JP5020689B2 - 切削性に優れた機械構造用鋼管 - Google Patents

Description

本発明は、切削性が要求される機械構造部材に好適な機械構造用鋼管及びその製造方法に関する。

従来、自動車や産業機械に使用される機械部品は、棒鋼を素材とし、鍛造、切削加工後、調質熱処理して製造されていた。近年、自動車等の軽量化を目的として機械部品の中空化が進められつつあり、素材の棒鋼から鋼管への変更が検討されている。しかし、一般に、棒鋼よりも鋼管の方が高価であり、特にシームレス鋼管は製造コストが高いため、中空形状部品の素材を鋼管としてもコストダウンの効果が十分でないことがある。

そこで、製造コストを低減した安価な鋼管の提供が検討されており、熱間製管後の調質熱処理を省略した、いわゆる非調質型の機械部品用鋼管及び構造用鋼管が提案されている（例えば、特許文献１）。特許文献１に提案されている方法は、熱間圧延を比較的低温で行い、金属組織を微細化し、強度を向上させようとするものである。しかしながら、低温圧延は、厚板圧延では一般的な技術となっているものの、シームレス鋼管の圧延に際しては工具との接触により疵や焼き付きが発生しやすい等の問題があることから、現実には適用範囲が大きく制限されている。

また、機械部品の多くは切削加工がなされるため、鋼管を熱間加工後、加速冷却し、組織をフェライト・パーライトとして、切削加工性に優れた機械構造用鋼管を製造する方法が提案されている（例えば、特許文献２および３）。更に、本発明者らの一部は、焼き戻しマルテンサイト、焼き戻しベイナイトからなる金属組織を有する切削加工性に優れた機械構造用鋼管を提案した（例えば、特許文献４）。

特開２００１−２４７９３１号公報 特開２００６−２７４３１０号公報 特開２００６−２７４３１５号公報 特願２００６−０８９０１２号

本発明は、高強度であり、特に、表面硬さの向上のために窒化処理が施されるＣｒ−Ｍｏ鋼の金属組織を制御し、機械加工、特に鋼管内面の切削加工を向上させた機械構造用鋼管と、その製造方法を提供するものである。

本発明者らは、上記課題を解決するためにＣｒ−Ｍｏ鋼の金属組織と切削性との関係について鋭意検討し、特に、ブローチ加工に最適な金属組織が２％以上の残留オーステナイトを含むベイナイトとマルテンサイトの混合組織であることを明らかにした。また、鋼管の残留応力を小さくし、安価に製造するため、高温の鋼管を加速冷却するプロセスの適用を指向し、その最適な冷却条件を種々検討し、安定的に切削性を確保できる金属組織を得るための、最適なＣ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏの添加量と焼き入れ時の冷却速度及び焼き戻し温度の組み合わせを見いだした。

本発明は、上記知見に基づいてなされたものであり、その要旨とするところは以下の通りである。
（１）質量％で、Ｃ：０．１５〜０．４５％、Ｓｉ：０．１〜０．４％、Ｍｎ：０．５〜１．０％、Ｃｒ：０．５〜１．５％、Ｍｏ：０．０５〜０．５％、Ｓ：０．００１〜０．０３％を含有し、残部が鉄及び不可避的不純物からなり、光学顕微鏡で観察される金属組織がベイナイトとマルテンサイトの混合組織であり、Ｘ線回折法で測定される残留オーステナイトの体積分率が２％以上であることを特徴とする切削性に優れた機械構造用鋼管。
（２）Ｘ線回折法で測定される残留オーステナイトの体積分率が２〜８％であることを特徴とする上記（１）に記載の切削性に優れた機械構造用鋼管。
（３）方位差１５°以上の大角粒界で囲まれる領域の平均径が３０μｍ以下であることを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の切削性に優れた機械構造用鋼管。
（４）鋼管外表面から１ｍｍまでの領域における残留応力の絶対値が１００ＭＰａ以下であることを特徴とする上記（１）〜（３）の何れか１項に記載の切削性に優れた機械構造用鋼管。

