JPWO2010110490A1

JPWO2010110490A1 - 加工性及び焼入れ後の疲労特性に優れた電縫鋼管

Info

Publication number: JPWO2010110490A1
Application number: JP2010542859A
Authority: JP
Inventors: 坂本　真也; 真也坂本; 原　卓也; 卓也原; 寺田　好男; 好男寺田; 隆郁瀬林; 弘重　逸朗; 逸朗弘重
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2009-03-25
Filing date: 2010-03-25
Publication date: 2012-10-04
Anticipated expiration: 2030-03-25
Also published as: EP2412839B1; EP2412839A4; US9757780B2; CN102365380B; CN102365380A; BRPI1012275A2; US20120000567A1; CA2755760C; JP4740397B2; KR101333307B1; KR20110098002A; WO2010110490A1; EP2412839A1; CA2755760A1

Abstract

球状化処理を施すことなく複雑形状への加工が可能であり、浸炭処理を施すことなく、冷間加工及び焼入れ後の疲労特性を高めることが可能な、加工性及び焼入れ後の疲労特性に優れた電縫鋼管を提供するもので、その電縫鋼管は、質量％で、Ｃ：０．１５〜０．５５％、Ｓｉ：０．０１〜０．３０％、Ｍｎ：０．５〜１．５％、Ｃａ：０．００１０〜０．００３０％、Ｓ：０．０００５〜０．００５０％、Ｏ：０．０００５〜０．００５０％を含有し、Ｃａ、Ｏ及びＳの含有量が、０．１０≦［Ｃａ］（１−１２４［Ｏ］）／１．２５［Ｓ］≦２．５０を満足し、母材および電縫溶接部に存在するＣａ系介在物の平均粒径が１．０〜１０μｍ、密度が３〜３００個／ｍｍ２であり、さらに、電縫溶接部の最高硬さと母材部の平均硬さの差ΔＨｖが１００〜５００を満足することを特徴とする。

Description

本発明は、自動車用部品、機械構造用部品などの素材に好適な、加工性及び焼入れ後の疲労特性に優れた電縫鋼管に関するものである。

近年、自動車および機械構造等の性能向上に伴い、一段と高い疲労特性や部品の形状が複雑になり、鋼材には加工性の向上が強く要求されている。自動車用部品や機械構造用部品等の素材として用いられる鋼管は、冷間加工後、切削が施されて最終部品形状となり、その後の焼入れにより強度が調整される。焼入れ後の自動車部品、機械構造用部品には強度と疲労特性が要求される。

焼入れによって鋼管の強度を上げるためには、素材である鋼管のＣ含有量を高くすることが必要である。しかし、高炭素鋼は加工性に劣るため、球状化熱処理によって強度を低下させる方法が提案されている（例えば、特許文献１〜４、参照）。
一方、疲労特性の向上には、一般的に硬さや強度を高めることと、圧縮の残留応力を付与することが効果的である。これまでに、浸炭焼入れを用いて表層部の硬さや強度を高めることにより、疲労特性を向上させる方法（特許文献５参照）が提案されている。
しかし、近年、低コスト化や製造効率の観点から、球状化熱処理を省略しても、複雑形状に加工することができる、加工性に優れた電縫鋼管が要求されている。また、浸炭処理などを施すことなく、焼入れ後の部品の疲労特性を高めることも要求されている。

さらに、加工性が要求される用途に適用される電縫鋼管では、特に、ＭｎＳの形態を制御するためにＣａを添加し、更に、母材と溶接部の材質を均質にするため、電縫溶接によって造管した後、焼準（Ａｃ３変態点以上に加熱し、空冷する）などの熱処理を施していた。
しかし、低コスト化や製造効率の観点から、造管後の熱処理を省略した場合には、本発明者らの検討によれば、加工性が劣化するという問題があり、Ｃａを添加した鋼において、造管後の熱処理を省略した場合でも加工性が損なわれないことも要求される。

特開平１１−２６９５５２号公報特開平１１−２６９５５３号公報特開２００６−９１４１号公報特開２００７−２４６９５６号公報特開平５−１１７８０６号公報

本発明はこのような実情に鑑みてなされたものであり、球状化処理を施すことなく複雑形状への加工が可能であり、浸炭処理を施すことなく、冷間加工及び焼入れ後の疲労特性を高めることも可能であり、さらに、造管後の熱処理を省略しても加工性が損なわれない、加工性及び焼入れ後の疲労特性に優れた電縫鋼管を提供するものである。

