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JP6874286B2 - Manufacturing method of steel pipe - Google Patents
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Description

本発明は、鋼管の製造方法に関し、特に、焼き入れ工程を含む製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a steel pipe, and more particularly to a production method including a quenching step.

鋼管には、用途により、高い疲労強度が要求されることがある。たとえば、自動車のスタビライザーに用いられる鋼管には、繰り返しトルク負荷がかかるので、この用途の鋼管は、このようなトルク負荷により破損しないことが必要である。 Steel pipes may be required to have high fatigue strength depending on the application. For example, a steel pipe used for a stabilizer of an automobile is repeatedly subjected to a torque load, and it is necessary that the steel pipe for this purpose is not damaged by such a torque load.

鋼管を、大気中で熱処理すると、鋼管の表層部が酸化することに伴って脱炭し、これによりその部分の硬さが低下して、疲労強度が低くなる。鋼管外面の表層部は、硬さが低下しても、ショットピーニング・ブラスト処理を施すことにより、疲労強度を確保することができる。しかし、鋼管の大きさおよび形状によっては、内面の表層部にそのような処理を施すことができない。したがって、鋼管の内面に関しては、脱炭を抑制する必要がある。 When the steel pipe is heat-treated in the atmosphere, the surface layer portion of the steel pipe is oxidized and decarburized, which reduces the hardness of the portion and the fatigue strength. Even if the hardness of the surface layer portion of the outer surface of the steel pipe is reduced, fatigue strength can be ensured by performing shot peening and blasting treatment. However, depending on the size and shape of the steel pipe, such treatment cannot be applied to the surface layer portion of the inner surface. Therefore, it is necessary to suppress decarburization of the inner surface of the steel pipe.

特許文献1には、脱炭層の発生を抑制することにより疲労強度を向上させた中空部品用鋼管の製造方法が開示されている。この方法では、まず、鋼管内に、木炭、黒鉛、石炭、およびコークスの1種または2種以上を含む固体浸炭処理剤が挿入される。そして、鋼管の両端に栓が取り付けられて、鋼管が、誘導加熱され、熱間で縮径圧延される。固体浸炭処理剤は、たとえば、粉末状の形態のものであり、エアブローによって、鋼管の内部に挿入される。この方法により、鋼管内面に脱炭層が形成されることを抑制でき、疲労強度が向上する、と特許文献1に記載されている。 Patent Document 1 discloses a method for manufacturing a steel pipe for hollow parts, which has improved fatigue strength by suppressing the occurrence of a decarburized layer. In this method, first, a solid carburizing agent containing one or more of charcoal, graphite, coal, and coke is inserted into the steel pipe. Then, plugs are attached to both ends of the steel pipe, the steel pipe is induced to be heated, and the diameter is reduced and rolled hot. The solid carburizing agent is, for example, in the form of powder and is inserted into the inside of the steel pipe by air blowing. It is described in Patent Document 1 that this method can suppress the formation of a decarburized layer on the inner surface of the steel pipe and improve the fatigue strength.

特許文献2には、軸受用鋼管の内面脱炭防止方法が開示されている。この方法では、軸受用鋼管に球状化焼鈍を施すに際し、軸受用鋼管内に炭素材が封入され、その後、鋼管の両端が密栓されて、600℃〜Ac3点の温度で鋼管が焼鈍される。炭素材は、たとえば、エアブローによって、鋼管の内部に挿入される。この方法により、鋼管内の脱炭を十分に防止することができる、と特許文献2に記載されている。 Patent Document 2 discloses a method for preventing decarburization of the inner surface of a steel pipe for bearings. In this way, when subjected to a spheroidizing annealing to a bearing steel, carbon material is sealed in the steel bearing, then, both ends of a steel pipe is sealed, steel is annealed at a temperature of 600 ° C. to A c3 point .. The carbon material is inserted into the steel pipe by, for example, air blowing. It is described in Patent Document 2 that decarburization in a steel pipe can be sufficiently prevented by this method.

特開2010−189758号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2010-189758 特開平5−339639号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 5-339369

しかし、これらの方法であっても、焼き入れ後の鋼管の疲労強度を高くすることができない場合があった。
そこで、本発明の目的は、疲労強度を向上させることができる、鋼管の製造方法を提供することである。
However, even with these methods, it may not be possible to increase the fatigue strength of the steel pipe after quenching.
Therefore, an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a steel pipe, which can improve the fatigue strength.

本発明の実施形態による鋼管の製造方法は、充填工程と、焼き入れ工程とを含む。充填工程では、鋼管の内部に、粉末を充填する。焼き入れ工程では、前記粉末が充填された鋼管を焼き入れする。前記粉末の融点は、前記焼き入れ工程での前記鋼管の最高到達温度より高い。 The method for producing a steel pipe according to the embodiment of the present invention includes a filling step and a quenching step. In the filling step, the inside of the steel pipe is filled with powder. In the quenching step, the steel pipe filled with the powder is quenched. The melting point of the powder is higher than the maximum temperature reached of the steel pipe in the quenching step.

本発明の製造方法により、疲労強度が高い鋼管を製造することができる。 According to the manufacturing method of the present invention, a steel pipe having high fatigue strength can be manufactured.

