JP2005320575A - シームレス鋼管およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】優れた冷間加工性、焼き入れ性、靱性および捩り疲労強度を同時に備え、一体成形型の中空ドライブシャフト用の中空軸素材として最適なシームレス鋼管を提供する。
【解決手段】質量％で、Ｃ：０．３０〜０．５０％、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：０．３〜２．０％、Ｐ：０．０２５％以下、Ｓ：０．００５％以下、Ｃｒ：０．１５〜１．０％、Ａｌ：０．００１〜０．０５％、Ｔｉ：０．００５〜０．０５％、Ｎ：０．０２％以下、Ｂ：０．０００５〜０．０１％およびＯ（酸素）：０．００５０％以下を含み、下記（ａ）または（ｂ）式で規定するＢeffが０．０００１以上であることを特徴とするシームレス鋼管である。ただし、Ｎeff＝Ｎ−１４×Ｔｉ／４７．９≧０の場合に、Ｂeff＝Ｂ−１０．８×（Ｎ−１４×Ｔｉ／４７．９）／１４ ・・・ （ａ）
同様に、Ｎeff＝Ｎ−１４×Ｔｉ／４７．９＜０の場合に、Ｂeff＝Ｂ ・・・ （ｂ）
【選択図】なし

Description

本発明は、自動車用ドライブシャフトの軽量化に適した中空軸素材として用いられるシームレス鋼管に関し、さらに詳しくは、両端を冷間スウェージ加工した後、熱処理を実施して製作される中空ドライブシャフトの素材として好適な、冷間加工性、焼き入れ性、靱性および捩り疲労強度に優れるシームレス鋼管およびその製造方法に関するものである。

地球環境保護の観点から、自動車車体の軽量化を図り、燃費を向上させることが強く求められている。このため、自動車用部品における中実部材を中空部材に置き換える様々な試みがなされている。その試みの中で駆動力を車輪に伝達するドライブシャフトについても、中空素材の採用が検討されている。

自動車用部品を中空化する目的としては、単純な軽量化だけでなく、捩り剛性の向上による加速レスポンスの改善や、振動特性の向上による走行中の室内静粛性の改善も期待できることから、特殊形状に加工された中空シャフトの開発要請が高まっている。

例えば、両軸端部を等速ジョイントに締結するシャフトの設計において、シャフトの中間部をなるべく薄肉大径化して、捩り剛性を高めると同時に、振動特性も改善する一方で、等速ジョイントに締結する両軸端部を従来用いられてきた中実部材の直径と同等にすることにより、既存の等速ジョイントをそのまま使用できるメリットがある。

中空ドライブシャフトの製造方法として、中空素管の両端部に中空または中実のシャフトを摩擦圧接等で締結して製造する方法がある。しかしながら、この方法では中空部の径を大きくして両端部の径を小さくするのは困難である。上述の理由から中間部をなるべく薄肉大径化して、両端部の径が小さい形状のドライブシャフトを成形すべく、鋼管材料を用いて冷間加工を施し中間部を薄肉にしたのち、鋼管材料の両端に冷間絞り加工等を施して、両軸端部の外径を減ずるとともに増肉させることにより、一体成形型の中空ドライブシャフトを製造することが検討されている。

ところが、上記の一体成形型の中空ドライブシャフトは、その特異な形状を確保するため、複雑な冷間加工を施して成形される。このため、鋼管材料として溶接管を用い中空ドライブシャフトを製造すると、成形時に溶接部に沿って割れが発生したり、成形後に疲労試験を実施すると、溶接部に沿って疲労き裂が伸展するという問題がある。このため、溶接管を中空ドライブシャフトの中空軸素材とする場合には、十分な信頼性が得られていないのが現状である。

したがって、冷間加工による成形時に発生する割れをなくし、成形後の捩り疲労強度を確保するため、一体成形型の中空ドライブシャフトの中空素材として、シームレス鋼管を採用する要請が強くなっている。このような要請に対応して、シームレス鋼管を中空軸素材に採用した中空ドライブシャフトが提案されている。

シームレス鋼管を中空軸素材に用いて一体成形型の中空ドライブシャフトを製造する場合に、管端の絞り加工や転造加工に起因する割れを防止することが重要である。さらに冷間加工後の熱処理により鋼管内面まで硬化させると同時に高靱性を確保し、また製品として高寿命が得られるように捩り疲労強度を確保することが要求される。

換言すれば、中空ドライブシャフトの中空軸素材としてシームレス鋼管を用いる場合には、複雑な成形が問題なく得られる冷間加工性、熱処理にともなう焼き入れ性並びに靱性、およびドライブシャフトとしての捩り疲労強度を満足することが必須になる。しかしながら、従来から提案の中空ドライブシャフトにおいては、これらの観点に基づき材質面からシームレス鋼管を検討したものは殆どない。

例えば、特許文献１には、駆動軸用鋼管に回転振れまわりを低減するためのバランスウェイトを取り付けたドライブシャフトが開示されており、この駆動軸用鋼管およびバランスウェイトの炭素当量（Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｓｉ／２４＋Ｍｎ／６＋Ｃｒ／５＋Ｍｏ／４＋Ｎｉ／４０＋Ｖ／１４）の値を規定することで、バランスウェイトを溶接した部位から発生する疲労破壊を改善できることが開示されている。

