JP4601502B2

JP4601502B2 - 高強度電縫鋼管の製造方法

Info

Publication number: JP4601502B2
Application number: JP2005200724A
Authority: JP
Inventors: 真一児玉; 孝松元; 敏洋近藤
Original assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 2005-07-08
Filing date: 2005-07-08
Publication date: 2010-12-22
Anticipated expiration: 2025-07-08
Also published as: JP2007015000A

Description

本発明は、自動車，自転車等の構造部材や補強部材に好適で、良好な表面性状をもち高強度で安価な電縫鋼管を製造する方法に関する。

自動車，自転車等の構造部材や補強部材に使用される電縫鋼管には、所定の強度と耐食性が要求される。自動車，自転車等の用途で要求の強い軽量化を図る上でも機械的強度が高く、薄肉化しても所望の強度レベルを満足させることが要求される。しかも、安価な手法で高強度化することが望ましい。
鋼材の強化機構としては、固溶強化，変態組織強化，加工強化等がある。しかし、固溶強化や変態組織強化で鋼材を高強度化する場合、Ｓｉ，Ｍｎ，Ｍｏ，Ｎｉ等の特殊な合金元素を多量添加する。合金元素の多量添加によって強度が向上するものの、必然的に鋼材コストが高くなる。

他方、加工強化法は、安価に高強度化を達成し得る点で効率的な方法である。低炭素鋼であって、酸洗により熱延スケールが除去された熱延鋼帯を圧下率：１０〜５０％で１パス圧延した後、得られた冷延鋼帯の幅方向両端部を溶接することにより、高強度化した電縫鋼管を製造できる（特許文献１）。本発明者等も、耐食性向上のためＰ，Ｃｕを複合添加した鋼材ではあるが、Ｃ-Ｍｎ系の熱延鋼板を冷延率：１０〜６０％で冷間圧延し、冷間圧延したままの鋼帯の幅方向両端部を溶接することにより高強度電縫鋼管を製造する方法を提案している（特許文献２）。
特開2002-327245号公報特開2004-225137号公報

従来の溶融めっき冷延鋼板では、高強度を確保するためＳｉ，Ｍｎの多量添加が必要であり、所定板厚まで冷間圧延した後、連続めっきラインで再結晶温度以上の高温に加熱する熱処理が施される。そのため、多量の熱エネルギーを消費する結果、製造コストが高くなっている。

本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、低合金成分系鋼帯の熱間圧延時における巻取り制御によって冷延前の強度を確保し、酸洗前の一次冷延率を適正管理して次の酸洗工程でのデスケール性を改善すると共に表面疵を抑える。更に酸洗後の二次冷延によって所定の強度，板厚とした後、連続めっきラインにおけるめっき前焼鈍として再結晶温度以下の低温焼鈍を採用することで、従来の高強度溶融めっき冷延鋼板に比べて低コストで、しかも表面性状が良好でめっき性、耐食性に優れた高強度電縫鋼管を製造することを目的とする。

本発明は、Ｃ：０.０５〜０.２０質量％，Ｓｉ：０.０５〜０.６質量％，Ｍｎ：１.５〜２.５質量％，Ｐ：０.０５質量％以下，Ｓ：０.０２質量％以下，Ａｌ：０.００５〜０.１０質量％，Ｔｉ：０.０１〜０.１５質量％，Ｎｂ：０.０１〜０.０５質量％，Ｆｅ：不可避的不純物を除く残部の組成をもち、次式で算出されるＣ当量を０.２５〜０.６質量％に調整した鋼材を素材に使用している。
Ｃ当量＝Ｃ＋1/6Ｍｎ＋1/24Ｓｉ

