專利名稱：中空部件及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及適于穩(wěn)定器(stabilizer)等用途的電阻焊接鋼管制中空部件 (electric resistance welded steel pipe for hollow article)及其制造方法，尤其涉 及快速且短時間的加熱(rapid heating for a short time)等熱處理后的電阻焊接部的
強度提高。
背景技術：
近年來，基于地球環(huán)境保護(global environmental protection)的觀點，汽 車的廢氣排放標準(emission gas standards)逐漸被加強，并正在推進汽車車體的 輕量化以提高燃料消耗率。作為車體輕量化的一個方法，最近傾向于采用將實心部件 (solid-core parts)改變?yōu)橹锌詹考?hollowparts)的方法。這種傾向對于在彎道時抑 制車體(automobile body)的搖擺(rolling)、或者提高高速時的行進穩(wěn)定性的穩(wěn)定器 (stabilizer)而言也不例外，將使用棒鋼(bar steel)的實心件轉換為使用鋼管的中空件 (中空穩(wěn)定器)，實現(xiàn)車體的輕量化。這種中空件(中空穩(wěn)定器)，通常將無縫鋼管(seamless steel pipe)、電阻焊 接鋼管作為原材料，在低溫下冷成形為所希望的形狀之后，接著實施淬火(quenching)或 淬火回火(quenching and tempering)等調(diào)質(zhì)處理(thermal refining)，制成產(chǎn)品。其 中，電阻焊接鋼管(electric resistancewelded steel pipe)，由于較為廉價且尺寸精 度(accuracy of dimension)優(yōu)良，因此作為中空穩(wěn)定器用原材料得到廣泛地利用。例 如，在日本特公平1-58264號公報中，提出了一種中空狀穩(wěn)定器用電阻焊鋼管用鋼，其包含 0. 35% 以下的 C、0. 25% 以下的 Si、0. 30 1. 20% 的 Mn、不足 0. 50% 的 Cr、0. 0200% 以下 的N+0、4 12倍于鋼中的(N+0)的Ti、0. 0005 0. 009%的B，或者還包含200ppm以下 的Ca和/或CX4/10以下的Nb，并且調(diào)整了 C、Si、Mn、Cr的含量，使理想臨界直徑(ideal CritiCal(Iiameter)D1 值為 1. Oin.以上，還調(diào)整了 C、Si、Mn、Cr 的含量，使碳當量(carbon equivalent) Cep 為 0· 60% 以下。并且，在日本特公昭61-45688號公報中，提出了中空狀穩(wěn)定器用電阻焊鋼 管用鋼的制造方法，對下述鋼的鋼坯實施熱軋(hot rolling)，將卷取溫度(coiling temperature)控制為570 690°C而進行卷取，所述鋼包含0. 35以下的C、0. 25%以下的 Si、0. 30 1. 20%的Mn、不足0. 50%的Cr、0. 0200%以下的N+0、4 12倍于鋼中的(N+0) 的Ti、0. 0005 0. 009%的B，或還包含200ppm以下的Ca，并且對C、Si、Mn、Cr的含量進行 了調(diào)整，使D1值在l.Oin.以上，還對C、Si、Mn、Cr的含量進行了調(diào)整，使Ceq為0. 60%以 下。并且，在日本特開平6-93339號公報中提出了能夠使用在穩(wěn)定器等中的高強度高 延展性電阻焊鋼管的制造方法。日本特開平6-93339號公報所記載的技術為對以鋼作為 原材料的電阻焊鋼管在850 950°C下實施正火處理(normalizing treatment)，然后進 行淬火的高強度高延展性電阻焊鋼管的制造方法，所述鋼包含0. 18 0. 28%的C、0. 10 0. 50% 的 Si、0. 60 1. 80%&Μη、0. 020 0. 050% 的 Ti、0. 0005 0. 0050% 的 B，還含有 0. 20 0. 50 %的Cr、0. 5 %以下的Mo、0. 015 0. 050 %的Nb中的一種以上，或者還含有 0. 0050% 以下的 Ca。由于電阻焊接鋼管較便宜且尺寸精度優(yōu)良，因此作為中空件用原材料而被廣泛使 用。但是，最近傾向于進一步輕量化(weight saving)，且施加在中空件上的應力也變高， 只憑借日本特公平1-58264號公報、日本特公昭61-45688號公報、日本特開平6-93339號 公報所記載技術，有時會產(chǎn)生疲勞耐久性(fatigue durability)尤其電阻焊接部的疲勞耐 久性不足。其原因在于，電阻焊接部的淬透性(hardenability)不足，尤其在低溫下冷彎曲 成形為所希望的形狀之后，通過通電加熱實施以快速且短時間加熱來進行淬火的淬火處理 時，有時電阻焊接部的淬火后的硬度(以下，稱為淬火硬度(hardness as quenching))下 降，部件的疲勞耐久性下降。其中，通電加熱是在穩(wěn)定器的淬火工序中被廣泛使用的方法， 該方法能在一分鐘以內(nèi)的短時間內(nèi)進行大氣中的脫碳顯著發(fā)生的900°C以上的加熱，因此 具有即使在大氣中加熱也能防止脫碳的特征。發(fā)生脫碳時無法得到預定的表面硬度，導致 疲勞耐久性下降。本申請中的通電加熱，是指從室溫到900°C以上的最高加熱溫度的平均加 熱速度在10°C/秒以上，且達到900°C以上的時間在一分鐘以內(nèi)的加熱方法。
發(fā)明內(nèi)容