図1Aは、条件1により焼き入れを行った鋼管の切断面の電子顕微鏡像である。FIG. 1A is an electron microscope image of a cut surface of a steel pipe hardened under condition 1. 図1Bは、条件2により焼き入れを行った鋼管の切断面の電子顕微鏡像である。FIG. 1B is an electron microscope image of a cut surface of a steel pipe hardened under condition 2. 図1Cは、条件3により焼き入れを行った鋼管の切断面の電子顕微鏡像であり、内面が平坦に維持された部分を示す。FIG. 1C is an electron microscope image of a cut surface of a steel pipe hardened under condition 3, showing a portion where the inner surface is maintained flat. 図1Dは、条件3により焼き入れを行った鋼管の切断面の電子顕微鏡像であり、内面が粗くなった部分を示す。FIG. 1D is an electron microscope image of a cut surface of a steel pipe hardened under condition 3, showing a portion where the inner surface is roughened. 図1Eは、条件4により焼き入れを行った鋼管の切断面の電子顕微鏡像である。FIG. 1E is an electron microscope image of a cut surface of a steel pipe hardened under condition 4. 条件2〜4で焼き入れを行った試料について、鋼管内面からの深さと硬さとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the depth from the inner surface of a steel pipe, and the hardness of the sample which hardened under conditions 2-4. 疲労試験に用いた試料の形状および大きさを示す平面図である。It is a top view which shows the shape and size of the sample used for a fatigue test.

本明細書において、粉末を鋼管に「充填する」とは、鋼管の有効内容積の90%以上を粉末の体積が占める状態にすることをいう。「有効内容積」とは、鋼管の内部空間のうち、粉末が存在しうる部分の体積をいう。後述のように、粉末が充填された鋼管の端部を封止して焼き入れを行う場合、鋼管内で封止材が占める空間の体積は含まない。「粉末の体積」とは、粉末の嵩をいい、粉末を構成する粒子間の空間の体積を含む。 As used herein, "filling" a steel pipe with powder means making the volume of the powder occupy 90% or more of the effective internal volume of the steel pipe. "Effective internal volume" refers to the volume of the portion of the internal space of the steel pipe where powder can exist. As will be described later, when the end portion of the steel pipe filled with powder is sealed and hardened, the volume of the space occupied by the sealing material in the steel pipe is not included. "Powder volume" refers to the bulk of the powder and includes the volume of space between the particles that make up the powder.

「粉末の融点」とは、粉末が固相の状態で存在し得る温度の上限をいい、粉末が固相から液相を介さずに気相になる場合は、固相から気相になる温度をいう。 "Melting point of powder" means the upper limit of the temperature at which the powder can exist in the solid phase, and when the powder changes from the solid phase to the gas phase without going through the liquid phase, the temperature from the solid phase to the gas phase. To say.

本発明者らが検討した結果、特許文献1および2の方法で焼き入れ後の鋼管の疲労強度が高くならない理由が判明した。その理由は、以下の通りである。特許文献1および2の方法では、固体浸炭処理剤または炭素材(以下、「炭素材等」という。)は、鋼管の内部に充填されない。つまり、炭素材等を挿入した後の鋼管内には、炭素材等が存在しない空間が多い。 As a result of studies by the present inventors, it has been clarified that the fatigue strength of the steel pipe after quenching is not increased by the methods of Patent Documents 1 and 2. The reason is as follows. In the methods of Patent Documents 1 and 2, the solid carburizing agent or carbon material (hereinafter referred to as "carbon material or the like") is not filled inside the steel pipe. That is, there are many spaces in the steel pipe after the carbon material or the like is inserted, in which the carbon material or the like does not exist.

このため、鋼管の内面で、炭素材等が接触する部分と接触しない部分とが生じる。この状態の鋼管を焼き入れすると、炭素材等が接触していない部分では、酸化が進み、脱炭が生じることがある。また、鋼管内面の脱炭が抑制されたとしても、冷却時に、炭素材等が接触する部分と接触しない部分とで、冷却速度に差異が生じ、鋼管内面の表層部に焼きむらが生じる。これらの要因により、鋼管内面の表層部に硬さが低い部分が生じる。その部分は、破壊の起点となりうるので、疲労強度が低下する。 Therefore, on the inner surface of the steel pipe, a portion that comes into contact with the carbon material or the like and a portion that does not come into contact occur. When the steel pipe in this state is hardened, oxidation may proceed and decarburization may occur in the portion where the carbon material or the like is not in contact. Further, even if the decarburization of the inner surface of the steel pipe is suppressed, there is a difference in the cooling rate between the portion where the carbon material or the like contacts and the portion where the carbon material does not contact during cooling, and uneven burning occurs on the surface layer portion of the inner surface of the steel pipe. Due to these factors, a portion having a low hardness is generated on the surface layer portion of the inner surface of the steel pipe. Since that part can be the starting point of fracture, the fatigue strength is reduced.

