JP2006299415A - 低温靭性に優れた低降伏比電縫鋼管用熱延鋼板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低温靭性に優れた低降伏比電縫鋼管用の熱延鋼板を得る。
【解決手段】Ｃ：０．０１〜０．０９％、Ｓｉ：０．５０％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ａｌ：０．０１〜０．１０％、Ｎｂ：０．０１〜０．１０％を含有し、さらに、Ｐcm(％)≦０．１６％を満足するようにＣｕ：０．５％以下、Ｎｉ：０．５％以下、Ｃｒ：０．５％以下、Ｍｏ：０．５％以下のうちの１種または２種以上を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなるスラブを、Ｘ(℃)＝−７００×Ｃ％＋９００を満足する温度（Ｘ）以上で熱間圧延を終了し、５℃／s以上の冷却速度で６５０℃以下まで冷却後、巻き取る。
【選択図】なし

Description

本発明は、特に原油、ガスなどのパイプライン、水道配管、建築・土木用の柱などに好適な、低温靭性に優れた低降伏比電縫鋼管用の熱延鋼板の製造方法に関するものである。

電縫鋼管、スパイラル鋼管、継目無鋼管、ＵＯＥ鋼管、プレスベンド鋼管などの炭素鋼鋼管あるいは低合金鋼鋼管は、大量にかつ安定して製造できるため、その優れた経済性や溶接施工性とあいまって、原油、ガスなどのラインパイプや水道配管などのような流体輸送用配管あるいは建築・土木用の柱として広く用いられている。
しかしながら、大地震が発生した場合、これら鋼管の長手方向には引張りおよび圧縮の大きな力が繰り返し加わり、外径／管厚比がある程度大きな鋼管では局部座屈を起こし、場合によっては円周方向のき裂の発生や破断に至ることがある。

一般的に、鋼材に冷間加工を加えると加工硬化により降伏応力と引張強さ、特に降伏応力が上昇して、降伏比が高くなり、塑性変形吸収能が低下するといわれている。特に電縫鋼管の場合、コイル板幅方向（管円周方向）の降伏比は造管時に曲げ加工が施され、板での最終材質評価試験時の平板への展開によるバウシンガー効果により、母材の降伏比よりも低くなることがあるが、コイル長手方向（管軸方向）は、バウシンガー効果を期待することができないので降伏比の低い鋼管を得ることはできない。
降伏比の低い鋼管の製造方法としては、例えば、特許文献１に、耐震性能として降伏応力と引張強さの比である降伏比を小さくするための建築用鋼管の製造方法が開示されているが、熱間圧延後、再加熱したり、焼き入れたり、また造管時に焼き戻したりと熱処理工程が複雑である。

また、特許文献２には、Ｃ：０．１０〜０．１８％と炭素含有量の多い素材を７８０℃以上の温度域で最終仕上熱延を行った後、空冷で冷却する方法が開示されているが、板厚が１２ｍｍ以上と厚く、かつ炭素含有量の多い鋼を空冷で冷却した場合、冷却速度が遅いため鋼組織はフェライトと粗大なパーライト組織になり、低温靭性や耐サワー性が極めて劣悪な素材となってしまい、ラインパイプなどの高機能が要求される鋼管などには適用できない。
特開平３−１７３７１９号公報 特開平５−１５６３５７号公報

したがって本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決し、低温靭性に優れかつ高い塑性変形吸収能を有する低降伏比電縫鋼管用の熱延鋼板の製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するための本発明の要旨は以下の通りである。
［1］質量％で、Ｃ：０．０１〜０．０９％、Ｓｉ：０．５０％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ａｌ：０．０１〜０．１０％、Ｎｂ：０．０１〜０．１０％を含有し、さらに、下記（1）式を満足するようにＣｕ：０．５％以下、Ｎｉ：０．５％以下、Ｃｒ：０．５％以下、Ｍｏ：０．５％以下のうちの１種または２種以上を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなるスラブを、下記（2）式を満足する温度（X）以上で熱間圧延を終了し、５℃／s以上の冷却速度で６５０℃以下まで冷却後、巻き取ることを特徴とする低温靭性に優れた低降伏比電縫鋼管用熱延鋼板の製造方法。
Pcm(%)＝C%+Si%/30+(Mn%+Cu%+Cr%)/20+Ni%/60+Mo%/15+V%/10≦0.16% …(1)
X(℃)＝-700×C%+900 …（2）