SP，本發(fā)明的要點如下。(1) 一種耐久性優(yōu)良的中空部件的制造方法，其特征在于，對以鋼板作為原材料且 減碳層寬度(width of lower carbon layer)為2h(m)的電阻焊接鋼管，實施包括淬火處 理或進一步包括回火處理的熱處理，制成具有所希望的高強度的部件，其中的淬火處理為， 以加熱速度Vh(K/s)加熱至Ac3相變點(transformation temperature)以上的加熱溫度 T(K)，保持均熱時間k(s)之后，立即以一次冷卻速度V。(K/s)冷卻至淬火開始溫度Tq(K)， 之后進行二次冷卻(快速冷卻)，對所述淬火處理中的所述加熱速度\、所述最高加熱溫度 T、所述均熱時間k、所述一次冷卻速度V。進行調(diào)整，使其滿足下式(1)，并且將所述淬火開 始溫度Tq設為超過Ar3相變點的溫度，0.83 ^ 1 - (1 - 0.09/C0)￡ exp(- y2 /(4Dt))/ Vi^tdy ......(1)(其中，Ctl(質(zhì)量％):鋼板的含碳量(質(zhì)量％ )，t 擴散時間(diffusiontime) (s)，t = 50/Vh+50/Vc+k, Vh 加熱速度(heating rate) (K/s)，Vc 一次冷卻速度(primary cooling rate) (K/s)，k均熱時間(soaking time) (s)，D 擴散系數(shù)(diffusion coefficient) (m2/s)，D = D。exp (-Q/RT)，D0 :4· 7Χ l(T5(m2/s)，Q = 155(kJ/mol · K)，R = 8. 31 (J/mol ·Κ)，T、最高加熱溫度(maximum heating temperature) (K))。其中，上述的 D 擴散系數(shù)(m2/s)引自(社)日本金屬學會編的“改定2版金屬〒一夕寸” ” ((1984)、p26、 “丸善”)”。(2)在(1)所述的中空部件的制造方法中，所述鋼板為具有如下所述的組成的鋼 板，以質(zhì)量％計包含c 0. 15 0. 40%,Si 0. 05 0. 50%,Mn 0. 30 2. 00%,Al 0. 01 0. 10%,Ti 0. 001 0. 04%,B 0. 0005 0. 0050%,N 0. 0010 0. 0100%，并且，Ti 以及
N滿足(N/14) < (Ti/47. 9)，余量由Fe及不可避免的雜質(zhì)構成。(3)在(2)所述的中空部件的制造方法中，其特征在于，在所述組成的基礎上，以
5質(zhì)量％計還含有選自1.0%以下的Cr、1.0%以下的Mo、1.0%以下的W、1.0%以下的Ni、 1.0%以下的Cu中的一種或兩種以上。(4)在⑵或(3)所述的中空部件的制造方法中，在所述組成的基礎上，以質(zhì)量％ 計還含有選自0. 2%以下的Nb、0. 2%以下的V中的一種或兩種。(5)在(2)至(4)中任一段所述的中空部件的制造方法中，在所述組成的基礎上， 以質(zhì)量％計還含有0. 0050%以下的Ca。(6) 一種中空部件，通過對以鋼板作為母材且具有減碳層寬度為2h(m)的電阻焊 接部的電阻焊接鋼管至少實施淬火處理而得到，其中，所述電阻焊接部的最低含碳量C1和 母材部的含碳量Ctl的比C1ZiCci在0. 83以上。(7)在(6)所述的中空部件中，除所述電阻焊接部以外的母材部具有如下組成 以質(zhì)量％計包含c 0. 15 0. 40%, Si 0. 05 0. 50%, Mn 0. 30 2. 00%, Al 0. 01
0.10%,Ti 0. 001 0. 04%,B 0. 0005 0. 0050%,N 0. 0010 0. 0100%，并且，Ti 以及
N滿足(N/14) < (Ti/47. 9)，余量由Fe及不可避免的雜質(zhì)構成。(8)在(7)所述的中空部件中，在所述組成的基礎上，以質(zhì)量％計還含有選自
1.0%以下的Cr、l. 0%以下的Mo、l. 0%以下的W、l. 0%以下的Ni、l. 0%以下的Cu中的一 種或兩種以上。(9)在(7)或⑶所述的中空部件中，在所述組成的基礎上，以質(zhì)量％計還含有選 自0. 2%以下的Nb、0. 2%以下的V中的一種或兩種。(10)在(7)至(9)中任一段所述的中空部件中，在所述組成的基礎上，以質(zhì)量％計 還含有0. 0050%以下的Ca。發(fā)明效果根據(jù)本發(fā)明，能夠抑制電阻焊接部的淬火硬度的下降，能夠容易地且穩(wěn)定地制造 適于耐久性優(yōu)良的中空穩(wěn)定器等用途的中空部件，在工業(yè)上起到格外好的效果。
圖1為表示電阻焊接部的淬火硬度HV0. 5和電阻焊接部的最低碳量C1與母材部 碳量Ctl之比CVCtl之間的關系的圖。圖2為模式地表示淬火處理的熱循環(huán)特征曲線(heat cycle pattern)的圖。圖3為表示減碳層寬度的測定例的圖。圖4為表示減徑軋制時的縮徑軋制率和縮徑后的熔合線寬度之間的關系的圖。圖5為表示疲勞強度和電阻焊接部硬度與母材部硬度之比之間的關系的圖。
