专利名称：韧性优异的机械结构用高强度无缝钢管及其制造方法
技术领域：
本发明涉及特别适合于汽缸(cylinder)、衬套(套筒，bush)、悬臂(boom)等的结构构件和轴等的机械用构件的无缝钢管及其制造方法。
背景技术：
用于汽车和产业机械等的机械部件的多数，是将棒钢进行锻造、切削加工形成为规定的形状后，通过调质热处理，赋予规定的力学性能(机械性能)。近年来，为了降低部件的制造成本，并且为了机械等的轻量化，以具有对部件要求的力学性能的钢管为坯料制造中空形状部件，缩短锻造工序和省略热处理工序的情况也在增加。
但是，一般地，钢管比棒钢价格高，特别是无缝钢管制造成本高。因此，即使将钢管作为中空形状部件的坯料使用，成本降低的效果也不充分。至今为止，为了提供具有所要求的力学性能、并且降低了制造成本的廉价的钢管，进行了各种各样的研讨。专利文献I曾公开了下述技术通过对特定的组成的坯料管在特定的温度区域实施组合了减径轧制和倾斜轧制的加工，使显微组织为铁素体粒径为2 以下的微细且均匀的铁素体、渗碳体组织，制造高强度且延展性、韧性优异的钢管。专利文献2曾公开了下述技术即使是由于仅从外表面进行加速冷却，产生外面、内面的冷却速度的不同的环境，也可遍及板厚方向整个面地生成能够兼具高强度、高韧性的最佳的组织。专利文献3曾公开了 将Al和Ti的添加量最佳化，有效利用晶内相变，而且通过无缝轧制后的加速冷却制造的、具有能够兼具高强度、高韧性的微细金属组织的钢管。但是，在该技术中，为了有效利用晶内相变，需要降低Al含量，脱氧的成本变高。专利文献4以廉价地制造机械结构构件用钢管为目的，公开了主要是添加Cr的钢，金属组织为自回火马氏体单一组织、或者其与下贝氏体的混合组织的钢管。所谓自回火马氏体，是在加速冷却中奥氏体相发生马氏体相变，在加速冷却停止后的自然冷却(空冷)中微细的渗碳体在板条内析出的组织。与近年的机械结构用部件的用途扩大、对应于环境问题的排气削减的迫切要求相伴，需求保证所要求的力学性能、而且低成本的无缝钢管。但是，在现有技术中，在维持高强度、高韧性、并且低成本化上存在极限。另外，为了使钢管的可淬性(淬硬性)提高，通常添加Cr，但如果添加Cr，则存在产生与轧制时的辊、心棒(PIug)的热粘所弓I起的表面缺陷的问题。现有技术文献专利文献I :日本特开2000-312907号公报专利文献2 :日本特开2008-266700号公报专利文献3 :日本特开2009-52106号公报
专利文献4 :日本特开2007-262468号公报
发明内容
本发明是鉴于如上述那样的现有状况完成的，其课题在于，提供特别适合于汽缸、衬套、悬臂等的结构构件和轴等的机械用构件的高强度、高韧性，且可焊性优异，并且可抑制表面缺陷的产生的机械结构用无缝钢管，以及通过适当的热处理廉价地制造机械结构用无缝钢管的方法。本发明者们为了防止表面缺陷的产生，对于没有添加Cr的成分组成的钢管，通过省略钢管的热处理工序进行了降低成本的研讨。具体地讲，着眼于加速冷却态钢管(加速冷却后，不实施热处理而制造的钢管)，进行了研讨。加速冷却态钢管的组织的原始奥氏体的粒径为IOOiim左右，而对于实施了淬火、回火处理(以下称为「QT处理」)的钢管(以下称为「QT钢管」)而言，为20 30iim左右。再者，如果将作为脱氧元素的Al量降低到0.010%以下，并添加Ti，则能够有效利 用晶内相变，使粒径微细。但是，在本发明中，为了降低制造成本，通常添加超过脱氧所需要的 0. 010% 的 Al。因此，以往，加速冷却态钢管的组织的粒径，与QT钢管的组织的粒径相比粗大，认为不能够确保与QT钢管同等或同等以上的强度和韧性。