本発明は、冷間鍛造などの加工時の割れ及び疲労試験での割れの起点となる介在物の影響について検討した。
その結果、電縫鋼管の母材及び溶接部に存在する、酸化物および硫化物などのカルシウム（Ｃａ）系介在物の形態を制御することによって、造管後の熱処理も省略しても加工性が確保され、かつ、焼入れ後の疲労特性を高めた電縫鋼管が得られることを知見した。
このようにしてなされた本発明の要旨は、以下のとおりである。

（１）質量％で、Ｃ：０．１５〜０．５５％、Ｓｉ：０．０１〜０．３０％、Ｍｎ：０．５〜１．５％、Ｃａ：０．００１０〜０．００３０％、Ｓ：０．０００５〜０．００５０％、Ｏ：０．０００５〜０．００５０％を含有し、Ｐ：０．０２０％以下、Ｎ：０．００５０％以下、Ａｌ：０．０５０％以下に制限し、残部がＦｅ及び不純物からなり、Ｃａ、Ｏ及びＳの含有量が、
０．１０≦［Ｃａ］（１−１２４［Ｏ］）／１．２５［Ｓ］≦２．５０
を満足し、母材および電縫溶接部に存在するＣａ系介在物の平均粒径が１．０〜１０μｍ、密度が３〜３００個／ｍｍ^２であり、さらに、電縫溶接部の最高硬さと母材部の平均硬さの差ΔＨｖが、
１００≦ΔＨｖ≦５００
を満足することを特徴とする加工性及び焼入れ後の疲労特性に優れた電縫鋼管。
（２）さらに、質量％で、Ｍｏ：０．２５％以下を含有することを特徴とする上記（１）に記載の加工性及び焼入れ後の疲労特性に優れた電縫鋼管。
（３）さらに、質量％で、Ｔｉ：０．０３０％以下、Ｂ：０．００５０％以下を含有することを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の加工性及び焼入れ後の疲労特性に優れた電縫鋼管。
（４）さらに、質量％で、Ｎｉ：１．００％以下、Ｃｕ：１．００％以下、Ｃｒ：１．５０％以下、Ｍｏ：０．０５％未満、Ｎｂ：０．０５０％以下、Ｖ：０．０４０％以下の１種又は２種以上を含有することを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の加工性及び焼入れ後の疲労特性に優れた電縫鋼管。
（５）母材の肉厚が４〜１２ｍｍであることを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の加工性及び焼入れ後の疲労特性に優れた電縫鋼管。

本発明によれば、造管後の熱処理を省略しても優れた加工性を有し、更に、焼入れ後の強度及び疲労特性にも優れた電縫鋼管が得られ、高強度で疲労特性に優れた複雑形状の自動車部品や機械構造用部品などの提供が可能になり、産業上の貢献が極めて顕著である。

本発明者らは、Ｃ含有量の多い電縫鋼管を冷間加工する際の割れや、焼入れ後の部品の疲労亀裂の起点が、鋼管の母材及び溶接部に存在する酸化カルシウム（ＣａＯ）、硫化カルシウム（ＣａＳ）など、カルシウム系介在物（Ｃａ系介在物）であることを見出した。
本発明者らは、更に検討を進め、Ｃａ、Ｏ及びＳの含有量を制御することにより、カルシウム系介在物を微細化し、電縫鋼管の加工性及び焼入れ後の疲労特性を向上させることに成功した。
以下、本発明の加工性及び焼入れ後の疲労特性に優れた電縫鋼管について詳細に説明する。本発明では、化学成分、カルシウム（Ｃａ）系の酸化物および硫化物の形態、密度を特定条件下で限定している。まず、鋼管母材に用いる鋼の化学成分について説明する。含有量の％は質量％である。

Ｃ：０．１５〜０．５５％、
Ｃは、強度および焼入れ性を確保するために必要な元素であり、含有量を０．１５〜０．５０％の範囲とする。炭素含有量は、強度および焼入れ性を確保するために０．１５％以上を含有させることが必要である。また、強度を高めるには、炭素含有量を０．２０％以上にすることがより好ましく、０．２５％以上にすることがさらに好ましい。
一方、炭素含有量が０．５５％を超えると硬くなりすぎて、加工性の劣化や被削性および靭性の劣化を招くため、上限値は０．５５％以下が好ましい。また、この上限値は、好ましくは０．５０％以下、より好ましくは０．４５％以下、さらに好ましくは０．４０％以下である。

