(57)【要約】【課題】成形されるばねが十分な疲労強度を安定的に確保できるような高強度ばね用中空シームレス鋼管を提供する。【解決手段】本発明のばね用中空シームレス鋼管は、質量％で、Ｃ：０．２〜０．７％、Ｓｉ：０．５〜３％、Ｍｎ：０．１〜２％、Ｃｒ：０％超、３％以下、Ａｌ：０％超、０．１％以下、Ｐ：０％超、０．０２％以下、Ｓ：０％超、０．０２％以下及びＮ：０％超、０．０２％以下を含有し、残部が鉄及び不可避不純物である中空シームレス鋼管であって、下記（１）式で算出される偏肉率の最大値と、内面疵深さと、内面トータル脱炭深さとが、鋼管の全長に亘って、それぞれ７．０％以下、５０μｍ以下、１００μｍ以下である。  偏肉率＝（最大肉厚−最小肉厚）／｛（最大肉厚＋最小肉厚）／２｝／２×１００・・・（１）【選択図】図５
2016125119.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、
Ｃ  ：０．２〜０．７％、
Ｓｉ：０．５〜３％、
Ｍｎ：０．１〜２％、
Ｃｒ：０％超、３％以下、
Ａｌ：０％超、０．１％以下、
Ｐ  ：０％超、０．０２％以下、
Ｓ  ：０％超、０．０２％以下及び
Ｎ  ：０％超、０．０２％以下を含有し、残部が鉄及び不可避不純物である中空シームレス鋼管であって、
下記（１）式で算出される偏肉率の最大値と、内面疵深さと、内面トータル脱炭深さとが、鋼管の全長に亘って、それぞれ７．０％以下、５０μｍ以下、１００μｍ以下であるばね用中空シームレス鋼管。
偏肉率＝（最大肉厚−最小肉厚）／｛（最大肉厚＋最小肉厚）／２｝／２×１００
・・・（１）
【請求項２】
更に質量％で、Ｂ：０％超、０．０１５％以下を含有する請求項１に記載の中空シームレス鋼管。
【請求項３】
更に質量％で、Ｖ：０％超、１％以下、Ｔｉ：０％超、０．３％以下及びＮｂ：０％超、０．３％以下よりなる群から選択される１種以上を含有する請求項１または２に記載の中空シームレス鋼管。
【請求項４】
更に質量％で、Ｎｉ：０％超、３％以下及びＣｕ：０％超、３％以下よりなる群から選択される１種以上を含有する請求項１〜３のいずれかに記載の中空シームレス鋼管。
【請求項５】
更に質量％で、Ｍｏ：０％超、２％以下を含有する請求項１〜４のいずれかに記載の中空シームレス鋼管。
【請求項６】
更に質量％で、Ｃａ：０％超、０．００５％以下、Ｍｇ：０％超、０．００５％以下及びＲＥＭ：０％超、０．０２％以下よりなる群から選択される１種以上を含有する請求項１〜５のいずれかに記載の中空シームレス鋼管。
【請求項７】
更に質量％で、Ｚｒ：０％超、０．１％以下、Ｔａ：０％超、０．１％以下及びＨｆ：０％超、０．１％以下よりなる群から選択される１種以上を含有する請求項１〜６のいずれかに記載の中空シームレス鋼管。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高強度のばね用中空シームレス鋼管に関し、特に自動車などに使用される中空形状の鋼製懸架ばねなどの製造に適したシームレス鋼管に関する。
【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、サスペンション、エンジン、クラッチ等に使用される懸架ばね、弁ばね、クラッチ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にあり、負荷応力がさら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、すなわち中実の線材を使用する代わりに、中空にしたパイプ状の鋼材であって溶接継ぎ目のない鋼管（以下、中空シームレス鋼管）がばねの素材として用いられるようになっている。このような中空シームレス鋼管を製造するための技術はこれまでに様々提案されている。
【０００４】
