JP5287164B2 - 耐腐食疲労特性に優れた高強度中空部材用電縫溶接鋼管 - Google Patents
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Description
本発明は、かかる従来技術の問題を解決し、高強度中空部材用として好適な、部材加工・調質処理後の耐腐食疲労特性に優れた電縫溶接鋼管を提供することを目的とする。
一般に、大気中(非腐食環境下)では、疲労により表面に局部的なすべりが発生し、極く微小なき裂が発生する。しかし、極く微小なき裂の先端では、加工硬化等によりき裂進展の抵抗が生じるため、疲労限以下の応力ではき裂の進展は生じない。この極く微小なき裂の進展の抵抗(内部き裂進展抵抗)には、材料強度が影響すると考えられ、高強度材ほど疲労限が高くなる。しかし、腐食環境下では、大気中の疲労限以下の繰返し応力の負荷によっても、全面に疲労き裂が発生し、疲労強度が低下し、材料強度に比例した疲労強度が得られない。これは、腐食環境下では、表面とき裂先端とで酸素濃淡電池を形成する等により、き裂先端の溶解が進行し、非腐食環境下におけるき裂進展の抵抗(内部き裂進展抵抗)となっていた加工硬化部等が消失し、疲労強度が低下するためと考えた。また、加工硬化部等が消失するため、疲労強度に及ぼす材料強度の影響が小さくなるためと考えた。
上記したようなことから、本発明者らは、腐食環境下での耐疲労特性を向上させるためには、疲労き裂先端における腐食を抑制することが肝要となることに想到した。
質量%で、C:0.25%、Si:0.2%、Mn:0.5%、Cr:0.3%、Ti:0.024%、B:0.002%、Ca:0.002%を含み残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を基本の組成とし、さらにAl、Ni、Cuをそれぞれ単独で含有量を変化させた熱延鋼板に調質処理を施し、硬さ450〜460HVに調整して、シェンク式疲労試験片を採取した。これら試験片(大きさ:3mm厚×最小幅20mm)を用いて、スタビライザーの使用環境を模擬した腐食環境下でのシェンク式疲労試験を実施し、各鋼板の疲労寿命を測定した。疲労試験は、純水あるいは5%NaCl水溶液を含む綿を試験片に巻き付けて、負荷応力:400MPa、応力比:-1、周波数:5Hzの条件で行い、疲労寿命を求めた。疲労寿命は、破断が生じるまでの回数(cycle)とした。
さらに、本発明者らはCrの影響について検討した。
質量%で、C:0.30%、Si:0.20%、Mn:1.50%、Ti:0.024%、B:0.002%、Ca:0.002%
を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を基本の組成とし、さらにCr、Alをそれぞれ単独で0.60%含有させた熱延鋼板、および上記した基本の組成に、さらにCrとAlを0.30%ずつ複合含有させた熱延鋼板に、調質処理を施し、硬さ450〜460Hvに調整して、シェンク式疲労試験片を採取した。これら試験片(大きさ:3mm厚×最小幅:20mm)を用いて、スタビライザーの使用環境を模擬した腐食環境下でのシェンク式疲労試験を前記した同様の試験条件で実施し、各鋼板の疲労寿命を測定した。
図2から、CrまたはAlを単独添加した鋼板の腐食環境下での疲労寿命は基本組成の鋼板のそれに比べ、やや長寿命化している。一方、CrとAlを複合して合計で0.60%添加した鋼板の疲労寿命は、Cr又はAlを単独でそれぞれ0.60%添加した場合に比べ顕著に長寿命化している。すなわち、CrとAlを複合添加することにより、腐食環境下での疲労寿命が格段に改善されている。