所定組成に調整された溶鋼を連続鋳造し、仕上げ温度：Ａr₃変態点以上，巻取り温度：６００〜４５０℃で熱間圧延する。得られた冷延用素材を一次冷延率：１〜２０％で冷間圧延し、酸洗を挟んで、二次冷延率：１〜７５％，総冷延率：３０％以上で冷間圧延する。
続く連続めっきラインでは、再結晶温度未満の加熱温度域：５００〜６００℃で冷延鋼帯を還元焼鈍した後、めっき浴に導入して引き上げることによりめっき層を鋼帯表面に形成する。

めっき後の鋼帯を目標電縫鋼管のサイズに見合った板幅に裁断し、板幅方向に曲げた後で板幅方向両端部を溶接する。次いで、溶接ビードを切削除去した後、溶接ビード切削部表面にＺｎ，Ａｌ，Ｚｎ-Ａｌ合金又はＭｇ-Ａｌ合金ワイヤを用いて連続的に溶射し溶接部を補修することにより、表面性状，耐食性に優れた７００Ｎ級以上の高強度電縫鋼管が製造される。

実施形態及び効果

以下、本発明で使用する鋼材の成分，含有量，製造条件等を説明する。
〔Ｃ：０.０５〜０.２０質量％〕
鋼帯の高強度化に有効な成分であり、０.０５質量％以上でＣによる強化作用がみられる。しかし、過剰量のＣ含有は酸洗性に悪影響を及ぼし、耐剥離性等のめっき品質や焼入れ性にも大きな影響を与えるので、上限を０.２０質量％とした。好ましくは、０.０７〜０.１６質量％の範囲でＣ含有量を選定する。

〔Ｓｉ：０.０５〜０.６質量％〕
強度向上に有効な成分であり、０.０５質量％以上でＳｉの添加効果がみられる。しかし、０.６質量％を超える過剰量のＳｉが含まれると加工性，酸洗性に悪影響が現れる。そのため、Ｓｉ含有量は低いほど好ましいが、本成分系では強度確保のため０.０５〜０.６質量％(好ましくは０.１〜０.３質量％)の範囲でＳｉ含有量を選定する。

〔Ｍｎ：１.５〜２.５質量％〕
強度向上に寄与する成分であり、Ｍｎによる強度改善効果は１.５質量％以上でみられ、Ｍｎ含有量が多いほど顕著になる。しかし、過剰量のＭｎ含有は酸洗性を劣化させ、めっき品質に悪影響を及ぼす酸化皮膜が焼鈍時に生じやすくなる。また、Ｍｎの増量に伴い溶接性が著しく劣化する。この点、Ｍｎ含有量は低いほど好ましく、本成分系では上限を２.５質量％（好ましくは、２.０質量％）とした。

〔Ｐ：０.０５質量％以下〕
高強度化に有効な成分であるが、酸洗性を劣化させ、めっき品質に悪影響を及ぼす酸化皮膜も焼鈍時に生じやすくなる。そのため、Ｐ含有量は低いほど好ましく、本成分系では上限を０.０５質量％（好ましくは、０.０２質量％）とした。
〔Ｓ：０.０２質量％以下〕
熱間加工性，冷間加工性に有害な成分であり、Ｓ含有量を可能な限り低減することが好ましいが、通常不可避的に含まれる０.０２質量％以下（好ましくは、０.００３質量％以下）である限り電縫鋼管の特性に悪影響が現れない。

〔Ａｌ：０.００５〜０.１０質量％〕
Ａｌは製鋼段階で脱酸剤として添加される成分であり、十分な脱酸効果を得る上で酸可溶Ａｌとして０.００５質量％以上が必要である。Ａｌ脱酸の効果は酸可溶Ａｌ：０.１０質量％で飽和し、それ以上の添加は却って鋼材コストの上昇を招く。好ましくは、０.０１〜０.０５質量％の範囲でＡｌ含有量を選定する。

〔Ｔｉ：０.０１〜０.１５質量％〕
鋼中のＣ，Ｓ，Ｎと反応して化合物となって析出する成分であり、析出強化によって鋼材が高強度化される。析出物は、溶接熱影響部に導入された加工歪みの回復を抑制すると共に、ＢＮとして消費される有効Ｂ量の低減を防止する上でも有用な成分である。高強度化に及ぼすＴｉの添加効果は０.０１質量％以上でみられるが、０.１５質量％を超える過剰添加は製造コストの上昇を招く。好ましくは、０.０１〜０.０３質量％の範囲でＴｉ含有量を選定する。

