JP4259347B2

JP4259347B2 - 高強度非調質継目無鋼管の製造方法

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Publication number: JP4259347B2
Application number: JP2004043279A
Authority: JP
Inventors: 誠阪本
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2004-02-19
Filing date: 2004-02-19
Publication date: 2009-04-30
Anticipated expiration: 2024-02-19
Also published as: US20050183799A1; CN1657643A; US20080110533A1; CN100400679C; JP2005232539A

Description

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。

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高靭性を付与して製品としていた。

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、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。

従来、油圧等により作動するシリンダー等に使用される非調質継目無鋼管は、５４０ＭＰａ鋼が主流である。なお、「５４０ＭＰａ鋼」とは、引張強さ５４０ＭＰａ以上、降伏応力３９０ＭＰａ以上の強度を発揮する鋼のことを意味している。しかし、この種の用途に使用される鋼管の高圧化および軽量化を図る場合には、焼入れ−焼戻し等の熱処理を施した高強度の調質鋼が使用されている。高強度で非調質の継目無鋼管を得ようとする場合には、例えば炭素量を多くしたり、高価な合金元素を多量に添加する試みがなされているが、溶接性低下やコスト増大などの問題を引き起こす。

上記の点について、先行技術を引用してより具体的に説明する。

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０３−１６２５２４号公報、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。
特開平０３−１６２５２４号公報特開平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

特開平０３−１６２５２４号公報は、低温靭性に優れた高張力継目無鋼管の製造法を開示している。具体的には、素材を１，１５０℃〜１，３００℃に加熱し、造管途中に強制冷却による予備冷却と復熱処理を行い、最終強制冷却を行なうことにより、結晶粒を微細化し、靭性および強度を増大させようとするものである。この方法における問題点は、造管途中での予備冷却装置と、造管後の強制冷却装置とを必要とすることである。

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。

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。

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。

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。

特開２００１−２６２２７５号公報に開示された方法の場合、製管後に一旦温度を下げてその後９００℃に再加熱するが、一旦温度が低下する段階でＶ、Ｔｉ、Ｎｂ等が析出してしまい、その後の再加熱によりこの析出物が成長することになる。その結果、析出物は粗大化し靭性が損なわれることになり、さらに十分な強度も得られなくなる。

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、引張強さが６４０ＭＰａ以上で降伏応力が４９０ＭＰａ以上である高強度非調質継目無鋼管を得ようとするものである。

本発明の他の目的は、上記のような特性を有する非調質継目無鋼管の製造方法を提供することである。

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。

（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。

（２）フェライト面積率を所定の値以下にする。これにより、所定の強度が得られる。なお、「フェライト面積率」は、光学顕微鏡観察等の手段により、当該鋼管中に存在するフェライト結晶量をその視野に対する面積比として測定したものである。

（３）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。

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。

本発明の骨子は、次の点にある。

（１）炭素含有量を０．２５％以下に抑制すること。

（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。

（３）フェライト面積率を１０％以下にすること。

（４）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０．４５以上で０．８５以下を満足すること。

Ｃｅｑ．＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋（Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ）／５＋（Ｃｕ＋Ｎｉ）／１５
強度を確保するためには、フェライト面積率が１０％以下で、Ｃｅｑ．が０．４５〜０．８５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および製管工程における仕上圧延の温度調整で可能である。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。

以上の観点から、本発明に従った非調質継目無鋼管の製造方法は、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．２５％、Ｓｉ：０．０５〜１．００％、Ｍｎ：０．５０〜０．９８％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０５％以下、Ｃｒ：０．４０〜１．５０％、Ｍｏ：０．０５〜１．５０％、Ｖ：０．０２〜０．３０％、Ａｌ：０．００３〜０．１０％、Ｂ：０．０００３〜０．０１％、Ｎ：０．００１〜０．０２％を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなり、フェライト面積率が１０％以下であり、式［Ｃｅｑ．＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋（Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ）／５＋（Ｃｕ＋Ｎｉ）／１５］で定義される炭素当量Ｃｅｑ．（％）が０．４５〜０．８５％であり、引張強さが６４０ＭＰａ以上である、高強度非調質継目無鋼管を製造するものであって、上記組成の鋼を転炉、電気炉または真空溶解炉で溶製する工程と、溶製した鋼を連続鋳造法または造塊法で凝固させる工程と、凝固した鋼をそのまま、または分塊して鋼管素材とし、継目無鋼管に製管する工程と、製管工程後に、鋼管を空冷する工程とを備える。上記の製管工程は、仕上圧延の温度が９００℃以上で、かつ式［Ｃｅｑ．（％）×仕上圧延温度（℃）≧４５０］を満たす条件で仕上圧延することを含む。
上記の組成のうち、Ｆｅの一部を、Ｔｉ：０．００５〜０．２％、Ｃｕ：０．０５〜１．５％、Ｎｉ：０．０５〜１．５％、Ｎｂ：０．００５〜０．２％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。

