CN1950532A - 无缝钢管及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种无缝钢管，其特征在于，以质量％计，含有C：0.30～0.50％、Si：0.5％以下、Mn：0.3～2.0％、P：0.025％以下、S：0.005％以下、Cr：0.15～1.0％、Al：0.001～0.05％、Ti：0.005～0.05％、N：0.02％以下、B：0.0005～0.01％以及O(氧)：0.0050％以下，下述式(a)或式(b)规定的Beff为0.0001以上。其中，当Neff＝N－14×Ti/47.9≥0时，Beff＝B－10.8×(N－14×Ti/47.9)/14…(a)，同样，当Neff＝N－14×Ti/47.9＜0时，Beff＝B…(b)。由此，可以提供同时具备优良的冷加工性、淬火性、韧性和扭转疲劳强度、作为整体成形型的空心驱动轴用的空心轴坯料最适合的无缝钢管。

Description

无缝钢管及其制造方法
技术领域
本发明涉及作为适于汽车用驱动轴的轻量化的空心轴坯料所使用的无缝钢管。更详细地，涉及适合作为将两端冷模锻(coldswage)加工后实施热处理而制成的空心驱动轴的坯料的、冷加工性、淬火性、韧性和扭转疲劳强度优良的无缝钢管及其制造方法。
背景技术
从保护地球环境的观点出发，对于谋求汽车车体的轻量化、提高燃油效率有着强烈的需求。因此，进行了将汽车用部件中的实心部件置换为空心部件的各种尝试。在该尝试中，针对将驱动力传送到车轮的驱动轴，也对采用空心坯料进行了研究。
将汽车用部件空心化的目的不仅在于单纯的轻量化，还在于可期待通过提高抗扭刚度来改善加速响应、通过提高振动特性来改善行驶着的汽车中的室内肃静性，因此应此要求，与之相应地对加工成特殊形状的空心轴的开发要求增加。
例如，在等速万向节上固定轴两端部分的轴的设计中，尽量使轴的中间部分薄壁大直径化，以提高抗扭刚度，并且还改善振动特性。此外，另一方面，使连结于等速万向节上的轴两端部分与目前使用的实心部件的直径相同，从而具备可直接使用现有的等速万向节的优点。
作为空心驱动轴的制造方法，有在空心管坯的两端部以摩擦焊接等连结空心或实心的轴进行制造的方法。但是，在该方法中，增大空心部分的直径而缩小两端部分的直径是困难的。由于上述理由，为了成形使中间部分尽可能薄壁大直径化而两端部分的直径小的形状的驱动轴，研究了使用钢管坯料实施冷加工，以使中间部分成为薄壁，然后对钢管坯料的两端实施冷减径(coldreducing)加工等，以减小轴两端部的外径的同时增加壁厚，从而制造整体成形型的空心驱动轴。
但是，上述整体成形型的空心驱动轴，为了确保其特异的形状，是实施复杂的冷加工而被成形的。因此，使用焊接管作为钢管坯料来制造空心驱动轴时，存在如下问题：成形时沿焊接部分产生裂纹，或者成形后实施疲劳试验时，疲劳裂缝沿焊接部分扩伸。因此，现状是，将焊接管作为空心驱动轴的空心轴坯料时，无法得到充分的可靠度。
因此，为了在通过冷加工成形时不产生裂纹、确保成形后的扭转疲劳强度，作为整体成形型的空心驱动轴的空心坯料采用无缝钢管的要求变得强烈。对应于这样的要求，提出了将无缝钢管用于空心轴坯料的空心驱动轴。
将无缝钢管用于空心轴坯料来制造整体成形型的空心驱动轴时，重要的是防止因管端的减径加工或滚轧加工而产生的裂纹。进而要求通过冷加工后的进一步的热处理而硬化至钢管内面，并确保高韧性，此外，要求确保扭转疲劳强度以使产品的寿命长。
换言之，使用无缝钢管作为空心驱动轴的空心轴坯料时，必须满足可以没有问题地得到复杂形状的冷加工性、热处理带来的淬火性和韧性、以及作为驱动轴的扭转疲劳强度。但是，在以往提出的空心驱动轴中，几乎没有基于这些观点从材质方面研究无缝钢管。
例如，日本专利特开平6-341422号公报公开了在驱动轴用钢管中安装了用于降低旋转振摆回转的平衡重的驱动轴，通过规定该驱动轴用钢管以及平衡重的碳当量(Ceq＝C+Si/24+Mn/6+Cr/5+Mo/4+Ni/40+V/14)的值，可以改善从焊接平衡重的部分产生的疲劳破坏。
但是，仅通过规定驱动轴用钢管和平衡重的碳当量(Ceq)，无法得到冷加工性和疲劳特性均优良的驱动轴用钢管。因此，难以将日本专利特开平6-341422号公报中公开的汽车推进轴用作整体成形型的空心驱动轴。
此外，日本专利特开平7-18330号公报提出了作为使用于汽车行走部分的高强度部件所适宜的高强度高韧性钢管的制造方法。该提出的制造方法规定了具体的成分体系，但不添加Ti，也不对N作规定，因此即使添加B，也没有成为可以充分确保淬火性的成分体系。进而，由于其成分设计并没有将冷加工性和疲劳特性也考虑在内，因此日本专利特开平7-18330号公报中提出的制造方法，难以得到适合作为整体成形型的空心驱动轴的坯料的无缝钢管。
此外，日本专利特开平7-88537号公报中公开了一种整体成形型的空心驱动轴的加工方法，其中，通过用芯棒(plug)外径和拉模内径限定管坯的薄壁化拉拔加工来制造不同内径的钢管。但是，其实施例中公开的钢管的材质是与JIS标准规定的S48C相当的碳钢，并不是有意地通过特别限定钢的化学组成来改善冷加工性、淬火性和疲劳特性。
另外，日本专利特开平8-73938号公报中公开了一种高强度高韧性钢管的制造方法，该方法在热制管轧制后实施截面减少率为10～70％的冷加工，接着进行退火，进而在高频淬火(inductionhardening)后进行回火。在日本专利特开平8-73938号公报的制造方法中，规定了所适用的钢材的具体成分体系，与上述日本专利特开平7-18330号公报的制造方法同样，即使添加Ti、B，也不是能充分确保淬火性的成分体系，进而由于不是考虑冷加工性与疲劳特性的成分设计，所以不能作为适合于整体成形型的空心驱动轴的坯料。
