CN101626848B - 无缝钢管、使用无缝钢管的中空弹簧及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供耐久性高的无缝钢管和使用了该无缝钢管的中空弹簧、以及能够以良好的生产效率高品质且低成本地制造该无缝钢管的制造方法。本发明的无缝钢管(1)是至少经过通过对圆筒状的钢材的钢坯(2)进行热静液挤压加工来制造无缝钢管中间体(1a)的热静液挤压工序(C)而制造的无缝钢管(1)，其中，在钢管的内周面和外周面形成的连续瑕疵的深度距各面为50μm以下。并且，本发明的无缝钢管的制造方法包括如下工序：钢坯成型工序(A)、第1加热工序(B)、热静液挤压工序(C)、第2加热工序(D)、延伸工序(F)/(G)、第3加热工序(H)和酸洗工序(I)。

Description

无缝钢管、使用无缝钢管的中空弹簧及其制造方法
技术领域
本发明涉及将形成为圆筒状的无缝钢管用作例如螺旋弹簧等的材料的无缝钢管及其制造方法。
背景技术
近年来，随着汽车轻量化，板材的铝化、底盘和主要车身的高强度化(高拉伸强度化)等正在推进。并且，汽车等的尾气等导致的地球变暖在国际上得到重视，减少尾气所含有的CO2作为重要课题得到关注，在这样的背景下，该轻量化的需求越发高涨。
例如，在汽车方面，作为减少CO2的方法被想到的手段，可以分为混合发动机、燃料电池马达方式、电池马达方式等新动力源的开发、或现有发动机的改良。
作为在现有发动机的改良中较多采用的方法，可以举出“燃烧方法的改善”、“轻量化带来的动力源的省力化”等。特别是由于欧州范围内2010年将引入燃料规范，各汽车制造商摩拳擦掌，致力于能够立即见效的汽车整体的轻量化。
为了顺应这样的要求，近年来也实施了用于汽车的弹簧的轻量化。例如，专利文献1提出了一种弹簧用无接头钢管(相当于本发明的“无缝钢管”)的制造方法：对由弹簧钢钢材形成的材料进行加热，进行曼内斯曼穿孔后，进行芯棒式无缝管轧，得到中空管坯，精轧所得到的中空管坯。
专利文献1：日本特开平1-247532号公报
但是，通过曼内斯曼穿孔来制造无缝钢管的情况下，在轧制最小径方面存在极限，由所述中空管坯制造例如10mm左右的无缝钢管的情况下，必须经过多次拉拔工序和加热工序。
特别是材料为弹簧钢的情况下热变形阻力大，一次拉拔所带来的断面收缩率为例如20％(具体地说，100mm2直径的管坯变成80mm2)，相比于通常的软钢等，必须显著减小断面收缩率。因此，专利文献1所述的制造方法存在生产效率极差的问题。
另外，利用专利文献1所述的制造方法制造的无缝钢管会由于反复的热加工而在表面上产生脱碳和轧制纹等，不得不对无缝钢管的外周面和内周面进行剥皮(磨削)。如果进行磨削，则会导致特别是无缝钢管的内周面产生损伤。
并且，专利文献1记载的制造方法中由于是通过曼内斯曼穿孔制造无缝钢管，使用硬度高的材料时会使工具破损。因此，还存在由于只能使用硬度低的材料而只能制造耐久性低的无缝钢管的问题。
另一方面，也存在通过反复进行加热处理和施压加工来制造无缝钢管的方法，但制造例如直径为10mm左右的小口径无缝钢管时存在加工效率极差、缺乏实用性的问题。
从以上的问题出发，现时的状况是，尽管过去在专利文献1等中提出了制造无缝钢管的技术，但硬度高、直径小的无缝钢管的制造实际上并没有实现。
并且，使用现有的无缝钢管的中空弹簧的情况下，无缝钢管本身的材料强度低，高应力下会出现弹簧的弹力减弱(永久变形)、破损，因而不得不降低设计应力，存在轻量化效果低的问题。
发明内容
本发明鉴于上述问题，目的在于提供耐久性高的无缝钢管和使用该无缝钢管的中空弹簧，以及还提供能够生产效率良好地、高品质且低成本地制造该无缝钢管的制造方法。
解决了上述课题的本发明的无缝钢管是经过热静液挤压工序由作为圆筒状钢材的钢坯成型而成的无缝钢管，其特征在于，在钢管的内周面和外周面形成的连续瑕疵的深度距各面为50μm以下。
如此地，由于使挤压时在外周面和内周面形成的连续瑕疵的深度距钢管的表面(内周面和外周面)为50μm以下，而使连续瑕疵的深度变得非常小，因此能够实现即使持续伸缩运动的情况下，也几乎不存在易成为破坏等的起点的部位的无缝钢管。
本发明的无缝钢管中，优选所述钢管的金属组织中含有非金属夹杂物，所述非金属夹杂物在与管轴正交的方向上的最大厚度为50μm以下。
如此地，本发明的无缝钢管中，非金属夹杂物在与无缝钢管的管轴正交的方向上的最大厚度非常小，为50μm以下，因此即使持续伸缩运动的情况下，也能够进一步消除易成为破坏等的起点的部位。
需要说明的是，本发明中的非金属夹杂物是指例如CaO-SiO2-Al2O3系等玻璃状夹杂物。
本发明的无缝钢管中，对于所述钢管的内周面和外周面的表面粗度，优选平均粗糙度Ra为12.5μm以下。
如此地，本发明的无缝钢管的内周面和外周面的平均粗糙度Ra为12.5μm以下时会变得非常光滑，因此即使持续伸缩运动的情况下，也能够进一步消除易成为破坏等的起点的部位。
本发明的无缝钢管优选其钢材为弹簧钢。
如此地，能够经过热静液挤压工序而将弹簧钢制成具有高硬度的无缝钢管，以往，弹簧钢不能用作无缝钢管的钢材。
使用了本发明的无缝钢管的中空弹簧的最主要的特征在于，为了提高材料洁净度和表面性状而利用热静液压对已加热的弹簧钢材料进行挤压加工，得到无缝弹簧钢管，对使用该无缝弹簧钢管形成为螺旋状、棒状或具有弯曲部的棒状的中空体施加赋予压缩残余应力的表面处理。利用该中空弹簧，能够使轻量化效果和提高疲劳强度这两者的同时实现。
解决了上述课题的本发明的无缝钢管的制造方法的特征在于包括如下工序：钢坯成型工序、第1加热工序、热静液挤压工序、第2加热工序、延伸工序、第3加热工序和酸洗工序。
如此地，本发明的无缝钢管的制造方法中，在钢坯成型工序中将钢材成型为圆筒状的钢坯，通过第1加热工序对成型的钢坯进行加热，以做好进行下一工序的热静液挤压加工的准备，在热静液挤压工序中进行热静液挤压加工，由此制造无缝钢管中间体。此时，由于实施热静液挤压加工，能够制造出无缝钢管中间体而几乎不会形成连续瑕疵(无缝钢管中间体与热静液挤压装置之间滑动会形成连续瑕疵)。另外，该制造方法中，在第2加热工序中对该无缝钢管中间体进行加热，形成易于成型的状态，在延伸工序中通过进行周期式轧管机轧制和拉拔加工之中至少1种加工来使该无缝钢管中间体延伸。并且，为了防止加工硬化，通过第3加热工序对延伸后的无缝钢管中间体进行加热，在酸洗工序中对延伸和加热后的无缝钢管中间体进行酸洗(清洗)，由此能够制造具有平滑的外周面和内周面的无缝钢管。
即，由于制造例如比较细长的无缝钢管等情况下无需进行曼内斯曼穿孔或芯棒式无缝管轧，能够以良好的生产效率、廉价地进行制造，制造成本不超过现有技术。并且，由于是利用能够获得平滑的外周面和内周面的热静液挤压加工而制造的，因此能够制造高品质的无缝钢管。
本发明的无缝钢管的制造方法优选在所述酸洗工序后还包括对经酸洗的所述无缝钢管进行弯曲矫直的矫直工序。
如此地，通过进行弯曲矫直，在利用该无缝钢管制造例如螺旋弹簧等的情况下，能够防止局部产生异常应力，从而能够制造耐久性优异的产品。
本发明的无缝钢管的制造方法优选在所述第2加热工序后还具有对已加热的所述无缝钢管中间体的内周面进行磨削加工的磨削工序。
