JP4529307B2 - 高強度・高加工性鋼管およびその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高強度鋼管に係り、とくに高強度鋼管の加工性改善に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車部品の成形に、ハイドロフォーミングの適用が増加しており、それに伴い、ハイドロフォーミング性（以下、液圧成形性、ハイドロフォーム加工性ともいう）に優れた鋼管が要望されている。このような要望に対し、例えば、特開2000−219933号公報には、液圧成形性に優れた高強度鋼管が提案されている。特開2000−219933号公報に記載された高強度鋼管は、Ｃ：0.05〜0.3 ％、Si：0.5 〜3.0 ％、Mn：0.5 〜2.5 ％含み、2.5 体積％以上の残留オーステナイト（γ）相を有し、残留オーステナイト相中のＣ濃度が平均値の５倍以上であり、引張強度と伸びの積が15000MPa％以上の特性を有する鋼管であり、ＴＲＩＰ鋼と同様の製造方法で製造できるとしている。
【０００３】
また、特開平６−41689 号公報には、Cr：7.5 〜25％含有するフェライト系ステンレス鋼の帯鋼から連続的にロール成形によって製造される加工性に優れた高Cr含有電縫鋼管が開示されている。この鋼管は、帯鋼の段階で圧延方向のランクフォード値（ｒ値）が1.2 以上、圧延方向に直交する方向のランクフォード値が1.5 以上の帯鋼を使用することを特徴としており、曲げ加工に際し、減肉や破断を起こしにくいとされる。
【０００４】
また、特開平10−175027号公報には、管軸方向のｒ値が管周方向のｒ値より大であるハイドロフォーム加工用金属管が開示されている。この金属管は、使用する金属板として、ｒ値が大きい方向を管軸方向となるように板取して製造するとしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、最近の自動車部品の形状は一層複雑化しており、特開2000−219933号公報、特開平６−41689 号公報、特開平10−175027号公報に記載された鋼管が示す程度の加工性では、必ずしも十分なハイドロフォーム加工を実施することができないという問題があった。
【０００６】
例えば、特開2000−219933号公報に記載された残留γ相を有する鋼管では、単純なハイドロフォーム加工では良好な加工性を示すものの、予成形として曲げ加工を行うと、必ずしも良好なハイドロフォーミング性が得られないという問題がある。これは、残留γ相を有する鋼管のｒ値が小さいため、曲げ加工時、曲げの外側と内側の肉厚差が大きくなり、ハイドロフォーム加工時に、曲げ外側の減肉部分に変形が集中して割れに至るためである。
【０００７】
さらに、残留γ相を有する鋼管の製造方法としては、残留γ相を有する鋼板を円筒状に成形しシーム溶接して電縫鋼管とする単純な方法が考えられるが、この方法では、加工歪が大きく、造管中に鋼板の残留γ相が加工誘起変態して残留γ相が減少し十分な加工性が得られない。また、特開2000−219933号公報に開示されているような、造管後さらに熱処理して残留γ相を生成させる方法では、熱処理時の冷却が、その形状から鋼管外面からしか実施できないことや、また鋼管上側と鋼管下側とで冷却水を均一に当てることが難しく、鋼管全体で均一な冷却となるように制御することが困難であることなど鋼管製造設備上の問題がある。鋼管の製造においては、熱延板や冷延板で行われているような急冷と保持を組み合わせた冷却方法（例えば、特開昭63−195221号公報参照）を適用することは実生産設備上問題がある。
【０００８】
一方、特開平10−175027号公報等に記載された、ｒ値が大きい鋼管では、鋼管の軸方向の圧縮を伴うハイドロフォーム加工では、良好なハイドロフォーム加工性を有するものの、軸押しがない場合には十分なハイドロフォーム加工性を示さない。これは、従来の高ｒ値鋼管は、ｒ値が高い鋼板を用いて製造されており、使用する鋼板が極低炭素のＩＦ鋼に限られているために、マルテンサイト相や残留γ相などの第二相を利用できず、均一伸びが小さいためであると考えられる。
【０００９】
本発明は、上記した従来技術の問題を解決し、引張強さＴＳ：400MPa以上の高強度を有し、長手方向のｒ値が1.2 以上と高く、高強度で加工性に優れた高強度・高加工性鋼管およびその製造方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記した課題を達成するために、まず、電縫鋼管のｒ値を向上させる方法について鋭意検討した。その結果、電縫鋼管を、600 ℃以上でかつ、該電縫鋼管の組織がフェライト主体である温度（温間）で、縮径率：30％以上の縮径圧延（温間縮径圧延）を行うことにより、長手方向のｒ値が著しく向上することを見いだした。また、さらにこの方法によれば、電縫鋼管の素材である帯鋼の組成、ｒ値に関係なく、高いｒ値を有する電縫鋼管（以下、単に鋼管ともいう）が得られることが判明した。
【００１１】
本発明者らは、上記した温度での温間縮径圧延が、帯鋼の組成に関係なく、高いｒ値を有する鋼管が得られることに着目し、さらにこの方法を、残留γ相を形成できる程度に比較的多量のＣを含有する鋼管に適用すれば、高ｒ値でかつ適正量の残留γ相を含有し、加工性が顕著に向上した鋼管とすることができることを思い至った。
【００１２】
そこで、本発明者らは、広い範囲で圧延温度を変化した温間縮径圧延を施して高ｒ値化した鋼管に、各種の熱処理を施して、鋼管の加工性を調査し最適な熱処理条件を検討した。その結果、縮径圧延の温度を調整して、圧延後のミクロ組織（微細組織）を、セメンタイトが平均直径で約 0.1〜１μｍ程度の球状化セメンタイトである組織としたうえで、10℃／ｓ以上の加熱速度で850 〜1100℃の範囲の温度まで加熱し、該温度で１〜30ｓ保持することにより、３℃／ｓ程度の冷却速度でも残留γ相が生成して加工性がさらに向上することを確認した。
【００１３】
また、本発明者らは、焼鈍などにより温間縮径圧延前に、鋼管のミクロ組織を、セメンタイトが平均直径0.1 〜10μｍの球状化セメンタイトである組織としたうえで、10℃／ｓ以上の加熱速度で850 〜1100℃の範囲の温度に加熱した後、その温度に１〜30ｓ間保持し、引き続き600 ℃以上で、かつ組織がフェライト主体である温度で縮径圧延したのち、３℃／ｓ以上の冷却速度で冷却することによっても、高ｒ値で残留γ相を有する加工性に優れた鋼管を製造できることを見いだした。
【００１４】
本発明は、上記した知見に基づいて、さらに検討を加えて完成されたものである。
すなわち、第１の本発明は、フェライト相を主体とし、残留オーステナイト相を体積率で2.5 ％以上含有する組織を有し、ｒ値が1.2 以上であることを特徴とする高強度・高加工性鋼管であり、また、第１の本発明では、前記鋼管が、質量％で、Ｃ：0.05〜0.3 ％、Si：0.2 〜2.0 ％、Mn：0.5 〜3.0 ％を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有し、また、第１の本発明では、前記組成に加えてさらに、質量％で、Cr：2.0 ％以下、Mo：2.0 ％以下、Ｗ：2.0 ％以下、Ni：2.0 ％以下、Cu：2.0 ％以下、Ti：1.0 ％以下、Nb：1.0 ％以下、Ｖ：1.0 ％以下のうちから選ばれた１種または２種以上を含有することが好ましい。
【００１５】