〔Ｎｂ：０.０１〜０.０５質量％〕
Ｔｉと同様に鋼中Ｃと反応して炭化物を生成し、炭化物の析出によって鋼材を高強度化する。Ｎｂは、金属組織を微細化して鋼材の強度を向上させ、ＢＮとして消費される有効Ｂ量の低減を防止する作用も呈する。更に、溶接部においてはＴｉと同様に溶接熱影響部の加工歪みの回復を抑制すると共に固溶，再析出によって溶接熱影響部の軟化を防止する。Ｎｂの添加効果は０.０１質量％以上でみられるが、０.１５質量％を超える過剰添加は製造コストの上昇を招く。好ましくは、０.０１〜０.０３質量％の範囲でＮｂ含有量を選定する。

〔Ｃ当量：０.２５〜０.６質量％〕
溶接熱影響部の軟化抑制に大きな影響を与える指標であり、本成分系ではＣ当量＝Ｃ＋1/6Ｍｎ＋1/24Ｓｉと定義される。Ｃ当量は、７００Ｎ級以上の電縫鋼管の特性を満足させる上で０.２５質量％以上が必要である。しかし、０.６質量％を超えると強度が急激に上昇するばかりでなく、溶接部が著しく硬化し、溶接割れの原因になる場合がある。好ましくは、Ｃ当量が０.３〜０.４質量％の範囲になる成分設計が採用される。

〔熱間圧延〕
所定組成の鋼片を熱間圧延する際、仕上げ温度をＡr₃変態点以上，巻取り温度を６００〜４５０℃の温度域に設定することにより熱間強度が安定化する。Ａr₃変態点を下回る仕上げ温度では、変態に伴って熱間強度が大きく変動し、ゲージハンチング，幅絞り等、板厚精度を劣化させる原因になる。巻取り温度が高いほど鋼帯の延性が向上するが、６００℃を超える巻取り温度では鉄系炭化物の生成に起因して著しく強度が低下する。巻取り温度の低下に伴って強度が上昇するが、過度に低い４５０℃未満の温度で巻き取ると変態組織強化による硬質化が著しく進行し、次の冷間圧延工程で目標板厚，目標強度に必要な冷延率の設定が難しくなる。

〔冷間圧延〕
熱延鋼帯は酸洗前に一次冷間圧延されるが、加工強化によって鋼帯を高強度化するため一次冷延率を１〜２０％に設定する。次いで、酸洗後に二次冷間圧延する際、二次冷延率を１〜７５％，総冷延率を３０％以上に設定する。
少なくとも冷延率：１％以上の一次冷間圧延で酸洗性が改善される。しかし、一次冷延率が２０％を超えると、スケールの押込み疵が発生しやすくなる。好ましくは、５〜１０％の範囲で一次冷間圧延率を設定する。
二次冷間圧延では、圧延率：１％以上で強度が上昇し始める。二次冷間圧延率の増加に応じて強度が上昇し高強度化が進行するが、過度に大きな二次冷間圧延率は製造コストの上昇を招くので、二次冷間圧延率の上限を７５％とした。また、総冷延率が３０％に達しない圧延率では、加工硬化による強度の上昇が小さく、板厚精度も期待できない。好ましくは、総冷延率が２０〜７０％の範囲になるように一次，二次冷間圧延率を定める。

