JP4571928B2

JP4571928B2 - 低降伏比型鋼管

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Publication number: JP4571928B2
Application number: JP2006237989A
Authority: JP
Inventors: 正浩大神; 敏雄藤井; 敏幸緒方; 裕幸三村
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2006-09-01
Filing date: 2006-09-01
Publication date: 2010-10-27
Anticipated expiration: 2022-07-10
Also published as: JP2007039811A

Description

本発明は、低降伏比型鋼管に関するものである。

建築物の耐震性を高めるためには、降伏比の低い鋼材を構造部材として使用することが有効であることが近年明らかにされてきた。従って、建築用鋼管についても、低降伏比型の鋼管が要求される。降伏比が低いほど、外力により建築用鋼管が降伏しても破断には至り難く、それ故、その構造物が破壊に至らないと考えられるからである。

一方、溶接鋼管は、製管時の曲げや拡管、さらには絞りなどの冷間加工の影響を受けるため、得られた溶接鋼管は、母材である鋼板ほどの低降伏比のものが得られない場合が多い。従って、低降伏比型の鋼管を得るためには、製管前の鋼板における降伏比を十分に低下させる必要がある。

特許文献１においては、低降伏比型溶接鋼管を製造するに際し、必須成分として１〜３％のＣｒを含有する鋼を素材鋼として用い、その組織を従来の知見通りに軟質のフェライト相と硬質のベイナイトあるいはマルテンサイト相を含む複合組織とする発明が開示されている。

特許文献２においては、鋼材に含有されるＣを０．０３％以下、好ましくは０．０１５％以下とし、Ｎｂを固溶の状態で存在させ、更に鋼材のミクロ組織を適正に制御することによって、常温で降伏比が低く、かつ高温での強度特性に優れる鋼材及び鋼管が得られると記載されている。

特許文献３においては、鋼材に含有されるＣを０．０２％以下、好ましくは０．０１５％以下とし、Ｎｂ及びＳｎを多く添加することにより、常温での降伏比が低く、かつ高温での強度特性に優れる鋼材及び鋼管が得られると記載されている。

特開平１０−１７９８０号公報特開２０００−５４０６１号公報特開２０００−２３９９７２号公報

上記特許文献１に記載の発明は、ベイナイト相あるいはマルテンサイト相の硬質相を生成させて低降伏比と高強度を同時に得るために、１％以上のＣｒを必須成分としている。Ｃｒ合金は高価であり、これでは低価格の低降伏比型鋼管を提供することができない。また、Ｃｒは溶接時に酸化物を生成しやすく、そのＣｒ酸化物が溶接衝合部に残存した場合、溶接部品質を劣化させることになる。

上記特許文献２及び特許文献３に記載の発明は、Ｃの上限を０．０３％または０．０２％以下、好ましくは０．０１５％以下に抑え、それによって常温での固溶Ｃを低減させて低降伏比を達成している。しかし、このようにＣを低減したのでは、常温引張試験において高い引張強さを得ることは困難である。

本発明は、上記問題点を解決し、低降伏比型鋼管を提供することを目的とする。

即ち、本発明の要旨とするところは以下の通りである。
（１）帯鋼を冷間成形して製造された鋼管において、質量％で、Ｃ：０．０３〜０．２０％、Ｓｉ：０．０５〜１．０％、Ｍｎ：０．１〜２．０％、Ａｌ：０．００１〜０．０５％、Ｎｂ：０．０１〜０．５％、Ｎ：０．００１〜０．０１％を含み、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鋼であり、そのミクロ組織がフェライトおよびベイナイトからなり、ベイナイト含有率が１〜１５％であり、平均フェライト結晶粒径が３５μｍ以上であることを特徴とする低降伏比型鋼管。
（２）帯鋼を冷間成形して製造された鋼管において、質量％で、Ｃ：０．０３〜０．２０％、Ｓｉ：０．０５〜１．０％、Ｍｎ：０．１〜２．０％、Ａｌ：０．００１〜０．０５％、Ｎｂ：０．０１〜０．５％、Ｎ：０．００１〜０．０１％を含み、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鋼であり、そのミクロ組織がフェライト、マルテンサイトおよびベイナイト、あるいはフェライトおよびマルテンサイトからなり、ベイナイト含有率が１〜１５％およびあるいはマルテンサイト含有率が１〜１５％であり、平均フェライト結晶粒径が３５μｍ以上であることを特徴とする低降伏比型鋼管。
（３）質量％で、Ｔｉ：０．００５〜０．１％、Ｂ：０．０００１〜０．００５％の１種または２種を含有することを特徴とする上記（１）または（２）に記載の低降伏比型鋼管。
（４）質量％で、Ｖ：０．０１〜０．５％、Ｃｕ：０．０１〜１％、Ｎｉ：０．０１〜１％、Ｃｒ：０．０１〜１％、Ｍｏ：０．０１〜１％の１種もしくは２種以上を含むことを特徴とする上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の低降伏比型鋼管。
（５）平均フェライト結晶粒径が４１μｍ以上であることを特徴とする上記（１）乃至（４）のいずれかに記載の低降伏比型鋼管。