并且，本发明的无缝钢管的制造方法优选在所述矫直工序后对所述无缝钢管的内周面进行磨削。
如此地，通过对由加热处理生成的脱碳层进行磨削来消除不进行淬火的部分，并通过使表面硬度均一化而能够制造耐久性优异且可靠性高的无缝钢管。
本发明的无缝钢管的制造方法优选所述热静液挤压温度为1050℃以上且不足1300℃。
如此地，通过将热静液挤压温度限定在特定的范围，能够适当地控制非金属夹杂物的最大厚度和单位面积上的金属夹杂物个数，能够制造出具有优异的耐久性的无缝钢管。
本发明的无缝钢管的制造方法也可以将所述第2加热工序替换为使经热静液挤压加工的所述无缝钢管中间体缓冷的缓冷工序。
如此地，不进行第2加热工序，而使经热静液挤压加工的无缝钢管中间体缓冷，由此也能够进行使该金属组织中的碳化物球状化的处理，从而能够制造出不仅具有上述优异的耐久性、而且冷加工性、磨削性(切削加工性)、韧性等得到了提高的无缝钢管。
本发明的无缝钢管利用热静液挤压加工来制造，由此具有平滑的外周面和内周面，因此即使在持续伸缩运动的情况下，也没有易成为破坏等的起点的部位，其结果疲劳寿命等耐久性优异。
并且，本发明的无缝钢管与同直径的实心钢材相比重量能够减轻(轻量化)大约30～40％。
本发明的中空弹簧中，为了提高材料洁净度和表面性状而利用液压对已加热的弹簧钢材料进行挤压加工，得到无缝弹簧钢管，对使用该无缝弹簧钢管形成为螺旋状、棒状或具有弯曲部的棒状的中空体实施了赋予压缩残余应力的表面处理，因此能够提高设计应力(因为中空弹簧的材料强度高，即使在高应力下也能够抑制中空弹簧的弹力减弱(永久变形)、折断破损)，能够使轻量化效果和提高疲劳强度这两者的同时实现。
对于应用于汽车部件的情况下的几个效果，如下进行说明。
首先，为了提高发动机性能，利用提高发动机的极限转速以提高输出功率的方法和改良吸排气口的形状等手段，来改善输出功率特性等。其中，作为决定发动机的极限转速的要素，阀动机构的运动是其重要控制因素。经由凸轮传递的曲轴的旋转运动与阀的上下运动有关，阀弹簧压住上下运动的阀，起到将其推回的作用。所以，当阀弹簧本身的上下运动不能跟随凸轮的旋转运动时，就出现了发动机的极限转速。因此，为了提高性能，提高弹簧载荷或降低包括弹簧在内的阀等往复运动部分的惯性重量是必不可少的。为了满足上述条件，希望能降低弹簧本身的重量，而且进行小型化，并同时维持、提高弹簧载荷(例如，随着轻量化所致的阀弹簧固有频率的上升，提高发动机极限转速)。
通过减轻阀弹簧的惯性重量所带来的油耗定额改善效果较大，通常在弹簧重量减少20％时，能够实现约0.5～1.0％的油耗定额改善，能够期待较大的效果。
其次，汽车悬架的悬挂弹簧对乘坐舒适感和转弯等行驶性能有较大影响，是决定该车辆的商品性的重要因素。除了车辆的基本结构外，该悬架性能还在很大程度上取决于包括悬挂弹簧在内的悬架本身的特性和轮胎部分的簧下重量。用于悬架的悬挂弹簧由于支撑车辆的全部车重，需要适应高载荷，因此重量也变大。于是，如果能与发动机的阀弹簧同样地使该部件轻量化，则能够减少簧下重量。例如，簧下载荷的轻量化的效果是车体轻量化的效果的10倍。此外簧下载荷的轻量化还使结构整体小型化，并且不仅能够提高乘坐舒适感，而且因采用了新结构的物品而提高了商品的竞争力。
根据本发明的无缝钢管的制造方法，能够通过热静液挤压加工容易地制造无缝钢管而不进行穿孔等，因此能够减少工序数。结果能够在提高生产效率的同时，以低成本进行制造。
并且，本发明的无缝钢管的制造方法进行了热静液挤压加工，因此能够制造外周面和内周面平滑的高品质的无缝钢管。
另外，本发明的无缝钢管的制造方法不采用曼内斯曼穿孔和芯棒式无缝管轧等，所以能够容易地制造无缝钢管。
附图说明
图1是用于制造本发明的无缝钢管的热静液挤压装置的主要部位放大截面图。
图2是本发明的实施方式的中空螺旋弹簧的截面图。
图3是显示t/D与轻量化率和孔部应力的关系的曲线图。
图4是显示t/D与(弹簧)压紧高度增加率和孔部应力的关系的曲线图。
图5是本发明的实施方式的中空螺旋弹簧的截面图。
图6是本发明的实施方式的中空螺旋弹簧的截面图。
图7是本发明的实施方式的中空螺旋弹簧的截面图，图7(a)、图7(b)、图7(c)是各实施方式的中空螺旋弹簧的主要部位截面图。
图8是说明本发明的无缝钢管的优选制造方法的流程的说明图。
图9是显示中空螺旋弹簧的制造工序的框图。
图10是显示本发明的中空螺旋弹簧的内面喷丸(内面ショット)的示意图。
图11是将表9的悬挂弹簧的耐久性试验结果作图得到的曲线图。
具体实施方式
以下适当参照附图对本发明的无缝钢管、使用了无缝钢管的中空螺旋弹簧及其制造方法进行详细说明。
[1.无缝钢管]
首先，参照图1，对本发明的无缝钢管进行详细说明。
其中，图1是用于制造本发明的无缝钢管的热静液挤压装置的主要部位放大截面图。
如图1所示，本发明的无缝钢管至少经过热静液挤压工序而制造，在热静液挤压工序中，通过对作为圆筒状的钢材的钢坯2进行热静液挤压加工来制造无缝钢管中间体1a。
该无缝钢管1通过在热静液挤压工序中进行热静液挤压加工，能够从热加工的阶段开始就具备非常平滑的表面(外周面和内周面)。
该热静液挤压加工中，利用热静液挤压装置10对无缝钢管中间体1a进行挤压加工时使用了粘塑性的压力介质17，因此即使施加例如1GPa(1万个大气压)左右的巨大压力，也能够大幅减少热静液挤压装置10与无缝钢管中间体1a之间的摩擦，能够制造没有连续瑕疵和表面粗糙、表面性状优异的无缝钢管1。
其中，作为此处使用的压力介质17，优选使用油脂系中加有石墨的润滑剂。
该无缝钢管1的内周面和外周面形成的连续瑕疵的深度距表面为50μm以下。
其中，连续瑕疵是指，制造无缝钢管1时，由于与热静液挤压装置的一部分相接触等原因，从该无缝钢管1的一端侧向另一端侧，在其外周面、内周面上连续形成的较长划痕。
此处，例如，当使螺旋弹簧持续伸缩运动而产生折断破损等时，通常多因为螺旋弹簧表面存在的连续瑕疵等表面异常、非金属夹杂物等导致的破坏或龟裂。
因此，本发明中，通过使该连续瑕疵的深度距外周面和内周面的表面为50μm以下、优选为45μm以下、更优选为40μm以下、进一步优选为38μm以下、进一步更优选为35μm以下，能够基本消除易成为破坏等的起点的部位。
另一方面，连续瑕疵的深度距外周面和内周面的表面超过50μm时，使弹簧持续伸缩运动的情况下，会由该连续瑕疵产生破坏和龟裂，因此是不优选的。
并且，使用热静液挤压装置10时，可以使无缝钢管1的外周面和内周面的表面粗度的平均粗糙度Ra较低，如使平均粗糙度Ra为12.5μm以下。
该平均粗糙度Ra超过12.5μm时，表面粗糙严重，因此在使弹簧持续伸缩运动的情况下，产生了较多易成为破坏和龟裂的起点的部位，因此是不优选的。其中，平均粗糙度Ra越低越优选。平均粗糙度Ra优选例如为12μm以下，更优选为10μm以下，进一步优选为8μm以下，进一步更优选为4μm以下，平均粗糙度Ra没有下限。
其中，表面粗度Ra优选以在无缝钢管的内周面和外周面的管轴方向上测定的粗糙度来进行规定。
