JP6292366B1 - 継目無鋼管およびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

化学組成が、質量％で、C：0.10〜0.20％、Si：0.05〜1.0％、Mn：0.05〜1.2％、P≦0.025％、S≦0.005％、Cu≦0.20％、N≦0.007％、Ni：0.20〜0.50％、Cr：0.30％以上0.50％未満、Mo：0.30〜0.50％、Nb：0.01〜0.05％、Al：0.001〜0.10％、B：0.0005〜0.0020％、Ti：0.003〜0.050％、V：0.01〜0.20％、Ca、MgおよびREMのいずれか1種以上の合計：0〜0.025％、残部：Feおよび不純物であり、Pcm（=C+(Si/30)+(Mn/20)+(Cu/20)+(Ni/60)+(Cr/20)+(Mo/15)+(V/10)+5B）≦0.30であり、金属組織が、面積％で、焼戻しマルテンサイト≧９０％であり、引張強度≧980MPa、2mmVノッチ試験片を用いた−40℃でのシャルピー衝撃値≧75Ｊ／cm2である、継目無鋼管。

Description

本発明は、継目無鋼管およびその製造方法に関する。
機械構造部材のうちで円筒形のものには、従来、棒鋼に鍛造または延伸圧延を施して、あるいはさらに切削加工を施して所望の形状とした後に、熱処理が施され、機械構造部材に必要な機械的性質が付与されることが多かった。
しかしながら、近年、機械構造物の大型化および高耐力化の傾向を受けて、円筒形の機械構造部材を中空の継目無鋼管に置き換えることで軽量化が図られている。特に、クレーンのブームに用いられる鋼管には、高層建築のためのクレーンの大型化に加えて、寒冷地で作業する必要性等があるため、高強度化とともに高靱性化が求められる。具体的には、最近、クレーンブームへの用途として、９８０ＭＰａ以上の引張強度を有し、かつ−４０℃という低温で優れた靱性を有する継目無鋼管も要求されるようになってきた。
高強度かつ高靱性の継目無鋼管およびその製造方法に関して、様々な技術が開示されている。
例えば、特許文献１には、高価な合金鋼を添加することなしに、オンライン加工熱処理によって、靱性に優れた高強度継目無鋼管を製造することが可能な方法が開示されている。
特許文献２には、引張強度が９５０ＭＰａ以上、降伏強度が８５０ＭＰａ以上、かつ−４０℃でのシャルピー吸収エネルギーが６０Ｊ以上である継目無鋼管とその製造方法が開示されている。
特許文献３には、引張強度が９５０ＭＰａ以上、降伏強度が８５０ＭＰａ以上、かつ−４０℃でのシャルピー吸収エネルギーが６０Ｊ以上であり、肉厚が３０ｍｍ超である継目無鋼管とその製造方法が開示されている。
特開２００１−２４０９１３号公報 国際公開第２０１０／０６１８８２号 特開２０１２−１９３４０４号公報
特許文献１で開示される高強度継目無鋼管は、引張強さが最大でも８９９ＭＰａであり、クレーンブーム用として強度が十分とはいえない。
一方、特許文献２で開示される継目無鋼管は、引張強度９５０ＭＰａ以上および降伏強度８５０ＭＰａ以上の高強度を有し、かつ低温での靱性にも優れ、しかも、溶接施工後の特性に関しても満足のできる水準である。また、特許文献３で開示される継目無鋼管は、肉厚が３０ｍｍを超える厚肉の場合にも、引張強度９５０ＭＰａ以上および降伏強度８５０ＭＰａ以上の高強度を有し、かつ低温での靱性にも優れる。
ここで、クレーンブーム用途では、鋼管には、高強度および高靱性に加えて、高い溶接性も要求される。溶接性の評価の目安としては、下記［Ａ］式で表されるＰｃｍ（溶接割れ感受性組成（％））がよく知られている。
Ｐｃｍ＝Ｃ＋（Ｓｉ／３０）＋（Ｍｎ／２０）＋（Ｃｕ／２０）＋（Ｎｉ／６０）＋（Ｃｒ／２０）＋（Ｍｏ／１５）＋（Ｖ／１０）＋５Ｂ ・・・［Ａ］