そこで、本発明者らは、鋼管内に粉末を充填した状態で、焼き入れを行うことに想到した。本発明の実施形態による、鋼管の製造方法は、充填工程と、焼き入れ工程とを含む。以下、各工程について、詳細に説明する。 Therefore, the present inventors have come up with the idea of performing quenching in a state where the steel pipe is filled with powder. The method for producing a steel pipe according to the embodiment of the present invention includes a filling step and a quenching step. Hereinafter, each step will be described in detail.

〈充填工程〉
この工程では、鋼管の内部に、粉末を充填する。鋼管の形状および大きさは限定されない。鋼管は、たとえば、溶接管であってもよく、継目無管であってもよい。鋼管の材質は、特に限定されない。鋼管の材質は、たとえば、S25C〜S55C等、JISで規定される機械構造用炭素鋼とすることができる。鋼管は、Crを含有する鋼、たとえば、JISで、SCM435、SCM440、JIS G 4051−1979、SNC236、またはSNCM65であってもよい。また、焼き入れ性を向上させるために、前記機械構造用炭素鋼に、任意添加元素、たとえば、Ni、Ti、Al、B、Ca、VおよびWの一種または二種以上を、合計で3.0質量%以下含有させてもよい。
<Filling process>
In this step, the inside of the steel pipe is filled with powder. The shape and size of the steel pipe are not limited. The steel pipe may be, for example, a welded pipe or a seamless pipe. The material of the steel pipe is not particularly limited. The material of the steel pipe can be, for example, carbon steel for machine structure specified by JIS such as S25C to S55C. The steel pipe may be a steel containing Cr, for example, JIS, SCM435, SCM440, JIS G 4051-1979, SNC236, or SNCM65. Further, in order to improve the hardenability, one or more of optional additive elements such as Ni, Ti, Al, B, Ca, V and W are added to the carbon steel for mechanical structure in total. It may be contained in an amount of 0% by mass or less.

粉末を構成する粒子の平均粒径は、1mm以下であることが好ましい。平均粒径は、JIS8825:2013に準拠したレーザー回折法により、3回測定した結果の平均値とすることができる。平均粒径を1mm以下とすることが好ましい理由は、平均粒径が1mmを超えると、鋼管の内面で、粉末と接触しない部分の割合が多くなり、焼き入れ後の疲労強度が低くなる場合があるためである。疲労強度を向上させる目的に関しては、粒子の平均粒径に下限はない。しかし、平均粒径が20μm未満であると、粉末が飛散しやすくなり、取扱いが困難となるので、平均粒径は、20μm以上とすることが好ましい。 The average particle size of the particles constituting the powder is preferably 1 mm or less. The average particle size can be the average value of the results measured three times by the laser diffraction method based on JIS8825: 2013. The reason why the average particle size is preferably 1 mm or less is that when the average particle size exceeds 1 mm, the proportion of the portion of the inner surface of the steel pipe that does not come into contact with the powder increases, and the fatigue strength after quenching may decrease. Because there is. For the purpose of improving fatigue strength, there is no lower limit to the average particle size of the particles. However, if the average particle size is less than 20 μm, the powder tends to scatter and is difficult to handle. Therefore, the average particle size is preferably 20 μm or more.

鋼管に粉末を充填する方法は、特に限定されない。たとえば、鋼管が直管の場合は、鋼管を鉛直方向に沿うように向け、鋼管の上部の開口から鋼管内に粉末を挿入してもよい。鋼管が、湾曲部または屈曲部を有する場合は、たとえば、鋼管の一方端部から、鋼管内に粉末を挿入し、その後、挿入した粉末を、鋼管の一方端部から他方端部側へと押し込む操作を、繰り返し行うことで、鋼管に粉末を充填することができる。 The method of filling the steel pipe with powder is not particularly limited. For example, when the steel pipe is a straight pipe, the powder may be inserted into the steel pipe through the opening at the upper part of the steel pipe with the steel pipe directed along the vertical direction. When the steel pipe has a curved portion or a bent portion, for example, powder is inserted into the steel pipe from one end of the steel pipe, and then the inserted powder is pushed from one end to the other end of the steel pipe. By repeating the operation, the steel pipe can be filled with powder.

〈焼き入れ工程〉
この工程では、粉末が充填された鋼管を焼き入れする。焼き入れ条件は、特に限定されない。たとえば、鋼管を、(A3変態点+50)℃〜1050℃に加熱した後、水冷または油冷してもよい。焼き入れ後の鋼管は、たとえば、実質的にすべての部分でマルテンサイト組織を有するものであってもよい。
<Quenching process>
In this step, the powder-filled steel pipe is hardened. Quenching conditions are not particularly limited. For example, the steel pipe may be heated to (A3 transformation point +50) ° C. to 1050 ° C. and then water-cooled or oil-cooled. The hardened steel pipe may have, for example, a martensite structure in substantially all parts.