例えば、特許文献１には、ばね鋼鋼材からなる素材を、穿孔圧延機の代表であるマンネスマン穿孔し、その後マンドレルミルによる延伸圧延を行い、さらに８２０〜９４０℃で１０〜３０分再加熱し、その後仕上げ圧延する技術が提案されている。また特許文献２では、円筒状のビレットを熱間静水圧押出し加工してシームレス鋼管中間体を製造し、前記シームレス鋼管中間体を加熱した後、加熱後の前記シームレス鋼管中間体をピルガーミル圧延および引き抜き加工のうち少なくとも一つ行って、例えば抽伸などを行って伸展させ、伸展させた前記シームレス鋼管中間体を加熱する技術が開示されている。特許文献３でも、特許文献２と同様に、押出用中空ビレットを加熱した後、熱間押出を行って、冷間加工などを行ってシームレス鋼管を製造している。更に、特許文献４は、熱間圧延によって棒材を製造した後、ガンドリルで穿孔し、冷間での圧延や抽伸（冷間加工）してシームレスパイプ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し、脱炭を軽減する技術が開示されている。
【０００５】
これらの従来技術は、脱炭や疵低減により疲労特性を向上しようとしているが、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いる。従って、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ず、耐久性の点で不十分である。特に、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限界があり、他の要因についても検討する必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１−２４７５３２号公報
【特許文献２】特許第４７０５４５６号公報
【特許文献３】特開２０１２−１１１９７９号公報
【特許文献４】特許第５３２４３１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、こうした状況の下になされたものであって、その目的は成形されるばねが十分な疲労強度を安定的に確保できるような高強度ばね用中空シームレス鋼管を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を達成した本発明のばね用中空シームレス鋼管は、偏肉率、内面疵深さ及び内面トータル脱炭深さが、鋼管の全長に亘って調整されている点に特徴を有する。すなわち、本発明のばね用中空シームレス鋼管は、質量％で、
Ｃ  ：０．２〜０．７％、
Ｓｉ：０．５〜３％、
Ｍｎ：０．１〜２％、
Ｃｒ：０％超、３％以下、
Ａｌ：０％超、０．１％以下、
Ｐ  ：０％超、０．０２％以下、
Ｓ  ：０％超、０．０２％以下及び
Ｎ  ：０％超、０．０２％以下を含有し、残部が鉄及び不可避不純物である中空シームレス鋼管であって、
下記（１）式で算出される偏肉率の最大値と、内面疵深さと、内面トータル脱炭深さとが、鋼管の全長に亘って、それぞれ７．０％以下、５０μｍ以下、１００μｍ以下である。
偏肉率＝（最大肉厚−最小肉厚）／｛（最大肉厚＋最小肉厚）／２｝／２×１００
・・・（１）
【０００９】
本発明のばね用中空シームレス鋼管は、必要に応じて、更に質量％で、以下の（ａ）〜（ｆ）の少なくともいずれかを含有することが好ましい。
（ａ）Ｂ：０％超、０．０１５％以下
（ｂ）Ｖ：０％超、１％以下、Ｔｉ：０％超、０．３％以下及びＮｂ：０％超、０．３％以下よりなる群から選択される１種以上
（ｃ）Ｎｉ：０％超、３％以下及びＣｕ：０％超、３％以下よりなる群から選択される１種以上
（ｄ）Ｍｏ：０％超、２％以下
（ｅ）Ｃａ：０％超、０．００５％以下、Ｍｇ：０％超、０．００５％以下及びＲＥＭ：０％超、０．０２％以下よりなる群から選択される１種以上
（ｆ）Ｚｒ：０％超、０．１％以下、Ｔａ：０％超、０．１％以下及びＨｆ：０％超、０．１％以下よりなる群から選択される１種以上
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、鋼管の肉厚のばらつきの指標である偏肉率、内面疵深さ及び内面トータル脱炭深さが、鋼管の全長に亘って調整されているため、疲労強度が高く耐久性に優れた高強度中空ばねに適したシームレス鋼管を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】鋼管の肉厚ｔの外径Ｄに対する比ｔ／Ｄと、偏肉による内面応力の変動比の関係を示すグラフである。
