JP5488438B2

JP5488438B2 - 被削性に優れた電縫鋼管

Info

Publication number: JP5488438B2
Application number: JP2010278114A
Authority: JP
Inventors: 哲夫石塚; 敏幸緒方; 雅通岩村; 雅之橋村
Original assignee: Nippon Steel and Sumitomo Metal Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2010-04-09
Filing date: 2010-12-14
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2030-12-14
Also published as: JP2011231398A

Description

本発明は、自動車や一般機械などに用いられる、切削時の工具寿命や切り屑処理性に優れた、被削性に優れる電縫鋼管に関する。

自動車や一般機械などに用いられる部品は、棒鋼などの中実の鋼材を素材とし、要求精度と製造効率に応じて、切削工程を経て製造されるものが多い。しかし、最近では部品の軽量化の観点から中空である鋼管を素材とする場合が増えてきている。鋼管の中でも、電縫鋼管は、シームレス鋼管よりも安価でかつシーム溶接部の信頼性が比較的高いため、自動車や一般機械に広く用いられている。

部品素材用の電縫鋼管は、多くの場合、冷間引き抜き等の冷間加工によって所定の寸法・形状に成形されるが、最後の切削工程では、冷間加工ままの加工硬化した状態で切削される場合が多い。したがって、被削性に優れた電縫鋼管が要求されている。しかし、一般に冷間加工ままの素材は冷間加工前に比べて被削性が低下する。

電縫鋼管では、快削性を向上させる添加元素の介在物が溶接部に生成し、また、溶接割れが発生するという問題があるため、Ｓ、Ｎ、Ｏ、Ｃａ、Ａｌなどの含有量を制御した電縫鋼管が提案されている（例えば、特許文献１〜３）。しかし、これらは被削性が不十分であった。一方、中実材では、ＢＮを利用した快削鋼が提案されている（例えば、特許文献４、５）。しかし、これらの中実材は酸素量や酸化物を制御したものではない。

特開平０３−２２６５４５号公報特開平０４−１０７２４１号公報特開平０４−１８７７４２号公報特開平０６−１４５８９０号公報特開２００３−０３４８４２号公報

本発明は、溶接衝合部品質の良好な被削性に優れた電縫鋼管の提供を課題とするものである。

本発明者らは、硬質なＡｌ₂Ｏ₃の生成を防止し、ＭｎＳの延伸を抑制し、かつ、被削性の向上にはＣａ−Ｓｉ−Ａｌ系酸化物およびＢＮを利用することによって、電縫溶接品質を損なうことなく、被削性に優れた電縫鋼管が得られるという知見を得た。本発明は、このような知見に基づいてなされたものであり、その要旨は以下のとおりである。
（１）質量％で、Ｃ：０．０２〜０．２％、Ｓｉ：０．０５〜０．５％、Ｍｎ：０．２〜２．０％、Ｐ：０．００１〜０．０３％、Ｓ：０．０１〜０．０３％、Ｎ：０．００２〜０．０２％、Ａｌ：０．０００５〜０．００５％、Ｂ：０．００２〜０．０１５％、Ｏ：０．０００５〜０．００６％、Ｃａ：０．０００２〜０．００５％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする被削性に優れた電縫鋼管。
（２）さらに、質量％で、Ｃｒ：０．０１〜２．０％、Ｍｏ：０．０１〜１．０％の一方または双方を含有することを特徴とする上記（１）に記載の被削性に優れた電縫鋼管。
（３）さらに、ＮおよびＢの含有量（質量％）［Ｎ］および［Ｂ］が、
０．６５＜［Ｎ］／［Ｂ］＜１．０４
を満足することを特徴とする上記（１）または（２）に記載の被削性に優れた電縫鋼管。

本発明の電縫鋼管は、従来材と同様に優れた被削性を有するのにもかかわらず、被削性向上元素としてＢｉ、Ｐｂ、Ｔｅを含有しないために、製造時に疵が発生しにくく、環境負荷も小さい。電縫溶接衝合部の品質を損ねる元素の含有量を限定しているため、本発明によれば、電縫溶接部品質に優れた電縫鋼管を提供することが可能になり、産業上の貢献が極めて顕著である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。

