水冷に限らず、水冷に比べて冷却速度が小さい油焼入れによっても十分な焼入れ効果を得ることができる。
また、熱間加工性に優れているため、自動車部材を製造するに際して、熱間成形しても割れや疵が発生しにくい。加えて、疲労強度に優れているため、繰り返し荷重に対する耐久性が高い。さらに、強度が高いため、スタビライザーなど、自動車構造用部材をより軽量化することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
発明者らは、スタビラーザー用の厚肉電縫溶接鋼管の焼入れ性、熱間加工性および疲労強度を向上させると共に、強度をさらに強化する方法を検討した。
先ず、強度について検討を行ない、Ｃ量を変えた表１に示すような組成の電縫溶接鋼管用の鋼材（試験材Ａ、Ｂ、Ｃ）、および比較の鋼材（従来材Ａ，Ｂ）について水冷焼入れ、焼き戻し後の硬さを調査した。図１は、水冷焼入れ、焼き戻し後の硬さの変化とＣ量との関係を示したものである。
図１から判るように、Ｃ量が増えることによって硬度が増加し、例えば、従来材の硬度レベルよりほぼ１０％以上高くなっており、強度を向上させることができることが判る。なお、その効果は、Ｃ：０．２５％以上とすると、一層顕著であることがわかる。
【０００８】
【表１】
2007023873.tif 000008
【０００９】
次に、焼入れ性について検討した。
図１には１００％および９０％マルテンサイト組織の硬さとＣ量の関係も同時に示したが、試験材Ａ、Ｂ、Ｃは少なくとも９０％マルテンサイト組織まで焼きが入れば従来材の１０％以上の硬さが確保できていることがわかる。従って、焼入れ性の指標としては、例えば、鉄と鋼、７４（１９８８）Ｐ．１０７３により従来から知られている、９０％マルテンサイト組織が得られる臨界冷却速度Ｖｃ（℃／ｓｅｃ）を用いれば良い。これは、通常、下記＜1＞式で表されている。
ｌｏｇＶｃ＝２．９４−０．７５β            ・・・＜１＞
ただし、β＝２．７Ｃ＋０．４Ｓｉ＋Ｍｎ、或いは、β＝２．７Ｃ＋０．４Ｓｉ＋Ｍｎ＋０．４５Ｎｉ＋０．８Ｃｒ＋２Ｍｏ。
図１から、水焼入れでは９０％以上のマルテンサイト組織が得られていることは明らかであるが、油焼入れの場合には水焼入れに比べて冷却速度が大きく減少する。通常、スタビライザーに用いられるサイズの鋼管を油焼入れした時に達せられる冷却速度は３０℃／ｓである。従って、油焼入れでも９０％マルテンサイト組織を確保するために、本発明においては、臨界冷却速度Ｖｃを３０℃／sec未満とした。
上述のように、素材鋼管の強度を向上させるために、Ｃ量を増やすとともに、＜１＞で示される臨界冷却速度Ｖｃが３０℃／sec未満となるように成分を選択するものである。
【００１０】
次に、本発明者らは、熱間加工性および疲労強度を向上させる方法について検討した。
本発明者らは、熱間成形が施される６００〜９００℃の温度域で、Ｂ添加鋼の熱間加工性が良くない原因を調査した結果、鋼中Ｎ量が熱間変形抵抗に大きく影響していることをつきとめた。すなわち、発明者らは、０．３Ｃ−１．１Ｍｎ−０．０２０Ｔｉ−０．００１３Ｂ鋼に対して、Ｎ含有量を０．０１％〜０．００１％の範囲で変化させた試験材を製作し、実際に熱間成形される温度範囲内である８５０℃で単軸の引張試験を行い、その際の絞り値を測定した。
【００１１】
図２に８５０℃での絞り値とＮ含有量の関係を示す。
図２から判るように、Ｎの含有量が少なくなるほど絞り値が大きくなっており、すなわち、熱間加工性が向上していることがわかる。Ｎの含有量が０．００５％まで下がると、絞り値は熱間成形が概ね可能となる基準である４０％まで上昇し、Ｎの含有量が０．００４％未満では、熱間成形が問題なく実施できる５０％以上にまで絞り値が達している。この理由は、Ｎ含有量が下がることにより熱間成形を行う温度域で析出するＴｉＮの量が低減するためであることを見出した。すなわち、一般にＢ添加鋼には、Ｂの焼き入れ性向上効果を低下させるＢＮの析出を抑制するために、Ｎを固定する効果が高いＴｉを必ず含有させるのであるが、それが故にＢ添加鋼では熱間成形を行う温度域でＴｉＮが析出するために熱間加工性が良くなかった、ということを突き止めたのである。