另一方面，在日本专利特开2000-204432号公报中，公开了对石墨钢进行高频淬火而使表层硬化、并在芯部生成铁素体和马氏体的2相组织的驱动轴。但是，日本专利特开2000-204432号公报所公开的化学组成显示的是适于摩擦焊接型的空心驱动轴用钢材的成分体系，为了得到石墨化钢，必须进行长时间的热处理。另外，因为是不含有Cr的成分体系，所以淬火性和疲劳强度不充分，无法成为适合作为整体成形型的驱动轴用钢材的钢管。
另外，日本专利特开2001-355047号公报提出了使渗碳体的粒径为1μm以下的冷加工性和高频淬火性优良的高碳钢管作为驱动轴的坯料。但是，日本专利特开2001-355047号公报的高碳钢管中为了得到目标的金属组织必须进行温热加工，制造成本上升，并且根据所公开的成份组成，无法制成同时满足冷加工性、淬火性和疲劳特性的整体成形型的驱动轴用钢材。
发明内容
如前所述，将无缝钢管用作空心驱动轴的空心轴坯料时，需要防止伴随着管端的减径加工或滚轧加工而产生裂纹，并且需要通过冷成形加工后的热处理而硬化至钢管内表面的同时确保高韧性。另外，进一步为了实现空心驱动轴的高寿命，必须同时确保冷加工性、淬火性、韧性和扭转疲劳强度。
但是，在以往所提成的无缝钢管中，作为空心驱动轴的空心轴坯料，几乎没有从材质方面进行研究并尝试对化学组成加以特别限定，以便发挥优良的冷加工性、淬火性、韧性和扭转疲劳强度。
换言之，空心驱动轴所要求的这些特性，要单独改善某一项特性并不那么困难，但要同时满足全部特性，由现有见识是难以实现的。例如，为确保高疲劳强度，提高钢的强度是有效的，而用作坯料的钢管为高强度时，高强度会导致冷加工性降低。
本发明是鉴于上述问题点作出的，其目的在于：基于空心驱动轴应该具备的特性，从材质方面进行研究，并对化学组成加以特别限定，从而提供适合作为整体成形型的空心驱动轴的空心轴坯料的、冷加工性、淬火性、韧性和扭转疲劳强度优良的无缝钢管及其制造方法。
为了解决上述课题，本发明人针对合金元素对冷加工性、淬火性、韧性和扭转疲劳强度带来的影响反复进行各种研究。其结果，明确了Si和Cr对冷加工性的影响大。
图1是表示Si对冷加工性(冷锻造)的影响的图。表示使用0.35％C-1.3％Mn-0.17％Cr-0.015％Ti-0.001％B钢作为基础钢并改变Si含量时，外径14mm、长度21mm的压缩试验片中不产生裂纹的极限加工度(％)与硬度(HRB)的关系。
图2是表示Cr对冷加工性(冷锻造)的影响的图。表示使用0.35％C-0.2％Si-1.3％Mn-0.015％Ti-0.001％B钢作为基础钢并改变Cr含量时，外径14mm、长度21mm的压缩试验片中不产生裂纹的极限加工度(％)与硬度(HRB)的关系。
如图1所示，明确了通过降低Si含量，冷加工时产生裂纹的极限加工度大大提高。另外，如图2所示可知，通过增加Cr含量，冷加工性有一些改善。相对于此，其它元素使冷加工性略微降低，或几乎没有影响。
但是，当为了提高冷加工性而降低Si含量时，淬火性降低，无法确保钢管热处理后的内表面的强度。因此，在研究Si含量的降低所带来的冷加工性的提高的同时，有必要研究淬火性的提高。
图3是表示B和Cr对淬火性的影响的图。准备基础钢为0.35％C-0.05％Si-1.3％Mn-0.015％Ti-0.004％N钢并改变B-Cr含量的试验片，进行乔米尼末端淬火试验(jominy end quenchtest)。图中表示距水冷端的距离与硬度分布的一例，将硬度降低的斜率急剧变大的位置的距水冷端的距离作为淬硬深度。如图3所示，通过增加B或/和Cr的含量，可以提高淬火性。
图4是表示B、N和Ti对淬火性的影响的图。基础钢为(0.35～0.40)％C-(0.05～0.3)％Si-(1.0～1.5)％Mn-(0.1～0.5)％Cr钢，改变B、N及Ti的含量，与上述图3同样，进行乔米尼末端淬火试验，测定淬硬深度。
此时，为了调查B、N和Ti的含量平衡对试验片淬硬深度的影响，使用下述式(a)或式(b)规定的Beff。
当Neff＝N-14×Ti/47.9≥0时
Beff＝B-10.8×(N-14×Ti/47.9)/14                ...(a)
当Neff＝N-14×Ti/47.9＜0时
Beff＝B                                              ...(b)
从图4所示的淬硬深度与Beff的关系可知，为了确保钢的淬火性，B、Ti和N的含量平衡成为重要的条件，如果不满足Beff≥0.0001的条件，就不能获得充分的淬火性。
图5是表示Cr对疲劳强度和耐久比的影响的图。基础钢使用0.35％C-0.2％Si-1.3％Mn-0.015％Ti-0.001％B钢，改变Cr含量，通过小野式旋转弯曲试验测定疲劳极限和耐久比。其中，耐久比是以(疲劳极限/抗拉强度)表示的。
如图5所示，增加Cr含量时，伴随疲劳强度的上升，耐久比几乎同等上升，从而可以提高疲劳强度而不使抗拉强度上升。由此可知，通过增加Cr含量来提高疲劳强度，这对冷加工性和韧性的负面影响少。
以往所知道的是，要提高疲劳强度，就必须提高抗拉强度，为了提高疲劳强度而增加C含量，但存在由于C含量增加而导致冷加工性和韧性降低的问题。但是，由上述图5所示可知，通过增加Cr含量来提高疲劳强度，可在不增加C含量的前提下，抑制冷加工性和韧性的降低，并确保疲劳强度。