Ｓｉ：０．０１〜０．３０％、
Ｓｉは、脱酸剤として作用するだけでなく、強度の上昇にも有効に寄与する元素であり、含有量を０．０１〜０．３０％の範囲とする。Ｓｉ含有量の下限値は、０．０１％以上とすることが好ましく、０．１０％以上とすることがより好ましく、０．１５％以上とすることがさらに好ましい。
一方、Ｓｉ含有量が０．３０％を超えると強度上昇に伴い延性が低下し、加工性の劣化を招く。また、電縫鋼管の電縫溶接部に反応生成物が生成しやすくなり、電縫溶接部の品質を著しく劣化させる。したがって、Ｓｉ含有量の上限値は、０．３０％以下とすることが好ましく、０．２５％以下がより好ましく、０．２０％以下がさらに好ましい。

Ｍｎ：０．５〜１．５％、
Ｍｎは、焼き入れ性の確保に有効な元素であり、含有量を０．５〜１．５％の範囲とする。Ｍｎ含有量の下限値は、０．５％以上が好ましく、０．７％以上がより好ましい。一方、Ｍｎ含有量が１．５％を超えると強度上昇に伴い延性が低下し、加工性が劣化するため、上限値は１．５％以下が好ましく、１．３５％以下がより好ましい。また、Ｍｎ含有量が増加すると、電縫鋼管の電縫溶接部に反応生成物を生成しやすくなり、電縫溶接部の品質が劣化するため、上限値を１．３％以下にすることがさらに好ましい。

Ｃａ：０．００１０〜０．００３０％、
Ｃａは、重要な元素であり、母材および溶接部で硫化物（ＣａＳ）を生成し、硫化マンガン（ＭｎＳ）の生成を抑制し、加工性の向上に極めて有効である。したがって、Ｃａ含有量は０．００１０〜０．００３０％とする。ここで、Ｃａ含有量が０．００１０％未満では、その効果が不十分であるため、下限値としては０．００１０％以上とすることが好ましく、０．００１５％以上とすることがより好ましい。
一方、０．００３０％を超えて過剰にカルシウムを添加すると、鋼中の介在物が増加し、加工性の劣化を招くため、上限値としては０．００３０％以下とすることが好ましく、０．００２７％以下とすることがより好ましく、０．００２５％以下とすることがさらに好ましい。

Ｏ：０．０００５〜０．００５０％
Ｏは、鋼中に不可避的に含有される不純物であり、含有量を０．０００５〜０．００５０％とする。Ｏ含有量を０．０００５％未満にするには製造コストが上昇してしまうため、下限を０．０００５％以上とすることが好ましく、０．００１５％以上がより好ましい。
一方、Ｏは、鋼中で酸化物を生成し、含有量が０．００５０％を超えると加工性や焼入れ後の疲労特性が低下するため、上限を０．００５０％以下とすることが好ましく、０．００３５％以下とすることがより好ましい。

Ｓ：０．０００５〜０．００５０％、
Ｓは、鋼中に不可避的に含有される不純物であり、含有量を０．０００５〜０．００５０％とする。Ｓ含有量を０．０００５％未満にするには製造コストが上昇してしまうため、下限を０．０００５％以上とすることが好ましく、０．００２０％以上とすることがより好ましく、０．００２５％とすることがさらに好ましい。
一方、Ｓは、鋼中で硫化物を生成し、含有量が０．００５０％を超えると加工性や焼入れ後の疲労特性が低下するため、上限を０．００５０％以下とすることが好ましく、０．００４５％以下とすることがより好ましく、０．００４０％以下とすることがさらに好ましい。

Ａｌ：０．０５０％以下
Ａｌは、脱酸元素として作用するが、Ａｌの含有量が０．０５０％を超えると介在物量が増加して、鋼の清浄度を低下させ、加工性の劣化を招く。このため、Ａｌの含有量は、できるだけ少ないことが望ましく、０．０５０％以下に制限することが好ましく、０．０３０％以下とすることがより好ましく、０．０２５％以下とすることがさらに好ましい。

Ｐ：０．０２０％以下、
Ｐは、鋼中に不可避的に含有される不純物であり、粒界偏析や中心偏析を起こし、延性劣化の原因となる。したがって、Ｐの含有量は０．０２０％以下に制限することが好ましく、０．０１０％以下とすることがより好ましく、０．００８％以下とすることがさらに好ましい。
Ｎ：０．００５０％以下、
Ｎは、鋼中に不可避的に含有される元素であり、０．００５０％を超えて含有すると、粗大な窒化物が生成し、加工性や疲労強度の低下を招く。したがって、窒素の含有量は０．００５０％以下に制限することが好ましく、０．０３５％以下とすることがより好ましい。なお、ＮをＡｌ、Ｔｉ、Ｎｂなどと結合させて微細な窒化物を生成し、強度や疲労強度を向上させるには、０．００１０％以上を含有させることが好ましく、０．００２０％以上とすることがより好ましい。