鋼管内に粉末が充填されていることにより、鋼管内に気体として存在する酸素は少ない。このため、焼き入れのための加熱等により、鋼管の温度が高くなっているときに、鋼管の内面は、酸化しにくい。これにより、内面には、脱炭が生じ難い。また、鋼管内に粉末が充填されていることにより、焼き入れ時に、鋼管の冷却速度のむらが少なくなる。したがって、鋼管の内面は、焼き入れむらが少なくなる。このため、本発明の方法により製造された鋼管には、硬さが低い部分は生じ難い。したがって、この鋼管は、疲労強度が高い。 Since the steel pipe is filled with powder, the amount of oxygen present as a gas in the steel pipe is small. Therefore, when the temperature of the steel pipe is high due to heating for quenching or the like, the inner surface of the steel pipe is less likely to be oxidized. As a result, decarburization is unlikely to occur on the inner surface. Further, since the steel pipe is filled with powder, the unevenness of the cooling rate of the steel pipe is reduced during quenching. Therefore, the inner surface of the steel pipe has less quenching unevenness. Therefore, in the steel pipe manufactured by the method of the present invention, a portion having a low hardness is unlikely to occur. Therefore, this steel pipe has high fatigue strength.

鋼管のC(炭素)含有量をA質量%とすると、充填工程で鋼管の内部に充填する粉末は、1.1×A質量%以下の炭素を含有することが好ましい。この場合、鋼管が加熱されたときに、鋼管内面の表層部に浸炭させて硬度を向上させることにより、疲労強度を高くすることができる。粉末のC含有量が、1.1×A質量%を超えると、粉末から鋼管内面の表層部へCが過剰に拡散することがある。この場合、鋼管内面の表層部のC含有量が高くなり、割れが生じやすくなる。浸炭により疲労強度を高くするためには、粉末のC含有量は、たとえば、0.5×A質量%以上にすることが好ましい。 Assuming that the C (carbon) content of the steel pipe is A mass%, the powder filled inside the steel pipe in the filling step preferably contains 1.1 × A mass% or less of carbon. In this case, when the steel pipe is heated, the fatigue strength can be increased by carburizing the surface layer portion of the inner surface of the steel pipe to improve the hardness. If the C content of the powder exceeds 1.1 × A mass%, C may be excessively diffused from the powder to the surface layer portion on the inner surface of the steel pipe. In this case, the C content of the surface layer portion of the inner surface of the steel pipe becomes high, and cracks are likely to occur. In order to increase the fatigue strength by carburizing, the C content of the powder is preferably 0.5 × A mass% or more, for example.

充填工程で鋼管の内部に充填する粉末は、Fe(鉄)粉を含むことが好ましい。粉末中のFe含有量は、十分に高い、たとえば、90質量%以上であることが好ましい。鋼管が加熱されたときには、粉末から鋼管内面の表層部へ元素の拡散が生じ得る。粉末中のFe含有量が十分に高い場合は、このような拡散による表層部の組成変動は、生じ難い。粉末は、鉄粉であってもよい。粉末がFeとCとを含有する場合は、粉末は、鉄粉と炭素粉とを混合したものであってもよく、鋼粉(たとえば、炭素鋼粉)であってもよい。 The powder filled inside the steel pipe in the filling step preferably contains Fe (iron) powder. The Fe content in the powder is preferably sufficiently high, for example, 90% by mass or more. When the steel pipe is heated, element diffusion can occur from the powder to the surface layer on the inner surface of the steel pipe. When the Fe content in the powder is sufficiently high, the composition fluctuation of the surface layer portion due to such diffusion is unlikely to occur. The powder may be iron powder. When the powder contains Fe and C, the powder may be a mixture of iron powder and carbon powder, or may be steel powder (for example, carbon steel powder).

本発明の製造方法は、焼き入れ工程の前に、粉末が充填された鋼管の端部を封止する工程をさらに含むことが好ましい。この工程は、たとえば、鋼管の一端を封止した後、鋼管の内部に粉末を充填し、その後、鋼管の他端を封止することにより実施してもよい。これにより、焼き入れ時に鋼管を、水平な状態から傾けたとしても、充填した粉末が鋼管外に流出しないようにすることができる。封止に用いる封止材は、鋼管の端部近傍で鋼管の内部を含む領域に存在してもよい。封止材としては、たとえば、粘土を用いることができる。 The production method of the present invention preferably further includes a step of sealing the end of the powder-filled steel pipe before the quenching step. This step may be carried out, for example, by sealing one end of the steel pipe, filling the inside of the steel pipe with powder, and then sealing the other end of the steel pipe. As a result, even if the steel pipe is tilted from a horizontal state during quenching, the filled powder can be prevented from flowing out of the steel pipe. The sealing material used for sealing may be present in a region including the inside of the steel pipe near the end of the steel pipe. As the sealing material, for example, clay can be used.

本発明の効果を確認するため、鋼管を種々の条件により焼き入れし、評価した。試験には、表1に示す化学組成を有するクロムモリブデン鋼(SCM430)の電縫鋼管を用いた。この鋼管は、外径が25.5mmで、厚さが4mmで、長さが150mmの直管であった。この鋼管の内面は、バフ研磨が施されており、平坦であった。 In order to confirm the effect of the present invention, the steel pipe was hardened under various conditions and evaluated. For the test, an electrosewn steel pipe of chromium molybdenum steel (SCM430) having the chemical composition shown in Table 1 was used. This steel pipe was a straight pipe having an outer diameter of 25.5 mm, a thickness of 4 mm, and a length of 150 mm. The inner surface of this steel pipe was buffed and flat.

