JP5516659B2 - 中温域の長期耐軟化性に優れた高強度電縫鋼管及びその製造方法 - Google Patents
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Description
Larson-Millerパラメータ=(T+273)×(C+logt)
(ここで、T:温度(℃)、t:時間(h)、C:定数=20)
で定義される。
また、本発明者らは、電縫溶接部中の5μm以上の粗大な介在物の減少が、中温域の長期耐軟化性の向上に有効であること、そのためには、電縫溶接時の開先形状を特定な開先形状とすることが有効であることを見出した。
質量%で、0.05%C−0.2%Si−1.7%Mn−0.03%Al−0.05%Nb−0.05%V−0.02%Ti−0.0015%Ca−0.20%Crを含有する組成の鋼素材(連鋳製スラブ:肉厚250mm)を、加熱温度:1250℃で120min間加熱・均熱したのち、粗圧延と、未再結晶温度以下での熱間圧延率:50%、仕上げ圧延終了温度:810℃に調整された仕上圧延と、からなる熱間圧延を施し、板厚19.1mmの熱延鋼帯とした。仕上圧延終了後直ちに、熱延鋼帯には熱延ランアウトテーブル上で、板厚中央部の温度で780〜620℃の温度域を平均冷却速度:28℃/sで冷却停止温度:500℃まで冷却し、巻取温度:500℃で、コイル状に巻き取った。巻き取られた熱延鋼帯には、さらに、350〜480℃の温度域での滞留時間を0.5〜90hに変化させる熱履歴を施した。
得られた電縫鋼管から試験材を採取し、400℃×2340hの熱処理を施した。該熱処理を施された試験材および該熱処理なしの試験材の母材部から、管円周方向が引張方向となるようにASTM E8丸棒試験片(平行部:6.35mmφ、GL:25.4mm)を採取した。母材部は、電縫溶接部より180°位置とした。なお、試験片の採取に際しては鋼管の偏平は行わなかった。
得られた降伏強さYSから、熱処理前後のYSの低下量ΔYSを算出した。得られた結果を図1に、ΔYSと350〜480℃の温度域での滞留時間との関係で示す。
図1から、350〜480℃の温度域での滞留時間を2〜20hの範囲に調整することにより、ΔYSが60MPa未満となり、長期耐軟化性が向上することがわかる。
図2から、円相当径5μm以上の介在物中に含まれるSi、Mn、Al、Ca、Crの合計量が、49質量ppm以下である場合に、ΔYSが60MPa未満となり、電縫溶接部の長期耐軟化性が向上することがわかる。なお、円相当径5μm以上の介在物中に含まれるSi、Mn、Al、Ca、Crの合計量は、オープン管の突合せ部断面にテーパ開先を付与することによっても低減するという知見も得ている。
(1)高強度電縫鋼管であって、質量%で、C:0.025〜0.084%、Si:0.10〜0.30%、Mn:0.70〜1.90%、P:0.018%以下、S:0.0029%以下、Al:0.01〜0.10%、Nb:0.001〜0.070%、V:0.001〜0.065%、Ti:0.001〜0.033%、Ca:0.0001〜0.0035%、N:0.0050%以下、O:0.0030%以下を含み、かつ次(1)式
Pcm=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B‥(1)
(ここで、C、Si、Mn、Cu、Ni、Cr、Mo、V、B:各元素の含有量(質量%))
で定義されるPcmが0.20以下を満足するように含有し、残部Fe及び不可避的不純物からなる組成と、体積率で90%以上の擬ポリゴナルフェライト相を主相とし、残部が擬ポリゴナルフェライト相以外の硬質相からなり、前記擬ポリゴナルフェライト相の平均粒径が10μm以下である母材部組織と、体積率で90%以上の擬ポリゴナルフェライト相を主相とし、残部が擬ポリゴナルフェライト相以外の硬質相からなり、前記擬ポリゴナルフェライト相の平均粒径が10μm以下である電縫溶接部組織とからなる組織と、を有し、降伏強さYS:450MPa以上で、中温域の長期耐軟化性に優れることを特徴とする高強度電縫鋼管。
(2)(1)において、前記組成に加えてさらに、質量%で、Cu:0.001〜0.350%、Ni:0.001〜0.350%、Mo:0.001〜0.350%、Cr:0.001〜0.350%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高強度電縫鋼管。
(3)(1)または(2)において、前記電縫溶接部に存在する、円相当径5μm以上の介在物中に含まれるSi、Mn、Al、Ca、Crの含有量合計が49質量ppm以下であることを特徴とする高強度電縫鋼管。