【図２】鋼管の肉厚ｔの外径Ｄに対する比ｔ／Ｄと軽量化率の関係を示すグラフである。
【図３】肉厚公差０．１ｍｍの時の偏肉率を、肉厚ごとにプロットしたグラフである。
【図４】後記する実施例において、ねじり疲労試験に用いた試験片の形状を表す図である。
【図５】後記する実施例において、鋼管の全長に亘る偏肉率の最大値と、ねじり疲労試験の耐久回数との関係を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
高強度中空ばねにおいては、ショットピーニングを施すことのできない内面の疲労強度の向上が課題であり、これまでは内面の脱炭抑制や疵低減などが検討されてきた。これに対し、本発明者らは別の影響因子として鋼管の肉厚の影響について鋭意研究を行った。その結果、中空の鋼管の偏肉率が疲労強度に影響を与えることが判明した。
【００１３】
上記した特許文献１〜４のような従来技術においては疵や脱炭の改善が重要な課題であり、偏肉率については何ら考慮されていなかった。しかし、本発明者らが偏肉率に着目して検討した結果、偏肉率の疲労特性への影響は大きいことが分かった。更に、鋼管の全長に亘り肉厚は均一でなく、偏肉率も異なるため、安定的な疲労強度を得るためには全長にわたって肉厚のばらつきを抑制する必要があると考えた。すなわち、本発明では鋼管の全長に亘って偏肉率の最大値を７．０％以下とすることで、シームレス鋼管の疲労強度を向上できることを明らかにした。偏肉率の最大値は５．０％以下が好ましく、より好ましくは３．０％以下である。偏肉率は小さければ小さいほど良いが、その下限は通常０．５％程度である。
【００１４】
本発明において、偏肉率は下記（１）式で与えられる。
偏肉率＝（最大肉厚−最小肉厚）／｛（最大肉厚＋最小肉厚）／２｝／２×１００
・・・（１）
【００１５】
実際、上記特許文献１〜４では偏肉率は良好とは言えない。例えば、特許文献１では中空鋼管を製造するためにマンネスマン穿孔を用いており、マンネスマン穿孔は高生産性ではあるものの、他の中空化手法に比べて、中空加工時すなわち穿孔時の材料および工具の拘束が弱いためズレが生じやすく、良好な偏肉率を得ることは難しい。特に、高強度ばね用の鋼材は変形抵抗が高く、高精度な加工は困難である。また特許文献２、３では、機械加工した中空ビレットを熱間静水圧押出し加工している。機械加工しているため、ビレットの加工精度は高く、静水圧によって均等に加工されるため、特許文献１に比べれば偏肉率は改善されやすい。しかしながら、後述の実施例に示す通り、特許文献２、３に開示されている方法では、耐久性の観点から十分な偏肉率が得られない。また特許文献４では、中空化手法として、ガンドリル加工を採用している。この方法も加工精度は比較的良好であるはずだが、後述の実施例に示す通り、十分な偏肉率が得られない。
【００１６】
また本発明では、上記した偏肉率を制御することに加えて、内面疵及びトータル脱炭もパイプ全長に亘って調整しているため、安定的な疲労特性が得られる。パイプ全長に亘る内面疵深さは５０μｍ以下であり、トータル脱炭深さは１００μｍ以下である。
【００１７】
本発明で対象とする中空シームレス鋼管は、外径Ｄが８〜２２ｍｍ程度で、肉厚ｔが０．８〜７．７ｍｍ程度であり、肉厚ｔの外径Ｄに対する比ｔ／Ｄが約０．１０〜０．３５である。
【００１８】
図１は肉厚ｔの外径Ｄに対する比ｔ／Ｄと、偏肉による内面応力の変動比の関係を、３％、７％、１０％の各偏肉率ごとにプロットしたグラフである。前記内面応力の変動比とは、偏肉がない時の内面応力をσ1、偏肉がある時の内面応力をσ2とした時、σ2／σ1で与えられる値である。図１からも分かる通り、偏肉が生じた際の内面応力変動比は、ｔ／Ｄが高いほど大きくなる。また内面応力の変動比は、ｔ／Ｄが低い場合には偏肉率が変化してもその差が小さいが、ｔ／Ｄが高い場合には偏肉率が内面応力の変動比に与える影響が顕著になる。従来技術のように、偏肉率の最大値が７．０％を超える場合には、特にｔ／Ｄが０．１５以上となる場合に、偏肉率が内面応力の変動比に与える影響が大きく、すなわちｔ／Ｄが０．１５以上である場合に、特に本発明が有効である。
【００１９】