此外，明确了S含量对于冷加工时的裂纹和驱动轴成形后的扭转疲劳强度有很大的影响。特别是，使用无缝钢管实施冷加工时，晶粒变形为饼状，饼重叠成层状的面与滚轧加工所导致的裂纹方向、或扭转疲劳试验所产生的疲劳裂缝扩展方向一致。进而扩展后的MnS成为起点，使滚轧加工所导致的裂纹或扭转疲劳试验所导致的疲劳裂缝的发生、扩展变得容易。由此明确了作为被用于驱动轴的空心轴坯料，必须是将MnS充分减少了的无缝钢管。
图6是表示S含量对压扁弯曲试验中产生裂纹的极限高度方向压下度(％)的影响的图。供试材料使用由各种S含量构成的外径31mm的无缝钢管，进一步通过冷拉伸加工使外径成为27.5mm，磨削内外表面制成外径25mm、壁厚5.7mm的钢管。进一步通过模锻加工使外径成为18.2mm，磨削内外表面制成外径17.5mm、壁厚4.8mm的试验片，准备3个这样的试验片。对这些试验片进行压扁试验，将产生裂纹的高度方向压下度作为极限高度方向压下度(％)。另外，将直至密合为止也不产生裂纹时的极限高度方向压下度设为100％。
如图6所示可知，S含量为0.005％以下时，各3次的试验全部都可以加工至密合为止而不产生裂纹，极限高度方向压下度得到大大改善，可以耐受严苛的模锻加工或滚轧加工。
图7是表示S含量对热处理后的钢管的扭转疲劳强度的影响的图。使用通过高频感应加热淬火后、在150℃下进行回火热处理的无缝钢管。使用试验片尺寸为外径20mm、壁厚5mm的试验片，改变施加扭矩，标出到1000000次为止不发生疲劳破坏的最高扭矩(N·m)。
如图7所示可知，与压扁弯曲试验的情况相同，当S含量为0.005％以下时，最高扭矩(N·m)得到显著改善，作为驱动轴具有良好的扭转疲劳强度。
基于上述图1～图7所示的技术见解，通过对无缝钢管的化学组成进行特别限定，可以确保优良的冷加工性、淬火性、韧性及扭转疲劳强度，可得到适合作为整体成形型的空心驱动轴的空心轴坯料的无缝钢管。
但是，根据成为对象的驱动轴的形状，加工进一步变严苛，整体成形的加工时或花键的滚轧加工时有时会产生裂纹。因此，有时要求更进一步的冷加工性。应对这种要求，作为无缝钢管的制造方法，通过采用如下的工序，可以得到更加良好的冷加工性。
具体而言，作为无缝钢管被热制管后，为了调整尺寸精度，以截面减少率5％以上实施冷拉伸等冷加工。但是，在仅仅通过冷加工无法确保作为驱动轴的充分的冷加工性时，可以实施热处理来改善冷加工性。
作为上述热处理，为改善尺寸精度而进行冷拉伸等冷加工后，可以实施退火或正火。另外，作为其它热处理，可以在冷加工前或冷加工后实施球化退火。通过实施这些热处理，可以大幅改善冷加工性，可得到能够应对严苛的成形加工的无缝钢管，容易加工成可确保高抗扭刚度和高度的室内肃静性的驱动轴。
本发明是基于上述认识完成的，以下述(1)～(4)的无缝钢管和(5)的无缝钢管的制造方法作为主旨。
(1)一种无缝钢管，其特征在于，以质量％计，含有C：0.30～0.50％、Si：0.5％以下、Mn：0.3～2.0％、P：0.025％以下、S：0.005％以下、Cr：0.15～1.0％、Al：0.001～0.05％、Ti：0.005～0.05％、N：0.02％以下、B：0.0005～0.01％以及O(氧)：0.0050％以下，剩余部分为Fe和杂质，下述式(a)或式(b)中规定的Beff为0.0001以上。
其中，Ti、N及B是含量％，当Neff＝N-14×Ti/47.9≥0时，
Beff＝B-10.8×(N-14×Ti/47.9)/14                 ...(a)
同样，当Neff＝N-14×Ti/47.9＜0时，Beff＝B        ...(b)
(2)在上述(1)的无缝钢管中，以质量％计，可以进一步含有选自Cu：0.05～1％、Ni：0.05～1％和Mo：0.05～1％中的1种或2种以上。
(3)在上述(1)和(2)的无缝钢管中，以质量％计，可以进一步含有选自V：0.005～0.1％、Nb：0.005～0.1％和Zr：0.005～0.1％中的1种或2种以上。
(4)在上述(1)～(3)的无缝钢管中，以质量％计，可以进一步含有选自Ca：0.0005～0.01％、Mg：0.0005～0.01％和稀土类元素(REM)：0.0005～0.01％中的1种或2种以上。
(5)一种无缝钢管的制造方法，其特征在于，是对使用具有上述(1)～(4)任意一项所述化学组成的坯料制管而成的钢管实施截面减少率为5％以上的冷加工来制造无缝钢管的方法，在上述冷加工之后实施退火或正火、或在上述冷加工之前或之后实施球化退火。
附图说明
图1表示Si对冷加工性的影响的图。
图2表示Cr对冷加工性的影响的图。
图3表示B和Cr对淬火性的影响的图。
图4表示B、N和Ti对淬火性的影响的图。
图5表示Cr对疲劳强度和耐久比的影响的图。
图6表示S含量对压扁弯曲试验中产生裂纹的极限高度方向压下度(％)的影响的图。
图7表示S含量对热处理后的钢管的扭转疲劳强度的影响的图。
具体实施方式
针对本发明对象的无缝钢管加以上述规定的理由，区分为化学组成和制造方法来进行详细说明。在以下的说明中，化学组成以“质量％”表示。
1.化学组成
C：0.30～0.50％
C是增加强度且提高疲劳强度的元素，但也是使冷加工性和韧性降低的元素。C含量不到0.30％时，无法得到充分的疲劳寿命。另一方面，C含量超过0.50％时，冷加工性和韧性显著降低，因此C含量规定为0.30～0.50％。
另外，为了以良好的平衡来确保疲劳强度和冷加工性以及韧性，优选C含量为0.33～0.47％，更优选该含量为0.37～0.42％。
Si：0.5％以下