(4)熱延鋼帯を、連続的にロール成形して略円形断面のオープン管としたのち、該オープン管の突合せ部近傍を融点以上に加熱しスクイズロールで圧接する電縫溶接を行なって、電縫溶接部を有する電縫鋼管としついで、該電縫鋼管にオンラインでの熱処理を施す電縫鋼管の製造方法であって、前記熱延鋼帯を、質量%で、C:0.025〜0.084%、Si:0.10〜0.30%、Mn:0.70〜1.90%、P:0.018%以下、S:0.0029%以下、Al:0.01〜0.10%、Nb:0.001〜0.070%、V:0.001〜0.065%、Ti:0.001〜0.033%、Ca:0.0001〜0.0035%、N:0.0050%以下、O:0.0030%以下を含み、かつ次(1)式
Pcm=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B‥(1)
(ここで、C、Si、Mn、Cu、Ni、Cr、Mo、V、B:各元素の含有量(質量%))
で定義されるPcmが0.20以下を満足するように含有し、残部Fe及び不可避的不純物からなる組成の鋼素材に、加熱温度:1200℃超1280℃以下で90min以上加熱均熱し、未再結晶温度域での熱間圧延率:20%以上、仕上圧延終了温度:750℃以上とする熱間圧延を施し、該熱間圧延終了後、板厚中央部温度で780〜620℃の温度域での平均冷却速度が7〜299℃/sの範囲となる冷却を620℃以下の冷却停止温度まで施し、巻取温度:595〜475℃で巻取り、ついで、480〜350℃の温度域における累積滞留時間が2〜20hとなるように調整した熱履歴を施されてなる熱延鋼帯とし、前記オンラインでの熱処理を、前記電縫溶接部近傍の肉厚全厚を800℃〜1150℃の範囲内の温度に加熱したのち、肉厚中央部温度で780℃〜620℃の温度域での平均冷却速度が7〜299℃/sの範囲となる冷却を620℃以下の冷却停止温度まで施し、さらに500〜360℃の温度域での累積滞留時間が2〜200sとなるように調整された熱履歴を施す処理とすることによって、体積率で90%以上の擬ポリゴナルフェライト相を主相とし、残部が擬ポリゴナルフェライト相以外の硬質相からなり、前記擬ポリゴナルフェライト相の平均粒径が10μm以下である母材部組織と、体積率で90%以上の擬ポリゴナルフェライト相を主相とし、残部が擬ポリゴナルフェライト相以外の硬質相からなり、前記擬ポリゴナルフェライト相の平均粒径が10μm以下である電縫溶接部組織とからなる組織を得ることを特徴とする降伏強さYS:450MPa以上で、中温域の長期耐軟化性に優れた高強度電縫鋼管の製造方法。
(5)(4)において、前記組成に加えてさらに、質量%で、Cu:0.001〜0.350%、Ni:0.001〜0.350%、Mo:0.001〜0.350%、Cr:0.001〜0.350%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高強度電縫鋼管の製造方法。
(6)(4)または(5)において、前記ロール成形のフィンパス成形において、前記熱延鋼帯の幅方向両端面に、テーパー開始位置と管外面となる表面あるいは管内面となる表面との熱延鋼帯板厚方向の距離が熱延鋼帯板厚の2〜80%となるテーパー開先を付与することを特徴とする高強度電縫鋼管の製造方法。
(7)(4)ないし(6)のいずれかにおいて、前記電縫溶接が、酸素分圧を大気中の酸素分圧に比べて低減した雰囲気で行うことを特徴とする高強度電縫鋼管の製造方法。
(8)(4)ないし(7)のいずれかにおいて、前記電縫溶接部に存在する、円相当径5μm以上の介在物中に含まれるSi、Mn、Al、Ca、Crの含有量合計が49質量ppm以下であることを特徴とする高強度電縫鋼管の製造方法。
C:0.025〜0.084%
Cは、パーライト、擬似パーライト、セメンタイト、ペイナイト、マルテンサイトなどの硬質相形成に寄与し、鋼管強度を増加させる作用を有する。このような効果を得て所望の降伏強さ:YS400MPa以上を確保するためには、0.025%以上の含有を必要とする。一方、0.084%を超えて多量に含有すると、母材部、電縫溶接部における硬質相量が増加し、長期耐軟化特性が低下する。そのため、Cは0.025〜0.084%の範囲に限定した。なお、好ましくは0.030〜0.060%である。上記した作用に加えて、Cは、電縫溶接時に、凝固点降下、気相中O2とのCO形成反応などを通して、電縫溶接部の酸化物形成に影響を及ぼす。
Siは、固溶強化により鋼管の強度増加に寄与する。また、Siは、FeよりもOとの親和力が強く、電縫溶接時にMn酸化物とともに粘度の高い共晶酸化物を形成する。Siが0.10%未満では、共晶酸化物中のMn濃度が上がり、酸化物の融点が溶鋼温度を超えるため、電縫溶接時に、酸化物として電縫溶接部に残存し易くなる。このため、電縫溶接部に存在する、円相当径5μm以上の介在物に含まれるMn量が増加し、Si、Mn、Al、Ca、Crの合計量が49質量ppmを超えるようになる。この結果、電縫溶接部の長期耐軟化特性が低下する。一方、Siが0.30%を超えて過剰に含有すると、電縫溶接時に、共晶酸化物中のSi濃度が上がり、酸化物の融点が溶鋼温度を超え、酸化物としての絶対量が増えるとともに、酸化物として電縫溶接部に残存し易くなる。そのため、電縫溶接部に存在する、円相当径5μm以上の介在物に含まれるSi、Mn量が増加し、Si、Mn、Al、Ca、Crの合計量が49質量ppmを超える。この結果、電縫溶接部の長期耐軟化特性が低下する。このようなことから、Siは0.10〜0.30%の範囲に限定した。なお、好ましくは0.15〜0.25%である。