但し、［Ａ］式中の元素記号は、各元素の鋼中含有量（質量％）を意味し、含有されない場合はゼロとする。
一般に、Ｐｃｍが大きいと溶接部の低温割れが発生しやすい。そのため、Ｐｃｍは、実際の溶接において、予熱温度の管理の指標として使用されることが多い。
さらに、最近は、溶接施工の煩雑さを避けるため、予熱の省略または、できるだけ低温の予熱を指向する傾向にある。そのため、クレーンブーム用継目無鋼管製品において、Ｐｃｍが溶接性の単なる目安としてではなく、その値が所定値以下であること（具体的には、例えばＰｃｍ≦０．３０）が、スペックとして要求される場合も生じてきた。この場合、Ｐｃｍ＞０．３０である製品は、仮にその製品の溶接性を実際に評価すれば実用上全く問題ないものであったとしても、そのような実際の評価に進む以前にＰｃｍの値をもって不採用とされてしまう。
特許文献２で開示される継目無鋼管は、ＣｒおよびＭｏを高い値で含むことになる。そのため、Ｐｃｍで０．３０以下という厳しい要求に対して満足できないことも想定される。
また、特許文献３で開示される継目無鋼管も、ＣｒおよびＭｏを高い値で含むので、Ｐｃｍで０．３０以下という厳しい要求に対して満足できないことも想定される。さらに、該継目無鋼管の製造方法は、低合金鋼を熱間で製管した後、焼入れと焼戻しとを２回以上行うものである。このため、生産性の点で不利になり、エネルギーコストが嵩むことが想定される。
本発明は、引張強度が９８０ＭＰａ以上で、２ｍｍＶノッチシャルピー試験片を用いた−４０℃での衝撃値（以下、単に「−４０℃でのシャルピー衝撃値」という。）が７５Ｊ／ｃｍ２以上であり、しかもＰｃｍが０．３０以下である、継目無鋼管およびその製造方法を提供することを目的とする。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、その要旨は、下記に示す継目無鋼管およびその製造方法にある。
（１）化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．１０〜０．２０％、
Ｓｉ：０．０５〜１．０％、
Ｍｎ：０．０５〜１．２％、
Ｐ：０．０２５％以下、
Ｓ：０．００５％以下、
Ｃｕ：０．２０％以下、
Ｎ：０．００７％以下、
Ｎｉ：０．２０〜０．５０％、
Ｃｒ：０．３０％以上０．５０％未満、
Ｍｏ：０．３０〜０．５０％、
Ｎｂ：０．０１〜０．０５％、
Ａｌ：０．００１〜０．１０％、
Ｂ：０．０００５〜０．００２０％、
Ｔｉ：０．００３〜０．０５０％、
Ｖ：０．０１〜０．２０％、
Ｃａ、ＭｇおよびＲＥＭのいずれか１種以上の合計：０〜０．０２５％、
残部：Ｆｅおよび不純物であり、
下記［Ａ］式で表わされるＰｃｍの値が０．３０以下であり、
金属組織が、面積％で、
焼戻しマルテンサイト：９０％以上であり、
引張強さが９８０ＭＰａ以上、
２ｍｍＶノッチ試験片を用いた−４０℃でのシャルピー衝撃値が７５Ｊ／ｃｍ２以上である、
継目無鋼管。
Ｐｃｍ＝Ｃ＋（Ｓｉ／３０）＋（Ｍｎ／２０）＋（Ｃｕ／２０）＋（Ｎｉ／６０）＋（Ｃｒ／２０）＋（Ｍｏ／１５）＋（Ｖ／１０）＋５Ｂ ・・・［Ａ］
但し、［Ａ］式中の元素記号は、各元素の鋼中含有量（質量％）を意味し、含有されない場合はゼロとする。
（２）上記（１）に記載の継目無鋼管を製造する方法であって、
上記（１）に記載の化学組成を有する鋼片を用いて、下記の[i]から[iv]までの工程を順に施す、
継目無鋼管の製造方法。
[i]：鋼片を１２００〜１３００℃に加熱した後、断面減少率で４０〜９９％の加工を行って素管を製造する、熱間製管工程
[ii]：前記素管をＡｃ１点未満の温度まで冷却する、冷却工程
[iii]：冷却した素管をＡｃ３点〜９５０℃に加熱した後、急冷する、焼入れ工程
[iv]：焼入れした素管を５００〜６００℃に加熱した後、室温まで冷却する、焼戻し工程