Figure 0006874286
Figure 0006874286

焼き入れは、以下に説明する6通りの条件により、行った。以下で、所定温度は、いずれも、950℃とした。 Quenching was carried out under the following six conditions. In the following, the predetermined temperatures were all set to 950 ° C.

条件1:鋼管内に何も充填せずに(ただし、空気は存在していた。以下、「何も充填しない」というときは同様)、鋼管を、大気炉中で加熱し、所定温度に到達した後、その温度で実質的に保持せずに、水に浸漬した。
条件2:鋼管内に何も充填せずに、鋼管を、大気炉中で加熱し、所定温度に到達した後、10分間保持し、水に浸漬した。
Condition 1: The steel pipe is heated in an atmospheric furnace and reaches a predetermined temperature without filling the steel pipe with anything (however, air was present. Hereinafter, the same applies when "nothing is filled"). After that, it was immersed in water without substantially holding it at that temperature.
Condition 2: Without filling the steel pipe with anything, the steel pipe was heated in an atmospheric furnace, reached a predetermined temperature, held for 10 minutes, and immersed in water.

条件3:鋼管内に何も充填せずに、鋼管を、ソルトバス(溶融塩浴)中に浸漬して加熱し、所定温度に到達した後、10分間保持した。溶融塩中では、鋼管内には、溶融塩が存在していた。その後、鋼管をソルトバスから引き上げて、水に浸漬した。 Condition 3: The steel pipe was immersed in a salt bath (molten salt bath) and heated without filling the steel pipe with anything, and after reaching a predetermined temperature, the steel pipe was held for 10 minutes. In the molten salt, the molten salt was present in the steel pipe. Then, the steel pipe was pulled up from the salt bath and immersed in water.

条件4:鋼管の一端を粘土で封止し、鋼管の内部に、鉄粉と炭素粉とを、99.72:0.28(質量比)で混合した粉末を、鋼管の有効内容積の90%以上充填した後、鋼管の他端を粘土で封止した。この状態の鋼管を、大気炉中で加熱し、所定温度に到達した後、10分間保持し、水に浸漬した。 Condition 4: One end of the steel pipe is sealed with clay, and a powder obtained by mixing iron powder and carbon powder at a ratio of 99.72: 0.28 (mass ratio) inside the steel pipe is mixed with 90 of the effective internal volume of the steel pipe. After filling in% or more, the other end of the steel pipe was sealed with clay. The steel pipe in this state was heated in an atmospheric furnace, and after reaching a predetermined temperature, it was held for 10 minutes and immersed in water.

条件5:鋼管の一端を粘土で封止し、鋼管の内部に、発泡スチロール(スタイロフォーム(登録商標))を挿入した後、鋼管の他端を粘土で封止した。この状態の鋼管を、大気炉中で加熱し、所定温度に到達した後、10分間保持し、水に浸漬した。発泡スチロールの挿入量は、単位体積あたりの炭素量が条件4と同じ(0.02g/cm3)になる量とした。用いた発泡スチロールの融点は、約170℃であり、焼き入れ時の最高到達温度である950℃より低かった。焼き入れ昇温時に、鋼管端部の封止部に生じた間隙から、溶融した発泡スチロールが、鋼管外へ流れ出た。 Condition 5: One end of the steel pipe was sealed with clay, Styrofoam (Styrofoam (registered trademark)) was inserted into the inside of the steel pipe, and then the other end of the steel pipe was sealed with clay. The steel pipe in this state was heated in an atmospheric furnace, and after reaching a predetermined temperature, it was held for 10 minutes and immersed in water. The amount of Styrofoam inserted was such that the amount of carbon per unit volume was the same as in Condition 4 (0.02 g / cm 3 ). The melting point of Styrofoam used was about 170 ° C., which was lower than the maximum temperature reached at the time of quenching, which was 950 ° C. During quenching and raising the temperature, molten styrofoam flowed out of the steel pipe from the gap formed in the sealing portion at the end of the steel pipe.

条件6:鋼管の一端を粘土で封止し、鋼管の内部に、シリコーンシーラントを、鋼管の有効内容積の90%以上充填した後、鋼管の他端を粘土で封止した。この状態の鋼管を、大気炉中で加熱し、所定温度に到達した後、10分間保持し、水に浸漬した。用いたシリコーンシーラントの融点は、約200℃であり、焼き入れ時の最高到達温度である950℃より低かった。焼き入れ昇温時に、鋼管端部の封止部に生じた間隙から、溶融したシリコーンシーラントが、鋼管外へ流れ出た。 Condition 6: One end of the steel pipe was sealed with clay, and the inside of the steel pipe was filled with silicone sealant at 90% or more of the effective internal volume of the steel pipe, and then the other end of the steel pipe was sealed with clay. The steel pipe in this state was heated in an atmospheric furnace, and after reaching a predetermined temperature, it was held for 10 minutes and immersed in water. The melting point of the silicone sealant used was about 200 ° C., which was lower than the maximum temperature reached at the time of quenching, which was 950 ° C. At the time of quenching and raising the temperature, the molten silicone sealant flowed out of the steel pipe from the gap formed in the sealing portion at the end of the steel pipe.

