CN101925678B - 中空部件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

提供耐久性优良的中空部件的制造方法。具体而言，对以钢板作为原材料且减碳层宽度为2h(m)的电阻焊接钢管实施淬火处理，该淬火处理为以加热速度V_h(K/s)加热至Ac₃相变点以上的加热温度T(K)，以一次冷却速度V_c(K/s)立即冷却至淬火开始温度Tq(K)，之后进行二次冷却(快速冷却)，在实施上述处理时，对加热速度V_h、最高加热温度T、一次冷却速度V_c进行调整，使其满足下式(其中，C₀(质量％)：钢板的含碳量(质量％)，t：扩散时间(s)，t＝50/V_h+50/V_c+k，V_h：加热速度(K/s)，V_c：一次冷却速度(K/s)，k：均热时间(s)，D：扩散系数(m²/s)，D＝D₀exp(-Q/RT)，D₀：4.7×10^-5(m²/s)，Q＝155(kJ/mol·K)，R＝8.31(J/mol·K)，T：最高加热温度(K))，并且将所述淬火开始温度Tq设为超过Ar₃相变点的温度。由此，抑制了电阻焊接部的淬火硬度的下降，显著提高了热处理后的部件的耐久性。

Description

中空部件及其制造方法

技术领域

本发明涉及适于稳定器(stabilizer)等用途的电阻焊接钢管制中空部件(electric resistance welded steel pipe for hollow article)及其制造方法，尤其涉及快速且短时间的加热(rapid heating for a short time)等热处理后的电阻焊接部的强度提高。

背景技术

近年来，基于地球环境保护(global environmental protection)的观点，汽车的废气排放标准(emission gas standards)逐渐被加强，并正在推进汽车车体的轻量化以提高燃料消耗率。作为车体轻量化的一个方法，最近倾向于采用将实心部件(solid-core parts)改变为中空部件(hollowparts)的方法。这种倾向对于在弯道时抑制车体(automobile body)的摇摆(rolling)、或者提高高速时的行进稳定性的稳定器(stabilizer)而言也不例外，将使用棒钢(bar steel)的实心件转换为使用钢管的中空件(中空稳定器)，实现车体的轻量化。

这种中空件(中空稳定器)，通常将无缝钢管(seamless steel pipe)、电阻焊接钢管作为原材料，在低温下冷成形为所希望的形状之后，接着实施淬火(quenching)或淬火回火(quenching and tempering)等调质处理(thermal refining)，制成产品。其中，电阻焊接钢管(electric resistancewelded steel pipe)，由于较为廉价且尺寸精度(accuracy of dimension)优良，因此作为中空稳定器用原材料得到广泛地利用。例如，在日本特公平1-58264号公报中，提出了一种中空状稳定器用电阻焊钢管用钢，其包含0.35％以下的C、0.25％以下的Si、0.30～1.20％的Mn、不足0.50％的Cr、0.0200％以下的N+O、4～12倍于钢中的(N+O)的Ti、0.0005～0.009％的B，或者还包含200ppm以下的Ca和/或C×4/10以下的Nb，并且调整了C、Si、Mn、Cr的含量，使理想临界直径(ideal criticaldiameter)D₁值为1.0in.以上，还调整了C、Si、Mn、Cr的含量，使碳当量(carbon equivalent)Cep为0.60％以下。

并且，在日本特公昭61-45688号公报中，提出了中空状稳定器用电阻焊钢管用钢的制造方法，对下述钢的钢坯实施热轧(hot rolling)，将卷取温度(coiling temperature)控制为570～690℃而进行卷取，所述钢包含0.35以下的C、0.25％以下的Si、0.30～1.20％的Mn、不足0.50％的Cr、0.0200％以下的N+O、4～12倍于钢中的(N+O)的Ti、0.0005～0.009％的B，或还包含200ppm以下的Ca，并且对C、Si、Mn、Cr的含量进行了调整，使D₁值在1.0in.以上，还对C、Si、Mn、Cr的含量进行了调整，使Ceq为0.60％以下。

并且，在日本特开平6-93339号公报中提出了能够使用在稳定器等中的高强度高延展性电阻焊钢管的制造方法。日本特开平6-93339号公报所记载的技术为对以钢作为原材料的电阻焊钢管在850～950℃下实施正火处理(normalizing treatment)，然后进行淬火的高强度高延展性电阻焊钢管的制造方法，所述钢包含0.18～0.28％的C、0.10～0.50％的Si、0.60～1.80％的Mn、0.020～0.050％的Ti、0.0005～0.0050％的B，还含有0.20～0.50％的Cr、0.5％以下的Mo、0.015～0.050％的Nb中的一种以上，或者还含有0.0050％以下的Ca。

由于电阻焊接钢管较便宜且尺寸精度优良，因此作为中空件用原材料而被广泛使用。但是，最近倾向于进一步轻量化(weight saving)，且施加在中空件上的应力也变高，只凭借日本特公平1-58264号公报、日本特公昭61-45688号公报、日本特开平6-93339号公报所记载技术，有时会产生疲劳耐久性(fatigue durability)尤其电阻焊接部的疲劳耐久性不足。其原因在于，电阻焊接部的淬透性(hardenability)不足，尤其在低温下冷弯曲成形为所希望的形状之后，通过通电加热实施以快速且短时间加热来进行淬火的淬火处理时，有时电阻焊接部的淬火后的硬度(以下，称为淬火硬度(hardness as quenching))下降，部件的疲劳耐久性下降。其中，通电加热是在稳定器的淬火工序中被广泛使用的方法，该方法能在一分钟以内的短时间内进行大气中的脱碳显著发生的900℃以上的加热，因此具有即使在大气中加热也能防止脱碳的特征。发生脱碳时无法得到预定的表面硬度，导致疲劳耐久性下降。本申请中的通电加热，是指从室温到900℃以上的最高加热温度的平均加热速度在10℃/秒以上，且达到900℃以上的时间在一分钟以内的加热方法。