Mnは、固溶強化と変態組織強化により、鋼管の強度増加に寄与する。また、Mnは、FeよりもOとの親和力が強く、電縫溶接時に、Si酸化物とともに粘度の高い共晶酸化物を形成する。Mnが0.70%未満では、電縫溶接時に、共晶酸化物中のSi濃度が上がり、酸化物の融点が溶鋼温度を超え、酸化物として電縫溶接部に残存し易くなる。そのため、電縫溶接部に存在する、円相当径5μm以上の介在物に含まれるSi、Mn、Al、Ca、Crの合計量が49質量ppmを超える。その結果、電縫溶接部の長期耐軟化特性が低下する。一方、Mnが1.90%を超えて過剰に含有すると、電縫溶接時に、共晶酸化物中のMn濃度が上がり、酸化物の融点が溶鋼温度を超え、酸化物としての絶対量が増え、酸化物として電縫溶接部に残存し易くなる。そのため、電縫溶接部に存在する、円相当径5μm以上の介在物に含まれるSi、Mn、Al、Ca、Crの合計量が49質量ppmを超える。その結果、電縫溶接部の長期耐軟化特性が低下する。また、Mnを1.90%を超えて過剰に含有すると、母材部および電縫溶接部の組織に硬質相が増加し、長期耐軟化性が低下する。
P:0.018%以下
Pは、Mnと共偏析し、母材部および電縫溶接部の長期耐軟化性を低下するため、できるだけ低減することが好ましいが、0.018%以下であれば許容できる。このため、Pは0.018%以下に限定した。なお、過剰な低減は、精錬コストの高騰を招く。製鋼プロセスにおける経済性の観点から0.001%以上とすることが好ましい。
Sは、Mnと結合しMnSを形成して鋼中では介在物として存在し、延性、靭性を低下させるため、できるだけ低減することが望ましい。とくに、0.0029%を超える含有は長期耐軟化特性を低下させる。このため、Sは0.0029%以下に限定した。なお、過剰な低減は、精錬コストの高騰を招く。製鋼プロセスにおける経済性の観点から0.0001%以上とすることが好ましい。
Alは、製鋼段階での脱酸剤として作用する。また、Alは、Nと結合しAINとして析出し、加熱時のγ粒成長を抑制し、鋼の低温靭性の向上に寄与する。このような効果を得るためには0.01%以上の含有を必要とする。Al含有量が0.01%未満では、製鋼段階での脱酸能が確保できず、鋼の清浄度が低下し電縫溶接部に存在する酸化物量が増加し、円相当径5μm以上の介在物に含まれるSi、Mn、Al、Ca、Crの合計量が49ppmを超える。この結果、長期耐軟化特性が低下する。また、AlはSi、MnよりもさらにOとの親和力が強く、2MnO・SiO2(Tephroite)などのMn-Si共晶酸化物に固溶する形で酸化物を形成する。一方、Alが0.35%を超えて過剰に含有すると、電縫溶接時に、共晶酸化物中のAl濃度が上がり、酸化物の融点が溶鋼温度を超えて、酸化物として電縫溶接部に残存し易くなる。このため、電縫溶接部に存在する、介在物中に含まれるSi、Mn、Al量が増加し、円相当径5μm以上の介在物に含まれるSi、Mn、Al、Ca、Crの合計量が49質量ppmを超える。この結果、長期耐軟化性が低下する。このようなことから、Alは0.01〜0.10%の範囲に限定した。なお好ましくは、0.02〜0.08%である。
Nbは、主に炭化物として析出し、析出強化により鋼管強度を増加させる作用を有する。このような効果を得るためには、0.001%以上含有する必要がある。一方、0.065%を超えて含有すると、未固溶の大型Nb炭窒化物が残存し、その結果、長期耐軟化性が低下する。このため、Nbは0.001〜0.070%の範囲に限定した。なお、好ましくは0.051〜0.065%である。
Vは、Nbと同様、主に炭化物として析出し、析出強化により鋼管強度を増加させる作用を有する。このような効果を得るためには、0.001%以上含有する必要がある。一方、0.065%を超えて含有すると、未固溶の大型V炭窒化物が残存し、その結果、長期耐軟化性が低下する。このため、Vは0.001〜0.065%の範囲に限定した。なお、好ましくは0.005〜0.050%である。
Tiは、Nb、Vと同様、主に炭化物として析出し、析出強化により鋼管強度を増加させる作用を有する。このような効果を得るためには、0.001%以上含有する必要がある。一方、0.033%を超えて含有すると、未固溶の大型Ti炭窒化物が残存し、この結果、長期耐軟化性が低下する。このため、Tiは0.001〜0.033%の範囲に限定した。なお、好ましくは0.005〜0.020%である。