本発明により、特に内表面の切削性に優れた、Ｃｒ−Ｍｏ鋼の、機械構造用鋼管を安価に提供できるようになり、産業上の貢献が極めて顕著である。

本発明者らは、質量％で、Ｃ：０．１５〜０．４５％、Ｓｉ：０．１〜０．４％、Ｍｎ：０．５〜１．０％、Ｃｒ：０．５〜１．５％、Ｍｏ：０．０５〜０．５％、Ｓ：０．００１〜０．０３％を含有し、残部が鉄及び不可避的不純物からなる成分組成を有し、外径１４６ｍｍ、肉厚１２ｍｍの鋼管を加熱し、種々の加速冷却条件で、金属組織を変化させて、Ｃｒ−Ｍｏ鋼の切削性におよぼす金属組織の影響について調査した。

金属組織は、光学顕微鏡によって観察した。マルテンサイトとベイナイトは光学顕微鏡では判別できないので、マルテンサイトとベイナイトの合計の面積率、フェライト、パーライトのそれぞれの面積率を画像解析によって求めた。更に、マルテンサイトとベイナイトのそれぞれの面積率は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって判別し、測定することが可能である。ＳＥＭで観察した際に、セメンタイトの析出形態が明瞭であるのがベイナイトである。

更に、残留オーステナイトについては、光学顕微鏡では判別ができないほど微細であるため、Ｘ線回折法によって体積分率を求めた。また、電子線後方散乱法（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂａｃｋ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｐａｔｔｅｒｎ、ＥＢＳＰという。）によって鋼の結晶方位マップを作成し、方位差１５°以上の大角粒界で囲まれる領域の平均粒径（以下、大角粒界平均径ともいう。）を測定した。

切削性については、鋼管内面を歯車形状にブローチ加工し、切削面精度を調査して評価した。鋼管の一部を切断して試料を採取し、鋼管内面の切削面の凹凸を触針式表面粗さ測定器によって測定した。切削面精度は切削面の凹凸が１０μｍ以下であれば良好とし、１００個の加工品のうち、良好な個数の割合を合格率［％］として評価した。切削面の凹凸が１０μｍ以下の良好な切削面精度を示す加工品の割合が９５〜９９％であるものを「○」、１００％であるものを「◎」、９４％以下であるものを「×」として表１に示した。

表１に示すように、切削面精度の合格率が９５％以上である金属組織は、光学顕微鏡による観察では、ベイナイトとマルテンサイトの双方からなる混合組織であり、更に、Ｘ線回折によって測定された残留オーステナイトを２％以上含むものであることがわかる。さらに方位差が１５°以上の大角粒界で囲われる領域、すなわち、大角粒界平均径が３０μｍ以下であると合格率が１００％に達した。

以上のことから、本発明の鋼管の光学顕微鏡で観察される金属組織を、フェライト及びパーライトを含まない、ベイナイトとマルテンサイトの混合組織とし、Ｘ線回折法で測定される残留オーステナイトを２％以上とした。

なお、マルテンサイトとベイナイトは、光学顕微鏡では同様のラス形状であるため、判別できない。マルテンサイトとベイナイトはＳＥＭによって判別することが可能である。ＳＥＭで観察した際に、セメンタイトの析出形態が明瞭であるのがベイナイトである。

さらに大角粒界平均径を３０μｍ以下とすることが好ましい。大角粒界平均径は微細であるほど好ましいため下限値は特に規定しないが、結晶粒径に依存し、通常、５μｍ以上である。

残留オーステナイトは化学成分と加速冷却条件によって変化するが、８％以上になると切削後の寸法精度が悪くなるので８％以下が好ましい。

また、本発明では特に硬さを規定していないが、少なくとも鋼管内表面から３ｍｍまでのビッカース硬さは２００以上２８０以下であることが好ましい。ビッカース硬さは、２８０を超えると工具寿命が低下することがある。一方、ビッカース硬さが２００以下ではむしれが発生して、切削面精度を損なうことがある。

次に本発明において鋼管の化学成分を限定した理由を述べる。なお、以下に示す「％」は、特段の説明がない限り、「質量％」を意味する。

Ｃ：Ｃは強度向上に極めて有効な元素であり、本発明の鋼管の主な適用先である歯車やシリンダー等の構造物として十分な強度を得るためには、最低０．１５％必要である。しかし、０．４５％を超えると焼き入れ性が高くなり、大角粒界平均径が大きいマルテンサイト単相組織になる。したがって、Ｃは０．１５〜０．４５％に限定する。

