WO2011149098A1 - 耐ねじり疲労特性に優れた電縫鋼管及びその製造方法 - Google Patents

耐ねじり疲労特性に優れた電縫鋼管及びその製造方法 Download PDF

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昌利 荒谷
河端　良和
岡部　能知
飯塚　幸理
弘道 堀
牧男 郡司
謙一 岩崎
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Ｊｆｅスチール株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to an electric resistance welded steel pipe excellent in torsion fatigue resistance and a method for producing the same.
  • Patent Document 1 discloses an excellent cold workability (cold ⁇ ) in which a seamless steel pipe whose steel composition is controlled within a desired range is used, and the austenitic grain size number after quenching is 9 or more.
  • a hollow drive shaft that combines a workability, hardenability, toughness, and torsional fatigue strength and exhibits a stable fatigue life is described.
  • a problem with seamless steel pipes is that the surface must be ground and ground in order to obtain sufficient fatigue resistance due to large surface decarburizing and surface flaws due to its manufacturing method.
  • Patent Document 2 an electric-welded steel pipe whose steel composition is controlled within a desired range is used as a raw material, and this is subjected to quenching and tempering treatment, whereby the prior austenite grain size (prior austenite grain) With a delayed fracture resistance characterized by having a steel structure in which a hardened area with a thickness of 10 ⁇ m or less has a steel structure formed with 30% or more of the C cross section (cross section orthogonal to the pipe length direction) of the steel pipe An excellent high strength steel pipe is described.
  • the present invention provides an electric resistance welded pipe made of a steel plate, and an oxide, an inclusion, and an inclusion of an electric resistance welded portion (a joint surface formed by electric-welding welding of welded end portions). By detecting and controlling defects such as these, it is possible to ensure the fatigue resistance required for drive shafts after quenching or further tempering as necessary. It is an object to provide a sewn steel pipe together with its preferred manufacturing method.
  • the inventors examined the defect near the ERW weld, which is a problem when the ERW steel pipe is applied to the drive shaft.
  • the one side end surface (position corresponding to the welded portion) of the steel strip was processed with a drill having different sizes and then subjected to electric resistance welding. Thereafter, after quenching and tempering the ERW steel pipe, a torsional fatigue test was performed, and the relationship between the defect size of the ERW weld and the torsional fatigue strength is shown in FIG.
  • the defect size of the electric-welded welded part was expressed by a welding defect area described later.
  • the defect size of the ERW weld was determined as follows. -About the sample which fractured
  • a sample 3 of a welded portion sliced at a predetermined distance (in this case, 8 mm) from the seam (electrically welded portion) 2 of the electric resistance welded steel pipe 1 The seam portion was detected by performing a C scan (scanning along a scanning direction 5) with a spot focus type ultrasonic probe 4 and measuring the signal strength.
  • the welding conditions of the electric resistance welded pipe are the normal electric resistance welding conditions, the welding heat input and the upset amount (amount of minute defect) so as to minimize the amount of minute defects (amount of minute defect). various conditions, including conditions for adjusting upset value).
  • a point-focusing type ultrasonic probe having a frequency of 10 MHz and a beam size of 1.2 mm ⁇ 1.2 mm is used, and a ⁇ 1.6 mm drill hole is used.
  • the detection range was adjusted so that the echo height was 80%, and then flaw detection was performed with a gain increase of 10 times.
  • the relationship between the signal intensity (echo height) and the defect diameter in this sensitivity setting is as shown in FIG. -About the micro defect which cannot be detected by C-scan method, the defect size (defect size) was measured by observing the L cross section (tube length direction cross section) with an optical microscope (optical microscope).
  • the defect size by the C-scan method and the optical microscope of the L cross section of the detection unit Investigating the correlation of defect size measurement results by observation (observation magnification x400) and confirming that there is sufficient correlation between the two and that there is sufficient accuracy for defect size measurement using the C-scan method .
  • the weld defect that becomes a problem in the torsional fatigue of the drive shaft has a projected area of 40000 ⁇ m 2 or more on the ERW weld regardless of its shape. became.
  • the defect size was detected by the C-scan method, but the same measurement can also be performed by tandem flaw inspection using an ultrasonic beam focused on an appropriate size with a steel pipe. .
  • a point-focusing type ultrasonic probe similar to the C-scan may be used, or, as shown in FIG. 5, an array probe arranged in the circumferential direction is used. Also good.
  • the welding defect here is not only an actual defect that is a void such as an oxide, inclusion, or shrinkage of welding, but also a plurality of actual defects as shown in FIG. (Actual defect) also includes an aggregation (cluster state defect) formed by gathering together at a mutual interval within 50 ⁇ m of the nearest neighbor distance (nearest-neighbor interval).
  • the projection area of the weld defect on the ERW weld is 40000 ⁇ m 2 or more, and the ultrasonic beam is focused with an ultrasonic beam focused to a beam area of 5 mm 2 or less. This can be detected by scanning the sewing weld.
  • the projected area of the weld defect on the electric-welded weld here (that is, the weld defect area) is the nearest neighbor in the projection plane with the electric-welded weld as the projection plane.
  • Individual areas of actual defects whose distance exceeds 50 ⁇ m, or the outermost tangent line of a cluster (cluster-like defect) in which a plurality of actual defects are gathered within the nearest neighbor distance of 50 ⁇ m within the projection plane In the present invention, this region is also regarded as one weld defect).
  • the summary structure is as follows. (1) The composition of the base material part is mass%, C: 0.25 to 0.55%, Si: 0.01 to 1.0%, Mn: 0.2 to 3.0%, Al: 0.00.