具體實施例方式本發(fā)明是為了解決上述的現(xiàn)有技術中的問題而作出的，其目的在于，提供由即使 實施通過快速且短時間的加熱來進行淬火的淬火處理也能抑制電阻焊接部淬火硬度的下 降且疲勞耐久性優(yōu)良的部件構成的電阻焊接鋼管制中空部件的制造方法。為了實現(xiàn)上述的目的，本發(fā)明人在通過通電加熱等對電阻焊接鋼管實施快速且 短時間的加熱后的淬火處理時，對電阻焊接部的淬火硬度下降的原因進行了深入的研究。 其結果發(fā)現(xiàn)，在電阻焊接鋼管中，如圖3所示的基于EPMA(電子探針顯微分析ElectronprobeMicro-Analysis)的碳濃度分布所表示的那樣，在電阻焊接部中形成了碳量減少的層 (減碳層)，當減碳層的寬度增大時，憑借如通電加熱的快速且短時間的加熱，有時電阻焊 接部無法恢復到預定值以上的碳量，電阻焊接部的淬透性下降，不能確保充分的淬火硬度。 本發(fā)明人認為該減碳層在電阻焊接中是很難回避的，其形成過程如下。(1)在電阻焊接時，接合部被加熱至固液相共存區(qū)(solid-liquid phasecoexisting zone)，碳在液相中富集，而在固相中減少。(2)碳發(fā)生了富集的液相，由于接合時的加壓(upset)而被排出到電阻焊接部之 外，形成焊道(bead)。因此，電阻焊接部中只剩下碳減少了的固相，因此在電阻焊接部中形 成減碳層。對此，本發(fā)明人繼續(xù)進行了進一步的研究，結果發(fā)現(xiàn)，對加熱速度、最高到達溫度、 均熱時間以及到淬火開始溫度為止的一次冷卻速度進行調(diào)整，使這些與電阻焊接部的減碳 層的寬度之間滿足特定的關系，由此在淬火處理時，能夠確保充分的淬火硬度的碳量從母 材部向電阻焊接部擴散，因而能夠使淬火處理后的電阻焊接部的硬度為所希望的硬度，使 部件的疲勞耐久性提高。首先，對本發(fā)明人所進行的構成本發(fā)明的基礎的實驗結果進行說明。將表1所示組成的熱軋鋼板A作為鋼管原材料，對該鋼管原材料進行成形，形成大 致圓筒狀的開口管之后，對接該開口管的端部，通過高頻電阻焊接進行電阻焊接，或者進一 步實施減徑軋制，形成具有各種減碳層寬度(2h:7 54μπι)的電阻焊接鋼管。接著，對這 些電阻焊接鋼管實施由圖2所示的熱循環(huán)構成的淬火處理，即實施如下所述的處理以加 熱速度Vh加熱至到達最高溫度(最高加熱溫度)Τ，保持均熱時間k之后，立刻以一次冷卻 速度V。冷卻至淬火開始溫度Ttl,進行二次冷卻(快速冷卻)。在淬火處理之后，測定硬度，在淬火的狀態(tài)下求出硬度。關于硬度測定，是對母材 部、電阻焊接部在板厚方向測定載荷500g(試驗力4. 9N)的維氏硬度HV0. 5，將這些的平均 值作為各部位的淬火硬度。并且，在實驗中，對加熱速度\、到達最高溫度T、一次冷卻速度 V。進行各種改變，使二次冷卻(快速冷卻)的冷卻速度保持不變(80°C/s)。除此之外，對基于上述淬火處理時的熱循環(huán)的碳的擴散進行探討，通過計算，推算 出淬火處理后的電阻焊接部的最低含碳量Ci。其中，對于電阻焊接部的含碳量C1的推算， 使用表示距在淬火處理時的熱循環(huán)之后在鋼管的電阻焊接部形成的減碳層的寬度方向的 中心的距離為χ處的含碳量的下式(a)。C1 (χ) = C0 -(C0 -0.09)￡εχρ(-(χ-^)2 /(4Dt))/Vi^Dtdy ......(a)其中，記載于上述(a)式的(Ctl-O. 09)之后的積分式的含義為，表示在距減碳層寬 度方向的中心的距離為y的位置存在寬度為dy的碳的初始濃度的情況下，在時間t后，碳 從母材部向減碳層擴散時，χ位置的濃度如何變化。其中，作為初始值，電阻焊接時形成的減 碳層的碳濃度為，從寬度方向的_h到+h，含碳量呈現(xiàn)0.09%的一定的矩形的濃度。其依據(jù) 在于如下事實，電阻焊接時形成的減碳層的碳濃度，與母材的碳濃度Ctl、焊接條件無關，大 致為0.09質(zhì)量％且保持不變。因此，通過對記載于上述(a)式的(Ctl-O. 09)之后的積分式 中的y自_h至+h進行積分，而由上述(a)式獲得距減碳層寬度方向的中心的距離為χ的 位置的含碳量。
其中，Ctl為鋼板的含碳量(質(zhì)量％)，D為擴散系數(shù)(m2/s),D = D0exp(-Q/RT),D0 為4. 7X 10_5(m2/s)，Q = 155 (kj/mol · K)，T為到達最高溫度(最高加熱溫度)⑷，t為擴 散時間(s)，t = 50/Vh+50/V。+k，Vh為加熱速度(K/s)，Vc為一次冷卻速度(K/s)，k為均熱 時間(S)。并且，上述的D 擴散系數(shù)(m2/s)的式子引自(社)日本金屬學會編的“改定2 版金屬〒一夕((1984)、p26、“丸善，，)，，。并且，Vh、Vc實質(zhì)上設為900°C以上的溫度 區(qū)域的速度(K/s)。其中，電阻焊接部的最低含碳量C1相當于(a)式的C1(X)中X = O的 情況。將測定的平均硬度HV0. 5和計算的電阻焊接部的最低含碳量C1相對鋼板的含碳 量Ctl的比CVQ1W關系表示在圖1中。由圖1可知，能夠用CVCtl調(diào)整電阻焊接部的硬度 (淬火硬度)，通過將C1ZiCtl調(diào)整為0. 83以上，能夠防止淬火硬度的下降。圖5表示疲勞耐 久性和淬火、回火后的電阻焊接部硬度與母材部硬度之比的關系。關于疲勞耐久性，使用通 過依據(jù)JIS Z 2273的規(guī)定的交變扭轉疲勞試驗求出的重復次數(shù)為IO6次的疲勞強度。由圖 5可知，只要電阻焊接部硬度在母材部硬度的86%以上，則不存在顯著的疲勞強度的下降。因此，通過將C1Ztci調(diào)整為0.83以上，能夠防止由淬火硬度的下降引起的電阻焊接 部的疲勞耐久性的下降。在C1ZiCci不足0. 83的情況下，淬火硬度顯著地下降。 本發(fā)明是基于上述發(fā)現(xiàn)并加以探討而完成的。首先，在本發(fā)明中，將鋼板作為原材料，并使用減碳層寬度為2h(m)的電阻焊接 鋼管。所使用的電阻焊接鋼管如下制成以鋼板作為原材料，進行成形，優(yōu)選的是連續(xù)成 形，從而形成大致圓筒狀的開口管，之后對接該開口管的端部，通過高頻焊接進行電阻焊 接，制成具有減碳層寬度為2h(m)的電阻焊接部的鋼管。對于減碳層寬度的測定，可以使 用各種方法，例如，如圖3上面的圖所示，基于EPMA(電子探針顯微分析electron probe micro-analysis)的C分析、基于硝酸乙醇腐蝕液蝕刻(nital etching)的白色層寬度的測 定(圖3中間的圖)等方法。