发明内容

即，本发明的要点如下。

(1)一种耐久性优良的中空部件的制造方法，其特征在于，对以钢板作为原材料且减碳层宽度(width of lower carbon layer)为2h(m)的电阻焊接钢管，实施包括淬火处理或进一步包括回火处理的热处理，制成具有所希望的高强度的部件，其中的淬火处理为，以加热速度V_h(K/s)加热至Ac₃相变点(transformation temperature)以上的加热温度T(K)，保持均热时间k(s)之后，立即以一次冷却速度V_c(K/s)冷却至淬火开始温度Tq(K)，之后进行二次冷却(快速冷却)，对所述淬火处理中的所述加热速度V_h、所述最高加热温度T、所述均热时间k、所述一次冷却速度V_c进行调整，使其满足下式(1)，并且将所述淬火开始温度Tq设为超过Ar₃相变点的温度，

$0.83\≤1-(1-0.09/C_0){\∫}_{-h}^h\exp (-y^2/\left(4\mathrm{Dt}\right))/\sqrt{4\mathrm{\πDt}}\mathrm{dy}\·\·\·\·\·\·\left(1\right)$

(其中，C₀(质量％)：钢板的含碳量(质量％)，t：扩散时间(diffusiontime)(s)，t＝50/V_h+50/V_c+k，V_h：加热速度(heating rate)(K/s)，V_c：一次冷却速度(primary cooling rate)(K/s)，k：均热时间(soaking time)(s)，D：扩散系数(diffusion coefficient)(m²/s)，D＝D₀exp(-Q/RT)，D₀：4.7×10^-5(m²/s)，Q＝155(kJ/mol·K)，R＝8.31(J/mol·K)，T、最高加热温度(maximum heating temperature)(K))。其中，上述的D：扩散系数(m²/s)引自(社)日本金属学会编的“改定2版金属デ一タブツク((1984)、p26、“丸善”)”。

(2)在(1)所述的中空部件的制造方法中，所述钢板为具有如下所述的组成的钢板，以质量％计包含：C：0.15～0.40％、Si：0.05～0.50％、Mn：0.30～2.00％、Al：0.01～0.10％、Ti：0.001～0.04％、B：0.0005～0.0050％、N：0.0010～0.0100％，并且，Ti以及N满足(N/14)＜(Ti/47.9)，余量由Fe及不可避免的杂质构成。

(3)在(2)所述的中空部件的制造方法中，其特征在于，在所述组成的基础上，以质量％计还含有选自1.0％以下的Cr、1.0％以下的Mo、1.0％以下的W、1.0％以下的Ni、1.0％以下的Cu中的一种或两种以上。

(4)在(2)或(3)所述的中空部件的制造方法中，在所述组成的基础上，以质量％计还含有选自0.2％以下的Nb、0.2％以下的V中的一种或两种。

(5)在(2)至(4)中任一段所述的中空部件的制造方法中，在所述组成的基础上，以质量％计还含有0.0050％以下的Ca。

(6)一种中空部件，通过对以钢板作为母材且具有减碳层宽度为2h(m)的电阻焊接部的电阻焊接钢管至少实施淬火处理而得到，其中，所述电阻焊接部的最低含碳量C₁和母材部的含碳量C₀的比C₁/C₀在0.83以上。

(7)在(6)所述的中空部件中，除所述电阻焊接部以外的母材部具有如下组成：以质量％计包含：C：0.15～0.40％、Si：0.05～0.50％、Mn：0.30～2.00％、Al：0.01～0.10％、Ti：0.001～0.04％、B：0.0005～0.0050％、N：0.0010～0.0100％，并且，Ti以及N满足(N/14)＜(Ti/47.9)，余量由Fe及不可避免的杂质构成。

(8)在(7)所述的中空部件中，在所述组成的基础上，以质量％计还含有选自1.0％以下的Cr、1.0％以下的Mo、1.0％以下的W、1.0％以下的Ni、1.0％以下的Cu中的一种或两种以上。

(9)在(7)或(8)所述的中空部件中，在所述组成的基础上，以质量％计还含有选自0.2％以下的Nb、0.2％以下的V中的一种或两种。

(10)在(7)至(9)中任一段所述的中空部件中，在所述组成的基础上，以质量％计还含有0.0050％以下的Ca。

发明效果

根据本发明，能够抑制电阻焊接部的淬火硬度的下降，能够容易地且稳定地制造适于耐久性优良的中空稳定器等用途的中空部件，在工业上起到格外好的效果。

附图说明

图1为表示电阻焊接部的淬火硬度HV0.5和电阻焊接部的最低碳量C₁与母材部碳量C₀之比C₁/C₀之间的关系的图。

图2为模式地表示淬火处理的热循环特征曲线(heat cycle pattern)的图。

图3为表示减碳层宽度的测定例的图。

图4为表示减径轧制时的缩径轧制率和缩径后的熔合线宽度之间的关系的图。

图5为表示疲劳强度和电阻焊接部硬度与母材部硬度之比之间的关系的图。

具体实施方式

本发明是为了解决上述的现有技术中的问题而作出的，其目的在于，提供由即使实施通过快速且短时间的加热来进行淬火的淬火处理也能抑制电阻焊接部淬火硬度的下降且疲劳耐久性优良的部件构成的电阻焊接钢管制中空部件的制造方法。

