CN102365380A - 加工性及淬火后的疲劳特性优异的电焊钢管 - Google Patents

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Abstract

提供一种加工性及淬火后的疲劳特性优异的电焊钢管，其能够加工成复杂的形状，而不进行球化处理；能够提高冷加工及淬火后的疲劳特性，而不进行渗碳处理。该钢管以质量％计，含有：C：0.15～0.55％、Si：0.01～0.30％、Mn；0.5～1.5％、Ca：0.0010～0.0030％、S：0.0005～0.0050％、O：0.0005～0.0050％，并且，使Ca、O及S的含量满足0.10≤[Ca](1-124[O])/1.25[S]≤2.50，使存在于母材及电焊焊接部的Ca类夹杂物的平均粒径为1.0～10μm、密度为3～300个/mm2，此外，使电焊焊接部的最高硬度和母材部的平均硬度之差ΔHv满足100～500。

Description

加工性及淬火后的疲劳特性优异的电焊钢管
技术领域
本发明涉及加工性及淬火后的疲劳特性优异的电焊钢管，其适于用作汽车用部件、机械结构用部件等的原料。
背景技术
近年来，随着汽车及机械结构等的性能的提高，其疲劳特性变得更高、部件的形状变得更为复杂，强烈要求提高钢材的加工性。对于作为汽车用部件、机械结构用部件等的原料使用的钢管，在冷加工后进行切削而制成最终的部件形状，并通过随后的淬火来调整强度。淬火后的汽车部件、机械结构用部件对强度和疲劳特性有要求。
为了通过淬火来提高钢管的强度，必须提高作为原料的钢管的C含量。但由于高碳钢的加工性差，已提出了通过球化热处理使强度降低的方法(例如，参考专利文献1～4)。
另一方面，要提高疲劳特性，通常，提高硬度、强度、赋予压缩的残余应力是有效的。目前为止，已提出了通过采用渗碳淬火来提高表层部的硬度和强度，从而提高疲劳特性的方法(参考专利文献5)。
但近年来，从低成本化、制造效率的角度考虑，寻求一种即使省略球化热处理也能够加工成复杂形状、且加工性优异的电焊钢管。另外，还要求在不进行渗碳处理等的情况下提高淬火后部件的疲劳特性。
此外，就适合用于要求加工性的用途的电焊钢管而言，特别地，为了控制MnS的形态，要添加Ca，进一步，为了实现母材和焊接部材质的均质化，要在通过电焊焊接进行制管后，实施正火(加热至Ac3相变点以上，风冷)等热处理。
但从低成本化、制造效率的角度考虑，在省略制管后的热处理的情况下，本发明人等研究发现存在加工性差的问题，因此需要寻求一种即使不对添加有Ca的钢进行制管后的热处理，也不会损害加工性的方法。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平11-269552号公报
专利文献2：日本特开平11-269553号公报
专利文献3：日本特开2006-9141号公报
专利文献4：日本特开2007-246956号公报
专利文献5：日本特开平5-117806号公报
发明内容
发明要解决的技术问题
本发明是鉴于上述背景而完成的，目的在于提供一种加工性及淬火后的疲劳特性优异的电焊钢管，其能够加工成复杂的形状，而不进行球化处理；能够提高冷加工及淬火后的疲劳特性，而不进行渗碳处理；而且即使省略制管后的热处理也不会损害加工性。
解决问题的方法
本发明针对成为冷锻造等加工时产生裂纹及疲劳试验中产生裂纹的起点的夹杂物的影响进行了研究。
结果发现：通过控制存在于电焊钢管的母材及焊接部的氧化物及硫化物等钙(Ca)类夹杂物的形态，即使省略制管后的热处理，也能得到确保加工性、并且淬火后的疲劳特性得到提高的电焊钢管。
上述本发明的要点如下所述。