本発明によれば、引張強さが９８０ＭＰａ以上の高強度を有するとともに低温靱性にも優れ、かつＰｃｍが０．３０以下と小さく溶接性に優れる継目無鋼管を得ることが可能である。
焼戻しマルテンサイトの面積率が９０％以上９５％未満であった試験番号１の組織写真である。 焼戻しマルテンサイトの面積率が９０％未満であった試験番号３の組織写真である。 焼戻しマルテンサイトの面積率が９５％以上であった試験番号３１の組織写真である。
本発明者らは、化学組成が廉価な低合金鋼をベースとするものであって、熱間で製管した後、焼入れおよび焼戻しを１回行うだけで、所定の強度とシャルピー衝撃値とを確保でき、しかも、Ｐｃｍが０．３０以下である継目無鋼管を得る手法について鋭意研究を重ねた。その結果、下記の重要な知見を得た。
（ａ）溶接性の点からＰｃｍを０．３０以下の低い値に制御するためには、上述の［Ａ］式に含まれる合金元素の含有量を低くすればよい。しかし、単に該合金元素量を低減するだけでは、焼入れ性の低減を招いて十分な焼入れ組織が得られない。このため、良好な溶接性の確保が可能であっても、所定の強度と靱性を両立させることができない。
（ｂ）質量％で、Ｂの含有量が０．００２０％以下であれば、Ｐｃｍ低下のためにＣｒおよびＭｏの含有量上限をいずれも０．５０％に制限すると、それらを複合して含む鋼の場合にも、焼戻し時に粗大な硼炭化物が形成されることがなく、良好な低温靱性を確保できる。すなわち、Ｂを適正量含有させることで、比較的廉価に焼入れ性を高めて、強度と靱性とを両立させることができる低合金鋼の成分系が存在する。
（ｃ）一方、焼入れおよび焼戻しを１回行うだけで、高強度と高い靱性とを両立させるには、該焼入れ時のオーステナイト粒を微細にすればよい。
本発明は上記の知見に基づいてなされたものである。以下、本発明の各要件について詳しく説明する。
（Ａ）化学組成
本発明に係る継目無鋼管および鋼片の化学組成の限定理由は次のとおりである。以下の説明において各元素の含有量についての「％」は、「質量％」を意味する。
Ｃ：０．１０〜０．２０％
Ｃは、強度を高めるために不可欠な元素である。Ｃ含有量が０．１０％未満の場合、他の元素との関連で引張強度が９８０ＭＰａ以上という高強度を得難い場合がある。一方、Ｃ含有量が０．２０％を超えると、溶接性が著しく低下する。したがって、Ｃ含有量は０．１０〜０．２０％とする。Ｃ含有量は０．１２％以上であるのが好ましく、０．１８％以下であるのが好ましい。
Ｓｉ：０．０５〜１．０％
Ｓｉは、脱酸作用を有し、強度および焼入れ性の向上作用もある。これらの効果を得るには、Ｓｉ含有量は０．０５％以上とする必要がある。しかし、Ｓｉ含有量が１．０％を超えると、靱性および溶接性が低下する。したがって、Ｓｉ含有量は０．０５〜１．０％とする。Ｓｉ含有量は０．１％以上であるのが好ましく、０．６％以下であるのが好ましい。
Ｍｎ：０．０５〜１．２％
Ｍｎは、脱酸作用を有し、強度および焼入れ性の向上作用もある。これらの効果を得るためには、Ｍｎを０．０５％以上含有させる必要がある。しかし、Ｍｎ含有量が１．２％を超えると、靱性が低下する。したがって、Ｍｎ含有量は０．０５〜１．２％とする。Ｍｎ含有量は０．３０％以上であるのが好ましく、１．１０％以下であるのが好ましい。
Ｐ：０．０２５％以下
Ｐ含有量が０．０２５％を超えると、靱性の低下が著しくなって所定のシャルピー衝撃値を確保することが難しくなる。このため、不純物としてのＰ含有量を０．０２５％以下とする。Ｐ含有量は０．０２０％以下であることが好ましい。
Ｓ：０．００５％以下
Ｓ含有量が０．００５％を超えると、靱性の低下が著しくなって所定のシャルピー衝撃値を確保することが難しくなる。このため、不純物としてのＳ含有量を０．００５％以下とする。Ｓ含有量は０．００３％以下であることが好ましい。
Ｃｕ：０．２０％以下