【００１２】
さらにＴｉＮの多量析出は、スタビライザーの重要な特性である疲労強度も低下させることも見出した。また、ＴｉＮの多量析出は、靱性にも不利である。一方で、ＴｉＮが適量存在することによりγ粒の成長が抑制され靱性の向上に寄与する面もある。従って、従来はあまり厳密に管理されていなかったＮ含有量を厳密に管理することにより、Ｂ添加鋼の熱間加工性、疲労強度、靱性を望ましいものにすることが可能となるのである。
このように、本発明の厚肉電縫溶接鋼管は、Ｃ含有量を高め、かつＮ含有量を少量に抑制することによって、強度を向上させ、熱間加工性および疲労強度を向上させると共に、その他の成分を適切に制御することによって、臨界冷却速度Ｖｃを低くし、焼入れ性を向上させたものである。
【００１３】
以下に、本発明の厚肉電縫溶接鋼管の化学成分について説明する。
Ｃは、基地中に固溶或いは炭化物として析出し、鋼の強度を増加させる元素である。
従来以上に高強度な自動車構造用部材としては、９０％マルテンサイト組織で少なくともＨｖ４００の硬さが要求されるため、Ｃは、０．２５％以上含有させることが必要であるが、０．４％を超えて含有すると、加工性や溶接性が劣化するため、含有量を０．２５〜０．４％の範囲とする。
【００１４】
Ｓｉは、固溶強化に寄与する合金元素であり、その効果を得るためには０．０１％以上含有することが必要である。また、焼き戻し軟化抵抗性を高める効果があり、その効果を得るためには、０．２５％以上添加することが必要である。一方、０．５％を超えて添加すると靱性が低下する。このため、含有量を０．０１〜０．５０％の範囲とする。なお、好ましくは、０．２５〜０．３５％である。
【００１５】
Ｍｎは、焼き入れ性を向上させる元素であり、含有量が０．８％未満では焼き入れ性の向上効果を十分に確保することができず、また、１．５％を超えると溶接性及び溶接部の健全性にも悪影響を及ぼすため、含有量を０．８〜１．５％の範囲とする。
Ａｌは、溶鋼の脱酸材として必要な元素であり、また、Ｎを固定する元素でもあるため、その量は結晶粒径や機械的性質に大きな影響を及ぼす。含有量が０．０５％を超えると、結晶粒径が粗大化して靱性が低下したり、非金属介在物が多くなって製品に表面疵が発生しやすくなるため、その含有量は０．０５％以下とする。なお、好ましくは、０．０３％以下である。
【００１６】
Ｂは、微量の添加で鋼材の焼き入れ性を大幅に向上させる元素であり、また、粒界強化の効果もある。含有量が０．０００５％未満では焼き入れ性を向上させる効果が期待できず、一方、０．０１％を超えると粗大なＢ含有相を生成する傾向があり、また脆化が起こりやすくなる。このため、その含有量は０．０００５％〜０．０１％とする。なお、好ましくは、０．００１０超〜０．００２０％である。
【００１７】
Ｎは、窒化物または炭窒化物を析出させ、強度を高める効果を有する元素である。しかし、Ｂ添加鋼においてはＢＮの析出による焼入れ性の低下や、前述のように、ＢＮの析出を防止するために添加されるＴｉによって、ＴｉＮの析出による熱間加工性や疲労強度の低下、さらには靱性の低下が問題となる。一方で、ＴｉＮは高温時でのγ粒径の粗大化を抑制し靱性を向上させる効果も有する。そのため、熱間加工性、疲労強度および靱性のバランスを最適なものとするために、その含有量は０．００１〜０．００５％の範囲とする。なお、好ましくは、０．００２〜０．００４未満％である。
【００１８】
Ｔｉは、鋼中ＮをＴｉＮとして固定してＢＮの析出を抑制することにより、Ｂ添加による焼き入れ性を安定的かつ効果的に向上させるために作用する。従って、ＴｉＮの化学量論に見合うように、Ｎ含有量の３．４２倍以上の添加が最低限必要であり、上述のＮ含有量の範囲からＴｉ含有量の範囲も自動的に決定される。しかし、炭化物として析出する分もあるので、Ｎの固定をより確実にするために、理論値よりも高めの０．００５％以上とし、一方、０．０５％を超えると靭性が劣化する傾向があるので、０．００５〜０．０５％の範囲とする。なお、好ましくは、０．０１〜０．０２％である。