如图1所示，热静液挤压装置10的构成如下，其具有：通过支持部件12在前端设有模头11的容器13；配置在容器13内的密封活塞14；挤压该密封活塞14的轴杆15；贯穿密封活塞14和轴杆15并形成无缝钢管中间体1a的内径的芯棒16。
其中，该无缝钢管中间体1a通过经过后续进行的各工序而形成无缝钢管1。
该热静液挤压装置10中，将预先加热至高温(例如1050℃以上且低于1300℃)而软化的钢坯2配置在容器13内，通过压力介质17以密封活塞14挤压钢坯2，由此将该钢坯2从模头11和芯棒16之间挤出，制成无缝钢管中间体1a。
具体地说，通过使用该热静液挤压装置10对例如内径为50～60mm、外径为140～160mm的中空状的钢材的钢坯2进行热静液挤压加工，能够容易地制造出例如外径为30～60mm、厚度为4～7mm的无缝钢管1。
需要说明的是，毋庸赘言，所述钢坯2的内径和外径、无缝钢管1的外径和厚度可以适当改变，当然不限于所述范围。
此处，作为用于制造本发明的无缝钢管1的钢材，可以使用例如SiCr钢、更高强度的SiCrV钢等所谓的弹簧钢。具体地说，可以适宜地使用JIS G 3560、JIS G 3561等，更具体地说，可以特别适宜地使用株式会社神户制钢所制造的KHV12N、KHV10N、KHV6N、KHV7、CRV、HRS6、SRS600、UHS 1900、UHS2000等。
作为这样的钢材，可以适宜地使用具有如下组成的钢材，其中含有C：0.3～1.0质量％、更优选为0.5～小于0.7质量％；Si：0.1～3.0质量％、更优选为1.0～3.0质量％；Mn：0.05～1.5质量％、更优选为0.5～1.5质量％；Ni：0～2.5质量％、更优选为0.05～0.5质量％；Cr：0～2.0质量％、更优选为0.05～1.5质量％；Mo：0～0.8质量％；V：0～0.8质量％、更优选为0.05～0.3质量％；Ti、Nb、Co、W：0～0.5质量％，其余为Fe和不可避免的杂质。
(C：0.3～1.0质量％)
C在提高拉丝材料(即无缝钢管(包括无缝钢管中间体))的拉伸强度、确保疲劳特性和耐弹力减弱性的方面是有用的元素。
C的含量超过1.0质量％时，缺陷敏感性增大，产生由表面瑕疵或非金属夹杂物带来的龟裂，疲劳寿命特性会恶化。
但是，C的含量小于0.3质量％时，不仅不能确保作为高应力弹簧所必需的拉伸强度，而且助长疲劳龟裂产生的先共析铁素体的量变多，导致疲劳寿命特性恶化。
因此，将本发明的C的含量限定为0.3～1.0质量％。其中，更优选的含量为0.5～小于0.7质量％。
(Si：0.1～3.0质量％)
Si是通过固溶强化提高无缝钢管的拉伸强度、有助于疲劳寿命特性和耐弹力减弱性的改善的元素。
Si的含量小于0.1质量％时，不能获得所述效果。
但是，Si的含量超过3.0质量％而变得过剩时，表面脱碳，瑕疵增加，耐疲劳性变差。
因此，将本发明的Si的含量限定为0.1～3.0质量％。其中，更优选的含量为1.0～3.0质量％。
需要说明的是，C的含量降低时，需要相应地增大Si的含量。
(Mn：0.05～1.5质量％)
Mn是使珠光体组织致密化且整齐化、有助于疲劳特性的改善的元素。
Mn的含量小于0.05质量％时，无法获得上述效果。
但是，Mn的含量超过1.5质量％而过剩含有时，在热静液挤压等时，易于生成贝氏体组织，导致疲劳特性恶化。
因此，将本发明中的Mn的含量限定为0.05～1.5质量％。其中，更优选的含量为0.5～1.5质量％。
(Ni：0～2.5质量％)
Ni也可以不含有，但由于具有在降低缺口敏感性的同时提高韧性的效果，因此优选含有Ni。并且，Ni在例如进行弹簧卷绕加工等情况下具有抑制折断破损以及提高疲劳寿命的效果。
为了获得这样的效果，可以含有0.05质量％以上的Ni。
但是，Ni的含量超过2.5质量％而变得过剩时，在热静液挤压等时，易于生成贝氏体组织，导致相反效果。
因此，将本发明的Ni的含量限定为0～2.5质量％。其中，更优选为0.05～0.5质量％。
(Cr：0～2.0质量％)
Cr也可以不含有，但由于能够缩小珠光体层间隔，增加热静液挤压后或加热处理后的强度，提高耐弹力减弱性，因此优选含有Cr。
为了获得这样的效果，可以含有0.05质量％以上的Cr。
但是，Cr的含量超过2.0质量％变得过剩时，钢丝韧化处理(パテンティング)时间变得过长，而且韧性和延性会恶化。
因此，将本发明的Cr的含量限定为0～2.0质量％。其中，更优选为0.05～1.5质量％。
(Mo：0～0.8质量％以下)
Mo也可以不含有，但由于其提高了淬火性，有助于弹簧钢的高强度化，因此也可以含有Mo。
为了获得这样的效果，可以含有0.2质量％以上的Mo。
但是，Mo的含量过多时会使延韧性极度恶化，因此有必要抑制在0.8质量％以下。
因此，将本发明的Mo的含量限定为0～0.8质量％以下。
(V：0～0.8质量％)
V也可以不含有，但由于在使珠光体球(パ一ラィトノジュ一ル)尺寸变得微细来改善无缝钢管的加工性的方面有用，因此优选含有V。并且，V在制成例如弹簧材等的情况下，在改善该弹簧材的韧性和耐弹力减弱性等方面是有用的。
为了获得这样的效果，优选含有0.05质量％以上的V。
V的含量超过0.8质量％而过剩含有时，在热静液挤压等时易于生成贝氏体组织，导致疲劳寿命恶化。
因此，将本发明的V的含量限定在0～0.8质量％。其中，更优选为0.05～0.3质量％。
(不可避免的杂质)
本发明的无缝钢管中的基本成分组成如上所示，其余部分实质上由Fe构成，但除了上述各种成分以外，也可以含有不妨碍使用了钢材的无缝钢管的特性的程度的微量成分，含有微量成分的无缝钢管也包括在本发明的范围中。作为所述微量成分，可以举出杂质，特别是P、S、As、Sb、Sn等不可避免的杂质。
如此地，由于本发明的无缝钢管1使用具有高硬度的弹簧钢来制造，因此尽管是中空材料，但其硬度也能够与现有产品那样使用一般结构用轧制钢(JIS G 3101)、机械结构用碳钢(JIS G 4051)等制造出的实心材料大致相同。
并且，尽管使用了那样硬的钢材，但由于能够通过热静液挤压加工制造无缝钢管中间体、进而制造无缝钢管(即制造时不进行穿孔等)，因而制造容易且制造成本低。其中，在进行热静液挤压后，进行适当的冷加工、热处理等，还可以进一步具有所期望的性质。
因此，本发明的无缝钢管1可以具有以往无法获得的高硬度，例如具有Hv500以上的维氏硬度。需要说明的是，本发明的无缝钢管1可以具有更高的硬度，这一点自不用说，例如，还可以具有Hv550以上的维氏硬度、Hv600以上的更高的维氏硬度、Hv650以上的进一步高的维氏硬度。
并且，本发明的无缝钢管1在金属组织中含有非金属夹杂物，优选非金属夹杂物在与该无缝钢管的管轴正交的方向上的最大厚度为50μm以下。需要说明的是，对于要求寿命(伸缩运动)超过1千万次的部件，优选其中含有的非金属夹杂物在与无缝钢管的管轴正交的方向上的最大厚度小于30μm且每100mm2的个数小于30个。
当非金属夹杂物在与管轴正交的方向上的最大厚度超过50μm时，在例如重复疲劳部件等中，由于应力集中，可能会导致疲劳破坏，而不优选。另一方面，由于从提高耐久性的方面出发优选不含有非金属夹杂物，因此其含量没有下限。