また、図２はｔ／Ｄと軽量化率の関係を表すグラフである。図２からも分かる通り、ｔ／Ｄが大きくなるほど軽量化率が低下し、高強度中空ばねでは、２５％以上の軽量化が求められることがある。よって、ｔ／Ｄは０．２５以下とするのが好ましい。
【００２０】
図３は、肉厚公差、すなわち最大肉厚と最小肉厚の差が０．１ｍｍの時の偏肉率を、肉厚ごとにプロットしたグラフである。図３からも分かる通り、例えば肉厚が０．５ｍｍである場合には、たった０．１ｍｍの公差であっても、偏肉率に換算すると１０％にも相当し、また実際に従来技術では偏肉率の最大値が７．０％を超えていたことからも、薄い肉厚での偏肉率の改善は非常に困難である。
【００２１】
本発明者らは、中空シームレス鋼管の全長に亘る偏肉率の最大値を７．０％以下とするための製造方法として、特に、素ビレットから機械加工によって中空ビレットを得て、該中空ビレットを用いて熱間押出しして、中空の素管を製造し、この素管に更に冷間圧延、抽伸加工、焼鈍等を行うことによって、中空シームレス鋼管を得る方法について検討した。
【００２２】
その結果、熱間押出しの際の中空ビレットの寸法が偏肉率に影響し、中空ビレットの内径を３８ｍｍとすることで、偏肉率が低減できた。一方、上記した特許文献２、３では、中空ビレット内径は４０ｍｍまたは５２ｍｍであり、最大偏肉率を７．０％以下にできない。また、ガンドリルを用いる方法では、棒鋼の寸法及びガンドリル加工寸法によって偏肉率が変化し、直径４０ｍｍの棒鋼に直径２０ｍｍのガンドリル加工を施すことで、最終的に得られるシームレス鋼管の最大偏肉率が７．０％以下となるような素管が実現できた。一方、上記した特許文献４では、直径２５ｍｍの棒鋼に直径１２ｍｍのガンドリル加工を施しており、最大偏肉率を７．０％以下にできない。
【００２３】
また、全長に亘って偏肉率を低減するためには、押出前の加熱における中空ビレット長手方向の温度差、すなわち偏熱を低減することが重要であると知見した。熱間押出前の加熱時間は比較的短時間であり、偏熱が生じやすい。そこで、加熱前に均熱加熱することで偏熱が低減し、全長に亘る偏肉率を低減できる。但し、均熱加熱温度が低すぎる又は均熱加熱時間が短すぎると偏肉率低減の効果がないどころか、偏肉率が増大する。また、均熱加熱温度が高すぎる又は均熱加熱時間が長すぎると脱炭が生じ、全長に亘って内面トータル脱炭を１００μｍ以下にできない。そこで均熱加熱温度は９００〜９５０℃、均熱加熱時間は３００〜２４００秒とするのが好ましい。均熱加熱温度は、９２０℃以上が好ましく、９４０℃以下が好ましい。また、均熱加熱時間は６００秒以上が好ましく、より好ましくは１０００秒以上であり、２０００秒以下が好ましく、１５００秒以下がより好ましい。
【００２４】
更に押出前の加熱温度は、１１００℃以上が好ましい。該加熱温度が１１００℃未満であると、内面疵の発生頻度が上がり、全長に亘って内面疵を５０μｍ以下にできない。これは、温度が高い方が押出し時の延性が高く、疵が生じにくいためと考えられる。該加熱温度の上限は特に限定されないが、例えば１２００℃程度とすれば良い。
【００２５】
なお、得られた素管は例えば９００〜１０００℃で５〜３０分焼鈍し、冷間圧延及び抽伸を行った後、更に９００〜１０００℃程度で焼鈍すれば良い。
【００２６】
本発明では、上述の方法で偏肉率、内面疵及び内面トータル脱炭を本発明の範囲にすることができたが、本発明の中空シームレス鋼管の製造方法は上述の方法に限定されない。
【００２７】
次に、本発明の高強度ばね用中空シームレス鋼管の化学成分について説明する。なお、本願明細書において示す化学成分組成は、全て質量％を意味する。
【００２８】
Ｃ：０．２〜０．７％
Ｃは、強度を確保するのに必要な元素であり、Ｃ量は０．２％以上とする必要がある。Ｃ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量が過剰になると、延性の確保が困難となる。そこでＣ量を０．７％以下と定めた。Ｃ量は０．６５％以下が好ましく、より好ましくは０．６０％以下である。
【００２９】