(1)一种加工性及淬火后的疲劳特性优异的电焊钢管，以质量％计，其包含：C：0.15～0.55％、Si：0.01～0.30％、Mn：0.5～1.5％、Ca：0.0010～0.0030％、S：0.0005～0.0050％、O：0.0005～0.0050％，并且控制P、N、Al的量为P：0.020％以下，N：0.0050％以下，Al：0.050％以下，余量由Fe及杂质构成，且Ca、O及S的含量满足0.10≤[Ca](1-124[O])/1.25[S]≤2.50，
存在于母材及电焊焊接部的Ca类夹杂物的平均粒径为1.0～10μm、密度为3～300个/mm2，
而且电焊焊接部的最高硬度与母材部的平均硬度之差ΔHv满足100≤ΔHv≤500。
(2)上述(1)所述的加工性及淬火后的疲劳特性优异的电焊钢管，其中，以质量％计，还含有Mo：0.25％以下。
(3)上述(1)或(2)所述的加工性及淬火后的疲劳特性优异的电焊钢管，其中，以质量％计，还含有Ti：0.030％以下，B：0.0050％以下。
(4)上述(1)或(2)所述的加工性及淬火后的疲劳特性优异的电焊钢管，其中，以质量％计，还含有Ni：1.00％以下，Cu：1.00％以下，Cr：1.50％以下，Mo：低于0.05％、Nb：0.050％以下、V：0.040％以下中的1种或2种以上。
(5)上述(1)或(2)所述的加工性及淬火后的疲劳特性优异的电焊钢管，其中，母材的壁厚为4～12mm。
发明的效果
本发明即使省略制管后的热处理，也能得到具有优异加工性、并且淬火后的强度及疲劳特性也优异的电焊钢管，能够提供高强度且疲劳特性优异的复杂形状的汽车部件、机械结构用部件等，在产业方面的贡献极为显著。
具体实施方式
本发明人等发现：导致对C含量多的电焊钢管进行冷加工时产生裂纹、淬火后的部件产生疲劳龟裂的起点是存在于钢管的母材及焊接部的氧化钙(CaO)、硫化钙(CaS)等钙类夹杂物(Ca类夹杂物)。
本发明人等经过更深一步的研究，通过控制Ca、O及S的含量，成功地将钙类夹杂物微细化、从而提高了电焊钢管的加工性及淬火后的疲劳特性。
以下，针对本发明的加工性及淬火后的疲劳特性优异的电焊钢管进行详细说明。在本发明中，在特定条件下限定化学成分、钙(Ca)类氧化物及硫化物的形态、密度。首先，针对钢管母材中使用的钢的化学成分进行说明。含量的％为质量％。
C：0.15～0.55％、
C是确保强度及淬火性的必要元素，使C含量为0.15～0.50％范围。为了确保强度及淬火性，碳含量必须在0.15％以上。另外，为了提高强度，更优选碳含量为0.20％以上、进一步优选为0.25％以上。
另一方面，如果碳含量超过0.55％，则会导致变得过硬，进而引起加工性的劣化、切削性及韧性的劣化，因此优选上限值为0.55％以下。另外，优选上限值为0.50％以下，更优选0.45％以下，进一步优选0.40％以下。
Si：0.01～0.30％、
Si不仅发挥脱氧剂的作用，而且还是有利于有效提高强度的元素，使S含量在0.01～0.30％范围。优选Si含量的下限值为0.01％以上、更优选为0.10％以上、进一步优选为0.15％以上。
另一方面，如果Si含量超过0.30％，则随着强度的提高，延展性降低，会引起加工性的劣化。另外，易在电焊钢管的电焊焊接部生成反应产物，使电焊焊接部的品质显著劣化。因此，优选Si含量的上限值为0.30％以下、更优选为0.25％以下、进一步优选为0.20％以下。
Mn：0.5～1.5％、
Mn是确保淬火性的有效元素，使Mn含量在0.5～1.5％范围。优选Mn含量的下限值为0.5％以上、更优选为0.7％以上。另一方面，如果Mn含量超过1.5％，则随着强度的提高，延展性降低，加工性劣化，因此优选上限值为1.5％以下、更优选为1.35％以下。另外，如果Mn含量增加，则易在电焊钢管的电焊焊接部生成反应产物，使电焊焊接部的品质劣化，因此进一步优选上限值为1.3％以下。
Ca：0.0010～0.0030％、