また、第２の本発明は、鋼管を、セメンタイトが平均粒径0.1 μｍ以上の球状化セメンタイトとなるように、600 ℃以上の、組織がフェライト主体である温度域で、好ましくは30％以上の縮径率で、縮径圧延したのち、10℃／ｓ以上の加熱速度で 800〜1100℃の範囲の温度に加熱し、該温度に30ｓ以下保持し、ついで３℃／ｓ以上の冷却速度で 500℃以下まで冷却することを特徴とする高強度・高加工性鋼管の製造方法である。
【００１６】
また、第３の本発明は、セメンタイトが平均粒径0.1 μｍ以上の球状化セメンタイトである組織を有する鋼管を、10℃／ｓ以上の加熱速度で 800〜1100℃の範囲の温度に加熱し、該温度に30ｓ以下保持した後、引き続き 600℃以上の、組織がフェライト主体である温度域で、好ましくは30％以上の縮径率で、縮径圧延し、ついで３℃／ｓ以上の冷却速度で 500℃以下まで冷却することを特徴とする高強度・高加工性電縫鋼管の製造方法である。
【００１７】
また、第２の本発明および第３の本発明では、前記鋼管が、質量％で、Ｃ：0.05〜0.3 ％、Si：0.2 〜2.0 ％、Mn：0.5 〜3.0 ％を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有し、また、前記組成に加えてさらに、質量％で、Cr：2.0 ％以下、Mo：2.0 ％以下、Ｗ：2.0 ％以下、Ni：2.0 ％以下、Cu：2.0 ％以下、Ti：1.0 ％以下、Nb：1.0 ％以下、Ｖ：1.0 ％以下のうちから選ばれた１種または２種以上を含有することが好ましい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
第１の本発明である鋼管は、フェライト相を主体とし、残留γ相を体積率で2.5 ％以上含有する組織を有し、ｒ値が1.2 以上であることを特徴とする高強度・高加工性鋼管である。
本発明でいう、「フェライト相を主体とする」組織とは、フェライト相を50％以上含有する組織を意味する。
【００１９】
残留γ量が2.5 体積％未満では、均一伸びが少なく、加工性が低下する。このため、本発明では、加工性向上のため、組織中に含有される残留γ量は2.5 体積％以上に限定した。なお、20体積％を超えて含有すると、高強度が得にくくなるため、残留γ量は20体積％以下とするのが望ましい。
また、本発明の鋼管は、鋼管長手方向のｒ値が1.2 以上を有する鋼管である。残留γ相を含む従来の鋼管におけるｒ値は、高々1.0 程度である。鋼管長手方向のｒ値が1.2 以上、好ましくは1.6 以上になることにより、 従来の鋼管に比して、曲げ加工性が著しく向上する。
【００２０】
本発明の鋼管は、上記した組織と、さらに質量％で、Ｃ：0.05〜0.3 ％、Si：0.2 〜2.0 ％、Mn：0.5 〜3.0 ％を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有する。また、前記組成に加えてさらに、質量％で、Cr：2.0 ％以下、Mo：2.0 ％以下、Ｗ：2.0 ％以下、Ni：2.0 ％以下、Cu：2.0 ％以下、Ti：1.0 ％以下、Nb：1.0 ％以下、Ｖ：1.0 ％以下のうちから選ばれた１種または２種以上を含有してもよい。
【００２１】
つぎに、本発明の鋼管の組成限定理由について説明する。なお、以下、質量％は単に、％で記す。
Ｃ：0.05〜0.3 ％
Ｃは、強度を増加させる元素であり、所望の強度に応じて含有されるが、さらにγ相に濃化して、それを残留させるために必要な元素である。残留γ相を生成させるためには、少なくとも0.05％以上含有することが好ましい. 一方、0.3 ％を超えて含有しても、生成する残留γ量が飽和してそれ以上の加工性の向上が認められない。このため、本発明では、Ｃは0.05〜0.3 ％の範囲に限定することが好ましい。
【００２２】
Si：0.2 〜2.0 ％
Siは、炭化物の生成を抑制して残留γ相を生じやすくするために有効な元素である。このような効果は、0.2 ％以上の含有で認められる。一方、2.0 ％を超えて含有しても、上記した効果が飽和するうえ、かえって加工性が低下する。このため、Siは0.2 〜2.0 ％の範囲に限定することが好ましい。
【００２３】
Mn：0.5 〜3.0 ％
Mnは、γ相からフェライト（α）相への変態温度を低下させ残留γ相を生じやすくする有効な元素である。このような効果は、0.5 ％以上の含有で認められる。一方、3.0 ％を超えて含有しても、上記した効果が飽和するうえ、かえって加工性が低下する。このため、Mnは0.5 〜3.0 ％の範囲に限定することが好ましい。
【００２４】
Cr：2.0 ％以下、Mo：2.0 ％以下、Ｗ：2.0 ％以下、Ni：2.0 ％以下、Cu：2.0 ％以下、Ti：1.0 ％以下、Nb：1.0 ％以下、Ｖ：1.0 ％以下のうちから選ばれた１種または２種以上
Cr、Mo、Ｗ、Ni、Cu、Ti、Nb、Ｖは、いずれも、鋼の強度を向上させる作用を有する有効な元素であり、必要に応じて選択して含有することができる。このような効果は、Cr：0.1 ％以上、Mo：0.1 ％以上、Ｗ：0.1 ％以上、Ni：0.1 ％以上、Cu：0.1 ％以上、Ti：0.01％以上、Nb：0.01％以上、Ｖ：0.01％以上、それぞれ含有することにより顕著となる。一方、Cr：2.0 ％、Mo：2.0 ％、Ｗ：2.0 ％、Ni：2.0 ％、Cu：2.0 ％、Ti：1.0 ％、Nb：1.0 ％、Ｖ：1.0 ％を超えてそれぞれ含有しても効果が飽和し、含有量に見合う効果が期待できなくなり、 経済的に不利となる。このため、Cr：2.0 ％以下、Mo：2.0 ％以下、Ｗ：2.0 ％以下、Ni：2.0 ％以下、Cu：2.0 ％以下、Ti：1.0 ％以下、Nb：1.0 ％以下、Ｖ：1.0 ％以下にそれぞれ限定することが好ましい。
【００２５】
上記した成分以外の残部は、Feおよび不可避的不純物からなる。不可避的不純物としては、Al：0.1 ％以下、Ｐ：0.1 ％以下、Ｓ：0.1 ％以下、Ｎ：0.01％以下、Ｏ：0.01％以下が許容できる。
つぎに、第２の本発明である、高強度・高加工性鋼管の製造方法について説明する。
【００２６】
第２の本発明では、好ましくは上記した組成の鋼管を、600 ℃以上で、かつ組織がフェライト主体である温度域で縮径圧延する。
なお、本発明でいう、「組織がフェライト主体である温度」とは、フェライトが体積率で50％以上である組織となる温度を意味する。すなわち、フェライト単独、あるいは体積率で50％以上のフェライトと第二相とが混在する温度域を意味し、もちろん、第二相としてオーステナイトを含んでも良い。この温度は、鋼管の組成等によって決まる温度であり、実験的に決定すれば良いが、およそ900 ℃以下である。
【００２７】
鋼管に、600 ℃以上で、かつ組織がフェライト主体である温度で縮径圧延を施すことにより、ｒ値1.2 以上の高ｒ値鋼管となる。なお、鋼管のｒ値は、縮径圧延の圧延温度、あるいはさらに縮径率に影響される。
鋼管のｒ値と、縮径圧延の圧延温度（縮径圧延出側温度）との関係を図１に示す。図１から、少なくとも縮径圧延の出側温度が600 ℃以上であれば、ｒ値1.2 以上が十分確保できることがわかる。しかし、縮径圧延の温度が、フェライト主体の組織でなくなる温度（図１では880 ℃）を超えると、ｒ値が1.2 以下に低下する。
【００２８】
鋼管のｒ値と、縮径率との関係を図２に示す。図２から、縮径率を30％以上とすることにより、ｒ値1.2 以上が十分確保できることがわかる。
