JP5640792B2 - 圧潰強度に優れた高靱性uoe鋼管及びその製造方法 - Google Patents
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ここで、EL:鋼板(すなわち鋼管素材)の圧延垂直方向の降伏伸び (%)、 t:管厚(mm)、D:鋼管外径(mm)、EO: Oプレス圧縮率 (%)、 EE: 拡管率 (%)である。
(1) 質量%で、
C: 0.025〜0.060%、
Si: 0.01〜0.50%、
Mn: 1.00〜1.80%、
Al: 0.08%以下、
Nb: 0.005〜0.060%、
Ti: 0.005〜0.040%、
N: 0.0010〜0.0100%、
を含有し、さらに、
Cu: 0.10〜0.80%、
Ni: 0.10〜1.50%、
Cr: 0.05〜0.40%、
Mo: 0.05〜0.40%、
V: 0.005〜0.080%、
の中から選ばれる1種以上を含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなり、金属組織のフェライト相とベイナイト相の合計が体積分率で80%以上であり、フェライトの平均結晶粒径が20μm以下、フェライトとベイナイトのビッカース硬さの差が40〜140である鋼板を素材とするUOE鋼管であって、鋼管の周方向の降伏伸びが0.5%以上であることを特徴とする圧潰強度に優れた高靱性UOE鋼管。
Ca: 0.0005〜0.0100%、
Mg: 0.0005〜0.0100%、
REM: 0.0005〜0.0200%、
Zr: 0.0005〜0.0300%、
の中から選ばれる1種以上を含有することを特徴とする(1)に記載の圧潰強度に優れた高靱性UOE鋼管。
(4)鋼を900〜1150℃に加熱し、その後900℃以下の温度域での累積圧下率が50%以上、圧延終了温度がAr3−30℃〜Ar3+50℃の範囲内の温度となる熱間圧延を行った後、Ar3以下の温度から冷却速度5〜50℃/sで400〜600℃の範囲内の温度まで冷却を行い、その後室温まで空冷し、得られた鋼板をU曲げ、O成形の順に筒状に成形加工し、その突合せ部を溶接した後、拡管を行うことを特徴とする(3)に記載の圧潰強度に優れた高靱性UOE鋼管の製造方法。
本発明に係る圧潰強度に優れた高靱性UOE鋼管の成分組成、UOE鋼管のミクロ組織、機械的特性を規定する。
以下の成分組成の説明において%で示す単位は全て質量%とする。
C:0.025〜0.060%とする。Cは焼き入れ性を高め強度確保に重要な元素であるが、0.025%未満では十分な強度が確保できないほか、フェライトとベイナイトとの間に所定以上の硬度差を確保することができないおそれがある。また、0.060%を超える添加は、ベイナイト組織の硬さを過度に上げてしまい鋼板の、及び溶接鋼管の周方向の、応力−ひずみ曲線の形をラウンドハウス型にしてしまうため、また、フェライトとベイナイトとの硬度差が所定値を超えるおそれがあるため、C含有量を0.025〜0.060%に規定する。より好ましくは、0.030〜0.050%である。
Si:0.01〜0.50%とする。Siは脱酸のため添加するが、0.01%未満では脱酸効果が十分でなく、0.50%を超えると島状マルテンサイト(以下MAとも称する)の体積分率の増加や溶接性劣化が起こるため、Si含有量を0.01〜0.50%に規定する。好適には、0.01〜0.25%であり、さらに好適には、0.01〜0.20%である。
Mn:1.00〜1.80%とする。Mnは強度、靱性向上に有効な元素であるが、1.00%未満ではその効果が十分でなく、1.80%を超えると焼き入れ性が高まりMA体積分率の増加、表面硬度の上昇、溶接性劣化、フェライトとベイナイトとの硬度差過大、などを招くため、Mn含有量を1.00〜1.80%に規定する。