  • N 0.0010 to 0.0100% in balance Fe and unavoidable impurities are electric resistance welded steel pipes, and the weld defect area that is the projected area of the weld defects on the electric resistance weld is 40000 ⁇ m 2 ERW steel pipe with excellent torsional fatigue resistance, characterized by being less than (2) Ti: 0.005 to 0.1%, B: 0.0003 to 0.0050%, and N / 14 ⁇ Ti / 47.9 . (3) Cr: 2% or less, Mo: 2% or less, W: 2% or less, Nb: 0.1% or less, V: 0.1% or less, or one or more of the above (1) Or the electric resistance welded steel pipe as described in (2).
  • the component concentration (component content) of the composition is abbreviated as% in units of mass%.
  • Si 0.01 to 1.0% Si may be added for deoxidation, and if it is less than 0.01%, a sufficient deoxidation effect cannot be obtained. At the same time, Si is a solid solution strengthening element, and in order to obtain the effect, addition of 0.01% or more is necessary. On the other hand, if it exceeds 1.0%, the hardenability of the steel pipe decreases.
  • the content is preferably 0.1 to 0.4%.
  • Mn 0.2 to 3.0%
  • Mn is an element improving the hardenability, and 0.2% or more of addition is necessary to obtain the effect.
  • it is 0.5 to 2.0%.
  • Al 0.1% or less Al is an element effective for deoxidation, and is necessary for securing the strength after quenching by suppressing the growth of austenite grains during quenching.
  • addition of 0.001% or more is preferable.
  • Al is added in excess of 0.1%, the effect is not only saturated, but Al-based inclusions increase, and fatigue strength may be reduced.
  • it is 0.01 to 0.08%.
  • N 0.0010 to 0.0100%
  • N is an element that combines with Al to refine crystal grains.
  • N needs to be contained in an amount of 0.0010% or more. However, if it exceeds 0.0100%, N combines with B to form BN.
  • the amount of free B is made short by forming, and the hardenability improvement effect by B will be inhibited.
  • the content is 0.0010 to 0.005%.
  • the composition further contains one or more of the following groups (A) to (D).
  • Ti 0.005 to 0.1%
  • B 0.0003 to 0.0050%
  • B Cr: 2% or less
  • Mo 2% or less
  • W 2% or less
  • Nb 0.1% or less
  • V One or more of 0.1% or less
  • C Ni: 2% or less
  • Cu 2% or less
  • D Ca: 0.02% or less
  • REM Including 1 or 2 types out of 0.02 or less.
  • Ti: 0.005 to 0.1% Ti has an action of fixing N in steel as TiN. However, if it is less than 0.005%, the ability to fix N is not sufficiently exhibited, while if it exceeds 0.1%, the workability and toughness of the steel deteriorate. More preferably, the content is 0.01 to 0.04%.
  • B 0.0003 to 0.0050% B is an element that improves hardenability. If it is less than 0.0003%, the effect of improving hardenability is not sufficiently exhibited. On the other hand, even if added over 0.0050%, the effect is saturated and segregates at the grain boundary to promote grain boundary fracture and deteriorate fatigue resistance. More preferably, the content is 0.0010 to 0.0040%.
  • Mo 2% or less Mo is an element that improves hardenability, and is effective in increasing the strength of steel and improving fatigue strength. In order to obtain the effect, addition of 0.001% or more is preferable. However, if Mo is added in excess of 2%, the workability is significantly reduced. More preferably, the content is 0.001 to 0.5%. W: 2% or less W is effective in improving the strength of steel by forming carbides. In order to obtain the effect, addition of 0.001% or more is preferable. However, if W is added in excess of 2%, unnecessary carbides are precipitated, reducing the fatigue resistance and reducing the workability. More preferably, the content is 0.001 to 0.5%.
  • Nb 0.1% or less Nb is an element that improves hardenability, and also forms carbides and contributes to an increase in strength. In order to obtain the effect, addition of 0.001% or more is preferable. However, even if Nb is added in excess of 0.1%, the effect is saturated and workability is lowered. More preferably, the content is 0.001 to 0.04%. V: 0.1% or less V is an element that forms carbides and is effective in increasing the strength of steel and has resistance to temper softening. In order to obtain the effect, addition of 0.001% or more is preferable. However, if added over 0.1%, the effect is saturated and workability is reduced. More preferably, the content is 0.001 to 0.5%.
  • Ni 2% or less Ni is an element that improves hardenability, and is effective in increasing the strength of steel and improving fatigue strength. In order to obtain the effect, addition of 0.001% or more is preferable. However, when it exceeds 2%, workability is remarkably lowered. More preferably, the content is 0.001 to 0.5%.
  • Cu 2% or less Cu is an element that improves hardenability, and is effective for increasing the strength of steel and improving fatigue strength. In order to obtain the effect, addition of 0.001% or more is preferable. However, when it exceeds 2%, workability is remarkably lowered. More preferably, the content is 0.001 to 0.5%.
  • Ca 0.02% or less
  • REM 0.02% or less
  • Each of Ca and REM has a non-metallic inclusion shape in a spherical shape, and cracks at the time of fatigue failure in a usage environment in which repeated stress is applied. It is an element effective in reducing the starting point, and can be selected and contained as necessary. Such an effect is recognized when both Ca and REM contain 0.0020% or more. On the other hand, when the content exceeds 0.02%, the amount of inclusions increases so that the cleanliness is reduced. For this reason, it is preferable to limit both Ca and REM to 0.02% or less. When both Ca and REM are used in combination, the total amount is preferably 0.03% or less.
  • the welding defects referred to in the present invention include not only actual defects that are voids such as oxides, inclusions, or shrinkage of welding, but also a plurality of actual defects as shown in FIG. Include clusters (cluster-like defects) that are gathered together at a mutual interval within 50 ⁇ m of the nearest neighbor distance. Only a weld defect having a projected area of the weld defect on the ERW weld portion (ie, weld defect area) of 40000 ⁇ m 2 or more has an adverse effect on the torsional fatigue resistance (eg, as shown in FIG.
  • the weld defect area is less than 40000 ⁇ m 2 (that is, there is no weld defect having a weld defect area of 40000 ⁇ m 2 or more in the ERW weld).