［2］上記［1］の製造方法において、スラブがさらに、質量％で、Ｔｉ：０．１％以下、Ｖ：０．１％以下、Ｚｒ：０．１％以下のうちの１種または２種以上を含有することを特徴とする低温靭性に優れた低降伏比電縫鋼管用熱延鋼板の製造方法。
［3］上記［1］または［2］の製造方法において、スラブが、質量％で、Ｍｏ：０．５％以下、Ｃｒ：０．５％以下を含有することを特徴とする低温靭性に優れた低降伏比電縫鋼管用熱延鋼板の製造方法。

本発明によれば、鋼組成と製造条件を最適化することにより、低温靭性、特に溶接熱影響部靭性に優れ、且つ高い塑性変形吸収能を有する低降伏比電縫鋼管用の熱延鋼板を製造することができる。したがって、本発明法により得られた熱延鋼板で製造された電縫鋼管を用いることにより、大地震が発生した際に、原油、ガスなどのラインパイプや水道配管の破損と内部流体の流出、あるいは高速道路の橋脚柱の破断による倒壊などの災害を防ぐことができ、また寒冷地に敷設されても脆性破壊の危険を回避することができる。

本発明者等は、鋭意検討を重ねた結果、鋼の成分組成と熱間圧延条件を最適化することによって、低温靭性に優れた低降伏比電縫鋼管用の熱延鋼板を製造できることを見出し、本発明を完成させた。
すなわち、本発明の電縫鋼管用熱延鋼板の製造方法は、質量％で、Ｃ：０．０１〜０．０９％、Ｓｉ：０．５０％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ａｌ：０．０１〜０．１０％、Ｎｂ：０．０１〜０．１０％を含有し、さらに、下記（1）式を満足するようにＣｕ：０．５％以下、Ｎｉ：０．５％以下、Ｃｒ：０．５％以下、Ｍｏ：０．５％以下のうちの１種または２種以上を含有し、
Pcm(%)＝C%+Si%/30+(Mn%+Cu%+Cr%)/20+Ni%/60+Mo%/15+V%/10≦0.16% …(1)
さらに必要に応じてＴｉ：０．１％以下、Ｖ：０．１％以下、Ｚｒ：０．１％以下のうちの１種または２種以上を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなるスラブを、下記（2）式を満足する温度（X）以上で熱間圧延を終了し、５℃／s以上の冷却速度で６５０℃以下まで冷却後、巻き取るものである。
X(℃)＝-700×C%+900 …（2）

本発明法により鋼の成分組成と製造条件を最適化して製造される電縫鋼管用熱延鋼板は、大地震の際に軸方向に作用する圧縮や曲げ応力に対して局部座屈を起こしにくく、パイプライン、水道配管、建築・土木用の柱などに好適な耐震性に優れた電縫鋼管を得ることができる。
本発明の成分組成および製造条件について、以下に具体的に説明する。

（1）成分組成について
以下、成分組成の限定理由について説明する。なお、成分組成における各元素の含有量は、全て質量％を意味する。
（Ｃ：０．０１〜０．０９％）
Ｃ量が０．０１％未満では、結晶粒が粗大化することによって固溶Ｃ量が増大し、降伏比が高くなる。一方、０．０９％を超えると、鋼の組織において粗大なパーライトが生成しやすくなり、低温靭性が劣化する。このためＣ量は０．０１〜０．０９％とする。
（Ｓｉ：０．５％以下）
Ｓｉ量が０．５％を超えると電縫溶接時に酸化物が生成しやすくなり、溶接熱影響部靭性が劣化する。このためＳｉ量は０．５％以下、好ましくは０．３％以下とする。

（Ｍｎ：２．０％以下）
Ｍｎは鋼の強度確保に有効な元素であるが、２．０％を超えて添加すると溶接熱影響部靭性が劣化する。このためＭｎ量は２．０％以下とする。
（Ａｌ：０．０１〜０．１０％）
Ａｌは製鋼段階での脱酸剤として用いられる他、歪み時効の原因であるＮを固定するのに有効な元素であり、０．０１％以上含有するように添加する必要がある。但し、０．１０％超の含有量になるような添加は、溶鋼コストを不必要に上昇させるので好ましくなく、また、鋼中酸化物を増加させて母材および電縫溶接部の靭性を低下させたり、加熱炉中で表層に窒化を引き起こし降伏比の増加をもたらすおそれもある。このためＡｌ量は０．１０％以下、好ましくは０．０５％以下とする。