Al:0.08%以下とする。Alは脱酸剤として添加されるが、0.08%を超えると鋼の清浄度が低下し、靱性が劣化するため、Al含有量は0.08%以下に規定する。好ましくは、0.01〜0.05%とする。
Nbは制御圧延の効果を高め、組織細粒化により降伏伸びの確保や強度、靱性を向上させる元素である。しかし、0.005%未満では効果がなく、0.060%を超えると溶接熱影響部の靱性が劣化するため、Nbの含有量は、0.005〜0.060%に規定する。
TiはTiNのピンニング効果により加熱時のオーステナイトの粗大化を抑制し、母材や溶接熱影響部のミクロ組織を細粒化するので、母材の降伏伸びを確保するため、また、母材や溶接熱影響部の靱性を改善するために有効な元素である。しかし、0.005%未満では効果が無く、0.040%を超える添加はTiNが粗大化し、逆に溶接熱影響部靱性の劣化を招くため、Tiの含有量は、0.005〜0.040%に規定する。さらに、Ti含有量を0.020%以下にすると、より優れた靱性を示す。
NはTiNのピンニング効果により加熱時のオーステナイトの粗大化を抑制し、母材や溶接熱影響部の靱性を改善するために有効な元素である。しかし、0.0010%未満では効果がなく、0.0100%を超える添加はTiNの粗大化や固溶Nの増大により、逆に溶接熱影響部の靱性の劣化を招くため、Nの含有量は、0.0010〜0.0100%に規定する。さらに、Nを0.0010〜0.0060%にし、Ti/Nを1〜5、さらに好ましくは2〜4とすることで、優れた靱性を示す。
Cuは靱性の改善と強度の上昇に有効な元素である。その効果を得るためには、0.10%以上添加することが好ましいが、過剰に添加すると溶接性の劣化やMA体積分率の増加を招くため、添加する場合は0.80%を上限とすることが好ましい。ここで、MAとは島状マルテンサイト組織を意味する。
Niは靱性の改善と強度の上昇に有効な元素である。その効果を得るためには、0.10%以上添加することが好ましいが、過剰に添加するとコスト的に不利になり、また、溶接熱影響部靱性が劣化するため、添加する場合は1.50%を上限とすることが好ましい。
Crは、Mnと同様に、C量を低くした場合でも十分な強度を得るために有効な元素である。その効果を得るためには、0.05%以上添加することが好ましいが、過剰に添加すると溶接性が劣化やMA体積分率の増加を招くため、添加する場合は0.40%を上限とすることが好ましい。
Moは焼き入れ性を向上し強度上昇に大きく寄与する元素である。しかし、0.05%未満ではその効果が得られず、0.40%を超える添加はMA体積分率の増加や溶接熱影響部靱性の劣化を招くため、Moを添加する場合は、含有量を0.05〜0.40%とすることが好ましい。さらに好適には0.30%以下とすることが好ましい。
Vは強度上昇に寄与する元素である。しかし、0.005%未満では効果がなく、0.080%を超えると溶接熱影響部の靱性が劣化するため、Vを添加する場合は、含有量は0.005〜0.080%に規定することが好ましい。
CaはMnSの形態制御に有効な元素であり、母材靱性の向上に付与する。その効果を得るためには、0.0005%以上添加することが好ましいが、0.0100%を超えて添加するとCaの酸硫化物が過剰に生成し粗大化やクラスタ状になることにより母材靱性を劣化させることから上限を0.0100%とすることが好ましい。
Mgはアルミナクラスタ(Al2O3)を、Al、Mg系酸化物として微細分散させることで母材靱性向上に寄与する元素である。その効果を得るためには、0.0005%以上添加することが好ましいが、0.0100%を越える添加では酸化物の増加により母材靱性の低下が起こるため、添加する場合は0.0100%以下とすることが好ましい。
