JP3633434B2

JP3633434B2 - マルテンサイト系ステンレス継目無鋼管の製造方法

Info

Publication number: JP3633434B2
Application number: JP2000106398A
Authority: JP
Inventors: 修治山本; 正春岡; 俊治坂本; 健一高久; 弘一古庄; 精二石橋
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1999-07-26
Filing date: 2000-04-07
Publication date: 2005-03-30
Anticipated expiration: 2020-04-07
Also published as: JP2001096304A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、質量％で、Ｃｒ：１０．０〜１６．０％、Ｎｉ：１．０〜８．０％を含有するマルテンサイト系ステンレス継目無鋼管の製造方法に関するもので、特に、シームレス圧延に際して、外表面の圧延疵の発生を減少させる圧延法に関わるものである。
【０００２】
【従来の技術】
ユージン−セジュルネ方式で代表される熱間押出法により製造されてきた各種ステンレス継目無鋼管が、近年、前記熱間押出法よりも生産性の高いマンドレルミル法およびプラグミル法の圧延法で製造されるようになった。ＪＩＳ規格ＳＵＳ４２０Ｊ１タイプの１３％Ｃｒ鋼は、油井用鋼管として使用されるため生産量が多い。また、耐食性、強度、靭性などの材質特性への市場要求の高度化に伴い、特公平３−２２７７号公報や特開平２−２４７３６０号公報に見られるようなＮｉ、Ｍｏ、Ｃｕなどの合金元素を多量に含有する鋼種が開発されてきており、これらマルテンサイト系ステンレス鋼は、一般に、油井管用途としてのModified 13Crやラインパイプ用途としてのWeldable 13Crなどの呼称で称され、継目無鋼管を始め、電縫管や丸鋼などの製品として実用化されている。
【０００３】
このようなステンレス鋼は、普通鋼に比較して熱間加工性が劣るため、特に加工が過酷な継目無鋼管圧延においては、疵が発生しやすい。ＪＩＳ規格ＳＵＳ４２０系の１３％Ｃｒ鋼鋼菅の外面疵を低減するため、本発明者らは特開平７−１７８４３５号公報において、圧延用素材の表面に脱炭防止剤を塗布するか、もしくは保護鋼板を全面に覆った後、圧延する方法を提案した。
【０００４】
しかしながら、上記Modified 13CrやWeldable 13Crの中でも特にＮｉを１％以上含有する鋼においては、外面疵の発生が著しく、特開平７−１７８４３５号公報にある方法を用いてもその防止が充分になされなかった。
【０００５】
Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｒなどの合金元素を多量に含有するマルテンサイト系ステンレス鋼の外表面疵を低減するため、本発明者らは特願平１１−２１０７１２号において、加熱した際に生成する金属片を含み空隙が少ないスケール層の厚さを１５０μｍ以下とし穿孔する方法を提案した。上述の方法では、外表面疵の低減を行うことは可能であるが、さらに一層の外表面疵を低減することが可能な方法が求められる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述の問題を克服する技術を提供することを目的とするものであり、すなわち、Ｎｉ、Ｍｏなどの製品性能上有用な合金元素を多量に含有するマルテンサイト系ステンレス継目無鋼管のシームレス圧延に際して、外表面疵の発生を低減することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、質量％で、Ｃｒ：１０．０〜１６．０％、Ｎｉ：１．０〜８．０％を含有するマルテンサイト系ステンレス継目無鋼管で発生する外表面の圧延疵について詳細に調査・解析した。
【０００８】
その結果、鋼材表面側の酸化スケールは、金属片を多量に含み、空隙が少ないものであって、これが外面疵の発生原因となることを見出して本発明を完成した。
【０００９】
本発明の要旨は、以下の通りである。
【００１０】
(1)質量％で、Ｃｒ：１０．０〜１６．０％、Ｎｉ：１．０〜８．０％を含有するマルテンサイト系ステンレス鋼片を加熱した際に鋼片表面に生成する酸化スケールのうち、断面全体に対する空隙の面積率が２０％以下で、かつ金属片の面積率が３０％以上である下層部スケールの厚さを１５０μｍ以下とし、かつ加熱時のオーステナイト粒径を２００μｍ以下として穿孔することを特徴とするマルテンサイト系ステンレス継目無鋼管の製造方法。
【００１１】