  • an assembly of a plurality of actual defects whose nearest neighbor distance exceeds 50 ⁇ m is torsional fatigue resistance if the projected area of each actual defect in the assembly to the ERW weld is less than 40000 ⁇ m 2. Since the adverse effect on is negligible, it does not belong to the welding defect referred to in the present invention.
  • a steel plate having the composition according to any one of the above (1) to (4) is formed into a pipe by electric resistance welding, and then the electric resistance welding portion of the pipe is mainly used.
  • the range of ⁇ 1 mm in the circumferential direction is scanned with an ultrasonic beam in which an ultrasonic beam is focused to a beam area of 5 mm 2 or less, and the weld defect area that is the projected area of the weld defect on the ERW weld is 40000 ⁇ m 2 or more. It is possible to detect a welding defect that is, and to exclude a pipe length direction portion specified by the detection as a defective portion. According to this manufacturing method, since the obtained ERW steel pipe does not contain any weld defects having a weld defect area of 40000 ⁇ m 2 or more, the ERW steel pipe having excellent torsional fatigue resistance is reliably and stably provided. can get.
  • the electric resistance welded steel pipe is hardened or further tempered for use in the drive shaft, so that the fatigue resistance required for the drive shaft can be reliably ensured.
  • FIG. 7 shows the result of examining the S / N of a defect of 40000 ⁇ m 2 . Since the defect can be detected if S / N ⁇ 2, the preferable range of the ultrasonic beam area is 5 mm 2 or less. More desirably, it is 3.3 mm 2 or less where S / N ⁇ 3.
  • the lower limit is preferably set to 0.01 mm 2 which is a limit from the ultrasonic frequency applicable to the steel pipe and the geometrical dimensional relationship of the steel pipe and the probe.
  • Table 1 shows a steel strip obtained by hot rolling a steel slab having a steel composition (mass%).
  • the welding heat input and upset amount Adjust the combination in two ways: normal conditions where oxides and inclusions are unlikely to remain (Electric seam welding conditions A in Table 2) and conditions where they are likely to remain (Electric seam welding conditions B in Table 2).
  • the weld defect size in the ERW welded portion of the manufactured ERW steel pipe was measured by the C-scan method (see FIG. 2) or the array UT method (see FIG. 5) to determine the weld defect area.
  • a part of the sample was tempered at 180 ° C. for 1 hour after quenching.
  • the diameter reduction rolling conditions shown in Table 2 (the heating temperature in Table 2 is the reheating temperature by induction heating).