REMはCaと同様、MnSの形態制御に有効な元素であり、母材靱性の向上に寄与する。その効果を得るためには、0.0005%以上添加することが好ましいが、0.0200%以上の添加は、REMの酸硫化物が過剰に生成し、母材靱性を劣化させるため、添加する場合は0.0200%以下とすることが好ましい。
ZrはCaと同様、MnSの形態制御に有効な元素であり、母材靱性の向上に寄与する。その効果を得るためには、0.0005%以上添加することが好ましいが、0.0300%以上の添加は、Zrの酸硫化物が過剰に生成し、母材靱性を劣化させ、さらにTiNと複合化することにより溶接熱影響部靱性を劣化させるため、添加する場合は0.0300%以下とすることが好ましい。
本発明では、鋼管の金属組織の形態及び体積分率を規定する。金属組織はフェライト相とベイナイト相を主体とする。フェライトは鋼管及び鋼板の引張試験時の降伏伸びを発生させるために必須の組織である。一方で、強度確保のためにはベイナイトやマルテンサイトなどの硬質相を導入する必要があるが、硬質相としてマルテンサイトを用いた場合には所望とするフェライトとの硬さ差を達成することができず、引張試験時に硬質相(マルテンサイト)とフェライトの間に局所的なひずみ集中がおき、十分な降伏伸びが得られないため、本発明では、硬質相としてはベイナイトを用いる。そして、フェライト相とベイナイト相の合計の体積分率を80%以上とすることとした。また、残余の金属組織は、マルテンサイト、MA、パーライトなどが挙げられる。これらの金属組織のうち、マルテンサイトおよびMAは、フェライトの局所的なひずみ集中を助長し、十分な降伏伸びが得られないため、また、パーライトは体積分率が多くなりすぎると強度確保が困難になるため、これら残余の組織はできるだけ少ないことが好ましいが、合計の体積分率で20%以下ならば許容され、10%以下であればさらに好ましい。
フェライトは一般的に粒径が細かいほど降伏伸びが大きくなることが知られている。それをベイナイトとの複相組織にした場合においても同様の傾向があり、本発明のフェライトとベイナイトの硬さの差の範囲においては、フェライト平均粒径を20μm以下にすることで所望の降伏伸びを得ることができる。なお、後述するように、フェライト平均粒径の測定には、圧延方向の任意の断面をナイタールエッチングして光学顕微鏡で撮影した写真の粒界をトレースして、そのトレースした粒の円相当径の平均値を採用することが望ましい。
本発明では、主要な金属組織であるフェライトとベイナイトとの硬さの差を規定する。先に述べた金属組織内の局所的なひずみ集中は、硬質相と軟質相の強度の差が大きいほど大きくなり、ビッカース硬さ差が140を超えると降伏伸びの長さが小さくなるか消失する。また、フェライトの硬さを上昇させることは難しいため、強度の確保のためには硬質相であるベイナイトの強度を一定以上に確保することが重要である。強度確保のために必要なベイナイトの強度を確保するためには、フェライトとベイナイトの硬さ差を40以上にする必要がある。また、フェライトおよびベイナイトのそれぞれの硬さの測定方法については、荷重0.1kgf(0.98N)以下のマイクロビッカース試験機により20点以上を測定し、その平均をとることが好ましい。
本発明では、鋼管の周方向圧縮強度を確保するために、鋼管周方向の引張時の降伏伸びを規定する。引張の降伏伸びが0.5%以上であれば、優れた圧縮降伏応力が確保できるため、下限を0.5%とした。なお、引張時の降伏伸びの測定に用いる試験片は鋼管から切出した後に平滑化などを行なわず予ひずみを与えないものを用いる。引張試験片の形状や管厚方向の試験片採取位置は特には規定しないが、鋼管円形断面を時計にみたて0時を溶接部とした場合に6時になる位置の内表面側から6mm以上の直径の丸捧試験片を採取することが好ましい。
