JP3969328B2 - 非調質継目無鋼管 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、機械構造用等に使用される継目無鋼管に関し、特に熱間製管のままで使用でき、高強度および高靭性を有し、さらに溶接性に優れた非調質継目無鋼管に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、高強度で靭性が要求される用途に用いられる継目無鋼管は、次のように製造されていた。すなわち、まず、ビレットから熱間加工での穿孔工程および圧延工程を経て継目無鋼管を製造する。その後、この鋼管に対して焼入れ、焼戻し処理を施すことにより、所定の強度レベルと靭性を付与して製品としていた。
【0003】
上記の継目無鋼管の製造では、製管後に熱処理工程が必要になるので、コストが高くなり、加えて納期も長くなる。このような問題点の解消のために、熱処理を行なわない、すなわち非調質で高強度、高靭性を有する継目無鋼管の要求が高くなっている。
【0004】
非調質で高強度、高靭性を有する継目無鋼管は、例えば、特開平05−202447号公報、特開平09−25541号公報、特開平10−130783号公報、特開平10−204571号公報、特開平10−324946号公報、特開平11−36017号公報、特開2000−328192号公報、特開2001−323338号公報、特開2001−247931号公報、特開2001−262275号公報に開示されている。
【0005】
【特許文献1】
特開平05−202447号公報
【0006】
【特許文献2】
特開平09−25541号公報
【0007】
【特許文献3】
特開平10−130783号公報
【0008】
【特許文献4】
特開平10−204571号公報
【0009】
【特許文献5】
特開平10−324946号公報
【0010】
【特許文献6】
特開平11−36017号公報
【0011】
【特許文献7】
特開2000−328192号公報
【0012】
【特許文献8】
特開2001−323338号公報
【0013】
【特許文献9】
特開2001−247931号公報
【0014】
【特許文献10】
特開2001−262275号公報
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
特開平05−202447号公報、特開平09−25541号公報、特開平10−130783号公報、特開平10−204571号公報、特開平10−324946号公報、特開平11−36017号公報および特開2000−328192号公報は、いずれも、非調質で高強度と靭性とを両立させるために、成分調整や熱間での製管方法を開示している。また、これらの公報に開示された技術に共通するところは、炭素(C)を0.2%以上添加し、中炭素系の成分設計をしていることである。これらの従来技術では、0.2%以上の炭素を含むことから、強度レベルに対して靭性が十分ではない。特に、溶接部では焼入れ硬化して靭性が低下したり、溶接割れを引き起こしたりする。
【0016】
特開2001−323338号公報は、広範囲の炭素添加量の鋼を対象とし、熱間加工性と切削性と靭性を両立させることを開示している。しかしながら、この公報に開示された鋼管にはバナジウム(V)が添加されていないので、十分な強度を確保できないことを指摘できる。
【0017】
特開2001−247931号公報および特開2001−262275号公報は、広範囲の炭素添加量の鋼を対象とし、熱間での製管温度を規定して金属組織をコントロールすることにより強度、靭性を確保する技術や、熱間加工性を確保する技術を開示している。しかしながら、これらの公報に提案されている低温製管を実施するためには、従来の設備ではモーターパワーが不足して設備改造が必要である。また、一旦冷却した後に再加熱して製管するためには、再加熱炉等の設備が必要になる等の問題点を指摘できる。
【0018】
なお、特開2001−247931号公報では、請求の範囲において広範囲の炭素添加量を規定しているものの、実施例では炭素添加量は0.2%以上となっている。
【0019】
本発明の目的は、非調質で高強度と高靭性とを両立し、さらに良好な溶接性を確保できる非調質継目無鋼管を提供することである。特に、途中の製管加工度や製管温度を厳しく限定しなくても、高強度と高靭性とを両立し、溶接部における割れや靭性の低下を防止できるようにすることを狙いとする。
【0020】
【課題を解決するための手段】
本願発明者は、上記の目的を達成するために、以下のことが有効であることを見出した。
【0021】
(1)炭素含有量を低下させる。そして、炭素含有量の低下に伴う強度を補うために、マンガン(Mn)とクロム(Cr)とバナジウム(V)を複合添加する。これにより、高強度が得られ、かつ溶接部を含めて良好な靭性が得られる。