すなわち、CrとAlの複合添加により、表面に形成される腐食生成物が表面を保護し、腐食の進行を抑制することにより腐食環境下での疲労寿命が改善される。応力付加により腐食生成物の剥離が生じるが、Cr、Alの添加により、剥離後の再生が容易となること、また耐剥離性が向上することが考えられる。例えば、Alは極めて溶出しやすく、また腐食生成物を作りやすい元素であるため、Crの腐食生成物であるCr(OH)3とAlが反応し、Cr(OH)3に生じた割れ等を補修したり、腐食生成物と地鉄との境界を複雑化すること、あるいは腐食生成物が剥離しても、比較的容易に腐食生成物を生じることができるCr濃化層の存在などが考えられ、これにより腐食環境下での疲労寿命が向上するものと推察される。
本発明は、かかる知見に基づいて、さらに検討を加えて完成されたものである。
(1)質量%で、C:0.19〜0.40%、Si:0.05〜0.50%、Mn:0.30〜2.00%、Cr:0.10〜1.20%、Al:0.20〜1.20%、Ti:0.001〜0.040%、B:0.0005〜0.0050%、N:0.0100%以下を含み、かつTi、Nを次(1)式
Ti/47.9 > N/14‥‥(1)
(ここで、Ti、N:各元素の含有量(質量%))
を満足するように含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有し、部材加工・調質処理後の耐腐食疲労特性に優れることを特徴とする高強度中空部材用電縫溶接鋼管。
(2)(1)において、前記組成に加えてさらに、質量%で、Mo:1.0%以下、W:1.0%以下、Ni:1.0%以下、Cu:1.0%以下、Nb:0.2%以下、V:0.2%以下のうちから選ばれた1種または2種以上を含有する組成とすることを特徴とする高強度中空部材用電縫溶接鋼管。
(3)(1)または(2)において、前記組成に加えてさらに、質量%で、Ca:0.0045%以下を含有する組成とすることを特徴とする高強度中空部材用電縫溶接鋼管。
(4)(1)ないし(3)のいずれかに記載の電縫溶接鋼管を素材として、該素材に、加工と、硬さが420〜520HVとなるように調質処理を施してなる高強度中空部材。
C:0.19〜0.40%
Cは、鋼の強度を増加させるとともに、焼入れ性を向上させ焼入れ後の強度を増加させ、さらには炭化物、炭窒化物を生成し焼戻後の強度を増加させる作用を有する元素であり、本発明では、所望の鋼管強度の確保、さらには部材の調質処理後の所望強度(硬さ)の確保のために、0.19%以上の含有を必要とする。一方、0.40%を超える含有は、焼入れ処理後の靭性を低下させる。このため、Cは、0.19〜0.40%の範囲に限定した。なお、好ましくは0.24〜0.35%である。
Siは、脱酸剤として作用する元素であり、このような効果は0.05%以上の含有で認められるが、0.50%を超えて含有しても、効果が飽和し含有量に見合う効果が期待できず、経済的に不利となるうえ、電縫溶接時に介在物を生じやすく、電縫溶接部の健全性に悪影響を及ぼす。このため、Siは0.05〜0.50%に限定した。なお、好ましくは0.10〜0.30%である。
Mnは、鋼の強度を増加させるとともに、焼入れ性を向上させ焼入れ後の強度を増加させる作用を有する元素であり、本発明では、所望の鋼管強度の確保、さらには部材の調質処理後の所望強度(硬さ)確保のために、0.30%以上の含有を必要とする。一方、2.00%を超える含有は、残留γ量が増加しすぎて、焼戻後の靭性が低下する。このため、Mnは0.30〜2.00%の範囲に限定した。なお、好ましくは0.80〜1.60%である。
Crは、焼入れ性を向上させるとともに、微細な炭化物を生成し、強度を増加させる作用を有する元素である。また、CrはAlと複合して含有することにより、腐食環境下での疲労寿命を顕著に向上させる元素であり、本発明では重要な元素である。このような効果を得るためには0.10%以上の含有を必要とする。一方、1.20%を超えて含有しても、効果が飽和し含有量に見合う効果が期待できないうえ、電縫溶接時に介在物を生じやすく、電縫溶接部の健全性に悪影響を及ぼす。このため、Crは0.10〜1.20%の範囲に限定した。なお、好ましくは0.20〜1.0%である。