Ｃｕ含有量が０．２０％を超えると、熱間加工性の低下を招くことがある。このため、不純物としてのＣｕ含有量を０．２０％以下とする。Ｃｕ含有量は０．０５％以下であることが好ましい。
Ｎ：０．００７％以下
Ｎ含有量が０．００７％を超えると、粗大な窒化物が形成されたり、固溶Ｂの確保が困難になり、特に、厚肉の継目無鋼管において、Ｂの焼入れ性向上効果が不十分となって十分な焼入れ組織が得られなかったりして、靱性の低下が著しくなるので、所定のシャルピー衝撃値を確保することが難しくなる。このため、不純物としてのＮ含有量を０．００７％以下とする。Ｎ含有量は０．００６％以下であることが好ましい。
Ｎｉ：０．２０〜０．５０％
Ｎｉは、焼入れ性、強度および靱性を向上させる作用がある。これらの効果を得るためには、Ｎｉを０．２０％以上含有させる必要がある。一方、Ｎｉを０．５０％を超えて含有させると、合金コストが嵩む。したがって、Ｎｉ含有量は０．２０〜０．５０％とする。Ｎｉ含有量は０．３０％以上であるのが好ましく、０．４０％以下であるのが好ましい。
Ｃｒ：０．３０％以上０．５０％未満
Ｃｒは、焼入れ性および強度を向上させる作用がある。これらの効果を得るためには、Ｃｒを０．３０％以上含有させる必要がある。一方、良好な焼入れ性を確保するために、後述する０．０００５〜０．００２０％のＢとともに、ＣｒおよびＭｏを複合して含有する低合金鋼の場合、Ｃｒ含有量が０．５０％以上となると、焼戻し時に粗大な硼炭化物が形成されて靱性の低下を招くことがある。また、Ｐｃｍ（溶接割れ感受性組成）が高くなり溶接割れが発生しやすくなる。したがって、Ｃｒ含有量は０．３０％以上０．５０％未満とする。Ｃｒ含有量は０．４０％以上であるのが好ましい。また、Ｃｒ含有量は０．４７％以下であるのが好ましく、０．４５％以下であるのが好ましい。
Ｍｏ：０．３０〜０．５０％
Ｍｏは、焼入れ性および強度を向上させる作用がある。これらの効果を得るためには、Ｍｏを０．３０％以上含有させる必要がある。一方、良好な焼入れ性を確保するために、後述する０．０００５〜０．００２０％のＢとともに、ＭｏおよびＣｒを複合して含有する低合金鋼の場合、Ｍｏ含有量が０．５０％を超えると、焼戻し時に粗大な硼炭化物が形成されて靱性の低下を招くことがある。また、Ｐｃｍ（溶接割れ感受性組成）が高くなり溶接割れが発生しやすくなる。したがって、Ｍｏ含有量は０．３０〜０．５０％とする。Ｍｏ含有量は０．４０％以上であるのが好ましく、０．４５％以下であるのが好ましい。
Ｎｂ：０．０１〜０．０５％
Ｎｂは、Ｃまたは／およびＮと結合して微細な析出物を形成し、オーステナイト粒の粗大化を抑制して、靱性を向上させる作用を有する。上記の効果を安定して確保するためには、Ｎｂを０．０１％以上含有させる必要がある。しかしながら、０．０５％を超える量のＮｂを含有させると、析出物の量が増大し、却って靱性を劣化させる場合がある。したがって、Ｎｂ含有量は０．０１〜０．０５％とする。Ｎｂ含有量は０．０２％以上であるのが好ましく、０．０４％以下であるのが好ましい。
Ａｌ：０．００１〜０．１０％
Ａｌは、脱酸作用を有する元素である。この効果を確保するためには、Ａｌを０．００１％以上含有させる必要がある。一方、Ａｌを０．１０％を超えて含有させても上記の効果が飽和するうえに、地疵の発生も多くなる。したがって、Ａｌ含有量は０．００１〜０．１０％とする。Ａｌ含有量は０．０２５％以上であるのが好ましく、０．０５５％以下であるのが好ましい。なお、本発明のＡｌ含有量とは酸可溶Ａｌ（いわゆる「ｓｏｌ．Ａｌ」）での含有量を指す。
Ｂ：０．０００５〜０．００２０％