以下に、本発明において鋼管の化学成分を限定した理由について説明する。なお、以下に示す「％」は、特段の説明がない限りは、「質量％」を意味するものとする。

Ｃは、鋼の強度を確保するために必須の元素であり、自動車や一般機械などの部品として最低限必要な強度を確保するために下限を０．０２％とした。一方、Ｃ量が多すぎると強度が高くなりすぎて被削性が低下するばかりでなく、電縫溶接の際の熱影響部が著しく硬化し、割れに至る場合がある。特に本発明の電縫鋼管のようにＢを含有する鋼は焼き入れ性硬化性が高いため、Ｃ量の上限を０．２％に限定した。

Ｓｉは、脱酸上含まれる元素であり、特に本発明の電縫鋼管のようにＡｌ量が低く制限されている中でＯ量を極力低減したい場合には必須の脱酸元素である。また、被削性を向上させる低融点のＣａ−Ｓｉ−Ａｌ系酸化物の生成にも寄与する。それらの効果を得るために下限を０．０５％とした。一方、Ｓｉは電縫溶接衝合部にＦｅ−Ｓｉ−Ｍｎ系の酸化物欠陥として残存しやすく、過剰に添加すると電縫溶接品質が著しく低下する。そのため、溶接品質を損なわないために上限を０．５％とした。

Ｍｎは、鋼中のＳと結合し、軟質なＭｎＳとなって被削性向上に寄与する。また、鋼の強度を確保するためにも必要な元素である。これらの効果を得るために、下限を０．２％に設定した。一方、過度に添加すると電縫溶接時にＦｅ−Ｓｉ−Ｍｎ系酸化物が生成しやすくなり、溶接欠陥発生の一因となるため、上限を２．０％とした。

Ｐは、鋼を脆化させて機械的性質、熱間加工性、電縫溶接性等を劣化させるので、少ない方が望ましく、上限を０．０３％とした。一方で鋼を脆化させることが被削性に対しては好ましい方向に寄与するため、微量を含有することは快削鋼にとっては有益であり、Ｐ量の下限を０．００１％とした。Ｐ量の好ましい下限は０．００５％である。

Ｓは、鋼中のＭｎと結合し、軟質なＭｎＳとなって被削性向上に寄与するので、被削性の観点から０．０１％以上を添加する。しかし、Ｓ量の増大と共に熱間延性が低下して熱延時に疵が発生しやすくなり、また、溶接部で割れ易いなどの電縫溶接性の著しい低下が生じる。そのため、Ｓ量の上限を０．０３％とする。

Ｎは、固溶状態で青熱脆性を誘発させる元素であり、切削加工時の切り屑分断性を向上させる。また、鋼中でＢと結合してＢＮが生成すると被削性が著しく向上する。その効果を得るためには０．００２％以上のＮの添加が必要である。しかし、０．０２％以上のＮを添加すると鋳造時に気泡が発生して鋳片内部に残存したり、溶接時に気化して溶接が困難になったりする。そのため、上限を０．０２％、下限を０．００２％とした。固溶Ｎによる被削性向上の効果を得るには、０．００４％以上のＮを含有させることが好ましい。電縫溶接部の品質を向上させるためには、Ｎ量を０．０１％以下にすることが好ましい。

Ａｌは、本発明では極めて重要な元素であり、軟質で被削性向上に寄与するＣａ−Ｓｉ−Ａｌ系酸化物を生成させるため、０．０００５％を下限とした。また、Ａｌを過剰に添加すると、ＡｌＮを生成してＮを固定し、Ｎ添加による被削性向上効果が損なわれるため、０．００５％以下に制限する。更に、Ａｌ量が過剰であると、硬質なＡｌ₂Ｏ₃系酸化物が生成して工具寿命を短縮させることがある。そのため、Ａｌ量の上限を０．００４％にすることが好ましい。

Ｂは、ＢＮとして鋼中に析出することにより被削性を向上させる元素であり、０．００２％以上を添加する。一方、０．０１５％を超えるＢを添加しても効果は飽和するため、上限を０．０１５％以下とする。Ｂを多量に添加すると、耐火物の損傷など製鋼上の問題もあるため、０．０１％以下にすることが望ましい。