另外认为，如果为了防止表面缺陷的产生而不添加Cr，则可淬性降低，因此确保强度更加困难，如果为了确保强度而添加Cr以外的金属，则成本上升。但是，本发明者们专心研讨的结果发现，通过使钢管的成分组成适当，可以抑制作为对韧性有害的组织的上贝氏体的生成，即使是不添加Cr的加速冷却态钢管，也可不损害可焊性地得到与QT钢管同等的强度和韧性。本发明是基于上述见解完成的发明，其要旨如下。(I) 一种韧性优异的机械结构用高强度无缝钢管，其特征在于，以质量％计，含有C :0. 03 0. 20%、Si :0. 01 0. 50%、Mn :0. 80 3. 00%、Al :超过 0. 010% 且为 0. 050% 以下，并限制为P :0. 020% 以下、S :0. 0080% 以下、N :0. 0080% 以下、0 :0. 0050% 以下，其余量由Fe和不可避免的杂质组成，由下述式(I)求出的P为2. 50 4. 00，由下述式(2)求出的Pcm为0. 15 0. 30,组织由初生马氏体(新鲜马氏体，fresh martensite)构成，原始奥氏体的粒径为50 200 u m,^ = 2. 7C+0. 4Si+Mn+0. 45Ni+Mo…(I)Pcm = C+Si/30+ (Mn+Cu) /20+Ni/60+Mo/15+V/10…(2)
其中，C、Si、Mn、Ni、Cu、Mo、V是各元素的含量[质量％]。(2)根据上述(I)所述的韧性优异的机械结构用高强度无缝钢管，其特征在于，上述钢管以质量％计还含有B :0. 0001 0. 0030%,代替上述式(I)而由下述式(3)求出的3为2. 50 4. 00，代替上述式(2)而由下述式(4)求出的Pcm为0. 15 0. 30，^ = 2. 7C+0. 4Si+Mn+0. 45Ni+2Mo…(3)Pcm = C+Si/30+ (Mn+Cu) /20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B…(4)其中，C、Si、Mn、Ni、Cu、Mo、V、B是各元素的含量[质量％]。(3)根据上述(I)或(2)所述的韧性优异的机械结构用高强度无缝钢管，其特征在 于,上述钢管以质量％计还含有Ni :1. 00% 以下、Cu :1. 00% 以下、Mo :1. 50% 以下的一种或两种以上。(4)根据上述(I) (3)所述的韧性优异的机械结构用高强度无缝钢管，其特征在于,上述钢管以质量％计还含有Ti :0. 050% 以下、Nb :0. 050% 以下、V :0. 050% 以下的一种或两种以上。(5)根据上述(I) (4)所述的韧性优异的机械结构用高强度无缝钢管，其特征在于,上述钢管以质量％计还含有Ca :0. 0040% 以下、Mg :0. 0010% 以下、REM :0. 005% 以下的一种或两种以上。(6) 一种韧性优异的机械结构用高强度无缝钢管的制造方法，是制造上述(I)
(5)的任一项所述的机械结构用高强度无缝钢管的方法，其特征在于，将具有上述(I) (5)的任一项中的成分的钢进行无缝轧制，其后，在750 950°C的开始温度下实施冷却速度为10 50°C /秒的加速冷却。根据本发明，在加速冷却态钢管中，能够在加速冷却时抑制上贝氏体的生成。其结果，能够不实施QT处理，且以低成本制造具有与QT钢管同等的韧性的加速冷却态钢管。