(2)質量％で、Ｃｒ：１０．０〜１６．０％、Ｎｉ：１．０〜８．０％、Ｔｉ：０．０１〜０．０５％を含有するマルテンサイト系ステンレス鋼片を加熱した際に鋼片表面に生成する酸化スケールのうち、断面全体に対する空隙の面積率が２０％以下で、かつ金属片の面積率が３０％以上である下層部スケールの厚さを１５０μｍ以下とし、かつ加熱時のオーステナイト粒径を２００μｍ以下として穿孔することを特徴とするマルテンサイト系ステンレス継目無鋼管の製造方法。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に本発明による圧延方法について詳細に説明する。
【００１３】
本発明者らは、質量％で、Ｃｒ：１０．０〜１６．０％、Ｎｉ：１．０〜８．０％を含有するマルテンサイト系ステンレス鋼においては、図１に示すようなＮｉが濃化した金属片を含有した酸化スケールが外面疵の発生に多大な影響を与えることを知見した。図２に示すように酸化スケール中の金属片の一部は図２に示すように地鉄と繋がっているため、２１０気圧程度の高圧水デスケーリングを行っても、除去することが困難である。このような地鉄との密着性に優れる酸化スケールが付着した素材をプレスロール穿孔機あるいは傾斜穿孔機で穿孔すると以下のメカニズムで外面疵になることを突き止めた。プレスロール穿孔機による穿孔においては、図３に示すように角形鋼片のコーナー近傍において、ロールから受けるロール側面フランジ方向への摩擦により、スケールが不均一に押し込まれて溝状欠陥になる。この溝状欠陥の存在する素管を傾斜圧延機で延伸圧延すると、ロールから受ける回転方向の摩擦により溝状欠陥がラップして外面疵になる場合がある。一方、傾斜圧延機においても、ロールから受ける回転方向の摩擦により、スケールが不均一に押し込まれて表面が溝状になると共にラップして外面疵になる。
【００１４】
続いて、鋼材表面に生成するスケールと疵の内部に存在するスケールの関係を調査した。鋼材表面に生成した酸化スケールの形態は図１に示した通りであり、２層に分類される。同図中にＩで示した範囲の表層側の酸化スケールは空隙が多く、金属片の少ないものであるため、容易に剥離しやすいと推定される。このＩで示した範囲の表層側の酸化スケールを以下、スケールＩと呼ぶことにする。一方、同図中にＩＩで示した範囲の地鉄側の酸化スケール（酸化スケールの下層部）は空隙が少なく、金属片の多いものである。このＩＩで示した金属片を含み空隙が少ないスケールとは、任意に切断した断面全体に対する空隙の面積率が２０％以下、かつ金属片の面積率が３０％以上のスケールである。このＩＩで示した金属片を含み空隙が少ない酸化スケールを以下、スケールＩＩと呼ぶことにする。
【００１５】
次に、溝状疵の内部に存在するスケールを調査した結果、このスケールは図４に示すように、金属片を多量に含むスケールであり、スケールＩＩであることを突き止めた。空隙が多く金属片が少ないスケールＩは、ロールと接触後、直ちに被穿孔材より剥離し問題とならないが、被穿孔材との密着性がよい、スケールＩＩは、地鉄と共に塑性変形しようとするが、ロールからの摩擦に起因する剪断変形により、地鉄／スケール界面あるいはスケール中でスケールが分断されて不均一に押し込まれることにより溝状欠陥になる。
【００１６】
このスケール起因の外面疵を軽減するための圧延法を検討した。上述したように外面疵の起点は、スケールＩＩが不均一に押し込まれて生じた溝状欠陥であるため、スケールＩＩの厚さを小さくすることで、表面に生成する溝状欠陥が浅くなり、外面疵を防止できると発想した。一般的に、加熱時間が長くなると酸化スケールの厚さが厚くなるが、図５に示すようにスケールＩＩの厚さも、加熱時間の増加に伴い増加することを知見した。
【００１７】
まず、プレスロール穿孔機で角形鋼片を厚肉中空素管に穿孔後、傾斜圧延機で薄肉素管に延伸圧延する工程で検討を行った。表層に生成したスケールＩＩの厚さを変更した鋼片を用い、プレスロール穿孔機で厚肉中空素管に穿孔後、傾斜圧延機で薄肉素管に圧延し、外面疵の深さを調査した。その際、一部の鋼片については、プレスロール穿孔機で穿孔後に払い出し、プレスロール穿孔による溝状欠陥の深さを調査した。
【００１８】
図６にスケールＩＩの厚さと穿孔後の溝状欠陥の深さの関係を示す。図６に示すように、スケールＩＩの厚さが２００μｍの付近から溝状欠陥の深さが大きく上昇する。
【００１９】
図７に、スケールＩＩの厚さと傾斜圧延機での延伸圧延後の薄肉中空素管の外面疵深さの関係を示す。図７に示すように、スケールＩＩの厚さを小さくすることで、プレスロール穿孔後の溝状欠陥が浅くなり、傾斜圧延機での圧延後の外面疵が浅くなること、さらに、スケールＩＩの厚さをｌ５０μｍ以下にすることで、外面疵を防止できることを知見した。
【００２０】
次に、表層に生成したスケールＩＩの厚さを変更した鋼片を用い、傾斜圧延機で穿孔した素管の外面疵の深さを調査した。図８にスケールＩＩの厚さと外面疵の深さの関係を示す。
【００２１】