本発明により、Ｃｒ含有量を抑えて低価格化および溶接部品質を劣化させるＣｒ酸化物の生成を抑えるとともに、Ｃ含有量上限を高めて常温引張強さを高めることのできる、低降伏比型鋼管を得ることができる。

本発明全体に共通する特徴は、鋼のミクロ組織がフェライトを含む組織からなり、平均フェライト結晶粒径が２０μｍ以上であることである。Ｈａｌｌ−Ｐｅｔｃｈの法則により、降伏応力は結晶粒径の（−１／２）乗に比例するため、結晶粒径が小さいほど降伏応力が大きくなり、降伏比が高くなる。逆に結晶粒径が大きいほど降伏応力が低くなり、降伏比が小さくなる。本発明はこの点に着目し、ミクロ組織に含まれるフェライトの平均フェライト結晶粒径が２０μｍ以上になると降伏応力が低下し、その結果として造管後の鋼管においても低降伏比が得られることを明らかにした。平均フェライト粒径は好ましくは３０μｍ以上、さらに好ましくは４０μｍ以上である。なお、平均フェライト粒径の下限は、実施例に基づいて３５μｍ以上とする。

平均フェライト粒径をはじめとする結晶粒径の測定方法は、ＪＩＳＧ０５５２付属書１に記載されている方法に従い、フェライト平均結晶粒径を測定する。また、マルテンサイトおよびベイナイトの場合は、旧オーステナイト結晶粒径を測定するが、これはＪＩＳＧ０５５１付属書３の方法に従うこととするとよい。

ミクロ組織におけるフェライト含有率は７０％〜９８％であると好ましい。フェライト含有率が７０％未満ではフェライト粒径を大きくしても降伏応力を十分に低下させることができないので低降伏比が得られず、逆にフェライト含有率が９８％を超えると鋼の引張強度が低下し、同様に低降伏比が得られないからである。フェライト含有率は７５％〜９５％であるとより好ましい。

従来の低降伏比型鋼管を製造するための鋼板の熱間圧延においては、γ領域加熱後、γ領域から２相領域低温側で圧延されていた。そのため、平均フェライト粒径を２０μｍ以上とすることができなかった。本発明においては、γ領域加熱後、γ領域から２相領域高温側で圧延を終了させ、結晶粒の微細化を抑制し、その結果として平均フェライト粒径が２０μｍ以上の鋼を製造することを可能にした。熱間圧延終了後、Ａｒ₁点＋５０℃までの冷却速度を１０℃／ｓｅｃ以下とすることで、フェライトの平均結晶粒径を２０μｍ以上とすることができる。

本発明は、ミクロ組織がフェライトおよびベイナイトからなる第１の発明、ミクロ組織がフェライト、マルテンサイトおよびベイナイト、あるいはフェライトおよびマルテンサイトからなる第２の発明からなる。以下、各発明毎にその詳細を説明する。

第１の発明について説明する。

第１の発明は、ミクロ組織がフェライトおよびベイナイトからなる。このような組織とした結果として、引張強度６００〜７００ＭＰａ程度の低降伏比型鋼管を製造することができる。