需要说明的是，非金属夹杂物的最大厚度和每100mm2的个数可以通过利用扫描型电子显微镜观察横截面等现有公知的方法来测定。
如上述说明的那样，对于本发明的无缝钢管1来说，通过对连续瑕疵的深度；金属组织中所含有的非金属夹杂物的最大长度、最大厚度、单位面积上的个数；组成成分的范围；和内周面与外周面的平均粗糙度Ra进行适当控制，即使在使弹簧持续伸缩运动的情况下，也不会发生折断破损等，因此耐久性优异。并且，本发明的无缝钢管1能够具有高于现有的无缝钢管的硬度。
并且，由于是中空材料，与实心材料相比，重量能够减轻30～40％。其实现了与用作车辆部件时的β钛合金大致同等的轻量化。
[2.中空弹簧]
本发明的无缝钢管1可以适宜地用作压缩螺旋中空弹簧、拉伸螺旋中空弹簧、扭转中空弹簧等中空弹簧的材料。特别地，如上所述，只要以高硬度的钢材(例如弹簧钢)制造无缝钢管1，并用其制作中空弹簧，就能够制成弹簧常数大的压缩螺旋中空弹簧等。更具体地说，作为其实用例，可以举出例如中空的阀弹簧、中空的悬架弹簧等。如此地，与现有的实心的阀弹簧和悬架弹簧相比，其重量能够减轻30～40％。
图2是构成本发明的一个实施方式的中空弹簧的中空螺旋弹簧的截面图。中空螺旋弹簧31作为汽车用的悬挂弹簧或阀弹簧等来使用，利用液压对已加热的弹簧钢材料进行挤压加工以提高材料洁净度和表面性状，使用挤压加工后的无缝弹簧钢管形成螺旋状的中空体，同时实施赋予压缩残余应力的表面处理。
构成所述中空螺旋弹簧31的中空体的截面的厚度t与外径D之比设定为t/D＝0.10～0.35，优选t/D＝0.20～0.30。表1是表示t/D与轻量化率等的关系的表，图3是显示t/D与轻量化率和孔部应力的关系的曲线图，图4是显示t/D与(弹簧)压紧高度增加率和孔部应力的关系的曲线图。
【表1】
Figure G2007800521539D00131
如表1以及图3和图4所示，减少t/D、提高轻量化率时，孔部33的内径侧应力也相对变高(图3)，外径D的增大导致(弹簧)压紧高度也变高(图4)。因此，抑制(弹簧)压紧高度的同时提高轻量化率是重要的。
此处，中空螺旋弹簧31的孔部33的内表面赋予了压缩残余应力时，疲劳强度为970MPa，而未赋予压缩残余应力时的疲劳强度为600MPa。因此，如表1所示，中空螺旋弹簧31的孔部33的内表面未赋予压缩残余应力时，从强度上看t/D＝0.25的设定成为极限，在该极限值达到最轻重量。中空螺旋弹簧31的孔部33的内表面赋予了压缩残余应力时，也可以设定成t/D＝0.10，相比于t/D＝0.25的设定重量更轻。t/D＝0.35的设定虽然比t/D＝0.25的设定重量要重，但与现有的弹簧相比能够实现轻量化，是容许的范围。
对此进行综合判断，确定在轻量化率的变化中可见拐点的点，确定了t/D＝0.10～0.35的范围。
所述中空螺旋弹簧31的硬度为Hv＝500以上，如图2所示，截面外形35(外周圆)与截面内形36(孔部33的内周圆)的形状和相对位置大致为圆形同心。中空螺旋弹簧31的截面外形35与截面内形36的相对位置通过对构成所述中空螺旋弹簧31的中空体的螺旋径和材料硬度进行设定来确保。
对于本实施方式的中空螺旋弹簧31来说，由于利用液压对已加热的弹簧钢材料进行挤压加工以提高材料洁净度和表面性状，使用得到的无缝钢管形成为螺旋状的中空体，同时实施了赋予压缩残余应力的表面处理，因此容易均一地赋予压缩残余应力，能够提高设计应力(因为中空弹簧的材料强度高，即使在高应力下也能够抑制弹簧的弹力减弱(永久变形)、折断破损)，能够使轻量化效果和提高疲劳强度这两者的同时实现。
图5是本发明的其他的实施方式的中空螺旋弹簧的截面图。
本实施例的中空螺旋弹簧31A中，截面内形36相对于截面外形35的相对位置存在偏心，偏向构成中空螺旋弹簧31A的中空体的螺旋径方向的外侧。因此，以外径侧的厚度t2为基准时，中空螺旋弹簧31A的内径侧的厚度t1相对较厚。
该中空螺旋弹簧31A的截面外形35和截面内形36的相对位置通过对构成所述中空螺旋弹簧31A的中空体的螺旋径和材料硬度的设定以及材料状态下的相对位置来确保。
因此，图5的中空螺旋弹簧31A中，除了图2的中空螺旋弹簧31的效果外，还能够使与中空螺旋弹簧31A的外径侧相比受到相对更高应力的内径侧的强度进一步提高，从而能够提高耐久性。
图6是本发明的其他的实施方式的中空螺旋弹簧的截面图。
本实施例的中空螺旋弹簧31B中，截面外形35和截面内形36的形状均为椭圆形，截面在构成中空螺旋弹簧31B的中空体的螺旋轴心方向上成为扁平形状。截面外形35和截面内形36的椭圆为同心。
该中空螺旋弹簧31B的截面外形35和截面内形36的相对位置通过对中空体的螺旋径和材料硬度的设定来确保。所述扁平截面形状通过无缝弹簧钢管的轧制处理来实现。
因此，本实施方式的中空螺旋弹簧31B中，除了图2的中空螺旋弹簧31的效果外，还能够降低中空螺旋弹簧31B的高度，并且能够使内径侧和外径侧的应力均等。
图7显示了本发明的其他的实施方式的中空弹簧，图7(a)、图7(b)、图7(c)是各实施方式的中空弹簧的主要部位截面图。
图7(a)中，中空螺旋弹簧31C的截面外形35为椭圆形的扁平形状，截面内形36为正圆形状。
图7(b)中，中空螺旋弹簧31D的截面外形35为螺旋内径侧的曲率半径较小的卵形，截面内形36为正圆形状。
图7(c)中，中空螺旋弹簧31E的截面外形35是以椭圆形(或正圆形)为基本形状而使螺旋轴方向的两面呈平坦的形状，截面内形36为椭圆形(或卵形)。截面外形35也可以形成为矩形。
在本发明的实施方式的中空弹簧中，包括构成中空螺旋弹簧31B、31C、31D、31E的中空体的至少截面外形形成为非圆形形状的中空弹簧。
本发明也能够适用于中空减摇装置(中空スタビラィザ)，其是具有弯曲部的棒状的中空体。中空减摇装置在棒状的本体部的两端部具有臂部，在本体部和臂部之间具有弯曲部。本发明也可以不构成螺旋弹簧，而构成扭杆，扭杆是一种棒状弹簧，其不具有弯曲部。
[3.无缝钢管的制造方法]
下面对本发明的无缝钢管的制造方法进行说明。
其中，图8是说明本发明的无缝钢管的优选制造方法的流程的说明图。
作为制造本发明的无缝钢管1的方法，如图8所示，其包括例如钢坯成型工序(图8(A))、第1加热工序(图8(B))、热静液挤压工序(图8(C))、第2加热工序(图8(D))、延伸工序(图8(F)和/或图8(G))、第3加热工序(图8(H))和酸洗工序(图8(I))，通过进行这些工序的工序内容，可以制造出作为制品的无缝钢管1。
其中，如图8所示，本发明的无缝钢管的制造方法更优选在酸洗工序(图8(I))后具有弯曲矫直工序(图8(J))，进一步优选在第2加热工序(图8(D))后具有磨削工序(图8(E))。
以下依次对最优选方式的本发明的无缝钢管的制造方法的各工序的内容进行说明。
钢坯成型工序(A)中，将钢材2a成型为圆筒状的钢坯2(中空钢坯)。这种成型可以通过进行锻造等来进行。
并且，第1加热工序(B)中，将该钢坯2加入加热炉中，于1050℃以上且低于1300℃的温度进行加热处理，使钢坯2软化。加热炉可以使用电炉、煤气炉等。对此时的加热时间没有特别限定，只要能使钢坯2充分软化即可。并且，该加热时间可以根据钢坯2的大小等适宜改变。
