CN102906293A - 耐扭转疲劳特性优异的电阻焊钢管及其制造方法 - Google Patents

Abstract

现有的电阻焊钢管中不能完全保证作为传动轴所需要的耐疲劳特性。具体而言，本发明提供一种电阻焊钢管，其特征在于，母材部的组成包含C：0.25～0.55%、Si：0.01～1.0%、Mn：0.2～3.0%、Al：0.1%以下、N：0.0010～0.0100%，剩余部分为Fe和不可避免的杂质，并且，焊接缺陷对电阻焊焊接部的投影面积即焊接缺陷面积小于40000μm²。

Description

耐扭转疲劳特性优异的电阻焊钢管及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种耐扭转疲劳特性（torsion fatigue resistance）优异的电阻焊钢管（electric resistance welded steel pipe）及其制造方法。

背景技术

在汽车工业（automobile industry）中，为了兼顾轻量化（weightsaving）和增加刚性（stiffness increase），一直在进行将传动轴（driveshaft）中空化。这种中空化中，作为素材一直在使用无缝钢管（seamlesssteel pipe）。例如，在专利文献1中记载了一种中空驱动轴（hollow driveshaft），其以将钢组成控制在所希望范围内的无缝钢管作为素材，兼具淬火后的奥氏体晶粒度编号（austenitic grain size number）为9以上的优异的冷加工性（cold-workability）、淬透性、韧性以及扭转疲劳强度且发挥稳定的疲劳寿命（fatigue life time）。然而，无缝钢管在其制造方法上存在如下问题：因表面脱碳（surface decarburizing）、表面缺陷（surface flaw）大，为了得到充分的耐疲劳特性必须将表面研磨、磨削；而且还存在偏心和薄厚不均（eccentric and uneven thickness），不一定适用于旋转物（rotating object）这样的问题。

另一方面，在研究将不太存在这些问题的电阻焊钢管用于传动轴。例如，专利文献2中记载了一种耐延迟断裂特性（delayed fractureresistance）优异的高强度钢管，其特征在于，以将钢组成控制在所希望范围内的电阻焊钢管为素材，对其实施淬火、回火处理（quenching andtempering treatment），由此形成原奥氏体粒径（prior austenite grain）为10μm以下的固化部（hardened area）的面积成为钢管的C截面（与管长度方向正交的截面）面积的30%以上的钢组织。

专利文献1:国际公开WO2006/104023号公报

专利文献2:日本特开2008-274344号公报

发明内容

然而，在现有电阻焊钢管中，存在以下问题，即，在电阻焊焊接部残留有该电阻焊焊接时的氧化物，因焊接时的顶锻（upset）（对接（buttwelding）·压接（pressure welding）而在被焊接部（素材钢板的被对接板宽端部）附近开始产生夹杂物（inclusion），不能完全保证作为传动轴所需要的耐疲劳特性这种问题。

为了解决上述课题，本发明的目的在于提供一种耐扭转疲劳特性优异的电阻焊钢管及其优选的制造方法，该电阻焊钢管是以钢板为素材的电阻焊钢管，通过对电阻焊焊接部（将被焊接端部电阻焊焊接结合而成的结合面）的氧化物（oxide）、夹杂物等缺陷进行检测，并对其进行管理，由此能够在淬火或根据需要进一步实施回火处理后保证作为传动轴所需要的耐疲劳特性。

发明人等对将电阻焊钢管用于传动轴时成为问题的电阻焊焊接部附近的缺陷进行了研究。在将电阻焊钢管造管前的带钢的阶段，对带钢的单侧端面（相当于焊接部的位置），在利用钻头对尺寸不同的瑕疵进行加工后，进行了电阻焊焊接。然后对电阻焊钢管进行淬火、回火之后，进行扭转疲劳试验，调查了电阻焊焊接部的缺陷尺寸与扭转疲劳强度的关系，并将其结果示于图1。在此，电阻焊焊接部的缺陷尺寸是以后述的焊接缺陷面积来表示的。