焼き入れの際、条件4では、加熱を開始してから冷却を終えるまで、鋼管内には混合粉が充填されていた。すなわち、鋼管内に、実質的に空気のみが存在する期間はなかった。これに対して、条件1および2では、冷却のため水に浸漬するまでは、鋼管内には、実質的に空気のみが存在していた。条件3では、鋼管を溶融塩から引き上げ、水に浸漬するまでの間に、鋼管内に、実質的に空気のみが存在する期間があった。条件5および6では、昇温時に、溶融した発泡スチロールまたはシリコーンシーラントが鋼管外に流れ出した後は、鋼管内の大部分は、空気で占められていた。 At the time of quenching, under condition 4, the steel pipe was filled with the mixed powder from the start of heating to the end of cooling. That is, there was no period in which substantially only air was present in the steel pipe. On the other hand, under conditions 1 and 2, substantially only air was present in the steel pipe until it was immersed in water for cooling. Under condition 3, there was a period in which substantially only air was present in the steel pipe before the steel pipe was pulled out of the molten salt and immersed in water. Under conditions 5 and 6, most of the inside of the steel pipe was occupied by air after the molten styrofoam or silicone sealant flowed out of the steel pipe at the time of temperature rise.

焼き入れ後のいずれの鋼管にも、200℃で1時間の低温焼き戻しを施し、続いて、鋼管の外面に、ショットピーニング・ブラスト処理を施した。 All the hardened steel pipes were tempered at a low temperature of 200 ° C. for 1 hour, and then the outer surface of the steel pipes was shot peened and blasted.

条件4の焼き入れを含む製造方法は、本発明の実施例であり、条件1〜3、5、および6の焼き入れを含む製造方法は、本発明の製造方法の要件を満たさない比較例である。
参考例として、試験番号2の試料(鋼管)と同じ条件で作製した試料に対して、内面表層部の脱炭層を、切削加工により除去した試料を作製した。除去厚さは、約0.2mmとした。
The production method including quenching of condition 4 is an embodiment of the present invention, and the production method including quenching of conditions 1, 3, 5, and 6 is a comparative example that does not satisfy the requirements of the production method of the present invention. is there.
As a reference example, a sample was prepared by removing the decarburized layer of the inner surface surface layer by cutting with respect to the sample prepared under the same conditions as the sample (steel pipe) of Test No. 2. The removal thickness was about 0.2 mm.

その後、これらの鋼管の各々から、鋼管の内面を含む試料を採取し、組織観察、硬さ測定、および疲労試験を行った。表2に、焼き入れの条件、ならびに硬さ測定、および疲労試験の結果を示す。 Then, a sample including the inner surface of the steel pipe was collected from each of these steel pipes, and microstructure observation, hardness measurement, and fatigue test were performed. Table 2 shows the quenching conditions, hardness measurement, and fatigue test results.

Figure 0006874286
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組織観察は、鋼管の内面に垂直な切断面の電子顕微鏡像を得て行った。図1A〜図1Eに、条件1〜4の各々により焼き入れを行った試料(それぞれ、試験番号1〜4の試料)の電子顕微鏡像を示す。いずれの試料も、大部分がマルテンサイト化していた。 The structure was observed by obtaining an electron microscope image of the cut surface perpendicular to the inner surface of the steel pipe. 1A to 1E show electron microscopic images of the samples hardened under each of the conditions 1 to 4 (samples of test numbers 1 to 4, respectively). Most of the samples were martensitic.

図1Aは、試験番号1の鋼管の電子顕微鏡像である。この像で、切断面の上端は、鋼管の内面に対応している(図1B〜図1Eでも、同様)。この鋼管の内面は平坦な状態に維持されたが、組織むらが発生しており、主たる大きさの粒子に比して著しく小さな粒子が存在していた。組織むらが発生したのは、焼き入れ時に最高到達温度(950℃)で保持しなかったことによると考えられる。 FIG. 1A is an electron microscope image of the steel pipe of test number 1. In this image, the upper end of the cut surface corresponds to the inner surface of the steel pipe (the same applies to FIGS. 1B to 1E). The inner surface of this steel pipe was maintained in a flat state, but texture unevenness occurred, and particles significantly smaller than the particles of the main size were present. It is probable that the tissue unevenness occurred because the temperature was not maintained at the maximum temperature (950 ° C.) at the time of quenching.

図1Bは、試験番号2の鋼管の電子顕微鏡像である。この鋼管では、組織むらは発生していない。しかし、内面は粗くなっていた。これは、鋼管の内面が酸化および脱炭したことによると考えられる。 FIG. 1B is an electron microscope image of the steel pipe of test number 2. No tissue unevenness occurs in this steel pipe. However, the inner surface was rough. It is considered that this is because the inner surface of the steel pipe was oxidized and decarburized.

図1Cおよび図1Dは、試験番号3の鋼管の電子顕微鏡像である。この鋼管は、均一な粒径を有していた。鋼管の内面は、大部分が、図1Cに示すように、平坦な状態に維持されたが、一部、図1Dに示すように、粗くなっていた。鋼管の内面が粗くなったのは、酸化および脱炭したことによるものと考えられる。 1C and 1D are electron microscope images of the steel pipe of test number 3. This steel pipe had a uniform particle size. The inner surface of the steel pipe was mostly maintained in a flat state as shown in FIG. 1C, but was partially roughened as shown in FIG. 1D. The roughening of the inner surface of the steel pipe is considered to be due to oxidation and decarburization.