【0022】
(2)炭素含有量を低下させた上で、炭素当量(Ceq.)を所定の範囲に調整する。
【0023】
非調質鋼の金属組織はフェライト・パーライト鋼が標準であるが、高強度化の要求に応えるために高炭素化を行なうと、靭性が低下することが判明した。そこで、本願発明者は、炭素含有量を低減し、強度を補うためにMn、Cr、Vを複合添加した。このようにして得られた非調質鋼の金属組織は、ベイナイト主体の組織になり、高強度と高靭性とを確保できるようになる。なお、「ベイナイト主体の組織」とは、ベイナイトが100%存在する組織を含むことはもちろんであるが、ベイナイトとフェライトの混合組織でフェライトが50体積%以下のものも含むものである。
【0024】
本発明の骨子は、次の点にある。
【0025】
(1)炭素含有量を0.2%未満に抑制すること。
【0026】
(2)マンガン(Mn)とクロム(Cr)とバナジウム(V)とを複合添加すること。
【0027】
(3)金属組織がベイナイト主体の組織となり、その中でも高強度と高靭性とを両立できる成分組成範囲として、以下の式で規定される炭素当量Ceq.(%)が0.60以上で0.85以下を満足すること。
【0028】
Ceq.=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15
強度を確保するためには、Ceq.が0.60〜0.85の範囲であればよく、それを満たす方法としては種々の合金元素添加量の調整で可能である。本願発明者は、その中でも特にMn、Cr、Vに関しては、同時に複合添加すると強度と靭性とのバランスが良好になることを見出した。すなわち、同じ炭素含有量のとき、MnとCrの添加だけで狙いとする炭素当量Ceq.を達成するよりも、MnとCrの量を低下させながらVを添加して狙いとする炭素当量Ceq.を達成したほうが、良好な靭性が得られる。従って、MnとCrとVに関しては、複合添加することが重要である。
【0029】
以上の観点から、本発明に従った非調質継目無鋼管は、重量基準で、C:0.10〜0.20%未満、Si:0.05〜1.0%、Mn:0.5〜2.5%、P:0.03%以下、S:0.05%以下、Cr:0.5〜1.5%、V:0.03〜0.3%、Al:0.003〜0.10%、N:0.001〜0.02%、O:0.003%以下を含有し、残部がFeおよび不純物からなり、下記の式で定義される炭素当量Ceq.(%)が0.60〜0.85%であることを特徴とする。
【0030】
Ceq.=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15
Feの一部を、Ni:0.05〜1.5%、Mo:0.05〜1.5%、Cu:0.05〜1.5%、B:0.0003〜0.01%のうちから選ばれた1種または2種以上に置換してもよい。
【0031】
あるいは、Feの一部を、Ti:0.005〜0.2%、Nb:0.005〜0.2%のうちから選ばれた1種または2種に置換してもよい。
【0032】
さらに、Feの一部を、Ni:0.05〜1.5%、Mo:0.05〜1.5%、Cu:0.05〜1.5%、B:0.0003〜0.01%のうちから選ばれた1種または2種以上、およびTi:0.005〜0.2%、Nb:0.005〜0.2%のうちから選ばれた1種または2種に置換してもよい。
【0033】
上記の限定理由を以下に説明する。
【0034】
C:0.10〜0.20%未満
Cは、強度を増加する元素であるが、靭性、溶接性を低下させる元素である。そのため、高強度レベルで靭性および溶接性を確保するには、Cの含有量を0.20%未満に制限する必要がある。靭性および溶接性の観点から見ればCの含有量は低いほど好ましいが、0.10%未満になると強度の確保が困難になる。かかる理由で、Cの含有量を0.10〜0.20%未満の範囲に限定した。最も良好な強度−靭性バランスを確保する観点からは、Cの含有量を0.13〜0.17%の範囲にするのがよい。
【0035】
Si:0.05〜1.0%
Siは、脱酸剤として作用するとともに強度を向上させる作用を有する。しかし、0.05%未満ではその効果が得られず、1.0%を超えると靭性が低下する。かかる理由から、Siの含有量を0.05〜1.0%の範囲に限定した。最も良好な強度−靭性バランスを確保する観点からは、Siの含有量を0.1〜0.4%の範囲にするのがよい。
【0036】
Mn:0.5〜2.5%
Mnは、Cを低減した鋼において、Cr、Vと併せて複合添加することによって、靭性を低下させずに強度を増加させる元素である。所定の強度を確保するためには、0.5%以上の含有が必要である。一方、2.5%を超えると、溶接性および靭性が低下する。かかる理由から、Mnの含有量を0.5〜2.5%の範囲に限定した。最も良好な強度−靭性バランスを確保する観点からは、Mnの含有量を1.5〜2.0%の範囲にするのがよい。