本発明における鋼管には、以上のような組成の鋼が用いられるが、この鋼に、さらに、焼入れ性を高めたり、強度を高めたりする目的で次のような元素を添加することができる。

Ｍｏは、焼入れ性の確保、さらに、電縫溶接部および母材部のＰの粒界偏析抑制による粒界割れ抑制の観点から有効な元素であり、このような効果を更に得るためには、０．２５％以下の範囲で含有することが好ましい。
Ｍｏの効果を十分に得るためには、０．０５％以上であることが好ましく、０．０６％以上であることがより好ましく、０．０８％以上であることがさらに好ましい。
一方、Ｍｏ量が０．２５％を超えると強度が高くなり、加工性や被削性の劣化を招くため、上限値としては０．２５％以下とすることが好ましく、０．１７％以下とすることがより好ましい。また、加工性を高めるに、Ｍｏ量の上限値を０．１５％以下にすることがさらに好ましい。
なお、Ｍｏは高価な元素であるため、コストを考慮して０．０５％未満の添加とする場合には、ＢやＣｒと共に添加することが、少量の添加でも焼入れ性を高めることができるので好ましい。

更に焼入れ性を高めるためには、Ｔｉ及びＢを同時に含有させることが好ましい。
Ｔｉは、Ｎとの親和力が強く、Ｂを添加した場合に窒化物（ＢＮ）の析出を防止し、固溶Ｂを確保するために、Ｂとともに添加することが好ましい。しかし、Ｔｉを過剰に添加すると粗大な窒化物の形成によって、加工性や疲労強度の低下を招くため、上限を０．０３０％以下にすることが好ましい。また、チタンは、炭窒化物を形成し、結晶粒の微細化に寄与するため、０．００５％以上を添加することが好ましい。なお、窒化物（ＢＮ）の生成を抑制するため、Ｎ含有量に応じてＴｉ含有量を適切に制御することが望ましい。
Ｂは、焼入れ性の確保に有効な元素であるが、０．００５０％を超えて添加しても、効果は飽和する。したがって、ホウ素の含有量の上限を０．００５０％以下とすることが好ましい。焼入れ性を高めるには、ホウ素を０．０００５％以上添加することが好ましい。

更に強度を高めるには、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖの１種又は２種以上を添加することが好ましい。
Ｎｉは、焼入れ性の確保に有効な元素であるが、Ｎｉの含有量が１．００％を超えると強度が高くなり、加工性の劣化を招くことがある。したがって、Ｎｉ含有量は１．００％以下とすることが好ましい。焼入れ性を高めるには、０．０５％以上のＮｉを添加することが好ましい。

Ｃｕは、固溶強化および析出強化によって強度を上昇させる元素であり、焼入れ性の向上にも寄与する。しかし、Ｃｕの含有量が１．００％を超えると、熱間加工時の変形抵抗が大きくなり、製造が困難になることがある。したがって、Ｃｕ含有量は１．００％以下とすることが好ましい。また、強度を高めるには、Ｃｕを０．０５％以上にすることが好ましい。
Ｃｒは、焼入れ性の確保に有効な元素であるが、Ｃｒの含有量が１．５０％を超えると強度が高くなり、加工性の劣化を招くことがある。したがって、Ｃｒ含有量は１．５０％以下とすることが好ましい。焼入れ性を高めるには、０．０５％以上のＣｒを添加することが好ましい。加工性を高めるには、Ｃｒ含有量を１．００％以下にすることが好ましい。

Ｎｂは、焼入れ性の確保に有効な元素であるが、０．０５０％を超えて添加しても効果が飽和する。したがって、Ｎｂの含有量は０．０５０％以下とすることが好ましい。焼入れ性を高めるには、Ｎｂを０．００５％以上添加することが好ましい。
Ｖは、炭化物、窒化物を形成し、強度の上昇に有効な元素である。一方、Ｖを過剰に添加すると粗大な炭化物、窒化物の形成によって、加工性や疲労強度の低下を招くため、含有量の上限を０．０４０％以下とすることが好ましい。強度を高めるには、Ｖを０．００５％以上添加することが好ましい。