〔連続めっき〕
冷間圧延までの製造条件の調整によって高強度化された鋼帯は、連続溶融めっきラインに通板され、還元焼鈍で鋼帯表面を活性化した後、溶融めっき浴に導入される。還元焼鈍では、再結晶温度未満で５００〜６００℃の温度域に鋼帯を加熱する。加熱温度を５００℃以上とすることにより、鋼帯表面の還元反応が十分に進行し、溶融めっき時に不めっき等の欠陥発生が防止される。しかし、再結晶温度や６００℃を超える加熱温度では、鋼帯の強度低下が懸念される。電気めっきによる場合、同様な還元焼鈍後に低濃度酸洗浴に鋼帯を浸漬することにより鋼帯表面を活性化する。

本成分系の鋼帯は、前掲の成分設計を採用しているのでめっき前焼鈍時の加熱でＳｉ，Ｍｎ等が鋼帯表面に濃縮することがない。そのため、還元焼鈍後の鋼帯表面は、めっき金属に対する濡れ性に優れ、密着性の良好なめっき層の形成に適した活性状態になっている。
めっき層は、亜鉛系めっき層が代表的なものである。亜鉛系めっきには、電気亜鉛めっき，溶融亜鉛めっき，合金化溶融亜鉛めっき，溶融Ｚｎ-Ａｌ合金めっき，溶融Ｚｎ-Ａｌ-Ｍｇ合金めっき等がある。めっき前焼鈍時の加熱温度を制御することにより強度低下を引き起こすことなく密着性の良好な亜鉛系めっき層が形成されるため、高強度電縫鋼管の素材として好適なめっき鋼帯が製造される。

〔造管工程〕
再結晶温度以下で焼鈍した冷延鋼帯は、強度の低下がなく、そのまま所定幅に裁断され、連続造管ラインに送られる。造管ラインでは、鋼帯をオープンパイプ形状にロール成形し、板幅方向両端部を連続的に高周波溶接した後、溶接ビードを切削し、溶接ビード切削部表面にＺｎ，Ａｌ，Ｚｎ-Ａｌ合金又はＭｇ-Ａｌ合金ワイヤを用いて連続的に溶射することにより溶接部を補修する。単管の製造では、TIG溶接，MIG溶接，レーザ溶接等、種々の溶接法も採用可能である。

表１の鋼スラブを１２２５℃に加熱し、粗圧延後、表２の仕上げ温度，巻取り温度で板厚：１.４３ｍｍ，２.０ｍｍ，３.３ｍｍの熱延板を製造した。次いで、一次冷間圧延，酸洗，二次冷間圧延を経て板厚：１.０ｍｍの冷延鋼帯とした。板厚：１.４３ｍｍ，２.０ｍｍ，３.３ｍｍの熱延板が板厚：１.０ｍｍの冷延鋼帯になったので、総冷延率はそれぞれ３０％、５０％、７０％と算出される。

冷延鋼帯を連続溶融めっきラインに通板し、還元雰囲気中で焼鈍した後、溶融亜鉛めっき浴に浸漬し引き上げた。溶融亜鉛めっき浴から引き上げられた鋼帯にワイピングガスを吹き付け、めっき付着量を片面当り４５ｇ／ｍ²に調整した。焼鈍温度は、表２に示すように最低５００℃，最高７８０℃の間で変化させた。

溶融亜鉛めっき鋼帯から切り出した試験片を引張試験に供した。引張試験では圧延方向と平行にサンプリングしたJIS５号試験片を用い、０.２％耐力，引張強さを測定し、ビッカース硬度も測定した。強度評価については、引張り特性値が７００Ｎを超える鋼帯を○，７００Ｎに達しない鋼帯を×と評価した。また、溶融めっき鋼帯の各部板厚を測定し、板厚偏差が±５０μｍ以内に収まっているものを板厚精度良好(○)，±５０μｍを超える板厚偏差が生じているものを板厚精度不良(×)と評価した。更に、スケールの押込み疵やめっきの色ムラを目視観察し、疵や色ムラの少ないものを○，多いものを×としてめっき性を評価した。

