JP5523288B2 - 高強度中空ばね用シームレス鋼管 - Google Patents
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また、耐疲労性や耐へたり性を維持しつつ軽量化を実現するために、ばねの素材としてこれまで用いられている棒状の線材(即ち、中実の線材)ではなく、中空にしたパイプ状の鋼材であって溶接部分のないもの(即ち、シームレス鋼管)をばねの素材として用いられるようになっている。上記のような中空シームレス鋼管を製造するための技術についても、これまでにも様々提案されている。例えば、特許文献1には、穿孔圧延機の代表というべきマンネスマンピアサを用いて穿孔を行なった後(マンネスマン穿孔)、冷間でマンドレルミル圧延(延伸圧延)を行ない、さらに820〜940℃に10〜30分の条件で再加熱し、その後仕上げ圧延する技術について提案されている。
3.B:0.015質量%以下(0%を含まない)を含有する上記1または2に記載の高強度ばね用シームレス鋼管。
4.V:1質量%以下(0%を含まない)、Ti:0.3質量%以下(0%を含まない)及びNb:0.3質量%以下(0%を含まない)から選ばれる1以上を含有する上記1〜3のいずれかに記載の高強度ばね用シームレス鋼管。
5.Ni:3質量%以下(0%を含まない)及びCu:3質量%以下(0%を含まない)から選ばれる1以上を含有する上記1〜4のいずれかに記載の高強度ばね用シームレス鋼管。
6.Mo:2質量%以下(0%を含まない)を含有する上記1〜5のいずれかに記載の高強度ばね用シームレス鋼管。
7.Ca:0.005質量%以下(0%を含まない)、Mg:0.005質量%以下(0%を含まない)及びREM:0.02質量%以下(0%を含まない)から選ばれる1以上を含有する上記1〜6のいずれかに記載の高強度ばね用シームレス鋼管。
8.Zr:0.1質量%以下(0%を含まない)、Ta:0.1質量%以下(0%を含まない)及びHf:0.1質量%以下(0%を含まない)から選ばれる1種以上を含有する上記1〜7のいずれかに記載の高強度ばね用シームレス鋼管。
先ず、本発明高強度中空ばね用シームレス鋼管(以下、本発明シームレス鋼管、本発明鋼管、本鋼管などと略称する場合がある)の化学成分について、その基本成分(元素)であるC、Si、Mn、Al、P、S、Nからその成分範囲と限定理由を説明する。但し、Hについては別途、後述する。なお、以下の各成分についての%表示は全て質量%を意味する。
Cは、高強度を確保するのに必要な元素であり、そのためには0.2%以上含有させる必要がある。C含有量は、好ましくは0.30%以上であり、より好ましくは0.35%以上である。しかしながら、C含有量が過剰になると、延性の確保が困難になので、0.7%以下とする必要がある。C含有量は、好ましくは0.65%以下であり、より好ましくは0.60%以下である。
Siは、ばねに必要な耐へたり性の向上に有効な元素であり、本発明で対象とする強度レベルのばねに必要な耐へたり性を得るには、Si含有量を0.5%以上とする必要がある。好ましくは1.0%以上、より好ましくは1.5%以上である。しかしながら、Siは脱炭を促進させる元素でもあるため、Siを過剰に含有させると鋼材表面の脱炭層形成を促進させる。その結果、脱炭層削除のためのピーリング工程が必要となるので、製造コストの面で不都合である。こうしたことから、本発明ではSi含有量の上限を3%とした。好ましくは2.5%以下、より好ましくは2.2%以下である。
Mnは、脱酸元素として利用されると共に、鋼材中の有害元素であるSとMnSを形成して無害化する有益な元素である。この様な効果を有効に発揮させるには、Mnは0.1%以上含有させる必要がある。好ましくは0.15%以上、より好ましくは0.20%以上である。しかしながら、Mn含有量が過剰になると、偏析帯が形成されて材質のばらつきが生じる。こうしたことから、本発明ではMn含有量の上限を2%とした。好ましくは1.5%以下であり、より好ましくは1.0%以下である。