【００１９】
Ｐは、耐溶接割れ性および靱性に悪影響を及ぼす元素であるため、０．０５％以下に限定する。なお、好ましくは、０．０３％以下である。
【００２０】
Ｓは、鋼材の非金属介在物の形成に影響し、鋼管の曲げ性、扁平性などの加工性を劣化させると共に、靱性の劣化や異方性及び再熱割れ感受性の増大の原因となる。また、溶接部の健全性にも影響を悪影響を及ぼす。このため、その含有量は０．０５％以下に限定する。なお、好ましくは、０．０１％以下である。
【００２１】
本発明の厚肉電縫溶接鋼管は、必要に応じて、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｉの一種または二種以上、および／またはＣａ，Ｎｂの一種以上を含有することができる。
【００２２】
Ｃｒは、焼き入れ性を向上させる元素であり、また、基地中にＭ２３Ｃ６型炭化物を析出させる効果を有し、強度を高めると共に炭化物を微細化する作用を有する。含有量が０．１％未満ではこれらの作用、効果を十分に期待することはできず、また、１％を超えると電縫溶接時に欠陥を発生しやすくなる。このため、その含有量は０．１〜１％の範囲とする。なお、好ましくは、０．１〜０．６％である。
【００２３】
Ｍｏは、焼き入れ性を向上させる効果を有する元素であり、固溶強化をもたらす効果を有する元素である。含有量が０．０５％未満ではこれらの効果を十分期待することができず、一方、１％を超えると粗大炭化物を析出しやすく、靱性を劣化させるため、その含有量は０．０５〜１％の範囲とする。なお、好ましくは、０．１〜０．５％である。
【００２４】
Ｎｉは、焼き入れ性及び靱性を向上させる効果を有する元素である。含有量が０．１％未満ではその効果を期待できず、一方、１％を超えると、焼き入れ後にも残留γが存在する可能性があり、疲労耐久性を劣化させる。このため、その含有量は、０．１〜１％の範囲とする。なお、好ましくは、０．０１５〜０．５％である。
【００２５】
Ｖは、焼き入れ性を向上させる効果を有する元素であり、Ｖ炭窒化物による析出強化の効果を有する元素である。含有量が０．０１％未満ではこれらの効果を十分期待することができず、一方、０．５％を超えると粗大炭化物を析出しやすく、靱性を劣化させるため、その含有量は０．０１〜０．５％の範囲とする。なお、好ましくは、０．０２〜０．０５％である。
【００２６】
Ｎｂは、Ｎｂ炭窒化物による析出強化の効果を有するのに加えて、旧オーステナイト粒径を微細化し、靭性を向上させる効果を有する。さらに、表面の脱炭を抑制する効果がある。
含有量が０．０１％未満では、強度、靱性の向上効果が十分ではなく、０．１％を超えて含有すると炭化物が増加し、靱性が低下する。このため、その含有量は０．０１〜０．１％の範囲とする。なお、好ましくは、０．０２〜０．０４％である。
【００２７】
Ｃａは酸化物、硫化物の形状を球状にして、加工性を向上させる効果を有する元素である。含有量が０．０００２％未満ではこれらの効果を十分期待することができず、一方、０．００５％を超えると鋼中酸化物が増えて靱性を劣化させるため、その含有量は０．０００２〜０．００５％の範囲とする。なお、好ましくは、０．０００２〜０．００４％である。
【００２８】
次に、本発明の厚肉電縫溶接鋼管において、鋼管の肉厚ｔ（ｍｍ）と鋼管の外径Ｄ（ｍｍ）との比であるｔ／Ｄの範囲を０．１５超〜０．３０のとした理由について説明する。
スタビライザーの軽量化のためにはｔ／Ｄが小さいほど望ましい。しかし、ｔ／Ｄが小さいほど使用時に加わる主応力が大きくなるために疲労特性が低下する。一方、ｔ／Ｄが大きくなると軽量化の効果が少なくなるのに加えて、電縫鋼管の製造が困難になる。最低限の疲労強度を確保するためにｔ／Ｄの下限を０．１５超、製造性と軽量化の観点から上限を０．３０に定めた。
【００２９】
本発明の厚肉電縫溶接鋼管の製造方法について説明する。