Ca是重要的元素，其在母材及焊接部产生硫化物(CaS)，对于抑制硫化锰(MnS)的生成、提高加工性极为有效。因此，使Ca含量为0.0010～0.0030％。其中，Ca含量低于0.0010％时，其效果不充分，因此优选下限值为0.0010％以上、更优选为0.0015％以上。
另一方面，如果添加超过0.0030％的过量的钙，则钢中的夹杂物增加，会引起加工性的劣化，因此优选上限值为0.0030％以下、更优选为0.0027％以下、进一步优选为0.0025％以下。
O：0.0005～0.0050％
O是钢中不可避免地含有的杂质，含量为0.0005～0.0050％。如果要将O含量控制在低于0.0005％，则会导致制造成本增加，因此优选其下限为0.0005％以上、更优选为0.0015％以上。
另一方面，O在钢中生成氧化物，如果其含量超过0.0050％，则加工性、淬火后的疲劳特性降低，因此优选上限为0.0050％以下、更优选为0.0035％以下。
S：0.0005～0.0050％、
S是钢中不可避免地含有的杂质，含量为0.0005～0.0050％。S含量低于0.0005％时，制造成本增加，因此优选下限为0.0005％以上、更优选为0.0020％以上、进一步优选为0.0025％。
另一方面，S在钢中生成硫化物，如果其含量超过0.0050％，则加工性、淬火后的疲劳特性降低，因此优选上限为0.0050％以下、更优选为0.0045％以下、进一步优选为0.0040％以下。
Al：0.050％以下
Al作为脱氧元素发挥作用，但如果Al的含量超过0.050％，则夹杂物量增加，钢的纯度(清浄度)降低，导致加工性劣化。因此，期望Al的含量尽量少，优选限制在低于0.050％、更优选为0.030％以下、进一步优选为0.025％以下。
P：0.020％以下，
P是钢中不可避免地含有的杂质，是引起晶界偏析、中心偏析、导致延展性劣化的原因。因此，优选限制P的含量为0.020％以下、更优选为0.010％以下、进一步优选为0.008％以下。
N：0.0050％以下，
N是钢中不可避免地含有的元素，如果其含量超过0.0050％，则生成粗大的氮化物，导致加工性、疲劳强度降低。因此，优选限制氮的含量为0.0050％以下、更优选为0.035％以下。需要说明的是，要使N与Al、Ti、Nb等结合产生微细的氮化物，从而提高强度、疲劳强度，优选含有0.0010％以上、更优选0.0020％以上的N。
本发明的钢管采用上述组成的钢，为了达到提高淬火性、提高强度的目的，该钢中还可添加下述元素。
Mo不仅能确保淬火性，而且在通过抑制P在电焊焊接部及母材部发生晶界偏析来抑制晶界裂纹方面也是有效的元素，为了进一步获得这样的效果，优选Mo的含量为0.25％以下的范围。
为了充分获得Mo的效果，优选Mo的含量为0.05％以上、更优选为0.06％以上、进一步优选为0.08％以上。
另一方面，如果Mo量超过0.25％，则强度提高，会引起加工性、切削性的劣化，因此优选其上限值为0.25％以下、更优选为0.17％以下。另外，为了提高加工性，进一步优选Mo量的上限值为0.15％以下。
需要说明的是，由于Mo是高价的元素，在考虑成本使其添加量低于0.05％的情况下，优选一并添加B、Cr，因为这样即使添加少量的Mo也能提高淬火性。
为了进一步提高淬火性，优选同时含有Ti及B。
Ti与N的亲和力强，在添加了B的情况下，为了防止氮化物(BN)的析出，确保固溶B，优选与B一起添加Ti。但如果添加过量的Ti，则会形成粗大的氮化物，从而导致加工性、疲劳强度降低，因此优选上限为0.030％以下。另外，就钛而言，为了形成碳氮化物，从而有利于晶粒的微细化，优选添加0.005％以上的Ti。需要说明的是，为了抑制氮化物(BN)的生成，优选根据N含量来适当控制Ti含量。
B是能有效确保淬火性的元素，但添加超过0.0050％的B时，其效果达到饱和。因此，优选硼的含量的上限为0.0050％以下。为了提高淬火性，优选添加硼0.0005％以上。