电阻焊焊接部的缺陷尺寸如下求得。

·对于在扭转疲劳试验中将电阻焊焊接部的缺陷作为裂纹起点而发生断裂的样品，通过利用扫描型电子显微镜（scanning electronmicroscope）（SEM）对断面进行直接观察，从而求得缺陷尺寸。

·对于在电阻焊焊接部的缺陷部不发生断裂，在除此以外的部分发生断裂的样品，通过利用焊缝切片材料（C scan method for seam slicematerial）C扫描法（简称为C扫描法）对电阻焊焊接部的缺陷部进行调查，从而求得缺陷尺寸。

在该调查中，首先，如图2所示，对于在仅离电阻焊钢管1的焊缝（电阻焊焊接部）2规定距离（该情况下为8mm）的位置进行切片而得的焊接部的样品3，利用点会聚型超声波探头（spot focus typeultrasound probe）4，对焊缝部进行C扫描（沿着扫描方向（scanningdirection）5扫描）探伤，测定信号强度（signal strength）。

在此，电阻焊钢管的焊接条件（welding condition）包括：通常的电阻焊焊接条件和以使微小缺陷量（amont of minute defect）变得极少的方式来调节焊接热能（welding heat input）和顶锻量（upset value）的条件，并进行了各种变化。另外，点会聚型超声波探头使用频率为10MHz、波束尺寸（beam size）为1.2mm×1.2mm的探头，以从φ1.6mm的钻孔（drill hole）的回波高度（echo height）为80%的方式调节灵敏度（detection range），然后，增益提升（gain up）至10倍来进行探伤。该灵敏度设定中的信号强度（回波高度）与缺陷直径（diameter of defect）的关系如图3所示。

·对于利用C扫描法无法检测的微小缺陷而言，通过利用光学显微镜（optical microscope）观察L截面（管长度方向截面），从而测定缺陷尺寸（defect size）。

事先为了确认可利用C扫描法检测的缺陷尺寸（由回波高度计算）的精密度，如图4所示，调查利用C扫描法测定的缺陷尺寸与利用光学显微镜观察（观察倍率（magnification ratio）×400）测定的检测部的L截面的缺陷尺寸测定结果的关系，确认到两者充分相关，利用C扫描法的缺陷尺寸测定有充分的精密度。

由调查结果可知，在传动轴的扭转疲劳（torsional fatigue）方面成为问题的焊接缺陷是与其形状无关的对电阻焊焊接部的投影面积（projected area）为40000μm²以上的焊接缺陷。在本调查中，虽然利用C扫描法进行了缺陷尺寸的检测，但同样的测定也可以在保持钢管的原样状态下通过使用会聚到适当尺寸的超声波波束的串联探伤（tandemflaw inspection）来进行。超声波波束的会聚可以使用与C扫描同样的点会聚型超声波探头，如图5所示，也可以使用在圆周方向排列而成的阵列探头（array probe）。

此处所说的焊接缺陷不仅是指属于因焊接引起的氧化物、夹杂物或焊接的缩孔（shrinkage）等空隙（void）的实缺陷，也包括如图6所示的多个实缺陷（actual defect）以最邻接距离（nearest-neighbor interval）为50μm以内的相互间隔聚集而形成的集合体（aggregation）（簇状缺陷（cluster state defect）。

另外，在发明人等的见解中，焊接缺陷对电阻焊焊接部的投影面积为40000μm²以上的焊接缺陷，可以通过利用将超声波波束会聚到波束面积（beam area）5mm²以下的超声波来扫描电阻焊焊接部而能检测出。

此处所说的焊接缺陷对电阻焊焊接部的投影面积（即，焊接缺陷面积）意味着：如图6所示，将电阻焊焊接部作为投影面，在该投影面内的、相互最邻接距离大于50μm的各实缺陷的面积；或在上述投影面内的、由多个实缺陷在相互最邻接距离为50μm以内聚集而形成的集合体（簇状缺陷）的最外接线所围起的区域（在本发明中该区域也视为一个焊接缺陷）的各面积。

应予说明，电阻焊焊接部附近的实缺陷是如上所述的焊接时的氧化物和因顶锻而产生的夹杂物（inclusion），所以需要在以电阻焊焊接部为中心的圆周方向±1mm的范围进行检查。