本発明の製造方法に係る発明では、鋼管の周方向の降伏伸びについて所望の量を確保するために必要な鋼板の降伏伸びEL(%)を、鋼管最終形状として管厚t(mm)、鋼管外径D(mm)、UOE鋼管製造工程のOプレス圧縮率EO(%)、拡管工程の拡管率EE(%)との関係で規定する。鋼管の周方向降伏伸びを所望の長さにするためには、UOE造管で周方向に加わるひずみと所望する鋼管の降伏伸びの積算値以上の鋼板の降伏伸びが必要であり、式(1)を満足することが必要である。
熱間圧延に先立ち行う加熱温度は圧延前の初期粒径を決定する因子で、低温ほど最終組織のフェライト粒径が細かくなり降伏伸びが生成しやすくなる。加熱温度が1150℃を超えると結晶粒が粗大化しやすく、最終組織において所望のフェライト粒径が得にくい場合があるため、上限を1150℃とすることが好ましい。また、900℃未満では所望の強度が得にくくなるため、下限を900℃とすることが好ましい。より好ましくは、1000℃から1150℃である。
900℃は未再結晶温度域の上限に相当し、これ以下の温度で熱間圧延を行うと加工を受けたオーステナイトが扁平化し、変態後のフェライト粒が著しく微細化する。この効果を十分に得るためには、50%以上の累積圧下率が好ましい。より好ましくは65%〜85%である。
圧延終了温度は低いほどフェライト組織が微細化する傾向にあり、所望のフェライト粒径を得るためには、Ar3+50℃以下にすることが好ましい。一方で、Ar3を下回る場合には圧延終了温度を下げるほどフェライトの微細化と粗大化の競合温度域を経てフェライトが粗大化する領域になる。この競合温度域の下限がAr3−30℃程度であるため、下限をAr3−30℃とすることが好ましい。
冷却開始温度がAr3を超えるとフェライトが生成しないため、圧延終了温度がAr3以以上の場合には、冷却開始温度は、Ar3以下の温度にすることが好ましい。より好ましくはAr3−80℃〜Ar3の温度である。圧延終了温度がAr3を下回る場合にも、冷却開始温度は、Ar3−80℃を下限とする温度範囲とすることが好ましい。
冷却速度が速いほど強度が上昇するが、硬質相と軟質相の硬度差が大きくなり、所望の降伏伸びを得にくくなるため、上限を50℃/sとすることが好ましい。また、5℃/sを下回ると第2相としてベイナイトが生成しにくくなり、所望の強度が達成できにくくなるため、下限を5℃/sとすることが好ましい。より好ましくは10℃/s〜50℃/sである。冷却速度の測定方法は、冷却開始温度−20℃から鋼板への冷却水の噴射を停止した温度までの1/2t(tは板厚)位置の平均冷却速度であり、測定することが望ましいが、板厚、表面温度および冷却条件などから、伝熱計算により求めてもよい。また、表層硬さ対策などで冷却開始から終了の間に冷却速度を変えることや、途中冷却を中断するなどして冷却速度が一定でない場合も、同様に測定あるいは計算する。
冷却停止温度は、硬質第2相の硬さを決定する重要な因子であり、400℃未満ではベイナイトの硬さが大きくなりすぎて降伏伸びを得にくく、また600℃を超えると所望の強度が得にくくなるため、400〜600℃とすることが好ましい。
一般的に厚肉の高強度UOE鋼管は、0.9〜1.2%程度の範囲の拡管率で造管を行う。一方で、鋼管周方向の圧縮強度を確保するために、拡管率を低減することが効果的であることはよく知られている。圧縮強度を確保する必要のあるUOE鋼管は、通常の範囲の下限、またはそれよりも小さい拡管率の範囲、例えば0.4〜1.0%、で造管される。 本発明では、真円度の確保の観点から下限値を0.50%とする。本発明においては鋼管素材である鋼板の製造方法を規定したことにより圧縮強度を向上させることが可能であるので、従来の手法よりも高い拡管率での製造が可能である。本発明の鋼板を用いることにより、1.25%までの拡管率で所望の圧縮強度特性を得ることができる。より好ましくは、0.75〜1.25%であり、この範囲で拡管することで、優れた真円度を確保することができる。