所要の化学組成を有するように溶製した溶鋼を、鋳造して鋳片とするか、或いは一旦鋼塊とした後、熱間圧延して鋼片とし、この鋳片または鋼片を熱間圧延して熱間圧延鋼板とする。
この熱間圧延鋼板を通常の電縫溶接鋼管の製造方法、例えば熱間或いは冷間での電気抵抗溶接により電縫溶接鋼管とする。
本発明の肉厚電縫溶接鋼管は、上述のように鋼管の肉厚／外径の比、ｔ／Ｄ、を０．１５超〜０．３０とするものであり、電縫溶接鋼管造管機の能力がこのような範囲の肉厚／外径比の電縫溶接鋼管の造管能力を有する場合は、上記の熱間圧延鋼板を用いて直接、本発明の肉厚電縫溶接鋼管を製造することができる。
【００３０】
しかしながら、電縫溶接鋼管は、肉厚が厚いほど、管の外径が小さいほど、また鋼管用鋼材の強度が高いほど製造が困難となる。一般に肉厚／外径比ｔ／Ｄが０．１５以下の電縫溶接鋼管は、通常の電縫溶接鋼管造管機により製造可能であるが、ｔ／Ｄが０．１５を超えると製造能力を超えるため通常の電縫溶接鋼管造管機では、ｔ／Ｄが０．１５超〜０．３０とする本発明の厚肉電縫溶接鋼管を直接製造することは困難となることが多い。
従って、通常の電縫溶接鋼管の造管機にて肉厚／外径比が０．１５以下の電縫溶接鋼管（これを母管とも称する）を製造し、さらに、これに熱間で縮径圧延を施して肉厚／外径比が０．１５超〜０．３０の厚肉電縫溶接鋼管を製造するものである。
【００３１】
縮径圧延は、ストレッチレデューサーなどを用いて行うことができる。
ステレッチレデューサーは、圧延軸の周りに３ロール或いは４ロールを有する圧延スタンドを複数、圧延軸に直列に備えた圧延装置であり、この圧延装置の各圧延スタンドのロール回転数及び圧下力を調整することにより、鋼管の管軸方向（圧延方向）の張力及び円周方向の圧縮力を制御し、これによって肉厚／外径比を増加させる縮径圧延を行うことができる。
すなわち、縮径圧延においては、鋼管の外径の圧下力により外径が縮小される一方で肉厚は増加するが、他方、鋼管の管軸方向に働く張力により肉厚が減少するので、両者のバランスにより最終の肉厚が決定される。このように縮径圧延した鋼管の肉厚は、上記圧延スタンドの間の張力により主として決定されるので、目標肉厚を得るための圧延スタンド間の張力を圧延理論などから求め、その張力が働くように各圧延スタンドのロール回転数を設定することが必要である。
【００３２】
上述のように、本発明は、上記電縫溶接鋼管(母管)を８００〜１２００℃に加熱し、断面減少率４０〜８０％で熱間での縮径圧延を施して、肉厚／外径比を０．１５超〜０．３０とした厚肉電縫溶接鋼管とするものである。
ここで、断面減少率とは、（縮径前の鋼管の外径−縮径後の鋼管の外径）／縮径前の鋼管の外径×１００（％）である。
【００３３】
縮径圧延時の電縫溶接鋼管の加熱温度は、８００℃未満では変形抵抗が大きく、一方、１２００℃を超えると、加熱スケールの発生が著しくなり表面性状が劣化する。このため、加熱温度は、８００〜１２００℃の範囲とする。
【００３４】
また、縮径圧延時の断面減少率が４０％未満では圧縮力が不十分であり、肉厚／外径比が０．１５以下の電縫溶接鋼管（母管）から肉厚／外径比が０．１５超〜０．３０の厚肉電縫溶接鋼管とすることが困難である。一方、断面減少率が８０％を超えると、縮径圧延による鋼管の表面疵の発生が著しくなりまた、均一な形状の確保が困難になる。このため、縮径圧延における断面減少率は４０〜８０％とする。
【００３５】
なお、本発明の肉厚電縫溶接鋼管が縮径圧延により製造されたものであるか否かは、管軸方向に垂直な断面（Ｃ断面）の内面の角張り状態の観察或いは、肉厚測定によって判断することができる。
例えば、縮径圧延に用いられるストレッチレデューサーは、上述のように、圧延軸の周りに３ロール或いは４ロールを有する圧延スタンドを複数、圧延軸に直列に備えた圧延装置であり、通常、隣合う圧延スタンド（例えば、ＮおよびＮ＋１圧延スタンド）のロールは位相がずらされており、３ロール圧延スタンドの場合は６０゜、４ロール圧延スタンドの場合は４５゜だけ位相をずらした配置となっている。