具体实施例方式本发明的无缝钢管，为了在加速冷却态下抑制上贝氏体的生成，改善韧性，将作为可淬性的指标的P控制在适当的范围，并且，为了确保可焊性，将作为可焊性的指标的Pcm控制在适当的范围。以下，对本发明详细地说明。首先，叙述在本发明中限定了钢管的化学成分的理由。以下，「％」意指「质量％」。C是对强度提高极其有效的元素。为了得到目标的强度，需要添加0. 03%以上的C。另一方面，如果添加超过0.20%的C，则低温韧性降低，在焊接时产生裂纹。因此，C含量限定为0. 03 0. 20%。为了提高强度，C含量优选为0. 07%以上。另一方面，为了确保韧性，C含量优选为0. 15%以下。Si是脱氧元素，是有助于强度的提高的元素。为了得到添加的效果，需要添加0.01%以上的Si。为了使强度提高，Si量优选为0. 10%以上。另一方面，如果超过0.50%地添加Si，则生成上贝氏体，损害低温韧性，因此Si含量的上限限制为0. 50%。Si含量的优选的上限为0. 25%。Mn是促进低温相变组织的生成的元素，为了使强度和低温韧性的平衡提高较有效。为了得到其效果，需要添加0. 80%以上的Mn。但是，如果Mn含量多于3. 00%,则有时损害低温韧性，因此以3. 00%为上限。为了使强度和低温韧性的平衡提高，优选的Mn含量的范围为I. 50 2. 40%oP和S是杂质，如果过量地含有则韧性降低，可焊性降低。因此，P以及S的含量的 上限分别设定为0. 020%以及0. 0080%。P以及S的含量，为了确保韧性，优选添加量较少，更优选分别为0. 015%以下以及0. 0050%以下。优选不含有P和S，因此不规定下限值。但是，如果将P和S的含量设为低于0. 0010%，则制造成本增大，因此优选以0. 0010%为下限。Al是强力的脱氧元素，从脱氧成本的观点来看，添加超过0. 010%。如果过量地添加Al，则生成粗大的Al氧化物，低温韧性劣化，因此将上限限制为0. 050%。为了提高韧性，更优选将Al量的上限设为0. 035%。N是杂质，如果超过0.0080%，则生成粗大的TiN，韧性降低，因此将上限限制为0. 0080%。N的含量优选低于0. 0060%，若为0. 0050%以下则更优选。优选不含有N，因此下限值不特别规定。但是，如果将N的含量设为低于0. 0010%,则制造成本增大，因此优选以0. 0010%为下限。0如果超过0. 0050%地含有，则生成粗大的酸化物，损害低温韧性，因此将上限设为0. 0050%。优选不含有0，因此下限不特别规定。但是，如果将0的含量设为低于0. 0010%,则制造成本增大，因此优选以0. 0010%为下限。在本发明的钢中还可以添加B。B是提高可淬性，有助于钢的强韧化的元素。为了得到其效果，优选添加0. 0001%以上的B。另一方面，如果B的添加量多于0. 0030%，则产生BN等的析出物，有时可淬性降低。更优选的B含量的范围为0. 0010 0. 0020%。此外，也可以添加Ni、CiuMo的一种或两种以上。这些元素是提高可淬性的元素，有助于本发明的钢的强韧化。Ni也是不使低温韧性劣化而使强度提高的元素，为了得到添加的效果优选添加0. 05%以上。如果超过I. 00%地添加Ni，则发生偏析，组织变得不均匀，有时韧性劣化，因此优选Ni含量的上限为I. 00%。Ni的添加量优选低于0. 80%,更优选为0. 50%以下。进一步优选的范围是0. 25 0. 45%。Cu和Mo为了得到使强度提高的效果，优选分别添加0. 05%以上。Cu以及Mo如果添加量分别超过I. 00%以及I. 50%,则有时损害可焊性。另外，如果单独添加Cu则有时产生表面缺陷，因此优选Cu与Ni同时地添加。进而，也可以添加Ti、Nb、V的一种或两种以上。它们是通过析出强化使钢的强度提闻的兀素。