Ｂは、溶接性の点からＰｃｍを０．３０以下の低い値に抑制した厚肉の継目無鋼管に、十分な焼入れ組織を具備させるのに極めて重要な元素であって、０．０００５％以上含有させる必要がある。しかしながら、Ｂ含有量が０．００２０％を超えると、ＣｒおよびＭｏの含有量上限がいずれも０．５０％であっても、それらを複合して含む場合には、焼戻し時に粗大な硼炭化物が形成されて、靱性の低下を招く場合がある。したがって、Ｂ含有量は０．０００５〜０．００２０％とする。Ｂ含有量は０．０００８％以上であるのが好ましく、０．００１５％以下であるのが好ましい。
Ｔｉ：０．００３〜０．０５０％
Ｔｉは、焼戻しの際にＴｉ炭化物として析出し、強度を向上させる作用を有する。Ｔｉには、Ｎを固定して、Ｂの焼入れ性向上効果を発揮させるのに有効な固溶Ｂを確保する作用もある。これらの効果は、Ｔｉ含有量が０．００３％以上で得られる。しかし、Ｔｉの含有量が０．０５０％を超えると、凝固中など高温域で粗大なＴｉ炭窒化物が形成し、また焼戻し時のＴｉ炭化物の析出量が過剰となるため、靱性が低下する。したがって、Ｔｉ含有量は０．００３〜０．０５０％とする。Ｔｉ含有量は０．００５％以上であるのが好ましく、０．０１５％以下であるのが好ましい。
また、上記のように、Ｎを固定するためには、Ｔｉ／Ｎ≧４８／１４を満足することが好ましい。
Ｖ：０．０１〜０．２０％
Ｖは、焼戻しの際にＶ炭化物として析出し、強度を向上させる作用を有する。この効果は、Ｖ含有量が０．０１％以上で得られる。しかし、Ｖ含有量が０．２０％を超えると、焼戻し時のＶ炭化物の析出量が過剰となるため、靱性が低下する。また、Ｐｃｍが高くなり、溶接割れが発生しやすくなる。したがって、Ｖ含有量は０．０１〜０．２０％とする。なお、Ｖ含有量は０．０４％以上であるのが好ましく、０．１５％以下であるのが好ましい。
Ｃａ、ＭｇおよびＲＥＭのいずれか１種以上の合計：０〜０．０２５％
Ｃａ、ＭｇおよびＲＥＭは、いずれもＳと反応して硫化物を形成することにより介在物の形態を改善し、靱性を向上させる作用を有する。このため、必要に応じてＣａ、ＭｇおよびＲＥＭのいずれか１種以上を含有させてもよい。この効果を安定して得るためには、これら成分の含有量は、合計で０．０００５％以上であることが好ましい。一方、これら成分の合計の含有量が０．０２５％を超えると、介在物量が増大して鋼の清浄性が低下するので、却って靱性が低下する。したがって、これらの元素の合計含有量の上限を０．０２５％とする。合計含有量は０．０１％以下であることが好ましく、０．００５％以下であることがより好ましい。
本発明において「ＲＥＭ」とは、Ｓｃ、Ｙ、およびランタノイドの合計１７元素を指し、「ＲＥＭの含有量」とは、ＲＥＭが１種の場合はその含有量、２種以上の場合はそれらの合計含有量を指す。また、ＲＥＭは一般的には複数種のＲＥＭの合金であるミッシュメタルとしても供給されている。このため、個別の元素を１種または２種以上添加して含有させてもよいし、例えば、ミッシュメタルの形で添加してもよい。
本発明に係る継目無鋼管および鋼片は、上述の各元素と、残部がＦｅおよび不純物とからなる。ここで「不純物」とは、鉄鋼材料を工業的に製造する際に、鉱石、スクラップ等の原料、製造工程の種々の要因によって混入する成分であって、本発明に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。
Ｐｃｍ：０．３０以下
本発明に係る継目無鋼管および鋼片は、下記［Ａ］式で表されるＰｃｍが０．３０以下である。
Ｐｃｍ＝Ｃ＋（Ｓｉ／３０）＋（Ｍｎ／２０）＋（Ｃｕ／２０）＋（Ｎｉ／６０）＋（Ｃｒ／２０）＋（Ｍｏ／１５）＋（Ｖ／１０）＋５Ｂ ・・・［Ａ］
但し、［Ａ］式中の元素記号は、各元素の鋼中含有量（質量％）を意味し、含有されない場合はゼロとする。
なお、Ｐｃｍの右辺の各元素は、それぞれ鋼管の強度を向上させる効果があるので、Ｐｃｍがあまりに小さい場合には、必要な強度が得られない可能性がある。引張強度で９８０ＭＰａ以上という高強度を安定して得るための実際的なＰｃｍの下限は、０．２２程度になると考えられる。