热静液挤压工序(C)中，使用上述说明的热静液挤压装置10对加热至1050℃以上且低于1300℃的钢坯2进行热静液挤压加工，从而制造无缝钢管中间体1a。
其中，将热静液挤压工序(C)中的钢坯2的挤压温度设为第1加热工序(B)的加热温度(即1050℃以上且低于1300℃)为宜。从影响弹簧的耐久性的钢中夹杂物的个数、尺寸的方面出发，挤压温度在1100℃以上且低于1280℃之间是最适宜的，但考虑到夹具类的损伤，在低温侧进行挤压可以获得能够减轻夹具损伤的优点。因此，对于挤压温度的推荐范围，略将下限范围降低，应设定为1050℃以上且低于1200℃，但在更重视品质的情况下，也可以设定为1100℃以上且低于1200℃。
并且，从在金属组织中单位面积上的非金属夹杂物的个数、尺寸(最大厚度)的方面出发，设定挤压温度的理由如下。挤压温度上升时，非金属夹杂物软化，通过挤压而变形、断裂，促进微细化。但是，由于结晶化及伴随结晶化的结晶成长也同时进行，因此挤压温度过高时，可能会由于结晶化而导致非金属夹杂物的粗大化。另一方面，对于非金属夹杂物的软化温度，钢材(例如弹簧钢)的情况为1100℃以上且低于1280℃，推荐将挤压温度设定为软化温度以上。并且，由金属组织的变形带来的非金属夹杂物的变形、断裂效果取决于非金属夹杂物与金属组织的相对强度差。因此，挤压温度过高时，金属组织强度的降低超过了软化的非金属夹杂物，与结晶化进行的同时微细化效果受损。因此，优选挤压温度为不低于非金属夹杂物的软化温度且挤压温度尽量低。
另一方面，挤压温度越高，热静液挤压时金属模具的寿命越短，因此，考虑到综合成本，以将挤压温度设定得更低为宜。于是，将挤压温度设低50℃，以1050℃作为挤压温度的下限。当挤压温度比1050℃更低时，不仅非金属夹杂物的不良影响不能忽视，挤压力也变得过大，因此存在品质会变差、增加设备的负担等问题，是不适宜的。
并且，热静液挤压加工的特长在于如下方面，在上述特定的温度范围进行热静液挤压加工的情况下，钢材与热静液挤压装置10的工具之间的摩擦小于通常的挤压装置，因此能够使无缝钢管中间体1a的表面状态变得平滑。其结果，除了例如能够使无缝钢管中间体1a的表面变得美观、使平均粗糙度Ra为50μm以下，还具有表面晶粒变小的倾向。因此，将由此制造的无缝钢管1加工成例如螺旋弹簧这样的制品进行使用时，由于在中空弹簧的最表面上应力最大，因此表面具有微细晶粒、表面粗度小以及表面缺陷(瑕疵、褶皱等)少使弹簧的寿命延长。所述热静液挤压工序中，在挤压加工时使用在油脂系中加有石墨的润滑剂时，会减小挤压阻力，能够将无缝弹簧钢管顺利地挤压成型。从而能够得到非金属夹杂物少、无表面粗糙的无缝钢管。
第2加热工序(D)中，将无缝钢管中间体1a在加热炉中加热。此时的加热温度以650～750℃为宜。需要说明的是，对加热时间没有特别限定，只要该无缝钢管中间体1a整体得以加热即可，例如以0.1～1小时为宜。如果加热温度小于650℃或加热时间小于0.1小时，则由于无缝钢管中间体1a的加热不充分，无法平稳地进行后续工序的磨削和延伸。另一方面，如果加热温度超过750℃，则达到淬火温度而不优选。并且，加热时间即使超过1小时，由于加热效果达到饱和，在经济方面不优选。
磨削工序(E)中，至少对无缝钢管的外表面进行磨削，进行表面的脱碳、去除微小的瑕疵，从而进一步提高表面性状。该磨削工序(E)中，可以对外表面和内表面双方进行磨削。其中，磨削尺寸会因所使用的钢材的种类而不同，而且还根据第1加热工序和第2加热工序而不同，因此优选预先进行实验等，适当设定条件。
延伸工序中，使已加热的无缝钢管中间体1a延伸。无缝钢管中间体1a的延伸可以通过周期式轧管机轧制(F)和拉拔加工(G)之中至少1种加工来进行。
例如，也可以通过拉拔加工(G)进行适度的轧制后，通过周期式轧管机轧制(F)使用模头11进行抽伸(拉拔)。
周期式轧管机轧制(F)是从两侧压住无缝钢管中间体1a使其变得扁平的加工，由此使无缝钢管中间体1a伸长，从而能够在后续工序中减少抽伸加工。此处，周期式轧管机轧制(F)并不是仅仅由两个方向将无缝钢管中间体1a挤压成扁平而进行轧制，也可以例如均等地以三个方向、四个方向或更多的方向进行挤压轧制，由此进一步提高正圆度来延伸无缝钢管中间体1a，能够更主动地使拉拔加工(G)变得省力。
需要说明的是，例如，如果该周期式轧管机轧制(F)过度进行，则进行抽伸的情况下，会在无缝钢管中间体1a的圆周方向上产生厚度不均，因此也可以省略。并且，反复进行拉拔加工(G)的情况下，也可以以周期式轧管机轧制(F)的轧制加工来代用。但是，这种情况下，优选最终利用拉拔加工(G)来进行抽伸加工，以确保断面收缩加工后的无缝钢管中间体1a的正圆度。
然后，由于延伸(抽伸)后的无缝钢管中间体1a会加工硬化，因此在第3加热工序(H)中将无缝钢管中间体1a加热到650～750℃，进行退火(焼鈍)。第3加热工序的加热处理温度小于650℃时，退火不十分而不优选。另一方面，第3加热工序的加热处理温度超过750℃时，由于退火的效果已经饱和，在经济上不优选。
接下来，在酸洗工序(I)中对退火后的无缝钢管中间体1a进行酸洗，将附着于无缝钢管中间体1a的油脂(压力介质17)和锈迹等除去。
每次拉拔加工(G)只能进行25％以下的缩径处理，因此优选以预定次数反复进行所述拉拔加工(G)、第3加热工序(H)、酸洗工序(I)，以制造出所期望的直径的无缝钢管中间体1a。
其中，更优选最后在弯曲矫直工序(J)中进行弯曲矫直，制造出作为制品的无缝钢管1。
其中，在本发明的无缝钢管的制造方法中，也可以不进行所述第2加热工序(D)，而以使已加热的无缝钢管中间体1a缓冷的缓冷工序(未图示)来代替。
通常，经过热静液挤压而缩径的无缝钢管中间体1a会暴露在大气中，因此由上述的1050℃以上且低于1300℃的温度被快速地冷却。因此，该无缝钢管中间体1a处于进行了淬火的状态，硬度会非常高。这样的状态是无法进行其后进行的诸工序(例如磨削工序(E)、延伸工序(周期式轧管机轧制(F)和/或拉拔加工(G))等)的。
因此，在第1加热工序(C)中加热，使其金属组织的状态暂时变成奥氏体组织后，使该无缝钢管中间体1a在该缓冷工序(未图示)进行缓冷，从而进行退火。
由此能够实现残余应力的除去、无缝钢管中间体1a的软化、切削性的提高和冷加工性的改善，因此即便例如不实施第2加热工序，也可以进行延伸工序(拉拔加工(G)和/或周期式轧管机轧制(F))。即，具有能够简化制造工序数的优点。
缓冷可以通过使用能够进行温度管理、缓冷速度管理的保温装置来进行，以使经过热静液挤压的无缝钢管中间体1a不急速冷却。
此时的缓冷速度以0.1～0.3℃/秒为宜。缓冷速度快于0.3℃/秒时，得不到缓冷所带来的退火效果。另一方面，缓冷速度慢于0.1℃/秒时，进入延伸工序之前的时间变长，生产效率变差。
根据本发明的无缝钢管的制造方法，使加工为中空钢坯的钢材料受热软化，进行热静液挤压加工，从而制造无缝管，因而能够由直径大的中空钢坯制造直径小(例如30～60mm)的无缝钢管，进而能够将该无缝钢管断面收缩加工(例如周期式轧管、拉拔、抽伸)至预定的尺寸。并且，由于采用了跟轧制不同的、与工具的摩擦较小的静液压挤压加工，利用上述制造方法制造的无缝管美观，且表面晶粒微细。因此，无缝弹簧钢管47的制造工序整体得以简化，能够以更高品质低成本地制造，能够实际上在车辆中使用中空弹簧。