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得るには、Ｓｉ量を０．５％以上とする必要がある。Ｓｉ量は、好ましくは１．０％以上であり、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、Ｓｉ量は３％以下と定めた。Ｓｉ量は、好ましくは２．５％以下であり、より好ましくは２．２％以下である。
【００３０】
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Ｓを無害化する有益な元素である。このような効果を有効に発揮させるため、Ｍｎ量は０．１％以上とする必要がある。Ｍｎ量は、好ましくは０．１５％以上であり、より好ましくは０．２０％以上である。しかしながら、Ｍｎ量が過剰になると、偏析帯が形成された材質のばらつきが生じる。従って、Ｍｎ量は２％以下と定めた。Ｍｎ量は好ましくは１．５％以下であり、より好ましくは１．０％以下である。
【００３１】
Ｃｒ：０％超、３％以下
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量が増大するにつれて大きくなるが、こうした効果を有効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く、より好ましくは０．５％以上である。しかしながら、Ｃｒ量が過剰になると過冷組織が発生しやすくなると共に、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、Ｃｒ量を３％以下と定めた。Ｃｒ量は、２．０％以下が好ましく、より好ましくは１．７％以下である。
【００３２】
Ａｌ：０％超、０．１％以下
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ＡｌＮとして固定させるには、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。Ａｌ量は、好ましくは０．００１％以上であり、より好ましくは０．０１％以上、更に好ましくは０．０２５％以上である。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を多く含有する鋼ではＡｌの添加量を抑える必要がある。そこで、Ａｌ量は０．１％以下と定めた。Ａｌ量は、好ましくは０．０７％以下であり、より好ましくは０．０５％以下である。
【００３３】
Ｐ：０％超、０．０２％以下
Ｐは、鋼材の靭性や延性を劣化させる有害な元素であるため、極力低減することが重要である。そこで、Ｐ量を０．０２％以下と定めた。Ｐ量は、好ましくは０．０１０％以下、より好ましくは０．００８％以下である。なお、Ｐは鋼材に不可避的に含まれる不純物であるため、その量を０％とすることは工業生産上困難であり、通常０．００１％程度含まれる。
【００３４】
Ｓ：０％超、０．０２％以下
Ｓは、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る。そこで、Ｓ量は０．０２％以下と定めた。Ｓ量は、好ましくは０．０１０％以下であり、より好ましくは０．００８％以下である。なお、Ｓは鋼材に不可避的に含まれる不純物であるため、その量を０％とすることは工業生産上困難であり、通常０．００１％程度含まれる。
【００３５】
Ｎ：０％超、０.０２％以下
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、鋼材の靭延性及び耐水素脆化特性を劣化させる。そこで、Ｎ量は０．０２％以下と定めた。Ｎ量は、好ましくは０．０１０％以下であり、より好ましくは０．００５％以下である。なお、Ｎは鋼材に不可避的に含まれる元素であるため、その量を０％とすることは工業生産上困難であり、通常０．００１％程度含まれる。
【００３６】
本発明のシームレス鋼管の基本成分は上記の通りであり、残部は実質的に鉄である。但し、原材料、資材、製造設備等の状況によって持ち込まれる不可避不純物が鋼中に含まれることは当然に許容される。さらに本発明では、必要に応じて以下の任意元素を含有していても良い。
【００３７】
Ｂ：０％超、０．０１５％以下