このようなことから、本発明では、600 ℃以上で、かつ組織がフェライト主体である温度で、好ましくは縮径率30％以上で、縮径圧延を行うことが好ましい。なお、本発明でいう、縮径率（％）は、｛（縮径前の鋼管直径）ー（縮径後の鋼管直径）／（縮径前の鋼管直径）｝×100 （％）で定義される値をいうものとする。
【００２９】
なお、上記した高ｒ値化の効果は、600 ℃以上で、かつ組織がフェライト主体である温度で縮径圧延することで得られるのであって、その前の鋼管の履歴はとくに限定されるものではない。例えば、縮径圧延前にオーステナイト相を主体とする組織となる高温で圧延しても何ら問題はないのである。
また、縮径圧延を潤滑剤を供給する潤滑圧延としてもよい。潤滑圧延とすることにより、疵の発生が抑制できるとともに、鋼管の外面側表層の剪断ひずみの発生を抑制でき、高ｒ値化にも有利となる。
【００３０】
鋼管を、600 ℃以上で、かつ組織がフェライト主体である温度で縮径圧延を行うことにより、ｒ値1.2 以上の高ｒ値鋼管となる機構について、本発明者らは次のように考えている。
600 ℃以上で、かつ組織がフェライト主体である温度で、好ましくは縮径率：30％以上で縮径圧延することにより、鋼管長手方向に＜110 ＞軸が、半径方向に＜111 ＞〜＜110 ＞軸が平行な、理想的な圧延集合組織が形成され、さらに、回復、再結晶して、この集合組織がさらに発達するためである。
【００３１】
この圧延集合組織の発達は、加工歪みによって結晶を回転させるため駆動力が大きく、薄鋼板で高ｒ値を得るために利用している再結晶集合組織の場合とは異なり、第二相や固溶炭素量の影響を受けにくい。その結果、薄鋼板では困難であった熱延鋼板、デュアルフェーズ鋼等の高張力鋼、および、低炭素鋼、中炭素鋼、高炭素鋼を素材とした電縫鋼管でも高ｒ値が得られたと考えられる。
【００３２】
また、縮径圧延を600 ℃未満の低温で行うと、高ｒ値が得られない理由は、低温では加工硬化が大きくて理想的な結晶回転が起こらず、また温度が低くて十分な回復、再結晶が生じないためである。
また、冷間で縮径圧延した後、再結晶焼鈍する方法では、高ｒ値が得られない理由は、冷延、再結晶では第二相や固溶炭素の影響で集合組織が発達しないためと考えられる。
【００３３】
なお、薄鋼板の熱間圧延をフェライト域で行う、高ｒ値鋼板の製造方法が知られている。しかし、このフェライト域圧延の方法は、Ｃ，Ｎ量を低減し、Ti，Nb等のスタビライズ元素を添加した鋼を低温域で熱間圧延し、さらに再結晶させることが特徴であり、本発明の縮径圧延とは異なる方法である。実際、薄鋼板の熱延を本発明のような温度で行うと、高ｒ値化の効果は得られないばかりか、ｒ値が著しく低下する。これは、縮径圧延では圧下の方向が円周方向であるのに対し、板圧延では板厚方向であるために、ｒ値が逆に低下するためである。
【００３４】
また、第２の本発明では、セメンタイトが平均粒径0.1 μｍ以上の球状化セメンタイトとなるように、縮径圧延を行うことが好ましい。セメンタイトの球状化は、鋼管の組成に応じて、縮径圧延の温度、好ましくはさらに縮径率を、本発明の縮径圧延条件の範囲内で調整することにより達成できる。
第２の本発明では、上記したように、鋼管を、600 ℃以上で、かつ組織がフェライト主体である温度域内で、縮径圧延温度を調整して縮径圧延を行い、鋼管のミクロ組織をセメンタイトが平均粒径0.1 μｍ以上、好ましくは10μｍ以下の球状化セメンタイトとなる組織とした後、10℃／ｓ以上の加熱速度で 800〜1100℃の範囲の温度に加熱し、該温度に30ｓ以下保持し、ついで３℃／ｓ以上の冷却速度で 500℃以下まで冷却する熱処理を施す。これにより、残留γ相が体積率で2.5 ％以上形成され、 鋼管の均一伸びが著しく向上する。
【００３５】
熱処理前のセメンタイトを適切な大きさの球状化セメンタイトとしておくことが残留γ相を適正量生成させるために重要となる。残留γ量に及ぼす球状化セメンタイト平均粒径の影響を図３に示す。
図３から、残留γ量を2.5 体積％以上とするためには、球状化セメンタイトの平均粒径を0.1 μm 以上とする必要があることがわかる。なお、球状化セメンタイトの平均粒径が10μm を超えると、炭化物の溶解が遅くなりすぎて、 適正量の残留γ相を生成するために必要とするＣ量が不足する。このため、球状化セメンタイトの平均粒径は10μm 以下とすることが好ましい。
【００３６】
上記したような温間縮径圧延により、セメンタイトを上記した粒径の球状化セメンタイトとした組織を有する鋼管を、ついで10℃／ｓ以上の加熱速度で 800〜1100℃の範囲の温度に加熱し、30ｓ以下保持する。
生成する残留γ量と加熱速度との関係を図４に示す。図４から、残留γ量を2.5 体積％以上生成させるためには、10℃／ｓ以上の加熱速度とすることが好ましいことがわかる。加熱速度が10℃／ｓ未満では、拡散するＣが多くなるため、生成する残留γ量が少なくなる。なお、加熱速度の上限は特に限定する必要はなく、加熱装置の能力により決定される。
【００３７】
生成する残留γ量と熱処理の各加熱温度における保持時間との関係を図５に示す。加熱温度が800 ℃未満では生成する残留γ量が少なく、加熱保持時間が30ｓを超えると、加熱温度が800 ℃でも生成する残留γ量が減少する。このため、加熱保持時間を30ｓ以下に限定することが好ましい。なお、保持時間を零（保持せず）としても何ら問題はない。
【００３８】
第２の本発明では、 800〜1100℃の範囲の温度に加熱し、30ｓ以下保持（あるいは保持せず）したのち、３℃／ｓ以上の冷却速度で 500℃以下まで冷却する。残留γ量は、加熱保持後の冷却速度によっても多少影響される。残留γ量と冷却速度との関係を図６に示す。図６から、残留γ相の生成量は、冷却速度が極端に遅く、３℃／ｓ未満となる場合には、2.5 ％以上の残留γ量を安定して確保することが難しくなる。このため、加熱保持後の冷却速度は３℃／ｓ以上に限定することが好ましい。
【００３９】
また、冷却停止温度が 500℃を超えると、その後にγ→α変態が生じ、残留γ量が低減する。このため、冷却停止温度を 500℃以下に限定することが好ましい。
なお、熱処理の加熱温度が1100℃を超えて高すぎたり、保持時間が30ｓを超えて長すぎると、フェライトを主体とする組織がγ単相に変態し、縮径圧延で得られた高ｒ値な集合組織を再びランダムにしてしまう。そのため、本発明の熱処理は、上記した加熱速度、加熱温度、保持時間の範囲に限定することが好ましい。なお、熱処理の加熱温度、保持時間は、上記した本発明の範囲内で、鋼管の組成と加熱速度によって決まるフェライトを主体とする組織を維持できる条件に制御する必要がある。
【００４０】
また、第２の本発明における熱処理では、従来の残留γ相を有する鋼材で必要とされていた400 ℃程度で数min 間保持するという処理を必要とせず、冷却制御が困難な鋼管でも容易に本発明の熱処理を適用することできる。
第２の本発明における熱処理により、残留γが生成される機構について、本発明者らは、以下のように考えている。
【００４１】
残留γ相を生成させるためには、γ相のＣ濃度を１％以上にする必要がある。そのために、本発明では、γ相とセメンタイト相のＣの分配を利用する。すなわち、セメンタイトを含む鋼を加熱すると、セメンタイトの周囲にγ相が生成し始める。この時のγ相のＣ濃度は、Fe−Ｃ二元状態図から予想されるように、例えば850 ℃で約１％となる。このようにＣが濃化したγ相は熱的に安定であるために、比較的遅い速度で冷却しても、室温まで残留する。ただし、加熱速度が遅い場合や加熱時間が長くなると、Ｃが拡散するため、十分なＣ濃度が得られない。そのため、本発明では、急速加熱、短時間保持としている。
【００４２】