如上所述，根据本发明的无缝钢管的制造方法，能够制造出具有平滑的外周面和内周面的高品质的无缝钢管。并且，由于能够在不进行现有那样的曼内斯曼穿孔和芯棒式无缝管轧的情况下进行制造，因此能够节省、简化直到制品完成的劳动，能够以低成本进行制造。
[4.中空螺旋弹簧的制造工序]
图9是显示中空螺旋弹簧31的制造工序的框图。如图9所示，中空螺旋弹簧31依次经过如下工序而形成：热静液挤压工序7、削皮工序9、轧制工序11、螺旋成型工序13、热处理工序15、端面磨削工序17、喷丸加工工序19、立定处理工序21、涂布工序23。图9的热静液挤压工序7和削皮工序9分别对应上述的热静液挤压工序(图8(C))和磨削工序(图8(E))，图9中的从热静液挤压工序7到削皮工序9的工序详细内容与上述图8的工序相同。
图9的热静液挤压工序7中，对由弹簧钢材料形成的图8的无缝钢管1a进行加热使其软化，进行热静液挤压加工，制造无缝钢管，然后对该无缝钢管进行达到预定直径的断面收缩加工。即，只要进行热静液挤压加工，由于将弹簧钢材料以流动状态进行成型，因而能够由例如外径为300mm以上的中空钢坯直接制造例如外径为30～60mm的无缝管。所述弹簧钢材料以在加热至1050℃以上且低于1300℃的状态下进行热静液挤压加工为宜。由此，弹簧钢材料虽未熔融，但处于软化状态，在超高压下能够确保流动性。
所述轧制工序11中，通过轧制对削皮后的无缝弹簧钢管进行延伸。通过该轧制工序11，能够减少在后续工序的螺旋成型工序13中的加工量。
所述螺旋成型工序13中，将轧制后的无缝弹簧钢管成型为螺旋状的中空体。
所述热处理工序15中，通过淬火、回火热处理使螺旋状的中空体具有作为弹簧的弹性。该工序中，可以在淬火、回火热处理后通过氮化处理进行表面处理，在孔部3的内表面赋予100MPa左右的压缩残余应力。因此，本实施例中，与后工序的喷丸加工工序19一起对中空螺旋弹簧31的外表面和孔部3的内表面实施赋予压缩残余应力的表面处理。其中，也可以省略对内表面赋予压缩残余应力的步骤。
并且，热处理工序15中，可以通过浸炭淬火、回火热处理来对孔部3的内表面赋予200MPa以下的压缩残余应力。或者也可以在淬火、回火热处理后对孔部3的内表面实施后述的内面喷丸以赋予压缩残余应力。
另外，也可以对无缝弹簧钢管进行油回火处理后通过所述螺旋成型工序13成型为螺旋状的中空体，在去除翘曲的热处理后实施所述淬火、回火热处理+氮化处理；或者浸炭淬火、回火热处理；或者淬火、回火热处理+内面喷丸，从而对孔部3的内表面赋予压缩残余应力。
所述端面磨削工序17中，对螺旋状的中空体的端面进行磨削，实施端面处理。
所述喷丸加工工序19中，使硬质的微小粒撞击表面，对螺旋状的中空体的外表面进行赋予压缩残余应力的表面处理。
图10是显示所述内面喷丸的示意图。如图10所示，将利用气压的喷丸加工机的喷嘴55对着螺旋状的中空体49的一个末端51的孔部53进行喷丸加工。然后，从中空体49的另一末端也进行该喷丸加工。喷丸加工的丸粒的粒径为孔部53的直径的1/3以下，由此能够确实地对孔部53进行残余应力的赋予。
并且，如果在孔部中装有丸粒的状态下施加超声波，则在内面部也能够获得同样的喷丸加工效果。所述立定处理工序21中，在压缩螺旋状的中空体后放开，防止弹簧的弹力减弱。
所述涂布工序23中，根据需要进行涂布，完成中空螺旋弹簧31。
中空减摇装置的成型中，不实施本实施方式的螺旋成型工序，以形成臂部的工序代替。与中空螺旋弹簧31、31A、31B同样地设定中空减摇装置的弯曲部的截面形状，在弯曲部的曲率半径的方向上进行厚度的调整。对于整个中空减摇装置来说，截面都可以是扁平的。
实施例
《实施例1》
[轻量化效果]
表2是表示螺旋弹簧的轻量化效果的比较的表。表2中，螺旋内径：Φ＝45mm、使用最大载荷：2750N，对使用SiCr钢的实心材料的螺旋弹簧(实心材料)、使用S45C等的现有的中空螺旋弹簧(现有中空材料)、使用SiCr钢、高强度SiCrV钢的实施例品的中空螺旋弹簧进行了比较。
【表2】
螺旋内径：Φ45mm
使用最大载荷：2750N
Figure G2007800521539D00221
如表2所示，现有的中空螺旋弹簧使用低碳钢为材料，淬火后的硬度为Hv440，拉伸强度(TS)为1480MPa，在截面的外表面侧(外侧)，当螺旋径的内径侧应力为716MPa、将TS比设为48％时，质量为439g。
与此相对，使用SiCr钢的实施例品的情况下，硬度为Hv545，拉伸强度(TS)为1850MPa，使用高强度SiCrV钢的实施例品的情况下，硬度为Hv580，拉伸强度(TS)为2020MPa，将TS比设为48％时，则质量分别为298g、255g，还能够减少卷绕数等，能够制成更加小型轻量的中空螺旋弹簧。
如表2所示，该性能不逊于实心材料，反而重量更轻。
因此，本实施例的中空螺旋弹簧能够确实地得到轻量化效果，如表2所示，固有频率也得到提高。
[高强度SiCrV钢的化学成分]
表3是显示高强度SiCrV钢的化学成分和非金属夹杂物一例的表。A钢、B钢均作为JIS规定的SiCr钢以外的钢而开发的，通过添加钒V等，作为高强度SiCrV钢能够确实地得到上述轻量化效果。此处作为弹簧钢材料，例如作为用作阀弹簧的情况下，优选使用表3所示的A钢等，A钢等是提高洁净度并经溶制得到的。这种情况下的非金属夹杂物的状态也一并在表3给出。
【表3】
高强度SiCrV弹簧钢的化学成分和非金属夹杂物
Figure G2007800521539D00231
《实施例2》
下面，针对本发明的无缝钢管及其制造方法，通过对满足本发明的要件的实施例和不满足本发明的要件的比较例进行比较来具体说明。
首先，作为钢材使用KHV10N(株式会社神户制钢所制造)制作试验No.1～9的圆筒状的钢坯。这些钢坯制作成外径143mm、内径52mm。然后，如表1所示，以950～1400℃的各温度对这些钢坯进行加热。接着，在各自的温度(挤压温度)下用热静液挤压装置对已加热的试验No.1～9的钢坯进行热静液挤压加工，制造无缝钢管。其后，对试验No.1～9的无缝钢管进行680℃×16小时的球状化退火处理后，进行周期式轧管机轧制和拉拔加工，延伸成外径10.6mm、内径5.9mm。然后，对试验No.1～9的无缝钢管进行700℃×0.5小时加热后，对它们进行酸洗，制成试验No.1～9的无缝钢管。
其中，作为进行热静液挤压时的压力介质，均使用了以合成油为基体并在含有二硫化钼的润滑油中混有石墨的压力介质。
对于如此制作的试验No.1～9的无缝钢管，测定非金属夹杂物的最大厚度(μm)和单位面积上的个数(个数/100mm2)，进而对挤压性、表面粗糙进行评价。
非金属夹杂物的最大厚度(μm)和单位面积上的个数(个数/100mm2)通过用扫描型电子显微镜对横截面进行观察来测定。
对于挤压性的评价，将热静液挤压加工时能够毫无问题地实施的情况评价为“可能”，将由于挤压阻力过强等原因无法平稳地实施热静液挤压加工的情况评价为“N.G”。