【0037】
P:0.03%以下
Pは、凝固時に最終凝固位置近傍に濃化し、かつ粒界に偏析して熱間加工性や靭性を低下させる不純物元素である。従って可及的に低減するのが好ましいが、0.03%までは許容できるのでPの含有量を0.03%以下とした。ただし、さらに高靭性を確保するためには、0.02%以下にするのが好ましく、より好ましくは、0.01%以下にするのがよい。
【0038】
S:0.05%以下
Sは、Pと同様に凝固時に粒界に偏析して熱間加工性や靭性を低下させる不純物元素である。従って可及的に低減するのが好ましいが、0.05%までは許容できるのでSの含有量を0.05%以下とした。ただし、低減しすぎると切削性が低下することがあるので、切削性を重視する場合のSの下限値は0.01%とするのが好ましい。一方、切削性よりも靭性を特に重視する場合には、Sの含有量を0.02%以下、より好ましくは0.01%以下にするのがよい。
【0039】
Cr:0.5〜1.5%
Crは、Cを低減した鋼において、Mn、Vと併せて複合添加することによって、靭性を低下させずに強度を増加させる元素である。所定の強度を確保するためには、0.5%以上の含有が必要である。一方、1.5%を超えると、溶接性および靭性が低下する。かかる理由から、Crの含有量を0.5〜1.5%の範囲に限定した。最も良好な強度−靭性バランスを確保する観点からは、Crの含有量を0.9〜1.4%の範囲にするのがよい。
【0040】
V:0.03〜0.3%
Vは、微細なV炭化物を析出させて強度を増大するので添加する。Mn、Crと併せて複合添加すれば、高強度でありながら靭性の低下を小さく抑えることができる。この効果を得るためには、0.03%以上の添加が必要である。一方、0.3%を超えると靭性が低下するので、Vの含有量を0.03〜0.3%の範囲に限定した。最も良好な強度ー靭性バランスを確保する観点からは、Vの含有量を0.05〜0.15%の範囲にするのがよい。
【0041】
Al:0.003〜0.10%
Alは、脱酸剤として作用する。この効果を得るためには、0.003%以上の含有が必要である。0.10%を超えると、アルミナ系介在物が増加し表面欠陥が多発する懸念がある。かかる理由から、Alの含有量を0.003〜0.10%の範囲に限定した。なお、安定した表面品質を確保するためには、0.003〜0.05%の範囲が好ましい。
【0042】
N:0.001〜0.02%
Nは、Al、Tiと共存して結晶粒を微細化させ、靭性を向上させる作用を有する。ただし、0.001%未満ではその効果が小さく、0.02%を超えるとかえって靭性が低下する。かかる理由から、Nの含有量を0.001〜0.02%の範囲に限定した。
【0043】
O:0.003%以下
Oは、0.003%を超えて含有すると、靭性及び疲労強度を低下させる。そこで、Oの含有量を0.003%以下とした。
【0044】
Ni:0.05〜1.5%、Mo:0.05〜1.5%、Cu:0.05〜1.5%、B:0.0003〜0.01%のうちから選ばれた1種または2種以上Ni、Mo、Cu、Bは、いずれも焼入れ性を向上させて鋼の強度を増加させる元素であり、必要に応じて1種または2種以上を添加できる。添加する場合は、Ni、Mo、Cuに関しては0.05%以上、Bに関しては0.0003%以上で効果を発揮する。一方、Ni、Mo、Cuに関して1.5%を超えて添加すると、Niは強度上昇効果が飽和するとともにコストアップになり、Moは溶接性、靭性を低下させ、Cuは熱間加工性を低下させる。このため、Ni、Mo、Cuの上限値をそれぞれ1.5%とした。Bは0.01%を超えて添加すると靭性が低下するので、0.01%を上限とした。
【0045】
Ti:0.005〜0.2%、Nb:0.005〜0.2%のうちから選ばれた1種または2種
Ti、Nbは、いずれも炭化物を形成して組織を微細化し靭性を向上させるとともに、基地中に析出して強度を増加させ高強度化に寄与する元素である。従って、必要に応じて、上記の1種または2種を添加できる。いずれの元素も、0.005%以上の添加で効果が得られる。一方、0.2%を超えて添加すると、靭性を低下させる。かかる理由から、いずれもその範囲を0.005〜0.2%の範囲に限定した。
【0046】
炭素当量Ceq.(%):0.60〜0.85%
Ceq.=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15
合金元素量は、それぞれ、質量%で定義される。上記した成分組成の限定に加えて、強度と靭性と溶接性を良好に保つ観点から、Ceq.を0.60〜0.85%の範囲に限定するのが好ましい。Ceq.が0.60%を下回ると強度が確保できず、Ceq.が0.85%を超えると靭性が低下するとともに溶接割れが発生しやすくなる。なお、高強度の観点からは、0.65〜0.85%が好ましく、さらに0.70〜0.85%にするとより好ましい。