しかしながら、駆動軸用鋼管とバランスウェイトの炭素当量（Ｃｅｑ）を規定するだけでは、冷間加工性および疲労特性がともに優れた駆動軸用鋼管を得ることができない。このため、特許文献１で開示される自動車推進軸を一体成形型の中空ドライブシャフトとして適用することは困難である。

次に、特許文献２には、自動車の足まわりに使用される高強度部材に適した高強度高靱性鋼管の製造方法が提案されている。この提案の製造方法には具体的な成分系が規定されているが、Ｔｉを添加せず、Ｎについての規定もないことから、Ｂを添加したとしても十分に焼き入れ性が確保できる成分系になっていない。さらに、冷間加工性や疲労特性をも考慮した成分設計となっていないため、特許文献２で提案の製造方法では、一体成形型の中空ドライブシャフトの素材として好適なシームレス鋼管を得ることが難しい。

さらに、特許文献３には、素管をプラグ外径とダイス内径で規定する薄肉化引き抜き加工により異内径鋼管を製造する、一体成形型の中空ドライブシャフトの加工方法が開示されている。しかし、その実施例で開示されている鋼管の材質はＪＩＳに規格されるＳ４８Ｃ相当の炭素鋼であり、鋼の化学組成を特定することにより冷間加工性、焼き入れ性、および疲労特性を改善することを意図するものではない。

また、特許文献４では、熱間製管圧延後に断面減少率１０〜７０％の冷間加工を実施し次いで焼鈍を行い、さらに高周波焼入れ後焼戻しする高強度高靱性鋼管の製造方法が開示されている。特許文献４の製造方法では、適用する鋼材の具体的な成分系を規定しているが、前記許文献２の製造方法と同様に、ＴｉやＢを添加したとしても焼き入れ性を十分に確保できる成分系でなく、さらに冷間加工性や疲労特性を考慮した成分設計となっていないため、一体成形型の中空ドライブシャフトに好適な素材とすることができない。

一方、特許文献５には、黒鉛鋼を高周波焼き入れして表層を硬化させるとともに、芯部にフェライトとマルテンサイトの２相組織を生成させたドライブシャフトが開示されている。しかし、特許文献５が開示する化学組成は、摩擦圧接型の中空ドライブシャフト用鋼材に好適な成分系を示しており、黒鉛化鋼を得るために長時間の熱処理が必要となる。またＣｒを含有しない成分系であるため、焼き入れ性および疲労強度が十分でなく、一体成形型のドライブシャフト用鋼材として好適な鋼管とすることができない。

そして、特許文献６は、ドライブシャフトの素材として、セメンタイトの粒径を１μｍ以下とした冷間加工性および高周波焼き入れ性に優れた高炭素鋼管を提案している。しかし、特許文献６の高炭素鋼管では、狙いの金属組織を得るために温間加工が必要となり、製造コストが上昇すると同時に、開示された成分組成では、冷間加工性、焼き入れ性および疲労特性を同時に満足する一体成形型のドライブシャフト用鋼材とすることができない。

特開平６−３４１４２２号公報

特開平７−１８３３０号公報 特開平７−８８５３７号公報 特開平８−７３９３８号公報 特開平２０００−２０４４３２号公報 特開２００１−３５５０４７号公報

前述の通り、中空ドライブシャフトの中空軸素材としてシームレス鋼管を用いる場合には、管端の絞り加工や転造加工にともなって発生する割れを防止するとともに、冷間成形加工後の熱処理により、鋼管内面まで硬化させると同時に高靱性を確保し、さらに中空ドライブシャフトとして高寿命を達成するために、冷間加工性、焼き入れ性、靱性および捩り疲労強度を同時に確保することが必要になる。

ところが、従来の提案によるシームレス鋼管では、中空ドライブシャフトの中空軸素材として、優れた冷間加工性、焼き入れ性、靱性および捩り疲労強度特性を発揮できるように材質面から検討を加え、化学組成を特定する試みは殆どなされていない。

言い換えれば、中空ドライブシャフトが要求するこれらの特性は、単独で改善するのはそれ程困難ではないが、全ての特性を同時に満足させることは、従来の知見では困難とされていた。例えば、高い疲労強度を確保するには、鋼の強度を上昇させることが有効であることから、素材として使用する鋼管を高強度にすると、それに起因して冷間加工性が低下することになる。

本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであり、中空ドライブシャフトが具備すべき特性に基づき材質面から検討を加え、化学組成を特定することによって、一体成形型の中空ドライブシャフトの中空軸素材として好適な、冷間加工性、焼き入れ性、靱性および捩り疲労強度に優れるシームレス鋼管およびその製造方法を提供することを目的としている。

本発明者らは、上記の課題を解決するため、冷間加工性、焼き入れ性、靱性および捩り疲労強度に及ぼす合金元素の影響をついて、種々の検討を重ねた。まず、冷間加工性に及ぼす、ＳｉおよびＣｒの影響を検討した。

図１は、冷間加工性（冷間鍛造）に及ぼすＳｉの影響を示す図である。ベース鋼として０．３５％Ｃ−１．３％Ｍｎ−０．１７％Ｃｒ−０．０１５％Ｔｉ−０．００１％Ｂ鋼を用い、Ｓｉ含有量を変化させた場合の１４ｍｍφ×２１ｍｍ長さの圧縮試験片における割れが発生しない限界加工度（％）と硬度（ＨＲＢ）との関係を示している。