（Ｎｂ：０．０１〜０．１０％）
Ｎｂは、熱延中もしくは熱延終了後にＮｂＣを析出させ、かつ鋼の再結晶挙動、粒成長を抑制して結晶粒を微細化し、強度上昇を促すのに有効な元素であることから必須元素とした。その効果を出すためには０．０１％以上含有する必要がある。但し、０．１０％超の含有は溶鋼コストを上昇させるとともに、熱延の変形抵抗が大きくなるため好ましくない。このためＮｂ量は０．１０％以下、好ましくは０．０７％以下とする。

（Ｃｕ：０．５％以下、Ｎｉ：０．５％以下、Ｃｒ：０．５％以下、Ｍｏ：０．５％以下）
Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏは、鋼板の強度上昇に有効な元素である。いずれも０．５％を超える添加は、溶接性および溶接熱影響部靭性の劣化を招く。このためＣｕ：０．５％以下、Ｎｉ：０．５％以下、Ｃｒ：０．５％以下、Ｍｏ：０．５％以下のうちの１種以上を添加する。
また、上記元素群のなかで、Ｃｒはγ相安定化に寄与し、低温変態生成物を生成しやすくし、低降伏比化に有効な元素である。また、Ｍｏも低温変態生成物を生成しやすく、低降伏比化に有効な元素である。したがって、Ｍｏ：０．５％以下、Ｃｒ：０．５％以下を複合添加することが特に好ましく、より好ましい添加量はＭｏ：０．３％以下、Ｃｒ：０．３％以下である。また、これらの含有量は、Ｍｏについては０．０５％以上、特に好ましくは０．１０％以上、Ｃｒについては０．０８％以上、特に好ましくは０．１１％以上とすることが望ましい。

（Pcm(%)＝C%+Si%/30+(Mn%+Cu%+Cr%)/20+Ni%/60+Mo%/15+V%/10：0.16%以下）
Ｐｃｍ（％）を０．１６％以下としたのは、０．１６％超では低降伏比材を得る上では有利に働くが、溶接部の靭性が低下するからである。
本発明では、さらに、鋼管の強度や靭性などの目標に応じて、以下の選択元素のうちの１種以上を含有させてもよい。
（Ｔｉ：０．１％以下、Ｖ：０．１％以下、Ｚｒ：０．１％以下）
Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒは微細な炭窒化物を形成し、鋼の靭性および強度を上昇させる元素である。しかし、Ｔｉ：０．１％、Ｖ：０．１％、Ｚｒ：０．１％を超える添加は、溶接熱影響部靭性を劣化させる。したがって、Ｔｉ：０．１％以下、Ｖ：０．１％以下、Ｚｒ：０．１％以下のうちの１種以上を添加する。また、好ましくはそれぞれ０．０５％以下とするのがよい。

その他、不純物元素として混入するＰ、Ｓについては、本発明で特に限定するものではないが、Ｐは粒界に偏析して粒界強度を弱め、溶接熱影響部靭性を劣化させる。このためＰ量は０．０３％以下であることが好ましい。また、Ｓは０．０１％を超えて含有すると溶接熱影響部靭性を劣化させる。したがって、Ｓ量は０．０１％以下、好ましくは０．００５％以下とすることが望ましい。

（2）製造条件について
以下に望ましい製造条件について説明する。
（熱延仕上温度：X（℃）≧-700×C％+900）
熱延仕上温度（X）をX（℃）≧-700×C％+900としたのは、Ｃ量が少ない場合はＮｂＣなどの析出物が微細に析出するため、圧延終了後のγ粒が再結晶・粒成長しにくく、γ→α変態後のα粒も微細となって低降伏比化しにくいからである。すなわち、Ｃ量が少ない場合に８５％以下の低降伏比材を得るためには熱延仕上温度を高めとし、γ粒を大きめにする必要がある。そのために熱延仕上温度（X）とＣ量の関係をX（℃）≧-700×C％+900とした。