Alは、耐腐食疲労性を改善する作用を有する元素であり、Crと複合して含有することにより腐食環境下での疲労寿命を顕著に向上させる元素で、本発明では重要な元素である。このような効果を得るためには0.20%以上の含有を必要とする。一方、1.20%を超える多量の含有は、靭性、電縫溶接性を低下させる。このため、Alは0.20〜1.20%の範囲に限定した。
Tiは、Nを固定し、BNの生成を抑制し、焼入れ性に有効な固溶B量を安定して確保するとともに、微細な炭化物を形成し、溶接部や熱処理時の結晶粒の粗大化を抑制して、母材および溶接部の靭性を向上させる作用を有する元素である。このような効果を得るためには0.001%以上の含有を必要とする。一方、0.040%を超える含有は、介在物量が増加し、靭性が低下する。このため、Tiは0.001〜0.040%の範囲に限定した。
Nは、本発明では、不可避的不純物として含有される元素であるが、0.0100%を超える含有は、窒化物等が粗大化し、靭性や疲労寿命が低下する。このため、Nは0.0100%以下に限定した。
なお、Ti、Nは、上記した含有量の範囲内でかつ次(1)式
Ti/47.9 > N/14‥‥(1)
(ここで、Ti、N:各元素の含有量(質量%))
を満足するように含有する。
B:0.0005〜0.0050%
Bは、少量の含有で鋼の焼入れ性を向上させる作用を有する有効な元素である。また、Bは、粒界を強化して焼割れを防止する作用も有する。このような効果を得るためには0.0005%以上の含有を必要とする。一方、0.0050%を超えて含有しても、効果が飽和し含有量に見合う効果が期待できないうえ、粗大なB含有析出物が生じやすく、靭性が低下する場合がある。このため、Bは0.0005〜0.0050%の範囲に限定した。なお、好ましくは0.0010〜0.0025%である。
Mo:1.0%以下、W:1.0%以下、Ni:1.0%以下、Cu:1.0%以下、Nb:0.2%以下、V:0.2%以下のうちから選ばれた1種または2種以上
Mo、W、Ni、Cu、Nb、Vは、いずれも、鋼の強度を増加させる作用を有する元素で、必要に応じて選択して含有できる。
Cuは、焼入れ性向上を介して強度を増加させる作用に加えてさらに、耐遅れ破壊性を有効に向上させる作用を有する元素である。このような効果を得るためには0.05%以上含有することが望ましいが、1.0%を超えて含有しても、効果が飽和し、含有量に見合う効果が期待できないうえ、かえって、加工性が低下する。このようなことから、含有する場合には、Cuは1.0%以下に限定することが好ましい。
Ca:0.0045%以下
Caは、硫化物の形態制御を介して、鋼の延性、靭性の改善に寄与する元素であり、必要に応じて含有することができる。このような効果を得るためには、0.0005%以上含有することが望ましいが、0.0045%を超える含有は、介在物量が増加し、かえって延性、靭性を低下させる。このため、Caは0.0045%以下に限定することが好ましい。
Pは、溶接割れ性、靭性に悪影響を及ぼす元素であり、できるだけ低減することが望ましいが、0.020%までは許容できる。なお、より好ましくは0.015%以下である。
Oは、鋼中では酸化物系介在物として存在し、鋼管の加工性、靭性、疲労寿命を低下させる悪影響を及ぼす元素であり、できるだけ低減することが望ましいが、0.005%までは許容できる。なお、より好ましくは0.002%以下である。
まず、本発明電縫溶接鋼管は、上記した組成を有する鋼板、好ましくは熱延鋼板を素材として、好ましくは、冷間でのロール等による成形で、オープン管形状に成形したのち、該オープン管の端部同士を突き合わせ、該突合せ部を電縫溶接して所望寸法の管形状とし、あるいはさらに温間・熱間の縮径圧延を施して製造することが好ましいが、本発明ではこれに限定されるものではなく、通常公知の造管方法がいずれも適用可能である。なお、縮径圧延は、鋼管をAc3変態点以上に加熱した後、650〜850℃で縮径率:40%以上の縮径圧延とすることが好ましい。