为了实现上述的目的，本发明人在通过通电加热等对电阻焊接钢管实施快速且短时间的加热后的淬火处理时，对电阻焊接部的淬火硬度下降的原因进行了深入的研究。其结果发现，在电阻焊接钢管中，如图3所示的基于EPMA(电子探针显微分析Electron probeMicro-Analysis)的碳浓度分布所表示的那样，在电阻焊接部中形成了碳量减少的层(减碳层)，当减碳层的宽度增大时，凭借如通电加热的快速且短时间的加热，有时电阻焊接部无法恢复到预定值以上的碳量，电阻焊接部的淬透性下降，不能确保充分的淬火硬度。本发明人认为该减碳层在电阻焊接中是很难回避的，其形成过程如下。

(1)在电阻焊接时，接合部被加热至固液相共存区(solid-liquid phasecoexisting zone)，碳在液相中富集，而在固相中减少。

(2)碳发生了富集的液相，由于接合时的加压(upset)而被排出到电阻焊接部之外，形成焊道(bead)。因此，电阻焊接部中只剩下碳减少了的固相，因此在电阻焊接部中形成减碳层。

对此，本发明人继续进行了进一步的研究，结果发现，对加热速度、最高到达温度、均热时间以及到淬火开始温度为止的一次冷却速度进行调整，使这些与电阻焊接部的减碳层的宽度之间满足特定的关系，由此在淬火处理时，能够确保充分的淬火硬度的碳量从母材部向电阻焊接部扩散，因而能够使淬火处理后的电阻焊接部的硬度为所希望的硬度，使部件的疲劳耐久性提高。

首先，对本发明人所进行的构成本发明的基础的实验结果进行说明。

将表1所示组成的热轧钢板A作为钢管原材料，对该钢管原材料进行成形，形成大致圆筒状的开口管之后，对接该开口管的端部，通过高频电阻焊接进行电阻焊接，或者进一步实施减径轧制，形成具有各种减碳层宽度(2h：7～54μm)的电阻焊接钢管。接着，对这些电阻焊接钢管实施由图2所示的热循环构成的淬火处理，即实施如下所述的处理：以加热速度V_h加热至到达最高温度(最高加热温度)T，保持均热时间k之后，立刻以一次冷却速度V_c冷却至淬火开始温度T_q，进行二次冷却(快速冷却)。

在淬火处理之后，测定硬度，在淬火的状态下求出硬度。关于硬度测定，是对母材部、电阻焊接部在板厚方向测定载荷500g(试验力：4.9N)的维氏硬度HV0.5，将这些的平均值作为各部位的淬火硬度。并且，在实验中，对加热速度V_h、到达最高温度T、一次冷却速度V_c进行各种改变，使二次冷却(快速冷却)的冷却速度保持不变(80℃/s)。

除此之外，对基于上述淬火处理时的热循环的碳的扩散进行探讨，通过计算，推算出淬火处理后的电阻焊接部的最低含碳量C₁。其中，对于电阻焊接部的含碳量C₁的推算，使用表示距在淬火处理时的热循环之后在钢管的电阻焊接部形成的减碳层的宽度方向的中心的距离为x处的含碳量的下式(a)。

$C_1\left(x\right)=C_0-(C_0-0.09){\∫}_{-h}^h\exp (-{(x-y)}^2/\left(4\mathrm{Dt}\right))/\sqrt{4\mathrm{\πDt}}\mathrm{dy}\·\·\·\·\·\·\left(a\right)$

其中，记载于上述(a)式的(C₀-0.09)之后的积分式的含义为，表示在距减碳层宽度方向的中心的距离为y的位置存在宽度为dy的碳的初始浓度的情况下，在时间t后，碳从母材部向减碳层扩散时，x位置的浓度如何变化。其中，作为初始值，电阻焊接时形成的减碳层的碳浓度为，从宽度方向的-h到+h，含碳量呈现0.09％的一定的矩形的浓度。其依据在于如下事实，电阻焊接时形成的减碳层的碳浓度，与母材的碳浓度C₀、焊接条件无关，大致为0.09质量％且保持不变。因此，通过对记载于上述(a)式的(C₀-0.09)之后的积分式中的y自-h至+h进行积分，而由上述(a)式获得距减碳层宽度方向的中心的距离为x的位置的含碳量。

其中，C₀为钢板的含碳量(质量％)，D为扩散系数(m²/s)，D＝D₀exp(-Q/RT)，D₀为4.7×10^-5(m²/s)，Q＝155(kJ/mol·K)，T为到达最高温度(最高加热温度)(K)，t为扩散时间(s)，t＝50/V_h+50/V_c+k，V_h为加热速度(K/s)，V_c为一次冷却速度(K/s)，k为均热时间(s)。并且，上述的D：扩散系数(m²/s)的式子引自(社)日本金属学会编的“改定2版金属デ一タブツク((1984)、p26、“丸善”)”。并且，V_h、V_c实质上设为900℃以上的温度区域的速度(K/s)。其中，电阻焊接部的最低含碳量C₁相当于(a)式的C₁(x)中x＝0的情况。

将测定的平均硬度HV0.5和计算的电阻焊接部的最低含碳量C₁相对钢板的含碳量C₀的比C₁/C₀的关系表示在图1中。由图1可知，能够用C₁/C₀调整电阻焊接部的硬度(淬火硬度)，通过将C₁/C₀调整为0.83以上，能够防止淬火硬度的下降。图5表示疲劳耐久性和淬火、回火后的电阻焊接部硬度与母材部硬度之比的关系。关于疲劳耐久性，使用通过依据JIS Z 2273的规定的交变扭转疲劳试验求出的重复次数为10⁶次的疲劳强度。由图5可知，只要电阻焊接部硬度在母材部硬度的86％以上，则不存在显著的疲劳强度的下降。