  • the diameter reduction rolled steel pipe (stretch reduced steel pipe) is used hereinafter.
  • the drive shaft from the ERW steel pipe or the reduced diameter rolled steel pipe of the present invention example has a longer fatigue life than that of the comparative example, and has superior torsional fatigue resistance, Compared with the drive shaft (conventional product) from the seamless steel pipe of the comparative example, the fatigue life is longer and it has more excellent torsional fatigue resistance.
  • the pipe material of the ERW steel pipe is a hot-rolled steel sheet.
  • the present invention is not limited to this, and a cold-rolled steel strip may be used as the pipe material. .
  • the defect size present in the forged portion satisfies the size specified in the present invention, the fatigue resistance characteristics required as a drive shaft are obtained. Realization of a forged steel pipe that can be reliably guaranteed can be expected.

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Abstract

従来の電縫鋼管では、ドライブシャフトとして必要な耐疲労特性を必ずしも保証できない。具体的には、母材部の組成が、Ｃ：０．２５～０．５５％、Ｓｉ：０．０１～１．０％、Ｍｎ：０．２～３．０％、Ａｌ：０．１％以下、Ｎ：０．００１０～０．０１００％を含み残部Ｆｅ及び不可避的不純物である電縫鋼管であって、電縫溶接部への溶接欠陥の投影面積である溶接欠陥面積が４００００μｍ２未満であることを特徴とする。

Description

耐ねじり疲労特性に優れた電縫鋼管及びその製造方法
　本発明は、耐ねじり疲労特性（ｔｏｒｓｉｏｎ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）に優れた電縫鋼管（ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｗｅｌｄｅｄ　ｓｔｅｅｌ　ｐｉｐｅ）及びその製造方法に関する。
　自動車産業（ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ　ｉｎｄｕｓｔｒｙ）では、軽量化（ｗｅｉｇｈｔ　ｓａｖｉｎｇ）と剛性アップ（ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ　ｉｎｃｒｅａｓｅ）を両立させるために、ドライブシャフト（ｄｒｉｖｅ　ｓｈａｆｔ）も中空化が進められている。この中空化にあたっては素材に継目無鋼管（ｓｅａｍｌｅｓｓ　ｓｔｅｅｌ　ｐｉｐｅ）を用いることが行われている。例えば、特許文献１には、鋼組成を所望範囲内に制御したシームレス鋼管を素材とし、焼入れ後のオーステナイト結晶粒度番号（ａｕｓｔｅｎｉｔｉｃ　ｇｒａｉｎ　ｓｉｚｅ　ｎｕｍｂｅｒ）が９以上である優れた冷間加工性（ｃｏｌｄ−ｗｏｒｋａｂｉｌｉｔｙ）、焼入れ性、靭性およびねじり疲労強度を兼ね備え、安定した疲労寿命（ｆａｔｉｇｕｅ　ｌｉｆｅ　ｔｉｍｅ）を発揮する中空駆動軸（ｈｏｌｌｏｗ　ｄｒｉｖｅ　ｓｈａｆｔ）が記載されている。しかしながら、継目無鋼管にはその製造方法上、表面脱炭（ｓｕｒｆａｃｅ　ｄｅｃａｒｂｕｒｉｚｉｎｇ）や表面疵（ｓｕｒｆａｃｅ　ｆｌａｗ）が大きくて十分な耐疲労特性を得るためには表面を研磨、研削しなければならないという問題や、偏心偏肉（ｅｃｃｅｎｔｒｉｃ　ａｎｄ　ｕｎｅｖｅｎ　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ）があって回転物（ｒｏｔａｔｉｎｇ　ｏｂｊｅｃｔ）には必ずしも適さないという問題があった。
　一方、これらの問題の少ない電縫鋼管をドライブシャフト用途に用いることが検討されてきた。例えば、特許文献２には、鋼組成を所望範囲内に制御した電縫鋼管を素材とし、これに焼入れ、焼戻し処理（ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ　ａｎｄ　ｔｅｍｐｅｒｉｎｇ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ）を施すことで、旧オーステナイト粒径（ｐｒｉｏｒ　ａｕｓｔｅｎｉｔｅ　ｇｒａｉｎ）が１０μｍ以下となる硬化部（ｈａｒｄｅｎｅｄ　ａｒｅａ）が鋼管のＣ断面（管長さ方向直交断面）面積の３０％以上形成された鋼組織を有することを特徴とする耐遅れ破壊特性（ｄｅｌａｙｅｄ　ｆｒａｃｔｕｒｅ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）に優れた高強度鋼管が記載されている。
国際公開ＷＯ２００６／１０４０２３号公報 特開２００８−２７４３４４号公報