第１の発明の成分限定理由について説明する。

Ｃは、基地中に固溶あるいは炭化物として析出し、鋼の強度を増加させる元素である。０．０３％未満では厚肉材で強度が不足するため０．０３％以上が必要であり、好ましくは０．０５％以上の含有を必要とするが、０．２０％を超えて含有すると溶接性が劣化する。このため、Ｃは０．０３〜０．２０％の範囲に限定する。

Ｓｉは脱酸材として作用するとともに、基地中に固溶し鋼の強度を増加させる。この効果は、０．０５％以上の含有で認められるが、１．０％を超えると鋼材の靭性を劣化させる。このため、Ｓｉは０．０５〜１．０％の範囲に限定する。

Ｍｎは鋼の強度を増加させる元素であり、この効果は、０．１％以上の含有で認められ、好ましくは０．３％以上であるが、２．０％を超える含有は中心偏析による靭性劣化を招く。このため、Ｍｎは０．１〜２．０％の範囲に限定する。尚、強度および靭性の観点から、Ｍｎは０．３〜１．５％の範囲が好ましい。

Ａｌは脱酸材として使われるが、その量は結晶粒径や機械的性質に大きな影響を及ぼす。０．００１％未満では脱酸として不十分で、０．０５％超ではＡｌ系の鋼中酸化物が増加し、靭性を劣化させるので、０．００１％〜０．０５％の範囲に限定する。

Ｎｂは生地中に固溶あるいは炭窒化物として析出し、強度を高める元素であり、最低０．０１％が必要である。しかし０．５％を超えて過剰添加しても効果が飽和し、十分な強化効果が得られないので、０．０１％〜０．５％の範囲に限定する。

Ｎは生地中に固溶あるいは窒化物として存在する。強度に寄与する窒化物を生成するためには０．００１％以上が必要であるが、０．０１％を超えて添加すると粗大な窒化物を生成しやすくなり、靭性を低下させる。このため、Ｎは０．００１〜０．０１％の範囲に限定する。

第１の発明のようにベイナイトを含むミクロ組織とするためには、鋼素材を１１５０℃±１００℃に加熱した後、熱間圧延にて１０ｍｍ厚程度の帯鋼とした後、Ａｒ₁点＋５０℃までを１０℃／ｓｅｃ．以下の冷却速度で冷却し、フェライト変態をさせた後、引き続きＡｒ₁点＋５０℃以下の温度領域を５℃／ｓｅｃ．以上の冷却速度で冷却してベイナイトを生成させ、６００℃以下で巻き取りを行うことにより製造することができる。

第１の発明はさらに、ベイナイト含有率が１〜１５％であると好ましい。フェライトとベイナイトの混合組織において、ベイナイト含有率が１〜１５％の時、鋼管成形時のＹＲ上昇率が小さく、１％未満では効果がなく、１５％を超えて含有しても効果は飽和するからである。このため、ベイナイト含有率を１〜１５％の範囲に限定した。

ベイナイト含有率を１〜１５％とするためには、Ａｒ₁点＋５０℃までの冷却速度およびＡｒ₁点＋５０℃以下の冷却速度を前述の通り行う。この条件を外れると、ベイナイト含有率の上昇、あるいは多量のパーライトの含有が生じる。

尚、フェライトとベイナイトの混合組織の中に、鋼管成形時のＹＲ上昇率を小さくする効果を損なわない範囲で、微量のパーライトあるいはセメンタイトが含まれてもよい。

また、第１の発明において、平均ベイナイト結晶粒径が１〜２０μｍであると好ましい。これにより、鋼管成形時のＹＲ上昇率を小さくすることができるからである。

第２の発明について説明する。

第２の発明は、ミクロ組織がフェライト、マルテンサイトおよびベイナイト、あるいはフェライトおよびマルテンサイトからなる。このような組織とした結果として、引張強度７００〜８００ＭＰａの低降伏比型鋼管を製造することができる。