Caは、鋼中の硫化物を球状に形態制御する作用を有し、鋼管の電縫溶接部近傍の靭性や耐HIC特性を向上させる効果を有する。このような効果を得るためには0.0001%以上の含有を必要とする。一方、0.0035%を超えて過剰に含有すると、酸化物中のCa濃度が上がり、酸化物の融点が溶鋼温度を超えて、酸化物量が増加するとともに、電縫溶接時には酸化物として電縫溶接部に残存し易くなる。そのため、電縫溶接部に存在する介在物のCa量が増加し、電縫溶接部に存在する円相当径5μm以上の介在物に含まれるSi、Mn、Al、Ca、Crの合計量が49質量ppmを超える。この結果、長期耐軟化性が低下する。このようなことから、Caは0.0001〜0.0035%の範囲に限定した。なお、好ましくは0.0002〜0.0028%である。
Nは、炭窒化物形成元素であるTiと結合し、Ti(N、C)として析出するか、固溶Nとして残存する。N含有量が0.0050%を超えると、Ti(N、C)並びに固溶Nが増加するため、長期耐軟化性が低下する。このため、Nは0.0050%以下に限定した。なお、好ましくは0.0040%以下である。
Oは、鋼中では主として酸化物系介在物として存在し、延性、靭性を低下させる。O含有量が0.0030%を超えると、介在物量が多くなりすぎてとくに長期耐軟化性の低下が著しくなる。このため、Oは0.0030%以下に限定した。
上記した成分が基本の成分であるが、上記した基本の組成に加えてさらに、Cu:0.001〜0.350%、Ni:0.001〜0.350%、Mo:0.001〜0.350%、Cr:0.001〜0.350%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。
Cu:0.001〜0.350%
Cuは、焼入れ性を向上させる元素であり、とくに厚肉材における強度増加のために含有することが望ましい。このような効果を得るためには、0.001%以上含有することが望ましい。一方、0.350%を超えて含有しても、効果が飽和し、含有量に見合う効果が期待できない。このようなことから、含有する場合には、0.001〜0.350%の範囲に限定することが好ましい。なお、好ましくは0.05〜0.290%である。
Niは、Cuと同様に、焼入れ性を向上させる元素であり、とくに厚肉材における強度増加のために含有することが望ましい。このような効果を得るためには、0.001%以上含有することが望ましい。一方、0.350%を超えて含有しても、効果が飽和し、含有量に見合う効果が期待できない。このようなことから、含有する場合には、0.001〜0.350%の範囲に限定することが好ましい。なお、好ましくは0.05〜0.290%である。
Moは、Ni、Cuと同様に、焼入れ性を向上させる元素であり、とくに厚肉材における強度増加のために含有することが望ましい。このような効果を得るためには、0.001%以上含有することが望ましい。一方、0.350%を超えて含有しても、効果が飽和し、含有量に見合う効果が期待できない。このようなことから、含有する場合には、0.001〜0.350%の範囲に限定することが好ましい。なお、好ましくは0.05〜0.290%である。
Crは、焼入れ性を向上させる元素であり、とくに厚肉材における強度増加のために含有することが望ましい。またCrは、Mnと同様、変態強化を介して、鋼管の強度と組織を所望の高強度、組織とすることができる。このような効果を得るためには、0.001%以上含有することが望ましい。また、Crは、FeよりもOとの親和力が強く、0.700%を超えて含有すると、電縫溶接時に、酸化物中のCr濃度が上がり、酸化物の融点が溶鋼温度を超え、酸化物量が増加じ、酸化物として電縫溶接部に残存し易くなる。このため、電縫溶接部に存在する介在物量が増加し、電縫溶接部における円相当径5μm以上の介在物に含まれるSi、Mn、Al、Ca、Crの合計量が49質量ppmを超える。このため、含有する場合には、Crは0.001〜0.700%とすることが好ましい。なおより好ましくは、0.02〜0.290%である。
Pcm=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B‥(1)
(ここで、C、Si、Mn、Cu、Ni、Cr、Mo、V、B:各元素の含有量(質量%))
で定義されるPcmが0.20以下を満足するように調整する。
Pcmが0.20を超えて大きくなると、電縫溶接部を擬ポリゴナルフェライト相を主相とする組織とすることができない。そして、電縫溶接部の長期耐軟化性が低下する。なお、Pcmの下限値は、特に限定しないが、YS:450MPa以上を安定的に確保するためには、0.07以上に調整することが望ましい。
本発明高強度電縫鋼管の母材部および電縫溶接部はともに、体積率で90%以上の擬ポリゴナルフェライト相を主相とし、残部が擬ポリゴナルフェライト相以外の硬質相からなり、擬ポリゴナルフェライト相などの主相の平均粒径が10μm以下である組織を有する。主相以外の第二相は、体積率で10%以下で、パーライト、擬似パーライト、セメンタイト、ベイナイト、マルテンサイトなどの硬質相である。第二相である硬質相が10%を超えて増加すると、強度が増加しすぎて、長期耐軟化性が低下する。