Ｓｉ：Ｓｉは脱酸元素であり、固溶強化にも寄与する。本発明では、十分な強度を得るため、Ｓｉ量の下限を０．１％とした。しかし、Ｓｉを過剰に添加すると加工性を損なうため上限を０．４％に制限した。

Ｍｎ：Ｍｎは強度を向上させるためには必須の元素であり、その下限は０．５％である。しかし、１．０％よりも多いとマルテンサイトとベイナイトの混合組織の生成が困難となり、加工品の切削面精度が大幅に劣化するので１．０％を上限とした。

Ｃｒ：Ｃｒは強度を向上させ、また窒化処理による表面硬度の上昇に有効な元素であり、０．５％以上添加することが必要である。しかし、１．５％を超えるとマルテンサイト単相の生成となり加工品の切削面精度を劣化させるので、上限を１．５％とした。

Ｍｏ：Ｍｏは焼き入れ性を向上させ、高強度化に寄与する元素であり、その効果を得るには最低０．０５％以上の添加が必要である。しかし、０．５％を超えるとマルテンサイトとベイナイトの混合組織の生成が不十分になり、加工面精度を大幅に劣化させるので上限を０．５％とした。

Ｓ：Ｓは切削性向上に有効な元素であり、その効果を得るためには０．００１％以上の添加が必要である。しかし、過度に添加すると焼き戻し後に割れるという問題が発生するため上限を０．０３％とした。

また、脱酸元素としてＳｉを使用する場合、Ａｌの添加は必要なく０％でも良い。脱酸元素としてＡｌを添加する場合には、過剰に添加すると粗大なＡｌ酸化物を生じて延性が低下することがあるため、上限を０．０５％以下とすることが好ましい。

更に、Ｐ及びＮは不純物元素であり、過剰に含有すると延性を低下させることがあり、低減させることが好ましいが、不純物元素の含有量を低減させるためには製造コストが上昇することがある。これらの点から、Ｐの上限を０．０１５％以下、Ｎの上限を０．０１％以下とすることが好ましい。

加速冷却で製造される鋼管には、冷却中の偏熱によって生じた残留応力が存在している。残留応力の発生は冷却均一性に大きく影響される。残留応力が高いと、機械加工中に残留応力が解放されるので部品形状の精度を損なう。加工中の残留応力の解放に伴う部品形状の変化を抑えるには、鋼管外表面から１ｍｍ深さまでの領域における残留応力の絶対値が１００ＭＰａ以下であることが好ましい。

ここで、残留応力の絶対値が１００ＭＰａ以下であることは、残留応力が−１００ＭＰａ〜＋１００ＭＰａの範囲内であることを意味し、本発明では、残留応力の数値が正であるものを引張残留応力、負であるものを圧縮残留応力と定義している。なお、残留応力の方向は周方向であり、鋼管の外表面を０．５ｍｍ研削し、Ｘ線を用いて測定する。

次に、製造方法について説明する。本発明において、鋼管を加熱し、延伸後、そのまま加速冷却する。本発明において、加速冷却の冷却速度の制御は、機械加工面の切削面精度を向上させるための根幹技術である。なお、冷却速度は、鋼管の外表面位置のものである。加速冷却前後に鋼管内表面の温度を接触温度計で測定し、冷却速度を算出する。

加速冷却の方法は、鋼管を円周方向に回転させながら外表面のみから冷却することに規定した。これは、円周方向、長手方向に渡って均一に冷却するためであり、鋼管を回転させなければ鋼管下面が過剰に冷え、また鋼管の内面側からの冷却でも下面に水が貯まり十分な冷却速度得られない問題があるためである。冷却方法は、水を鋼管の外表面に直接当てる方法、鋼管外周の接線方向に当てる方法、ミスト冷却など任意に選定できる。

鋼管は、加熱炉又は誘導加熱によって昇温して延伸しても良く、熱間で鋼片を穿孔、圧延し、延伸工程によって造管した直後の最終段階で７５０℃以上であれば、インラインでそのまま冷却することも可能である。

加速冷却開始前の鋼管の温度は、加速冷却開始時の金属組織をオーステナイト単相とするため、７５０℃以上に限定する。一方、加速冷却開始前の鋼管の温度が高すぎるとオーステナイト粒が粗大化するため、９００℃以下が好ましい。