Alは、主に脱酸元素として添加される。また、NとAlNを形成して固溶Nを無害化すると共に組織の微細化にも寄与する。特に固溶Nを固定させるには、N含有量の2倍を超えるようAlを含有させることが好ましい。しかしながら、AlはSiと同様に脱炭を促進させる元素でもあるため、Siを多く含有するばね鋼ではAlの多量添加を抑える必要があり、本発明では0.1%以下とした。好ましくは0.07%以下、より好ましくは0.05%以下である。
Pは、鋼材の靭性や延性を劣化させる有害元素であるため、極力低減することが重要であり、本発明ではその上限を0.02%とする。好ましくは0.010%以下、より好ましくは0.008%以下に抑えるのが良い。尚、Pは鋼材に不可避的に含まれる不純物であり、その量を0%にすることは工業生産上困難である。
Sは、上記Pと同様に鋼材の靭性や延性を劣化させる有害元素であるため、極力低減することが重要であり、本発明では0.02%以下に抑える。好ましくは0.010%以下、より好ましくは0.008%以下である。尚、Sは鋼に不可避的に含まれる不純物であり、その量を0%とすることは工業生産上困難である。
Nは、Al、Ti等が存在すると窒化物を形成して組織を微細化させる効果があるが、固溶状態で存在すると、鋼材の靭延性及び耐水素脆化特性を劣化させる。本発明では、N量の上限を0.02%とする。好ましくは0.010%以下、より好ましくは0.005%以下である。
Crは焼戻し後の強度確保や耐食性向上に有効な元素であり、特に高レベルの耐食性が要求される懸架ばねに重要な元素である。こうした効果は、Cr含有量が増大するにつれて大きくなるが、こうした効果を優先的に発揮させるためには、Crは0.2%以上含有させることが好ましい。さらに好ましくは0.5%以上とするのがよい。しかしながら、Cr含有量が過剰になると、過冷組織が発生し易くなると共に、セメンタイトに濃化して塑性変形能を低下させ、冷間加工性の劣化を招く。またCr含有量が過剰になると、セメンタイトとは異なるCr炭化物が形成されやすくなり、強度と延性のバランスが悪くなる。こうしたことから、本発明で用いる鋼材では、Cr含有量を3%以下に抑えることが好ましい。より好ましくは2.0%以下、さらに好ましくは1.7%以下である。
Bは、鋼材の焼入れ・焼戻し後において旧オーステナイト粒界からの破壊を抑制する効果がある。この様な効果を発現させるには、Bを0.001%以上含有させることが好ましい。しかしながら、Bを過剰に含有させると、粗大な炭硼化物を形成して鋼材の特性を害する。またBは、必要以上に含有させると圧延材の疵の発生原因にもなる。こうしたことから、B含有量の上限を0.015%とした。より好ましくは0.010%以下、さらに好ましくは0.005%以下とするのが良い。
V、TiおよびNbは、C、N、S等と炭・窒化物(炭化物、窒化物および炭窒化物)、或は硫化物等を形成して、これらの元素を無害化する作用を有する。また上記炭・窒化物を形成して組織を微細化する効果も発揮する。更に、耐遅れ破壊特性を改善するという効果も有する。しかしながら、これらの元素の含有量が過剰になると、粗大な炭・窒化物が形成されて靭性や延性が劣化する場合がある。よって本発明では、V、TiおよびNbの含有量の上限を、夫々1%、0.3%、0.3%とすることが好ましい。より好ましくは、V:0.5%以下、Ti:0.1%以下、Nb:0.1%以下である。更には、コスト低減の観点からして、V:0.3%以下、Ti:0.05%以下、Nb:0.05%以下とすることが好ましい。
Niは、コスト低減を考慮した場合には、添加を控えるためその下限を特に設けないが、表層脱炭を抑制したり耐食性を向上させる場合には、0.1%以上含有させることが好ましい。しかしながら、Ni含有量が過剰になると、圧延材に過冷組織が発生したり、焼入れ後に残留オーステナイトが存在し、鋼材の特性が劣化する場合がある。こうしたことから、Niを含有させる場合には、その上限を3%とする。コスト低減の観点からは、好ましくは2.0%以下、より好ましくは1.0%以下とするのが良い。