熱延鋼帯を、連続的にロール成形して略円形断面のオープン管としたのち、該オープン管の突合せ部近傍を融点以上に加熱しスクイズロールで圧接する、常用の電縫溶接を行なって、電縫溶接部を有する電縫鋼管とする。
鋼管素材となる熱延鋼帯は、上記した組成の鋼素材を出発素材とする。鋼素材の製造方法はとくに限定する必要はないが、常用の転炉等で溶製し、常用の連続鋳造法でスラブ等とすることが好ましい。
加熱温度:1200℃超1280℃以下、保持時間:90min以上
加熱温度は、母材部の強度、長期耐軟化性に影響を及ぼす。加熱温度が1200℃以下では、Nb、V、Ti等の析出強化元素が再固溶せずに粗大なまま残存するため、所望のYS:450MPa以上の高強度を確保できない。また、粗大な析出物が固溶せずに残存していると、母材部の長期耐軟化性を低下させる。一方、加熱温度が1280℃を超えると、組織が粗大化するため長期耐軟化性が低下する。
加熱均熱された鋼素材は、ついで粗圧延、仕上圧延からなる熱間圧延を施されて、熱延鋼帯とされる。
未再結晶温度域での熱間圧延率:20%以上
未再結晶温度域での熱間圧延率が20%未満では、得られる熱延鋼帯の組織が平均粒径10μmを超えて粗大化し、母材部の長期耐軟化性が低下する。熱間圧延率の上限はとくに限定しないが、圧延機への負荷の観点から95%以下とすることが好ましい。
仕上圧延終了温度が750℃未満では、圧延歪が残留し、その後の冷却によっても、長期耐軟化性が低下する。このため、仕上げ圧延終了温度は750℃以上に限定した。
仕上圧延を終了した熱延鋼帯は、ついで熱延ランナウトテーブル上で冷却される。圧延後冷却は、板厚中央部温度で780〜620℃の温度域での平均冷却速度が7〜299℃/sの範囲となる冷却を620℃以下の冷却停止温度まで施す。
780℃〜620℃の温度域での平均冷却速度が7℃/s未満では、平均粒径が10μm超の粗大なポリゴナルフェライト相が形成され、所望の母材部組織が得られない。このため、所望のYS:450MPa以上の高強度を確保できず、また、長期耐軟化性が低下する。一方、平均冷却速度が299℃/sを超えると、擬ポリゴナルフェライト相の分率が90%を下回り、強度が上昇して、長期耐軟化性が低下する。このようなことから、圧延後冷却を、板厚中央部温度で780〜620℃の温度域での平均冷却速度を7〜299℃/sの範囲の冷却速度を有する冷却とした。
圧延後冷却の冷却停止温度:620℃以下
圧延後冷却は、上記した冷却速度で、620℃以下の温度で冷却を停止する。冷却停止温度が620℃超の温度では、停止温度が高すぎて、所望の擬ポリゴナルフェライトを主相とする組織が得られない。このようなことから、圧延後冷却の冷却停止温度を620℃以下に限定した。なお、好ましくは、595〜475℃である。
巻取温度:595〜475℃
巻取温度が475℃未満では、巻取温度が低くなりすぎて組織がベイナイト相を主体とした組織となり、長期耐軟化性が低下する。このため、巻取温度は475℃以上に限定した。なお、巻取温度が595℃を超えて高温となると、巻取り温度が高すぎて、所望の組織を確保できなくなる。このため、巻取温度は595〜475℃とした。
480〜350℃の温度域における累積滞留時間:2〜20h
480〜350℃の温度域における熱履歴の調整は、所望の特性、とくに母材部における中温域における優れた長期耐軟化性を確保するために重要な要件となっている。板厚中心部温度で、480〜350℃の温度域で所定時間滞留することにより、析出物、転位組織、ミクロ組織等が安定化して、その後の中温域で長時間保持した場合でも、変化が少なくなる。480〜350℃の温度域における累積滞留時間が2h未満では、組織の安定化が不十分で、中温域で長時間保持した場合に、析出物、転位組織、ミクロ組織等が変化して、高温強度が低下し、長期耐軟化性が低下する。一方、480〜350℃の温度域における累積滞留時間が20hを超えて長時間となると、母材部の高温強度が低下する。このようなことから、480〜350℃の温度域での累積滞留時間を2〜20hに限定した。なお、好ましくは3〜12hである。480〜350℃の温度域での累積滞留時間の調整は巻取温度とコイル冷却条件の調整によることが好ましい。なお、480〜350℃の温度域における熱履歴を調整した後は、放冷される。
連続的ロール成形のうちのフィンパス成形において、熱延鋼帯の幅端面(オープン管の突合せ部端面)にテーパ開先を付与することが好ましい。付与するテーパ開先は、テーパ開始位置と管外面となる表面あるいは管内面となる表面との鋼帯肉厚方向の距離が鋼帯肉厚の2〜80%とする開先が好ましい。これにより、電縫溶接部の介在物の排出が促進され、介在物が減少し、電縫溶接部に存在する、円相当径5μm以上の介在物に含まれるSi、Mn、Al、Ca、Crの合計量を約10ppm低下させることができる。なお、テーパー形状は直線に限らず、任意の曲線形状としてもよい。