また、セメンタイトの形状がベイナイト中の炭化物のように微細な場合や、パーライトのようにラメラ状の場合は、極めて短時間の加熱で溶解するため、加熱速度や保持時間の制御が難しくなる。そのため、本発明のようにセメンタイトを、平均粒径0.1 μｍ以上、好ましくは10μm 以下の球状化セメンタイトとしておくことが重要となる。
【００４３】
これに対し、特開昭63−195221号公報に記載されているような従来の方法では、γ相とα相のＣの分配を利用している。すなわち、（α＋γ）二相域に加熱し、γ相に第一回目のＣ濃化をさせた後、さらに、400 ℃程度の温度まで急冷、保持して、γ相に第二回目のＣ濃化をさせる。この方法における第一回目の（α＋γ）二相域でのγ相のＣ濃度は、例えばFe−Ｃ二元状態図から予想されるように、高々0.8 ％程度であり、熱的に十分安定ではない。そのため、第二回目のＣ濃化をさせる温度まで急冷しなければならず、さらに、第二回目のＣ濃化では、γ相のＣ濃化と炭化物の析出が競合するために、保持温度、時間を極めて狭い範囲で制御しなければならないなど、鋼管では困難な冷却制御が必要となる。また、特開昭63−195221号公報に記載された技術では、炭化物の析出を抑制するSiを多量に添加しなければならないという問題もあり、加工性を低下させる要因にもなっている。
【００４４】
第３の本発明では、第２の本発明における縮径圧延に代えて、焼鈍などを利用して、鋼管の組織を、セメンタイトが平均粒径0.1 μｍ以上の球状化セメンタイトである組織とする。このような球状セメンタイト組織を有する鋼管に、第２の本発明と同様に、10℃／ｓ以上の加熱速度で 800〜1100℃の範囲の温度に加熱し、該温度に30ｓ以下保持する熱処理を施す。そして、引き続き 600℃以上の、フェライトを主体とする組織となる温度域で、好ましくは30％以上の縮径率で、縮径圧延し、ついで３℃／ｓ以上の冷却速度で 500℃以下まで冷却する。このような製造方法でも、第２の本発明と同様に、残留γ相を有する高ｒ値鋼管を製造できる。
【００４５】
この第３の本発明における残留γ相の生成機構についても、本発明者らは温間縮径圧延後に熱処理した場合と同様であると考えている。すなわち、球状化セメンタイトを急速加熱した時に、生成するγ相中のＣ濃度が十分に高く、縮径圧延しても分解しない程度に安定化したものになっていると考えられる。
以上、説明した本発明の製造方法では、出発鋼管の製造方法は特に限定されない。通常公知の方法である、帯鋼を円筒状に成形しシーム溶接して電縫鋼管とする電縫管の製造方法が適用できる。使用する帯鋼は、熱延鋼板、冷延鋼板いずれも好適である。また、出発鋼管としてシームレス鋼管を用いても何ら問題はない。
【００４６】
【実施例】
（実施例１）
表１に示す化学成分の熱延鋼板（板厚：2.6 mm）を円筒状に成形しシーム部を電縫溶接して電縫鋼管とした。これら電縫鋼管に、表２に示す条件で縮径圧延を施し、ついで表２に示す条件で熱処理を施した。そして、得られた鋼管について、残留γ量測定、および鋼管長手方向の引張試験を実施した。
【００４７】
残留γ量の測定は、鋼管の円周方向垂直断面から採取した試験片について、Ｘ線回折を利用し、得られたＸ線回折強度から検量線を用いて残留γ量に換算した。
また、鋼管長手方向の引張試験は、鋼管からJIS 12号Ａの引張試験片を採取し、引張試験を実施し、引張強さＴＳ，伸びＥｌ，一様伸びU Ｅｌを求めた。また、ｒ値は、JIS 12号Ａの引張試験片を採取し、ゲージ長さが２mmのひずみゲージを貼り付けた後、公称ひずみで６〜７％の引張を行った時の長手方向の真歪み：eLに対する幅方向の真歪みeWを測定して、その傾きρから、ｒ値＝ρ／（−１−ρ）を計算した。
【００４８】
また、熱処理前の電縫鋼管の組織を走査電子顕微鏡により観察し、セメンタイトの粒径を測定した。鋼管の円周方向垂直断面部から採取した試験片を、ナイタール液でエッチングして検鏡し、走査型電子顕微鏡で10000 倍で100 個のセメンタイトを撮像したのち、該写真を画像解析装置を用いて、球換算でセメンタイトの平均粒径を算出した。
【００４９】
得られた結果を表２に示す。
【００５０】
【表１】
【００５１】
【表２】
【００５２】
【表３】
【００５３】
本発明の鋼管は、いずれも、本発明の範囲から外れた比較例の鋼管に比べて、高い量の残留γ相を含み、 ＴＳ：590MPa以上の高強度と、1.2 以上の高いｒ値を有する、高強度・ 高加工性鋼管となっている。
（実施例２）
表１に示す化学成分の熱延鋼板（板厚：2.6 mm）を円筒状に成形しシーム部を電縫溶接して電縫鋼管とした。これら電縫鋼管に焼鈍を施し、 表３に示す粒径の球状セメンタイトを有する組織の鋼管とした。なお、セメンタイトの平均粒径の測定は実施例１と同様とした。ついで、 これら鋼管に、表３に示す条件で熱処理を施し、引き続いて表３に示す縮径圧延を施した。得られた鋼管について、実施例１と同様に、残留γ量測定、および鋼管長手方向の引張試験を実施した。
【００５４】
得られた結果を表３に示す。
【００５５】
【表４】
【００５６】
本発明の鋼管は、実施例１と同様に、いずれも、本発明の範囲から外れた比較例の鋼管に比べて高い残留γ量を有し、ＴＳ：590MPa以上の高強度と、1.2 以上の高いｒ値を有する、高強度・高加工性鋼管となっている。
【００５７】
【発明の効果】
以上、詳述したように、本発明によれば、高強度・ 高加工性鋼管が安価でかつ容易に製造でき、ハイドロフォーム加工をはじめ、各種の加工に際し、加工限界が著しく向上し、複雑な部品が簡単に成形できるようになるという、産業上格段の効果を奏する。また、本発明によれば、高い加工性を備えた高強度鋼板となり、部品の軽量化が図れるという効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】ｒ値と縮径圧延出側温度との関係を示すグラフである。
【図２】ｒ値と縮径圧延縮径率との関係を示すグラフである。
【図３】残留γ量と熱処理前のセメンタイト平均粒径との関係を示すグラフである。
【図４】残留γ量と熱処理における加熱速度との関係を示すグラフである。
【図５】残留γ量と熱処理における加熱保持時間との関係を示すグラフである。
【図６】残留γ量と熱処理における冷却速度との関係を示すグラフである。
【発明の属する技術分野】
本発明は、高強度鋼管に係り、とくに高強度鋼管の加工性改善に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車部品の成形に、ハイドロフォーミングの適用が増加しており、それに伴い、ハイドロフォーミング性（以下、液圧成形性、ハイドロフォーム加工性ともいう）に優れた鋼管が要望されている。このような要望に対し、例えば、特開2000−219933号公報には、液圧成形性に優れた高強度鋼管が提案されている。特開2000−219933号公報に記載された高強度鋼管は、Ｃ：0.05〜0.3 ％、Si：0.5 〜3.0 ％、Mn：0.5 〜2.5 ％含み、2.5 体積％以上の残留オーステナイト（γ）相を有し、残留オーステナイト相中のＣ濃度が平均値の５倍以上であり、引張強度と伸びの積が15000MPa％以上の特性を有する鋼管であり、ＴＲＩＰ鋼と同様の製造方法で製造できるとしている。
【０００３】
また、特開平６−41689 号公報には、Cr：7.5 〜25％含有するフェライト系ステンレス鋼の帯鋼から連続的にロール成形によって製造される加工性に優れた高Cr含有電縫鋼管が開示されている。この鋼管は、帯鋼の段階で圧延方向のランクフォード値（ｒ値）が1.2 以上、圧延方向に直交する方向のランクフォード値が1.5 以上の帯鋼を使用することを特徴としており、曲げ加工に際し、減肉や破断を起こしにくいとされる。