Si是作为脱氧剂必需的元素。但是，其含量超过0.5％时，无法确保冷加工性，因此规定为0.5％以下。如上述图1所示，Si含量越少，冷加工性越提高。另外，根据驱动轴其形状，所要求的冷加工性是变化的，有时进行严苛的冷加工。
因此，为了能够应对更严苛的冷加工，Si含量更优选为0.3％以下，进一步优选为0.22％以下，最优选为0.15％以下，进而为0.1％以下这样尽可能降低其含量。
Mn：0.3～2.0％
Mn是对确保成形后的热处理时的淬火性有效的元素。为发挥该效果并充分硬化至内表面，Mn含量必须为0.3％以上。另一方面，Mn含量超过2.0％时，冷加工性降低。因此，Mn含量规定为0.3～2.0％。此外，为了以良好的平衡来确保淬火性和冷加工性，Mn含量优选为1.1～1.7％，进一步优选为1.2～1.4％。
P：0.025％以下
在钢中，作为杂质含有P，该P在凝固时在最终凝固位置附近集中，并且沿晶界偏析而降低热加工性、韧性和疲劳强度。因此，优选尽可能降低其含量，0.025％为止没有特别的问题，是可以允许的，因此，P含量规定为0.025％以下。另外，为了以高水准维持钢的韧性和疲劳强度，P含量优选为0.019％以下，进一步优选为0.009％以下。
S：0.005％以下
在钢中，作为杂质含有S，该S在凝固时沿晶界偏析，使热加工性、韧性降低，并且如上述图6及图7所示，将无缝钢管用作空心轴坯料时，尤其降低冷加工性和扭转疲劳强度。因此，为了确保作为用作驱动轴的空心轴坯料的无缝钢管所必需的冷加工性和热处理后的扭转疲劳强度，S含量必须为0.005％以下。
在需要进一步确保作为驱动轴用坯料的冷加工性和扭转疲劳强度时，优选进一步减少S含量，优选为0.003％以下，进一步优选为0.002％以下，最优选为0.001％以下。
Cr：0.15～1.0％
如上述图2和图5所示，Cr是提高疲劳强度而不大降低冷加工性的元素，进一步如上述图3所示，与B同样是对提高淬火性也有效的元素。因此，为了确保规定的疲劳强度，Cr含量为0.15％以上。另一方面，Cr含量超过1.0％时，冷加工性显著降低。因此，Cr含量规定为0.15～1.0％。
进一步，为了以良好的平衡来确保疲劳强度、冷加工性和淬火性，Cr含量优选为0.2～0.8％，更优选为0.3～0.6％。进一步优选为0.4～0.6％。
Al:0.001～0.05％
Al是起到脱氧剂作用的元素。为了得到作为脱氧剂的效果，有必要含有0.001％以上，但其含量超过0.05％时，氧化铝系夹杂物增加，疲劳强度降低，并且存在多发生表面缺陷的可能性。因此，Al含量规定为0.001～0.05％。进而，为了确保稳定的表面质量，Al含量优选为0.001～0.03％，进一步优选为0.001～0.015％，此时由于表面性状良好而更加优选。
为了确保钢的淬火性，下述Ti、N和B元素除了分别规定各自的含量之外，还必须满足用以规定相互的含量平衡的条件式。
Ti：0.005～0.05％
Ti具有将钢中的N转化成TiN加以固定的作用。但是，Ti含量不到0.005％时，不能充分发挥固定N的能力，另一方面，超过0.05％时，钢的冷加工性和韧性降低。因此，Ti含量规定为0.005～0.05％。
N：0.01％以下
N是使韧性降低的元素，在钢中容易与B结合。N含量超过0.02％时，冷加工性和韧性显著降低，因此将其含量规定为0.02％以下。从提高冷加工性和韧性的观点出发，优选为0.01％以下，更优选为0.007％以下。
B：0.0005～0.01％
B是提高淬火性的元素。其含量不到0.0005％时，淬火性不足，另一方面，含量超过0.01％时，冷加工性和韧性降低。因此，B含量规定为0.0005～0.01％。
进而，如上述图4所示，以B提高淬火性为前提，必须满足下述式(a)或式(b)中规定的Beff为0.0001以上。
即，当Neff＝N-14×Ti/47.9≥0时
Beff＝B-10.8×(N-14×Ti/47.9)/14                ...(a)
同样，当Neff＝N-14×Ti/47.9＜0时
Beff＝B                                             ...(b)
为了发挥B提高淬火性的能力，必须消除钢中的N的影响。B容易与N结合，钢中存在自由的N时，与N结合生成BN，无法发挥B所具备的使淬火性提高的作用。因此，相应于N含量来添加Ti，生成TiN加以固定，从而使B存在于钢中、有效地对淬火性起作用，因此，上述Beff必须满足0.0001以上。
另外，Beff值越大、淬火性越提高，因此优选Beff满足0.0005以上，进一步更优选Beff满足0.001以上。
O(氧)：0.0050％以下
O是使韧性和疲劳强度降低的杂质。O含量超过0.0050％时，韧性和疲劳强度显著降低，因此规定为0.0050％以下。
以下的元素未必是一定要添加，但根据需要通过含有1种或2种以上，可进一步提高冷加工性、淬火性、韧性和扭转疲劳强度。
Cu：0.05～1％、Ni：0.05～1％和Mo：0.05～1％
Cu、Ni和Mo都是有效提高淬火性、增加钢的强度、提高疲劳强度的元素。欲得到它们的效果的情况下，可以含有任意1种或2种以上。Cu、Ni和Mo的任意一种元素的含量均为0.05％以上时其效果显著。但是，该含量超过1％时，冷加工性显著降低。因此，含有这些元素时，Ni、Mo和Cu的含量均规定为0.05～1％。
V：0.005～0.1％、Nb：0.005～0.1％以及Zr：0.005～0.1％