雰囲気制御の方法としては、例えば電縫溶接する領域を、箱型構造でシーリングし、非酸化性ガスを供給する方法が挙げられる。非酸化性ガスを吹き込む際に、周囲の雰囲気(大気)を巻き込む場合があり、酸素分圧はむしろ上昇する場合がある。そのため、ガス噴射口を3層等の多層構造のノズルとして非酸化性ガスを吹き込むことが好ましい。
この熱処理は、オンラインに設置した、電縫溶接部近傍のみを加熱できる構造の高周波誘導加熱装置を用いることが好ましい。また、冷却は、被冷却材である電縫溶接部の上方に、複数のノズルを接続した冷却ヘッダを複数台設け、冷却速度を調整可能とした冷却装置とすることが好ましい。この熱処理は、電縫溶接部近傍の肉厚全厚を800℃〜1150℃の範囲内の温度に加熱し、肉厚中央部温度で780℃〜620℃の温度域での平均冷却速度が7〜299℃/sの範囲となる冷却を620℃以下の冷却停止温度まで施し、さらに肉厚中心部温度で500〜360℃の温度域での累積滞留時間が2〜200sとなるように調整された熱履歴を施す処理とする。なお、500〜360℃の温度域での累積滞留時間を上記した範囲内とするためには、この温度域を徐冷するか、500〜360℃の範囲に加熱する処理(焼戻処理)を行うことが好ましい。
加熱後の冷却において、肉厚中央部温度で780℃〜620℃の温度域の平均冷却速度が7℃/s未満では、電縫溶接部組織が粗大化し、粗大なポリゴナルフェライトを主相とする組織となるため、降伏強さYS:450MPa以上の高強度を確保できず、また長期耐軟化性も低下する。一方、229℃/sを超えると、擬ポリゴナルフェライトの分率が90%を下回り、強度が上昇し、長期耐軟化性が低下する。
また、電縫溶接部の中温域での長期耐軟化性は、電縫溶接後のオンラインでの熱処理における500〜360℃の温度域での熱履歴を制御することにより、析出物、転位密度、ミクロ組織等が安定化し、優れた特性を発現させることができる。500〜360℃の温度域での累積滞留時間が、2s未満では、中温域で長時間保持した場合に、析出物、転位組織、ミクロ組織等が変化して、高温強度が低下し、長期耐軟化性が低下する。一方、200sを超えて長くなると、電縫溶接部の高温強度が低下する。このようなことから、500〜360℃の温度域での累積滞留時間を2〜200sに限定した。なお、好ましくは3〜120sである。
表1に示す組成の鋼素材(スラブ:肉厚250mm)を、表2に示す加熱温度:1230℃で110min加熱したのち、粗圧延と、未再結晶温度以下での熱間圧延率と仕上げ圧延終了温度が表2に示す条件に調整された仕上圧延と、からなる熱間圧延を施し、板厚19.1mmの熱延鋼帯とした。なお、鋼素材は、転炉で表1に示す組成の溶鋼を溶製し、連続鋳造法で肉厚250mmのスラブとしたものを用いた。
得られた熱延鋼帯を鋼管素材として、所定の幅にスリッティングし、連続的にロール成形して略円形断面のオープン管としたのち、該オープン管の突合せ部近傍を融点以上に加熱しスクイズロールで圧接する電縫溶接を行って電縫鋼管(外径609.6mmφ)とした。
(1)組織観察
得られた電縫鋼管の母材部から、組織観察用試験片を採取し、円周方向断面(C断面)を研磨し、腐食して、走査型電子顕微鏡(倍率:1000倍)で組織を観察し、撮像して、組織の同定を行い、さらに画像解析により、組織分率、および平均粒径を求めた。なお、平均粒径は、画像解析により各粒の面積を測定し、円相当径を求め、算術平均して算術した。ここで、ベイナイト相の場合には同一方位の領域寸法(パケットサイズ)を粒径として測定した。
(2)電縫溶接部の介在物分析
得られた電縫鋼管の電縫溶接部から、電縫溶接部中央を中心に幅:2mmの板状試験片〈幅:2mm×厚さ:全厚×長さ:全厚〉を採取した。この板状サンプルを電解液(10%AA液)中で電解抽出し、得られた抽出残渣をフィルターメッシュ(穴径:5μm)で捕集し、ICP発光分析法により、残渣中に含まれるSi、Mn、Al、Ca量(質量ppm)をそれぞれ求め、それらの合計量を算出し、円相当径5μm以上の介在物中に含まれるSi、Mn、Al、Ca量の合計量(質量ppm)とした。
(3)引張試験
得られた電縫鋼管の母材部および電縫溶接部からそれぞれ、管円周方向が引張方向となるようにASTM E8丸棒試験片(平行部:6.35mmφ、GL:25.4mm)を採取した。母材部は、電縫溶接部より180°位置とした。また、電縫溶接部の丸棒試験片は、平行部中央にシームが位置するように採取した。なお、試験片の採取に際しては鋼管の偏平は行わなかった。
(4)高温引張試験
