JP2022134669A - 電縫溶接鋼管およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
最近では、引張強度(TS):780MPa級の鋼管で、かつ-20℃という低温での優れた靭性が要求されるようになってきた。これらの用途に用いられる鋼管は、肉厚がmm程度の比較的薄肉のものから、10mmを超える厚肉品にいたるまで幅広く、これまでは、薄肉のものについては、シームレス鋼管あるいは電縫溶接鋼管が、また厚肉のものについてはシームレス鋼管が使われ、かつ厚肉の場合には造管後の後熱処理(焼き入れ・焼き戻し)により必要強度を確保する方法がとられてきた。
さらに、造管工程(穿孔前の丸ビレットの高温加熱:約1200℃)でパイプ表面に脱炭層が生じるため、その後に実施される焼入れ工程において、焼入れ硬さ不足が生じたり、かかる脱炭層部分の鋼管組織の粒径が焼入れ時の加熱工程でさらに粗大化することによって低温靭性が低下したりする問題があった。
Crはセメンタイトを安定化させる元素なので、焼入れ時の加熱中に、焼入れ前の組織におけるパーライト中のセメンタイトが溶解して拡散し脱炭反応に供されるのを防ぐ効果がある。すなわち、パイプの全厚にわたり均一な焼入れ後の硬さ(強度)を得ることが可能となるのである。さらに、パイプ表面の結晶粒粗大化が抑制されることで、鋼管の表面近傍における低温靭性の低下を、効果的に防ぐことが可能であることを併せて知見した。
すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
1.質量%で、C:0.20~0.30%、Si:0.05~0.50%、Mn:0.05~1.50%、P:0.0005~0.0300%、S:0.0001~0.0300%、Al:0.010~0.100%、Cr:0.25~0.50%、Ti:0.010~0.100%、B:0.0001~0.0050%、N:0.0005~0.0100%およびCa:0.0001~0.0050%を含み、残部Feおよび不可避的不純物であって、かつTi/N≧4.0の関係を満足する組成を有し、鋼管の内表面および外表面の両面に脱炭層を備え、該脱炭層深さは最大深さがそれぞれ0.20mm以下である電縫鋼管。
[成分組成]
本発明の建機フレーム部材、特にクレーンラチスあるいはクレーンブーム用電縫鋼管(以下、単に電縫鋼管または鋼管という場合がある)は、所定の成分組成を有する。以下、各成分の含有量およびかかる含有量の限定理由について説明する。なお、特に断らない限り、以下の鋼管成分にかかる「%」は「質量%」を指すものとする。
C:0.20~0.30%
Cは、クレーンラチス、あるいはクレーンブームに求められる強度(硬さ)を確保するために必要な元素であり、0.20%以上の含有を必要とする。一方、C含有量が0.30%を超えると、低温靱性を劣化させる。そのため、C含有量は、0.30%以下とし、好ましくは0.26%以下とする。
Siは、脱酸剤として作用するとともに、固溶強化元素としても作用する元素である。前記効果を得るためには0.05%以上の含有を必要とする。そのため、Si含有量は0.05%以上とする。一方、Siは電縫溶接において酸化物を形成しやすく、特に、管厚6mm以上の電縫溶接品質の確保が難しくなる厚肉品においては、Siを0.50%以下にすることが肝要である。そのため、Si含有量は0.50%以下とする。
Mnは、固溶して鋼の強度向上に寄与するとともに、鋼の焼入れ性を向上させる元素である。クレーンラチス、あるいはクレーンブームに求められる強度(硬さ)を確保するためには、0.05%以上の含有を必要とする。そのため、Mn含有量は0.05%以上、好ましくは0.2%以上とする。一方、1.50%を超えて含有すると、靭性が低下することに加え、高質化して造管が難しくなる。そのため、Mn含有量は1.50%以下、好ましくは1.45%以下とする。