Ti为了使钢析出强化，优选含有0.005%以上。另外，为了固定作为杂质的N、提高韧性，优选添加0. 010%以上的Ti。如果Ti含量超过0. 050%,则有时韧性因粗大的Ti氧化物的析出而降低，因此优选上限为0. 050%。另外，为了防止TiN的粗大化，使低温韧性提高，优选Ti含量的上限为0. 035%以下。Nb是不仅生成碳化物、氮化物等的析出物，抑制轧制时的奥氏体的再结晶，将组织微细化，还使可淬性增大，对钢的强韧化有效的元素。如果Nb含量超过0. 050%，则生成粗大的Nb的析出物，有时韧性劣化，因此将上限设为0. 050%。为了得到Nb添加的效果，优选添加0. 005%以上。V是生成碳化物、氮化物，通过析出强化使钢的强度提高的元素，也有提高可淬性的效果。如果V含量超过0. 050%，则碳化物、氮化物粗大化，有时损害韧性，因此优选V含量的上限为0. 050%。为了得到V添加的效果，优选添加0. 005%以上。进而，也可以添加Ca、Mg、REM的一种或两种以上。它们是调整夹杂物的形状使可加工性提高的元素，而且，作为硫化物、氧化物或硫氧化物析出，具有防止钢管的接合部的 硬化的作用。如果Ca、Mg和REM的含量分别超过0. 0040%,0. 0010%以及0. 005%,则夹杂物变得过多，延展性劣化，因此将上限分别设定为0. 0040%,0. 0010%以及0. 005%。为了提高热加工性，优选Ca、Mg以及REM的含量的下限分别为0. 0005%,0. 0005%以及0. 0001%。上述元素以外的其余量是Fe和不可避免的杂质。作为不可避免的杂质，可举出从废料混入的Sn、Bi等。另外，也可以在不损害本发明的特性的范围，含有在脱氧时根据需要添加的Zr、Ta等。本发明的无缝钢管，其特征是抑制上贝氏体的生成，改善了韧性。为了抑制上贝氏体的生成，需要提高钢材的可淬性。因此，在本发明中，除了限定各个元素的组成以外，还将由下述式(I)求出的P限定在2. 50 4. 00的范围。P是钢的可淬性的指标，式(I)的元素符号表不各兀素的含量(质量％)。^ = 2. 7C+0. 4Si+Mn+0. 45Ni+Mo …(I)如果P小于2. 50，则低温韧性劣化。另外,如果P超过4. 00，则HAZ韧性、可焊性恶化。而且，将由下述式(2)求出的Pcm限定为0. 15 0.30。式(2)的元素符号表示各元素的含量(质量％)。Pcm = C+Si/30+ (Mn+Cu) /20+Ni/60+Mo/15+V/10…(2)如果Pcm小于0. 15，则得不到所需要的强度，而且可焊性恶化。如果Pcm超过
0.30，则低温韧性劣化，而且可焊性恶化。更优选的Pcm的范围为超过0. 20且在0. 30以下。在不添加式(I)、式(2)中所含有的选择元素时，该元素的含量作为0计算。钢管含有B时，代替上述式(I)、式(2)，使用下述式(3)、式(4)求出P和Pcm。式
(3)和式(4)中的元素符号表示各元素的含量(质量％)。^ = 2. 7C+0. 4Si+Mn+0. 45Ni+2Mo …(3)Pcm = C+Si/30+ (Mn+Cu) /20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B …(4)
在不添加式(3)、式(4)中所含有的选择元素时，与式(I)、式(2)的情况同样地，该元素的含量作为0计算。由式(I)以及式(3)定义的0是将各元素对钢的可淬性的影响叠加的经验式。式