（熱延後の冷却速度：５℃／ｓ以上）
熱延後の冷却速度を５℃／ｓ以上としたのは、冷却速度が５℃／ｓ未満では、γ→α変態が高温で開始するため、フェライト組織がポリゴナルフェライトとなり、強度と靭性の確保が難しくなるからである。したがって、母相組織をベイニティック・フェライトにして強度と靭性を確保するために、５℃／ｓ以上の冷却速度とする必要がある。
但し、冷却速度が４５℃／ｓを超えると、冷却過程でγ／αの二相分離が十分に行われず、所望の低温変態生成物が得られにくくなる。このため低温変態生成物の生成の観点からは、冷却速度は４５℃／ｓ以下が望ましい。

なお、上記ベイニティック・フェライトは、ベイナイト組織が転位密度の高いラス状組織を持った下部組織を有しており、組織内に鉄の炭化物を有していない点で、ベイナイト組織とは明らかに異なる。また、転位密度がないか或いは極めて少ない下部組織を有するポリゴナル・フェライト組織、或いは細かいサブグレイン等の下部組織を持った準ポリゴナル・フェライト組織とも異なっている。

（熱延後の巻取り温度：６５０℃以下）
熱延後の巻取り温度を６５０℃以下としたのは、６５０℃を超えると靭性によくないパーライト組織が生成してしまうからである。パーライトの生成ノーズを回避して、主な低温変態生成物をベイナイトやマルテンサイトにするために、熱延後の巻取り温度を６５０℃以下とする必要がある。また、より好ましい巻取り温度は６２０℃以下である。

なお、本発明によって製造された素材の降伏比、低温靭性は、上記した鋼の成分組成と製造条件によって決まるものであり、鋼管の形状や製造方法は問わない。すなわち、鋼管の成形方法も冷間である限り特に限定されるものではなく、ＵＯＥ鋼管やスパイラル鋼管、電縫鋼管、プレスベンド鋼管など種々の方法を採用することができる。

表１に本発明鋼及び比較鋼の成分組成を示す。この鋼を用い、表２に示す製造条件で板厚１５ｍｍの熱延鋼板を製造した。この熱延鋼板の各種材料特性を表２に併せて示す。
引張特性は小型の丸棒引張試験機を用いて測定した。ここで降伏比とは、０．５％引張時の応力／引張強さの比を言い、降伏比が８５％以下のものを“良好”、８５％超のものを“不良”とする。

母材および溶接熱影響部靭性はJIS Z 2202の４号試験片を用いシャルピー衝撃試験で評価し、JIS Z 2242で示される破面遷移温度で示した。なお、破面遷移温度が−５０℃以下のものを“良好”、−５０℃超を“不良”とする。
表１、表２から明らかなように、本発明条件を満足する熱延鋼板は降伏比が低く、且つ良好な溶接熱影響部靭性を有している。
これに対して比較例は、降伏比と溶接熱影響部靭性の少なくとも一方が劣っている。

Claims (3)

1. 質量％で、Ｃ：０．０１〜０．０９％、Ｓｉ：０．５０％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ａｌ：０．０１〜０．１０％、Ｎｂ：０．０１〜０．１０％を含有し、さらに、下記（1）式を満足するようにＣｕ：０．５％以下、Ｎｉ：０．５％以下、Ｃｒ：０．５％以下、Ｍｏ：０．５％以下のうちの１種または２種以上を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなるスラブを、下記（2）式を満足する温度（X）以上で熱間圧延を終了し、５℃／s以上の冷却速度で６５０℃以下まで冷却後、巻き取ることを特徴とする低温靭性に優れた低降伏比電縫鋼管用熱延鋼板の製造方法。
   Pcm(%)＝C%+Si%/30+(Mn%+Cu%+Cr%)/20+Ni%/60+Mo%/15+V%/10≦0.16% …(1)
   X(℃)＝-700×C%+900 …（2）
2. スラブがさらに、質量％で、Ｔｉ：０．１％以下、Ｖ：０．１％以下、Ｚｒ：０．１％以下のうちの１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１に記載の低温靭性に優れた低降伏比電縫鋼管用熱延鋼板の製造方法。
3. スラブが、質量％で、Ｍｏ：０．５％以下、Ｃｒ：０．５％以下を含有することを特徴とする請求項１または２に記載の低温靭性に優れた低降伏比電縫鋼管用熱延鋼板の製造方法。