V、Nb和Zr都形成碳化物，是对在热处理加热时抑制晶粒粗大化、提高韧性有效的元素。因此，在提高钢的韧性时，可以含有任意1种或2种以上。V、Nb和Zr的任意一种元素的含量均为0.005％以上时可得到该效果。但是，V、Nb和Zr各元素的含量都超过0.1％时，生成粗大的析出物，反而使韧性降低。因此，含有这些元素时，V、Nb和Zr的含量均规定为0.005～0.1％。
Ca：0.0005～0.01％、Mg：0.0005～0.01％以及稀土类元素(REM)：0.0005～0.01％
Ca、Mg和REM是有助于冷加工性和扭转疲劳强度的元素。欲得到它们的效果的情况下，可以含有任意1种或2种以上。Ca、Mg和REM的任意一种元素均在含有0.0005％以上时可得到显著效果。但是，Ca、Mg和REM的含量均超过0.01％时，生成粗大的夹杂物，反而使疲劳强度降低。因此，含有这些元素时，Ca、Mg和REM的含量均规定为0.005～0.01％。
2.制造方法
本发明中，为了以含有本发明所规定的化学组成的钢作为坯料，并得到冷加工性、淬火性、韧性和扭转疲劳强度优良的无缝钢管，可以采用以下的制造方法。
即，本发明的无缝钢管可如下制造：将上述化学组成的钢在转炉内精炼、或在电炉或真空熔解炉中熔炼，用连铸法或铸锭法使其凝固，将铸造材料直接制成制管坯料(钢坯)，或将铸造材料或铸锭材料开坯而制成制管坯料(钢坯)，经过通常的无缝钢管制造工序制成钢管后，自然冷却制成无缝钢管。
通常，经无缝钢管制造工序得到的无缝钢管，其本身也可以适用于空心驱动轴的空心轴坯料。但是，在本发明的无缝钢管的制造方法中，对所得到的钢管实施截面减少率为5％以上的冷加工以提高尺寸精度后，实施于加热到500～1100℃后自然冷却的退火或正火，或者在上述冷加工前或冷加工后实施球化退火。通过这些热处理提高无缝钢管的冷加工性，可以确保作为空心驱动轴的空心轴坯料所适宜的特性。
在本发明的无缝钢管的制造方法中，通过实施截面减少率为5％以上的冷加工，可以得到表面性状良好的钢管，可以减少疲劳破坏的起点，实现疲劳强度的提高。
此外，冷加工后的退火或正火的加热温度为500～1100℃，加热温度不到500℃时，冷加工时的应变会残留，冷加工性降低。另一方面，加热温度超过1100℃时，晶粒粗大化，韧性降低。
球化退火的条件没有特别指定，例如，加热至720～850℃的温度范围后，以50℃/小时以下的冷却速度缓慢冷却到650～670℃之间的温度，可实施1次或重复2次以上的该热处理。冷却速度越慢，越发生碳化物的球化，因此冷却速度优选为40℃/小时以下，更优选为30℃/小时以下。通过球化退火，珠光体组织的渗碳体被***、渗碳体球化，从而可以进一步提高冷加工性。
(实施例)
基于具体的实施例，对本发明的无缝钢管作为空心驱动轴的空心轴坯料所发挥的效果进行具体说明。
(实施例1)
真空熔解，熔炼表1及表2所示化学组成的钢No.1～No.32的钢(发明例为钢No.1～No.21，比较例为钢No.22～No.32)，将这些作为坯料(钢坯)制管轧制成外径50.8mm、壁厚7.9mm的钢管。
                                                                                             表1
  钢No                                                            化学组成(质量％、剩余部分：Fe和杂质)             条件式
  C   Si   Mn   P   S   Cr   Al   Ti   N   B   O   Cu，Mo，Ni   V，Nb，Zr   Ca，Mg，，REM   Neff   Beff
  1   0.33   0.07   1.62   0.017   0.0019   0.49   0.022   0.019   0.0011   0.0008   0.0020   -0.0034   0.0008
  2   0.36   0.07   1.66   0.004   0.0002   0.52   0.019   0.016   0.0051   0.0010   0.0010   0.0003   0.0007
  3   0.37   0.06   1.71   0.011   0.0008   0.49   0.022   0.015   0.0045   0.0007   0.0008   0.0001   0.0006
  4   0.38   0.04   1.36   0.002   0.0012   0.31   0.020   0.017   0.0034   0.0007   0.0008   -0.0012   0.0007
  5   0.33   0.07   1.32   0.004   0.0009   0.59   0.013   0.023   0.0057   0.0007   0.0020   -0.0008   0.0007
  6   0.36   0.31   1.65   0.002   0.0040   0.41   0.023   0.025   0.0021   0.0009   0.0015   -0.0040   0.0009
  7   0.34   0.03   1.69   0.006   0.0025   0.25   0.012   0.024   0.0068   0.0006   0.0010   Cu:0.15   -0.0002   0.0006