但是，只要是以電阻焊接的狀態(tài)僅在950°C以上且不足1000°C 的溫度下熱處理IOs以下、在900°C以上且不足950°C的溫度下熱處理1分鐘以下、在800°C 以上且不足900°C的溫度下熱處理2分鐘以下或在不足800°C的溫度下進行熱處理的電 阻焊接鋼管，則如圖3下面的圖所示，通過進行金屬流動蝕刻(metal flow etching)，能 夠較為簡單且清楚地測定電阻焊接部中未觀察到的偏析線的層，即熔合線寬度(width of bond)。以下，在能夠使用金屬流動蝕刻的情況下，將使用金屬流動蝕刻方法測定的熔合線 寬度2h作為減碳層寬度2h使用。在本發(fā)明中，根據(jù)所測定的熔合線寬度(減碳層寬度)2h調(diào)整淬火處理條件，以使 其滿足⑴式。在本發(fā)明中，對于所使用的電阻焊接鋼管，優(yōu)選的是，實施加工成所希望的部件形 狀的冷加工之后，實施包括淬火處理或進一步包括回火處理的熱處理，從而形成具有所希 望的高強度的部件。本發(fā)明所述的“淬火處理”，是指圖2所示的快速且短時間的加熱處理。 即為如下所述的處理以加熱速度(heating rate) Vh加熱至到達最高溫度(最高加熱溫 度)T，保持均熱時間k后，立刻以一次冷卻速度V。冷卻至淬火開始溫度Tq，進行二次冷卻 (secondary cooling)(快速冷卻)。其中，本申請中的快速且短時間的加熱處理，是指從室 溫到900°C以上的最高加熱溫度的平均加熱速度為10°C /秒以上且達到900°C以上的時間 在1分鐘以內(nèi)的加熱方法。具體的加熱方法，優(yōu)選的是通電加熱。
在本發(fā)明的淬火處理中，調(diào)整加熱速度Vh、最高加熱溫度T、均熱時間k、一次冷卻 速度V。，使其滿足下面的(1)式，并且將淬火開始溫度Tq設為超過Ar3相變點的溫度。0.83 - (1 - 0.09/C0)￡ exp(- y2 /(4Dt))/ V4MDtdy ......(1)(其中，C。(質(zhì)量％)鋼板的含碳量(質(zhì)量％ )，t 擴散時間(s)，t = 50/Vh+50/ vc+k, Vh 加熱速度(K/s)，Vc 一次冷卻速度(K/s)，k 均熱時間(S)，D 擴散系數(shù)(m2/s)，D =D0exp (-Q/RT)，D0 4. 7X l(T5(m2/s)，Q = 155(kJ/mol · K)，R = 8. 31 (J/mol · K)，T 最高 加熱溫度(K))其中，⑴式的右邊為在上述的(a)式中設χ = 0且將兩邊除以鋼板的含碳量Ctl 而求出的。即，(1)式的右邊，表示電阻焊接部的最低含碳量C1(O)與鋼板的含碳量Ctl的比 在0. 83以上。在加熱速度Vh、最高加熱溫度T、均熱時間k、一次冷卻速度V。不滿足(1)式的淬 火處理的情況下，不能使電阻焊接部的含碳量恢復至能夠確保與母材部相同的淬火硬度的 碳量。因此，不能將電阻焊接部的硬度提高至所希望的淬火硬度，制造出的部件的耐久性降 低。其中，均熱時間k包含Os的情況(未保持)。并且，在本發(fā)明中，淬火處理中的淬火開始溫度Tq設為超過電阻焊接部的Ar3相 變點的溫度。淬火開始溫度Tq在Ar3相變點以下時，由于在二次冷卻(快速冷卻)開始 之前開始發(fā)生鐵素體(ferrite)、貝氏體(bainite)等的相變，因此不能將電阻焊接部制成 100%馬氏體組織(martensite structure)，不能確保所希望的淬火硬度，不能確保所希望 的疲勞耐久性。其中，電阻焊接部的Ar3相變點以使用下面的計算式算出的值(Ac3相變點) 代替。Ac3相變點在淬火開始溫度Tq確定的基礎上相比Ar3相變點向高溫側偏移，因此為 安全側的值。
Ac3 相變點(V)=910-203(Vc )-15.2Ni+44.7Si+104V+31 ·5Mo+13.1W-(30Mn+llCr+20Cu-700P-400Al-120As-400Ti)(其中，C、Ni、Si、V、Mo、W、Mn、Cr、Cu、P、Al、As、Ti 各元素的含量(質(zhì)量％ ))其中，Ac3變相點的計算式引自幸田監(jiān)譯的> ^ 'J 一鉄鋼材料學、(1985)、p273、 “丸善”。并且，二次冷卻只要是能夠生成100%馬氏體組織的冷卻條件即可，依賴于作為原 材料的鋼板的組成。如果是后文說明的鋼板組成，優(yōu)選的是以平均30°C /s以上的冷卻速度 進行從淬火開始溫度Tq至室溫的冷卻處理。更為優(yōu)選的是以80°C /s以上的冷卻速度進 行。二次冷卻基于生產(chǎn)率的觀點，優(yōu)選進行水冷(water cooling)、油冷等(oil cooling) 0其中，在預先設定電阻焊接鋼管的熱處理條件的情況下，有必要將電阻焊接鋼管
的電阻焊接部的減碳層寬度調(diào)整為能滿足(1)式的減碳層寬度2h以下。在該情況下，首先
由預先設定的淬火處理條件(1)，求出在設定的淬火處理條件下能滿足(1)式的減碳層寬
度2h。優(yōu)選的是，對電阻焊接條件(electric resistance welding condition)、尤其是熱
輸入量(heat input)進行調(diào)整，使電阻焊接部的減碳層寬度在求出的值以下。并且，在該
情況下，當電阻焊接部的熔合線寬度過窄時，存在加工性下降的情況，因此重點在于，實施
電阻焊接部的彎曲試驗等的同時確認加工性。在能夠滿足(1)式的減碳層寬度2h較小而