図1Eは、試験番号4の鋼管の電子顕微鏡像である。この鋼管では、内面は平坦で、均一な粒径を有していた。 FIG. 1E is an electron microscope image of the steel pipe of test number 4. In this steel pipe, the inner surface was flat and had a uniform particle size.

硬さは、荷重を10gf(0.098N)としたビッカース硬さとして、各焼き入れ条件の試料につき6点で測定した。表2には、各焼き入れ条件の試料について、硬さの測定値のうち最も低い値(最低値)を示す。 The hardness was measured at 6 points for each sample under each quenching condition as Vickers hardness with a load of 10 gf (0.098 N). Table 2 shows the lowest value (minimum value) of the measured hardness values for the samples under each quenching condition.

参考例(試験番号7)の試料では、上述のように、内面の表層部が除去されている。これにより、焼きむら、および脱炭を原因とする硬さの低下は、実質的に生じていないと考えられる。試験番号4の試料は、参考例の試料とほぼ同じ硬さを有するといえる。 In the sample of Reference Example (Test No. 7), the surface layer portion on the inner surface is removed as described above. As a result, it is considered that the decrease in hardness due to uneven burning and decarburization does not occur substantially. It can be said that the sample of test number 4 has almost the same hardness as the sample of the reference example.

試験番号1の試料は、参考例の試料に比して、硬さの最低値がやや低い。これは、鋼管が組織むらを有することと関係しているものと考えられる。試験番号2および3の試料は、試験番号1の試料より、硬さの最低値がさらに低い。試験番号3の試料では、大半の測定点では、参考例の試料と同等の硬さを有していたが、一部の測定点で、すなわち、局所的に、低い硬さを有していた。これは、試験番号2の鋼管、および試験番号3の鋼管の一部で、内面が脱炭したことによると考えられる。 The sample of test number 1 has a slightly lower minimum hardness than the sample of the reference example. This is considered to be related to the fact that the steel pipe has uneven structure. The samples of test numbers 2 and 3 have a lower minimum hardness than the samples of test number 1. The sample of test number 3 had the same hardness as the sample of the reference example at most of the measurement points, but had a low hardness at some measurement points, that is, locally. .. It is considered that this is because the inner surface of the steel pipe of test number 2 and a part of the steel pipe of test number 3 was decarburized.

参考例の試料は、硬さのみならず、後述のように、疲労特性も良好であった。しかし、脱炭層を含む内面表層部の除去は、試験番号1〜6の製造方法に対して、工数およびコストの大幅な上昇を招き、鋼管の量産時に実施するのは現実的ではない。 The sample of the reference example had good fatigue characteristics as well as hardness as described later. However, the removal of the inner surface layer portion including the decarburized layer causes a significant increase in man-hours and costs with respect to the manufacturing methods of test numbers 1 to 6, and it is not realistic to carry out the removal at the time of mass production of steel pipes.

条件2〜4で焼き入れを行った試料(それぞれ、試験番号2〜4の試料)について、内面からの深さ位置を変えて硬さを測定した。その結果から、内面からの深さと硬さとの関係を明らかにした。図2に、各試料について、内面からの深さと硬さとの関係を示す。同じ深さにおいて、複数点で硬さを測定した場合は、図2では、その深さでの硬さの最大値を示している。 The hardness of the samples quenched under conditions 2 to 4 (samples of test numbers 2 to 4, respectively) was measured by changing the depth position from the inner surface. From the results, the relationship between the depth from the inner surface and the hardness was clarified. FIG. 2 shows the relationship between the depth from the inner surface and the hardness of each sample. When the hardness is measured at a plurality of points at the same depth, FIG. 2 shows the maximum value of the hardness at that depth.

図2に示すように、内面から、0.6mm以上深い部分では、これらの試料は、互いにほぼ同じ値を示す。一方、これより浅い部分では、条件4で焼き入れを行った試料は、条件2および3で焼き入れを行った試料に比して、硬さ(最大値)は、大幅に高かった。 As shown in FIG. 2, in a portion deeper than the inner surface by 0.6 mm or more, these samples show almost the same values as each other. On the other hand, in the shallower portion, the hardness (maximum value) of the sample quenched under condition 4 was significantly higher than that of the sample quenched under conditions 2 and 3.

疲労試験に用いた試料(以下、「疲労試験用試料」という。)の形状は、略矩形の平板状であり、疲労試験用試料の長手方向は、鋼管の長手方向と同じであった。図3は、疲労試験用試料の形状および大きさを示す平面図である。図3に示すように、疲労試験用試料は、その一方表面の幅方向中央部に、疲労試験用試料の長手方向に沿って、溝状の曲面である内面(鋼管において内面であった面)sを有していた。内面sの最大深さは、0.1mmであった。 The shape of the sample used in the fatigue test (hereinafter referred to as "fatigue test sample") was a substantially rectangular flat plate, and the longitudinal direction of the fatigue test sample was the same as the longitudinal direction of the steel pipe. FIG. 3 is a plan view showing the shape and size of the fatigue test sample. As shown in FIG. 3, the fatigue test sample has a groove-shaped curved inner surface (the inner surface in the steel pipe) at the center of the surface in the width direction along the longitudinal direction of the fatigue test sample. Had s. The maximum depth of the inner surface s was 0.1 mm.