8 0.34 0.07 1.25 0.009 0.0009 0.26 0.021 0.017 0.0055 0.0007 0.0020   Mo:0.1Ni:0.3 0.0004 0.0003
  9   0.37   0.07   1.31   0.016   0.0026   0.59   0.010   0.017   0.002   0.0007   0.0014   V:0.1   -0.0023   0.0007
10 0.36 0.06 1.66 0.003 0.0025 0.21 0.027 0.018 0.0058 0.0007 0.0009   Nb:0.025Zr:0.022 0.0004 0.0003
  11   0.35   0.05   1.39   0.004   0.0013   0.35   0.010   0.021   0.0066   0.0011   0.0008   Ca:0.0011   0.0004   0.0007
12 0.35 0.03 1.29 0.012 0.0023 0.57 0.021 0.019 0.0063 0.0008 0.0019   Mg:0.0010REM:0.0015 0.0006 0.0003
13 0.37 0.07 1.48 0.011 0.0009 0.32 0.020 0.020 0.0066 0.0008 0.0021   Cu:0.2Ni:0.2 Nb:0.015 0.0006 0.0002
  14   0.36   0.06   1.60   0.004   0.0016   0.27   0.030   0.022   0.001   0.0012   0.0020   Mo:0.1   V:0.09   -0.0042   0.0012
15 0.33 0.07 1.71 0.008 0.0008 0.23 0.030 0.021 0.0042 0.0012 0.0016   Nb:0.019Zr:0.008 Ca:0.0005 -0.0015 0.0012
  16   0.37   0.05   1.31   0.004   0.0010   0.44   0.023   0.017   0.0044   0.0007   0.0022   V:0.15   REM:0.0013   -0.0004   0.0007
17 0.36 0.06 1.71 0.011 0.0007 0.35 0.023 0.022 0.007 0.0011 0.0015 Cu:0.18   Mg:0.0013REM:0.0010 0.0004 0.0007
  18   0.34   0.06   1.61   0.010   0.0014   0.35   0.024   0.020   0.0061   0.0006   0.0017   Ni:0.15   Ca:0.0020   0.0002   0.0004
  19   0.33   0.07   1.39   0.015   0.0015   0.48   0.022   0.021   0.0045   0.0008   0.0013   Ni:0.34   Nb:0.007   Mg:0.0013   -0.0013   0.0008
20 0.33 0.05 1.46 0.010 0.0026 0.52 0.023 0.022 0.007 0.0009 0.0013   Mo:0.09Ni:0.22   Nb:0.012Zr:0.031   Ca:0.0007REM:0.0007 0.0004 0.0005
21 0.36 0.06 1.61 0.015 0.0005 0.21 0.015 0.019 0.0038 0.0012 0.0018   Cu:0.1Mo:0.08   V:0.13Nb:0.025 Ca:0.0009 -0.0014 0.0012
                                                                                   表2
  钢No                                                             化学组成(质量％、剩余部分：Fe及杂质)         条件式
  C   Si   Mn   P   S   Cr   Al   Ti   N   B   O   Cu，Mo，Ni   V，Nb，Zr  Ca，，Mg，，REM   Neff   Beff
  22   *0.27   0.06   1.66   0.016   0.0013   0.35   0.021   0.018   0.0055   0.0006   0.0015   Ni:0.15   0.0002   0.0005
  23   *0.51   0.07   1.71   0.008   0.0014   0.35   0.020   0.023   0.0063   0.0007   0.0019   -0.0003   0.0007
  24   0.34   *0.55   1.55   0.020   0.0013   0.27   0.022   0.023   0.0066   0.0005   0.0022   Ni:0.11   -0.0001   0.0005
  25   0.34   0.04   *0.28   0.002   0.0010   0.36   0.013   0.018   0.0058   0.0011   0.0018  Ca:0.0007   0.0004   0.0007