図２は、冷間加工性（冷間鍛造）に及ぼすＣｒの影響を示す図である。ベース鋼として０．３５％Ｃ−０．２％Ｓｉ−１．３％Ｍｎ−０．０１５％Ｔｉ−０．００１％Ｂ鋼を用い、Ｃｒ含有量を変化させた場合の１４ｍｍφ×２１ｍｍ長さの圧縮試験片における割れが発生しない限界加工度（％）と硬度（ＨＲＢ）との関係を示している。

図１に示すように、Ｓｉ含有量を低減させることによって、冷間加工時の割れ発生限界加工度が大きく向上することが判明した。また、図２に示すように、Ｃｒを増量することによって冷間加工性が若干改善されることが分かった。これに対し、他の元素は冷間加工性をやや低下させるか、殆ど影響を示さなかった。

ところが、冷間加工性を向上させるためにＳｉ含有量を低減すると、焼き入れ性が低下することになり、鋼管の熱処理後に内面の強度が確保できなくなる。このため、Ｓｉ含有量の低減による冷間加工性の向上に併せ、焼き入れ性の向上を検討する必要がある。

図３は、焼き入れ性に及ぼすＢおよびＣｒの影響を示す図である。ベース鋼は０．３５％Ｃ−０．０５％Ｓｉ−１．３％Ｍｎ−０．０１５％Ｔｉ−０．００４％Ｎ鋼とし、Ｂ−Ｃｒ含有量を変化させた試験片を準備し、ジョミニー一端焼き入れ試験を行った。図中に水冷端からの距離と硬度分布の一例が示されているが、硬度低下の傾きが急に大きくなる地点の水冷端からの距離を焼き入れ深さとした。図３に示すように、Ｂまたは／およびＣｒの含有量を増加させることによって、焼き入れ性を向上できる。

図４は、焼き入れ性に及ぼすＢ、ＮおよびＴｉの影響を示す図である。ベース鋼は（０．３５〜０．４０）％Ｃ−（０．０５〜０．３）％Ｓｉ−（１．０〜１．５）％Ｍｎ−（０．１〜０．５）％Ｃｒ鋼とし、Ｂ、ＮおよびＴｉの含有量を変化させ、前記図３と同様に、ジョミニー一端焼き入れ試験を行い、焼き入れ深さを測定した。

このとき、試験片の焼き入れ深さに及ぼすＢ、ＮおよびＴｉの含有バランスによる影響を調査するため、下記（ａ）または（ｂ）式で規定するＢeffを用いた。

Ｎeff＝Ｎ−１４×Ｔｉ／４７．９≧０の場合に
Ｂeff＝Ｂ−１０．８×（Ｎ−１４×Ｔｉ／４７．９）／１４ ・・・ （ａ）
Ｎeff＝Ｎ−１４×Ｔｉ／４７．９＜０の場合に
Ｂeff＝Ｂ ・・・ （ｂ）
図４に示す焼き入れ深さとＢeffの関係から、鋼の焼き入れ性の確保にはＢ、ＴｉおよびＮの含有バランスが重要な要件となり、Ｂeff≧０．０００１の条件を満足しなければ十分な焼き入れ性が得られないことが分かる。

図５は、疲労強度および耐久比に及ぼすＣｒの影響を示す図である。ベース鋼として０．３５％Ｃ−０．２％Ｓｉ−１．３％Ｍｎ−０．０１５％Ｔｉ−０．００１％Ｂ鋼を用い、Ｃｒ含有量を変化させ、小野式回転曲げ試験により疲労限度および耐久比を測定した。ただし、耐久比は（疲労限度／引張強度）で示した。

図５に示すように、Ｃｒの含有を増加させると、疲労強度の上昇にともなって耐久比がほぼ同等に上昇していることから、引張強度を高めることなく疲労強度を上昇できる。このことから、Ｃｒを増加して疲労強度を上昇させることは、冷間加工性や靱性には悪影響を及ぼすことが少ないことが分かる。

従来から疲労強度を上昇させるには、引張強度を上昇させる必要があることが知られており、疲労強度を上昇させるためにＣ含有量を増加させることが行われていたが、Ｃの含有量の増加により冷間加工性や靱性が低下する問題があった。しかし、前記図５に示す知見から、Ｃｒの含有量を増加し疲労強度を上昇させることにより、Ｃの含有量を増加させずに冷間加工性や靱性の低下を抑制しつつ、疲労強度の確保が図れることになる。

さらに、冷間加工時の割れおよびドライブシャフト成形後の捩り疲労強度に対して、Ｓ含有量が大きな影響を及ぼすことを明らかにした。特に、シームレス鋼管を使用して冷間加工を実施すると、結晶粒がパンケーキ状に変形するが、パンケーキが層状に積み重なる面と、転造加工による割れ方向、または捩り疲労試験による疲労き裂伸展方向が一致する。さらに伸展したＭｎＳが起点となり、転造加工による割れや捩り疲労によるき裂の発生、伸展が容易になる。このため、ドライブシャフトに用いられる中空軸素材としては、ＭｎＳを十分低減したシームレス鋼管が必要であることが判明した。