従って、縮径圧延によって製造された厚肉電縫溶接鋼管の管軸方向に垂直な断面（Ｃ断面）の内面形状は、ストレッチレデューサーが３ロールの圧延スタンドを備える場合は六角形、４ロールの圧延スタンドを備える場合は八角形となる。
また、ストレッチレデューサーの連続する４つの圧延スタンド（例えば、Ｎ、Ｎ＋１、Ｎ＋２、Ｎ＋３圧延スタンド）においてロールの位相を、３ロール圧延スタンドの場合に３０゜、６０゜、９０゜とずらし、４ロール圧延スタンドの場合に２２．５゜、４５゜、６７．５゜、とずらした場合は、縮径圧延後の厚肉電縫溶接鋼管の管軸方向に垂直な断面（Ｃ断面）の内面形状は、それぞれ、３ロール圧延スタンドを備える場合は、十二角形、４ロール圧延スタンドを備える場合は、十六角形となる。
このように、厚肉電縫溶接鋼管の管軸方向に垂直な断面の内面形状が、上述のような多角形状を形成している場合は、この厚肉電縫溶接鋼管が縮径圧延により製造されたものであることがわかる。
【実施例】
【００３６】
表２に示す組成を有する各種鋼を溶製し、鋳片に鋳造した。この鋳片を１１５０℃に加熱し、圧延仕上げ温度８９０℃、巻き取り温度６３０℃で熱間圧延し、板厚６ｍｍの鋼板とした。この熱間圧延鋼板を所定の幅にスリットし、高周波電縫溶接により外径９０ｍｍの電縫溶接鋼管（母管）とした。引き続き高周波誘導加熱によりこの鋼管を９８０℃に加熱した後、縮径圧延を施し、肉厚７ｍｍ、外径３５ｍｍ、の肉厚電縫溶接鋼管とした。
また、表２のＮｏ．１鋼にて製造した電縫溶接鋼管について、縮径圧延における断面減少率を変化させ、肉厚５〜７．５ｍｍ、外径３０〜３５ｍｍの肉厚電縫溶接鋼管を製造した。
得られた厚肉電縫溶接鋼管を９６０℃に加熱し水冷して、焼入れを行い、３００℃×１ｈｒ、および３５０℃×１ｈｒの焼き戻しを行なった。この鋼管より試験片を採取して各種の試験を行い、本発明の厚肉電縫溶接鋼管の特性を確認した。
硬さは肉厚中心部をＨｖ９．８Ｎで５点計測し平均値を求めた。
熱間加工性は、平行部の直径が６ｍｍの単軸引張試験片を用いて、８５０℃で引張り、破断部の断面積の減少率により評価した。
また、疲労特性は、ばね論文集、２８（１９８３）Ｐ．４６に記載の方法により、図３に示すような曲げ半径６０ｍｍで曲げた疲労試験片を採取し、片側を固定して、同一直径の中実材で第一主応力振幅が６００ＭＰａとなるような応力条件で両振りの疲労試験を実施し、破断繰り返し数を求めた。
これらの特性の結果を表２および表３に示す。
【００３７】
【表２】
2007023873.tif 000009
【００３８】
【表３】
2007023873.tif 000010
【００３９】
表２に示した、本発明の化学成分を有するＮｏ．１〜１１の鋼は、硬さ、熱間加工性および疲労強度において優れた特性を有していることがわかる。
それに対して、Ｎｏ．１２の鋼は臨界冷却速度Ｖｃが大きいために焼きが十分に入らず、Ｃ量も０．２２％と低く十分な硬さが得られなかった例である。Ｎｏ．１３の鋼はＮ量が高すぎたため熱間加工性が悪く、また疲労特性もやや低めであった例である。Ｎｏ．１４の鋼はＣ量が不足していたため、３００℃での焼き戻しでも、自動車構造用部材として最低限必要な硬さが得られなかった例である。
表３に示した、本発明鋼管Ｎｏ．ａ〜ｅは、破断繰り返し数が５０×１０３回を超える十分な疲労強度を有していることがわかる。
それに対して、Ｎｏ．ｆの鋼管は、ｔ／Ｄが小さすぎて十分な疲労強度が得られなかった例である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】図１は、厚肉電縫溶接鋼管用鋼材の焼入れ、焼き戻し後の硬さとＣ量との関係を示す図である。
【図２】図２は、８５０℃での絞り値とＮ含有量との関係を示す図である。
【図３】図３は、疲労試験の方法を説明するための図である。
【国際調査報告】
2007023873.tif 000011
2007023873.tif 000012
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