本发明是基于上述见解而完成的，其主旨构成如下。

（1）一种耐扭转疲劳特性优异的电阻焊钢管，其特征在于，是以质量%计，母材部的组成包含C：0.25～0.55%、Si：0.01～1.0%、Mn：0.2～3.0%、Al：0.1%以下、N：0.0010～0.0100%，剩余部分为Fe和不可避免的杂质，并且，焊接缺陷对电阻焊焊接部的投影面积即焊接缺陷面积小于40000μm²。

（2）根据上述（1）记载的电阻焊钢管，包含Ti：0.005～0.1%、B：0.0003～0.0050%且N/14<Ti/47.9。

（3）根据上述（1）或（2）记载的电阻焊钢管，包含Cr：2%以下、Mo：2%以下、W：2%以下、Nb：0.1%以下、V：0.1%以下中的1种或2种以上。

（4）根据上述（1）～（3）中任一项记载的电阻焊钢管，包含Ni：2%以下、Cu：2%以下中的1种或2种。

（5）根据上述（1）～（4）中任一项记载的电阻焊钢管，包含Ca：0.02%以下、REM：0.02以下中的1种或2种。

（6）根据上述（1）～（5）中任一项记载的电阻焊钢管，用于传动轴。

（7）一种耐扭转疲劳特性优异的电阻焊钢管的制造方法，其特征在于，通过电阻焊焊接将具有上述（1）～（6）中任一项记载的组成的钢板形成管后，对以该管的电阻焊焊接部为中心的圆周方向±1mm的范围，利用将超声波波束会聚在波束面积为5mm²以下的超声波进行扫描，检测焊接缺陷对电阻焊焊接部的投影面积即焊接缺陷面积40000μm²以上的焊接缺陷，将通过该检测确定的管长度方向部分作为不良部分而进行排除。

（8）如上述（7）所述的电阻焊钢管的制造方法，其特征在于，排除上述不良部分后，对管实施淬火或进一步实施回火处理而用作传动轴。

根据本发明，得到能够可靠地保证作为传动轴所需要的耐疲劳特性的电阻焊钢管。

附图说明

图1是表示焊接缺陷面积与扭转疲劳强度的关系的坐标图。

图2是C扫描法的简要说明图。

图3是表示信号强度（回波高度）与缺陷直径的关系的1个例子的坐标图。

图4C是表示利用C扫描测定的缺陷尺寸与利用光学显微镜测定的缺陷尺寸的关系的坐标图。

图5是将使用阵列探头的超声波探伤法（阵列UT法）应用于电阻焊焊接部的方式的简要说明图。

图6是簇状缺陷的定义的说明图。

图7是表示波束面积与40000μm²缺陷的S/N关系的线图。

具体实施方式

在本发明中，叙述将钢组成进行如上限定的理由。组成的成分浓度（成分含量）以质量%为单位，简记为%。

（必须含有成分）

C：0.25～0.55%

如果C小于0.25%，则即使进行淬火也无法得到充分的硬度且无法得到所要求的耐疲劳特性。另一方面，如果大于0.55%，则由于焊接性变差而无法得到稳定的电阻焊焊接品质。应予说明，优选为0.30～0.40%。

Si：0.01～1.0%

也有为了脱氧而添加Si的情况，如果小于0.01%，则无法得到充分的脱氧效果。同时，Si也是固溶强化元素（solid solution hardeningelement），为了得到该效果，需要添加0.01%以上。另一方面，如果大于1.0%，则钢管的淬透性（hardenability）下降。应予说明，优选为0.1～0.4%。

Mn：0.2～3.0%

Mn是提高淬透性的元素，为了得到该效果，需要添加0.2%以上。另一方面，如果大于3.0%，则降低电阻焊焊接品质（electric resistanceweld quality），进而残余奥氏体量（retained austenite）增加且耐疲劳特性降低。应予说明，优选为0.5～2.0%。