　しかしながら、従来の電縫鋼管においては、電縫溶接部に該電縫溶接時の酸化物が残ったり、溶接時のアップセット（ｕｐｓｅｔ）（衝合（ｂｕｔｔ　ｗｅｌｄｉｎｇ）・圧接（ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｗｅｌｄｉｎｇ）で被溶接部（素材鋼板の被衝合板幅端部）近傍の介在物（ｉｎｃｌｕｓｉｏｎ）が立ち上がったりするという問題があって、ドライブシャフトとして必要な耐疲労特性を必ずしも保証できないという問題があった。
　本発明は上記の課題を解決すべく、鋼板を素材とした電縫鋼管において、電縫溶接部（被溶接端部を電縫溶接結合してなる結合面）の酸化物（ｏｘｉｄｅ）、介在物等の欠陥を検出し、これを管理することで、焼入れ、あるいはさらに必要に応じ焼戻し処理を施した後にドライブシャフトとして必要とされる耐疲労特性を保証された、耐ねじり疲労特性に優れた電縫鋼管を、その好ましい製造方法と共に提供することを目的とする。
　発明者らは電縫鋼管をドライブシャフトに適用する場合に問題となる電縫溶接部近傍の欠陥について検討を行った。電縫鋼管を造管する前の鋼帯の段階で、鋼帯の片側端面（溶接部に相当する位置）に対し、ドリルによりサイズの異なる疵を加工した後、電縫溶接を行った。その後、電縫鋼管を焼入れ、焼戻しした後に、ねじり疲労試験を行い、電縫溶接部の欠陥サイズとねじり疲労強度の関係を調査した結果を図１に示す。ここで、電縫溶接部の欠陥サイズは、後述の溶接欠陥面積で表した。
　電縫溶接部の欠陥サイズは次のようにして求めた。
・ねじり疲労試験で電縫溶接部の欠陥を割れ起点として破断したサンプルについては、破面を走査型電子顕微鏡（ｓｃａｎｎｉｎｇ　ｅｌｅｃｔｒｏｎ　ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）（ＳＥＭ）により直接観察することにより欠陥サイズを求めた。
・電縫溶接部の欠陥部で割れずに、それ以外の部分で割れてしまったものについては、電縫溶接部の欠陥部をシームスライス材（Ｃ　ｓｃａｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ｓｅａｍ　ｓｌｉｃｅ　ｍａｔｅｒｉａｌ）Ｃスキャン法（略してＣスキャン法）により調査することで欠陥サイズを求めた。
　この調査では、まず、図２に示すように、電縫鋼管１のシーム（電縫溶接部）２から所定の距離（この場合、８ｍｍ）だけ離れた位置でスライスした溶接部のサンプル３について、シーム部を、点集束型超音波探触子（ｓｐｏｔ　ｆｏｃｕｓ　ｔｙｐｅ　ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ　ｐｒｏｂｅ）４でＣスキャン（走査方向（ｓｃａｎｎｉｎｇ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）５に沿って走査）して探傷し、信号強度（ｓｉｇｎａｌ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ）を測定した。
　ここで、電縫鋼管の溶接条件（ｗｅｌｄｉｎｇ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ）は、通常の電縫溶接条件と、微小欠陥量（ａｍｏｎｔ　ｏｆ　ｍｉｎｕｔｅ　ｄｅｆｅｃｔ）が極力少なくなるように溶接入熱（ｗｅｌｄｉｎｇ　ｈｅａｔ　ｉｎｐｕｔ）とアプセット量（ｕｐｓｅｔ　ｖａｌｕｅ）を調整する条件とを含み、種々変化させた。また、点集束型超音波探触子には周波数が、１０ＭＨｚで、ビームサイズ（ｂｅａｍ　ｓｉｚｅ）が、１．２ｍｍ×１．２ｍｍのものを使用し、φ１．６ｍｍのドリルホール（ｄｒｉｌｌ　ｈｏｌｅ）からのエコー高さ（ｅｃｈｏ　ｈｅｉｇｈｔ）が８０％となるように感度（ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｒａｎｇｅ）を調整し、その後、１０倍にゲインアップ（ｇａｉｎ　ｕｐ）して探傷を行った。この感度設定における信号強度（エコー高さ）と欠陥径（ｄｉａｍｅｔｅｒ　ｏｆ　ｄｅｆｅｃｔ）の関係は図３に示すとおりである。
・Ｃスキャン法で検出できない微小な欠陥については、Ｌ断面（管長さ方向断面）を光学顕微鏡（ｏｐｔｉｃａｌ　ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）により観察することで欠陥サイズ（ｄｅｆｅｃｔ　ｓｉｚｅ）を測定した。
　事前に、Ｃスキャン法で検出される欠陥サイズ（エコー高さから算出）の精度を確認するために、図４に示すように、Ｃスキャン法による欠陥サイズと、検出部のＬ断面の光学顕微鏡観察（観察倍率（ｍａｇｎｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｒａｔｉｏ）×４００）による欠陥サイズ測定結果の相関を調査し、双方に十分な相関があり、Ｃスキャン法での欠陥サイズ測定に十分な精度があることを確認している。
　調査の結果より、ドライブシャフトのねじり疲労（ｔｏｒｓｉｏｎａｌ　ｆａｔｉｇｕｅ）で問題となる溶接欠陥はその形状によらず電縫溶接部への投影面積（ｐｒｏｊｅｃｔｅｄ　ａｒｅａ）が４００００μｍ２以上のものであることが明らかになった。本調査においては、欠陥サイズの検出をＣスキャン法で行ったが、同様の測定は鋼管のままで適度なサイズに集束した超音波ビームを用いたタンデム探傷（ｔａｎｄｅｍ　ｆｌａｗ　ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ）によっても可能である。超音波ビームの集束にはＣスキャンと同様な点集束型超音波探触子を用いてもよいし、図５に示すように、周方向に配列したアレイ探触子（ａｒｒａｙ　ｐｒｏｂｅ）を用いてもよい。
　ここでいう溶接欠陥とは、溶接起因の酸化物、介在物、又は溶接の引け巣（ｓｈｒｉｎｋａｇｅ）等の空隙（ｖｏｉｄ）である実欠陥のみならず、図６に示すように、複数の実欠陥（ａｃｔｕａｌ　ｄｅｆｅｃｔ）が最隣接距離（ｎｅａｒｅｓｔ−ｎｅｉｇｈｂｏｒ　ｉｎｔｅｒｖａｌ）５０μｍ以内の相互間隔で寄り集まってなる集合体（ａｇｇｒｅｇａｔｉｏｎ）（クラスタ状欠陥（ｃｌｕｓｔｅｒ　ｓｔａｔｅ　ｄｅｆｅｃｔ）をも含むものである。
　また、発明者らの知見では、電縫溶接部への溶接欠陥の投影面積が４００００μｍ２以上であるものは、超音波ビームをビーム面積（ｂｅａｍ　ａｒｅａ）５ｍｍ２以下に集束させた超音波で電縫溶接部を走査することにより検出することができる。
