JP5142792B2 - 高疲労寿命焼入れ・焼戻し鋼管およびその製造方法 - Google Patents
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一般に鋼材の疲労特性を向上させるためには、表面を硬化する、あるいは平滑化することが有効であるとされる。
鋼管部材を軽量化するには、肉厚の低減が最も有効である。しかし、薄肉化は強度や疲労寿命の面で不利となる。特に、鋼管は曲げ加工などにより所望の形状に加工される場合が多いが、曲げの外側では肉厚が薄くなり、耐久性の点で厳しい状況となる。したがって、薄肉化の要求に応えるには、鋼管自体の特性をレベルアップすること、すなわち、高強度を維持しながら疲労寿命を一層高レベルに引き上げることが望まれる。
[1]〔熱間圧延〕加熱抽出温度を1100〜1280℃とする。熱延最終パスでワークロールとしてハイスロールを鋼管の内面側となる鋼板表面に適用することが望ましい。
[2]〔冷間圧延〕冷間圧延率を25%以上とし、鋼管の内面側となる鋼板表面について、鋼管長手方向となる方向に対し直角方向(C方向)の表面粗さRaを0.5μm以下とする。この場合、ロール軸に平行方向の表面粗さRaが0.3μm以下のスムース仕上げワークロールを鋼管の内面側となる鋼板表面に適用することが一層効果的である。
[3]〔焼鈍〕非酸化性雰囲気中で加熱して、再結晶組織を得る。
[4]〔造管〕溶接造管により、肉厚t、管の外径Dが、D/t≧4を満たす鋼管を得る。
[5]〔焼入れ・焼戻し処理〕900〜1100℃で10〜60秒保持した後急冷する焼入れ処理と、280〜380℃で10〜60分保持する焼戻し処理を施す。
本発明では各元素の含有量を以下のように調整した鋼を使用する。合金元素含有量の「%」は「質量%」を意味する。
Cは、機械構造用鋼疲労寿命鋼管に望まれる強度とばね性を確保するために、0.1%以上の含有が必要である。ただし、0.4を超えると靭性低下による脆性破壊が生じやすくなるとともに、粒界強度の低下による疲労寿命の低下が懸念される。また、造管時の加工性や溶接部の健全性が劣化する。このためC含有量は0.1〜0.4%とする。
発明者らの詳細な検討によれば、最終的に得られる焼入れ・焼戻し鋼管の疲労特性は、鋼管を製造する前の「素材鋼板」の性状に大きく依存することが明らかになった。すなわち、「素材鋼板」段階で鋼管の内面側になる表面を平滑化しておけば、その素材鋼板に由来する鋼管の疲労特性を改善することが可能になるのである。
上記のような、疲労特性の顕著な改善をもたらす平滑性の高い鋼管内面を得るためには、肉厚tと円形断面の管の外径Dの関係にいて、D/t≧4を満たす寸法形状とすることがより好ましい。すなわち、外径の割に肉厚が薄い方が、造管時の加工において生じる内表面の凹凸(肌荒れ)を小さくする上で効果的であり、これが疲労特性の改善に有効となる。この薄肉化はスタビライザー等の鋼管部材の軽量化にもつながる。スタビライザー用途等においては、例えば肉厚tが1〜7mm、管の外径Dが10〜45mmの範囲においてD/t≧4を満たすことが望ましい。
本発明の疲労特性に優れた鋼管は、上記の成分組成を有する鋼を溶製し、「熱間圧延→スケール除去処理→冷間圧延→焼鈍→造管→焼入れ・焼戻し処理」の工程を経ることによって製造することができる。その際、熱間圧延、冷間圧延、焼鈍、造管焼入れ・焼戻し処理の各工程はそれぞれ以下の[1]〜[5]の条件で行えばよい。
加熱抽出温度を低くするとスラブ表面の酸化スケール生成量が低減し、熱延板を酸洗した後の表面肌荒れを軽減することができる。種々検討の結果、造管に供する素材鋼板の表面粗さRaを0.5μm以下に平滑化するには加熱抽出温度を1280℃以下とすることが非常に有利となる。ただし、1100℃より低くすると変形抵抗が大きくなり、熱延板表面にクラックが入りやすくなる。この場合も所望の平滑化が困難となる。
また、熱延最終パスのワ―クロールにハイスロールを用いることが望ましい。表面硬度の高いハイスロールで最終パスでの圧下を行うと、熱延板の段階でかなりの平滑効果が得られる。
得られた熱延板の表面酸化スケールを除去する必要があるが、その手段としては表面の平滑性を劣化させない限り、酸洗や機械的研磨など種々の手法が採用できる。前記[1]の条件に従えば、通常の酸洗により良好な結果が得られる。
冷間圧延率が25%未満では平滑化の効果が少ない。冷間圧延率が高くなるにしたがって、通常、冷間圧延による平滑化の効果が増大する。また、平滑化には使用する冷間圧延ワークロールの表面性状も影響する。したがって、冷間圧延率25%以上の範囲で、ワークロールの表面性状に応じて圧延率を調整することにより上記表面粗さRaを0.5μm以下にコントロールすることができる。