Moは焼戻し後の強度確保、靭性向上に有効な元素である。しかしながら、Mo含有量が過剰になると靭性が劣化する。こうしたことからMo含有量の上限は2%とすることが好ましい。より好ましくは0.5%以下とするのが良い。
Ca,MgおよびREM(希土類元素)は、いずれも硫化物を形成し、MnSの伸長を防ぐことで、靭性を改善する効果を有し、要求特性に応じて添加することができる。しかしながら、夫々上記上限を超えて含有させると、逆に靭性を劣化させる。夫々の好ましい上限は、Caで0.003%、Mgで0.003%、REMで0.01%である。
尚、本発明において、REMとは、ランタノイド元素(LaからLnまでの15元素)およびSc(スカンジウム)とY(イットリウム)を含む意味である。
これの元素は、Nと結びついて窒化物を形成し、安定で加熱時のオーステナイト(γ)粒径の成長を抑制し、最終的な組織を微細化し、靭性を改善する効果がある。但し、いずれも0.1%を超えて過剰に含有させると窒化物が粗大化し、疲労特性を劣化させるため好ましくない。こうしたことから、いずれもその上限を0.1%とした。より好ましい上限はいずれも0.050%であり、更に好ましい上限は0.025%である。
次に、本シームレス鋼管における特徴的な構成である脱炭についての条件(脱炭レベル)及び鋼中の水素含有量の条件(水素レベル)について説明する。
前述の背景技術で触れたように、熱間加工や熱処理などシームレス鋼管を製造する際の各工程において鋼管の内面側及び外面側の表層部の脱炭が生じるため、これを素材として中空ばねを製造する場合、これら表層部のC含有量の減少に起因して、焼入れ時に表層部が十分に硬化せず、ばねの疲労強度が低下する問題が出る。
従って、この鋼管の表層部の脱炭を極力防止し、その脱炭レベルを一定以下に維持して、疲労強度を確保することが重要となる。
(a)内周面側及び外周面側の表層部におけるC 含有量が0.10質量%以上であること、及び
(b)内周面側及び外周面側の全脱炭層の厚みが200μm以下であること、
の2条件によって規定する。すなわち、本発明では、(a)条件によりフェライト脱炭レベルを特定し、また(b)条件により全脱炭レベルを特定し、これら(a)と(b)の両条件の双方が上記範囲を満足する脱炭レベルを設定するものであり、このような脱炭レベルに制御された鋼管とすることにより、後述する実施例で実証するように中空ばね用としてその十分な疲労強度を確保することが可能となる。
また、(b)条件における内周面側及び外周面側の全脱炭層の厚みとは、それぞれ鋼管の内周面及び外周面から板厚中心側に向かってその板厚中心におけるC含有量(鋼成分におけるC含有量に相当)の95%未満となる領域の厚みを指すもので、この厚みが200μm以下であれば、やはり疲労強度に悪影響を及ぼすような全脱炭(層)は実質的に存在していないものと見なすことができる。
このように、本発明の脱炭レベルは、フェライト脱炭及び全脱炭の両面から、得られる鋼管の中空ばね製造時の疲労強度が十分に確保されることを保証する最小限に抑制、制御された水準を意味し、実質的に脱炭の影響を無視し得るものであり、そして具体的には後述の実施例における回転曲げ腐食疲労試験により各脱炭レベルにある鋼管の耐久性を調査、確認した結果に基づいて定めたものである。
上記のように鋼管の脱炭レベルを本発明の条件下に維持することが必須であるが、この脱炭レベルの条件のみでは不十分であり、その疲労強度をさらに安定して十分に確保するためには、鋼中の水素レベルが重要な条件となる。
そこで、本発明における鋼管の水素レベルすなわち鋼中の水素含有量は0.3ppm以下(0を含む)とする。好ましくは0.20ppm以下、さらに好ましくは0.15ppm以下とする。