本発明では、加工性及び焼入れ後の疲労特性を高めるために、Ｓ、Ｏの含有量、Ｃａの添加量を適正な関係とするとともに、鋼中のカルシウム系の酸化物（ＣａＯ）および硫化物（ＣａＳ）の平均粒径と分布密度を適正な範囲に制限する。
電縫鋼管の電縫溶接部に、粗大な酸化物および硫化物が存在すると、加工時の割れおよび疲労破壊の起点となる。特に、Ｃａを添加した電縫鋼管の加工性の劣化の原因や疲労破壊の原因を調査した結果、母材及び電縫溶接部の介在物、特に、ＣａＯ、ＣａＳなどのカルシウム系介在物が起点となり、割れが発生していることを見出した。
そこで、ＣａＯ、ＣａＳなどのカルシウム系介在物の形態制御について検討した結果、カルシウム系介在物できるだけ細粒化し、分布密度も低下させることが必要であり、そのためには、Ｓ、Ｏの含有量とＣａの添加量の関係、及びカルシウム系介在物の平均粒径と分布密度が重要であることがわかつた。

Ｓ、Ｏの含有量とＣａの添加量の関係については、下記（１）式で規定されるＥ値が特定の範囲を満たすことが必要である。ここで、Ｅ値は、Ｃａが酸化物を形成することを考慮し、ＳをＣａＳとして固定するために必要な、Ｓ含有量に対するＣａ含有量の比である。即ち、カルシウム系の酸化物および硫化物が生成するときのＣａ含有量、Ｓ含有量およびＯ含有量の比である。
このＥ値が０．１０未満では、Ｓ含有量が過剰であるため、鋼の清浄度が低下し、硫化物が加工時の割れや焼入れ後の疲労亀裂の起点となる。一方、Ｅ値を２．５０超とするには、Ｓ含有量を極力低減する必要があり、製造コストの上昇を伴う。
したがって、Ｅ値は０．１０〜２．５０の範囲とする。なお、加工性を高めるには、Ｅ値は０．２５以上が好ましく、０．３０以上が更に好ましい。また、製造コストの観点から、Ｅ値は１．０以下が好ましい。
Ｅ値＝［Ｃａ］（１−１２４［Ｏ］）／１．２５［Ｓ］・・・（１）
但し、上記（１）式において、［Ｃａ］、［Ｏ］、［Ｓ］は、電縫鋼管に含まれるＣａ、Ｏ、Ｓの含有量（質量％）をそれぞれ示す。

従来は、Ｏ及びＳの含有量を厳格に調整していなかった。本発明では、製鋼工程において、脱硫によりＳ量を低減し、Ｓｉ、Ｍｎ、Ａｌなどの脱酸元素の添加によって溶鋼のＯ量を低減し、更に、Ｓ量、０量に応じて、Ｃａを添加し、パラメータＥ値を上記の範囲にコントロールする。

カルシウム系介在物の平均粒径と分布密度については、加工性および疲労特性の観点から、電縫鋼管の母材部および電縫溶接部で、カルシウム系介在物の平均粒径が１．０〜１０μｍ、密度が１ｍｍ^２当たり３〜３００個であることが必要である。
カルシウム系介在物の平均粒径を１０μｍ以下、密度を３００個／ｍｍ^２とすることにより、加工性および焼入れ後の疲労特性が飛躍的に向上する。
一方、その平均粒径を１．０μｍ未満、密度を３個／ｍｍ^２未満とするには、鋼中に含まれるＳ含有量及び酸素（Ｏ）含有量を低減しなければならないため、製造コストが上昇する。製造コストの観点から、カルシウム系介在物の平均粒径の好ましい下限は１．１μｍ以上である。

電縫溶接して焼入れた状態のままで、焼き入れ後の熱処理を行わない場合は、電縫溶接部はマルテンサイト主体の組織となっており、電縫溶接部の硬さは母材部に比較して高くなっている。
造管ままの状態で、加工性を確保するためには、ビッカース硬さで測定した電縫溶接部の最高硬さと母材部の平均硬さの差（ΔＨｖ）が、
１００≦ΔＨｖ≦５００
の関係を満たすことが必要である。

造管ままの状態で、電縫溶接部の最高硬さと母材部の平均硬さの差（△Ｈｖ）が大きいと、加工時に電縫溶接部近傍の軟質相である母材部にひずみが集中し、その結果、局部的な変形が進行して破断に至る場合が生じる。そのような破断を防止するためには、この硬さの差△Ｈｖを５００以下とすることが必要である。
造管ままの状態での電縫溶接部は前記のようにマルテンサイト主体の組織となっているおり、その硬さは、主に、鋼のＣ量など化学成分、電縫溶接の比入熱（単位長さ当たり溶接電力量）、母材板厚等に依存する。一般には、Ｃ量あるいは炭素等量が高いほど、電縫溶接部の最高硬さは高くなる。また、比入熱が小さいほど、また、板厚が厚いほど電縫溶接部の最高硬さが高くなることが知られている。
しかし、母材の化学成分および板厚は、電縫鋼管を部品に加工した後の製品特性に影響するので、自由には選択できない。したがって、母材の化学成分及び板厚に応じて、比入熱を選択して溶接部の最高硬さを調整し、△Ｈｖが５００以下になるようにする。
また、△Ｈｖの値は母材のＣ量の低下に伴い小さくなることから、△Ｈｖの下限は特に規定しなくてもよいが、現実に可能な比入熱や母材板厚と、Ｃ：０．１５％の下限域における△Ｈｖの値を考慮して１００以上とする。