【０００４】
また、特開平10−175027号公報には、管軸方向のｒ値が管周方向のｒ値より大であるハイドロフォーム加工用金属管が開示されている。この金属管は、使用する金属板として、ｒ値が大きい方向を管軸方向となるように板取して製造するとしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、最近の自動車部品の形状は一層複雑化しており、特開2000−219933号公報、特開平６−41689 号公報、特開平10−175027号公報に記載された鋼管が示す程度の加工性では、必ずしも十分なハイドロフォーム加工を実施することができないという問題があった。
【０００６】
例えば、特開2000−219933号公報に記載された残留γ相を有する鋼管では、単純なハイドロフォーム加工では良好な加工性を示すものの、予成形として曲げ加工を行うと、必ずしも良好なハイドロフォーミング性が得られないという問題がある。これは、残留γ相を有する鋼管のｒ値が小さいため、曲げ加工時、曲げの外側と内側の肉厚差が大きくなり、ハイドロフォーム加工時に、曲げ外側の減肉部分に変形が集中して割れに至るためである。
【０００７】
さらに、残留γ相を有する鋼管の製造方法としては、残留γ相を有する鋼板を円筒状に成形しシーム溶接して電縫鋼管とする単純な方法が考えられるが、この方法では、加工歪が大きく、造管中に鋼板の残留γ相が加工誘起変態して残留γ相が減少し十分な加工性が得られない。また、特開2000−219933号公報に開示されているような、造管後さらに熱処理して残留γ相を生成させる方法では、熱処理時の冷却が、その形状から鋼管外面からしか実施できないことや、また鋼管上側と鋼管下側とで冷却水を均一に当てることが難しく、鋼管全体で均一な冷却となるように制御することが困難であることなど鋼管製造設備上の問題がある。鋼管の製造においては、熱延板や冷延板で行われているような急冷と保持を組み合わせた冷却方法（例えば、特開昭63−195221号公報参照）を適用することは実生産設備上問題がある。
【０００８】
一方、特開平10−175027号公報等に記載された、ｒ値が大きい鋼管では、鋼管の軸方向の圧縮を伴うハイドロフォーム加工では、良好なハイドロフォーム加工性を有するものの、軸押しがない場合には十分なハイドロフォーム加工性を示さない。これは、従来の高ｒ値鋼管は、ｒ値が高い鋼板を用いて製造されており、使用する鋼板が極低炭素のＩＦ鋼に限られているために、マルテンサイト相や残留γ相などの第二相を利用できず、均一伸びが小さいためであると考えられる。
【０００９】
本発明は、上記した従来技術の問題を解決し、引張強さＴＳ：400MPa以上の高強度を有し、長手方向のｒ値が1.2 以上と高く、高強度で加工性に優れた高強度・高加工性鋼管およびその製造方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記した課題を達成するために、まず、電縫鋼管のｒ値を向上させる方法について鋭意検討した。その結果、電縫鋼管を、600 ℃以上でかつ、該電縫鋼管の組織がフェライト主体である温度（温間）で、縮径率：30％以上の縮径圧延（温間縮径圧延）を行うことにより、長手方向のｒ値が著しく向上することを見いだした。また、さらにこの方法によれば、電縫鋼管の素材である帯鋼の組成、ｒ値に関係なく、高いｒ値を有する電縫鋼管（以下、単に鋼管ともいう）が得られることが判明した。
【００１１】
本発明者らは、上記した温度での温間縮径圧延が、帯鋼の組成に関係なく、高いｒ値を有する鋼管が得られることに着目し、さらにこの方法を、残留γ相を形成できる程度に比較的多量のＣを含有する鋼管に適用すれば、高ｒ値でかつ適正量の残留γ相を含有し、加工性が顕著に向上した鋼管とすることができることを思い至った。
【００１２】
そこで、本発明者らは、広い範囲で圧延温度を変化した温間縮径圧延を施して高ｒ値化した鋼管に、各種の熱処理を施して、鋼管の加工性を調査し最適な熱処理条件を検討した。その結果、縮径圧延の温度を調整して、圧延後のミクロ組織（微細組織）を、セメンタイトが平均直径で約 0.1〜１μｍ程度の球状化セメンタイトである組織としたうえで、10℃／ｓ以上の加熱速度で850 〜1100℃の範囲の温度まで加熱し、該温度で１〜30ｓ保持することにより、３℃／ｓ程度の冷却速度でも残留γ相が生成して加工性がさらに向上することを確認した。
【００１３】
また、本発明者らは、焼鈍などにより温間縮径圧延前に、鋼管のミクロ組織を、セメンタイトが平均直径0.1 〜10μｍの球状化セメンタイトである組織としたうえで、10℃／ｓ以上の加熱速度で850 〜1100℃の範囲の温度に加熱した後、その温度に１〜30ｓ間保持し、引き続き600 ℃以上で、かつ組織がフェライト主体である温度で縮径圧延したのち、３℃／ｓ以上の冷却速度で冷却することによっても、高ｒ値で残留γ相を有する加工性に優れた鋼管を製造できることを見いだした。
【００１４】
本発明は、上記した知見に基づいて、さらに検討を加えて完成されたものである。
すなわち、第１の本発明は、フェライト相を主体とし、残留オーステナイト相を体積率で2.5 ％以上含有する組織を有し、ｒ値が1.2 以上であることを特徴とする高強度・高加工性鋼管であり、また、第１の本発明では、前記鋼管が、質量％で、Ｃ：0.05〜0.3 ％、Si：0.2 〜2.0 ％、Mn：0.5 〜3.0 ％を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有し、また、第１の本発明では、前記組成に加えてさらに、質量％で、Cr：2.0 ％以下、Mo：2.0 ％以下、Ｗ：2.0 ％以下、Ni：2.0 ％以下、Cu：2.0 ％以下、Ti：1.0 ％以下、Nb：1.0 ％以下、Ｖ：1.0 ％以下のうちから選ばれた１種または２種以上を含有することが好ましい。
【００１５】
また、第２の本発明は、鋼管を、セメンタイトが平均粒径0.1 μｍ以上の球状化セメンタイトとなるように、600 ℃以上の、組織がフェライト主体である温度域で、好ましくは30％以上の縮径率で、縮径圧延したのち、10℃／ｓ以上の加熱速度で 800〜1100℃の範囲の温度に加熱し、該温度に30ｓ以下保持し、ついで３℃／ｓ以上の冷却速度で 500℃以下まで冷却することを特徴とする高強度・高加工性鋼管の製造方法である。
【００１６】
また、第３の本発明は、セメンタイトが平均粒径0.1 μｍ以上の球状化セメンタイトである組織を有する鋼管を、10℃／ｓ以上の加熱速度で 800〜1100℃の範囲の温度に加熱し、該温度に30ｓ以下保持した後、引き続き 600℃以上の、組織がフェライト主体である温度域で、好ましくは30％以上の縮径率で、縮径圧延し、ついで３℃／ｓ以上の冷却速度で 500℃以下まで冷却することを特徴とする高強度・高加工性電縫鋼管の製造方法である。
【００１７】
また、第２の本発明および第３の本発明では、前記鋼管が、質量％で、Ｃ：0.05〜0.3 ％、Si：0.2 〜2.0 ％、Mn：0.5 〜3.0 ％を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有し、また、前記組成に加えてさらに、質量％で、Cr：2.0 ％以下、Mo：2.0 ％以下、Ｗ：2.0 ％以下、Ni：2.0 ％以下、Cu：2.0 ％以下、Ti：1.0 ％以下、Nb：1.0 ％以下、Ｖ：1.0 ％以下のうちから選ばれた１種または２種以上を含有することが好ましい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