  26   0.34   0.07   *2.53   0.010   0.0014   0.53   0.028   0.020   0.0068   0.0010   0.0009   V:0.09   0.0007   0.0002
  27   0.35   0.07   1.64   0.017   *0.0071   0.21   0.030   0.016   0.0033   0.0010   0.0010   -0.0011   0.0010
  28   0.34   0.05   1.45   0.003   0.0029   *0.05   0.017   0.015   0.0049   0.0011   0.0021   Mo:0.06   Nb:0.021  Ca:0.0014   0.0004   0.0007
  29   0.34   0.04   1.71   0.010   0.0028   *1.21   0.024   0.024   0.0051   0.0005   0.0015  REM:0.0007   -0.0015   0.0005
  30   0.33   0.04   1.54   0.016   0.0022   0.53   0.015   *0.001   0.0056   0.0010   0.0021   Nb:0.015  Mg:0.0009   0.0041   -0.0031
  31   0.33   0.06   1.32   0.001   0.0022   0.25   0.012   0.025   *0.0218   0.0012   0.0010   Ni:0.13  Ca:0.0013   0.0112   -0.0100
  32   0.35   0.05   1.54   0.015   0.0005   0.21   0.016   0.023   0.0047   *-   0.0015   -0.0016   -
注)表中带*号处表示不在本发明规定的条件之内。
使用所得到的钢管，实施冷拉伸成外径40mm、壁厚7mm，进而实施模锻加工成外径28mm、壁厚9mm。观察冷加工时有无裂纹产生，表3中将未产生裂纹的情况表示为○、产生裂纹的情况表示为×。
另外，模拟采用冷滚轧加工的花键加工，实施40％的压扁加工，观察有无裂纹。表3中将未产生裂纹的情况表示为○、产生裂纹的情况表示为×。
之后，对经模锻加工的外径28mm、壁厚9mm的坯料实施高频感应加热淬火，调查淬火性。此时，测定外表面的维氏硬度和内表面的维氏硬度，其差值在50以下时，淬火性表示为○，其差值超过50时，认为淬火性不充分，表示为×。
然后，经高频感应加热淬火的供试钢管在150℃下进行1小时的回火，调查基于JIS Z 2202和JIS Z 2242标准的却贝(charpyimpact)断裂能量值。使用半尺寸的试验片(试验片宽5mm、2mm的U槽口试验片)在20℃测试，调查此时的却贝断裂能量值(J)，2个数据的平均值在10J以上时表示为○、不到10J时表示为×。
另外，评价疲劳寿命时，改变负载扭矩来实施扭转疲劳试验，以到1000000次为止不发生疲劳破坏的最大扭矩来进行评价，最大扭矩超过2500N·m的数据记作○、不到2500N·m的记作×。
                                        表3
钢No.   冷加工时的裂纹   滚轧加工时的裂纹   疲劳寿命   淬火性   韧性   备注
  1   ○   ○   ○   ○   ○   发明例
  2   ○   ○   ○   ○   ○   发明例
  3   ○   ○   ○   ○   ○   发明例
  4   ○   ○   ○   ○   ○   发明例
  5   ○   ○   ○   ○   ○   发明例
  6   ○   ○   ○   ○   ○   发明例
  7   ○   ○   ○   ○   ○   发明例
  8   ○   ○   ○   ○   ○   发明例
  9   ○   ○   ○   ○   ○   发明例
  10   ○   ○   ○   ○   ○   发明例
  11   ○   ○   ○   ○   ○   发明例
  12   ○   ○   ○   ○   ○   发明例
  13   ○   ○   ○   ○   ○   发明例
  14   ○   ○   ○   ○   ○   发明例
  15   ○   ○   ○   ○   ○   发明例
  16   ○   ○   ○   ○   ○   发明例
  17   ○   ○   ○   ○   ○   发明例
  18   ○   ○   ○   ○   ○   发明例
  19   ○   ○   ○   ○   ○   发明例
  20   ○   ○   ○   ○   ○   发明例
  21   ○   ○   ○   ○   ○   发明例
  22   ○   ○   ×   ×   ○   比较例
  23   ×   ×   ○   ○   ×   比较例
  24   ×   ×   ○   ○   ○   比较例
  25   ○   ○   ○   ×   ○   比较例
  26   ×   ×   ○   ○   ×   比较例