一般に、電縫鋼管の厚みは、１．５〜１５ｍｍである。なお、自動車部品のシャフトなどに使用される中空部品の厚みは厚肉であり、素材となる電縫鋼管の厚みを４ｍｍ以上にすることが好ましい。また、自動車部品や機械構造部品の素材である電縫鋼管は外径が小さいため、厚みが増すと成形や電縫溶接が困難になる。したがって、電縫鋼管の厚みの上限を１２ｍｍ以下とすることが好ましい。

本発明は、以上説明したように構成されるものであるが、以下、実施例を用いて、本発明の実施可能性及び効果についてさらに説明する。
なお、実施例に用いた条件はその確認のための一条件例であり、本発明は、この例に限定されるものではない。

表１に示した化学成分を有する鋼Ａ〜Ｏを用いて、外径が３８．１ｍｍ、肉厚が８．０ｍｍである電縫鋼管１〜１５を製造した。なお、電縫溶接後は、高周波焼き入れを実施したが、焼き入れ後に焼準などの熱処理は行わなかった。
高周波焼き入れ後の電縫鋼管の溶接部と母材部のビッカース硬さを測定して、電縫溶接部の最高硬さと母材部の平均硬さを求めるとともに、該電縫鋼管から試験片を切り出して、断面観察や特性を評価する試験を実施した。

介在物の大きさと個数の測定は、電縫鋼管の電縫溶接部および母材部から試料を切り出し、鏡面研磨を実施した。ＥＰＭＡにより、１０００μｍ×１０００μｍの測定領域を１０００×１０００点の測定点数で測定を実施し、電縫鋼管の母材及び溶接部のカルシウム系介在物の密度を求めた。また、ＳＥＭ写真を画像解析し、カルシウム系介在物の平均粒径を円相当径に換算して求めた。

加工性は、圧縮試験により評価した。径が７ｍｍ、長さが１０ｍｍの円柱状の試験片を、電縫鋼管の管軸方向が圧縮試験片の長手方向（Ｌ方向）となるように採取した。試験片のＬ方向に圧縮した場合、表面に割れが発生したときの試験片の高さを圧縮高さｈとした。
なお、上記圧縮高さｈは、試験条件（試験片のサイズ、歪速度等）によって変化するものである。本実施例の条件では、圧縮高さが２．０ｍｍ以下となる場合に、加工性が良好であると評価した。

焼入れ後の疲労特性は、捩じり疲労試験により評価した。捩じり疲労試験は、電縫鋼管を外面側からの水冷によって焼き入れ処理を施した後、回転トルクを１３ｋＮｍで一定とし、繰り返し回数で評価した。
なお、上記繰り返し回数は、試験条件によって変化するものである。本実施例の条件では、繰り返し回数が１．５×１０８以上となる場合に、焼き入れ後の疲労特性が良好であると評価した。

結果を表２に示す。表２に示すように、鋼Ａ〜Ｋを用いて製造した本発明例の鋼管１〜１１は、溶接部と母材部のビッカース硬さの差ΔＨが本発明範囲にあり、圧縮試験による加工性および捩じり疲労試験による焼入れ後の疲労特性とも良好である。一方、鋼Ｌ〜Ｏを用いて製造した比較例の鋼管１２〜１５は、いずれも化学成分、カルシウム系介在物の平均粒径、個数密度が本発明範囲から外れることから加工性、焼入れ後の疲労特性が劣っている。

比較例である鋼Ｌは、Ｃ含有量が低く、焼入れ性が低下して焼き入れ後の強度が低くなるため、その鋼を用いて製造した鋼管１２は、焼入れ後の疲労特性が劣っている。
比較例である鋼Ｍは、Ｓ含有量が高いため、製造された鋼管１３は、電縫溶接部および母材部のカルシウム系介在物の個数密度が高くなっており、圧縮試験および捩じり疲労試験において、カルシウム系介在物が割れの起点となり、加工性と焼入れ後の疲労特性が劣っている。
比較例である鋼Ｎは、Ｃａ含有量が過剰であり、Ｅ値が高いため、製造された鋼管１４は、電縫溶接部および母材部のカルシウム系介在物の個数密度が高くなっており、同様に加工性と焼入れ後の疲労特性が劣っている。
比較例である鋼Ｏは、Ｃａ含有量が低く、Ｅ値が低いため、製造された鋼管１５の電縫溶接部および母材部のカルシウム系介在物が粗大になり、個数密度も高くなっており、同様に加工性と焼入れ後の疲労特性が劣っている。