(I)和式(3)的不同点是Mo的系数。这意味着，与单独含有Mo的情况相比，在同时含有Mo和B的情况下，由于协同效应，提高可淬性的Mo的效果提高。本发明的无缝钢管的金属组织，由初生马氏体构成。初生马氏体是板条状的组织，在光学显微镜的观察中看不到渗碳体，这点与回火马氏体和贝氏体不同。本发明的无缝钢管，由于在冷却状态下制造，因此不含有回火马氏体。另外，本发明的无缝钢管是抑制了使韧性降低的相的生成的无缝钢管，也不含有上贝氏体。初生马氏体是通过冷却，奥氏体相变而成的组织，原始奥氏体的粒径越大，韧性就 越低。但是，在制造无缝钢管的情况下，一般地钢坯的加热温度高，不能够确保因穿孔和轧制而导入的累积变形量，因此难以使原始奥氏体变微细。在本发明中，将原始奥氏体的粒径设定为50iim以上。这是因为，为了不实施QT处理而使原始奥氏体的粒径低于50 u m,需要在低温下进行穿孔和轧制，制造成本变高的缘故。另一方面，如果原始奥氏体的粒径粗大则韧性降低，因此在本发明中，为了确保韧性，将原始奥氏体的粒径设定为200 u m以下。原始奥氏体的粒径可以基于JIS G 0551标准进行测定。本发明的无缝钢管，是通过将成分、特别是可淬性指标P和可焊性指标Pcm设为适当的范围，使金属组织为初生马氏体，使原始奥氏体的粒径为50 200 的钢管。并且，根据本发明，可以提供特别是制造成本不上升，强度和韧性的平衡优异的无缝钢管。再者，本发明的机械结构用无缝钢管的优选的特性，是例如抗拉强度为780MPa以上，更优选为980MPa以上，并且在_20°C下的夏比冲击吸收能为100J以上。接着，对于本发明的无缝钢管的制造方法进行说明。本发明的钢管，是在热态下将在约1100 1300°C加热了的钢坯穿孔、轧制而制造的无缝钢管，也有时在无缝轧制后经由延伸工序。从由晶粒微细化所引起的高韧性化的观点来看，优选通过穿孔、轧制使累积变形量增加。无缝轧制后，根据需要，经由磨管、定型工序，其后进行再加热到规定的温度。再者，在再加热前，如果钢管的温度低于600°C，则部分地发生相变，再加热后，由于异常晶粒生长，有时局部地产生粗大的晶粒。另外，有时在再加热前的冷却时产生析出物，提高可淬性的元素的固溶量减少，可淬性降低，因此优选不使钢管的温度低于600°C而进行再加热。再加热后，根据需要实施减径轧制，将钢管加速冷却。开始加速冷却时的钢管的温度，如果过高，则奥氏体晶粒粗大化，有时韧性降低，因此设定为950°C以下，优选为900°C以下。另外，为了抑制来自晶界的铁素体相变，开始加速冷却时的钢管的温度设定为750°C以上。如果加速冷却的冷却速度过慢，则生成上贝氏体。上贝氏体是在比较高的温度下产生的贝氏体，较多地含有作为局部的脆化相的岛状马氏体，因此招致韧性的降低。另外，如果冷却速度过快，则均匀的冷却变得困难，成为冷却后，钢管较大地变形的原因。因此，力口速冷却的速度设为10 50°C /秒。所谓加速冷却的速度，是指从加速冷却的开始到冷却停止的平均的冷却速度。有时即使冷却停止温度过高也生成上贝氏体，优选在400°C以下停止加速冷却，更优选在250°C以下停止加速冷却。冷却方法，可以从使水直接触碰钢管的外表面的方法、沿钢管外周的切线方向触碰的方法、喷雾冷却等中任意地选定。通过将具有本发明的成分组成的钢管在适当的冷却速度下加速冷却，可得到上贝氏体的生成被抑制了的由初生马氏体构成的金属组织。另外，具有本发明的成分组成的钢管，原始奥氏体的粒径为50 200 ym，因此不需要降低轧制温度或充分利用晶内相变。因 此，根据本发明，可以不使成本上升而制造强度和韧性优异的钢管。实施例熔炼具有表I中记载的成分组成的钢，通过转炉、连铸工艺铸造出直径为100 170mm的钢还。将这些钢还加热到1100 1250°C,通过满乃斯曼心棒轧管(Mannesmannplug mill)方式进行穿孔、轧制，再加热到900 1000°C后，在表2所示的条件下进行加速冷却。加速冷却是采用使水直接触碰钢管的外表面的方法进行。制造后，目视确认钢管的表面缺陷的有无。
权利要求