第２の発明の成分限定理由について説明する。

Ｃは、基地中に固溶あるいは炭化物として析出し強度を確保するとともに、ベイナイトおよびマルテンサイトの硬質相を生成させて、低降伏比を得るために必要な元素である。０．０３％未満ではベイナイトおよびマルテンサイトの硬質相が生成されず、低降伏比を得られない。このため０．０３％以上が必要であり、好ましくは０．０５％以上の含有を必要とするが、０．２０％を超えて含有すると溶接性および靭性が劣化する。このため、Ｃは０．０３〜０．２０％の範囲に限定する。

第２の発明のようにミクロ組織をフェライト、マルテンサイトおよびベイナイト、あるいはフェライトおよびマルテンサイトとするためには、鋼素材を１１５０℃±１００℃に加熱した後、熱間圧延にてＡｒ₃点以上で仕上圧延を終了し１０ｍｍ厚の帯鋼とした後、Ａｒ₁点＋５０℃までを１０℃／ｓｅｃ．以下の冷却速度で冷却し、フェライト変態をさせた後、引き続きＡｒ₁点＋５０℃以下の温度領域を１０℃／ｓｅｃ．以上の冷却速度で６００℃以下まで、好ましくは５００℃以下、更に好ましくは４５０℃以下まで冷却してベイナイトおよびあるいはマルテンサイトを生成させ、巻き取りを行うこととするとよい。

第２の発明は、ベイナイト含有率が１〜１５％およびあるいはマルテンサイト含有率が１〜１５％であると好ましい。フェライトとベイナイトおよびあるいはマルテンサイトの混合組織において、ベイナイト含有率が１〜１５％の時およびあるいはマルテンサイト含有率が１〜１５％の時、鋼管成形時のＹＲ上昇率が小さく、１％未満では効果がなく、それぞれ１５％を超えて含有しても効果は飽和するからである。このため、ベイナイト含有率およびあるいはマルテンサイト含有率をそれぞれ１〜１５％の範囲に限定した。

ベイナイト含有率等を１〜１５％とするためには、Ａｒ₁点＋５０℃までの冷却速度およびＡｒ₁点＋５０℃以下の冷却速度を前述の通り行う。この条件を外れると、ベイナイトあるいはマルテンサイト含有率の上昇、あるいは多量のパーライトの含有が生じる。

以下、第１および第２の発明に共通する、好ましい付加成分の限定理由について説明する。

Ｔｉは溶接性を改善させる効果を有する元素であり、この効果は０．００５％以上の含有で認められるが、０．１％を超えて添加するとＴｉ系の炭窒化物の増加による加工性の劣化や強度の不必要な上昇を招く。このため、Ｔｉは０．００５〜０．１％の範囲に限定する。

Ｂは粒界強化およびＭ₂₃（Ｃ，Ｂ）₆などとして析出強化をもたらし、強度を向上させる。０．０００１％未満では効果が小さく、０．００５％超では効果が飽和するとともに粗大なＢ含有相を生じさせる傾向があり、また脆化が起こりやすくなるため、０．０００１％〜０．００５％の範囲に限定する。

Ｖは析出強化元素として強度を高める。０．０１％未満では効果が不十分であり、０．５％超では炭窒化物の粗大化を招くだけではなく、降伏強度の上昇量が大きくなるので、０．０１％〜０．５％の範囲に限定する。

Ｃｕは強度を高める元素であるが、０．０１％未満では効果が小さく、１％を超えて添加すると降伏強度の上昇量が大きくなるので、０．０１％〜０．５％の範囲に限定する。

Ｎｉは強度を高め、靭性の改善にも有効な元素である。０．０１％未満では靱性改善の効果が小さく、１％を超えて添加すると降伏強度の上昇量が大きくなるので、０．０１％〜１％の範囲に限定する。

Ｃｒは析出強化元素として強度を高める。０．０１％未満では効果が不十分であり、１％超では炭窒化物の粗大化を招くだけではなく、降伏強度の上昇量が大きくなるので、０．０１％〜１％の範囲に限定する。

Ｍｏは固溶強化をもたらすと同時に強度を向上させる。０．０１％未満では効果が小さく、１％を超えて添加すると降伏強度の上昇量が大きくなるので、０．０１％〜１％の範囲に限定した。