为了进一步提高强度，优选添加Ni、Cu、Cr、Mo、Nb、V中的1种或2种以上。
Ni是能有效确保淬火性的元素，但如果Ni的含量超过1.00％，则强度增大，会引起加工性的劣化。因此，优选Ni含量为1.00％以下。为了提高淬火性，优选添加0.05％以上的Ni。
Cu是通过提高固溶强化及析出强化来提高强度的元素，其也有利于提高淬火性。但如果Cu的含量超过1.00％，则可能导致热加工时的变形阻力变大，难以制造。因此，优选Cu含量为1.00％以下。另外，为了提高强度，优选Cu的含量为0.05％以上。
Cr是能有效确保淬火性的元素，但如果Cr的含量超过1.50％，则强度增大，可能会引起加工性的劣化。因此，优选Cr含量为1.50％以下。为了提高淬火性，优选添加0.05％以上的Cr。为了提高加工性，优选Cr含量为1.00％以下。
Nb是能有效确保淬火性的元素，但添加量超过0.050％时，效果达到饱和。因此，优选Nb的含量在0.050％以下。为了提高淬火性，优选添加Nb的量为0.005％以上。
V形成碳化物、氮化物，是能有效提高强度的元素。另一方面，如果添加过量的V，则形成粗大的碳化物、氮化物，导致加工性、疲劳强度降低，因此优选含量的上限为0.040％以下。为了提高强度，优选添加V的量为0.005％以上。
在本发明中，为了提高加工性及淬火后的疲劳特性，使S、O的含量、Ca的添加量成适当的关系，并将钢中钙类的氧化物(CaO)及硫化物(CaS)的平均粒径和分布密度限制在适当范围内。
如果电焊钢管的电焊焊接部存在粗大的氧化物及硫化物，则会成为加工时产生裂纹及疲劳损坏的起点。尤其对添加了Ca的电焊钢管的加工性的劣化原因、疲劳损坏的原因进行了调查，结果发现，母材及电焊焊接部的夹杂物、尤其是CaO、CaS等钙类夹杂物是是引起上述不良的起点，会引发裂纹。
于是，对CaO、CaS等钙类夹杂物的形态控制进行了研究，结果发现：必须尽可能使钙类夹杂物细粒化，降低分布密度，而已知，为此，S、O的含量与Ca的添加量的关系、及钙类夹杂物的平均粒径和分布密度是很重要的。
关于S、O的含量与Ca的添加量的关系，下述式(1)规定的E值必须满足特定范围。其中，E值是在考虑Ca形成氧化物的情况下，使S以CaS形式固定所必要的、Ca含量与S含量的比。即，是生成钙类的氧化物及硫化物时Ca含量、S含量及O含量的比。
该E值低于0.10时，S含量过量，因此钢的纯度降低，硫化物成为引起加工时产生裂纹、淬火后产生疲劳龟裂的起点。另一方面，E值超过2.50时，要尽可能降低S含量，而这伴随着制造成本的上升。
因此，要使E值为0.10～2.50范围。需要说明的是，为了提高加工性，优选E值为0.25以上、更优选为0.30以上。另外，从制造成本方面考虑，优选E值为1.0以下。
E值＝[Ca](1-124[O])/1.25[S]…(1)
在上述式(1)中，[Ca]、[O]、[S]分别表示电焊钢管中含有的Ca、O、S的含量(质量％)。
以往，并未严格调整O及S的含量。在本发明中，在制钢工序中，通过脱硫降低S量，通过添加Si、Mn、Al等脱氧元素，降低钢液的O量，进一步根据S量、O量来添加Ca，将参数E值控制在上述范围。
关于钙类夹杂物的平均粒径和分布密度，从加工性及疲劳特性方面考虑，在电焊钢管的母材部及电焊焊接部，钙类夹杂物的平均粒径必须为1.0～10μm、密度必须为每1mm2分布3～300个。
通过使钙类夹杂物的平均粒径为10μm以下、密度为300个/mm2，可大幅提高加工性及淬火后的疲劳特性。
另一方面，其平均粒径低于1.0μm、密度低于3个/mm2时，必须降低钢中含有的S含量及氧(O)含量，因此制造成本上升。从制造成本方面考虑，优选钙类夹杂物的平均粒径的下限为1.1μm以上。
在进行电焊焊接后保持淬火状态而不进行淬火后的热处理的情况下，电焊焊接部变成马氏体主体的组织，电焊焊接部的硬度比母材部的高。