素材鋼板は冷間での造管に供されるため、十分に軟化され、良好な加工性を呈する状態とする必要がある。このため、この焼鈍では再結晶組織を得る。ただし、冷間圧延で形成した表面の平滑性を維持するためには、この焼鈍段階でスケールが生成すること自体好ましくなく、またそれを酸洗や機械的手段で除去することは表面凹凸が増大するのでなおさら好ましくない。そこで本発明では、この焼鈍を酸化スケールが発生しにくい非酸化性雰囲気で行う。非酸化性雰囲気としては、70体積%以上の水素−窒素混合ガス、露点−60℃以下の雰囲気や、水素ガス雰囲気が採用できる。これにより、その後の酸化スケール除去工程が不要となる。また、既に所定の平滑化が済んでいるので,研磨仕上げ等に供することなくそのまま造管できる。水素ガス雰囲気の場合は、水素濃度99.99%以上が好適である。
鋼帯を連続的に成形ロールの間を通して管状に変形させ、相対する端面同士を溶接する一般的な造管方法が採用できる。溶接は高周波溶接またはTIG溶接が適用できる。上述のように、外径の割に肉厚が薄い方が、造管時の加工において生じる内表面の凹凸(肌荒れ)を小さくする上で効果的であり、これが疲労特性の改善に有効となる。そのため、鋼管の寸法形状がD/t≧4を満たすように造管することが望ましい。
この焼入れ・焼戻し処理によって、鋼管長手方向に対して垂直な断面(以下「C断面」ということがある)における肉厚中心部の硬さが400HV以上の強度レベルを維持しながら、疲労寿命を顕著に改善することができる。焼入れ処理時の「急冷」は、マルテンサイト変態が起こるに足る冷却速度であるが、例えば水中に浸漬する「水冷」が採用できる。
溶接造管後の鋼管(素材鋼管)を長さ1mに切断し、「1000℃×30秒保持→水中へ急冷」の焼入れ処理と、「340℃×45分保持→空冷」の焼戻し処理を施した。その後、鋼管の外表面にショットピーニングによる通常の硬化処理を施した。
結果を表2に示す。
参考のため、図1に、本発明例No.5の素材鋼板の圧延方向に垂直な断面(C断面)の金属組織写真(光学顕微鏡写真)を例示する。
Claims (7)
- 質量%で、C:0.1〜0.4%、Si:0.5〜1.5%、Mn:0.3〜2%、P:0.02%以下、S:0.01%以下、Cr:0.1〜2%、Ti:0.01〜0.1%、Nb:0.01〜0.1%、Al:0.1%以下、B:0.0005〜0.01%、N:0.01%以下、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有し、鋼管長手方向となる方向に対し直角方向(C方向)の表面粗さRaが0.5μm以下である平滑化表面を少なくとも片面に有する素材鋼板を用いて、その平滑化表面が鋼管の内面となり、肉厚t(mm)および管の外径D(mm)がD/t≧4を満たすように溶接造管したのち焼入れ・焼戻し処理する工程を経て得られる高疲労寿命鋼管。
- さらにNi:0.5%以下、Ca:0.02%以下、Mo:0.5%以下、V:0.5%以下の1種以上を含有する組成を有する請求項1に記載の高疲労寿命鋼管。
- 肉厚tが1〜7mm、管の外径Dが10〜45mmである請求項1または2に記載の高疲労寿命鋼管。
- 質量%で、C:0.1〜0.4%、Si:0.5〜1.5%、Mn:0.3〜2%、P:0.02%以下、S:0.01%以下、Cr:0.1〜2%、Ti:0.01〜0.1%、Nb:0.01〜0.1%、Al:0.1%以下、B:0.0005〜0.01%、N:0.01%以下、残部Feおよび不可避的不純物からなる鋼を溶製し、下記[1]の条件で熱間圧延し、スケールを除去したのち下記[2]の条件で冷間圧延し、下記[3]の条件で焼鈍し、下記[4]の条件で造管し、下記[5]の条件で焼入れ・焼戻し処理を施す高疲労寿命鋼管の製造方法。
[1]〔熱間圧延〕加熱抽出温度を1100〜1280℃とする。
[2]〔冷間圧延〕冷間圧延率を25%以上とし、鋼管の内面側となる鋼板表面について、鋼管長手方向となる方向に対し直角方向(C方向)の表面粗さRaを0.5μm以下とする。
[3]〔焼鈍〕非酸化性雰囲気中で加熱して、再結晶組織を得る。
[4]〔造管〕溶接造管により、肉厚t、管の外径Dが、D/t≧4を満たす鋼管を得る。
[5]〔焼入れ・焼戻し処理〕900〜1100℃で10〜60秒保持した後急冷する焼入れ処理と、280〜380℃で10〜60分保持する焼戻し処理を施す。 - 前記鋼は、さらにNi:0.5%以下、Ca:0.02%以下、Mo:0.5%以下、V:0.5%以下の1種以上を含有するものである請求項4に記載の高疲労寿命鋼管の製造方法。
- 前記[1]の熱間圧延において、熱延最終パスでワークロールとしてハイスロールを鋼管の内面側となる鋼板表面に適用する、請求項4または5に記載の高疲労寿命鋼管の製造方法。
- 前記[2]の冷間圧延において、ロール軸に平行方向の表面粗さRaが0.3μm以下のスムース仕上げワークロールを鋼管の内面側となる鋼板表面に適用する、請求項4〜6のいずれかに記載の高疲労寿命鋼管の製造方法。
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