【0047】
残部は、Feおよび不純物である。
【0048】
不純物の中には、Ca、Mg、REM(希土類金属)をそれぞれ0.01%を上限として含有することができる。これらの元素は、強度、靭性、溶接性に大きな影響を与えないが、鋳造時、特に丸ビレットに鋳込むときにタンディッシュのノズル詰まりを防止するので、添加する場合がある。これらの元素の含有量が0.01%を超えると表面性状を悪化して歩留まりを低下させる。従って、それぞれ0.01%を上限に不純物として含有してもよい。
【0049】
本発明に従った継目無鋼管は、次のようにして製造できる。すなわち、上記の組成の鋼を転炉、電気炉、または真空溶解炉で溶製し、連続鋳造法または造塊法で凝固させる。この凝固物をそのまま、あるいは分塊して鋼管素材とし、通常の継目無鋼管の製造プロセスを経て鋼管とした後、空冷することにより得られる。
【0050】
熱間圧延後の冷却は、自然放冷による空冷が好ましいが、衝風(風除けカバーで覆いながら冷却)等の暖冷却、または風冷(多少の風を送りながら冷却)を施してもよい。
【0051】
【実施例】
表1に示す化学組成の鋼を溶製し、インゴットに鋳込んだ後、鍛造にてビレットを作成した。これらのビレットを1250℃に加熱して、マンネスマンマンドレル方式のミルで造管し、外径150mm×肉厚24.2mmの継目無鋼管とした。これらの鋼管は、圧延後に空冷した。造管のままで、これらの鋼管の機械的性質(引張特性、シャルピー試験による衝撃特性)、および溶接割れ性を調査した。
【0052】
なお、溶接割れ性は、JIS Z 3158「Y形溶接割れ試験」に準拠して予熱無しで入熱20kJ/cmの被覆アーク溶接法により溶接を行ない、割れの有無を調査した。これらの試験結果も合わせて表1に示す。表中、TS(MPa)は引張強度を示す。また、2uE20(J)は、靭性の指標として、JIS Z 2202およびJIS Z 2242に準拠したシャルピー破断エネルギー値を示し、2mmのUノッチ試験片に対する20℃試験でのシャルピー破断エネルギー値(J)に対応する。
【0053】
【表1】
【0054】
表1中、試料番号(試番)1〜21が本発明例であり、引張強度は、最低でも700MPaを超えており、最高900MPa近くにまで達している。このように高強度であっても、衝撃値で評価した靭性は、50J以上を確保でき、また溶接割れも発生しなかった。
【0055】
試料番号(試番)22〜28は比較例である。試番22、23は、従来のフェライト・パーライト鋼となる中炭素系成分の例である。この場合、強度は確保できるものの、靭性は低く、溶接割れも発生した。また、試番24〜27は、Mn、Cr、Vが複合添加されていないか、規定の範囲から外れた例である。溶接割れは起こらなかったが、靭性が不足した。試番28は、成分組成範囲を満足するものの、炭素当量Ceq.が低い例である。強度が700MPaを大幅に下回り、高強度非調質継目無鋼管の用途には使用できない。
【0056】
【発明の効果】
以上のようにこの発明によれば、途中の製管加工度や製管温度を厳しく制御しなくても、高強度と高靭性とを両立し、さらに良好な溶接性を確保できる非調質継目無鋼管を得ることができる。
Claims (4)
- 質量%で、
C:0.10〜0.20%未満、
Si:0.05〜1.0%、
Mn:0.5〜2.5%、
P:0.03%以下、
S:0.05%以下、
Cr:0.5〜1.5%、
V:0.03〜0.3%、
Al:0.003〜0.10%、
N:0.001〜0.02%、
O:0.003%以下を含有し、
残部がFeおよび不純物からなり、
下記の式で定義される炭素当量Ceq.(%)が0.60〜0.85%であることを特徴とする、非調質継目無鋼管。
Ceq.=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15 - Feの一部を、
Ni:0.05〜1.5%、
Mo:0.05〜1.5%、
Cu:0.05〜1.5%、
B:0.0003〜0.01%のうちから選ばれた1種または2種以上に置換したことを特徴とする、請求項1に記載の非調質継目無鋼管。 - Feの一部を、
Ti:0.005〜0.2%、
Nb:0.005〜0.2%のうちから選ばれた1種または2種に置換したことを特徴とする、請求項1に記載の非調質継目無鋼管。 - Feの一部を、
Ni:0.05〜1.5%、
Mo:0.05〜1.5%、
Cu:0.05〜1.5%、
B:0.0003〜0.01%のうちから選ばれた1種または2種以上、およびTi:0.005〜0.2%、
Nb:0.005〜0.2%のうちから選ばれた1種または2種に置換したことを特徴とする、請求項1に記載の非調質継目無鋼管。
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