　ここにいう、電縫溶接部への溶接欠陥の投影面積（すなわち、溶接欠陥面積）とは、図６に示すように、電縫溶接部を投影面として該投影面内における、相互の最隣接距離が５０μｍを超える実欠陥の個々の面積、或いは前記投影面内における、複数の実欠陥が相互の最隣接距離５０μｍ以内で寄り集まって形成している集合体（クラスタ状欠陥）の最外接線で囲まれた領域（本発明ではこの領域も１つの溶接欠陥とみなす）の個々の面積を意味する。
　なお、電縫溶接部近傍の実欠陥は、前述したように溶接時の酸化物と、アップセットで立ち上がった介在物（ｉｎｃｌｕｓｉｏｎ）であるために、電縫溶接部を中心とした円周方向±１ｍｍの範囲で検査する必要がある。
　本発明は、上述した知見に基づきなされたものであって、その要旨構成は以下の通りである。
（１）　母材部の組成が質量％で、Ｃ：０．２５~０．５５％、Ｓｉ：０．０１~１．０％、Ｍｎ：０．２~３．０％、Ａｌ：０．１％以下、Ｎ：０．００１０~０．０１００％を含み残部Ｆｅ及び不可避的不純物である電縫鋼管であって、電縫溶接部への溶接欠陥の投影面積である溶接欠陥面積が４００００μｍ２未満であることを特徴とする耐ねじり疲労特性に優れた電縫鋼管。
（２）　Ｔｉ：０．００５~０．１％、Ｂ：０．０００３~０．００５０％を含み、かつ、Ｎ／１４＜Ｔｉ／４７．９である上記（１）に記載の電縫鋼管。
（３）　Ｃｒ：２％以下、Ｍｏ：２％以下、Ｗ：２％以下、Ｎｂ：０．１％以下、Ｖ：０．１％以下のうち１種または２種以上を含む上記（１）又は（２）に記載の電縫鋼管。
（４）　Ｎｉ：２％以下、Ｃｕ：２％以下のうち１種又は２種を含む上記（１）~（３）のいずれか１つに記載の電縫鋼管。
（５）　Ｃａ：０．０２％以下、ＲＥＭ：０．０２以下のうち１種又は２種を含む上記（１）~（４）のいずれか１つに記載の電縫鋼管。
（６）　ドライブシャフト用である上記（１）~（５）のいずれか１つに記載の電縫鋼管。
（７）　上記（１）~（６）のいずれか１つに記載の組成を有する鋼板を電縫溶接により管となした後、該管の電縫溶接部を中心とした円周方向±１ｍｍの範囲を、超音波ビームをビーム面積５ｍｍ２以下に集束させた超音波で走査して、電縫溶接部への溶接欠陥の投影面積である溶接欠陥面積が４００００μｍ２以上である溶接欠陥を検出し、該検出によって特定した管長さ方向部分を不良部分として排除することを特徴とする耐ねじり疲労特性に優れた電縫鋼管の製造方法。
（８）　上記（７）において、前記不良部分を排除した後、管に焼入れ或いは更に焼戻し処理を施してドライブシャフト用とすることを特徴とする電縫鋼管の製造方法。
　本発明によれば、ドライブシャフトとして必要な耐疲労特性を確実に保証できる電縫鋼管が得られる。
溶接欠陥面積とねじり疲労強度の関係を示すグラフ Ｃスキャン法の概要説明図 信号強度（エコー高さ）と欠陥径の関係の１例を示すグラフ Ｃスキャンによる欠陥サイズと光学顕微鏡によるそれとの相関を示すグラフ アレイ探触子を用いた超音波探傷法（アレイＵＴ法）を電縫溶接部に適用する形態の概要説明図 クラスタ状欠陥の定義の説明図 ビーム面積と４００００μｍ２欠陥のＳ／Ｎの関係を示す線図
　本発明において、鋼組成を上記の通り限定した理由を述べる。組成の成分濃度（成分含有量）は質量％を単位とし、％と略記する。
（必須に含有する成分）
　Ｃ：０．２５~０．５５％
　Ｃが０．２５％未満では、焼入れしても十分な硬度が得られず、要求される耐疲労特性が得られない。一方で、０．５５％を超えると、溶接性が悪くなる為、安定した電縫溶接品質が得られない。なお、好ましくは０．３０~０．４０％である。
　Ｓｉ：０．０１~１．０％
　Ｓｉは脱酸のために添加する場合もあり、０．０１％未満では十分な脱酸効果が得られない。同時に、Ｓｉは固溶強化元素（ｓｏｌｉｄ　ｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｈａｒｄｅｎｉｎｇ　ｅｌｅｍｅｎｔ）でもあり、その効果を得るためには０．０１％以上の添加が必要である。一方で、１．０％を超えると、鋼管の焼入れ性（ｈａｒｄｅｎａｂｉｌｉｔｙ）が低下する。なお、好ましくは０．１~０．４％である。
　Ｍｎ：０．２~３．０％
　Ｍｎは焼入れ性を向上させる元素であり、その効果を得るには０．２％以上の添加が必要である。一方で、３．０％を超えると電縫溶接品質（ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｗｅｌｄ　ｑｕａｌｉｔｙ）を低下させ、さらに残留オーステナイト量（ｒｅｔａｉｎｅｄ　ａｕｓｔｅｎｉｔｅ）が増加し耐疲労特性が低下する。なお、好ましくは０．５~２．０％である。
　Ａｌ：０．１％以下
　Ａｌは脱酸に有効な元素であり、また、焼入れ時のオーステナイト粒の成長を抑制することで焼入れ後の強度を確保するために必要である。その効果を得るためには、０．００１％以上の添加が好ましい。しかし、Ａｌが、０．１％を超えて添加するとその効果は飽和するだけでなく、Ａｌ系の介在物が増え、疲労強度（ｆａｔｉｇｕｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ）を低下する場合がある。なお、好ましくは０．０１~０．０８％である。
　Ｎ：０．００１０~０．０１００％
　Ｎは、Ａｌと結合し結晶粒を微細化する元素であり、このためには０．００１０％以上含有する必要があるが、０．０１００％を超えて過剰に含有すると、Ｂと結合しＢＮを形成することでフリーＢ量を不足せしめ、Ｂによる焼入れ性向上効果を阻害してしまう。なお、好ましくは０．００１０~０．００５％である。
（任意選択的に含有できる成分）
　すなわち、具体的には、上記成分組成に加えて、さらに、下記のグループ（Ａ）~（Ｄ）の一種または、二種以上を含有する。
（Ａ）　Ｔｉ：０．００５~０．１％、Ｂ：０．０００３~０．００５０％を含み、かつ、Ｎ／１４＜Ｔｉ／４７．９である
（Ｂ）　Ｃｒ：２％以下、Ｍｏ：２％以下、Ｗ：２％以下、Ｎｂ：０．１％以下、Ｖ：０．１％以下のうち１種または２種以上
（Ｃ）　Ｎｉ：２％以下、Ｃｕ：２％以下のうち１種又は２種を含む