第１の本発明である鋼管は、フェライト相を主体とし、残留γ相を体積率で2.5 ％以上含有する組織を有し、ｒ値が1.2 以上であることを特徴とする高強度・高加工性鋼管である。
本発明でいう、「フェライト相を主体とする」組織とは、フェライト相を50％以上含有する組織を意味する。
【００１９】
残留γ量が2.5 体積％未満では、均一伸びが少なく、加工性が低下する。このため、本発明では、加工性向上のため、組織中に含有される残留γ量は2.5 体積％以上に限定した。なお、20体積％を超えて含有すると、高強度が得にくくなるため、残留γ量は20体積％以下とするのが望ましい。
また、本発明の鋼管は、鋼管長手方向のｒ値が1.2 以上を有する鋼管である。残留γ相を含む従来の鋼管におけるｒ値は、高々1.0 程度である。鋼管長手方向のｒ値が1.2 以上、好ましくは1.6 以上になることにより、 従来の鋼管に比して、曲げ加工性が著しく向上する。
【００２０】
本発明の鋼管は、上記した組織と、さらに質量％で、Ｃ：0.05〜0.3 ％、Si：0.2 〜2.0 ％、Mn：0.5 〜3.0 ％を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有する。また、前記組成に加えてさらに、質量％で、Cr：2.0 ％以下、Mo：2.0 ％以下、Ｗ：2.0 ％以下、Ni：2.0 ％以下、Cu：2.0 ％以下、Ti：1.0 ％以下、Nb：1.0 ％以下、Ｖ：1.0 ％以下のうちから選ばれた１種または２種以上を含有してもよい。
【００２１】
つぎに、本発明の鋼管の組成限定理由について説明する。なお、以下、質量％は単に、％で記す。
Ｃ：0.05〜0.3 ％
Ｃは、強度を増加させる元素であり、所望の強度に応じて含有されるが、さらにγ相に濃化して、それを残留させるために必要な元素である。残留γ相を生成させるためには、少なくとも0.05％以上含有することが好ましい. 一方、0.3 ％を超えて含有しても、生成する残留γ量が飽和してそれ以上の加工性の向上が認められない。このため、本発明では、Ｃは0.05〜0.3 ％の範囲に限定することが好ましい。
【００２２】
Si：0.2 〜2.0 ％
Siは、炭化物の生成を抑制して残留γ相を生じやすくするために有効な元素である。このような効果は、0.2 ％以上の含有で認められる。一方、2.0 ％を超えて含有しても、上記した効果が飽和するうえ、かえって加工性が低下する。このため、Siは0.2 〜2.0 ％の範囲に限定することが好ましい。
【００２３】
Mn：0.5 〜3.0 ％
Mnは、γ相からフェライト（α）相への変態温度を低下させ残留γ相を生じやすくする有効な元素である。このような効果は、0.5 ％以上の含有で認められる。一方、3.0 ％を超えて含有しても、上記した効果が飽和するうえ、かえって加工性が低下する。このため、Mnは0.5 〜3.0 ％の範囲に限定することが好ましい。
【００２４】
Cr：2.0 ％以下、Mo：2.0 ％以下、Ｗ：2.0 ％以下、Ni：2.0 ％以下、Cu：2.0 ％以下、Ti：1.0 ％以下、Nb：1.0 ％以下、Ｖ：1.0 ％以下のうちから選ばれた１種または２種以上
Cr、Mo、Ｗ、Ni、Cu、Ti、Nb、Ｖは、いずれも、鋼の強度を向上させる作用を有する有効な元素であり、必要に応じて選択して含有することができる。このような効果は、Cr：0.1 ％以上、Mo：0.1 ％以上、Ｗ：0.1 ％以上、Ni：0.1 ％以上、Cu：0.1 ％以上、Ti：0.01％以上、Nb：0.01％以上、Ｖ：0.01％以上、それぞれ含有することにより顕著となる。一方、Cr：2.0 ％、Mo：2.0 ％、Ｗ：2.0 ％、Ni：2.0 ％、Cu：2.0 ％、Ti：1.0 ％、Nb：1.0 ％、Ｖ：1.0 ％を超えてそれぞれ含有しても効果が飽和し、含有量に見合う効果が期待できなくなり、 経済的に不利となる。このため、Cr：2.0 ％以下、Mo：2.0 ％以下、Ｗ：2.0 ％以下、Ni：2.0 ％以下、Cu：2.0 ％以下、Ti：1.0 ％以下、Nb：1.0 ％以下、Ｖ：1.0 ％以下にそれぞれ限定することが好ましい。
【００２５】
上記した成分以外の残部は、Feおよび不可避的不純物からなる。不可避的不純物としては、Al：0.1 ％以下、Ｐ：0.1 ％以下、Ｓ：0.1 ％以下、Ｎ：0.01％以下、Ｏ：0.01％以下が許容できる。
つぎに、第２の本発明である、高強度・高加工性鋼管の製造方法について説明する。
【００２６】
第２の本発明では、好ましくは上記した組成の鋼管を、600 ℃以上で、かつ組織がフェライト主体である温度域で縮径圧延する。
なお、本発明でいう、「組織がフェライト主体である温度」とは、フェライトが体積率で50％以上である組織となる温度を意味する。すなわち、フェライト単独、あるいは体積率で50％以上のフェライトと第二相とが混在する温度域を意味し、もちろん、第二相としてオーステナイトを含んでも良い。この温度は、鋼管の組成等によって決まる温度であり、実験的に決定すれば良いが、およそ900 ℃以下である。
【００２７】
鋼管に、600 ℃以上で、かつ組織がフェライト主体である温度で縮径圧延を施すことにより、ｒ値1.2 以上の高ｒ値鋼管となる。なお、鋼管のｒ値は、縮径圧延の圧延温度、あるいはさらに縮径率に影響される。
鋼管のｒ値と、縮径圧延の圧延温度（縮径圧延出側温度）との関係を図１に示す。図１から、少なくとも縮径圧延の出側温度が600 ℃以上であれば、ｒ値1.2 以上が十分確保できることがわかる。しかし、縮径圧延の温度が、フェライト主体の組織でなくなる温度（図１では880 ℃）を超えると、ｒ値が1.2 以下に低下する。
【００２８】
鋼管のｒ値と、縮径率との関係を図２に示す。図２から、縮径率を30％以上とすることにより、ｒ値1.2 以上が十分確保できることがわかる。
このようなことから、本発明では、600 ℃以上で、かつ組織がフェライト主体である温度で、好ましくは縮径率30％以上で、縮径圧延を行うことが好ましい。なお、本発明でいう、縮径率（％）は、｛（縮径前の鋼管直径）ー（縮径後の鋼管直径）／（縮径前の鋼管直径）｝×100 （％）で定義される値をいうものとする。
【００２９】
なお、上記した高ｒ値化の効果は、600 ℃以上で、かつ組織がフェライト主体である温度で縮径圧延することで得られるのであって、その前の鋼管の履歴はとくに限定されるものではない。例えば、縮径圧延前にオーステナイト相を主体とする組織となる高温で圧延しても何ら問題はないのである。
また、縮径圧延を潤滑剤を供給する潤滑圧延としてもよい。潤滑圧延とすることにより、疵の発生が抑制できるとともに、鋼管の外面側表層の剪断ひずみの発生を抑制でき、高ｒ値化にも有利となる。
【００３０】
鋼管を、600 ℃以上で、かつ組織がフェライト主体である温度で縮径圧延を行うことにより、ｒ値1.2 以上の高ｒ値鋼管となる機構について、本発明者らは次のように考えている。
600 ℃以上で、かつ組織がフェライト主体である温度で、好ましくは縮径率：30％以上で縮径圧延することにより、鋼管長手方向に＜110 ＞軸が、半径方向に＜111 ＞〜＜110 ＞軸が平行な、理想的な圧延集合組織が形成され、さらに、回復、再結晶して、この集合組織がさらに発達するためである。
【００３１】