得られた電縫鋼管から試験材を採取し、400℃×2340hの熱処理を施した。該熱処理を施された試験材、および該熱処理なしの試験材から、母材部および電縫溶接部からそれぞれ、管円周方向が引張方向となるようにASTM E8丸棒試験片(平行部:6.35mmφ、GL:25.4mm)を採取した。母材部は、電縫溶接部より180°位置とした。また、電縫溶接部の丸棒試験片は、平行部中央にシームが位置するように採取した。なお、試験片の採取に際しては鋼管の偏平は行わなかった。
得られた降伏強さYSから、母材部および電縫溶接部についてそれぞれ熱処理前後のYSの低下量ΔYSを算出し、母材部および電縫溶接部の長期耐軟化性を評価した。ΔYSが60MPa未満である場合を「長期耐軟化性に優れる」と評価した。
(5)クリープ試験
得られた電縫鋼管の、母材部および電縫溶接部から、管円周方向が試験片長手方向となるように、鍔つき試験片(平行部:6mmφ、GL:30mm)を採取した。なお、母材部は、電縫溶接部より180°位置とした。また、電縫溶接部試験片は、平行部中央にシームが位置するように採取した。
得られた結果を表3に示す。
一方、C、Mn、Nb、V、Tiのいずれかが,本発明範囲を低く外れる比較例(鋼管No.6、No.10、No.16、No.18、No.20)は、母材部、電縫溶接部ともに組織がより軟質なポリゴナルフェライトとなり、YSが450MPa未満と所望の高強度が得られない。また、C、Mn、Nb、V、Tiのいずれかが,本発明範囲よりも高く外れる比較例(鋼管No.7、No.11、No.17、No.19、No.21)は、母材部、電縫溶接部がともに、ΔYS:60MPa以上であり長期耐軟化性が低下し、σcreep/YSRTが0.80未満でありクリープ破断特性が低下している。
(実施例2)
表1に示す鋼A〜鋼Eの組成を有する鋼素材(スラブ:肉厚250mm)を、表4に示す加熱条件で加熱・均熱したのち、粗圧延と、表4に示す条件の仕上圧延とを施し、ついで、表4に示す条件の圧延後冷却を施し、表4に示す巻取温度でコイル状に巻き取り、熱延鋼帯とした。巻き取られた熱延鋼帯には、巻取温度とコイル冷却条件の調整により、350〜480℃の温度域での滞留時間を表4に示す時間に調整する熱履歴を施した。
なお、一部では、ロール成形におけるフィンパス成形で熱延鋼帯の幅方向両端面に、テーパ開先を付与した。付与されたテーパ開先は、熱延鋼帯の幅方向端面に、管外面となる表面とテーパー開始位置との距離が熱延鋼帯板厚の20%、管内面となる表面とテーパー開始位置との距離が熱延鋼帯板厚の20%となる形状、外面側20%−内面側20%、とした。
ついで、得られた電縫鋼管の電縫溶接部にオンラインで、実施例1と同じ高周波誘導加熱装置を用いて表4に示す条件で加熱したのち、実施例1と同じ冷却装置を用いて、表4に示す条件で冷却し、その後、500〜360℃の温度域での冷却速度および500〜360℃の温度域に加熱する焼戻処理より、500〜360℃の温度域での累積滞留時間を表4に示す条件となるように調整する処理を行い、製品鋼管とした。
得られた結果を表5に示す。
また、スラブ加熱温度が本発明好適範囲を高く外れる比較例(鋼管No.28)は、母材部の平均粒径が10μmを超え所望の組織を確保できず、ΔYSが60MPa以上となり長期耐軟化性が低下し、σcreep/YSRTが0.80未満とクリープ破断特性も低下している。また、スラブ加熱温度が本発明好適範囲を低く外れる比較例(鋼管No. 29)は、母材部および電縫溶接部の引張強さTSが450MPa未満と所望の高強度を確保できていないうえ、長期耐軟化性が低下し、クリープ破断特性も低下している。また、スラブ加熱時の保持時間が本発明好適範囲を低く外れる比較例(鋼管No.30)は、Nb析出物が粗大なまま残存し、母材部および電縫溶接部における長期耐軟化性が低下し、クリープ破断特性も低下している。また、未再結晶温度以下の熱間圧延率が本発明好適範囲を低く外れる比較例(鋼管No. 31)は、母材部の平均粒径が10μmを超え所望の組織を確保できず、ΔYSが60MPa以上となり長期耐軟化特性が低下し、σcreep/YSRTが0.80未満とクリープ破断特性も低下している。
Claims (8)
- 高強度電縫鋼管であって、質量%で、
C:0.025〜0.084%、 Si:0.10〜0.30%、
Mn:0.70〜1.90%、 P:0.018%以下、
S:0.0029%以下、 Al:0.01〜0.10%、
Nb:0.001〜0.070%、 V:0.001〜0.065%、
Ti:0.001〜0.033%、 Ca:0.0001〜0.0035%、
N:0.0050%以下、 O:0.0030%以下
を含み、かつ下記(1)式で定義されるPcmが0.20以下を満足するように含有し、残部Fe及び不可避的不純物からなる組成と、体積率で90%以上の擬ポリゴナルフェライト相を主相とし、残部が擬ポリゴナルフェライト相以外の硬質相からなり、前記擬ポリゴナルフェライト相の平均粒径が10μm以下である母材部組織と、体積率で90%以上の擬ポリゴナルフェライト相を主相とし、残部が擬ポリゴナルフェライト相以外の硬質相からなり、前記擬ポリゴナルフェライト相の平均粒径が10μm以下である電縫溶接部組織とからなる組織と、を有し、降伏強さYS:450MPa以上で、中温域の長期耐軟化性に優れることを特徴とする高強度電縫鋼管。