Al：0.1%以下

Al是对脱氧有效的元素，并且，通过抑制淬火时的奥氏体粒的生长，从而确保淬火后的强度，为此需要添加Al。为了得到该效果，优选添加0.001%以上。但是，如果添加Al大于0.1%，则不仅该效果饱和，而且有时Al系的夹杂物增加，降低疲劳强度（fatigue strength）。应予说明，优选为0.01～0.08%。

N：0.0010～0.0100%

N是与Al键合而使晶粒微细化的元素，因此需要含有0.0010%以上，但如果大于0.0100%而过量含有则通过与B键合而形成BN，从而使游离B量变不足，阻碍因B引起的提高淬透性的效果。应予说明，优选为0.0010～0.005%。

（可以任意选择含有的成分）

即，具体而言，除了上述成分组成之外，还含有下述组（A）～（D）中的一种或二种以上。

（A）包含Ti：0.005～0.1%、B：0.0003～0.0050%且N/14<Ti/47.9

（B）Cr：2%以下、Mo：2%以下、W：2%以下、Nb：0.1%以下、V：0.1%以下中的1种或2种以上

（C）包含Ni：2%以下、Cu：2%以下中的1种或2种

（D）包含Ca：0.02%以下、REM：0.02以下中的1种或2种

以下，叙述对各元素的限定理由。

Ti：0.005～0.1%

Ti具有将钢中的N作为TiN进行固定的作用。其中，如果小于0.005%，则无法充分发挥固定N的能力，另一方面，如果大于0.1%，则钢的加工性、韧性下降。应予说明，更优选为0.01～0.04%。

B：0.0003～0.0050%

B是提高淬透性的元素。如果小于0.0003%，则无法充分发挥提高淬透性的效果。另一方面，即使添加大于0.0050%，该效果也已饱和，在晶界偏析而促进晶界破坏，使耐疲劳特性变差。应予说明，更优选为0.0010～0.0040%。

N/14<Ti/47.9

为了确保游离B，需要可靠地将N用Ti固定，因此，需要N原子%（＝N质量%/N原子量14）小于Ti原子%（＝Ti质量%/Ti原子量47.9）。

Cr：2%以下

Cr对淬透性的提高有效。为了得到该效果，优选添加0.01%以上。但是，如果添加Cr大于2%，则易于形成氧化物，在电阻焊焊接部残留Cr氧化物而使电阻焊焊接品质下降。应予说明，更优选为0.001～0.5%。

Mo：2%以下

Mo是提高淬透性的元素，对提高钢的强度，提高疲劳强度的有效。为了得到该效果，优选添加0.001%以上。但是，如果添加Mo大于2%，则加工性显著降低。应予说明，更优选为0.001～0.5%。

W：2%以下

W通过形成碳化物而对提高钢的强度有效。为了得到该效果，优选添加0.001%以上。但是，如果添加W大于2%，则析出不需要的碳化物，降低耐疲劳特性，降低加工性。应予说明，更优选为0.001～0.5%。

Nb：0.1%以下

Nb不仅是提高淬透性的元素，还形成碳化物而有助于提高强度。为了得到该效果，优选添加0.001%以上。但是，如果添加Nb大于0.1%，则该效果饱和，加工性下降。应予说明，更优选为0.001～0.04%。

V：0.1%以下

V是对形成碳化物而使钢的强度上升有效且具有抗回火软化的元素。为了得到该效果，优选添加0.001%以上。然而，如果添加大于0.1%，则该效果饱和，加工性下降。应予说明，更优选为0.001～0.5%。

Ni：2%以下

Ni是提高淬透性的元素，对提高钢的强度、提高疲劳强度有效。为了得到该效果，优选添加0.001%以上。但是，如果添加大于2%，则加工性显著降低。应予说明，更优选为0.001～0.5%。

Cu：2%以下

Cu是提高淬透性的元素，对提高钢的强度、提高疲劳强度有效。为了得到该效果，优选添加0.001%以上。但是，如果添加大于2%，则加工性显著降低。应予说明，更优选为0.001～0.5%。