Pは、固溶強化元素としても作用する元素である。前記効果を得るためには0.0005%以上の含有を必要とする。一方で、過度の添加は粒界等に偏析し、溶接割れ性および靭性を低下につながる。そのため、クレーンラチス、あるいはクレーンブームとして用いるためにはP含有量を0.0300%以下に低減する必要がある。なお、好ましくは0.0250%以下である。
Sは、鋼中では硫化物系介在物として存在し、熱間加工性、靭性を低下させる元素である。クレーンラチス、あるいはクレーンブーム用電縫鋼管として用いるためにはS含有量を0.0300%以下に低減すること必要がある。なお、好ましくは0.0100%以下である。一方で、過度に低減することは製鋼(脱硫)コストの上昇につながるため下限は0.0001%とする。
Alは、脱酸剤として作用するとともに、Nと結合しAlNとして析出し、強度を高める効果を有する。前記効果を得るためには、0.010%以上の含有を必要とする。そのため、Al含有量は0.010%以上とする。一方、0.100%を超えて多量に含有すると、酸化物系介在物量が増加し、加工性が低下する。そのため、Al含有量は0.100%以下、好ましくは0.050%以下とする。
Crは、本発明において重要な元素である。Crは固溶して鋼の強度向上に寄与すると同時に、焼入れ時の加熱工程において、素管の構成相であるフェライトーパーライト相のうち、パーライト中のセメンタイトを安定化させることができるため、セメンタイトの溶解と、それにともなう炭素の拡散による脱炭反応の進行を抑制させる元素である。前記効果を得るために、Crは0.25%以上の含有が肝要である。一方、Cr含有量が0.50%を超えると、酸化物が形成されやすくなり、電縫溶接部にCr酸化物が残存して電縫溶接品質が低下する。そのため、Cr含有量は0.50%以下とする。なお、好ましくは0.45%以下である。
Tiは、鋼中のNと結合しTiNを形成することで、焼入れ性の向上に有効なNと結合していない固溶ホウ素を確保する効果がある。そのためには、0.010%以上の添加が必要である。一方で、0.100%を超えて含有すると、延性が低下する。このため、Tiの含有量は0.100%以下に限定する。なお、好ましくは0.050%以下である。
Bは鋼中に固溶状態で存在することにより、焼入れ性を向上させることができる。このような効果を発揮するには0.0001%以上の添加が必要である。一方で、0.0050%を超えて添加しても上記の効果は飽和すると同時に靭性の低下につながるため、上限を0.0050%とする。
Nは、不純物として不可避的に含有されるものの、鋼中の窒化物形成元素と結合し、結晶粒の粗大化の抑制、さらには焼戻後の強度増加に寄与する。このような効果を発揮するには0.0005%以上の含有を有する。一方、0.0100%を超える含有は、溶接部の靭性を低下させる。そのため、Nの含有量は、0.0100%以下、好ましくは0.0050%以下とする。
Caは、硫化物系介在物の形態を制御して、微細な略球形の介在物とする作用を有する元素である。ここで、スラブ中に存在するMnSは熱間で展伸しやすく加工性や靭性を低下させるが、Caを添加することで、スラブ中の固溶Sは、MnSを形成せずに、熱延工程で展伸しにくく比較的球状のCaSを形成する。そのため、前記MnSの影響を抑制することが可能となる。かかる効果を発揮するためには、Ca含有量は0.0001%以上、好ましくは0.0010%以上とする。一方、Ca含有量が0.0050%を超えると、粗大なCaS系のクラスターが多くなりすぎて、かえって加工性や靭性が低下する。そのため、Ca含有量は0.0050%以下、好ましくは0.0030%以下である。