傾斜圧延機においても、スケールＩＩの厚さを１５０μｍ以下にすることで外面疵を防止できることを知見した。したがって、本発明ではスケールＩＩの厚さを１５０μｍ以下に限定した。そして、スケールＩＩの厚さを１５０μｍ以下とするには、図５に示すように、鋼片の加熱時間を１４０分以下とすることにより達成できる。好ましくは、１００分以下である。
【００２２】
本発明者らは、質量％で、Ｃｒ：１０．０〜１６．０％、Ｎｉ：１．０〜８．０％を含有するマルテンサイト系ステンレス鋼の継目無圧延において、請求項１の発明にあるような対策を講じても発生した外表面疵を詳細に調査・解析した結果、以下に述べるもう一つの外表面疵の生成機構を突き止めた。
【００２３】
上記鋼においては、図１に示すようなＮｉが濃化した金属片２を含有した酸化スケールが生成するが、図９に示すように、金属片２と酸化物３とを含有するその酸化スケール４と地鉄５の界面に楔状の酸化スケールがオーステナイト粒界７に生成する場合がある。この楔状の酸化スケールを以下、楔状スケール６と呼ぶことにする。この楔状スケールが存在する中空素管を傾斜圧延機で圧延すると、次ぎに述べる機構により外表面疵になることを知見した。
【００２４】
図１０に傾斜圧延機での圧延を示す。圧延素材である被圧延材８がロール９と接触を開始し、マンドレルバー１１で支持されたプラグ１０と呼ぶ内面側の工具と接触するまでの過程（以下、空揉み過程と呼ぶ）で、圧延素材はロールにより圧下され、２つのロール中心を結ぶ線に垂直な位置の外表面側（図１０（ｂ）中に丸数字１で示す箇所）に、周方向の引張応力が生じる。楔状スケールが存在する素管を傾斜圧延機にて圧延途中止めし圧延材を調査した結果、外表面疵は、楔状スケールを起点とし空揉み過程で周方向の引張応力により割れて生じたものであることを突き止めた。さらに、金属片を含む酸化スケールが付着した鋼片を、プレスロール穿孔機および傾斜穿孔機等の穿孔機で穿孔すると、金属片を含む酸化スケールが押し込まれて溝状欠陥が生成することがある。この溝状欠陥の深さが２００μｍ以上で深く、その底の部分に楔状スケールが存在すると、外表面疵がより発生しやすくなることを知見した。
【００２５】
続いて、酸化スケールと地鉄との界面に発生する楔状スケールと素材の関係を詳細に調査した結果、楔状スケールは加熱時のオーステナイト粒界に生成し、その粒径に多大な影響を受けることを知見した。図１１は１２８０℃で２時間加熱した鋼片のオーステナイト粒径と楔状スケールの深さの関係を示したものであるが、オーステナイト粒径が小さくなると楔状スケールが浅くなり、オーステナイト粒径が２００μｍ以下では楔状スケールが発生しなくなることを知見した。オーステナイト粒の粗大化を抑制するには、ピン止め効果のある元素を添加すれば良いが、本発明においては、ピン止め効果のある元素として、特にＴｉが有効であることを知見し、Ｔｉを用いた。Ｔｉを０．０１％以上添加することで、１２８０℃に加熱時のオーステナイト粒径が２００μｍ以下となる。また、ＴｉはＮと親和性の強い元素であり窒化物を生成するが、過度に含有させて窒化物の存在密度が高くなり、熱間加工性が悪化するため上限を０．０５％とした。このためＴｉを添加するときは、Ｔｉ：０．０１〜０．０５％とした。
【００２６】
次に、本発明の適用鋼種を質量％で、Ｃｒ：１０．０〜１６．０％、Ｎｉ：１．０〜８．０％．に限定した理由を以下に述べる。
【００２７】
Ｎｉが１．０％以下では、図１に示すような金属片を含んだスケールが発生しないか、発生した場合でも１５０μｍ以上にはならない。Ｎｉは耐食性改善に有効な元素であり、かつδフェライト生成を防止する観点から含有させるが、高価な元素であると共に多量に含有させると熱間変形抵抗を高めて加工性を低下させるので上限を８．０％とした。
【００２８】
続いて、Ｃｒを限定した理由を述べる。図１に示す範囲のスケ−ルを分析した結果、大半がＦｅＯ・Ｃｒ₂Ｏ₃であった。このＦｅＯ・Ｃｒ₂Ｏ₃の生成量は、Ｃｒ量の増加に伴い増加するが、１３質量％程度でピークとなり、それ以上Ｃｒを添加すると減少する。Ｃｒが１０質量％未満あるいは１６質量％超では、１５０μｍ以上のスケールが生成しない。よって、Ｃｒの適用範囲を１０．０〜１６．０質量％とした。
【００２９】
【実施例】
辺長２２０ｍｍ、長さ２５００ｍｍの表１に示す成分のModified 13Ｃｒの角材を、表２に示す条件にて加熱した。加熱した角材をプレスロール穿孔機にて穿孔し、引き続き傾斜圧延機、プラグミル、リーラーにて圧延後、再加熱しサイザーにて外径２７３ｍｍ、肉厚１５．１ｍｍに定径した。圧延後の素管の外表面疵を調査した結果を表２に示す。また、加熱後のオーステナイト粒径および楔状スケールの発生有無を表３に示す。
【００３０】
本発明Ｎｏ．１では、楔状スケールの発生が無く、外表面疵の発生が見られなかった。一方、比較例Ｎｏ．２では、楔状スケールが発生し、１００本中１８本に外表面疵の発生が見られた。比較例Ｎｏ．３では、深さ３５０μｍの溝状欠陥および楔状スケールが発生したため、１００本中９２本に外表面疵の発生が見られた。
【００３１】
【表１】