上記の限定理由を以下に説明する。

Ｃ：０．１０〜０．２５％
Ｃは、焼入性の確保に有効な元素であり、熱間圧延のままで金属組織をベイナイトとフェライト（パーライト）との混合組織にするとともに、必要な強度を確保する上で重要な元素である。このためには、炭素を０．１０％以上を含有する必要があるが、多すぎると靭性および溶接性を低下させるので炭素含有量の上限値を０．２５％としている。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０．１５〜０．２３％の範囲にするのがよい。

Ｓｉ：０．０５〜１．００％
Ｓｉは、溶製時に脱酸剤として作用する元素である。Ｓｉ含有量が０．０５％未満では脱酸が不十分となり非金属介在物が増加する。逆に、Ｓｉ添加量が過剰であると靭性が低下し鋼材加熱時にスケール形成が増加して表面性状が悪化してしまうので、Ｓｉ含有量の上限値を１．００％としている。最も良好なＳｉの含有量は、０．１５〜０．４０％の範囲である。

Ｍｎ：０．５０〜０．９８％
Ｍｎは、Ｓｉと同様に溶製時に脱酸剤として作用する元素であり、しかも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、０．５０％以上の含有が必要である。一方、含有量が多すぎると、溶接性および靭性が低下する。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０．５０〜０．９８％の範囲にするのがよい。

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。

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０．０１８％以下にするのがよい。

Ｃｒ：０．４０〜１．５０％
Ｃｒは、焼入性の向上に有効な元素であるとともに、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、０．４０％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０．４０〜１．５０％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０．４０〜１．２％の範囲にするのがよい。

Ｍｏ：０．０５〜１．５０％
Ｍｏは、焼入性の向上に有効な元素であるとともに、必要な強度を確保する上で重要な元素である。このためには、０．０５％以上を含有する必要があるが、過剰に添加すると強度が高くなりすぎ靭性が低下する。かかる観点から、上限値を１．５０％とした。好ましいＭｏの含有量は０．１０〜１．００％の範囲である。

Ｖ：０．０２〜０．３０％
Ｖは、炭化物または窒化物を形成してオーステナイト結晶粒を微細化するのに有効な元素である。また、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、０．０２％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０．０２〜０．３０％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０．０３〜０．１５％の範囲にするのがよい。

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。

Ｂ：０．０００３〜０．０１％
Ｂは、焼入性の確保に有効な元素であり、熱間圧延のままで組織をベイナイトとフェライト（パーライト）との混合組織にするとともに、必要な強度を確保する上で重要な元素である。この効果を発揮するにはＢを０．０００３％以上含有する必要があるが、過剰に添加すると靭性を低下する。かかる観点から上限値を０．０１％とした。

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。

Ｔｉ：０．００５〜０．２％、Ｃｕ：０．０５〜１．５％、Ｎｉ：０．０５〜１．５％、Ｎｂ：０．００５〜０．２％のうちから選ばれた１種または２種以上
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。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。

Ｃｕ、Ｎｉ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る。いずれの元素も０．０５％以上の添加で効果が得られる。一方、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、Ｃｕは熱間加工性を低下させる。このため、Ｎｉ、Ｃｕの上限値をそれぞれ１．５％とした。

残部：Ｆｅおよび不純物
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、０．０１％を上限に不純物として含有してもよい。

フェライト面積率≦１０％
光学顕微鏡観察等の手段により、鋼管に存在するフェライト結晶量をその視野に対する面積比として測定されるフェライト面積率に関しては、以下の理由により１０％以下にする必要がある。すなわち、軟質なフェライト粒は、その面積率が増加すると素材強度を低下させ、ある一定面積以上になると所定の強度が得られないことから、フェライト面積率を１０％以下とする。

炭素当量Ｃｅｑ．（％）：０．４５〜０．８５％
Ｃｅｑ．＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋（Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ）／５＋（Ｃｕ＋Ｎｉ）／１５
右辺の元素記号は合金元素量を表わし、それぞれ、質量％である。上記した成分組成およびフェライト面積率の限定に加えて、強度と靭性と溶接性を良好に保つ観点から、Ｃｅｑ．を０．４５〜０．８５％の範囲に限定するのが好ましい。Ｃｅｑ．が０．４５％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、強度と靭性のバランスの観点からは、０．４６〜０．８５％が好ましく、さらに０．４６〜０．７０％にするとより好ましい。なお、炭素当量Ｃｅｑ．の計算において、鋼に含まれない元素については、その元素量を０として計算すればよい。

本発明に従った非調質継目無鋼管は、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。

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。

本発明の方法における特徴事項は、製管工程における仕上圧延の温度が９００℃以上で、かつＣｅｑ．（％）×仕上圧延温度（℃）≧４５０の関係式を満たす点にある。炭素含有量を低く保ち、かつ添加する合金元素含有量を低く保ちながらベイナイト組織を得るためには、製管工程において９００℃以上の仕上圧延温度が必要である。また、得られる鋼管の強度を所定以上にするには、Ｃｅｑ．（％）×仕上圧延温度（℃）の値を４５０以上にする必要がある。