加速冷却の冷却速度の下限は、５℃／ｓ以上とした。これは、加速冷却の冷却速度が５℃／ｓより低いと、フェライトが生成しマルテンサイトとベイナイトの混合組織が得られないためである。また加速冷却の冷却速度の上限は、４０℃／ｓ以下とした。これは加速冷却の冷却速度が４０℃／ｓを超えると、マルテンサイト単相の組織となるためである。

加速冷却の停止温度は、３００℃未満ではマルテンサイト変態が進行して十分な残留オーステナイトが得られないため、下限を３００℃とした。一方、加速冷却の停止温度が６００℃を超えると炭化物の生成が進み、残留オーステナイトを確保することができなくなるため、上限を６００℃とした。

また、加速冷却の冷却速度の停止温度を３００〜４５０℃にすると、大角粒界で囲まれる粒径を３０μｍ以下にすることができる。これは、停止温度を３００〜４５０℃にすると、多くのバリアントをもつベイナイト、マルテンサイトが生成するためである。

鋼のマルテンサイト、ベイナイト組織はひとつのオーステナイトから理論上２４通りのバリアントをもつ変態が可能である。本発明者らは、加速冷却の停止温度によってそのバリアントが規制されることを見いだした。具体的には、加速冷却の停止温度が３００℃以下ではバリアントが強く規制されたマルテンサイトの変態が進む。一方、加速冷却の停止温度が４５０℃以上では、同一のバリンアントをもつベイナイト変態が進行する。したがって、大角粒界で囲まれる粒径を３０μｍ以下にするには、多くのバリアントをもつベイナイト、マルテンサイトを生成させるために、加速冷却の停止温度を３００〜４５０℃にすれば良い。

更に、６００〜６５０℃の温度域から３００〜４５０℃の温度域までの冷却速度は、５〜２０℃／ｓとすることが好ましい。これにより、残留オーステナイトの生成量を適正な範囲、即ち、２〜８％とすることができる。３００〜４５０℃の温度域までの冷却速度が、５℃／ｓ未満では炭化物の生成が進行し、一方、２０℃／ｓを超えるとマルテンサイト変態が促進され、残留オーステナイトが十分に得られないことがある。

また、７５０℃以上の温度から、６００〜６５０℃の温度域までの加速冷却の冷却速度を１０〜４０℃／ｓにすれば、鋼管外表面から１ｍｍまでの領域における残留応力の絶対値を１００ＭＰａ以下とすることができる。これは、高温での冷却速度を高めることにより、変態歪み量が大きい高温でのベイナイトの不均一生成が抑制されるためである。

本発明の鋼管は、継ぎ目無し鋼管が好ましく、その造管工程は、熱間での穿孔−圧延−延伸が一般的である。また、冷間又は熱間で穿孔し、熱間押し出しプレスにより製造された継ぎ目無し鋼管でも良い。

本発明では鋼管形状を特に限定していないが、肉厚は５ｍｍ以上２０ｍｍ以下が好ましい。その理由は２０ｍｍ以上の肉厚では、外表面側と内表面側との冷却速度の差が大きくなるためである。また鋼管の肉厚が５ｍｍ以下では、内外面の削り代を差し引くと肉厚が薄すぎて、機械部品用に適さないことがあるためである。

鋼管の長さは、外径の５倍以上が好ましい。この理由は、鋼管を外表面から水冷するときに均一に冷却するためである。鋼管の長さが外径の５倍より小さいと、外表面から噴射する水が内面に入ったりすることで鋼管長手方向、周方向で冷却が大きくばらつく。

表２に示す化学成分を有し、外径：１５６ｍｍ、肉厚：１２ｍｍの鋼管を製造し、切削性を評価した。造管方法は、鋼片を熱間で穿孔し、圧延し、延伸するシームレスプロセスである。延伸圧延直後の７５０℃以上の鋼管、もしくは、いったん室温まで冷やされた鋼管で７５０℃以上に加熱炉にて加熱した鋼管を、鋼管外表面からリング水冷却にて所定の冷却速度で冷却した。鋼管の造管方法、加速冷却前の加熱温度、加速冷却の冷却速度及び停止温度は表３に示した条件で行った。