Ｏは、被削性を向上させる低融点のＣａ−Ｓｉ−Ａｌ系酸化物の生成に必要な元素であり、下限を０．０００５％とする。一方、Ｏ量が多すぎると、Ｃａの酸化物を生じて、硫化物の形態制御する効果が失われる。さらに、Ｃａ系介在物が電縫溶接衝合部に残存し、酸化物欠陥の発生を助長するため、Ｏ量の上限を０．００６％に定めた。

Ｃａは、本発明では、被削性を向上させる低融点のＣａ−Ｓｉ−Ａｌ系酸化物を生成し、さらに、圧延方向に伸長しやすいＭｎＳを楕円状の（Ｃａ、Ｍｎ）Ｓに変化させる、極めて重要な元素である。特に、Ｃａの添加により、材質異方性を低減させるとともに、造管成型時の端面アップセットによって電縫溶接衝合部近傍に生じる、メタルフローの立ち上がりに沿ったＭｎＳの伸長を防止し、電縫溶接部品質を向上させる。それらの効果を得るために、Ｃａ量の下限を０．０００２％とした。Ｃａ量の好ましい下限は、０．００１％以上である。一方、Ｃａを過剰に添加すると、ＣａＯが電縫溶接衝合部に集積して溶接部の健全性が損なわれるため、Ｃａ量の上限を０．００５％とした。

本発明では、上記の元素に加えて、電縫鋼管の機械的特性や耐食性を調整するためにＣｒとＭｏを添加することができる。但し、これらの元素は焼き入れ性を高めるために、多量に添加すると強度が高くなりすぎて被削性が低下するために、Ｃｒの上限値は２％、Ｍｏの上限値は１％と定め、いずれも下限値はその効果が発揮される限界である０．０１％とした。

さらに、本発明では、ＮとＢの含有量（質量％）［Ｎ］および［Ｂ］について、
０．６５＜［Ｎ］／［Ｂ］＜１．０４
を満足させることにより、被削性のさらなる向上を得ることができる。これは、添加したＢの５０％はＢＮとして析出し、Ｂと結合しないＮは鋼中に固溶して切削温度における青熱脆性を誘発し、いずれも切り屑分断性を良好なものとするが、固溶Ｎが多すぎるとかえって硬くなりすぎて工具寿命を低下させることに基づく。固溶Ｎによる被削性向上の効果を得るには、［Ｎ］／［Ｂ］を０．６５超にすることが好ましい。一方、ＢＮの析出量を確保して被削性を向上させ、さらに過剰な固溶Ｎの含有を防止するには、［Ｎ］／［Ｂ］を１．０４未満にすることが好ましい。

上記化学成分で構成された鋼は、転炉あるいは電気炉で溶製され、鋳造後、熱間圧延により所定の幅、厚さのホットコイルとされる。その後、冷間あるいは温間にて造管ロールにより管状に成型され、通電加熱あるいは誘導加熱の方式によりシーム溶接される。溶接部のビード切削や定型の工程を経た管は、必要に応じて熱処理され、あるいは熱間で絞り圧延され、また、場合によっては、さらに冷間で引抜等の加工を受けた後、自動車や一般機械などの部材となる電縫鋼管として、切削加工等を受けて使用に供される。

以下、本発明を実施例によりさらに具体的に説明する。

表１に示す組成を有する各種鋼を溶製し、鋳造した。得られた鋳片を１１５０℃に加熱し、圧延仕上げ温度９００℃、巻き取り温度６３０℃で熱間圧延し、板厚６．５ｍｍの鋼板とした。これらの熱間圧延鋼板を所定の幅にスリットし、ロール成形した後、高周波誘導加熱方式による電縫溶接にて外径９０ｍｍの電縫溶接鋼管とした。引き続きこれらの鋼管を高周波誘導加熱により１０００℃に加熱してストレッチレデューサーにより縮径圧延を施し、外径３０ｍｍ、肉厚６ｍｍの電縫鋼管を製造した。さらにこれらの鋼管を冷間引き抜きにより、外径２２ｍｍ、肉厚５ｍｍに伸管した。

これらの電縫鋼管に対してドリル穿孔試験を行い、被削性を評価した。ドリル穿孔試験は、電縫鋼管のＣ断面に対してＬ方向に向けて、任意の切削速度にて、ＮＡＣＨＩ（登録商標）製のドリルで９ｍｍ深さの穴を複数回開け続け、累計穴深さ１０００ｍｍまで切削可能だった最高の切削速度（いわゆるＶＬ１０００，単位：ｍ／ｍｉｎ）を求める方法を用いた。表２に試験条件を示す。

