JP6874286B2 - 鋼管の製造方法 - Google Patents

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。

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。

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。

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。

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℃〜Ａ_c3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。

特開２０１０−１８９７５８号公報 特開平５−３３９６３９号公報

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。

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。

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。

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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。

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。

「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。

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。

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。

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。

〈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。

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。

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。

〈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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

Claims (3)

1. 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。
2. 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。
3. 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。

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