因此，通过将C₁/C₀调整为0.83以上，能够防止由淬火硬度的下降引起的电阻焊接部的疲劳耐久性的下降。在C₁/C₀不足0.83的情况下，淬火硬度显著地下降。

本发明是基于上述发现并加以探讨而完成的。

首先，在本发明中，将钢板作为原材料，并使用减碳层宽度为2h(m)的电阻焊接钢管。所使用的电阻焊接钢管如下制成：以钢板作为原材料，进行成形，优选的是连续成形，从而形成大致圆筒状的开口管，之后对接该开口管的端部，通过高频焊接进行电阻焊接，制成具有减碳层宽度为2h(m)的电阻焊接部的钢管。对于减碳层宽度的测定，可以使用各种方法，例如，如图3上面的图所示，基于EPMA(电子探针显微分析electron probe micro-analysis)的C分析、基于硝酸乙醇腐蚀液蚀刻(nital etching)的白色层宽度的测定(图3中间的图)等方法。但是，只要是以电阻焊接的状态仅在950℃以上且不足1000℃的温度下热处理10s以下、在900℃以上且不足950℃的温度下热处理1分钟以下、在800℃以上且不足900℃的温度下热处理2分钟以下或在不足800℃的温度下进行热处理的电阻焊接钢管，则如图3下面的图所示，通过进行金属流动蚀刻(metal flow etching)，能够较为简单且清楚地测定电阻焊接部中未观察到的偏析线的层，即熔合线宽度(width of bond)。以下，在能够使用金属流动蚀刻的情况下，将使用金属流动蚀刻方法测定的熔合线宽度2h作为减碳层宽度2h使用。

在本发明中，根据所测定的熔合线宽度(减碳层宽度)2h调整淬火处理条件，以使其满足(1)式。

在本发明中，对于所使用的电阻焊接钢管，优选的是，实施加工成所希望的部件形状的冷加工之后，实施包括淬火处理或进一步包括回火处理的热处理，从而形成具有所希望的高强度的部件。本发明所述的“淬火处理”，是指图2所示的快速且短时间的加热处理。即为如下所述的处理：以加热速度(heating rate)V_h加热至到达最高温度(最高加热温度)T，保持均热时间k后，立刻以一次冷却速度V_c冷却至淬火开始温度Tq，进行二次冷却(secondary cooling)(快速冷却)。其中，本申请中的快速且短时间的加热处理，是指从室温到900℃以上的最高加热温度的平均加热速度为10℃/秒以上且达到900℃以上的时间在1分钟以内的加热方法。具体的加热方法，优选的是通电加热。

在本发明的淬火处理中，调整加热速度V_h、最高加热温度T、均热时间k、一次冷却速度V_c，使其满足下面的(1)式，并且将淬火开始温度Tq设为超过Ar₃相变点的温度。

$0.83\≤1-(1-0.09/C_0){\∫}_{-h}^h\exp (-y^2/\left(4\mathrm{Dt}\right))/\sqrt{4\mathrm{\πDt}}\mathrm{dy}\·\·\·\·\·\·\left(1\right)$

(其中，C₀(质量％)：钢板的含碳量(质量％)，t：扩散时间(s)，t＝50/V_h+50/V_c+k，V_h：加热速度(K/s)，V_c：一次冷却速度(K/s)，k：均热时间(s)，D：扩散系数(m²/s)，D＝D₀exp(-Q/RT)，D₀：4.7×10^-5(m²/s)，Q＝155(kJ/mol·K)，R＝8.31(J/mol·K)，T：最高加热温度(K))

其中，(1)式的右边为在上述的(a)式中设x＝0且将两边除以钢板的含碳量C₀而求出的。即，(1)式的右边，表示电阻焊接部的最低含碳量C₁(0)与钢板的含碳量C₀的比在0.83以上。

在加热速度V_h、最高加热温度T、均热时间k、一次冷却速度V_c不满足(1)式的淬火处理的情况下，不能使电阻焊接部的含碳量恢复至能够确保与母材部相同的淬火硬度的碳量。因此，不能将电阻焊接部的硬度提高至所希望的淬火硬度，制造出的部件的耐久性降低。其中，均热时间k包含0s的情况(未保持)。

并且，在本发明中，淬火处理中的淬火开始温度Tq设为超过电阻焊接部的Ar₃相变点的温度。淬火开始温度Tq在Ar₃相变点以下时，由于在二次冷却(快速冷却)开始之前开始发生铁素体(ferrite)、贝氏体(bainite)等的相变，因此不能将电阻焊接部制成100％马氏体组织(martensite structure)，不能确保所希望的淬火硬度，不能确保所希望的疲劳耐久性。其中，电阻焊接部的Ar₃相变点以使用下面的计算式算出的值(Ac₃相变点)代替。Ac₃相变点在淬火开始温度Tq确定的基础上相比Ar₃相变点向高温侧偏移，因此为安全侧的值。

$13.1W-(30\mathrm{Mn}+11\mathrm{Cr}+20\mathrm{Cu}-700P-400\mathrm{Al}-120\mathrm{As}-400\mathrm{Ti})$

(其中，C、Ni、Si、V、Mo、W、Mn、Cr、Cu、P、Al、As、Ti：各元素的含量(质量％))