（Ｂ）金属組織
本発明に係る継目無鋼管は、高強度と高い靱性とを両立するため、焼戻しマルテンサイトを主体とする金属組織を有する。具体的には、焼戻しマルテンサイトの面積率が９０％以上とする。残部の組織については特に制限はないが、ベイナイト、フェライトおよびパーライトから選択される１種以上が含まれていてもよい。
なお、本発明においては、金属組織は以下の方法により測定する。まず、継目無鋼管から、圧延方向に垂直な断面が観察面となるよう、観察用試験片を採取する。そして、観察面を研磨した後、ナイタールエッチングを行う。その後、倍率５００倍の光学顕微鏡にて撮影した組織写真から焼戻しマルテンサイトの面積率を求める。
（Ｃ）特性
本発明に係る継目無鋼管の引張強さ（以下、「ＴＳ」という。）は９８０ＭＰａ以上である。ＴＳが９８０ＭＰａ以上であれば、安定的に軽量化が行えるので、クレーンの大型化に対応可能なクレーンブームへの用途として、十分安定して用いることができる。該継目無鋼管のＴＳの好ましい下限は１０００ＭＰａである。また、該継目無鋼管のＴＳの好ましい上限は１１００ＭＰａである。なお、本発明に係る継目無鋼管の降伏応力（以下、「ＹＳ」という。）は８９０ＭＰａ以上であることが好ましく、９００ＭＰａ以上であることがより好ましい。
また、本発明に係る継目無鋼管の−４０℃でのシャルピー衝撃値は７５Ｊ／ｃｍ２以上である。−４０℃でのシャルピー衝撃値が７５Ｊ／ｃｍ２以上であれば、寒冷地での作業が行われるクレーンブームへの用途としても、十分安定して用いることができる。該継目無鋼管の−４０℃でのシャルピー衝撃値の好ましい下限は１２５Ｊ／ｃｍ２であり、高ければ高いほど好ましい。
（Ｄ）肉厚
本発明に係る継目無鋼管の肉厚について、特に制限は設けない。しかし、肉厚が１０ｍｍ未満では、機械構造部材として用いる場合に必要な強度を確保できないおそれがある。一方、肉厚が４５ｍｍを超えると、ベイナイトが生じやすくなり、焼戻しマルテンサイト主体の組織とすることが難しくなる。したがって、肉厚は１０〜４５ｍｍであることが好ましい。肉厚は２０ｍｍ以上であるのが好ましく、４０ｍｍ以下であるのが好ましい。
（Ｅ）製造方法
本発明に係る継目無鋼管は、以下の方法によって製造することができる。
前記（Ａ）項で述べた化学組成を有する鋼を、一般的な低合金鋼と同様の方法で溶製した後、鋳造によりインゴットまたは鋳片とする。なお、いわゆる「ラウンドＣＣ」法によって、製管用の円形ビレット形状を有する鋳片にしてもよい。
次の工程として、鋳造されたインゴットまたは鋳片に、分塊圧延または熱間鍛造を施す。該工程は、最終的な熱間製管（例えば、熱間での穿孔、圧延および延伸工程による製管、または熱間押し出しプレスによる製管）に用いる素材を得る工程である。なお、上記「ラウンドＣＣ」法によって、円形ビレット形状とした鋳片は、直接それを用いて継目無鋼管に仕上げることができるので、必ずしも分塊圧延または熱間鍛造を施す必要はない。
上記の分塊圧延または熱間鍛造で製造した、最終的な熱間製管に用いる素材および円形ビレット形状とした鋳片（以下、「鋼片」という。）に、以下に示す[i]から[vi]までの工程を順に施して、本発明の継目無鋼管が製造される。
[i]：鋼片を１２００〜１３００℃に加熱した後、断面減少率で４０〜９９％の加工を行って素管を製造する、熱間製管工程
上述した鋼片を１２００〜１３００℃に加熱した後、断面減少率で４０〜９９％の加工を行って所定の形状を有する素管を製造する。鋼片の加熱温度が１２００℃を下回ると、次の断面減少率が４０〜９９％で加工する際の変形抵抗が大きくなって製管設備が受ける負荷が大きくなるし、疵または割れ等の加工不良を生じることがある。一方、鋼片の加熱温度が１３００℃を上回ると、高温粒界割れまたは延性低下をきたすことがある。したがって、熱間製管工程は、先ず、鋼片の加熱温度を１２００〜１３００℃とする。