Ca：0.02%以下、REM：0.02%以下

Ca、REM均是使非金属夹杂物的形态为球状，在反复赋予应力那样的使用环境下的疲劳破坏时的裂纹起点的降低有效的元素，可以根据需要选择含有。这种效果在将Ca、REM均含有0.0020%以上时能够获得。另一方面，如果含有大于0.02%，则夹杂物量变得过多，纯度降低。因此优选Ca、REM均限定在0.02%以下。并用Ca、REM两者时，优选总计量为0.03%以下。

在本发明的钢组成中，上述成分以外的剩余部分为Fe和不可避免的杂质。

接下来，对焊接缺陷面积的限定理由进行叙述。如上述所述，本发明所指的焊接缺陷不仅是因焊接引起的氧化物、夹杂物或焊接的缩孔等空隙的实缺陷，也包含如图6所示的多个实缺陷以最邻接距离为50μm以内的相互间隔聚集而形成的集合体（簇状缺陷）。只有该焊接缺陷的对电阻焊焊接部的投影面积（即焊接缺陷面积）为40000μm²以上的焊接缺陷，对耐扭转疲劳特性带来负面影响（例如，如图1所示）。由此，在本发明中，焊接缺陷面积必须小于40000μm²（即，电阻焊焊接部中完全不存在焊接缺陷面积为40000μm²以上的焊接缺陷）。

应予说明，对于相互最邻接距离大于50μm的多个实缺陷的集合体而言，只要是该集合体内的各实缺陷的对电阻焊焊接部的投影面积小于40000μm²，则对耐扭转疲劳特性的负面影响将小到可忽视的程度，所以不属于本发明所说的焊接缺陷。

接下来，作为优选的制造方法，可举出通过电阻焊焊接将具有上述（1）～（4）中任一项所记载的组成的钢板制成管后，对以该管的电阻焊焊接部为中心的圆周方向±1mm的范围，利用将超声波波束会聚在波束面积为5mm²以下的超声波进行扫描，检测焊接缺陷对电阻焊焊接部的投影面积即焊接缺陷面积为40000μm²以上的焊接缺陷，将通过该检测确定的管长度方向部分作为不良部分而进行排除。根据该制造方法，由于得到的电阻焊钢管完全不包含焊接缺陷面积为40000μm²以上的焊接缺陷，所以能够可靠且稳定地得到耐扭转疲劳特性优异的电阻焊钢管。而且，通过对该电阻焊钢管实施淬火或进一步实施回火处理等而用作传动轴，从而能够可靠地保证传动轴所需要的耐疲劳特性。

接着，叙述将超声波波束的会聚尺寸限定为波束面积为5mm²以下的理由。随着超声波波束尺寸的缩小，发送波的波束中缺陷所占的比例变大，所以缺陷回波的S/N变大。将调查40000μm²的缺陷的S/N的结果示于图7。只要缺陷的检测为S/N≥2则能够进行，所以超声波波束面积的优选范围为5mm²以下。更优选成为S/N≥3的3.3mm²以下。

应予说明，从能够用于钢管的超声波的频率、钢管、探头的几何学的尺寸关系出发，优选将下限值设为成极限的0.01mm²。

实施例

得到将表1所示的钢组成（质量%）的钢铸片进行热轧而成的带钢，将其作为管素材来制造电阻焊钢管，此时作为电阻焊焊接条件，将焊接热能和顶锻量的组合按以下两个条件进行调整而制造电阻焊钢管。即，氧化物、夹杂物难以残留的通常条件（表2的电阻焊焊接条件A）和容易残留的条件（表2的电阻焊焊接条件B）。

利用C扫描法（参照图2）或阵列UT法（参照图5），对已制造的电阻焊钢管的电阻焊焊接部中的焊接缺陷尺寸进行测定，求得焊接缺陷面积。另外，将电阻焊焊接部水平放置，进行压扁试验（flattening test），求得扁率值（flattening Value）（产生裂纹时的管高度H/压扁前的管外径D），将扁率值为0.5以下的电阻焊钢管判断为焊接品质良好。然后，对电阻焊钢管进行冷拉拔加工（冷拔加工），其后，进行正火（950℃×10分钟）后施加成型加工，形成为中空传动轴形状，然后，通过高频加热（high-frequency heating）实施淬火，从而形成为传动轴。