Tiは、鋼中のNと結合しTiNを形成することで、焼入れ性の向上に有効なNと結合していない固溶ホウ素を確保する効果がある。そのためには、前述のTi量およびN量の規定に加え、鋼中のN量に応じた添加量が必要になる。したがって、本発明では、鋼中のTi量および鋼中のN量がそれらの質量比でTi/N≧4.0(なお、式中、Tiは鋼中のTi量の質量%を、Nは鋼中のN量の質量%をそれぞれ意味する)の関係を満たすことが必要である。なお、かかるTi/Nの値の上限に特段の制限はないが、Tiの添加量が過剰に多くなると加工性が低下するため、Ti/Nの上限は20程度であることが好ましい。
Nb:0.0100~0.1000%
Nbは、鋼中のCと結合しNbCを形成し微細分散することで焼入れ工程での加熱中のオーステナイト粒の粗大化を防ぎ、靭性の低下を抑制する元素である。かかる効果を発揮するためには、0.0100%以上の含有が好ましい。一方、Nb含有量が0.1000%を超えると、添加効果が飽和して含有量に見合う効果が得られないため、経済的に不利となる。そのため、Nb含有量は0.1000%以下が好ましく、より好ましくは0.0500%以下である。
Moは、固溶して鋼の強度向上に寄与する元素である。かかる効果を得るためには、Mo含有量を0.05%以上とすることが望ましい。一方、Mo含有量が0.30%を超えると、効果が飽和すると同時に素材のコストの増加に繋がる。そのため、Mo含有量は0.30%以下が好ましく、より好ましくは0.20%以下である。
Cuは、耐食性を向上させる作用を有する元素である。かかる効果を得るには0.001%以上の含有が望ましい。一方、Cuは高価な合金元素であるため、Cu含有量が0.500%を超えると材料コストの高騰を招く。そのため、Cu含有量は0.500%以下が好ましく、より好ましくは0.300%以下である。
Niは、Cuと同様、耐食性を向上させる作用を有する元素である。かかる効果を得るには0.001%以上の含有が望ましい。一方、Niは高価な合金元素であるため、Ni含有量が0.500%を超えると材料コストの高騰を招く。そのため、Ni含有量は0.500%以下が好ましく、より好ましくは0.300%以下である。
Wは、Nbと同様に、微細な炭化物を形成して強度(硬さ)の増加に寄与する元素である。かかる効果を得るには0.001%以上の含有が望ましい。一方、W含有量が0.050%を超えると、添加効果が飽和して含有量に見合う効果が得られないため、経済的に不利となる。そのため、W含有量は0.050%以下が好ましく、より好ましくは0.030%以下である。
Vは、Nbと同様に鋼中のCと結合し炭化物を形成し、焼入れ工程での加熱中のオーステナイト粒の粗大化を防ぎ、靭性の低下を抑制する元素である。かかる効果を発揮するためには、0.001%以上の含有が望ましい。一方、V含有量が0.010%を超えると、添加効果が飽和して含有量に見合う効果が得られないため、経済的に不利となる。そのため、V含有量は0.010%以下が好ましく、より好ましくは0.008%以下である。
REM(希土類金属)は、Caと同様に、硫化物系介在物の形態を微細な略球形の介在物に制御する作用を有する元素である。Caの作用を補完するために、任意にREMを添加することができる。一方、REM含有量が0.020%を超えると、疲労き裂の起点となる介在物の量が過剰となり、かえって耐腐食疲労特性が低下する。そのため、REM含有量は0.020%以下が好ましく、より好ましくは0.010%以下である。一方、REM含有量の下限はとくに限定されないが、REMの添加効果を高めるという観点からは、REM含有量を0.001%以上とすることが好ましい。
なお、本発明における上記した成分以外の残部の成分は、Feおよび不可避的不純物である。
本発明に従う鋼管は、表面脱炭すなわち、管内表面および管外表面に、以下に規定する脱炭層(本明細書において全脱炭層ともいう)を備える。なお、本発明において、かかる脱炭層は、JIS G0558に記載された方法に準拠して、鋼管の断面を研磨した後、ナイタール液を用いて腐食し、以下の顕微鏡観察で、鋼材の表面から、脱炭層と生地との化学的性質又は物理的性質の差異が、もはや視認で区別できない位置までの距離を意味する。