溶融亜鉛めっき鋼帯を所定板幅に裁断した後、連続造管ラインで造管し、板幅方向両端部を高周波溶接した。溶接ビードを切削し、溶接部のみを５８０℃にシームアニールした。そして、溶接ビード切削部表面にＺｎワイヤを用いて溶射し、直径：３８.１ｍｍ，肉厚：１.０ｍｍの電縫鋼管を製造した。
得られた電縫鋼管からサンプリングした試験片を引張試験，腐食試験に供した。引張試験では、JIS 11号試験片を管軸方向に引っ張り、０.２％耐力，引張強さを測定した。腐食試験では、電縫鋼管から切り出した長さ：５０ｍｍの円筒状試験片を用い、試験片の端面及び内面をシールし、JIS Z2731に準拠して塩水を試験片表面に噴霧した。塩水噴霧２４０時間後の試験片表面を目視観察し、局部的な腐食に留まった試験片を耐食性良好(○)，錆が発生した試験片を耐食性不良(×)と評価した。

表３の調査結果にみられるように、本発明範囲内の条件(試験No.１〜８)で製造した鋼材は、７００Ｎ／ｍｍ²以上の電縫鋼管になり、耐食性にも優れていた。
他方、Ｓｉ，Ｍｎを添加した鋼(試験No.１１，１２)を用いた場合、引張り特性は向上するものの、不めっきに起因した赤錆が発生し，耐食性に劣っていた。
成分的には本発明で規定した条件を満足する鋼材を使用した場合でも、製造条件が適正でないと必要特性の電縫鋼管が得られなかった。すなわち、試験No.９は、連続めっきラインにおける焼鈍温度が高い製造条件Ｄであるため必要強度が得られなかった。試験No.１０は、熱間圧延時の巻取り温度が低いため熱延板が高強度化し、総冷延率：３０％以上で冷間圧延できなかったため表面性状，板厚精度に劣っていた。

以上に説明したように、鋼材の成分・組成を特定し、冷間圧延までの製造条件で析出強化．加工強化によって鋼材を高強度化し、めっき前の還元焼鈍で加熱温度を管理することにより、高強度で耐食性に優れためっき鋼帯が得られる。このめっき鋼帯は耐溶接軟化性に優れているので電縫鋼管に造管した場合でも溶接部や溶接熱影響部の強度低下がなく、高強度で耐食性に優れた自動車，自転車等の構造部材，補強部材として使用される。

Claims

Ｃ：０.０５〜０.２０質量％，Ｓｉ：０.０５〜０.６質量％，Ｍｎ：１.５〜２.５質量％，Ｐ：０.０５質量％以下，Ｓ：０.０２質量％以下，Ａｌ：０.００５〜０.１０質量％，Ｔｉ：０.０１〜０.１５質量％，Ｎｂ：０.０１〜０.０５質量％，Ｆｅ：不可避的不純物を除く残部の組成をもち、Ｃ当量＝Ｃ＋1/6Ｍｎ＋1/24Ｓｉで算出されるＣ当量を０.２５〜０.６質量％に調整した鋼材を連続鋳造し、
仕上げ温度：Ａr₃変態点以上，巻取り温度：６００〜４５０℃で熱間圧延し、
得られた冷延用素材を酸洗前に一次冷延率：１〜２０％で冷間圧延し、
酸洗後に二次冷延率：１〜７５％，総冷延率：３０％以上で冷間圧延し、
得られた冷延鋼帯を連続めっきラインに通板し、再結晶温度未満の加熱温度域：５００〜６００℃で還元焼鈍した後、めっき浴に導入して引き上げることによりめっき層を鋼板表面に形成させ、
得られためっき鋼帯を所定板幅に裁断して、板幅方向両端部を溶接した電縫鋼管とし、
溶接ビードを切削除去した後、溶接ビード切削部表面にＺｎ，Ａｌ，Ｚｎ‐Ａｌ合金又はＭｇ‐Ａｌ合金ワイヤを用いて連続的に溶射し溶接部を補修することを特徴とする表面性状，耐食性に優れた７００Ｎ級以上の高強度電縫鋼管の製造方法。