図６は、偏平曲げ試験において割れが発生する限界高さ方向圧下度（％）に及ぼすＳ含有量の影響を示す図である。供試材は種々のＳ含有量からなる３１ｍｍφのシームレス鋼管を用い、さらに冷間抽伸で２７．５ｍｍφに加工し、内外面を研削して２５ｍｍφ×５７ｍｍｔの鋼管を作成した。さらに１８．２ｍｍφにスウェージ加工し、内外面を研削して１７．５ｍｍφ、肉厚４．８ｍｍの試験片を３個準備した。これらの試験片を扁平試験し、割れが発生した高さ方向圧下度を限界高さ方向圧下度（％）とした。なお、密着するまで、割れが発生しなかった場合の限界高さ方向圧下度は１００％とした。

図６に示すように、Ｓ含有量が０．００５％以下になると、各３回の試験全てが割れ発生せずに密着するまで加工でき、限界高さ方向圧下度が大きく改善され、過酷なスウェージ加工や転造加工に耐えられることが分かる。

図７は、熱処理後の鋼管の捩り疲労強度に及ぼすＳ含有量の影響を示す図である。熱処理は高周波加熱により焼き入れ後、１５０℃で焼き戻したシームレス鋼管を使用した。試験片サイズは２０ｍｍφ×５ｍｍｔを用い、付加トルクを変化させて、１００００００回まで疲労破壊しない最高トルク（Ｎ・ｍ）をプロットした。

図７に示すように、偏平曲げ試験の場合と同様に、Ｓ含有量が０．００５％以下になると、最高トルク（Ｎ・ｍ）が著しく改善され、ドライブシャフトとして良好なねじり疲労強度を有していることが分かる。

上記図１〜図７に示される技術知見に基づいてシームレス鋼管の化学組成を特定すれば、優れた冷間加工性、焼き入れ性、靱性および捩り疲労強度を確保することができ、一体成形型の中空ドライブシャフトの中空軸素材として好適なシームレス鋼管を得ることができる。

ところが、対象となるドライブシャフトの形状によって加工がさらに過酷になり、一体成形の加工時やスプラインの転造加工時に割れが発生することがある。このため、より一層の冷間加工性が要求されることがある。このような要求に対応するため、シームレス鋼管の製造方法としては、次のプロセスを採用することによって、さらに良好な冷間加工性を得ることができる。

具体的には、シームレス鋼管として熱間製管された後、寸法精度を整えるために冷間抽伸等の冷間加工を断面減少率５％以上で実施するが、冷間加工ままではドライブシャフトとして十分な冷間加工性が確保できない場合は、熱処理を実施して冷間加工性を改善することができる。

上記熱処理として、寸法精度改善のために冷間抽伸等の冷間加工後、焼き鈍しまたは焼き準しを実施できる。または、他の熱処理として、冷間加工前若しくは冷間加工後に球状化焼鈍を実施できる。これらの熱処理を施すことにより、冷間加工性を大幅に改善し、過酷な成形加工に対応できるシームレス鋼管を得ることができ、高い捩り剛性や、高度の室内静粛性が確保できるドライブシャフトへの加工が容易となる。

本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、下記（１）〜（４）のシームレス鋼管および（５）のシームレス鋼管の製造方法を要旨としている。

（１）質量％で、Ｃ：０．３０〜０．５０％、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：０．３〜２．０％、Ｐ：０．０２５％以下、Ｓ：０．００５％以下、Ｃｒ：０．１５〜１．０％、Ａｌ：０．００１〜０．０５％、Ｔｉ：０．００５〜０．０５％、Ｎ：０．０２％以下、Ｂ：０．０００５〜０．０１％およびＯ（酸素）：０．００５０％以下を含み、残部がＦｅおよび不純物であり、下記（ａ）または（ｂ）式で規定するＢeffが０．０００１以上であることを特徴とするシームレス鋼管である。

ただし、Ｔｉ、ＮおよびＢを含有量％とし、Ｎeff＝Ｎ−１４×Ｔｉ／４７．９≧０の場合に、Ｂeff＝Ｂ−１０．８×（Ｎ−１４×Ｔｉ／４７．９）／１４ ・・・ （ａ）
同様に、Ｎeff＝Ｎ−１４×Ｔｉ／４７．９＜０の場合に、Ｂeff＝Ｂ ・・・ （ｂ）
（２）上記（１）のシームレス鋼管では、さらに、質量％で、Ｃｕ：０．０５〜１％、Ｎｉ：０．０５〜１％およびＭｏ：０．０５〜１％のうちから１種または２種以上を含有するのが好ましい。

（３）上記（１）および（２）のシームレス鋼管では、さらに、質量％で、Ｖ：０．００５〜０．１％、Ｎｂ：０．００５〜０．１％およびＺｒ：０．００５〜０．１％のうちから１種または２種以上を含有するのが好ましい。

（４）上記（１）〜（３）のシームレス鋼管では、さらに、質量％で、Ｃａ：０．０００５〜０．０１％、Ｍｇ：０．０００５〜０．０１％および希土類元素（ＲＥＭ）：０．０００５〜０．０１％のうちから１種または２種以上を含有するのが好ましい。