其中，Ac₃变相点的计算式引自幸田监译的レスリ一鉄鋼材料学、(1985)、p273、“丸善”。

并且，二次冷却只要是能够生成100％马氏体组织的冷却条件即可，依赖于作为原材料的钢板的组成。如果是后文说明的钢板组成，优选的是以平均30℃/s以上的冷却速度进行从淬火开始温度Tq至室温的冷却处理。更为优选的是以80℃/s以上的冷却速度进行。二次冷却基于生产率的观点，优选进行水冷(water cooling)、油冷等(oil cooling)。

其中，在预先设定电阻焊接钢管的热处理条件的情况下，有必要将电阻焊接钢管的电阻焊接部的减碳层宽度调整为能满足(1)式的减碳层宽度2h以下。在该情况下，首先由预先设定的淬火处理条件(1)，求出在设定的淬火处理条件下能满足(1)式的减碳层宽度2h。优选的是，对电阻焊接条件(electric resistance welding condition)、尤其是热输入量(heat input)进行调整，使电阻焊接部的减碳层宽度在求出的值以下。并且，在该情况下，当电阻焊接部的熔合线宽度过窄时，存在加工性下降的情况，因此重点在于，实施电阻焊接部的弯曲试验等的同时确认加工性。在能够满足(1)式的减碳层宽度2h较小而电阻焊接状态下电阻焊接部的加工性下降的情况下，有效的是，在电阻焊接时，焊接成比适当的值宽的熔合线宽度，接着对电阻焊接钢管实施缩径(diameterreducing)处理，使熔合线宽度机械性地变窄。其中，关于缩径处理，优选的是使用模具等的拔制、冲压、使用孔式辊的轧制等。并且，缩径处理的温度可以为冷轧、温轧、热轧中的任意一种温度。缩径处理尤其优选的是，利用感应加热(induction heating)加热到950～1000℃，以50～70％的缩径率(reduction of diameter)，将终轧温度设为约800℃的减径轧制(reducing rolling)。如图4所示，通过提高减径轧制时的缩径轧制率，能够使熔合线宽度(减碳层宽度)2h变窄。并且，在图4中，作为减碳层宽度，测定了熔合线宽度2h。并且，考虑到以往所进行的通电加热为了防止脱碳，加热到1000℃之后，最长也在1分钟以内变为900℃以下，优选减碳层宽度2h在25μm以下，更优选在16μm以下。当然，基于热处理的观点，减碳层宽度越小越有利，但是如上所述，当降低电阻焊接时的热输入以减小减碳层宽度时，容易在电阻焊接部发生冷焊(cold weld)等缺陷。因此，电阻焊接状态下的减碳层宽度，优选的是10μm以上，更为优选的是30μm以上。对于电阻焊接状态下减碳层宽度超过30μm的情况，有效的是，通过减径轧制等提高缩径轧制率，将减碳层的宽度机械性地缩小至25μm以下，更为优选的是缩小至16μm以下。

在本发明中，在上述的淬火处理(quenching treatment)之后，还可根据需要接着实施用于提高韧性的回火处理(tempering treatment)。回火处理中的加热温度优选的是设为150～450℃范围的温度。回火加热温度不足150℃时，不能确保所希望的韧性(toughness)。另一方面，当超过450℃时，不能确保所希望的疲劳耐久性。

本发明中适于作为电阻焊接钢管的原材料的钢板为具有如下所述的组成的钢板：以质量％计包含0.15～0.40％的C、0.05～0.50％的Si、0.30～2.00％的Mn、0.01～0.10％的Al、0.001～0.04％的Ti、0.0005～0.0050％的B和0.0010～0.0100％的N，且Ti以及N满足(N/14)＜(Ti/47.9)，或还包含选自1.0％以下的Cr、1.0％以下的MO、1.0％以下的W、1.0％以下的Ni、1.0％以下的Cu中的一种或两种以上、和/或选自0.2％以下的Nb、0.2％以下的V中一种或两种、和/或0.0050％以下的Ca，余量由Fe以及不可避免的杂质构成，优选的是热轧钢板。并且，这里所说的“钢板”还包含钢带。

以下，对组成限定理由进行说明。并且，以下质量％简记为％。

C：0.15～0.40％

C为通过固溶(solid solution)使钢的强度增加、并且作为碳化物(carbide)和/或碳氮化物(carbonitride)析出而提高回火后的强度的有用的元素。在本发明中，为了确保所希望的钢管的强度以及作为中空稳定器用等部件所希望的淬火处理后的强度，需要C含量为0.15％以上。另一方面，当含量超过0.40％时，淬火处理后的韧性下降。因此，C限定在0.15～0.40％的范围。并且，优选的是0.20～0.35％。

Si：0.05～0.50％

Si为作为脱氧剂(deoxidizing agent)起作用的元素，为了获得这种效果，需要Si含量为0.05％以上。另一方面，当含量超过0.50％时，脱氧效果达到饱和，因此不能期待与含量相称的效果，经济上变得不利，并且电阻焊接时容易产生夹杂物，给电阻焊接部的健全性带来影响。因此，Si限定在0.05～0.50％的范围。并且，优选的是0.10～0.30％。

Mn：0.30～2.00％

Mn为通过固溶提高钢的强度、并且使钢的淬透性提高的元素，在本发明中，为了确保所希望的强度，需要Mn含量为0.30％以上。另一方面，当含量超过2.00％时，生成残留奥氏体(γ)，回火后的韧性下降。因此，Mn限定在0.30～2.00％的范围。并且，优选的是0.30～1.60％。

Al：0.01～0.10％

Al作为脱氧剂起作用，并且具有固定N而确保有效提高淬透性的固溶B量的效果的元素。为了获得这种效果，需要Al含量为0.01％以上。另一方面，当含量超过0.10％时，有时生成大量的夹杂物(inclusion)，使疲劳寿命(fatigue life)下降。因此，Al限定在0.01～0.10％的范围。并且，优选的是0.02～0.05％。