このような水素レベルに制御された鋼管とすることにより、後述する実施例から明らかなように中空ばね用としてその十分な疲労強度を確保することが可能となる。たとえ、本鋼管の脱炭レベルが前記に規定する条件を満たしていても、鋼中の水素含有量が0.3ppmを超える場合は十分な疲労強度が得られず中空ばねの耐久性を確保できなくなるのである。
この本発明の水素レベルについても、脱炭レベルと同様に後述の実施例における回転曲げ腐食疲労試験により各水素レベルにある鋼管の耐久性を調査、確認した結果に基づいて具体的に定めたものである。
次に、かかる本シームレス鋼管の製造方法について、前記化学成分を有する鋼材を熱間押出により中空化して素管とし、これを圧延又は抽伸による冷間加工、及び焼鈍、酸洗を複数回繰り返して行なうことにより所望の寸法、サイズの製品とする典型的な方法を例にとり、主要工程を中心に具体的に説明する。但し、本鋼管の製造法は下記の各工程によるものに特に限定されるものではない。
熱間静水圧押出などの熱間押出工程においは、先ず、その加熱温度は1050℃未満とすることが推奨される。このときの加熱温度が1050℃以上となると、全脱炭量が多くなる。好ましくは、1020℃以下とするのが良い。さらに好ましくは1000℃以下とするのが良い。
こうした冷却効果をさらに十分に発揮させるためには、750℃までの平均冷却速度を0.7℃/秒以上とするのがより好ましい。
熱間押出加工を行った素管は次に冷間加工を施す。この冷間加工としては、抽伸や圧延を採用するが、所望の寸法、サイズの製品とするためその加工を複数回繰り返し実施する。冷間加工工程においては鋼管の前記脱炭レベルや水素レベルに直接影響を及ぼすものではないため、その加工条件については通常のシ−ムレス鋼管で実施されている公知の条件を必要に応じてそのまま適用すれば良い。
次に、上記冷間加工後は、その加工を経るごとに加工硬化し、材料硬度が高くなり、次の加工が困難となることから、材料を軟化してその加工を容易にするため、焼鈍を行なう。この焼鈍も通常複数回実施することになる。そして、この焼鈍工程は本発明シームレス鋼管を得る上でその条件に十分な配慮を必要とする重要な工程となる。
次に、焼鈍後は、材料表層に少なからずスケールが生成しており、このスケールは、この後、引き続いて繰り返される圧延、抽伸等の冷間加工に悪影響を及ぼすため、硫酸や塩酸等を用いて酸洗処理を実施する。そして、この酸洗工程も前記焼鈍工程と同様に本シームレス鋼管を得る上でやはりその条件に十分な配慮を必要とする重要な工程となる。
上記の結果から、本酸洗工程における酸洗時間は40分以内で実施する。また、さらに低水素レベルを維持するには、好ましくは30分以内、特に好ましくは20分以内とするのが良い。
以下に、本発明の優れた効果を実証するために実施例を挙げる。
表1にその化学成分(同表中REMはLaを50%程度とCeを25%程度含有するミッシュメタルの形態で添加を)示す各種溶鋼を、通常の溶製法によって溶製し、この溶鋼を鋳造して分塊圧延後に断面形状が155mm×155mmの素ビレットとした後、熱間鍛造により直径150の丸棒に成型し、さらに、これに機械加工を施し、外径143mm、内径40mmの押出用中空ビレットを製作した。
加速電圧:15kV
照射電流:0.3μA
サンプリングタイム:0.1秒
ビーム径:2μm
ステップ:0.5μm
ライン分析方向:鋼管の外周面側から内週面側に向かって、長さ30μmにわたって実施。
このとき、内外周面から30μm以内の領域でC含有量が0.10%未満の部分が存在する場合に、フェライト脱炭層が存在すると見なして評価を不合格とし、C含有量が0.10%未満の部分がなければフェライト脱炭層がないと判断して評価を合格とした。 また鋼管の板厚中心部の炭素濃度(C含有量)の95%未満の部分を全脱炭層と見なして、その厚さを測定し、脱炭層の厚みが200μm以下のものの評価を合格として、200μmを超えるものを不合格とした。そして、このフェライト脱炭及び全脱炭の評価がいずれも合格となったものを本発明の脱炭レベルを満足するものと判断して「○」とし、フェライト脱炭あるいは全脱炭のいずれかまたは両方の評価が不合格となったものを本発明の脱炭レベルを満足しないものと判断して「×」とし、その結果を表2の脱炭レベルの欄に記入した。