（５）上記（１）〜（４）のいずれかに記載された化学組成を有する素材を用い製管された鋼管に、断面減少率５％以上の冷間加工を施してシームレス鋼管を製造する方法であって、前記冷間加工の後に焼き鈍し若しくは焼き準しを実施し、または前記冷間加工の前若しくは後に球状化焼鈍を実施することを特徴とするシームレス鋼管の製造方法である。

本発明のシームレス鋼管および製造方法によれば、優れた冷間加工性、焼き入れ性、靱性および捩り疲労強度を同時に備えることができるので、ドライブシャフトの中空軸素材として管端の絞り加工や転造加工にともなって発生する割れを防止するとともに、冷間成形加工にともなう熱処理により、鋼管内面まで硬化させると同時に高靱性を確保し、さらにドライブシャフトとして高寿命を達成することができる。

これにより、本発明のシームレス鋼管は、一体成形型の中空ドライブシャフト用として好適な中空軸素材とすることができる。

本発明が対象とするシームレス鋼管を上記のように規定した理由について、化学組成および製造方法に区分し詳細に説明する。以下の説明において、化学組成は「質量％」で示す。
１．化学組成
Ｃ：０．３０〜０．５０％
Ｃは、強度を増加し疲労強度を向上させる元素であるが、冷間加工性および靭性を低下させる元素である。Ｃ含有量が０．３０％未満であると、十分な疲労寿命が得られない。一方、Ｃ含有量が０．５０％を超えると、冷間加工性および靭性が顕著に低下するので、Ｃ含有量は０．３０〜０．５０％とした。

また、良好なバランスで疲労強度および冷間加工性並びに靱性を確保するには、Ｃ含有量を０．３３〜０．４７％にするのが好ましく、さらにその含有量を０．３７〜０．４２％にするのがより好ましい。

Ｓｉ：０．５％以下
Ｓｉは、脱酸剤として必要な元素である。しかし、その含有量が０．５％を超えると冷間加工性が確保できないので、０．５％以下とした。前記図１に示すように、Ｓｉ含有量は少なくなればなるほど、冷間加工性が向上する。また、ドライブシャフトは形状によって要求される冷間加工性が変化し、過酷な冷間加工が行われる場合がある。

したがって、より過酷な冷間加工にも対応できるように、Ｓｉ含有量は０．３％以下にするのが好ましく、さらに好ましくは０．２２％以下であり、最も好ましくは０．１５％以下、さら０．１％以下と可能な限り低減させることである。

Ｍｎ：０．３〜２．０％
Ｍｎは、成形後の熱処理時の焼き入れ性を確保するのに有効な元素である。その効果を発揮し内面まで十分に硬化させるには、Ｍｎ含有量は０．３％以上が必要である。一方、Ｍｎを２．０％超えて含有させると、冷間加工性が低下する。このため、Ｍｎ含有量は０．３〜２．０％とした。また、良好なバランスで焼き入れ性および冷間加工性を確保するには、Ｍｎ含有量は１．１〜１．７％とするのが好ましく、さらに１．２〜１．４％にするのがより好ましい。

Ｐ：０．０２５％以下
Ｐは、鋼中に不純物として含まれ、凝固時に最終凝固位置近傍に濃化し、かつ粒界に偏析して熱間加工性、靱性および疲労強度を低下させる。そのため、その含有は可及的に低減させるのが好ましいが、０．０２５％までは特に問題がなく許容できるので、Ｐ含有量は０．０２５％以下とした。さらに、鋼の靭性および疲労強度を高水準で維持するには、Ｐ含有量は０．０１９％以下にするのが好ましく、０．００９％以下にするのがより好ましい。

Ｓ：０．００５％以下
Ｓは、鋼中に不純物として含まれ、凝固時に粒界に偏析し、熱間加工性および靱性を低下させるとともに、前記図６および図７に示すように、シームレス鋼管を中空軸素材として採用するとき、特に冷間加工性および捩り疲労強度を低下させる。このため、ドライブシャフトの中空軸素材に用いられるシームレス鋼管として必要な冷間加工性および熱処理後の捩り疲労強度を確保するには、Ｓ含有量は０．００５％以下にする必要がある。

ドライブシャフト用素材として冷間加工性および捩り疲労強度の確保が一層必要になる場合は、さらにＳ含有量を低減するのが好ましく０．００３％以下とし、さらに好ましくは０．００２％以下とし、最も好ましくは０．００１％以下とする。

Ｃｒ：０．１５〜１．０％
Ｃｒは、前記図２および図５に示すように、冷間加工性をあまり低下させずに疲労強度を高める元素であり、さらに前記図３に示すように、Ｂと同様に焼き入れ性の向上にも有効な元素である。したがって、Ｃｒ含有量は、所定の疲労強度を確保するため、０．１５％以上とする。一方、Ｃｒは１．０％を超えて含有すると、冷間加工性の低下が顕著となる。このため、Ｃｒ含有量は０．１５〜１．０％とした。

さらに、良好なバランスで疲労強度、冷間加工性および焼き入れ性を確保するには、Ｃｒ含有量は０．２〜０．８％にするのが好ましく、０．３〜０．６％とするのがより好ましい。０．４〜０．６％とするとさらに好ましい。