B：0.0005～0.0050％

B为使钢的淬透性提高的有效的元素，并且B具有强化晶界的作用，具有防止淬裂(quenching crack)的效果。为了获得这种效果，需要B含量为0.0005％以上。另一方面，当含量超过0.0050％时，上述的效果达到饱和，经济上变得不利。并且，当含量超过0.0050％时，有时生成粗大的含B析出物，韧性降低。由此，B限定在0.0005～0.0050％的范围。并且，优选的是0.0010～0.0025％。

Ti：0.001～0.04％

Ti作为N固定元素起作用，具有确保有效提高淬透性的固溶B量的效果。并且，Ti以微细的碳化物形式析出，抑制焊接时、热处理时晶粒的粗大化，提高韧性。为了获得这种效果，需要Ti含量为0.001％以上。另一方面，当含量超过0.04％时，夹杂物的形成显著，韧性下降。因此，Ti限定在0.001～0.04％的范围。并且，优选的是0.02～0.03％。

N：0.0010～0.0100％

N为与钢中的合金元素结合形成氮化物(nitride)、碳氮化物而有助于确保回火后的强度的元素，为了获得这种效果，需要N含量为0.0010％以上。另一方面，当含量超过0.0100％时，引起氮化物的粗大化，韧性、疲劳寿命下降。因此，N限定在0.0010～0.0100％的范围。

Ti以及N的含量在上述的范围内且满足下式

(N/14)＜(Ti/47.9)

Ti以及N不满足上述的式子时，淬火时的固溶B量不稳定，因此不优选。

上述的成分为优选的基本成分，但是本发明中，还可以在上述的基本组成的基础上，还含有以下所示的A组、B组以及C组中的一种或两种以上。根据需要，可以选择性地含有A组和/或B组和/或C组。其中，

A组：选自Cr：1.0％以下、Mo：1.0％以下、W：1.0％以下、Ni：1.0％以下、Cu：1.0％以下中的一种或两种以上，

B组：选自Nb：0.2％以下、V：0.2％以下中的一种或两种，

C组：Ca：0.0050％以下。

A组：选自Cr：1.0％以下、Mo：1.0％以下、W：1.0％以下、Ni：1.0％以下、Cu：1.0％以下中的一种或两种以上

Cr、Mo、W、Cu、Ni中的任意一个都是具有使钢的淬透性提高的作用的元素，根据需要，可以选择性地含有一种或两种以上。

Cr在提高淬透性的基础上还具有形成微细的碳化物而使强度提高的作用，有助于确保所希望的强度。为了获得这种效果，优选的是含有0.05％以上，但是当超过1.0％时，上述的效果达到饱和，经济上变得不利，并且电阻焊接时容易生成夹杂物，给电阻焊接部的健全性(soundness)带来不好的影响。因此，Cr优选的是限定在1.0％以下。并且，更为优选的是0.10～0.30％。

Mo在提高淬透性的基础上还具有形成微细的碳化物而使强度提高的作用，有助于确保所希望的强度。为了获得这种效果，优选的是含有0.05％以上，但是当超过1.0％时，上述的效果达到饱和，经济上变得不利，同时生成粗大的碳化物，存在韧性降低的情况。因此，Mo优选的是限定在1.0％以下。并且，更为优选的是0.10～0.30％。

W为在提高淬透性的基础上具有使调质处理(thermal refining)后的硬度和韧性的平衡变得良好的作用的元素。为了获得这种效果，优选的是含有0.05％以上。另一方面，当含量超过1.0％时，效果达到饱和，经济上变得不利。因此，W优选的是限定在1.0％以下。并且，更为优选的是0.10～0.30％。

Ni为在提高淬透性的基础上还有助于提高韧性的元素，为了获得这种效果，优选的是含有0.05％以上，但是含量超过1.0％时，上述的效果达到饱和，经济上变得不利，而且加工性下降。因此，Ni优选的是限定在1.0％以下。并且，更为优选的是0.10～0.50％。

Cu为在提高淬透性的基础上具有防止延迟断裂(delayed fracture)的效果的元素，为了获得这种效果，优选的是含有0.05％以上。另一方面，当含量超过1.0％时，上述的效果达到饱和，经济上变得不利，且加工性下降。因此，Cu优选的是限定在1.0％以下。并且，更为优选的是0.10～0.30％。

B组：选自Nb：0.2％以下、V：0.2％以下中的一种或两种

Nb、V为形成碳化物而有助于增加强度的元素，可根据需要选择性地含有。为了获得这种效果，优选的是含有Nb：0.01％以上、V：0.01％以上，但是当Nb含量超过0.2％、V含量超过0.2％时，效果达到饱和，经济上变得不利。因此，优选的是Nb限定在0.2％以下，V限定在0.2％以下。

C组：Ca：0.0050％以下

Ca为抑制硫化物(sulfide)等夹杂物的形态且使加工性提高的元素，可根据需要含有。为了获得这种效果，优选的是含有0.0001％以上，但是另一方面，含量超过0.0050％时，使钢的清洁度(cleanness)下降。因此，Ca优选的是限定在0.0050％以下。更为优选的是0.0003％～0.0010％。

除上述成分之外的余量由Fe以及不可避免的杂质构成。其中，作为不可避免的杂质，能够容许的是P在0.020％以下、S在0.010％以下、O在0.005％以下。

P为给焊接抗裂性(weld cracking resistance)、韧性带来不好的影响的元素，优选的是调整为0.020％以下。并且，更为优选的是0.015％以下。