  27   ×   ×   ×   ○   ○   比较例
  28   ○   ×   ×   ×   ○   比较例
  29   ×   ×   ○   ○   ×   比较例
  30   ×   ×   ×   ×   ○   比较例
  31   ×   ×   ×   ×   ○   比较例
  32   ○   ○   ○   ×   ○   比较例
如表3所示，钢No.1～钢No.21的钢是满足本发明所规定的条件的发明例，每一种情况下，冷加工性、淬火性、韧性和扭转疲劳强度的基本性能都可以得到良好的结果。
另一方面，钢No.22～钢No.32的钢是不满足本发明所规定的某些条件的比较例，某些基本性能低下，会产生一些问题，不可以作为驱动轴用的坯料来使用。
(实施例2)
上述表3中所示的发明例中，在冷加工时和滚轧时因其基本性能而不产生裂纹的情况下，也存在冷加工度过大时产生裂纹的情况。例如，上述表3中所示的钢No.1，以截面减少度评价的冷加工度60％时不产生裂纹，但当冷加工度为80％以上时存在产生裂纹的情况。
冷加工的截面减少率过大时，在冷加工的步骤中实施正火(normalize)或退火、或在冷加工之前或在冷加工之后实施球化退火的热处理时的效果示于表4。表4中的裂纹产生状况，未产生裂纹的情况表示为○、产生裂纹的情况表示为×。通过滚轧进行花键加工时，未产生裂纹的情况表示为○、产生裂纹的情况表示为×。冷加工时产生裂纹且无法滚轧加工的情况表示为—。
                                表4
  试验号   钢No.   热处理   截面减少率(％)   冷加工时的裂纹   滚轧时的裂纹
  A   1   无   80   ×   —
  B   1   球化退火   80   ○   ○
  C   4   无   80   ○   ×
  D   4   正火   80   ○   ○
  E   6   无   60   ○   ×
  F   6   正火   60   ○   ○
  G   9   无   70   ×   —
  H   9   球化退火   70   ○   ○
  I   9   退火   70   ○   ○
  J   10   无   75   ×   —
  K   10   球化退火   75   ○   ○
  L   12   无   70   ○   ×
  M   12   正火   70   ○   ○
  N   14   无   75   ○   ×
  O   14   正火   75   ○   ○
  P   18   无   80   ○   ×
  Q   18   正火   80   ○   ○
  R   20   无   70   ×   —
  S   20   正火   70   ○   ○
  T   20   退火   80   ○   ○
如表4所示，通过伴随冷加工实施正火(normalize)或实施球化退火热处理，可以防止冷加工时或滚轧时发生的裂纹。可以确认通过本发明的制造方法所采用的热处理，对冷加工性表现出显著的效果。
产业上的可利用性
根据本发明的无缝钢管，可以同时具备优良的冷加工性、淬火性、韧性和扭转疲劳强度，因此，作为空心驱动轴的空心轴坯料进行管端的减径加工或滚轧加工时，可防止此时发生的裂纹，并通过伴随冷成形加工进行热处理，可硬化至钢管内面并确保高韧性，进而可以实现作为驱动轴的高寿命。
因此，本发明的无缝钢管作为整体成形型的空心驱动轴用的空心轴坯料是最为适合的，可作为汽车部件用途而广泛采用。

Claims (5)

1.一种无缝钢管，其特征在于，以质量％计，含有C：0.30～0.50％、Si：0.5％以下、Mn：0.3～2.0％、P：0.025％以下、S：0.005％以下、Cr：0.15～1.0％、Al：0.001～0.05％、Ti：0.005～0.05％、N：0.02％以下、B：0.0005～0.01％以及O(氧)：0.0050％以下，剩余部分为Fe和杂质，以下述式(a)或式(b)规定的Beff为0.0001以上，
其中，Ti、N和B是含量％，当Neff＝N-14×Ti/47.9≥0时
Beff＝B-10.8×(N-14×Ti/47.9)/14           …(a)
同样，当Neff＝N-14×Ti/47.9＜0时
Beff＝B                                        …(b)。
2.根据权利要求1所述的无缝钢管，其特征在于，以质量％计，进一步含有选自Cu：0.05～1％、Ni：0.05～1％和Mo：0.05～1％中的1种或2种以上。
3.根据权利要求1或2所述的无缝钢管，其特征在于，以质量％计，进一步含有选自V：0.005～0.1％、Nb：0.005～0.1％和Zr：0.005～0.1％中的1种或2种以上。
4.根据权利要求1～3任意一项所述的无缝钢管，其特征在于，以质量％计，进一步含有选自Ca：0.0005～0.01％、Mg：0.0005～0.01％和稀土类元素(REM)：0.0005～0.01％中的1种或2种以上。
5.一种无缝钢管的制造方法，其特征在于，是对使用具有权利要求1～4任意一项所述化学组成的坯料制管而成的钢管实施截面减少率为5％以上的冷加工来制造无缝钢管的方法，其中，在所述冷加工之后实施退火或正火、或在所述冷加工之前或之后实施球化退火。
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