应予说明，对一部分，淬火后，实施180℃×1小时的回火处理。

另外，对一部分素材而言，将热轧带钢（hot rolled steel sheet）制成电阻焊钢管后，以表2所示的缩径轧制条件（表2中的加热温度是利用感应加热的再加热温度的意思）进行缩径轧制（diameter-reductionrolling），得到了电阻焊钢管（为了与未进行缩径轧制的电阻焊钢管区别，以下称为缩径轧制钢管（stretch reduced steel pipe））后，进行同上的焊接缺陷尺寸测定→冷拉拔加工（cold drawing）→正火（normalizing）→成型加工（forming）→淬火（→或进一步回火），由此制成缩径轧制钢管。

另外，为了与现有产品（无缝钢管）的特性进行比较，对由相同组成的钢材利用无缝钢管制造工序制造的钢管，进行同上的冷拉拔加工→正火→成型加工→淬火（→或进一步回火），制成同尺寸、同形状的传动轴，将其作为现有产品（表2的管No.19）。

对于淬火后或进一步回火后的传动轴而言，从淬火部中沿着轴向采取拉伸试验片（ASTM比例试验片（ASTM proportional test piece）），测定拉伸强度。然后，以外表面的剪切应力（shear stress）τ为350MPa的条件，对这些传动轴进行对称交变扭转疲劳试验（torsional fatigue testunder completely reversed stress），进行疲劳寿命（fatigue-life time）的比较。将这些特性评价结果示于表2。

从表2可知，由本发明例的电阻焊钢管或缩径轧制钢管制成的传动轴与比较例的传动轴相比，疲劳寿命均长，均具有更优异的耐扭转疲劳特性，并且，与由比较例的无缝钢管制成的传动轴（现有产品）相比，其疲劳寿命也长，也具有更优异的耐扭转疲劳特性。

应予说明，该实施例中，虽然电阻焊钢管的管素材为热轧钢板，但本发明不限于此，也可以使用冷轧带钢作为管素材。

另外，在本发明中，即使在使用锻接钢管代替电阻焊钢管的情况下，在锻接部中存在的缺陷尺寸满足本发明中规定的尺寸时，也可以期待实现能够可靠地保证作为传动轴所需要的耐疲劳特性的锻接钢管。

Claims (8)

1.一种电阻焊钢管，其特征在于，以质量%计，母材部的组成如下：包含C：0.25~0.55%、Si：0.01~1.0%、Mn：0.2~3.0%、Al：0.1%以下、N：0.0010~0.0100%，剩余部分为Fe和不可避免的杂质，

并且，焊接缺陷对电阻焊焊接部的投影面积即焊接缺陷面积小于40000μm²。

2.根据权利要求1所述的电阻焊钢管，其中，包含Ti：0.005~0.1%、B：0.0003～0.0050%且N/14<Ti/47.9。

3.根据权利要求1或2所述的电阻焊钢管，其中，包含Cr：2%以下、Mo：2%以下、W：2%以下、Nb：0.1%以下以及V：0.1%以下中的1种或2种以上。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的电阻焊钢管，其中，包含Ni：2%以下以及Cu：2%以下中的1种或2种。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的电阻焊钢管，其中，包含Ca：0.02%以下以及REM：0.02以下中的1种或2种。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的电阻焊钢管，用于传动轴。

7.一种电阻焊钢管的制造方法，其特征在于，通过电阻焊焊接将具有权利要求1～6中任一项所述的组成的钢板形成为管后，对以该管的电阻焊焊接部为中心的圆周方向±1mm的范围，利用将超声波波束会聚在波束面积为5mm²以下的超声波进行扫描，检测焊接缺陷对电阻焊焊接部的投影面积即焊接缺陷面积40000μm²以上的焊接缺陷，将通过该检测确定的管长度方向部分作为不良部分而进行排除。

8.根据权利要求7所述的电阻焊钢管的制造方法，其中，在排除所述不良部分后，对管实施淬火或进一步实施回火处理而用于传动轴。

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