かかる全脱炭層の深さは、組織観察(管円周(C)方向断面観察)用試験片を用い、光学顕微鏡(倍率:100倍)で組織を観察し、10視野(1視野当たり約1mm長さ)の最大深さ箇所で規定する。
引張強度TS:780~980MPa
本発明における鋼管は、クレーンの大型化および寒冷地での使用を考慮し、高強度化と高靭性化が求められている。そのためには引張強度TSが780MPa以上であることが必要である。一方で、980MPaを超える高強度になると、必要強度を確保するために、鋼中の炭素量を増やす、あるいは焼き戻し温度を低温化する等の必要が生じ、これらは低温靭性を低下させることにつながる。したがって、引張強度TSの上限は980MPaとする。
本発明における鋼管は、寒冷地での使用を考慮して、低温衝撃特性として、シャルピー吸収エネルギーシャルピー試験片サイズ:10×5mm、試験温度:-20℃)は24J以上が必要である。24J未満では寒冷地での使用において脆性破壊のリスクが増える。なお、上限については特に制限はない。
本発明では、鋼素材に、熱延工程を施して鋼管用素材とし、ついで該鋼管用素材に、造管工程を施して電縫鋼管(素管)とする。
例えば、使用する鋼素材は、前記した組成を適宜有する溶鋼を、転炉等の常法の溶製方法で溶製し、連続鋳造法あるいは造塊-圧延法でスラブ等の鋼素材とする。
かかる鋼素材に熱間圧延を施して熱延板とする熱延工程を経た熱延板を鋼管用素材とし、ついで、該鋼管用素材に造管工程を施して電縫鋼管とする。かかる造管工程は、鋼管用素材を連続的に成形し略円筒状のオープン管とし、該オープン管を電縫溶接して電縫鋼管(素管)とする工程である。
・焼入れ:前記素管をAc3変態点以上まで昇温(焼入れ開始温度がAc3変態点以上と)し、50℃/s以上の冷却速度でマルテンサイト変態点(Ms点)以下まで冷却して焼き入れを行う。
かかる焼入れ開始温度がAc3変態点未満の場合、十分な焼入れ硬さが得られない一方で、過度に高温加熱するとオーステナイト粒の粗大化が生じ低温靭性が低下する。そのため、前記素管をAc3変態点以上まで昇温する。また、かかる焼入れ開始温度の上限は、工業的にAc3変態点+100℃程度である。
また、上記昇温後の冷却の冷却速度が50℃/s未満の場合には十分な焼入れ硬さが得られない。そのため、かかる冷却速度の下限は50℃/sである。一方、かかる冷却速度の上限に、特段の制限はないが、工業的には、150℃/s程度である。
保持時間については、特に限定しないが、品質の均一性を確保するためには、10分以上であることが望ましい。
なお、本発明では、かかる本発明の成分組成等を満足するオープン管を準備すれば、それ以降の造管工程および熱処理を上記した本発明の条件とすることで、本発明の電縫鋼管を得ることができる。
その後、表2に示した熱処理(焼入れ、焼き戻し)を実施して得られた電縫鋼管について、全脱炭層(表面脱炭)深さの測定、引張試験、およびシャルピー試験を実施した。試験方法は次のとおりとした。
全脱炭層深さの測定はJIS G0558に記載された方法に則り行った。すなわち、得られた鋼管から、組織観察(管円周(C)方向断面観察)用試験片を採取し、断面研磨した後、ナイタール液を用いて腐食し、光学顕微鏡(倍率:100倍)を用いて組織を観察し、全脱炭層深さを測定した。観察は10視野で行い、全脱炭層深さのうち最大脱炭深さを採用した。
得られた鋼管から、JIS Z 2241の規定に準拠して、引張方向が管軸(L)方向となるようにJIS 12号B引張試験片(標点距離:50mm)を採取し、JIS Z 2241の規定に準拠して、引張試験を実施し、0.2%耐力:YS(MPa)、引張強さ:TS(MPa)、伸び:El(%)をそれぞれ求めた。