（Ｄ）　Ｃａ：０．０２％以下、ＲＥＭ：０．０２以下のうち１種又は２種を含む
以下、個々の元素について、規定理由を述べる。
　Ｔｉ：０．００５~０．１％
　Ｔｉは鋼中のＮをＴｉＮとして固定する作用を有する。しかし、０．００５％未満ではＮを固定する能力が十分に発揮されず、一方で０．１％を超えると鋼の加工性、靭性が低下する。なお、より好ましくは０．０１~０．０４％である。
　Ｂ：０．０００３~０．００５０％
　Ｂは焼入れ性を向上させる元素である。０．０００３％未満では焼入れ性向上効果が十分に発揮されない。一方で０．００５０％を超えて添加しても、その効果は飽和し、粒界に偏析して粒界破壊を促進し耐疲労特性を劣化させる。なお、より好ましくは０．００１０~０．００４０％である。
　Ｎ／１４＜Ｔｉ／４７．９
　フリーＢを確保するためには、Ｎを確実にＴｉで固定する必要があり、そのためにはＮ原子％（＝Ｎ質量％／Ｎ原子量１４）がＴｉ原子％（＝Ｔｉ質量％／Ｔｉ原子量４７．９）より小さい必要がある。
　Ｃｒ：２％以下
　Ｃｒは焼入れ性の向上に有効である。その効果を得るためには、０．０１％以上の添加が好ましい。しかし、Ｃｒが、２％を超えて添加すると、酸化物を形成しやすくなり、電縫溶接部にＣｒ酸化物が残存し電縫溶接品質が低下する。なお、より好ましくは０．００１~０．５％である。
　Ｍｏ：２％以下
　Ｍｏは焼入れ性を向上させる元素であり、鋼の強度を高め疲労強度の向上に有効である。その効果を得るためには、０．００１％以上の添加が好ましい。しかし、Ｍｏが、２％を超えて添加すると加工性が著しく低下する。なお、より好ましくは０．００１~０．５％である。
　Ｗ：２％以下
　Ｗは炭化物を形成することで鋼の強度を向上させるのに有効である。その効果を得るためには、０．００１％以上の添加が好ましい。しかし、Ｗが、２％を超えて添加すると不必要な炭化物が析出し、耐疲労特性を低下させ加工性を低下させることになる。なお、より好ましくは０．００１~０．５％である。
　Ｎｂ：０．１％以下
　Ｎｂは焼入れ性を向上させる元素であるほか、炭化物を形成し強度上昇に寄与する。その効果を得るためには、０．００１％以上の添加が好ましい。しかし、Ｎｂが０．１％を超えて添加してもその効果は飽和し、加工性が低下する。なお、より好ましくは０．００１~０．０４％である。
　Ｖ：０．１％以下
　Ｖは炭化物を形成し、鋼の強度を上昇させるのに有効でかつ焼戻し軟化抵抗を有する元素である。その効果を得るためには、０．００１％以上の添加が好ましい。しかしながら０．１％を超えて添加するとその効果は飽和し、加工性が低下する。なお、より好ましくは０．００１~０．５％である。
　Ｎｉ：２％以下
　Ｎｉは焼入れ性を向上させる元素であり、鋼の強度を高め疲労強度の向上に有効である。その効果を得るためには、０．００１％以上の添加が好ましい。しかし、２％を超えて添加すると加工性が著しく低下する。なお、より好ましくは０．００１~０．５％である。
　Ｃｕ：２％以下
　Ｃｕは焼入れ性を向上させる元素であり、鋼の強度を高め疲労強度の向上に有効である。その効果を得るためには、０．００１％以上の添加が好ましい。しかし、２％を超えて添加すると加工性が著しく低下する。なお、より好ましくは０．００１~０．５％である。
　Ｃａ：０．０２％以下、ＲＥＭ：０．０２％以下
　Ｃａ、ＲＥＭは、いずれも非金属介在物の形態を球状とし、繰り返し応力が付与されるような使用環境下での疲労破壊時の割れ起点の低減に有効な元素であり、必要に応じて選択して含有できる。このような効果は、Ｃａ、ＲＥＭともに０．００２０％以上の含有で認められる。一方で、０．０２％を超えて含有すると、介在物量が多くなりすぎて清浄度が低減する。このためＣａ、ＲＥＭともに０．０２％以下に限定することが好ましい。Ｃａ、ＲＥＭの両者を併用する場合には、合計量で０．０３％以下とすることが好ましい。
　本発明に係る鋼組成において上記した成分以外の残部はＦｅ及び不可避的不純物である。
　次に、溶接欠陥面積の限定理由について述べる。前述の通り、本発明にいう溶接欠陥には、溶接起因の酸化物、介在物、又は溶接の引け巣等の空隙である実欠陥のみならず、図６に示したように、複数の実欠陥が最隣接距離５０μｍ以内の相互間隔で寄り集まってなる集合体（クラスタ状欠陥）をも含まれる。かかる溶接欠陥の、電縫溶接部への投影面積（すなわち溶接欠陥面積）が４００００μｍ２以上である溶接欠陥のみが、耐ねじり疲労特性に悪影響を及ぼす（例えば図１に示した通り）。よって本発明では、溶接欠陥面積が４００００μｍ２未満であること（すなわち、電縫溶接部には溶接欠陥面積が４００００μｍ２以上である溶接欠陥が全く存在しないこと）を必須とした。
　なお、相互の最隣接距離が５０μｍを超える複数の実欠陥の集合体は、当該集合体内の個々の実欠陥の、電縫溶接部への投影面積が４００００μｍ２未満であれば、耐ねじり疲労特性への悪影響は無視できるほど小さいため、本発明にいう溶接欠陥には属さない。
　次に、好ましい製造方法としては、上記（１）~（４）のいずれか１つに記載の組成を有する鋼板を電縫溶接により管となした後、該管の電縫溶接部を中心とした円周方向±１ｍｍの範囲を、超音波ビームをビーム面積５ｍｍ２以下に集束させた超音波で走査して、電縫溶接部への溶接欠陥の投影面積である溶接欠陥面積が４００００μｍ２以上である溶接欠陥を検出し、該検出によって特定した管長さ方向部分を不良部分として排除することが挙げられる。この製造方法によれば、得られる電縫鋼管は溶接欠陥面積が４００００μｍ２以上である溶接欠陥を全く含まないものとなるから、耐ねじり疲労特性に優れた電縫鋼管が確実にかつ安定的に得られる。そして、この電縫鋼管に焼入れ或いは更に焼戻し処理などを施してドライブシャフト用とすることで、ドライブシャフトに必要な耐疲労特性を確実に保証することができる。
　次に超音波ビームの集束サイズをビーム面積で５ｍｍ２以下に限定した理由を述べる。超音波ビームサイズは小さくするほど送波したビームに占める欠陥の割合が大きくなるため、欠陥エコーのＳ／Ｎが大きくなる。図７に４００００μｍ２の欠陥のＳ／Ｎを調べた結果を示す。欠陥の検出はＳ／Ｎ≧２であれば可能なので、超音波ビーム面積の好適範囲は５ｍｍ２以下である。より望ましくはＳ／Ｎ≧３となる３．３ｍｍ２以下である。