在保持制管的状态下，为了确保加工性，以维氏硬度测定的电焊焊接部的最高硬度与母材部的平均硬度之差(ΔHv)必须满足100≤ΔHv≤500的关系。
在保持制管的状态下，如果电焊焊接部的最高硬度与母材部的平均硬度之差(ΔHv)大，则会在加工时电焊焊接部附近的软质相即母材部集中应变，其结果，可能引发局部变形、甚至发生断裂。为了防止这样的断裂，须使该硬度之差ΔHv为500以下。
如上所述，在保持制管的状态下，电焊焊接部变成马氏体主体的组织，其硬度主要取决于钢的C量等化学成分、电焊焊接的比入热(比入熱)(每单位长度的焊接电量)、母材板厚等。通常，C量或碳等的量越高，电焊焊接部的最高硬度越高。另外，已知比入热越小，且板厚越厚，电焊焊接部的最高硬度越高。
但由于母材的化学成分及板厚会影响到将电焊钢管加工成部件后的制品特性，无法自由地选择。因此，要根据母材的化学成分及板厚，选择比入热，调整焊接部的最高硬度，使ΔHv为500以下。
另外，由于ΔHv的值随着母材中C量的降低而减小，因此无需对ΔHv的下限进行特别限制，但考虑到现实可能的比入热、母材板厚以及C：0.15％的下限范围内的ΔHv值，要将ΔHv值设为100以上。
通常，电焊钢管的厚度为1.5～15mm。需要说明的是，优选用于汽车部件的轴等的中空部件的厚度为厚壁，使作为原料的电焊钢管的厚度为4mm以上。另外，由于作为汽车部件、机械结构部件的原料的电焊钢管的外径小，因此，如果厚度增加，则很难成形、电焊焊接。因此，优选电焊钢管的厚度的上限为12mm以下。
本发明具有以上说明的构成，以下，通过实施例对本发明的可实施性及效果进行说明。
需要说明的是，实施例中采用的条件仅是用于其确认的一条件例，本发明并不受这些例子的限定。
实施例1
使用具有表1所示化学成分的钢A～O，制造了外径38.1mm、壁厚8.0mm的电焊钢管1～15。其中，在电焊焊接后进行了高频淬火，但在淬火后未进行正火等热处理。
测定高频淬火后电焊钢管的焊接部和母材部的维氏硬度，求出电焊焊接部的最高硬度和母材部的平均硬度，并将该电焊钢管切成试验片，实施了断面观察、特性评价的试验。
夹杂物的大小和个数的测定如下进行：从电焊钢管的电焊焊接部及母材部切下试样，进行镜面研磨。通过EPMA对1000μm×1000μm的测定区域以1000×1000点的测定点数进行测定，求出电焊钢管的母材及焊接部的钙类夹杂物的密度。另外，对SEM照片进行图像解析，将钙类夹杂物的平均粒径换算为圆当量直径并求出。
通过压缩试验对加工性进行了评价。采用将直径7mm、长度10mm的圆柱状试验片，并使电焊钢管的管轴方向为压缩试验片的长方向(L方向)。沿试验片的L方向进行压缩时，以表面产生裂纹时的试验片的高度为压缩高度h。
需要说明的是，上述压缩高度h随着试验条件(试验片的大小、应变速度等)的不同而变化。在本实施例的条件中，压缩高度为2.0mm以下时，评价为加工性良好。
通过扭曲疲劳试验对淬火后的疲劳特性进行了评价。扭曲疲劳试验是通过来自外侧的水冷对电焊钢管进行淬火处理后，将旋转扭矩恒定为13kNm，根据反复次数进行的评价。
需要说明的是，上述反复次数随着试验条件而变化。在本实施例的条件中，反复次数为1.5×108以上时，评价为淬火后的疲劳特性良好。
结果如表2所示。如表2所示，用钢A～K制造的本发明例的钢管1～11，其焊接部与母材部的维氏硬度之差ΔH在本发明范围内，利用压缩试验测定的加工性及利用扭曲疲劳试验测定的淬火后的疲劳特性均良好。另一方面，用钢L～O制造的比较例的钢管12～15，它们的化学成分、钙类夹杂物的平均粒径、个数密度均不在本发明范围内，因此其加工性、淬火后的疲劳特性差。
比较例的钢L的C含量低，淬火性降低，淬火后的强度降低，因此用该钢制造的钢管12的淬火后的疲劳特性差。
比较例的钢M的S含量高，因此制造的钢管13的电焊焊接部及母材部的钙类夹杂物的个数密度高，在压缩试验及扭曲疲劳试验中，钙类夹杂物成为裂纹的起点，其加工性和淬火后的疲劳特性差。