Ａｌ：０．００１〜０．０５％
Ａｌは、脱酸剤として作用する元素である。脱酸剤としての効果を得るためには、０．００１％以上の含有が必要であるが、その含有量が０．０５％を超えると、アルミナ系介在物が増加し疲労強度が低下するとともに表面欠陥が多発する懸念がある。このため、Ａｌ含有量は０．００１〜０．０５％とした。さらに、安定した表面品質を確保するには、Ａｌ含有量は０．００１〜０．０３％とするのが好ましく、さらに０．００１〜０．０１５％とすると、表面性状が良好になるのでより好ましい。

下記するＴｉ、ＮおよびＢは、鋼の焼き入れ性を確保するため、それぞれの元素含有量を規定すると同時に、さらにお互いの含有量バランスを規定する条件式を満足する必要がある。

Ｔｉ：０．００５〜０．０５％
Ｔｉは、鋼中のＮをＴｉＮとして固定する作用を有している。しかし、Ｔｉ含有量が０．００５％未満では、Ｎを固定する能力が十分に発揮されず、一方、０．０５％を超えると、鋼の冷間加工性および靱性が低下する。このため、Ｔｉ含有量は０．００５〜０．０５％とする。

Ｎ：０．０１％以下
Ｎは、靱性を低下させる元素であり、鋼中でＢと結合し易い。Ｎ含有量が０．０２％を超えると、冷間加工性および靱性が著しく低下するので、その含有量は０．０２％以下とした。冷間加工性および靱性を向上させる観点からは、０．０１％以下が好ましく、０．００７％以下がより好ましい。

Ｂ：０．０００５〜０．０１％
Ｂは、焼き入れ性を向上させる元素である。その含有量が０．０００５％未満では、焼き入れ性が不足し、一方、０．０１％を超えて含有すると、冷間加工性および靱性が低下する。そのため、Ｂ含有量は０．０００５〜０．０１％とした。

さらに、前記図４に示すように、Ｂが焼き入れ性を向上させる前提として、下記（ａ）または（ｂ）式で規定するＢeffが０．０００１以上を満足する必要がある。

すなわち、Ｎeff＝Ｎ−１４×Ｔｉ／４７．９≧０の場合に
Ｂeff＝Ｂ−１０．８×（Ｎ−１４×Ｔｉ／４７．９）／１４ ・・・ （ａ）
同様に、Ｎeff＝Ｎ−１４×Ｔｉ／４７．９＜０の場合に
Ｂeff＝Ｂ ・・・ （ｂ）
Ｂが焼き入れ性を向上させる能力を発揮するには、鋼中のＮの影響をなくす必要がある。ＢはＮと結合し易く、鋼中にフリーなＮが存在すると、Ｎと結合してＢＮが生成し、Ｂが具備する焼き入れ性を向上させる作用が発揮されない。このため、Ｎ含有量に応じてＴｉを添加し、ＴｉＮとして固定することにより、Ｂを鋼中に存在させ焼き入れ性に有効に作用させるため、上記Ｂeffが０．０００１以上を満足する必要がある。

また、Ｂeffの値は大きくなればなるほど、焼き入れ性が向上するので、Ｂeffが０．０００５以上を満足するのが好ましく、さらにＢeffが０．００１以上を満足するがより好ましい。

Ｏ（酸素）：０．００５０％以下
Ｏは、靭性および疲労強度を低下させる不純物である。Ｏ含有量が０．００５０％を超えると、靭性および疲労強度が著しく低下するので、０．００５０％以下と規定した。

以下の元素は必ずしも添加しなくてもよいが、必要に応じて、１種または２種以上を含有することによって、冷間加工性、焼き入れ性、靱性および捩り疲労強度を一層向上させることができる。

Ｃｕ：０．０５〜１％、Ｎｉ：０．０５〜１％およびＭｏ：０．０５〜１％
Ｃｕ、ＮｉおよびＭｏは、いずれも焼入れ性を向上させて鋼の強度を高め、疲労強度の向上に有効な元素である。これらの効果を得たい場合には、いずれかを１種または２種以上を含有させることができる。その効果は、Ｃｕ、ＮｉおよびＭｏのいずれの元素も、含有量が０．０５％以上で顕著となる。しかし、その含有量が１％を超えると、冷間加工性が著しく低下する。このため、含有させる場合には、Ｎｉ、ＭｏおよびＣｕの含有量は、いずれも０．０５〜１％とした。

Ｖ：０．００５〜０．１％、Ｎｂ：０．００５〜０．１％およびＺｒ：０．００５〜０．１％
Ｖ、ＮｂおよびＺｒは、いずれも炭化物を形成し、熱処理の加熱時での結晶粒粗大化を抑制し、靱性を向上させるのに有効な元素である。したがって、鋼の靱性を向上させる場合に、いずれか１種または２種を含有させることができる。その効果は、Ｖ、ＮｂおよびＺｒのいずれの元素も、含有量が０．００５％以上で得られる。しかし、いずれも０．１％を超える含有になると、粗大な析出物が生成し、かえって靱性を低下させる。このため、含有させる場合には、Ｖ、ＮｂおよびＺｒの含有量は、いずれも０．００５〜０．１％とした。