疲労試験は、疲労試験用試料をその長手軸の回りに繰り返しねじることにより行った。ねじり時の最大応力は、500MPaまたは400MPaとした。表2に示すように、いずれの最大応力で行った試験でも、試験番号4の試料は、2.00×106回のねじりによっては破断しなかった。すなわち、試験番号4の試料は、試験番号1〜3、5および6の試料に比して、破断寿命は、大幅に長かった。なお、参考例の試料は、試験番号4の試料と同様に、いずれの最大応力で行った試験でも、2.00×106回のねじりによっては破断しなかった。 The fatigue test was performed by repeatedly twisting the fatigue test sample around its longitudinal axis. The maximum stress during twisting was 500 MPa or 400 MPa. As shown in Table 2, the sample of test number 4 did not break by twisting 2.00 × 10 6 times in any of the tests performed at the maximum stress. That is, the sample of test number 4 had a significantly longer breaking life than the samples of test numbers 1, 3, 5 and 6. As with the sample of Test No. 4, the sample of the reference example did not break by twisting 2.00 × 10 6 times in any of the tests performed at the maximum stress.

条件4で焼き入れを行った試料では、焼き入れ時に、鋼管内に鉄粉と炭素粉との混合粉が充填されていたことにより、鋼管内面近傍の酸素量が均一かつ低く維持され、鋼管内面がほとんど酸化せず、脱炭が実質的に生じなかった。また、鋼管内に混合粉が充填されていたことにより、焼き入れ時に冷却速度が均一になり、焼きむらが生じなかった。これらの要因により、この鋼管では、破壊の起点が生じ難く、破断寿命が長かった。すなわち、疲労強度が高かった。 In the sample hardened under condition 4, the amount of oxygen in the vicinity of the inner surface of the steel pipe was kept uniform and low because the steel pipe was filled with a mixed powder of iron powder and carbon powder at the time of baking, and the inner surface of the steel pipe was hardened. However, it hardly oxidized and decarburization did not occur substantially. Further, since the mixed powder was filled in the steel pipe, the cooling rate became uniform during quenching, and uneven baking did not occur. Due to these factors, the starting point of fracture was unlikely to occur in this steel pipe, and the fracture life was long. That is, the fatigue strength was high.

試験番号1〜3の試料では、上述のように、内面の少なくとも一部が酸化することにより脱炭していた。これらの試料では、脱炭層を起点として破壊が生じたものと考えられる。試験番号5および6の試料では、焼き入れ昇温時に溶融した発泡スチロールおよびシリコーンシーラントが流出したことに伴い、鋼管内へ酸素が流入し、鋼管内面の表層部に脱炭が生じ、脱炭層を起点として破壊が生じたものと考えられる。 In the samples of test numbers 1 to 3, as described above, at least a part of the inner surface was decarburized by oxidation. In these samples, it is considered that the fracture occurred starting from the decarburized layer. In the samples of test numbers 5 and 6, oxygen flowed into the steel pipe due to the outflow of styrofoam and silicone sealant melted during quenching and heating, decarburization occurred on the surface layer of the inner surface of the steel pipe, and the decarburized layer was the starting point. It is probable that the destruction occurred.

Claims (3)

鋼管の内部に、粉末を充填する充填工程と、
前記粉末が充填された鋼管を焼き入れする焼き入れ工程と、を含み、
前記粉末の融点が、前記焼き入れ工程での前記鋼管の最高到達温度より高く、
前記粉末は、Fe含有量が90質量%以上であって、Fe粉と炭素粉とを混合したものであり、
前記鋼管のC含有量をA質量%として、前記粉末が、0.5×A質量%〜1.1×A質量%の炭素を含有する、鋼管の製造方法。
The filling process of filling the inside of the steel pipe with powder,
Including a quenching step of quenching a steel pipe filled with the powder.
The melting point of the powder is higher than the maximum temperature reached by the steel pipe in the quenching step.
The powder has an Fe content of 90% by mass or more, and is a mixture of Fe powder and carbon powder.
A method for producing a steel pipe, wherein the C content of the steel pipe is A mass%, and the powder contains 0.5 × A mass% to 1.1 × A mass% of carbon.
請求項1に記載の鋼管の製造方法であって、
前記粉末の平均粒径が1mm以下である、鋼管の製造方法。
The method for manufacturing a steel pipe according to claim 1.
A method for producing a steel pipe, wherein the average particle size of the powder is 1 mm or less.
請求項1または2に記載の鋼管の製造方法であって、
前記焼き入れ工程の前に、前記粉末が充填された鋼管の端部を封止する工程をさらに含む、鋼管の製造方法。
The method for manufacturing a steel pipe according to claim 1 or 2.
A method for producing a steel pipe, further comprising a step of sealing an end portion of the steel pipe filled with the powder before the quenching step.
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