得られた鋼管から、JIS Z 2242の規定に準拠して、管長手(L)方向の管厚中央部からVノッチ試験片(幅:10mm×高さ:5mm×長さ:55mm、ノッチ角度:45°、ノッチ深さ:2mm、ノッチ底半径:0.25mm)を採取し、試験温度:‐20℃にて吸収エネルギーを測定した。
得られた結果を表2に併記する。
Claims (9)
- 質量%で、C:0.20~0.30%、Si:0.05~0.50%、Mn:0.05~1.50%、P:0.0005~0.0300%、S:0.0001~0.0300%、Al:0.010~0.100%、Cr:0.25~0.50%、Ti:0.010~0.100%、B:0.0001~0.0050%、N:0.0005~0.0100%およびCa:0.0001~0.0050%を含み、残部Feおよび不可避的不純物であって、かつTi/N≧4.0の関係を満足する組成を有し、鋼管の内表面および外表面の両面に脱炭層を備え、該脱炭層深さは最大深さがそれぞれ0.20mm以下である電縫鋼管。
- さらに、質量%で、
Nb:0.0100~0.1000%、Mo:0.05~0.30%、Cu:0.001~0.500%、Ni:0.001~0.500%、W:0.001~0.050%、V:0.001~0.010%、REM:0.020%以下のうちから選んだ1種または2種以上を含有する請求項1に記載の電縫鋼管。 - 請求項1に記載の電縫鋼管を製造する方法であって、
質量%で、C:0.20~0.30%、Si:0.05~0.50%、Mn:0.05~1.50%、P:0.0005~0.0300%、S:0.0001~0.0300%、Al:0.010~0.100%、Cr:0.25~0.50%、Ti:0.010~0.100%、B:0.0001~0.0050%、N:0.0005~0.0100%およびCa:0.0001~0.0050%を含み、残部Feおよび不可避的不純物であって、かつTi/N≧4.0の関係を満足する組成の鋼素材に、熱間圧延を施して熱延板とする熱延工程を施して鋼管用素材とし、該鋼管用素材を成形して円筒状のオープン管とし、該オープン管を電縫溶接して電縫鋼管とする造管工程を施し、該電縫鋼管をAc3変態点以上まで昇温し、50℃/s以上の冷却速度でマルテンサイト変態点(Ms点)以下まで冷却して焼き入れを行う工程、および焼き戻し工程を備える電縫鋼管の製造方法。 - 請求項2に記載の電縫鋼管を製造する方法であって、
前記鋼素材の組成にさらに、質量%で、Nb:0.0100~0.1000%、Mo:0.05~0.30%、Cu:0.001~0.500%、Ni:0.001~0.500%、W:0.001~0.050%、V:0.001~0.010%、REM:0.020%以下のうちから選ばれた1種または2種以上を含有する請求項3に記載の電縫鋼管の製造方法。 - 前記焼き戻し工程は、焼き戻し後の電縫鋼管の引張強度TSを780~980MPaの範囲とする条件で行う請求項3または4に記載の電縫鋼管の製造方法。
- 前記焼き戻し工程後の電縫鋼管の外表面に、ショットブラストを施す請求項3~5のいずれか1項に記載の電縫鋼管の製造方法。
- 請求項1または2に記載の電縫鋼管を製造する方法であって、
請求項1または2に記載の成分を有するオープン管を電縫溶接する造管工程を施して電縫鋼管とし、該電縫鋼管をAc3変態点以上まで昇温し、50℃/s以上の冷却速度でマルテンサイト変態点(Ms点)以下まで冷却する焼入れを施し、次いで焼き戻しを施す電縫鋼管の製造方法。 - 前記焼き戻しは、焼き戻し後の電縫鋼管の引張強度TSを780~980MPaとする条件で行う請求項7に記載の電縫鋼管の製造方法。
- 前記焼き戻し後の電縫鋼管の外表面に、ショットブラストを施す請求項7または8に記載の電縫鋼管の製造方法。
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