[Oプレス圧縮率]
一般的に厚肉の高強度UOE鋼管は、0.3〜0.5%程度(圧縮率/拡管率が1/3以上)の範囲のOプレス圧縮率で造管を行う。鋼管周方向の圧縮強度を確保するために、冷間曲げ時に鋼板に付与される圧縮率を高くすることが効果的であることはよく知られている。本発明では、鋼管素材の降伏伸びを制御して鋼管の圧縮強度を確保するため、通常程度の圧縮率で圧縮強度を向上させることが可能であるので、従来の手法よりも低い圧縮率での製造が可能である。本発明の鋼板を用いることにより、拡管率の1/4以上の圧縮率であれば所望の圧縮強度特性が得られる。
Claims (5)
- 質量%で、
C: 0.025〜0.060%、
Si: 0.01〜0.50%、
Mn: 1.00〜1.80%、
Al: 0.08%以下、
Nb: 0.005〜0.060%、
Ti: 0.005〜0.040%、
N: 0.0010〜0.0100%、
を含有し、さらに、
Cu: 0.10〜0.80%、
Ni: 0.10〜1.50%、
Cr: 0.05〜0.40%、
Mo: 0.05〜0.40%、
V: 0.005〜0.080%、
の中から選ばれる1種以上を含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなり、金属組織のフェライト相とベイナイト相の合計が体積分率で80%以上であり、フェライトの平均結晶粒径が20μm以下、フェライトとベイナイトとのビッカース硬さの差が40〜140である鋼板を素材とするUOE鋼管であって、鋼管の周方向の降伏伸びが0.5%以上であることを特徴とする、圧潰強度に優れた高靱性UOE鋼管。 - 前記鋼板が、さらに、質量%で、
Ca: 0.0005〜0.0100%、
Mg: 0.0005〜0.0100%、
REM: 0.0005〜0.0200%、
Zr: 0.0005〜0.0300%、
の中から選ばれる1種以上を含有することを特徴とする、請求項1に記載の圧潰強度に優れた高靱性UOE鋼管。 - 請求項1または2に記載の鋼板をU曲げ、Oプレスの順に筒状に成形加工し、その突合せ部を溶接した後、拡管を行うUOE鋼管を製造する方法において、前記鋼板の圧延垂直方向の降伏伸びをEL(%)とした場合、式(1)を満たす管厚:t(mm)、鋼管外径:D(mm)、Oプレス圧縮率:EO(%)、拡管率:EE (=0.50〜1.25)(%)で製造することを特徴とする、鋼管の周方向の降伏伸びが0.5%以上であり、圧潰強度に優れた高靱性UOE鋼管の製造方法。
EL≧50t/D+EO+EE+0.5% 式(1) - 鋼を900〜1150℃に加熱し、その後900℃以下の温度域での累積圧下率が50%以上、圧延終了温度がAr3−30℃〜Ar3+50℃の範囲内の温度となる熱間圧延を行った後、Ar3以下の温度から冷却速度5〜50℃/sで400〜600℃の範囲内の温度まで冷却を行い、その後室温まで空冷し、得られた鋼板をU曲げ、O成形の順に筒状に成形加工し、その突合せ部を溶接した後、拡管を行うことを特徴とする、請求項3に記載の鋼管の周方向の降伏伸びが0.5%以上であり、圧潰強度に優れた高靱性UOE鋼管の製造方法。
- Oプレス圧縮率が拡管率の1/4以上であることを特徴とする、請求項4に記載の鋼管の周方向の降伏伸びが0.5%以上であり、圧潰強度に優れた高靱性UOE鋼管の製造方法。
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