また、切り屑処理性を評価するために、ドリル穿孔試験の際に得られた切り屑を採取して、切り屑が２０ｍｍを越えた曲率半径で３巻き以上連続してカールして長く伸びた場合を×とし、巻き数が多くとも曲率半径が小さいもの、あるいは曲率半径が大きくとも切り屑長さが１００ｍｍに達しなかったもの○とし、その中間を△とした。

さらに、溶接部の健全性を調べるために、冷間引き抜き前の管の電縫溶接部の反対側に切り込みを入れて、電縫溶接部が中央となるように展開して板状に戻し、ノッチ位置を電縫溶接部と一致させたサブサイズシャルピーＶノッチ試験片を各々１０本づつ作成し、１６０℃でシャルピー衝撃試験を実施した。試験後の破面を実体顕微鏡にて観察し、酸化物欠陥の面積率を測定した。欠陥面積率が０．０５％以上の場合を欠陥ありと判定した。結果を併せて表１に示す。

表１に示した鋼番１〜１０は本発明である。いずれもＶＬ１０００が１００ｍ／ｍｉｎ以上の良好な被削性を示し、切り屑処理性も良好である。いずれも電縫溶接部は健全であった。なお、［Ｎ］／［Ｂ］が好ましい範囲内（０．６５超、１．０４未満）である鋼番１、２、４〜８、１０は、鋼番３、９に比べて、より被削性及び切り屑処理性が優れている。

それに対して、鋼番１１はＳが低い一般的な電縫鋼管であり、被削性が良くない。鋼番１２〜１４は一般的な電縫鋼管よりもＳ量が高く、被削性は改善されているものの、何れもＶＬ１０００が１００ｍ／ｍｉｎに未達である。鋼番１２はＢ量が低すぎた例、鋼番１３はＣａ量が低すぎた例、鋼番１４はＡｌ量が高すぎた例であり、被削性が不十分である。また鋼番１５はＣａ量が高すぎて、被削性は良好であったものの、溶接欠陥が発生した例である。鋼番１６は、Ｓｉ量が高すぎて被削性は良好であったものの、溶接欠陥が発生した例である。鋼番１７は、Ｓｉ量が低すぎて脱酸が不十分となりＯが高くなり過ぎて、被削性は良好であったものの、溶接欠陥が発生した例である。鋼番１８はＡｌ量が低すぎて被削性が不十分である。

組織観察および電解抽出した析出物の調査により、Ｂ量が低い鋼番１２は、ＢＮの生成が不十分であることがわかった。また、Ｃａ量が低い鋼番１３は、軟質なＣａ−Ｓｉ−Ａｌ系酸化物の生成が不十分であり、延伸したＭｎＳが見られた。Ａｌ量が多い鋼番１４は、ＡｌＮ及び硬質なＡｌ₂Ｏ₃が生成し、Ａｌ量が低い鋼番１８は、Ｃａ−Ｓｉ−Ａｌ系酸化物の生成が不十分であることがわかった。

Claims

質量％で、
Ｃ：０．０２〜０．２％、
Ｓｉ：０．０５〜０．５％、
Ｍｎ：０．２〜２．０％、
Ｐ：０．００１〜０．０３％、
Ｓ：０．０１〜０．０３％、
Ｎ：０．００２〜０．０２％、
Ａｌ：０．０００５〜０．００５％、
Ｂ：０．００２〜０．０１５％、
Ｏ：０．０００５〜０．００６％、
Ｃａ：０．０００２〜０．００５％
を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする被削性に優れた電縫鋼管。
さらに、質量％で、
Ｃｒ：０．０１〜２．０％、
Ｍｏ：０．０１〜１．０％
の一方または双方を含有することを特徴とする請求項１に記載の被削性に優れた電縫鋼管。
さらに、ＮおよびＢの含有量（質量％）［Ｎ］および［Ｂ］が、
０．６５＜［Ｎ］／［Ｂ］＜１．０４
を満足することを特徴とする請求項１または２に記載の被削性に優れた電縫鋼管。