この圧延集合組織の発達は、加工歪みによって結晶を回転させるため駆動力が大きく、薄鋼板で高ｒ値を得るために利用している再結晶集合組織の場合とは異なり、第二相や固溶炭素量の影響を受けにくい。その結果、薄鋼板では困難であった熱延鋼板、デュアルフェーズ鋼等の高張力鋼、および、低炭素鋼、中炭素鋼、高炭素鋼を素材とした電縫鋼管でも高ｒ値が得られたと考えられる。
【００３２】
また、縮径圧延を600 ℃未満の低温で行うと、高ｒ値が得られない理由は、低温では加工硬化が大きくて理想的な結晶回転が起こらず、また温度が低くて十分な回復、再結晶が生じないためである。
また、冷間で縮径圧延した後、再結晶焼鈍する方法では、高ｒ値が得られない理由は、冷延、再結晶では第二相や固溶炭素の影響で集合組織が発達しないためと考えられる。
【００３３】
なお、薄鋼板の熱間圧延をフェライト域で行う、高ｒ値鋼板の製造方法が知られている。しかし、このフェライト域圧延の方法は、Ｃ，Ｎ量を低減し、Ti，Nb等のスタビライズ元素を添加した鋼を低温域で熱間圧延し、さらに再結晶させることが特徴であり、本発明の縮径圧延とは異なる方法である。実際、薄鋼板の熱延を本発明のような温度で行うと、高ｒ値化の効果は得られないばかりか、ｒ値が著しく低下する。これは、縮径圧延では圧下の方向が円周方向であるのに対し、板圧延では板厚方向であるために、ｒ値が逆に低下するためである。
【００３４】
また、第２の本発明では、セメンタイトが平均粒径0.1 μｍ以上の球状化セメンタイトとなるように、縮径圧延を行うことが好ましい。セメンタイトの球状化は、鋼管の組成に応じて、縮径圧延の温度、好ましくはさらに縮径率を、本発明の縮径圧延条件の範囲内で調整することにより達成できる。
第２の本発明では、上記したように、鋼管を、600 ℃以上で、かつ組織がフェライト主体である温度域内で、縮径圧延温度を調整して縮径圧延を行い、鋼管のミクロ組織をセメンタイトが平均粒径0.1 μｍ以上、好ましくは10μｍ以下の球状化セメンタイトとなる組織とした後、10℃／ｓ以上の加熱速度で 800〜1100℃の範囲の温度に加熱し、該温度に30ｓ以下保持し、ついで３℃／ｓ以上の冷却速度で 500℃以下まで冷却する熱処理を施す。これにより、残留γ相が体積率で2.5 ％以上形成され、 鋼管の均一伸びが著しく向上する。
【００３５】
熱処理前のセメンタイトを適切な大きさの球状化セメンタイトとしておくことが残留γ相を適正量生成させるために重要となる。残留γ量に及ぼす球状化セメンタイト平均粒径の影響を図３に示す。
図３から、残留γ量を2.5 体積％以上とするためには、球状化セメンタイトの平均粒径を0.1 μm 以上とする必要があることがわかる。なお、球状化セメンタイトの平均粒径が10μm を超えると、炭化物の溶解が遅くなりすぎて、 適正量の残留γ相を生成するために必要とするＣ量が不足する。このため、球状化セメンタイトの平均粒径は10μm 以下とすることが好ましい。
【００３６】
上記したような温間縮径圧延により、セメンタイトを上記した粒径の球状化セメンタイトとした組織を有する鋼管を、ついで10℃／ｓ以上の加熱速度で 800〜1100℃の範囲の温度に加熱し、30ｓ以下保持する。
生成する残留γ量と加熱速度との関係を図４に示す。図４から、残留γ量を2.5 体積％以上生成させるためには、10℃／ｓ以上の加熱速度とすることが好ましいことがわかる。加熱速度が10℃／ｓ未満では、拡散するＣが多くなるため、生成する残留γ量が少なくなる。なお、加熱速度の上限は特に限定する必要はなく、加熱装置の能力により決定される。
【００３７】
生成する残留γ量と熱処理の各加熱温度における保持時間との関係を図５に示す。加熱温度が800 ℃未満では生成する残留γ量が少なく、加熱保持時間が30ｓを超えると、加熱温度が800 ℃でも生成する残留γ量が減少する。このため、加熱保持時間を30ｓ以下に限定することが好ましい。なお、保持時間を零（保持せず）としても何ら問題はない。
【００３８】
第２の本発明では、 800〜1100℃の範囲の温度に加熱し、30ｓ以下保持（あるいは保持せず）したのち、３℃／ｓ以上の冷却速度で 500℃以下まで冷却する。残留γ量は、加熱保持後の冷却速度によっても多少影響される。残留γ量と冷却速度との関係を図６に示す。図６から、残留γ相の生成量は、冷却速度が極端に遅く、３℃／ｓ未満となる場合には、2.5 ％以上の残留γ量を安定して確保することが難しくなる。このため、加熱保持後の冷却速度は３℃／ｓ以上に限定することが好ましい。
【００３９】
また、冷却停止温度が 500℃を超えると、その後にγ→α変態が生じ、残留γ量が低減する。このため、冷却停止温度を 500℃以下に限定することが好ましい。
なお、熱処理の加熱温度が1100℃を超えて高すぎたり、保持時間が30ｓを超えて長すぎると、フェライトを主体とする組織がγ単相に変態し、縮径圧延で得られた高ｒ値な集合組織を再びランダムにしてしまう。そのため、本発明の熱処理は、上記した加熱速度、加熱温度、保持時間の範囲に限定することが好ましい。なお、熱処理の加熱温度、保持時間は、上記した本発明の範囲内で、鋼管の組成と加熱速度によって決まるフェライトを主体とする組織を維持できる条件に制御する必要がある。
【００４０】
また、第２の本発明における熱処理では、従来の残留γ相を有する鋼材で必要とされていた400 ℃程度で数min 間保持するという処理を必要とせず、冷却制御が困難な鋼管でも容易に本発明の熱処理を適用することできる。
第２の本発明における熱処理により、残留γが生成される機構について、本発明者らは、以下のように考えている。
【００４１】
残留γ相を生成させるためには、γ相のＣ濃度を１％以上にする必要がある。そのために、本発明では、γ相とセメンタイト相のＣの分配を利用する。すなわち、セメンタイトを含む鋼を加熱すると、セメンタイトの周囲にγ相が生成し始める。この時のγ相のＣ濃度は、Fe−Ｃ二元状態図から予想されるように、例えば850 ℃で約１％となる。このようにＣが濃化したγ相は熱的に安定であるために、比較的遅い速度で冷却しても、室温まで残留する。ただし、加熱速度が遅い場合や加熱時間が長くなると、Ｃが拡散するため、十分なＣ濃度が得られない。そのため、本発明では、急速加熱、短時間保持としている。
【００４２】
また、セメンタイトの形状がベイナイト中の炭化物のように微細な場合や、パーライトのようにラメラ状の場合は、極めて短時間の加熱で溶解するため、加熱速度や保持時間の制御が難しくなる。そのため、本発明のようにセメンタイトを、平均粒径0.1 μｍ以上、好ましくは10μm 以下の球状化セメンタイトとしておくことが重要となる。
【００４３】
これに対し、特開昭63−195221号公報に記載されているような従来の方法では、γ相とα相のＣの分配を利用している。すなわち、（α＋γ）二相域に加熱し、γ相に第一回目のＣ濃化をさせた後、さらに、400 ℃程度の温度まで急冷、保持して、γ相に第二回目のＣ濃化をさせる。この方法における第一回目の（α＋γ）二相域でのγ相のＣ濃度は、例えばFe−Ｃ二元状態図から予想されるように、高々0.8 ％程度であり、熱的に十分安定ではない。そのため、第二回目のＣ濃化をさせる温度まで急冷しなければならず、さらに、第二回目のＣ濃化では、γ相のＣ濃化と炭化物の析出が競合するために、保持温度、時間を極めて狭い範囲で制御しなければならないなど、鋼管では困難な冷却制御が必要となる。また、特開昭63−195221号公報に記載された技術では、炭化物の析出を抑制するSiを多量に添加しなければならないという問題もあり、加工性を低下させる要因にもなっている。
【００４４】