鋼片の加熱温度が上記の範囲であっても、加熱後の熱間製管における断面減少率が４０％を下回ると、後述する[ii]の冷却工程を経ても、[iii]の焼入れ工程で微細な焼入れ組織にならず、継目無鋼管に所望の機械的特性を具備させることができない場合がある。一方、断面減少率で９９％を上回る製管工程には、製管設備の増設等が必要になる場合がある。したがって、熱間製管工程は、断面減少率で４０〜９９％の加工を行うこととする。
この[i]の工程での加熱温度は、鋼片の表面における温度を指す。上記温度域での保持時間は、鋼片のサイズおよび形状にもよるが６０〜３００分とすることが好ましい。また、熱間製管での素管仕上げ温度は８５０〜９５０℃とすることが好ましい。上述の素管仕上げ温度は、素管の外表面における温度を指す。[i]の工程において、加熱温度の好ましい下限は１２３０℃、また、好ましい上限は１２８０℃である。さらに、断面減少率の好ましい下限は５０％、また、好ましい上限は９０％である。
[ii]：前記素管をＡｃ１点未満の温度まで冷却する、冷却工程
所定の形状に仕上げられた素管は、[iii]の焼入れ工程で微細な焼入れ組織を得るためにＡｃ１点未満の温度まで冷却される。この際の冷却速度については、特に制限がない。なお、熱間製管後の素管には、一旦室温まで冷却した後で、再加熱して次の[iii]の工程を施してもよいし、熱間製管後に、Ａｃ１点未満の適宜の温度まで冷却した後、該温度から直接に加熱して次の[iii]の工程を施してもよい。この[ii]の工程での冷却温度は、素管の外表面における温度を指す。
[iii]：冷却した素管をＡｃ３点〜９５０℃に加熱した後、急冷する、焼入れ工程
前記[ii]の工程で冷却した素管には、次に、Ａｃ３点〜９５０℃の温度に加熱した後で急冷する焼入れ処理が施される。加熱温度がＡｃ３点未満であると、オーステナイト化が完了しないので、継目無鋼管に所定の機械的特性を具備させることができない場合がある。一方、加熱温度が９５０℃を超えると、１回の焼入れ処理では、微細なオーステナイト粒が得られず、継目無鋼管に所定の機械的特性を具備させることができない場合がある。したがって、焼入れ処理の際の加熱温度はＡｃ３点〜９５０℃とする。
上記加熱温度での保持時間は、素管のサイズにもよるが５〜３０分とすることが好ましい。ほぼ均一な加熱が可能であれば、誘導加熱を用いた短時間の急速加熱処理であっても構わない。この[iii]の工程での加熱温度は、素管の外表面における温度を指す。急冷には、十分な焼入れ組織が得られるのであれば、水冷または油冷など適宜の方法を用いればよい。[iii]の工程において、加熱温度の好ましい下限は８８０℃、また、好ましい上限は９２０℃である。
[iv]：焼入れした素管を５００〜６００℃に加熱した後、室温まで冷却する、焼戻し工程
前記[iii]の工程で焼入れした素管には、継目無鋼管としての所定の機械的特性を具備させるために、５００〜６００℃に加熱した後、室温まで冷却する、焼戻し処理が施される。前記（Ａ）項で述べた化学組成の場合には、焼戻しの加熱温度が５００℃を下回ると、所定の強度（ＴＳ）は確保できても低温靱性が低下して、−４０℃でのシャルピー衝撃値が７５Ｊ／ｃｍ2を下回ることがある。一方、焼戻しの加熱温度が６００℃を上回ると、所定の低温靱性（−４０℃でのシャルピー衝撃値）は得られても強度が低下して、ＴＳが９８０ＭＰａ以上という高強度を確保できないことがある。したがって、焼戻し処理の際の加熱温度は５００〜６００℃とする。
上記加熱温度での保持時間は、素管のサイズにもよるが３０〜６０分とすることが好ましい。この[iv]の工程での加熱温度は、素管の外表面における温度を指す。焼戻しの際の冷却速度については、特に制限がない。このため、大気中での放冷、矯正風冷、ミスト冷却、油冷、水冷等、設備に応じた冷却を行えばよい。[iv]の工程において、加熱温度の好ましい下限は５２５℃、また、好ましい上限は５７５℃である。