S在钢中以硫化物类夹杂物(sulfide inclusion)的形式存在，是使钢管的加工性、韧性、疲劳寿命下降、并且增大再热裂纹敏感性(reheatcrack sensitivity)的元素，用于中空稳定器优选的是调整为0.010％以下。并且，更为优选的是0.005％以下。

O在钢中主要以氧化物类夹杂物(oxide inclusion)的形式存在，为了使钢管的加工性、韧性、疲劳寿命下降，用于中空稳定器优选的是调整为0.005％以下。并且，更为优选的是0.002％以下。

以下，根据实施例，进一步对本发明进行说明。

用上述的制造方法获得的中空部件，对以钢板作为原材料且具有减碳层的宽度为2h(m)的电阻焊接部的电阻焊接钢管至少实施淬火处理而得到，优选的是除电阻焊接部以外的母材部(钢板)满足上述的组成的中空部件。而且，本发明的中空部件是耐久性优良的部件，其特征在于，电阻焊接部的最低含碳量C₁和母材部(钢板)的含碳量C₀的比C₁/C₀在0.83以上。并且，对于中空部件的电阻焊接部，使用通过由管圆周方向的EPMA或化学分析的C分析而得到的值。

以下，根据实施例，进一步对本发明进行说明。

实施例

将表1所示组成的热轧钢板(hot rolled steel sheet)作为原材料。对这些原材料，在低温下进行连续的冷成形(continuous cold forming)，形成大致圆筒状的开口管(open pipe)之后，对接该开口管的端部，通过高频电阻焊接(high-frequency resistance welding)进行电阻焊接，形成电阻焊接钢管(外径30mm

×壁厚6mm)。并且，对于一部分，将热轧钢板作为原材料，通过冷成形同样地形成开口管之后，进行电阻焊接，制造外径89mm

×壁厚6.2mm的母管，然后进一步加热至950℃，实施终轧温度为800℃的减径轧制，形成外径30mm

×壁厚6mm的钢管。其中，在电阻焊接时，对焊接条件进行各种变更，如表2和表3所示调整为各种熔合线宽度(减碳层宽度)2h。其中，熔合线宽度(减碳层宽度)2h为从电阻焊接钢管上裁取包含电阻焊接部的组织观察用试验片并进行组织观察而求出的。接着，对这些电阻焊接状态的电阻焊接钢管在图2所示特征曲线(pattern)的热循环和表2及表3所示的条件下实施淬火处理。从得到的淬火状态的电阻焊接钢管上裁取包含电阻焊接部的硬度测定用试验片，实施硬度试验(hardness measurement)，测定母材部和电阻焊接部的淬火状态的硬度。并且，对于得到的电阻焊接钢管的电阻焊接部，在距管外表面100μm的位置，通过由管圆周方向的EPMA的碳浓度分析，求出实际测量的最低含碳量C₁(实测)。然后，算出(a)式的x＝0时的淬火处理后的最低含碳量C₁，并除以母材部(钢板)的含碳量C₀，从而算出计算值C₁/C₀以及实测值C₁/C₀。进而，在350℃下对淬火后的钢板实施20分钟的回火之后，实施扭转疲劳试验(torsionfatigue test)，调查有无沿电阻焊接部的异常的裂纹。将沿电阻焊接部的裂纹的情况用×表示，其他裂纹用○表示。

试验方法如下。

(1)组织观察(microstructure observation)

从获得的电阻焊接钢管上在包含电阻焊接部的管轴方向切出垂直截面并进行研磨，使用金属流动蚀刻液(5％苦味酸(picric acid)+表面活性剂(surface acting agent))进行腐蚀，使用光学显微镜(lightmicroscope)(倍率(magnification ratio)：400倍)，观察截面组织(sectionalstructure)。测定该截面组织中的未观察到偏析线(segregation line)的区域(层)的最大宽度并将其设为熔合线宽度(减碳层宽度)2h。

(2)硬度试验(hardness measurement)

从获得的电阻焊接钢管上裁取硬度测定用试验片，对于电阻焊接部以及母材部，在板厚方向用维氏硬度计(Vickers hardness meter)(载荷(load)：4.9N)测定维氏硬度HV0.5。

测定在距外表面0.2mm的间距(pitch)处进行，将得到的值进行算术平均(arithmetic average)，作为各钢管的电阻焊接部、母材部的硬度。

(3)扭转疲劳试验(torsion fatigue test)

从外径30mm

×壁厚6mm的所得到的电阻焊接钢管上裁取疲劳试验用试验材料(管轴方向的长度：250mm)，进行依据JIS Z 2273的交变扭转疲劳试验。扭转疲劳试验的应力τ，对于成分A、B、E材料，在τ＝380MPa下进行，对于C、D材料，在τ＝470MPa下进行。

得到的结果表示在表2以及3中。

本发明例(供试材料No：1～8、10以及33～35)中的任意一个，都没有出现电阻焊接部的淬火后的硬度的显著下降(电阻焊接部硬度/母材部硬度：0.98以上)，且在扭转疲劳试验中，也都没有出现沿电阻焊接部的异常的裂纹(在表2以及表3中，表示为○)。另一方面，不满足本发明的减碳层宽度2h和热处理条件的适当范围式(C₁/C₀为0.83以上)的比较例(供试材料No：9、11～13)，电阻焊接部的淬火硬度产生了显著的下降，且在扭转疲劳试验中也出现了沿电阻焊接部的异常的裂纹(在表2以及表3中，表示为×)。并且，不满足作为本发明的成分范围的(N/14)＜(Ti/47.9)的比较例成分E材料的供试材料No.36，即使满足本发明的减碳层2h和热处理条件的适当范围式(C₁/C₀为0.83以上)，与相同C量的A材料相比，母材部、电阻焊接部的淬火硬度也都显著地下降。