第３の本発明では、第２の本発明における縮径圧延に代えて、焼鈍などを利用して、鋼管の組織を、セメンタイトが平均粒径0.1 μｍ以上の球状化セメンタイトである組織とする。このような球状セメンタイト組織を有する鋼管に、第２の本発明と同様に、10℃／ｓ以上の加熱速度で 800〜1100℃の範囲の温度に加熱し、該温度に30ｓ以下保持する熱処理を施す。そして、引き続き 600℃以上の、フェライトを主体とする組織となる温度域で、好ましくは30％以上の縮径率で、縮径圧延し、ついで３℃／ｓ以上の冷却速度で 500℃以下まで冷却する。このような製造方法でも、第２の本発明と同様に、残留γ相を有する高ｒ値鋼管を製造できる。
【００４５】
この第３の本発明における残留γ相の生成機構についても、本発明者らは温間縮径圧延後に熱処理した場合と同様であると考えている。すなわち、球状化セメンタイトを急速加熱した時に、生成するγ相中のＣ濃度が十分に高く、縮径圧延しても分解しない程度に安定化したものになっていると考えられる。
以上、説明した本発明の製造方法では、出発鋼管の製造方法は特に限定されない。通常公知の方法である、帯鋼を円筒状に成形しシーム溶接して電縫鋼管とする電縫管の製造方法が適用できる。使用する帯鋼は、熱延鋼板、冷延鋼板いずれも好適である。また、出発鋼管としてシームレス鋼管を用いても何ら問題はない。
【００４６】
【実施例】
（実施例１）
表１に示す化学成分の熱延鋼板（板厚：2.6 mm）を円筒状に成形しシーム部を電縫溶接して電縫鋼管とした。これら電縫鋼管に、表２に示す条件で縮径圧延を施し、ついで表２に示す条件で熱処理を施した。そして、得られた鋼管について、残留γ量測定、および鋼管長手方向の引張試験を実施した。
【００４７】
残留γ量の測定は、鋼管の円周方向垂直断面から採取した試験片について、Ｘ線回折を利用し、得られたＸ線回折強度から検量線を用いて残留γ量に換算した。
また、鋼管長手方向の引張試験は、鋼管からJIS 12号Ａの引張試験片を採取し、引張試験を実施し、引張強さＴＳ，伸びＥｌ，一様伸びU Ｅｌを求めた。また、ｒ値は、JIS 12号Ａの引張試験片を採取し、ゲージ長さが２mmのひずみゲージを貼り付けた後、公称ひずみで６〜７％の引張を行った時の長手方向の真歪み：eLに対する幅方向の真歪みeWを測定して、その傾きρから、ｒ値＝ρ／（−１−ρ）を計算した。
【００４８】
また、熱処理前の電縫鋼管の組織を走査電子顕微鏡により観察し、セメンタイトの粒径を測定した。鋼管の円周方向垂直断面部から採取した試験片を、ナイタール液でエッチングして検鏡し、走査型電子顕微鏡で10000 倍で100 個のセメンタイトを撮像したのち、該写真を画像解析装置を用いて、球換算でセメンタイトの平均粒径を算出した。
【００４９】
得られた結果を表２に示す。
【００５０】
【表１】
【表２】
【表３】
本発明の鋼管は、いずれも、本発明の範囲から外れた比較例の鋼管に比べて、高い量の残留γ相を含み、 ＴＳ：590MPa以上の高強度と、1.2 以上の高いｒ値を有する、高強度・ 高加工性鋼管となっている。
（実施例２）
表１に示す化学成分の熱延鋼板（板厚：2.6 mm）を円筒状に成形しシーム部を電縫溶接して電縫鋼管とした。これら電縫鋼管に焼鈍を施し、 表３に示す粒径の球状セメンタイトを有する組織の鋼管とした。なお、セメンタイトの平均粒径の測定は実施例１と同様とした。ついで、 これら鋼管に、表３に示す条件で熱処理を施し、引き続いて表３に示す縮径圧延を施した。得られた鋼管について、実施例１と同様に、残留γ量測定、および鋼管長手方向の引張試験を実施した。
【００５４】
得られた結果を表３に示す。
【００５５】
【表４】
本発明の鋼管は、実施例１と同様に、いずれも、本発明の範囲から外れた比較例の鋼管に比べて高い残留γ量を有し、ＴＳ：590MPa以上の高強度と、1.2 以上の高いｒ値を有する、高強度・高加工性鋼管となっている。
【００５７】
【発明の効果】
以上、詳述したように、本発明によれば、高強度・ 高加工性鋼管が安価でかつ容易に製造でき、ハイドロフォーム加工をはじめ、各種の加工に際し、加工限界が著しく向上し、複雑な部品が簡単に成形できるようになるという、産業上格段の効果を奏する。また、本発明によれば、高い加工性を備えた高強度鋼板となり、部品の軽量化が図れるという効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】ｒ値と縮径圧延出側温度との関係を示すグラフである。
【図２】ｒ値と縮径圧延縮径率との関係を示すグラフである。
【図３】残留γ量と熱処理前のセメンタイト平均粒径との関係を示すグラフである。
【図４】残留γ量と熱処理における加熱速度との関係を示すグラフである。
【図５】残留γ量と熱処理における加熱保持時間との関係を示すグラフである。
【図６】残留γ量と熱処理における冷却速度との関係を示すグラフである。
Claims (5)
- 質量％で、Ｃ：0.05〜0.3 ％、Si：0.2 〜2.0 ％、Mn：0.5 〜3.0 ％を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有し、フェライト相を体積率で50％以上含有し、残留オーステナイト相を体積率で2.5 ％以上20％以下含有する組織を有し、ｒ値が1.2 以上であることを特徴とする高強度・高加工性鋼管。
- 前記組成に加えてさらに、質量％で、Cr：2.0 ％以下、Mo：2.0 ％以下、Ｗ：2.0 ％以下、Ni：2.0 ％以下、Cu：2.0 ％以下、Ti：1.0 ％以下、Nb：1.0 ％以下、Ｖ：1.0 ％以下のうちから選ばれた１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１に記載の高強度・高加工性鋼管。
- 質量％で、Ｃ：0.05〜0.3 ％、Si：0.2 〜2.0 ％、Mn：0.5 〜3.0 ％を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有する鋼管を、セメンタイトが平均粒径0.1 μｍ以上10μｍ以下の球状化セメンタイトとなるように、600 ℃以上の、フェライトが体積率で50％以上である組織となる温度域で縮径圧延したのち、10℃／ｓ以上の加熱速度で 800〜1100℃の範囲の温度に加熱し、該温度に30ｓ以下保持し、ついで３℃／ｓ以上の冷却速度で 500℃以下まで冷却することを特徴とする高強度・高加工性鋼管の製造方法。
- 質量％で、Ｃ：0.05〜0.3 ％、Si：0.2 〜2.0 ％、Mn：0.5 〜3.0 ％を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有し、セメンタイトが平均粒径0.1 μｍ以上10μｍ以下の球状化セメンタイトである組織を有する鋼管を、10℃／ｓ以上の加熱速度で 800〜1100℃の範囲の温度に加熱し、該温度に30ｓ以下保持した後、引き続き 600℃以上の、フェライトが体積率で50％以上である組織となる温度域で縮径圧延し、ついで３℃／ｓ以上の冷却速度で 500℃以下まで冷却することを特徴とする高強度・高加工性鋼管の製造方法。
- 前記組成に加えてさらに、質量％で、Cr：2.0 ％以下、Mo：2.0 ％以下、Ｗ：2.0 ％以下、Ni：2.0 ％以下、Cu：2.0 ％以下、Ti：1.0 ％以下、Nb：1.0 ％以下、Ｖ：1.0 ％以下のうちから選ばれた１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項３または４に記載の高強度・高加工性鋼管の製造方法。
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