表３に示した化学成分を有する鋼Ａ１〜Ｏ１を用いて、実施例１と同じ形状の電縫鋼管１６〜３０を、実施例１と同様に製造した。
電縫鋼管１６〜３０の溶接部と母材部のビッカース硬さを測定して、電縫溶接部の最高硬さと母材部の平均硬さを求めるとともに、電縫溶接部および母材部からそれぞれ試料を切り出し、実施例１と同様に、電縫鋼管の母材及び溶接部のカルシウム系介在物の密度と平均粒径を求めた。
また、実施例１と同様に加工性と焼入れ後の疲労特性を評価する試験を実施した。

結果を表４に示す。表４に示すように、鋼Ａ１〜Ｋ１を用いて製造した本発明例の鋼管１６〜２６は、溶接部と母材部のビッカース硬さの差ΔＨが本発明範囲にあり、圧縮試験による加工性および捩じり疲労試験による焼入れ後の疲労特性も良好である。一方、鋼Ｌ１〜Ｏ１を用いて製造した比較例の鋼管２７〜３０は、化学成分、カルシウム系介在物の平均粒径、個数密度が本発明範囲から外れることから加工性、焼入れ後の疲労特性が劣っている。

比較例である鋼Ｌ１は、Ｃ量が低く、焼入れ性が劣化しており、その鋼を用いて製造した焼入れ後の鋼管２７の疲労特性が劣っている。比較例である鋼Ｍ１はＳ量が高く、鋼Ｎ１はＣａ量が過剰であり、Ｅ値は高いものの、製造された鋼管２８、２９の電縫溶接部および母材部のＣａ系介在物の個数密度が高くなっている。
また、比較例である鋼Ｏ１は、Ｅ値が低いため、製造された鋼管３０の電縫溶接部および母材部のＣａ系介在物が粗大になり、個数密度も高くなっている。そのため、鋼Ｍ、Ｎ及びＯを用いた比較例の鋼管２８〜３０は、圧縮試験および疲労試験において、Ｃａ系介在物が割れの起点となり、加工性と疲労特性が劣っている。

本発明者らは、冷間鍛造などの加工時の割れ及び疲労試験での割れの起点となる介在物の影響について検討した。
その結果、電縫鋼管の母材及び溶接部に存在する、酸化物および硫化物などのカルシウム（Ｃａ）系介在物の形態を制御することによって、造管後の熱処理も省略しても加工性が確保され、かつ、焼入れ後の疲労特性を高めた電縫鋼管が得られることを知見した。
このようにしてなされた本発明の要旨は、以下のとおりである。

（１）質量％で、Ｃ：０．１５〜０．５５％、Ｓｉ：０．０１〜０．３０％、Ｍｎ：０．６７〜１．５％、Ｃａ：０．００１０〜０．００３０％、Ｓ：０．０００５〜０．００４０％、Ｏ：０．０００５〜０．００５０％を含有し、Ｐ：０．０２０％以下、Ｎ：０．００５０％以下、Ａｌ：０．０３０％以下に制限し、残部がＦｅ及び不純物からなり、Ｃａ、Ｏ及びＳの含有量が、
０．１０≦［Ｃａ］（１−１２４［Ｏ］）／１．２５［Ｓ］≦２．５０
を満足し、母材および電縫溶接部に存在するＣａ系介在物の平均粒径が１．０〜１０μｍ、密度が３〜３００個／ｍｍ^２であり、さらに、電縫溶接部の最高硬さと母材部の平均硬さの差ΔＨｖが、
１００≦ΔＨｖ≦５００
を満足することを特徴とする加工性及び焼入れ後の疲労特性に優れた電縫鋼管。
（２）Ｏの含有量が、質量％で、
Ｏ：０．０００５〜０．００３５％
であることを特徴とする上記（１）に記載の加工性及び焼入れ後の疲労特性に優れた電縫鋼管。
（３）さらに、質量％で、Ｍｏ：０．２５％以下を含有することを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の加工性及び焼入れ後の疲労特性に優れた電縫鋼管。
（４）さらに、質量％で、Ｔｉ：０．０３０％以下、Ｂ：０．００５０％以下を含有することを特徴とする上記（１）〜（３）の何れかに記載の加工性及び焼入れ後の疲労特性に優れた電縫鋼管。
（５）さらに、質量％で、Ｎｉ：１．００％以下、Ｃｕ：１．００％以下、Ｃｒ：１．５０％以下、Ｍｏ：０．０５％未満、Ｎｂ：０．０５０％以下、Ｖ：０．０４０％以下の１種又は２種以上を含有することを特徴とする上記（１）〜（４）の何れかに記載の加工性及び焼入れ後の疲労特性に優れた電縫鋼管。
（６）母材の肉厚が４〜１２ｍｍであることを特徴とする上記（１）〜（５）の何れかに記載の加工性及び焼入れ後の疲労特性に優れた電縫鋼管。