電阻焊接狀態(tài)下電阻焊接部的加工性下降的情況下，有效的是，在電阻焊接時，焊接成比適當?shù)闹祵挼娜酆暇€寬度，接著對電阻焊接鋼管實施縮徑(diameterreducing)處理，使熔合 線寬度機械性地變窄。其中，關于縮徑處理，優(yōu)選的是使用模具等的拔制、沖壓、使用孔式輥 的軋制等。并且，縮徑處理的溫度可以為冷軋、溫軋、熱軋中的任意一種溫度。縮徑處理尤其 優(yōu)選的是，利用感應加熱(induction heating)加熱到950 1000°C，以50 70%的縮徑 率(reduction of diameter)，將終軋溫度設為約 800°C 的減徑軋制(reducing rolling)。 如圖4所示，通過提高減徑軋制時的縮徑軋制率，能夠使熔合線寬度(減碳層寬度)2h變 窄。并且，在圖4中，作為減碳層寬度，測定了熔合線寬度2h。并且，考慮到以往所進行的通 電加熱為了防止脫碳，加熱到1000°C之后，最長也在1分鐘以內(nèi)變?yōu)?00°C以下，優(yōu)選減碳 層寬度2h在25 μ m以下，更優(yōu)選在16 μ m以下。當然，基于熱處理的觀點，減碳層寬度越小 越有利，但是如上所述，當降低電阻焊接時的熱輸入以減小減碳層寬度時，容易在電阻焊接 部發(fā)生冷焊(cold weld)等缺陷。因此，電阻焊接狀態(tài)下的減碳層寬度，優(yōu)選的是IOymW 上，更為優(yōu)選的是30 μ m以上。對于電阻焊接狀態(tài)下減碳層寬度超過30 μ m的情況，有效的 是，通過減徑軋制等提高縮徑軋制率，將減碳層的寬度機械性地縮小至25 μ m以下，更為優(yōu) 選的是縮小至16 μ m以下。在本發(fā)明中，在上述的淬火處理(quenching treatment)之后，還可根據(jù)需要接 著實施用于提高韌性的回火處理(tempering treatment)?；鼗鹛幚碇械募訜釡囟葍?yōu)選 的是設為150 450°C范圍的溫度?；鼗鸺訜釡囟炔蛔?50°C時，不能確保所希望的韌性 (toughness) 0另一方面，當超過450°C時，不能確保所希望的疲勞耐久性。本發(fā)明中適于作為電阻焊接鋼管的原材料的鋼板為具有如下所述的組成的鋼板: 以質(zhì)量 ％ 計包含 0. 15 0. 40% 的 C、0. 05 0. 50 % 的 Si、0. 30 2. 00 % 的 Mn、0. 01 0. 10% 的 A1、0. 001 0. 04% 的 Ti、0. 0005 0. 0050% 的 B 和 0. 0010 0. 0100% 的 N，且 Ti以及N滿足(N/14) < (Ti/47. 9)，或還包含選自1. 0%以下的Cr、1. 0%以下的M0、1. 0% 以下的W、1.0%以下的Ni、1.0%以下的Cu中的一種或兩種以上、和/或選自0. 2%以下的 Nb、0. 2%以下的V中一種或兩種、和/或0. 0050%以下的Ca，余量由Fe以及不可避免的雜 質(zhì)構成，優(yōu)選的是熱軋鋼板。并且，這里所說的“鋼板”還包含鋼帶。以下，對組成限定理由進行說明。并且，以下質(zhì)量％簡記為％。C :0· 15 0.40%C為通過固溶(solid solution)使鋼的強度增加、并且作為碳化物(carbide)和 /或碳氮化物(carbonitride)析出而提高回火后的強度的有用的元素。在本發(fā)明中，為了 確保所希望的鋼管的強度以及作為中空穩(wěn)定器用等部件所希望的淬火處理后的強度，需要 C含量為0.15%以上。另一方面，當含量超過0.40%時，淬火處理后的韌性下降。因此，C 限定在0. 15 0.40%的范圍。并且，優(yōu)選的是0. 20 0. 35%。Si :0· 05 0. 50%Si為作為脫氧劑(deoxidizing agent)起作用的元素，為了獲得這種效果，需要 Si含量為0. 05%以上。另一方面，當含量超過0. 50%時，脫氧效果達到飽和，因此不能期待 與含量相稱的效果，經(jīng)濟上變得不利，并且電阻焊接時容易產(chǎn)生夾雜物，給電阻焊接部的健 全性帶來影響。因此，Si限定在0.05 0.50%的范圍。并且，優(yōu)選的是0. 10 0.30%。Mn :0· 30 2. 00%Mn為通過固溶提高鋼的強度、并且使鋼的淬透性提高的元素，在本發(fā)明中，為了確Mn含量為0. 30%以上。另一方面，當含量超過2. 00%時，生成殘留 奧氏體(Y)，回火后的韌性下降。因此，Mn限定在0.30 2. 00%的范圍。并且，優(yōu)選的是 0. 30 1. 60%。Al :0· 01 0. 10%Al作為脫氧劑起作用，并且具有固定N而確保有效提高淬透性的固溶B量的效果 的元素。為了獲得這種效果，需要Al含量為0.01%以上。另一方面，當含量超過0. 10%時， 有時生成大量的夾雜物(inclusion)，使疲勞壽命(fatigue life)下降。因此，Al限定在 0.01 0. 10%的范圍。并且，優(yōu)選的是0.02 0.05%。B :0· 0005 0. 0050%B為使鋼的淬透性提高的有效的元素，并且B具有強化晶界的作用，具有防止淬裂 (quenching crack)的效果。為了獲得這種效果，需要B含量為0. 0005%以上。另一方面，當 含量超過0. 0050%時，上述的效果達到飽和，經(jīng)濟上變得不利。并且，當含量超過0. 0050% 時，有時生成粗大的含B析出物，韌性降低。由此，B限定在0.0005 0.0050%的范圍。并 且，優(yōu)選的是0. 0010 0. 0025% οTi :0· 001 0. 04%Ti作為N固定元素起作用，具有確保有效提高淬透性的固溶B量的效果。并且，Ti 以微細的碳化物形式析出，抑制焊接時、熱處理時晶粒的粗大化，提高韌性。為了獲得這種 效果，需要Ti含量為0. 001 %以上。另一方面，當含量超過0. 04%時，夾雜物的形成顯著， 韌性下降。因此，Ti限定在0.001 0.04%的范圍。并且，優(yōu)選的是0.02 0.03%。N :0· 0010 0. 