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。このような効果を発現させるには、Ｂ量は０．００１％以上が好ましく、より好ましくは０．００１５％以上である。しかしながら、Ｂ量が過剰にな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量は０．０１５％以下が好ましい。Ｂ量は、より好ましくは０．０１０％以下、更に好ましくは０．００５％以下である。
【００３８】
Ｖ：０％超、１％以下、Ｔｉ：０％超、０．３％以下及びＮｂ：０％超、０．３％以下よりなる群から選択される１種以上
Ｖ、Ｔｉ及びＮｂは、Ｃ、Ｎ、Ｓと炭化物、窒化物及び炭窒化物（以下、炭・窒化物）、あるいは硫化物を形成して、これらＣ、Ｎ、Ｓを無害化する作用を有する。また、上記炭・窒化物は組織を微細化する効果も発揮する。更に、Ｖ、Ｔｉ及びＮｂは耐遅れ破壊特性を改善するという効果も有する。Ｖ量は、好ましくは０．０５％以上であり、より好ましくは０．１％以上であり、更に好ましくは０．１３％以上である。Ｔｉ量及びＮｂ量はいずれも、０．０３％以上が好ましく、より好ましくは０．０４％以上であり、更に好ましくは０．０５％以上である。
【００３９】
しかしながら、これらＶ、Ｔｉ及びＮｂ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。そこで、Ｖ量は１％以下、Ｔｉ量は０．３％以下、Ｎｂ量は０．３％以下とすることが好ましい。より好ましくは、Ｖ量は０．５％以下、Ｔｉ量は０．１％以下、Ｎｂ量は０．１％以下である。更に、コスト低減の観点から、Ｖ量は０．３％以下、Ｔｉ量は０．０５％以下、Ｎｂ量は０．０５％以下が好ましい。
【００４０】
Ｎｉ：０％超、３％以下及びＣｕ：０％超、３％以下よりなる群から選択される１種以上
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。一方、表層脱炭の抑制や耐食性の向上を行う場合には、０．１％以上含有させることが好ましい。しかしながら、Ｎｉ量が過剰になると圧延材における過冷組織の発生や、焼入れ後の残留オーステナイトの存在により、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％以下とすることが好ましい。コスト低減の観点からは、Ｎｉ量は２．０％以下が好ましく、より好ましくは１．０％以下である。
【００４１】
Ｃｕは、Ｎｉと同様に表層脱炭の抑制や耐食性の向上に有効な元素である。このような効果を有効に発揮させるため、Ｃｕを０．１％以上含有させることが好ましく、より好ましくは０．１５％以上、更に好ましくは０．２０％以上である。しかしながら、Ｃｕ量が過剰になると過冷組織や、熱間加工時の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、Ｃｕ量を３％以下とすることが好ましい。コスト低減の観点からは、Ｃｕ量は２．０％以下が好ましく、より好ましくは１．０％以下である。
【００４２】
Ｍｏ：０％超、２％以下
Ｍｏは、焼戻し後の強度確保、靭性向上に有効な元素である。このような効果を発揮させるためには、Ｍｏ量は０．１％以上が好ましく、より好ましくは０．２％以上であり、更に好ましくは０．３％以上である。しかしながら、Ｍｏ量が過剰になると靭性が劣化する。こうしたことから、Ｍｏ量は２％以下とすることが好ましい。Ｍｏ量は、より好ましくは１％以下であり、更に好ましくは０．５％以下である。
【００４３】
Ｃａ：０％超、０．００５％以下、Ｍｇ：０％超、０．００５％以下及びＲＥＭ：０％超、０．０２％以下よりなる群から選択される１種以上
Ｃａ、Ｍｇ及びＲＥＭ（Ｒａｒｅ  Ｅａｒｔｈ  Ｍｅｔａｌ、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。このような効果を有効に発揮させるため、Ｃａ量、Ｍｇ量はいずれも０．０００５％以上が好ましく、より好ましくは０．００１０％以上であり、更に好ましくは０．００１５％以上である。ＲＥＭ量は、０．０００５％以上が好ましく、より好ましくは０．００１０％以上であり、更に好ましくは０．００１２％以上である。しかしながら、Ｃａ、Ｍｇ及びＲＥＭ量が過剰になると、かえって靭性を劣化させる。そこでＣａ量及びＭｇ量はいずれも０．００５％以下が好ましく、より好ましくは０．００４％以下であり、更に好ましくは０．００３％以下である。ＲＥＭ量は０．０２％以下が好ましく、より好ましくは０．０１％以下であり、更に好ましくは０．００５％以下である。なお、本発明においてＲＥＭとは、ＬａからＬｎまでの１５のランタノイド元素と、Ｓｃ及びＹを含む意味である。