　なお、下限値については鋼管に適用可能な超音波の周波数、鋼管や探触子の幾何学的な寸法関係から限界となる０．０１ｍｍ２とすることが好ましい。
　表１に鋼組成（質量％）を示す鋼鋳片を熱間圧延した鋼帯を得、これを管素材として電縫鋼管を製造するにあたり、電縫溶接条件として、溶接入熱とアプセット量の組み合わせを、酸化物や介在物が残りにくい通常条件（表２の電縫溶接条件Ａ）と、残りやすい条件（表２の電縫溶接条件Ｂ）の２通りに調整して、電縫鋼管を製造した。
　製造した電縫鋼管の電縫溶接部における溶接欠陥サイズをＣスキャン法（図２参照）又はアレイＵＴ法（図５参照）で測定し、溶接欠陥面積を求めた。また、電縫溶接部を真横にして扁平試験（ｆｌａｔｔｅｎｉｎｇ　ｔｅｓｔ）を行い、扁平値（ｆｌａｔｔｅｎｉｎｇ　Ｖａｌｕｅ）（割れ発生時の管高さＨ／扁平前の管外径Ｄ）を求めて扁平値が０．５以下のものを溶接品質良好と判断した。その後、電縫鋼管に対し、冷牽加工（冷間引き抜き加工）を行い、その後、焼準（９５０℃×１０分）を行った後に、成形加工を加えて、中空ドライブシャフト形状とし、その後、高周波加熱（ｈｉｇｈ−ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｈｅａｔｉｎｇ）により焼入れを施してドライブシャフトとした。
　なお、一部は焼入れの後に、１８０℃×１時間の焼戻し処理を実施した。
　また、一部のものについては、熱延鋼帯（ｈｏｔ　ｒｏｌｌｅｄ　ｓｔｅｅｌ　ｓｈｅｅｔ）を電縫鋼管とした後に、表２に示す縮径圧延条件（表２中の加熱温度は誘導加熱による再加熱温度の意）にて縮径圧延（ｄｉａｍｅｔｅｒ−ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ　ｒｏｌｌｉｎｇ）行い、電縫鋼管（縮径圧延を行わない電縫鋼管と区別するために、以降は縮径圧延鋼管（ｓｔｒｅｔｃｈ　ｒｅｄｕｃｅｄ　ｓｔｅｅｌ　ｐｉｐｅ）
と称す）を得た後、同上の溶接欠陥サイズ測定→冷牽加工（ｃｏｌｄ　ｄｒａｗｉｎｇ）→焼準（ｎｏｒｍａｌｉｚｉｎｇ）→成形加工（ｆｏｒｍｉｎｇ）→焼入れ（→あるいはさらに焼戻し）、を行ったものを作製した。
　また、従来品（継目無鋼管）との特性比較のために、同組成の鋼材から継目無管製造工程にて製造した鋼管に対し、同上の冷牽加工→焼準→成形加工→焼入れ（→あるいはさらに焼戻し）、を行って、同サイズ、同形状のドライブシャフトを作製し、これを従来品（表２の管Ｎｏ．１９）とした。
　焼入れ後あるいはさらに焼戻し後のドライブシャフトは、焼入れ部から軸方向に引張試験片（ＡＳＴＭ比例試験片（ＡＳＴＭ　ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ　ｔｅｓｔ　ｐｉｅｃｅ））を採取し、引張強度を測定した。その後、これらのドライブシャフトに対し、外面でのせん断応力（ｓｈｅａｒ　ｓｔｒｅｓｓ）τが３５０ＭＰａとなる条件で両振りねじり疲労試験（ｔｏｒｓｉｏｎａｌ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｔｅｓｔ　ｕｎｄｅｒ　ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ　ｒｅｖｅｒｓｅｄ　ｓｔｒｅｓｓ）を行い、疲労寿命（ｆａｔｉｇｕｅ−ｌｉｆｅ　ｔｉｍｅ）の比較を行った。これら特性評価結果を表２に示す。
　表２より、本発明例の電縫鋼管或いは縮径圧延鋼管からのドライブシャフトはいずれも、比較例のそれに比べて疲労寿命が長くて、より優れた耐ねじり疲労特性を有しており、また、比較例の継目無鋼管からのドライブシャフト（従来品）に比べても疲労寿命が長くて、より優れた耐ねじり疲労特性を有している。
　なお、この実施例では電縫鋼管の管素材を熱延鋼板としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、管素材として冷延鋼帯を使用する形態のものであってもよい。
　また、本発明において、電縫鋼管に代えて鍛接鋼管を用いた場合においても、鍛接部において存在する欠陥サイズが、本発明で規定するサイズを満足する場合、ドライブシャフトとして必要な耐疲労特性を確実に保証できる鍛接鋼管の実現が期待できる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002

Claims (8)

  1. 　母材部の組成が質量％で、Ｃ：０．２５~０．５５％、Ｓｉ：０．０１~１．０％、Ｍｎ：０．２~３．０％、Ａｌ：０．１％以下、Ｎ：０．００１０~０．０１００％を含み残部Ｆｅ及び不可避的不純物である電縫鋼管であって、電縫溶接部への溶接欠陥の投影面積である溶接欠陥面積が４００００μｍ２未満である電縫鋼管。
  2. 　Ｔｉ：０．００５~０．１％、Ｂ：０．０００３~０．００５０％を含み、かつ、Ｎ／１４＜Ｔｉ／４７．９である請求項１に記載の電縫鋼管。
  3. 　Ｃｒ：２％以下、Ｍｏ：２％以下、Ｗ：２％以下、Ｎｂ：０．１％以下、Ｖ：０．１％以下のうち１種または２種以上を含む請求項１又は２に記載の電縫鋼管。
  4. 　Ｎｉ：２％以下、Ｃｕ：２％以下のうち１種又は２種を含む請求項１~３のいずれか１項に記載の電縫鋼管。
  5. 　Ｃａ：０．０２％以下、ＲＥＭ：０．０２以下のうち１種又は２種を含む請求項１~４のいずれか１項に記載の電縫鋼管。
  6. 　ドライブシャフト用である請求項１~５のいずれか１項に記載の電縫鋼管。
  7. 　請求項１~６のいずれか１項に記載の組成を有する鋼板を電縫溶接により管となした後、該管の電縫溶接部を中心とした円周方向±１ｍｍの範囲を、超音波ビームをビーム面積５ｍｍ２以下に集束させた超音波で走査して、電縫溶接部への溶接欠陥の投影面積である溶接欠陥面積が４００００μｍ２以上である溶接欠陥を検出し、該検出によって特定した管長さ方向部分を不良部分として排除する電縫鋼管の製造方法。
  8. 　請求項７において、前記不良部分を排除した後、管に焼入れ或いは更に焼戻し処理を施してドライブシャフト用とする電縫鋼管の製造方法。
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