0100%N為與鋼中的合金元素結合形成氮化物(nitride)、碳氮化物而有助于確?；鼗?后的強度的元素，為了獲得這種效果，需要N含量為0. 0010%以上。另一方面，當含量超過 0. 0100%時，引起氮化物的粗大化，韌性、疲勞壽命下降。因此，N限定在0. 0010 0. 0100% 的范圍。Ti以及N的含量在上述的范圍內(nèi)且滿足下式(N/14) < (Ti/47. 9)Ti以及N不滿足上述的式子時，淬火時的固溶B量不穩(wěn)定，因此不優(yōu)選。上述的成分為優(yōu)選的基本成分，但是本發(fā)明中，還可以在上述的基本組成的基礎 上，還含有以下所示的A組、B組以及C組中的一種或兩種以上。根據(jù)需要，可以選擇性地 含有A組和/或B組和/或C組。其中，A 組選自 Cr 1. 0% 以下、Mo 1. 0% 以下、W 1. 0% 以下、Ni 1. 0% 以下、Cu 1. 0% 以下中的一種或兩種以上，B組選自Nb 0. 2%以下、V :0. 2%以下中的一種或兩種，C 組Ca :0· 0050% 以下。A 組選自 Cr 1. 0% 以下、Mo 1. 0% 以下、W 1. 0% 以下、Ni 1. 0% 以下、Cu 1. 0% 以下中的一種或兩種以上Cr、Mo、W、Cu、Ni中的任意一個都是具有使鋼的淬透性提高的作用的元素，根據(jù)需 要，可以選擇性地含有一種或兩種以上。Cr在提高淬透性的基礎上還具有形成微細的碳化物而使強度提高的作用，有助于
11確保所希望的強度。為了獲得這種效果，優(yōu)選的是含有0.05%以上，但是當超過1.0%時， 上述的效果達到飽和，經(jīng)濟上變得不利，并且電阻焊接時容易生成夾雜物，給電阻焊接部的 健全性(soundness)帶來不好的影響。因此，Cr優(yōu)選的是限定在1. 0%以下。并且，更為優(yōu) 選的是0. 10 0. 30%。Mo在提高淬透性的基礎上還具有形成微細的碳化物而使強度提高的作用，有助于 確保所希望的強度。為了獲得這種效果，優(yōu)選的是含有0.05%以上，但是當超過1.0%時， 上述的效果達到飽和，經(jīng)濟上變得不利，同時生成粗大的碳化物，存在韌性降低的情況。因 此，Mo優(yōu)選的是限定在1.0%以下。并且，更為優(yōu)選的是0. 10 0.30%。W為在提高淬透性的基礎上具有使調(diào)質(zhì)處理(thermal refining)后的硬度和韌 性的平衡變得良好的作用的元素。為了獲得這種效果，優(yōu)選的是含有0.05%以上。另一方 面，當含量超過1.0%時，效果達到飽和，經(jīng)濟上變得不利。因此，W優(yōu)選的是限定在1.0% 以下。并且，更為優(yōu)選的是0. 10 0.30%。Ni為在提高淬透性的基礎上還有助于提高韌性的元素，為了獲得這種效果，優(yōu)選 的是含有0. 05 %以上，但是含量超過1. 0 %時，上述的效果達到飽和，經(jīng)濟上變得不利，而 且加工性下降。因此，Ni優(yōu)選的是限定在1.0%以下。并且，更為優(yōu)選的是0. 10 0.50%。Cu為在提高淬透性的基礎上具有防止延遲斷裂(delayed fracture)的效果的元 素，為了獲得這種效果，優(yōu)選的是含有0.05%以上。另一方面，當含量超過1.0%時，上述的 效果達到飽和，經(jīng)濟上變得不利，且加工性下降。因此，Cu優(yōu)選的是限定在1.0%以下。并 且，更為優(yōu)選的是0. 10 0.30%。B組選自Nb 0. 2%以下、V :0. 2%以下中的一種或兩種Nb、V為形成碳化物而有助于增加強度的元素，可根據(jù)需要選擇性地含有。為了獲 得這種效果，優(yōu)選的是含有Nb :0. 01%以上、V :0. 01%以上，但是當Nb含量超過0.2%、V含 量超過0.2%時，效果達到飽和，經(jīng)濟上變得不利。因此，優(yōu)選的是Nb限定在0.2%以下，V 限定在0.2%以下。C 組Ca :0· 0050% 以下Ca為抑制硫化物(sulfide)等夾雜物的形態(tài)且使加工性提高的元素，可根據(jù)需要 含有。為了獲得這種效果，優(yōu)選的是含有0. 0001%以上，但是另一方面，含量超過0. 0050% 時，使鋼的清潔度(cleanness)下降。因此，Ca優(yōu)選的是限定在0. 0050%以下。更為優(yōu)選 的是 0. 0003%— 0. 0010%。除上述成分之外的余量由Fe以及不可避免的雜質(zhì)構成。其中，作為不可避免的雜 質(zhì)，能夠容許的是P在0. 020%以下、S在0. 010%以下、0在0. 005%以下。P為給焊接抗裂性(weld cracking resistance)、韌性帶來不好的影響的元素，優(yōu) 選的是調(diào)整為0.020%以下。并且，更為優(yōu)選的是0.015%以下。S在鋼中以硫化物類夾雜物(sulfide inclusion)的形式存在，是使鋼管的加工 性、韌性、疲勞壽命下降、并且增大再熱裂紋敏感性(reheatcrack sensitivity)的元素，用 于中空穩(wěn)定器優(yōu)選的是調(diào)整為0. 010%以下。并且，更為優(yōu)選的是0. 005%以下。0在鋼中主要以氧化物類夾雜物(oxide inclusion)的形式存在，為了使鋼管的 加工性、韌性、疲勞壽命下降，用于中空穩(wěn)定器優(yōu)選的是調(diào)整為0.005%以下。并且，更為優(yōu) 選的是0. 002%以下。