【００４４】
Ｚｒ：０％超、０．１％以下、Ｔａ：０％超、０．１％以下及びＨｆ：０％超、０．１％以下よりなる群から選択される１種以上
Ｚｒ、Ｔａ及びＨｆは、Ｎと結びついて窒化物を形成し、それにより、加熱時のオーステナイト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。このような効果を有効に発揮させるためには、Ｚｒ量は０．０１％以上が好ましく、より好ましくは０．０３％以上であり、更に好ましくは０．０５％以上である。Ｔａ量及びＨｆ量はいずれも０．０１％以上が好ましく、より好ましくは０．０２％以上であり、更に好ましくは０．０３％以上である。しかしながら、Ｚｒ、Ｔａ及びＨｆ量が過剰になると、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、Ｚｒ量は０．１％以下が好ましく、より好ましくは０．０９％以下であり、更に好ましくは０．０５％以下であり、特に０．０２５％以下が好ましい。Ｔａ量及びＨｆ量はいずれも０．１％以下が好ましく、より好ましくは０．０８％以下であり、更に好ましくは０．０５％以下であり、特に０．０２５％以下が好ましい。
【実施例】
【００４５】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。本発明は以下の実施例によって制限を受けるものではなく、前記、後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
【００４６】
表１に示す化学成分組成の溶鋼を、通常の溶製法によって溶製し、この溶鋼を鋳造して分塊圧延し、断面形状が１５５ｍｍ×１５５ｍｍの素ビレットとした。なお、表１におけるＲＥＭは、Ｌａを５０％程度とＣｅを２５％程度含有するミッシュメタルの形態で添加した。
【００４７】
【表１】
2016125119.tif 000003
【００４８】
表２に記載のＡ〜Ｇの条件で、素ビレットから中空素管を得て、その後冷間圧延及び抽伸加工を施すことによって外径１６ｍｍ、内径８ｍｍ、長さ３０００ｍｍの中空シームレス鋼管を作成した。条件Ａ〜Ｆは、素ビレットから機械加工により中空ビレットを得て、これを熱間押出して中空素管を得る方法であり、条件Ｇは素ビレットから熱間圧延により棒鋼を得て、これにガンドリル加工することにより中空素管を得る方法である。条件Ｅは上記特許文献３に開示される製造方法であり、Ｆは上記特許文献２、Ｇは上記特許文献４に開示されている方法である。
【００４９】
【表２】
2016125119.tif 000004
【００５０】
このようにして得られた中空シームレス鋼管を以下の方法で測定及び評価した。
【００５１】
（１）偏肉率の測定
前記中空シームレス鋼管について、以下の要領で肉厚を測定した。
（１−ａ）管端部の肉厚測定
最終的に得られた中空シームレス鋼管について、管端部の肉厚を、マイクロメータで９０°毎に４箇所測定し、下記（２）式により偏肉率を算出した。
偏肉率＝（最大肉厚−最小肉厚）／（平均肉厚）／２×１００  ・・・（２）
（１−ｂ）全長の肉厚測定
前記中空シームレス鋼管について、鋼管を回転させつつ、鋼管の外表面に接触させた超音波プローブを、鋼管の長手方向に走査させることによって、パイプ全周及び全長に肉厚を測定した。得られた肉厚測定結果から、プローブが鋼管を一周したときの最大肉厚と最小肉厚から下記（１）式により偏肉率を算出した。全長に亘り、同様にして偏肉率を測定し、最大の偏肉率を求めた。
この際、全長、全周を隈なく検査できるように、超音波センサの走査速度、パイプの回転速度、測定ピッチを調整した。また、定量性を担保するため、検査前に超音波測定の校正を行った。具体的には、鋼管端部をマイクロメータで測定し、その結果から超音波測定の校正を行った。