本発明鋼は熱延鋼板を冷間成形して製造された鋼管である。また、この発明鋼の冷間加工の例として電縫溶接鋼管が挙げられるが、発明の効果は、低歪造管方法により低降伏比化効果が顕著になる。

（実施例１）
実施例１は第１の発明に関するものである。

表１に示す成分の鋼を連続鋳造スラブとし、このスラブを熱間圧延によって板厚１０ｍｍの鋼板とした。熱間圧延条件は、スラブを１１５０℃に加熱した後、熱間圧延を９００℃（Ａｒ₁＋１７０℃）の温度で完了し、７８０℃（Ａｒ₁＋５０℃）までを５℃／ｓｅｃの冷却速度で冷却してフェライト変態をさせ、引き続き７８０℃（Ａｒ₁＋５０℃）以下の温度領域を２０℃／ｓｅｃの冷却速度で冷却してベイナイトを生成させ、５００〜６００℃で巻き取った。

鋼板のミクロ組織を表２に示す。鋼板の引張特性について、圧延ままの無加工材の引張特性、および５％予歪材の引張特性を評価した。５％予歪材は、この鋼板を例えば直径２００ｍｍの鋼管とするための冷間加工に相当する。予歪は、引張試験片を引張試験機にて引張り、歪が５％に達した時点で引張を中止するという方法によって付与した。評価した引張特性は、ＹＳ（降伏強度）、ＴＳ（引張強度）およびＹＲ（降伏比）である。評価結果を表２に示す。

本発明例Ｎｏ．Ａ〜Ｄは、鋼成分が本発明範囲内にあり、組織構成はいずれもフェライトとベイナイト組織であり、平均フェライト結晶粒径は２０μｍ以上であり、ベイナイト含有率は好ましい範囲である１５％以下となっていた。５％予歪材の降伏比（ＹＲ）は７１〜７７％であった。ベイナイト含有率の高いものは、５％予歪負荷後のＹＳおよびＴＳは共に高くなるが、ＹＳの上昇率がＴＳと比較して小さいため、ＹＲはベイナイト含有率の低いものより低くなっている。

比較例Ｎｏ．Ｈ〜Ｏは、いずれかの成分が本発明範囲を外れている。結晶組織は、Ｎｏ．Ｈ、Ｊ、Ｌ、Ｏがフェライトとパーライト組織であった。Ａｒ₁点＋５０℃以下の冷却速度が５℃／ｓｅｃ未満であったため、パーライトが生成した。平均フェライト結晶粒径は、Ｎｏ．Ｈ、Ｌ、Ｏについては２０μｍ未満であった。熱間圧延終了後、Ａｒ₁点＋５０℃までの冷却速度が１０℃／ｓｅｃ超であったため平均フェライト結晶粒径が小さくなった。フェライトとベイナイト組織となっているものについては、いずれもベイナイト含有率が好ましい範囲である１５％を超えていた。熱間圧延終了後の冷却において、Ａｒ₁点＋５０℃よりも高い温度から冷却を開始したために、フェライト変態が進行せず、ベイナイト含有率が高くなった。５％予歪材の降伏比（ＹＲ）は９０〜９６％であった。ベイナイト含有率の高いものは、低いものよりＹＳおよびＴＳが高い。

（実施例２）
実施例２は第２の発明に関するものである。

表３に示す成分の鋼を連続鋳造スラブとし、このスラブを熱間圧延によって板厚１０ｍｍの鋼板とした。熱間圧延条件は、スラブを１１５０℃に加熱した後、熱間圧延を９００℃（Ａｒ₃＋１７０℃）の温度で完了し、７８０℃（Ａｒ₁＋５０℃）までを５℃／ｓｅｃの冷却速度で冷却してフェライト変態をさせ、引き続き７８０℃（Ａｒ₁＋５０℃）以下の温度領域を３０℃／ｓｅｃの冷却速度で冷却してベイナイトおよびあるいはマルテンサイトを生成させ、４００〜５００℃で巻き取った。