Ｃａ：０．０００５〜０．０１％、Ｍｇ：０．０００５〜０．０１％および希土類元素（ＲＥＭ）：０．０００５〜０．０１％
Ｃａ、ＭｇおよびＲＥＭは、冷間加工性および捩り疲労強度の向上に寄与する元素である。これらの効果を得たい場合に、いずれか１種または２種を含有させることができる。Ｃａ、ＭｇおよびＲＥＭのいずれの元素も、０．０００５％以上の含有で顕著な効果が得られる。しかし、いずれも０．０１％を超える含有になると、粗大な介在物が生成し、かえって疲労強度を低下させる。このため、含有させる場合には、Ｃａ、ＭｇおよびＲＥＭの含有量は、いずれも０．００５〜０．０１％とした。
２．製造方法
本発明では、本発明が規定する化学組成を含有する鋼を素材として、冷間加工性、焼き入れ性、靱性および捩り疲労強度に優れるシームレス鋼管を得るため、次の製造方法を採用できる。

すなわち、本発明のシームレス鋼管は、上記した化学組成の鋼を転炉で精錬するか、電気炉または真空溶解炉で溶製し、連続鋳造法または造塊法で凝固させ、鋳造材をそのまま、または鋳造材若しくは造塊材を分塊して製管素材（ビレット）とし、通常の継目無鋼管の製造プロセスを経て鋼管としたのち、放冷することにより製造できる。

一般に、継目無鋼管の製造プロセスを経て得られたシームレス鋼管は、そのまま中空ドライブシャフトの中空軸素材として適用することもできる。しかし、本発明のシームレス鋼管の製造方法では、得られた鋼管に断面減少率５％以上の冷間加工を実施し寸法精度を高めた後、５００〜１１００℃に加熱して放冷する焼き鈍し若しくは焼き準しを実施するか、前記冷間加工前若しくは冷間加工後に球状化焼鈍を実施するものである。これらの熱処理によりシームレス鋼管の冷間加工性が向上し、中空ドライブシャフトの中空軸素材として、好適な特性を確保することができる。

本発明のシームレス鋼管の製造方法では、断面減少率５％以上の冷間加工を実施することにより、表面性状が良好な鋼管が得られ、疲労破壊の起点を減少でき、疲労強度の向上を図ることができる。

さらに、冷間加工後の焼き鈍しまたは焼き準しの加熱温度は、５００〜１１００℃とする。加熱温度が５００℃未満では、冷間加工時の歪みが残存し冷間加工性が低下する。一方、加熱温度が１１００℃を超えると、結晶粒が粗大化して、靱性が低下する。

球状化焼鈍の条件は特に指定しないが、例えば、７２０〜８５０℃の温度範囲に加熱し、６５０〜６７０℃の間の温度までを５０℃／時間以下の冷却速度で徐冷する処理を、１回または２回以上繰り返す熱処理を実施することができる。冷却速度は遅ければ遅いほど、炭化物の球状化が進行するので、好ましくは４０℃／時間以下、より好ましくは３０℃／時間以下である。球状化焼鈍により、パーライト組織のセメンタイトが分断されセメンタイトが球状化するので、さらに冷間加工性を向上できる。

本発明のシームレス鋼管が中空ドライブシャフトの中空軸素材として発揮する効果を、具体的な実施例に基づいて説明する。
（実施例１）
真空溶解し、表１に示す化学組成の鋼Ｎｏ．１〜Ｎｏ．３２の鋼（発明例は鋼Ｎｏ．１〜Ｎｏ．２１、比較例は鋼Ｎｏ．２２〜Ｎｏ．３２）を溶製し、これらを素材（ビレット）として外径５０．８ｍｍ、肉厚７．９ｍｍの鋼管に製管圧延した。

得られた鋼管を用い、外径４０ｍｍ、肉厚７ｍｍに冷間抽伸を実施し、さらに外径２８ｍｍ、肉厚９ｍｍにスウェージ加工を実施し、冷間加工時に発生する割れの有無を観察し、表３に割れが発生しない場合を○で示し、割れが発生した場合を×で示した。

また、冷間転造加工によるスプライン加工を模擬し、４０％の偏平プレス加工を実施し、割れの有無を観察し、表３に割れが発生しない場合を○で示し、割れが発生した場合を×で示した。

その後、スウェージ加工された外径２８ｍｍ、肉厚９ｍｍの素材に高周波加熱焼入れを実施し、焼き入れ性を調査した。この場合に、外表面のビッカース硬度と内表面のビッカース硬度を測定し、その差が５０以下であると焼き入れ性を○で示し、その差が５０を超えると焼き入れ性は十分でなく×で示した。

次に、高周波加熱焼入れした供試鋼管に１５０℃で１時間の焼き戻し、ＪＩＳ Ｚ ２２０２およびＪＩＳ Ｚ ２２４２に準拠したシャルピー破断エネルギー値を示し、ハーフサイズの試験片（試験片幅５ｍｍ、２ｍｍのＵノッチ試験片）に対する２０℃試験でのシャルピー破断エネルギー値（Ｊ）を調査し、２個のデータの平均値が１０Ｊ以上を○、１０Ｊ未満を×で示した。

また、疲労寿命の評価に際しては、負荷トルクを変化させて捩り疲労試験を実施し、１００００００回まで疲労破壊を起こさない最大トルクで評価し２５００Ｎｍを超えるデータを○、２５００Ｎｍ未満を×と記載した。