对于表面粗糙的评价，通过对试验No.1～9的无缝钢管进行目视检查来进行。将没有表面粗糙的情况评价为“无”，将产生了表面粗糙的情况评价为“产生”。
加热温度条件和测定结果和评价结果列于表4。
【表4】
Figure G2007800521539D00241
如表4所示，试验No.1(950℃)的情况下，挤压阻力大，无法进行热静液挤压(N.G)。
试验No.2(1000℃)中，无缝钢管的非金属夹杂物的最大厚度较大，为52μm，个数也较多，为32个/100mm2。
另一方面，挤压温度为1300℃以上的试验No.7～9中，无缝钢管的非金属夹杂物的最大厚度较大，为58μm以上，或者非金属夹杂物的个数也较多，为42个以上/100mm2。并且，也产生了表面粗糙。试验No.1、试验No.2和试验No.7～9为比较例。
与此相对，挤压温度为1050℃以上且低于1300℃的试验No.3～6中，非金属夹杂物的最大厚度较小，为38μm以下，个数也较少，为20个以下/100mm2。并且，也没有产生表面粗糙。试验No.3～6为实施例。
因此可知，为了提高表面的平滑性，在所述热静液挤压工序中将钢坯的挤压温度设定为1050℃以上且低于1300℃是适宜的。特别是，例如制成螺旋弹簧等的情况下，从影响螺旋弹簧的耐久性的金属组织中的非金属夹杂物的个数、尺寸的方面出发，更确实地将挤压温度设定为1050～1250℃是适宜的。并且，进一步考虑到夹具的损伤时，在低温侧进行挤压成型是有利的，该挤压温度设定为1050℃以上且低于1200℃是适宜的，进一步注重品质的情况下，优选设定为1100℃以上且低于1200℃。
通过设定这样的挤压温度，能够使无缝钢管的表面平滑。
《实施例3》
然后，使用满足本发明的要件的无缝钢管、不满足本发明的要件的无缝钢管和实心的钢材制作螺旋弹簧，进行疲劳试验。其中，这些钢材均使用了与《实施例2》相同的钢材。
首先，在1150℃的挤压温度下进行热静液挤压，制作无缝钢管后，制作具有外径为76.0mm、内径为54.8mm、高度为153.5mm、卷数为6.76的弹簧尺寸的试验No.10、11的螺旋弹簧(均为中空品)。
其中，试验No.11的螺旋弹簧的外周面和内周面上形成有表面瑕疵(相当于连续瑕疵的伪瑕疵(凝似疵))。
对于试验No.11的螺旋弹簧来说，在与试验No.10相同的条件下制成无缝钢管后，用锉刀锉外周面，用表面粗糙的均整机(リ一ラ一)在内周面滑动，形成深度超过50μm的表面瑕疵，使用该无缝钢管制作上述条件的螺旋弹簧。
试验No.12的螺旋弹簧在金属组织中形成有在与管轴正交的方向上的最大厚度超过50μm的非金属夹杂物。
试验No.12的螺旋弹簧是在1350℃的温度下进行热静液挤压加工制作无缝钢管，使用该无缝钢管制作上述条件的螺旋弹簧(中空品)。
并且，试验No.13的螺旋弹簧是作为现有品的实心螺旋弹簧。
试验No.13的螺旋弹簧使用与试验No.10～12相同材质的实心钢坯，并且，不使用芯棒(マンドレル)，通过在与试验No.10～12相同的条件下进行热静液挤压来制作实心的钢材，使用该钢材，制作具有外径为76.0mm、高度为153.5mm、卷数为6.76的弹簧尺寸的螺旋弹簧(实心品)。
然后，使用这些试验No.10～13的螺旋弹簧进行疲劳试验。
疲劳试验通过在单个弹簧运动疲劳试验中进行预定次数(40万次)的伸缩运动来进行。
其中，试验No.10～13的螺旋弹簧的表面瑕疵的深度、非金属夹杂物的尺寸和表面粗糙度(平均粗糙度Ra)是使用扫描型电子显微镜测定的。
结果列于表5。
【表5】
如表5所示，试验No.10的螺旋弹簧满足了本发明的要件，因此进行40万次的伸缩运动也不产生破坏等，能够获得良好的结果。
即，满足本发明的要件的中空的螺旋弹簧能够获得与实心的螺旋弹簧(试验No.13)同等的结果。
另一方面，试验No.11、12均不满足本发明的要件，因此在18～20万次的伸缩运动中由内面瑕疵或内部产生破坏，没能获得良好的结果。
《实施例4》
对汽车发动机的阀弹簧用中空螺旋弹簧的耐久性进行了调查。作为用于中空螺旋弹簧的试验材料，使用表3的B钢，在表6所示的A～E的条件下实施热静液挤压。表7给出耐久性试验结果。
【表6】
Figure G2007800521539D00271
【表7】
中空螺旋弹簧的耐久性试验数据
外侧最大剪切应力950MPa            线径Φ5.6mm
热处理后硬度Hv620                 孔径Φ2.8mm(厚度1.4mm)
表6的阀弹簧以线径：Φ5.6mm、孔径：Φ2.8mm(厚度1.4mm)、外侧最大剪切应力：950MPa、热处理后硬度：Hv620的方式进行加工、调整。由表7可知，A、B、C任一挤压条件均能在3000万次的耐久性试验中无折断破损，大幅超过阀弹簧所要求的耐久次数1000万次。
《实施例5》
对汽车悬架的悬挂弹簧用中空螺旋弹簧的耐久性进行了调查。作为用于中空螺旋弹簧的试验材料使用表3的A钢，在表6所示的A～E的条件下实施热静液挤压。表8、表9和表10以及图11给出耐久性试验结果。
【表8】
中空螺旋弹簧的耐久性试验数据
外侧最大剪切应力1,100MPa         线径Φ10.0mm
热处理后硬度Hv620                孔径Φ5.0mm(厚度2.5mm)
Figure G2007800521539D00281
【表9】
中空螺旋弹簧的耐久性试验数据
外侧最大剪切应力1,100MPa         线径Φ10.0mm
挤压条件E                        孔径Φ5.0mm(厚度2.5mm)
【表10】
中空螺旋弹簧的耐久性试验数据
外侧最大剪切应力1,100MPa         线径Φ10.0mm
热处理后硬度Hv580                孔径Φ5.0mm(厚度2.5mm)
Figure G2007800521539D00283
表8的悬挂弹簧的耐久性试验结果是对将表3的A钢加工、调整至如下参数得到的中空螺旋弹簧进行试验的结果，线径：Φ10.0mm、孔径：Φ5.0mm(厚度2.5mm)、外侧最大剪切应力：1,100MPa、热处理后硬度：Hv620。挤压条件2～9分别与表4的挤压条件2～9对应。挤压条件2、3、4、5、6均在50万次的耐久性试验中无折断破损，大幅超过悬挂弹簧所要求的耐久次数20～30万次。
表9的悬挂弹簧的耐久性试验结果是对如下的中空螺旋弹簧进行了试验的结果：使用表3的A钢，在表6的E的挤压温度下制造无缝钢管，将其加工成中空螺旋弹簧后通过热处理改变了硬度。将试验的中空螺旋弹簧加工、调整成线径：Φ10.0mm、孔径：Φ5.0mm(厚度2.5mm)、外侧最大剪切应力：1,100MPa。图11是将表9的耐久性试验结果作图得到的曲线图。
由表9和图11可知，Hv620以上时，在50万次的耐久性试验中无折断破损。Hv480的情况下，在第一次14,500次、第二次18,800次时外表面出现折断破损。Hv505的情况下，在第一次198,000次、第二次215,000次时外表面出现折断破损。Hv535的情况下，在第一次252,000次、第二次286,000次时外表面出现折断破损。Hv580的情况下，在第一次407,000次、第二次472,000次时孔侧表面出现折断破损。如图11那样作图，在Hv500处存在拐点，热处理后的硬度以Hv500以上为宜。