【００３２】
【表２】

【００３３】
【表３】

【００３４】
【発明の効果】
以上述べた如く本発明によれば、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｕなどの製品性能上有用な合金元素を多量に含有するマルテンサイト系ステンレス鋼材の外表面疵発生を大幅に低減でき、品質および歩留の向上、疵手入れの減少等その工業上の効果は大きい。
【００３５】
【図面の簡単な説明】
【図１】酸化スケールの断面を示す顕微鏡写真で、（ａ）は酸化スケールの断面、（ｂ）はそのＩ部を拡大、（ｃ）はそのＩＩ部を拡大した顕微鏡写真である。
【図２】酸化スケール／地鉄界面の酸化スケールの断面を示す顕微鏡写真である。
【図３】溝状欠陥の断面を示す顕微鏡写真である。
【図４】図３の拡大図で、溝状欠陥内部の酸化スケールを示す顕微鏡写真である。
【図５】加熱時間とスケールＩＩの厚さの関係を示す図である。
【図６】スケールＩＩの厚さと穿孔後の溝状欠陥の深さの関係を示す図である。
【図７】スケールＩＩの厚さと傾斜圧延機での延伸圧延後の薄肉中空素管の外面疵深さの関係を示す図である。
【図８】スケールＩＩの厚さと傾斜圧延機での穿孔後の素管の外面疵の深さの関係を示す図である。
【図９】楔状スケールの断面を示す模式図である。
【図１０】傾斜圧延の模式図で、（ａ）は傾斜圧延機の要部で、（ｂ）はそのＡ−Ａ断面図である。
【図１１】オーステナイト粒径と楔状スケールの深さの関係を示す図である。
【符号の説明】
１空隙
２金属片
３酸化物
４酸化スケール
５地鉄
６楔状スケール
７オーステナイト粒界
８被圧延材
９ロール
１０プラグ
１１マンドレルバー

Claims

質量％で、Ｃｒ：１０．０〜１６．０％、Ｎｉ：１．０〜８．０％を含有するマルテンサイト系ステンレス鋼片を加熱した際に鋼片表面に生成する酸化スケールのうち、断面全体に対する空隙の面積率が２０％以下で、かつ金属片の面積率が３０％以上である下層部スケールの厚さを１５０μｍ以下とし、かつ加熱時のオーステナイト粒径を２００μｍ以下として穿孔することを特徴とするマルテンサイト系ステンレス継目無鋼管の製造方法。
質量％で、Ｃｒ：１０．０〜１６．０％、Ｎｉ：１．０〜８．０％、Ｔｉ：０．０１〜０．０５％を含有するマルテンサイト系ステンレス鋼片を加熱した際に鋼片表面に生成する酸化スケールのうち、断面全体に対する空隙の面積率が２０％以下で、かつ金属片の面積率が３０％以上である下層部スケールの厚さを１５０μｍ以下とし、かつ加熱時のオーステナイト粒径を２００μｍ以下として穿孔することを特徴とするマルテンサイト系ステンレス継目無鋼管の製造方法。