鋼板のミクロ組織を表４に示す。鋼板の引張特性について、圧延ままの無加工材の引張特性、およびｔ／Ｄ＝５％相当の冷間ひずみを付与した後の引張特性を評価した。ｔ／Ｄ＝５％相当の冷間ひずみとは、この鋼板をｔ／Ｄ＝５％の鋼管とするための冷間加工に相当する。予歪み付与方法は、引張試験片を引張試験機にて引張り、歪が５％に達した時点で引張を中止する方法である。引張試験内容については実施例１と同様である。評価結果を表４に示す。

本発明例Ｎｏ．Ａ〜Ｆは、鋼成分が本発明範囲内にあり、組織構成はいずれもフェライトとマルテンサイト組織、あるいはフェライト、ベイナイトとマルテンサイト組織であり、平均フェライト結晶粒径は２０μｍ以上であり、ベイナイト含有率・マルテンサイト含有率は好ましい範囲である１５％以下となっていた。ｔ／Ｄ＝５％相当材の降伏比（ＹＲ）は８３〜８６％であった。

比較例Ｎｏ．Ｈ〜Ｏは、いずれかの成分が本発明範囲を外れている。組織は、Ｎｏ．Ｈはフェライト組織、Ｎｏ．Ｏはフェライトとパーライト組織であった。Ａｒ1点＋５０℃以下の冷却速度が５℃／ｓｅｃ未満であったため、Ｎｏ．Ｏはパーライトが生成し、Ｎｏ．Ｈは前記に加えＣ含有量が０．００５％と少ないため、フェライト単相となった。平均フェライト結晶粒径は、Ｎｏ．Ｋ、Ｍ、Ｎ以外のものは２０μｍ未満であった。熱間圧延終了後、Ａｒ1点＋５０℃までの冷却速度が１０℃／ｓｅｃ超であったため、平均フェライト結晶粒径が小さくなった。マルテンサイトやベイナイトを含む組織となっているものについては、いずれもベイナイト含有率およびマルテンサイト含有率が好ましい範囲である１５％を超えていた。熱間圧延終了後の冷却において、Ａｒ1点＋５０℃よりも高い温度から冷却を開始したために、フェライト変態が進行せず、ベイナイトあるいはマルテンサイトの含有率が高くなった。ｔ／Ｄ＝５％相当材の降伏比（ＹＲ）は９３〜９５％であった。

Claims

帯鋼を冷間成形して製造された鋼管において、質量％で、Ｃ：０．０３〜０．２０％、Ｓｉ：０．０５〜１．０％、Ｍｎ：０．１〜２．０％、Ａｌ：０．００１〜０．０５％、Ｎｂ：０．０１〜０．５％、Ｎ：０．００１〜０．０１％を含み、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鋼であり、そのミクロ組織がフェライトおよびベイナイトからなり、ベイナイト含有率が１〜１５％であり、平均フェライト結晶粒径が３５μｍ以上であることを特徴とする低降伏比型鋼管。
帯鋼を冷間成形して製造された鋼管において、質量％で、Ｃ：０．０３〜０．２０％、Ｓｉ：０．０５〜１．０％、Ｍｎ：０．１〜２．０％、Ａｌ：０．００１〜０．０５％、Ｎｂ：０．０１〜０．５％、Ｎ：０．００１〜０．０１％を含み、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鋼であり、そのミクロ組織がフェライト、マルテンサイトおよびベイナイト、あるいはフェライトおよびマルテンサイトからなり、ベイナイト含有率が１〜１５％およびあるいはマルテンサイト含有率が１〜１５％であり、平均フェライト結晶粒径が３５μｍ以上であることを特徴とする低降伏比型鋼管。
質量％で、Ｔｉ：０．００５〜０．１％、Ｂ：０．０００１〜０．００５％の１種または２種を含有することを特徴とする請求項１または２に記載の低降伏比型鋼管。
質量％で、Ｖ：０．０１〜０．５％、Ｃｕ：０．０１〜１％、Ｎｉ：０．０１〜１％、Ｃｒ：０．０１〜１％、Ｍｏ：０．０１〜１％の１種もしくは２種以上を含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の低降伏比型鋼管。
平均フェライト結晶粒径が４１μｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の低降伏比型鋼管。