偏肉率＝（最大肉厚−最小肉厚）／｛（最大肉厚＋最小肉厚）／２｝／２×１００
・・・（１）
【００５２】
（２）内面疵の測定
上記（１−ｂ）の全長の肉厚測定と同様に、超音波プローブによってパイプ全周及び全長の内面疵深さを測定した。また定量性を担保するため、サイズが既知である人口疵を内面に有した標準パイプを用いてオフラインで検査して、校正を行った。
【００５３】
（３）内面トータル脱炭の測定
脱炭は断面観察にて評価した。長手方向の脱炭のばらつきを評価するため、鋼管を１０分割して１０サンプルを採取した。サンプルの切断面を樹脂に埋め込んで鏡面研磨した後、ナイタールエッチングして光学顕微鏡を用いて倍率２００倍で観察し、１０サンプルの内面トータル脱炭深さの最大深さを測定した。
【００５４】
（４）疲労特性の評価
前記中空シームレス鋼管を、下記の条件で焼入れ・焼戻し処理した。
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分保持した後、水冷
【００５５】
前記焼入れ・焼戻し後の中空シームレス鋼管を、図４に示す円筒形試験片１に加工した。図４（ａ）は正面図であり、（ｂ）は試験片の端面を表す側面図である。該円筒試験片１を各試験Ｎｏ．につき１０本ずつ用いてねじり疲労試験を行った。試験片の内径は約８．０ｍｍ、拘束部１ａの外径は１６ｍｍ、中央部１ｂの外径は１２ｍｍ、中央部１ｂの外表面応力で表される負荷応力は５５０±３７５ＭＰａであった。破断するまでの回数を耐久回数として測定し、１０6回でも破断しなかったものは試験を停止した。１０本のうち、最短の耐久回数を各試験Ｎｏ．の耐久回数として表３に示した。
【００５６】
（１）〜（４）の測定結果を表３及び図５に示す。図５は本発明の発明例及び比較例について、中空シームレス鋼管の全長に亘る偏肉率の最大値と、ねじり疲労試験の耐久回数との関係を示したグラフである。
【００５７】
【表３】
2016125119.tif 000005
【００５８】
本発明の要件を満足する、すなわち鋼管の全長に亘って、偏肉率が７．０％以下であり、内面疵深さが５０μｍ以下であり、内面トータル脱炭深さが１００μｍ以下である表３のＮｏ．１、１０、１２、１４、２３、２５〜２７、２９、３０は、図５の丸印に相当し、ねじり疲労試験の耐久回数が１０5回以上であり、良好な耐久性を示した。特に、偏肉率は低いほど顕著に耐久回数が増加する傾向にあり、偏肉率が３．０％以下であるＮｏ．１０、１２、１４、２３、２５では、いずれも耐久回数が１０6回以上にまで達する。
【００５９】
一方、偏肉率が７．０％を超えるＮｏ．２、４〜８、１５、１７〜２１は、図５の×印に相当し、耐久回数が急激に低下している。但し、偏肉率が７．０％以下であっても、内面トータル脱炭深さ又は内面疵深さの少なくともいずれかが本発明の要件を満たしていないＮｏ．３、９、１１、１３、１６、２２、２４、２８では、図５の三角印で示した通り耐久回数が低い。なお、従来技術である製造条件Ｅ〜Ｇで製造したＮｏ．６〜８、１９〜２１では、いずれも偏肉率が７．０％を超える結果となった。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明の中空シームレス鋼管を用いれば、疲労強度が高く耐久性に優れた高強度中空ばねを製造でき、例えば強度が１１００ＭＰａ以上、好ましくは１２００ＭＰａ以上、更に好ましくは１３００ＭＰａ以上のばねに好適に用いることができる。よって、本発明によれば、懸架ばね、弁ばね、クラッチばねなどの部品の中空化を推進することができ、自動車などの車両の一層の軽量化を図ることができるため、産業上有用である。
【符号の説明】
【００６１】
１    円筒形試験片
１ａ  拘束部
１ｂ  中央部
１ｃ  空洞
【図１】
2016125119.tif 000006
【図２】
2016125119.tif 000007
【図３】
2016125119.tif 000008
【図４】
2016125119.tif 000009
【図５】
2016125119.tif 000010