表３に示すように、鋼Ｎｏ．１〜鋼Ｎｏ．２１の鋼は、本発明で規定する条件を満足する発明例であり、いずれの場合にも冷間加工性、焼き入れ性、靱性および捩り疲労強度の基本性能は良好な結果が得られた。

一方、鋼Ｎｏ．２２〜鋼Ｎｏ．３２の鋼は、本発明で規定する条件のいずれかを満足しない比較例であるため、いずれかの基本性能が劣っており、何らかの問題が生じるおそれがあり、ドライブシャフト用素材として使用できない。
（実施例２）
前記表３に示す発明例であって、その基本性能により冷間加工時や転造時に割れを発生しない場合でも、冷間加工度が過大になると、割れを発生する場合がある。例えば、前記表３に示す鋼Ｎｏ．１は、断面減少度で評価する冷間加工度６０％では割れの発生がないが、冷間加工度が８０％以上になると、割れを発生する場合がある。
冷間加工の断面減少率を過大にした場合に、冷間加工の工程中に焼き準し（ノルマライズ）若しくは焼き鈍し、または冷間加工前若しくは冷間加工後に球状化焼鈍の熱処理を実施した場合の効果を表４に示した。表４中の割れ発生状況は、割れが発生しない場合を○で示し、割れが発生した場合を×で示した。さらに転造によるスプライン加工を実施したときに割れが発生しない場合を○で示し、割れが発生した場合を×で示した。冷間加工時に割れが発生し、転造加工できない場合に−で示した。

表４に示すように、冷間加工にともなって焼き準し（ノルマライズ）、または球状化焼鈍熱処理を実施することによって、冷間加工時または転造時に発生する割れを防止することができる。本発明の製造方法が採用する熱処理により、冷間加工性に顕著な効果が現れることを確認できた。

本発明のシームレス鋼管によれば、優れた冷間加工性、焼き入れ性、靱性および捩り疲労強度を同時に備えることができるので、中空ドライブシャフトの中空軸素材として管端の絞り加工や転造加工にともなって発生する割れを防止するとともに、冷間成形加工にともなう熱処理により、鋼管内面まで硬化させるとともに高靱性を確保し、さらにドライブシャフトとして高寿命を達成することができる。

このため、本発明のシームレス鋼管は、一体成形型の中空ドライブシャフト用の中空軸素材として最適であり、自動車部品用として広く採用することができる。

冷間加工性に及ぼすＳｉの影響を示す図である。 冷間加工性に及ぼすＣｒの影響を示す図である。 焼き入れ性に及ぼすＢおよびＣｒの影響を示す図である。 焼き入れ性に及ぼすＢ、ＮおよびＴｉの影響を示す図である。 疲労強度および耐久比に及ぼすＣｒの影響を示す図である。 偏平曲げ試験において割れが発生する限界高さ方向圧下度（％）に及ぼすＳ含有量の影響を示す図である。 熱処理後の鋼管の捩り疲労強度に及ぼすＳ含有量の影響を示す図である。

Claims (5)

1. 質量％で、Ｃ：０．３０〜０．５０％、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：０．３〜２．０％、Ｐ：０．０２５％以下、Ｓ：０．００５％以下、Ｃｒ：０．１５〜１．０％、Ａｌ：０．００１〜０．０５％、Ｔｉ：０．００５〜０．０５％、Ｎ：０．０２％以下、Ｂ：０．０００５〜０．０１％およびＯ（酸素）：０．００５０％以下を含み、残部がＦｅおよび不純物であり、下記（ａ）または（ｂ）式で規定するＢeffが０．０００１以上であることを特徴とするシームレス鋼管。
   ただし、Ｔｉ、ＮおよびＢを含有量％とし、Ｎeff＝Ｎ−１４×Ｔｉ／４７．９≧０の場合に
   Ｂeff＝Ｂ−１０．８×（Ｎ−１４×Ｔｉ／４７．９）／１４ ・・・ （ａ）
   同様に、Ｎeff＝Ｎ−１４×Ｔｉ／４７．９＜０の場合に
   Ｂeff＝Ｂ ・・・ （ｂ）
2. さらに、質量％で、Ｃｕ：０．０５〜１％、Ｎｉ：０．０５〜１％およびＭｏ：０．０５〜１％のうちから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に記載のシームレス鋼管。
3. さらに、質量％で、Ｖ：０．００５〜０．１％、Ｎｂ：０．００５〜０．１％およびＺｒ：０．００５〜０．１％のうちから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または２に記載のシームレス鋼管。
4. さらに、質量％で、Ｃａ：０．０００５〜０．０１％、Ｍｇ：０．０００５〜０．０１％および希土類元素（ＲＥＭ）：０．０００５〜０．０１％のうちから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１〜３のいずれかに記載のシームレス鋼管。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載された化学組成を有する素材を用い製管された鋼管に、断面減少率５％以上の冷間加工を施してシームレス鋼管を製造する方法であって、
   前記冷間加工の後に焼き鈍し若しくは焼き準しを実施し、または前記冷間加工の前若しくは後に球状化焼鈍を実施することを特徴とするシームレス鋼管の製造方法。
   

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