表10的悬挂弹簧的耐久性试验结果是对将表3的A钢以如下方式进行加工、调整的中空螺旋弹簧进行了试验的结果，线径：Φ10.0mm、孔径：Φ5.0mm(厚度2.5mm)、外侧最大剪切应力：1,100MPa、热处理后硬度：Hv580。由表10可知，在未对中空螺旋弹簧的孔部内表面赋予压缩残余应力的Base的情况下，在第一次407,000次、第二次472,000次时内表面出现折断破损。与此相对，通过氮化处理、渗碳淬火、冲击(内面喷丸)对孔部的内表面赋予了压缩残余应力的情况下，均在50万次的耐久性试验中无折断破损，大幅超过悬挂弹簧所要求的耐久次数20～30万次。
《实施例6》
表11是显示中空减摇装置的耐久性试验结果的表。本试验结果的实施例品是将表3的A钢加工、调整成线径：Φ25.0mm、孔径：Φ12.5mm(厚度6.25mm)、外侧最大主应力：±700MPa、孔侧最大主应力：±450MPa而得到。
【表11】
中空减摇装置(带臂部的扭杆)的耐久性试验数据
外侧最大主应力+/-700MPa        线径Φ25.0mm
孔侧最大主应力+/-450MPa        孔径Φ12.5mm(厚度6.25mm)
Figure G2007800521539D00301
由表11可知，使用现有的S40C的中空减摇装置的硬度为Hv420，在第一次85,000次、第二次95,000次时外表面出现折断破损。本发明实施例的中空减摇装置的硬度为Hv515，虽在第一次246,000次、第二次313,000次时孔部的内表面(孔部表面)出现折断破损，但实现了现有产品的约3倍的寿命。另外，硬度为Hv550、590的情况在50万次的耐久性试验中均无折断破损。
因此，中空减摇装置的情况中也能够起到与实施例1相同的效果。
以上举出最佳实施方式和实施例对本发明的无缝钢管及其制造方法进行了详细说明，但本发明的内容不限于上述记载，本发明的主旨应以权利要求书来解释。并且自不必说，可以在不脱离本发明的主旨的范围内进行较宽地变形和改变。
例如，可以使用玻璃粉体代替用于热静液挤压加工的压力介质17，来进行玻璃润滑热挤压加工。
并且，作为使用本发明的无缝钢管的适宜的方式，举出螺旋弹簧等进行了说明，但也可以用作减摇装置等大致呈コ字形的中空弹簧材的材料、传动轴等中空棒材或者建筑物、自行车等的框架材。

Claims (23)

1.一种无缝钢管的制造方法，其特征在于，该制造方法包括如下工序：
将钢材成型为圆筒状的钢坯的钢坯成型工序、
于1050℃以上且低于1300℃的温度加热所述钢坯的第1加热工序、
通过对所述已加热的钢坯进行热静液挤压加工来制造无缝钢管中间体的热静液挤压工序、
于650～750℃的温度加热所述无缝钢管中间体的第2加热工序、
通过进行周期式轧管机轧制和拉拔加工之中至少1种加工来使已加热的所述无缝钢管中间体延伸的延伸工序、
于650℃以上的温度对延伸后的所述无缝钢管中间体进行加热的第3加热工序、和
对延伸和加热后的所述无缝钢管中间体进行酸洗的酸洗工序。
2.如权利要求1所述的无缝钢管的制造方法，其特征在于，该方法在所述酸洗工序后还包括对经酸洗的所述无缝钢管进行弯曲矫直的矫直工序。
3.如权利要求1或权利要求2所述的无缝钢管的制造方法，其特征在于，该方法在所述第2加热工序后还包括对已加热的所述无缝钢管中间体的内周面进行磨削加工的磨削工序。
4.如权利要求2所述的无缝钢管的制造方法，其特征在于，在所述矫直工序后，对所述无缝钢管的内周面进行磨削。
5.如权利要求1所述的无缝钢管的制造方法，其特征在于，所述热静液挤压温度为1050℃以上且不足1300℃。
6.一种无缝钢管的制造方法，其特征在于，该制造方法包括如下工序：
将钢材成型为圆筒状的钢坯的钢坯成型工序、
于1050℃以上且低于1300℃的温度加热所述钢坯的第1加热工序、
通过对所述已加热的钢坯进行热静液挤压加工来制造无缝钢管中间体的热静液挤压工序、
以0.3℃/秒以下的缓冷速度使经热静液挤压加工的所述无缝钢管中间体缓冷的缓冷工序、
通过进行周期式轧管机轧制和拉拔加工之中至少1种加工来使已加热的所述无缝钢管中间体延伸的延伸工序、
于650℃以上的温度对延伸后的所述无缝钢管中间体进行加热的第3加热工序、和
对延伸和加热后的所述无缝钢管中间体进行酸洗的酸洗工序。
7.一种无缝钢管，其是通过权利要求1～6任一项所述的制造方法制造的无缝钢管，其特征在于，
在钢管的内周面和外周面形成的连续瑕疵的深度距各面为50μm以下。
8.如权利要求7所述的无缝钢管，其特征在于，所述钢管的金属组织中含有非金属夹杂物，
所述非金属夹杂物在与管轴正交的方向上的最大厚度为50μm以下。
9.如权利要求7或权利要求8所述的无缝钢管，其特征在于，所述钢管的内周面和外周面的表面粗度以平均粗糙度Ra计为12.5μm以下。
10.如权利要求7或权利要求8所述的无缝钢管，其特征在于，所述钢材为弹簧钢。
11.如权利要求9所述的无缝钢管，其特征在于，所述钢材为弹簧钢。
12.一种中空弹簧，其特征在于，使用权利要求10或11所述的无缝钢管形成螺旋状、棒状或具有弯曲部的棒状的中空体，对所形成的中空体实施了赋予压缩残余应力的表面处理。
13.如权利要求12所述的中空弹簧，其特征在于，进行所述热静液挤压加工时使用了油脂系中加有石墨的润滑剂。
14.如权利要求12或13的任一项所述的中空弹簧，其特征在于，将所述螺旋状、棒状或具有弯曲部的棒状的中空体的截面的厚度t与外径D之比设定为t/D＝0.10～0.35。
15.如权利要求14所述的中空弹簧，其特征在于，硬度为HV500以上。
16.如权利要求14所述的中空弹簧，其特征在于，至少对所述无缝弹簧钢管的外表面进行了磨削。
17.如权利要求14所述的中空弹簧，其特征在于，对所述中空体的外表面和内表面实施了所述表面处理。
18.如权利要求14所述的中空弹簧，其特征在于，所述螺旋状的中空体的截面外形与截面内形的相对位置或棒状的中空体的弯曲部的截面外形与截面内形的相对位置为圆形同心。
19.如权利要求14所述的中空弹簧，其特征在于，所述螺旋状的中空体的截面外形与截面内形的相对位置或棒状的中空体的弯曲部的截面外形与截面内形的相对位置为偏心。
20.如权利要求12或13的任一项所述的中空弹簧，其特征在于，至少所述中空体的截面外形为非圆形形状。
21.如权利要求14所述的中空弹簧，其特征在于，在所述无缝弹簧钢管的内周面或外周面的至少一方上形成的连续瑕疵的深度距所述内周面或外周面为50μm以下。
22.如权利要求14所述的中空弹簧，其特征在于，所述无缝弹簧钢管在金属组织中含有非金属夹杂物，
所述非金属夹杂物在与管轴正交的方向上的最大厚度为50μm以下。
23.如权利要求14所述的中空弹簧，其特征在于，所述无缝弹簧钢管的内周面或外周面的至少一方的表面粗度以平均粗糙度Ra计为12.5μm以下。
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