以下，根據(jù)實施例，進一步對本發(fā)明進行說明。用上述的制造方法獲得的中空部件，對以鋼板作為原材料且具有減碳層的寬度為 2h(m)的電阻焊接部的電阻焊接鋼管至少實施淬火處理而得到，優(yōu)選的是除電阻焊接部以 外的母材部(鋼板)滿足上述的組成的中空部件。而且，本發(fā)明的中空部件是耐久性優(yōu)良 的部件，其特征在于，電阻焊接部的最低含碳量C1和母材部(鋼板)的含碳量Ctl的比C1ZiCtl 在0.83以上。并且，對于中空部件的電阻焊接部，使用通過由管圓周方向的EPMA或化學分 析的C分析而得到的值。以下，根據(jù)實施例，進一步對本發(fā)明進行說明。實施例將表1所示組成的熱軋鋼板(hot rolled steel sheet)作為原材料。對這些原 材料，在低溫下進行連續(xù)的冷成形(continuous cold forming)，形成大致圓筒狀的開口管 (open pipe)之后，對接該開口管的端部，通過高頻電阻焊接(high-frequency resistance welding)進行電阻焊接，形成電阻焊接鋼管(外徑30mmcp X壁厚6mm)。并且，對于一部 分，將熱軋鋼板作為原材料，通過冷成形同樣地形成開口管之后，進行電阻焊接，制造外徑 89mmφ X壁厚6. 2mm的母管，然后進一步加熱至950°C，實施終軋溫度為800°C的減徑軋制， 形成外徑30mmcp X壁厚6mm的鋼管。其中，在電阻焊接時，對焊接條件進行各種變更，如 表2和表3所示調(diào)整為各種熔合線寬度(減碳層寬度)2h。其中，熔合線寬度(減碳層寬 度)2h為從電阻焊接鋼管上裁取包含電阻焊接部的組織觀察用試驗片并進行組織觀察而 求出的。接著，對這些電阻焊接狀態(tài)的電阻焊接鋼管在圖2所示特征曲線(pattern)的熱 循環(huán)和表2及表3所示的條件下實施淬火處理。從得到的淬火狀態(tài)的電阻焊接鋼管上裁取 包含電阻焊接部的硬度測定用試驗片，實施硬度試驗(hardness measurement)，測定母材 部和電阻焊接部的淬火狀態(tài)的硬度。并且，對于得到的電阻焊接鋼管的電阻焊接部，在距管 外表面100 μ m的位置，通過由管圓周方向的EPMA的碳濃度分析，求出實際測量的最低含碳 量(^ (實測)。然后，算出(a)式的x = 0時的淬火處理后的最低含碳量C1,并除以母材部 (鋼板)的含碳量Ctl，從而算出計算值CVCtl以及實測值C1A^進而，在350°C下對淬火后 的鋼板實施20分鐘的回火之后，實施扭轉疲勞試驗(torsionfatigue test)，調(diào)查有無沿 電阻焊接部的異常的裂紋。將沿電阻焊接部的裂紋的情況用X表示，其他裂紋用〇表示。試驗方法如下。(1) 只—(microstructure observation)從獲得的電阻焊接鋼管上在包含電阻焊接部的管軸方向切出垂直截面并進行 研磨，使用金屬流動蝕刻液(5%苦味酸(picric acid)+表面活性劑(surface acting agent))進行腐蝕，使用光學顯微鏡(Iightmicroscope)(倍率(magnification ratio) 400倍)，觀察截面組織(sectionalstructure)。測定該截面組織中的未觀察到偏析線 (segregation line)的區(qū)域(層)的最大寬度并將其設為熔合線寬度(減碳層寬度)2h。(2)硬度試驗(hardness measurement)從獲得的電阻焊接鋼管上裁取硬度測定用試驗片，對于電阻焊接部以及母材部， 在板厚方向用維氏硬度計(Vickers hardness meter)(載荷(load) 4. 9N)測定維氏硬度 HV0.5。測定在距外表面0.2mm的間距(pitch)處進行，將得到的值進行算術平均(arithmetic average)，作為各鋼管的電阻焊接部、母材部的硬度。(3)扭轉疲勞試驗(torsion fatigue test)從外徑30mm(p X壁厚6mm的所得到的電阻焊接鋼管上裁取疲勞試驗用試驗材料 (管軸方向的長度250mm)，進行依據(jù)JIS Z 2273的交變扭轉疲勞試驗。扭轉疲勞試驗的 應力τ，對于成分Α、B、E材料，在τ = 380MPa下進行，對于C、D材料，在τ = 470MPa下 進行。得到的結果表示在表2以及3中。本發(fā)明例(供試材料No :1 8、10以及33 35)中的任意一個，都沒有出現(xiàn)電 阻焊接部的淬火后的硬度的顯著下降(電阻焊接部硬度/母材部硬度0. 98以上)，且在 扭轉疲勞試驗中，也都沒有出現(xiàn)沿電阻焊接部的異常的裂紋(在表2以及表3中，表示為 〇)。另一方面，不滿足本發(fā)明的減碳層寬度2h和熱處理條件的適當范圍式((VCtlSO. 83 以上)的比較例(供試材料No :9、11 13)，電阻焊接部的淬火硬度產(chǎn)生了顯著的下降，且 在扭轉疲勞試驗中也出現(xiàn)了沿電阻焊接部的異常的裂紋(在表2以及表3中，表示為X)。 并且，不滿足作為本發(fā)明的成分范圍的(N/14) < (Ti/47.9)的比較例成分E材料的供試材 料No. 36，即使?jié)M足本發(fā)明的減碳層2h和熱處理條件的適當范圍式(C1ZiCtl為0. 83以上)， 與相同C量的A材料相比，母材部、電阻焊接部的淬火硬度也都顯著地下降。
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權利要求