本発明の方法によれば、特開平２００１−２６２２７５号公報に開示された方法と異なり、製管工程において一旦温度を低下させることなく連続的に圧延を終了するので、再加熱による析出物の粗大化は起こらず、微細な析出物が得られ靭性および強度を両立させることができる。

表１に示す化学組成の鋼（試料番号１〜３０）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１，２５０℃に加熱して、マンネスマンドレル方式のミルで造管し、外径４０６．４ｍｍ×肉厚１２．７ｍｍ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（試料番号１〜３０）の機械的特性を調査して、表２に記載した。表２には、機械的特性に加えて、フェライト面積率、仕上圧延温度、仕上圧延温度×Ｃｅｑ．の値、ビレット加熱温度、評価を記載している。

表１および表２に示した試料番号１〜３０について、注目すべき点を以下に記載する。

（１）試料番号１〜７、１１〜１８
‐各成分の含有量が好ましい範囲にある。
‐炭素当量Ｃｅｑ．が好ましい範囲にある。
‐フェライト面積率が好ましい範囲にある。
‐仕上圧延温度が好ましい範囲にある。
‐仕上圧延温度×Ｃｅｑ．の値が好ましい範囲にある。

これらの試料においては、６４０ＭＰａ以上の引張強さ（ＴＳ）および４９０ＭＰａ以上の降伏応力（ＹＳ）が得られる。

（２）試料番号８〜１０
‐各成分の含有量が好ましい範囲にある。
‐炭素当量Ｃｅｑ．が好ましい範囲にある。
‐フェライト面積率が好ましい範囲にある。
‐仕上圧延温度が好ましい範囲にある。
‐仕上圧延温度×Ｃｅｑ．の値が好ましい範囲を下回っている。

これらの試料においては、降伏応力（ＹＳ）が４９０ＭＰａ未満となる。

（３）試料番号１９〜３０
‐いずれかの成分の含有量が好ましい範囲から外れている。
‐炭素当量Ｃｅｑ．が好ましい範囲にある。
‐フェライト面積率に関しては、試料番号２０、２１、２２、２３、２４、２６が好ましい範囲にあり、試料番号１９、２５、２７、２８、２９、３０が好ましい範囲から外れている。
‐仕上圧延温度が好ましい範囲にある。
‐仕上圧延温度×Ｃｅｑ．の値に関しては、試料番号１９を除いて、好ましい範囲にある。

これらの試料においては、いずれも降伏応力が４９０ＭＰａ未満である。また、試料番号１９〜２４、２９，３０については、引張強さも６４０ＭＰａ未満である。

以上のようにこの発明によれば、高強度と高靭性とを両立する非調質継目無鋼管を得ることができる。

機械構造用等に使用される非調質継目無鋼管に有利に利用され得る。

Claims

質量％で、
Ｃ：０．１０〜０．２５％、
Ｓｉ：０．０５〜１．００％、
Ｍｎ：０．５０〜０．９８％、
Ｐ：０．０３％以下、
Ｓ：０．０５％以下、
Ｃｒ：０．４０〜１．５０％、
Ｍｏ：０．０５〜１．５０％、
Ｖ：０．０２〜０．３０％、
Ａｌ：０．００３〜０．１０％、
Ｂ：０．０００３〜０．０１％、
Ｎ：０．００１〜０．０２％を含有し、
残部がＦｅおよび不純物からなり、
フェライト面積率が１０％以下であり、
式［Ｃｅｑ．＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋（Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ）／５＋（Ｃｕ＋Ｎｉ）／１５］で定義される炭素当量Ｃｅｑ．（％）が０．４５〜０．８５％であり、
引張強さが６４０ＭＰａ以上である、高強度非調質継目無鋼管の製造方法であって、
前記組成の鋼を転炉、電気炉または真空溶解炉で溶製する工程と、
前記溶製した鋼を連続鋳造法または造塊法で凝固させる工程と、
前記凝固した鋼をそのまま、または分塊して鋼管素材とし、継目無鋼管に製管する工程と、
前記製管工程後に、鋼管を空冷する工程とを備え、
前記製管工程は、仕上圧延の温度が９００℃以上で、かつ式［Ｃｅｑ．（％）×仕上圧延温度（℃）≧４５０］を満たす条件で仕上圧延することを含む、高強度非調質継目無鋼管の製造方法。
Ｆｅの一部を、
Ｔｉ：０．００５〜０．２％、
Ｃｕ：０．０５〜１．５％、
Ｎｉ：０．０５〜１．５％、
Ｎｂ：０．００５〜０．２％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に記載の高強度非調質継目無鋼管の製造方法。