記
Pcm=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B‥‥(1)
ここで、C、Si、Mn、Cu、Ni、Cr、Mo、V、B:各元素の含有量(質量%) - 前記組成に加えてさらに、質量%で、Cu:0.001〜0.350%、Ni:0.001〜0.350%、Mo:0.001〜0.350%、Cr:0.001〜0.350%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に記載の高強度電縫鋼管。
- 前記電縫溶接部に存在する、円相当径5μm以上の介在物中に含まれるSi、Mn、Al、Ca、Crの含有量合計が49質量ppm以下であることを特徴とする請求項1または2に記載の高強度電縫鋼管。
- 熱延鋼帯を、連続的にロール成形して略円形断面のオープン管としたのち、該オープン管の突合せ部近傍を融点以上に加熱しスクイズロールで圧接する電縫溶接を行なって、電縫溶接部を有する電縫鋼管としついで、該電縫鋼管にオンラインでの熱処理を施す電縫鋼管の製造方法であって、前記熱延鋼帯を、質量%で、
C:0.025〜0.084%、 Si:0.10〜0.30%、
Mn:0.70〜1.90%、 P:0.018%以下、
S:0.0029%以下、 Al:0.01〜0.10%、
Nb:0.001〜0.070%、 V:0.001〜0.065%、
Ti:0.001〜0.033%、 Ca:0.0001〜0.0035%、
N:0.0050%以下、 O:0.0030%以下
を含み、かつ下記(1)式で定義されるPcmが0.20以下を満足するように含有し、残部Fe及び不可避的不純物からなる組成の鋼素材に、加熱温度:1200℃超1280℃以下で90min以上加熱均熱し、未再結晶温度域での熱間圧延率:20%以上、仕上圧延終了温度:750℃以上とする熱間圧延を施し、該熱間圧延終了後、板厚中央部温度で780〜620℃の温度域での平均冷却速度が7〜299℃/sの範囲となる冷却を620℃以下の冷却停止温度まで施し、巻取温度:595〜475℃で巻取り、ついで、480〜350℃の温度域における累積滞留時間が2〜20hとなるように調整した熱履歴を施されてなる熱延鋼帯とし、前記オンラインでの熱処理を、前記電縫溶接部近傍の肉厚全厚を800℃〜1150℃の範囲内の温度に加熱したのち、肉厚中央部温度で780℃〜620℃の温度域での平均冷却速度が7〜299℃/sの範囲となる冷却を620℃以下の冷却停止温度まで施し、さらに500〜360℃の温度域での累積滞留時間が2〜200sとなるように調整された熱履歴を施す処理とすることによって、体積率で90%以上の擬ポリゴナルフェライト相を主相とし、残部が擬ポリゴナルフェライト相以外の硬質相からなり、前記擬ポリゴナルフェライト相の平均粒径が10μm以下である母材部組織と、体積率で90%以上の擬ポリゴナルフェライト相を主相とし、残部が擬ポリゴナルフェライト相以外の硬質相からなり、前記擬ポリゴナルフェライト相の平均粒径が10μm以下である電縫溶接部組織とからなる組織を得ることを特徴とする降伏強さYS:450MPa以上で、中温域の長期耐軟化性に優れた高強度電縫鋼管の製造方法。
記
Pcm=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B‥‥(1)
ここで、C、Si、Mn、Cu、Ni、Cr、Mo、V、B:各元素の含有量(質量%) - 前記組成に加えてさらに、質量%で、Cu:0.001〜0.350%、Ni:0.001〜0.350%、Mo:0.001〜0.350%、Cr:0.001〜0.350%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4に記載の高強度電縫鋼管の製造方法。
- 前記ロール成形のフィンパス成形において、前記熱延鋼帯の幅方向両端面に、テーパー開始位置と管外面となる表面あるいは管内面となる表面との熱延鋼帯板厚方向の距離が熱延鋼帯板厚の2〜80%となるテーパー開先を付与することを特徴とする請求項4または5に記載の高強度電縫鋼管の製造方法。
- 前記電縫溶接が、酸素分圧を大気中の酸素分圧に比べて低減した雰囲気中で行うことを特徴とする請求項4ないし6のいずれかに記載の高強度電縫鋼管の製造方法。
- 前記電縫溶接部に存在する、円相当径5μm以上の介在物中に含まれるSi、Mn、Al、Caの含有量合計が49質量ppm以下であることを特徴とする請求項4ないし7のいずれかに記載の高強度電縫鋼管の製造方法。
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