Claims (12)

1.一种耐久性优良的中空部件的制造方法，其特征在于，对以钢板作为原材料且减碳层宽度为2h(m)的电阻焊接钢管，实施包括淬火处理或进一步包括回火处理的热处理，制成具有所希望的高强度的部件，所述淬火处理为，以加热速度V_h加热至Ac₃相变点以上的加热温度T，保持均热时间k之后，立即以一次冷却速度V_c冷却至淬火开始温度Tq，之后进行二次冷却，

对所述淬火处理中的所述加热速度V_h、所述加热温度T、所述均热时间k、所述一次冷却速度V_c进行调整，使其满足下式(1)，并且将所述淬火开始温度Tq设为超过Ar₃相变点的温度，

$0.83\≤1-(1-0.09/C_0){\∫}_{-h}^h\exp ({-y}^2/\left(4\mathrm{Dt}\right))/\sqrt{4\mathrm{\πDt}}\mathrm{dy}\·\·\·\·\·\·\left(1\right)$

其中，

所述减碳层宽度2h的单位为m，所述加热速度V_h和所述一次冷却速度V_c的单位为K/s，所述加热温度T和所述淬火开始温度Tq的单位为K，所述均热时间k的单位为s，

C₀：钢板的含碳量(质量％)，

t：50/V_h+50/V_c+k，其单位为s

V_h：加热速度，V_c：一次冷却速度，k：均热时间，

D＝D₀exp(-Q/RT)，其单位为m²/s，

D₀：4.7×10^-5m²/s，Q＝155kJ/mol·K，R＝8.31J/mol·K，T：加热温度。

2.如权利要求1所述的中空部件的制造方法，其特征在于，所述钢板具有如下组成：以质量％计含有C：0.15～0.40％、Si：0.05～0.50％、Mn：0.30～2.00％、Al：0.01～0.10％、Ti：0.001～0.04％、B：0.0005～0.0050％、N：0.0010～0.0100％，并且，Ti以及N满足(N/14)＜(Ti/47.9)，余量由Fe及不可避免的杂质构成。

3.如权利要求2所述的中空部件的制造方法，其特征在于，在所述组成的基础上，以质量％计还含有选自1.0％以下的Cr、1.0％以下的Mo、1.0％以下的W、1.0％以下的Ni、1.0％以下的Cu中的一种或两种以上。

4.如权利要求2或3所述的中空部件的制造方法，其特征在于，在所述组成的基础上，以质量％计还含有选自0.2％以下的Nb、0.2％以下的V中的一种或两种。

5.如权利要求2或3所述的中空部件的制造方法，其特征在于，在所述组成的基础上，以质量％计还含有0.0050％以下的Ca。

6.如权利要求4所述的中空部件的制造方法，其特征在于，在所述组成的基础上，以质量％计还含有0.0050％以下的Ca。

7.一种中空部件，通过对以钢板为母材且具有减碳层宽度为2h(m)的电阻焊接部的电阻焊接钢管至少实施淬火处理而得到，其中，所述电阻焊接部的最低含碳量C₁和母材部的含碳量C₀的比C₁/C₀在0.83以上，

所述淬火处理为，以加热速度V_h加热至Ac₃相变点以上的加热温度T，保持均热时间k之后，立即以一次冷却速度V_c冷却至淬火开始温度Tq，之后进行二次冷却，

对所述淬火处理中的所述加热速度V_h、所述加热温度T、所述均热时间k、所述一次冷却速度V_c进行调整，使其满足下式(1)，并且将所述淬火开始温度Tq设为超过Ar₃相变点的温度，

$0.83\≤1-(1-0.09/C_0){\∫}_{-h}^h\exp ({-y}^2/\left(4\mathrm{Dt}\right))/\sqrt{4\mathrm{\πDt}}\mathrm{dy}\·\·\·\·\·\·\left(1\right)$

其中，

所述减碳层宽度2h的单位为m，所述加热速度V_h和所述一次冷却速度V_c的单位为K/s，所述加热温度T和所述淬火开始温度Tq的单位为K，所述均热时间k的单位为s，

C₀：钢板的含碳量(质量％)，

t：50/V_h+50/V_c+k，其单位为s

V_h：加热速度，V_c：一次冷却速度，k：均热时间，

D＝D₀exp(-Q/RT)，其单位为m²/s，

D₀：4.7×10^-5m²/s，Q＝155kJ/mol·K，R＝8.31J/mol·K，T：加热温度。

8.如权利要求7所述的中空部件，其中，除所述电阻焊接部以外的母材部具有如下组成：以质量％计含有C：0.15～0.40％、Si：0.05～0.50％、Mn：0.30～2.00％、Al：0.01～0.10％、Ti：0.001～0.04％、B：0.0005～0.0050％、N：0.0010～0.0100％，并且，Ti以及N满足(N/14)＜(Ti/47.9)，余量由Fe及不可避免的杂质构成。

9.如权利要求8所述的中空部件，其中，在所述组成的基础上，以质量％计还含有选自1.0％以下的Cr、1.0％以下的Mo、1.0％以下的W、1.0％以下的Ni、1.0％以下的Cu中的一种或两种以上。

10.如权利要求8或9所述的中空部件，其中，在所述组成的基础上，以质量％计还含有选自0.2％以下的Nb、0.2％以下的V中的一种或两种。

11.如权利要求8或9所述的中空部件，其中，在所述组成的基础上，以质量％计还含有0.0050％以下的Ca。

12.如权利要求10所述的中空部件，其中，在所述组成的基础上，以质量％计还含有0.0050％以下的Ca。

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