前記酸洗後の各試験片の水素含有量をAPIMSにより分析を行なった。具体的には、APIMSによる水素の昇温分析を行い、室温から350℃までに放出される水素量を評価した。その際の昇温速度は12℃/分である。
他の鋼成分と合せてその結果を表1の水素レベルの欄に掲載した。そして、本発明の水素レベル(0.3ppm以下)を満足するものについてはその含有量を示した数値の右側に「○」、これを満足しないものについては「×」を付した。
(腐食疲労試験)
(焼入れ・焼戻し条件)
焼入れ条件:930℃で20分間保持した後、水冷
焼戻し条件:430℃で60分間保持
Claims (8)
- 必須成分としてC:0.2〜0.7質量%、Si:0.5〜3質量%、Mn:0.1〜2質量%、Al:0.1質量%以下(0%を含まない)、P:0.02質量%以下(0%を含まない)、S:0.02質量%以下(0%を含まない)及びN: 0.02質量%以下(0%を含まない)を含有し、選択成分としてCr:3質量%以下(0%を含まない)、B:0.015質量%以下(0%を含まない)、V:1質量%以下(0%を含まない)、Ti:0.3質量%以下(0%を含まない)、Nb:0.3質量%以下(0%を含まない)、Ni:3質量%以下(0%を含まない)、Cu:3質量%以下(0%を含まない)、Mo:2質量%以下(0%を含まない)、Ca:0.005質量%以下(0%を含まない)、Mg:0.005質量%以下(0%を含まない)、REM:0.02質量%以下(0%を含まない)、Zr:0.1質量%以下(0%を含まない)、Ta:0.1質量%以下(0%を含まない)及びHf:0.1質量%以下(0%を含まない)の少なくとも1種を含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなる鋼からなり、その内周面側の表層部及び外周面側の表層部におけるC含有量が0.10質量%以上であると共に、前記内周面側及び外周面側における全脱炭層の厚みが200μm以下であり、且つ前記鋼中の水素含有量が0.3ppm以下(0%を含む)であることを特徴とする高強度ばね用シームレス鋼管。
- Cr:3質量%以下(0%を含まない)を含有する請求項1に記載の高強度ばね用シームレス鋼管。
- B:0.015質量%以下(0%を含まない)を含有する請求項1または2に記載の高強度ばね用シームレス鋼管。
- V:1質量%以下(0%を含まない)、Ti:0.3質量%以下(0%を含まない)及びNb:0.3質量%以下(0%を含まない)から選ばれる1以上を含有する請求項1〜3のいずれかに記載の高強度ばね用シームレス鋼管。
- Ni:3質量%以下(0%を含まない)及びCu:3質量%以下(0%を含まない)から選ばれる1以上を含有する請求項1〜4のいずれかに記載の高強度ばね用シームレス鋼管。
- Mo:2質量%以下(0%を含まない)を含有する請求項1〜5のいずれかに記載の高強度ばね用シームレス鋼管。
- Ca:0.005質量%以下(0%を含まない)、Mg:0.005質量%以下(0%を含まない)及びREM:0.02質量%以下(0%を含まない)から選ばれる1以上を含有する請求項1〜6のいずれかに記載の高強度ばね用シームレス鋼管。
- Zr:0.1質量%以下(0%を含まない)、Ta:0.1質量%以下(0%を含まない)及びHf:0.1質量%以下(0%を含まない)から選ばれる1種以上を含有する請求項1〜7のいずれかに記載の高強度ばね用シームレス鋼管。
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