また、本発明では、上記した組成の電縫溶接鋼管を素材とし、該素材に、所望形状の中空部材となるように加工を施し、さらに調質処理を施し、調質処理後の硬さが420〜520HVである中空部材とすることが好ましい。なお、調質処理は、焼入れ処理あるいは焼入れ焼戻処理とすることが好ましいが、その処理条件は、調質処理後の硬さが420〜520HVの範囲となる条件であればとくに限定されない。調質処理後の硬さが520HVを超えて高くなると、水素脆化の影響が顕著となる。また、調質後の硬さが420HV未満では、中空部材としての主たる用途である中空スタビライザーとして所望の強度を確保できなくなる。このため、調質処理後の硬さは420〜520HVの範囲に限定することが好ましい。
表1に示す組成の熱延鋼板(板厚:5mm又は6mm)を素材として、冷間でロールにより連続成形し略円筒状のオープン管として、該オープン管の端部同士を突き合わせて、高周波抵抗溶接により電縫溶接して電縫溶接鋼管(外径89mmφ)とした。得られた電縫溶接鋼管を母材として、該母材に調質処理を施した。調質処理は、960℃×5minの加熱を行い、直ちに水槽に浸漬する焼入れ処理と、表2に示す焼戻処理とした。この調質処理により、略460HVまたは500HVの調質処理後硬さに調整した。得られた調質処理後の材料について、腐食疲労試験を実施した。
得られた結果を表2に示す。
(実施例2)
表1に示す組成の熱延鋼板のうち、鋼板No.A,No.F(板厚:5mm)を素材として、冷間でロールにより連続成形し略円筒状のオープン管として、該オープン管の端部同士を突き合わせて、高周波抵抗溶接により電縫溶接して電縫溶接鋼管とした。得られた電縫溶接鋼管を母管とし、該母管に、加熱温度:950℃、仕上圧延温度:800℃とする縮径圧延を施し、鋼管(大きさ:外径25.4mmφ×肉厚4.7mm)とした。得られた鋼管に、ついで、冷間で外径の2倍の半径(R:50.8mm)で90°の曲げ加工を施し鋼管製部材とした。ついで、曲げ加工を施された鋼管に、960℃×5minの加熱を行い、直ちに水槽に浸漬する焼入れ処理と、280℃×20minの焼戻処理からなる調質処理を施した。この調質処理により、略460HVの硬さに調整できた。
2 ねじり治具
10、11 つかみ治具
Claims (4)
- 質量%で、
C:0.19〜0.40%、 Si:0.05〜0.50%、
Mn:0.30〜2.00%、 Cr:0.10〜1.20%、
Al:0.20〜1.20%、 Ti:0.001〜0.040%、
B:0.0005〜0.0050%、 N:0.0100%以下
を含み、かつTi、Nを下記(1)式を満足するように含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有し、部材加工・調質処理後の耐腐食疲労特性に優れることを特徴とする高強度中空部材用電縫溶接鋼管。
記
Ti/47.9 > N/14‥‥(1)
ここで、Ti、N:各元素の含有量(質量%) - 前記組成に加えてさらに、質量%で、Mo:1.0%以下、W:1.0%以下、Ni:1.0%以下、Cu:1.0%以下、Nb:0.2%以下、V:0.2%以下のうちから選ばれた1種または2種以上を含有する組成とすることを特徴とする請求項1に記載の高強度中空部材用電縫溶接鋼管。
- 前記組成に加えてさらに、質量%で、Ca:0.0045%以下を含有する組成とすることを特徴とする請求項1または2に記載の高強度中空部材用電縫溶接鋼管。
- 請求項1ないし3のいずれかに記載の電縫溶接鋼管を素材として、該素材に、加工と、硬さが420〜520HVとなるように調質処理とを施してなる高強度中空部材。
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