1.一种韧性优异的机械结构用高强度无缝钢管，其特征在于，以质量％计，含有C :0. 03 0. 20%、Si :0. 01 0. 50%、Mn :0. 80 3. 00%、 Al :超过0. 010%且为0. 050%以下， 并限制为P :0. 020% 以下、S :0. 0080% 以下、N :0. 0080% 以下、O :0. 0050% 以下，其余量由Fe和不可避免的杂质组成，由下述式(I)求出的P为2. 50 4. 00，由下述式(2)求出的Pcm为0. 15 0. 30，组织由初生马氏体构成，原始奥氏体的粒径为50 200 u m, ^ = 2. 7C+0. 4Si+Mn+0. 45Ni+Mo…(I)Pcm = C+Si/30+ (Mn+Cu) /20+Ni/60+Mo/15+V/10…(2) 其中，C、Si、Mn、Ni、Cu、Mo、V是各元素的含量[质量%]。
2.根据权利要求I所述的韧性优异的机械结构用高强度无缝钢管，其特征在于，所述钢管以质量％计还含有B :0. 0001 0.0030%，代替所述式(I)而由下述式(3)求出的@为2.50 4. 00，代替所述式(2)而由下述式(4)求出的Pcm为0. 15 0. 30， 3 = 2. 7C+0. 4Si+Mn+0. 45Ni+2Mo…(3)Pcm = C+Si/30+ (Mn+Cu) /20 +Ni/60+Mo/15+V/10+5B…(4) 其中，C、Si、Mn、Ni、Cu、Mo、V、B是各元素的含量[质量%]。
3.根据权利要求I或2所述的韧性优异的机械结构用高强度无缝钢管，其特征在于，所述钢管以质量％计还含有Ni :1. 00% 以下、Cu :1. 00% 以下、Mo :1. 50% 以下的一种或两种以上。
4.根据权利要求I 3的任一项所述的韧性优异的机械结构用高强度无缝钢管，其特征在于，所述钢管以质量％计还含有Ti :0. 050% 以下、Nb :0. 050% 以下、V :0. 050% 以下的一种或两种以上。
5.根据权利要求I 4的任一项所述的韧性优异的机械结构用高强度无缝钢管，其特征在于，所述钢管以质量％计还含有 Ca :0. 0040% 以下、Mg :0. 0010% 以下、REM 0. 005% 以下的一种或两种以上。
6.一种韧性优异的机械结构用高强度无缝钢管的制造方法，是制造权利要求I 5的任一项所述的机械结构用高强度无缝钢管的方法，其特征在于，将具有权利要求I 5的任一项中记载的成分的钢进行无缝轧制，其后，在750 950°C的开始温度下实施冷却速度为10 50°C /秒的加速冷却。
全文摘要
一种能够以低成本制造的、在加速冷却态下具有高强度、高韧性的无缝钢管，其特征在于，以质量%计，含有C0.03～0.20%、Si0.01～0.50%、Mn0.80～3.00%，并限制为P0.020%以下、S0.0080%以下、Al0.050%以下、N0.0080%以下、O0.0050%以下，其余量由Fe和不可避免的杂质组成，β＝2.7C+0.4Si+Mn+0.45Ni+Mo(元素符号为各元素的含量[质量%])为2.50～4.00，Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu)/20+Ni/60+Mo/15+V/10为0.15～0.30，组织由初生马氏体构成，原始奥氏体的平均粒径为50～200μm。
文档编号C22C38/58GK102782173SQ201180012318
公开日2012年11月14日 申请日期2011年3月3日 优先权日2010年3月5日
发明者冈本润一, 坂本真也, 朝日均, 石桥精二 申请人:新日本制铁株式会社