一種耐久性優(yōu)良的中空部件的制造方法，其特征在于，對以鋼板作為原材料且減碳層寬度為2h(m)的電阻焊接鋼管，實施包括淬火處理或進一步包括回火處理的熱處理，制成具有所希望的高強度的部件，所述淬火處理為，以加熱速度Vh(K/s)加熱至Ac3相變點以上的加熱溫度T(K)，保持均熱時間k(s)之后，立即以一次冷卻速度Vc(K/s)冷卻至淬火開始溫度Tq(K)，之后進行二次冷卻，對所述淬火處理中的所述加熱速度Vh、所述最高加熱溫度T、所述均熱時間k、所述一次冷卻速度Vc進行調(diào)整，使其滿足下式(1)，并且將所述淬火開始溫度Tq設為超過Ar3相變點的溫度， <mrow><mn>0.83</mn><mo>≤</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mn>0.09</mn> <mo>/</mo> <msub><mi>C</mi><mn>0</mn> </msub> <mo>)</mo></mrow><msubsup> <mo>∫</mo> <mrow><mo>-</mo><mi>h</mi> </mrow> <mi>h</mi></msubsup><mi>exp</mi><mrow> <mo>(</mo> <mo>-</mo> <msup><mi>y</mi><mn>2</mn> </msup> <mo>/</mo> <mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mi>Dt</mi><mo>)</mo> </mrow> <mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><msqrt> <mn>4</mn> <mi>πDt</mi></msqrt><mi>dy</mi><mo>·</mo><mo>·</mo><mo>·</mo><mo>·</mo><mo>·</mo><mo>·</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>其中，C0鋼板的含碳量(質(zhì)量％)，t(s)50/Vh+50/Vc+k，Vh加熱速度(K/s)，Vc一次冷卻速度(K/s)，k均熱時間(s)，D(m2/s)＝D0exp( Q/RT)，D04.7×10 5(m2/s)，Q＝155(kJ/mol·K)，R＝8.31(J/mol·K)，T最高加熱溫度(K)。
2.如權利要求1所述的中空部件的制造方法，其特征在于，所述鋼板具有如下組成 以質(zhì)量％計含有 C 0. 15 0. 40%, Si 0. 05 0. 50%, Mn 0. 30 2. 00%, Al 0. 01 0. 10%,Ti 0. 001 0. 04%,B 0. 0005 0. 0050%,N 0. 0010 0. 0100%，并且，Ti 以及 N滿足(N/14) < (Ti/47. 9)，余量由Fe及不可避免的雜質(zhì)構成。
3.如權利要求2所述的中空部件的制造方法，其特征在于，在所述組成的基礎上，以質(zhì) 量％計還含有選自1. 0%以下的Cr、l. 0%以下的Mo、l. 0%以下的W、l. 0%以下的Ni、l. 0% 以下的Cu中的一種或兩種以上。
4.如權利要求2或3所述的中空部件的制造方法，其特征在于，在所述組成的基礎上， 以質(zhì)量％計還含有選自0. 2%以下的Nb、0. 2%以下的V中的一種或兩種。
5.如權利要求2至4中任一項所述的中空部件的制造方法，其特征在于，在所述組成的 基礎上，以質(zhì)量％計還含有0. 0050%以下的Ca。
6.一種中空部件，通過對以鋼板為母材且具有減碳層寬度為2h(m)的電阻焊接部的電 阻焊接鋼管至少實施淬火處理而得到，其中，所述電阻焊接部的最低含碳量C1和母材部的 含碳量Ctl的比C/C。在0. 83以上。
7.如權利要求6所述的中空部件，其中，除所述電阻焊接部以外的母材部具有如下組 成以質(zhì)量 ％ 計含有 C:0. 15 0. 40%,Si 0. 05 0. 50%,Mn 0. 30 2. 00%,Al :0. 01 0.10%,Ti 0. 001 0. 04%,B 0. 0005 0. 0050%,N 0. 0010 0. 0100%，并且，Ti 以及 N滿足(N/14) < (Ti/47. 9)，余量由Fe及不可避免的雜質(zhì)構成。
8.如權利要求7所述的中空部件，其中，在所述組成的基礎上，以質(zhì)量％計還含有選自1.0%以下的Cr、l. 0%以下的Mo、l. 0%以下的W、l. 0%以下的Ni、l. 0%以下的Cu中的一 種或兩種以上。
9.如權利要求7或8所述的中空部件，其中，在所述組成的基礎上，以質(zhì)量％計還含有 選自0. 2%以下的Nb、0. 2%以下的V中的一種或兩種。
10.如權利要求7至9中任一項所述的中空部件，其中，在所述組成的基礎上，以質(zhì)量％ 計還含有0. 0050%以下的Ca。
全文摘要
提供耐久性優(yōu)良的中空部件的制造方法。具體而言，對以鋼板作為原材料且減碳層寬度為2h(m)的電阻焊接鋼管實施淬火處理，該淬火處理為以加熱速度Vh(K/s)加熱至Ac3相變點以上的加熱溫度T(K)，以一次冷卻速度Vc(K/s)立即冷卻至淬火開始溫度Tq(K)，之后進行二次冷卻(快速冷卻)，在實施上述處理時，對加熱速度Vh、最高加熱溫度T、一次冷卻速度Vc進行調(diào)整，使其滿足下式(其中，C0(質(zhì)量％)鋼板的含碳量(質(zhì)量％)，t擴散時間(s)，t＝50/Vh+50/Vc+k，Vh加熱速度(K/s)，Vc一次冷卻速度(K/s)，k均熱時間(s)，D擴散系數(shù)(m2/s)，D＝D0exp(-Q/RT)，D04.7×10-5(m2/s)，Q＝155(kJ/mol·K)，R＝8.31(J/mol·K)，T最高加熱溫度(K))，并且將所述淬火開始溫度Tq設為超過Ar3相變點的溫度。由此，抑制了電阻焊接部的淬火硬度的下降，顯著提高了熱處理后的部件的耐久性。。
文檔編號C21D9/08GK101925678SQ200980102749
公開日2010年12月22日 申請日期2009年1月20日 優(yōu)先權日2008年1月21日
發(fā)明者坂口雅之, 坂田敬, 河端良和 申請人:杰富意鋼鐵株式會社