製造した鋼管の肉厚中心部の金属組織は、円周方向の任意の位置で、長手方向の端部１００ｍｍを除く任意の位置から小片を採取し、研磨、エッチングを行い、走査型電子顕微鏡及び光学顕微鏡を用いて観察した。光学顕微鏡により、フェライト、パーライトの存在を確認し、マルテンサイトとベイナイトの判別は、走査型電子顕微鏡にて最大５０００倍まで拡大して観察して行った。

残留オーステナイトの体積分率をＸ線回折法によって求めた。また、ＥＢＳＰによって鋼の結晶方位マップを作成し、方位差１５°以上の大角粒界で囲まれる領域の平均粒径、即ち大角粒界平均径を測定した。表３の平均粒径は大角粒界平均径である。

残留応力は鋼管の外表面から０．５ｍｍ削った位置についてＸ線を用いて測定した。応力の方向は周方向である。表３の残留応力欄の数値が正であるものは引張の残留応力、負であるものは圧縮の残留応力を意味する。

切削性については、鋼管を５０ｍｍ長さに切り、内外面を１ｍｍずつ切削した後、歯車形状となるよう内面をブローチ加工し、ブローチ加工面精度を調査して評価した。面精度は切削面の凹凸であり、１０μｍ以下の凹凸であれば良好として１００個の加工で良好な個数の割合を切削性の合格率［％］として評価した。また、ブローチ加工前後の外径を測定して、その差が５０μｍ以内であれば良好とし１００個の加工で良好な個数の割合を変形量の合格率［％］として評価した。

切削性の合格率が９５〜９９％であれば判定を○、いずれも合格率が１００％のものの判定を◎とし、何れかの合格率が９４％以下のものの判定を×とした。

本発明例であるＮｏ．１、３、４、８は適正な化学成分及び熱処理条件で製造された鋼管であり、適正な金属組織を有し、切断性に優れていた。

Ｎｏ．９は、Ｃ量が高く焼入れ性が高いため、粒径の大きなマルテンサイト単相となり切削性に難があり、残留応力が高く変形が大きかった例である。Ｎｏ．１０は、Ｃ量が低すぎて焼入れ性が低いため、フェライト、パーライト及びベイナイトの混合組織となり、また残留オーステナイトが少なく切削性に難があった例である。Ｎｏ．１１は、Ｍｎ量が高く焼入れ性が高いため、マルテンサイト単相組織となって切削性に難があり、残留応力が高く変形が大きかった例である。

Ｎｏ．１２は、Ｓｉ量が高く、またＭｎ量が低くて焼入れ性が低く、フェライトとベイナイトの混合組織となり、残留オーステナイトが低く切削性に難があった例である。

Ｎｏ．１４は、Ｃｒ量及びＭｏ量が高すぎたため粒径の大きなマルテンサイト単相となり、残留オーステナイト量が不十分で切削性に難があり、残留応力が高く変形が大きかった例である。

Ｎｏ．１５は、冷却開始温度が低すぎたため、フェライト、ベイナイト及びマルテンサイトの混合組織になり切削性に難があった例である。Ｎｏ．１７は、冷却停止温度が低かったため、残留オーステナイト量が不十分で切削性に難があった例である。Ｎｏ．１９は、冷却速度が速すぎマルテンサイト単相となり、残留オーステナイト量が不十分で切削性に難があって、また残留応力が高く変形が大きかった例である。

Claims (4)

1. 質量％で、
   Ｃ：０．１５〜０．４５％、
   Ｓｉ：０．１〜０．４％、
   Ｍｎ：０．５〜１．０％、
   Ｃｒ：０．５〜１．５％、
   Ｍｏ：０．０５〜０．５％、
   Ｓ：０．００１〜０．０３％
   を含有し、残部が鉄及び不可避的不純物からなり、光学顕微鏡で観察される金属組織がベイナイトとマルテンサイトの混合組織であり、Ｘ線回折法で測定される残留オーステナイトの体積分率が２％以上であることを特徴とする切削性に優れた機械構造用鋼管。
2. Ｘ線回折法で測定される残留オーステナイトの体積分率が２〜８％であることを特徴とする請求項１に記載の切削性に優れた機械構造用鋼管。
3. 方位差１５°以上の大角粒界で囲まれる領域の平均径が３０μｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の切削性に優れた機械構造用鋼管。
4. 鋼管外表面から１ｍｍまでの領域における残留応力の絶対値が１００ＭＰａ以下であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の切削性に優れた機械構造用鋼管。