Ｍｎ：０．５〜１．５％、
Ｍｎは、焼き入れ性の確保に有効な元素であり、含有量を０．５〜１．５％の範囲とする。Ｍｎ含有量の下限値は、０．５％以上が好ましく、０．７％以上がより好ましい。一方、Ｍｎ含有量が１．５％を超えると強度上昇に伴い延性が低下し、加工性が劣化するため、上限値は１．５％以下が好ましく、１．３５％以下がより好ましい。また、Ｍｎ含有量が増加すると、電縫鋼管の電縫溶接部に反応生成物を生成しやすくなり、電縫溶接部の品質が劣化するため、上限値を１．３％以下にすることがさらに好ましい。Ｍｎ含有量の下限値は、実施例に基づいて、０．６７％以上とする。

本発明では、加工性及び焼入れ後の疲労特性を高めるために、Ｓ、Ｏの含有量、Ｃａの添加量を適正な関係とするとともに、鋼中のカルシウム系の酸化物（ＣａＯ）および硫化物（ＣａＳ）の平均粒径と分布密度を適正な範囲に制限する。
電縫鋼管の電縫溶接部に、粗大な酸化物および硫化物が存在すると、加工時の割れおよび疲労破壊の起点となる。特に、Ｃａを添加した電縫鋼管の加工性の劣化の原因や疲労破壊の原因を調査した結果、母材及び電縫溶接部の介在物、特に、ＣａＯ、ＣａＳなどのカルシウム系介在物が起点となり、割れが発生していることを見出した。
そこで、ＣａＯ、ＣａＳなどのカルシウム系介在物の形態制御について検討した結果、カルシウム系介在物できるだけ細粒化し、分布密度も低下させることが必要であり、そのためには、Ｓ、Ｏの含有量とＣａの添加量の関係、及びカルシウム系介在物の平均粒径と分布密度が重要であることがわかった。

Claims

質量％で、
Ｃ：０．１５〜０．５５％、
Ｓｉ：０．０１〜０．３０％、
Ｍｎ：０．５〜１．５％、
Ｃａ：０．００１０〜０．００３０％、
Ｓ：０．０００５〜０．００５０％、
Ｏ：０．０００５〜０．００５０％を含有し、
Ｐ：０．０２０％以下、
Ｎ：０．００５０％以下、
Ａｌ：０．０５０％以下に制限し、残部がＦｅ及び不純物からなり、
Ｃａ、Ｏ及びＳの含有量が、
０．１０≦［Ｃａ］（１−１２４［Ｏ］）／１．２５［Ｓ］≦２．５０
を満足し、
母材および電縫溶接部に存在するＣａ系介在物の平均粒径が１．０〜１０μｍ、密度が３〜３００個／ｍｍ^２であり、電縫溶接部の最高硬さと母材部の平均硬さの差ΔＨｖが、
１００≦ΔＨｖ≦５００
を満足することを特徴とする加工性及び焼入れ後の疲労特性に優れた電縫鋼管。
さらに、質量％で、
Ｍｏ：０．２５％以下を含有することを特徴とする請求項１に記載の加工性及び焼入れ後の疲労特性に優れた電縫鋼管。
さらに、質量％で、
Ｔｉ：０．０３０％以下、
Ｂ：０．００５０％以下を含有することを特徴とする請求項１又は２に記載の加工性及び焼入れ後の疲労特性に優れた電縫鋼管。
さらに、質量％で、
Ｎｉ：１．００％以下、
Ｃｕ：１．００％以下、
Ｃｒ：１．５０％以下、
Ｍｏ：０．０５％未満、
Ｎｂ：０．０５０％以下、
Ｖ：０．０４０％以下の１種又は２種以上を含有することを特徴とする請求項１又は２に記載の加工性及び焼入れ後の疲労特性に優れた電縫鋼管。
母材の肉厚が４〜１２ｍｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載の加工性及び焼入れ後の疲労特性に優れた電縫鋼管。