比较例的钢N的Ca含量过量，E值高，因此制造的钢管14的电焊焊接部及母材部的钙类夹杂物的个数密度高，同样地，加工性和淬火后的疲劳特性差。
比较例的钢O的Ca含量低，E值低，因此制造的钢管15的电焊焊接部及母材部的钙类夹杂物粗大，个数密度也高，同样地，加工性和淬火后的疲劳特性差。
Figure BDA0000094270260000111
[表2]
Figure BDA0000094270260000121
ΔHv：电焊焊接部的最高硬度与母材部的平均硬度之差(表4也同样)
实施例2
使用具有表3所示化学成分的钢A1～O1，按照与实施例1相同的方法制造了形状与实施例1相同的电焊钢管16～30。
测定电焊钢管16～30的焊接部和母材部的维氏硬度，求出电焊焊接部的最高硬度和母材部的平均硬度，并分别从电焊焊接部及母材部切下试样，按照与实施例1相同的方法求出电焊钢管的母材及焊接部的钙类夹杂物的密度、和平均粒径。
另外，按照与实施例1相同的方法，实施了对加工性和淬火后的疲劳特性进行评价的试验。
结果如表4所示。如表4所示，用钢A1～K1制造的本发明例的钢管16～26，其焊接部和母材部的维氏硬度之差ΔH在本发明范围内，利用压缩试验测定的加工性及利用扭曲疲劳试验测定的淬火后的疲劳特性也良好。另一方面，用钢L1～O1制造的比较例的钢管27～30，其化学成分、钙类夹杂物的平均粒径、个数密度均不在本发明范围内，因此加工性、淬火后的疲劳特性差。
比较例的钢L1的C量低，淬火性劣化，用该钢制造的淬火后的钢管27的疲劳特性差。比较例的钢M1的S量高、钢N1的Ca量过量，虽然E值高，但制造的钢管28、29的电焊焊接部及母材部的Ca类夹杂物的个数密度高。
另外，比较例的钢O1的E值低，因此制造的钢管30的电焊焊接部及母材部的Ca类夹杂物粗大，个数密度也高。因此，使用了钢M、N及O的比较例的钢管28～30，在压缩试验及疲劳试验中，Ca类夹杂物成为裂纹的起点，加工性和疲劳特性差。
Figure BDA0000094270260000141
[表4]
Figure BDA0000094270260000151

Claims (5)

1.一种加工性及淬火后的疲劳特性优异的电焊钢管，以质量％计，其含有：
C：0.15～0.55％、
Si：0.01～0.30％、
Mn：0.5～1.5％、
Ca：0.0010～0.0030％、
S：0.0005～0.0050％、
O：0.0005～0.0050％，
并且控制P、N、Al的量为：
P：0.020％以下、
N：0.0050％以下、
Al：0.050％以下，
余量由Fe及杂质构成，
且Ca、O及S的含量满足0.10≤[Ca](1-124[O])/1.25[S]≤2.50，
其中，
存在于母材及电焊焊接部的Ca类夹杂物的平均粒径为1.0～10μm、密度为3～300个/mm2，
电焊焊接部的最高硬度和母材部的平均硬度之差ΔHv满足100≤ΔHv≤500。
2.根据权利要求1所述的加工性及淬火后的疲劳特性优异的电焊钢管，其中，以质量％计，还含有Mo：0.25％以下。
3.根据权利要求1或2所述的加工性及淬火后的疲劳特性优异的电焊钢管，其中，以质量％计，还含有Ti：0.030％以下，B：0.0050％以下。
4.根据权利要求1或2所述的加工性及淬火后的疲劳特性优异的电焊钢管，其中，还含有Ni、Cu、Cr、Mo、Nb及V中的1种或2种以上，并且以质量％计，它们的量为：
Ni：1.00％以下、
Cu：1.00％以下、
Cr：1.50％以下、
Mo：低于0.05％、
Nb：0.050％以下、
V：0.040％以下。
5.根据权利要求1或2所述的加工性及淬火后的疲劳特性优异的电焊钢管，其中，母材的壁厚为4～12mm。
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