以下、実施例によって、本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
表１に示す化学組成を有する鋼Ａ〜Ｋを１００ｋｇ真空溶解炉を用いて溶製し、鋳型に鋳込んでインゴットを得、次に、各インゴットを熱間鍛造して、厚さ５０ｍｍ、幅１２０ｍｍ、長さ１９０ｍｍのブロック形状に加工し、室温まで冷却した。このようにして得た各ブロックを、１２５０℃で３０分加熱した後、継目無鋼管の製造を模擬して、表２に示すように、断面減少率が４０％または６０％となるように幅を拘束して仕上げ温度が８５０〜９５０℃の範囲になるように熱間圧延した後室温まで冷却して、厚さ２０ｍｍまたは３０ｍｍの板材を得た。
表１中の鋼Ａ〜Ｄは、化学組成が本発明で規定する範囲内にある鋼であり、一方、鋼Ｅ〜Ｋは、化学組成が本発明で規定する条件から外れた鋼である。なお、表１には、下記の式（１）および式（２）から求めたＡｃ１点およびＡｃ３点を併せて示した。
Ａｃ１点（℃）＝７２３＋２９．１×Ｓｉ−１０．７×Ｍｎ−１６．９×Ｎｉ＋１６．９×Ｃｒ・・・（１）
Ａｃ３点（℃）＝９１０−２０３×Ｃ０．５＋４４．７×Ｓｉ−１５．２×Ｎｉ＋３１．５×Ｍｏ＋１０４×Ｖ−（３０×Ｍｎ＋１１×Ｃｒ＋２０×Ｃｕ−７００×Ｐ−４００×Ａｌ−４００×Ｔｉ）・・・（２）
Figure 0006292366
上記のようにして得た厚さ２０ｍｍまたは３０ｍｍの板材に表２に示す条件で焼入れおよび焼戻しを施した後、下記の調査を実施した。なお、焼入れは全て攪拌水槽中に浸漬して実施した。焼戻しの際の冷却は全て大気中での放冷とした。
まず、各板材（試験番号１〜２６）から、圧延方向に垂直な断面が観察面となるよう、観察用試験片を採取し、観察面を研磨した後、ナイタールエッチングを行った。その後、倍率５００倍の光学顕微鏡にて撮影した組織写真から焼戻しマルテンサイトの面積率を求めた。
図１および２に組織写真の例を示す。図１は、焼戻しマルテンサイトの面積率が９０％以上９５％未満であった試験番号１の組織写真であり、図２は、焼戻しマルテンサイトの面積率が９０％未満であった試験番号３の組織写真である。
次に、各板材の板厚中央部から圧延長手方向に平行に、ＪＩＳ Ｚ ２２４１−２０１１の附属書Ｄに記載の１０号引張試験片を切り出して、室温大気中で引張試験を実施して、ＹＳおよびＴＳを求めた。さらに、焼入れ−焼戻しした板材の板厚中央部から圧延幅方向に平行に、幅１０ｍｍの２ｍｍＶノッチフルサイズ試験片を切り出し、−４０℃にてシャルピー衝撃試験を行い、吸収エネルギーを調査して衝撃値を求めた。
表２に、上記の各調査結果を併せて示す。
Figure 0006292366
表２に示されるように、本発明で規定する化学組成を有する鋼Ａ〜Ｄを用いて、本発明で規定する方法で製造した本発明例の試験番号１、４、５、７〜９、１１および１４〜１６は、ＴＳが９８０ＭＰａ以上で、ＹＳも８９０ＭＰａ以上という高強度を有するとともに低温靱性にも優れることが明らかであり、また、Ｐｃｍが０．３０以下と低いため、優れた溶接性を備えることも容易に想定できる。
これに対して、比較例の試験番号の場合は、少なくとも所定の機械的特性が得られないか、溶接性の点で劣る。
すなわち、試験番号２、３、６、１０、１２、１３および１７に示されるように、本発明で規定する化学組成を有する鋼Ａ〜Ｄを用いても、その製造条件が本発明で規定する条件から外れる場合には、ＴＳが低く９８０ＭＰａに達していない。
一方、用いた鋼の化学組成が本発明で規定する条件から外れる場合には、試験番号１８〜２６に示されるように、製造条件が本発明の規定を満たす、満たさないに関係なく、少なくとも所定の機械的特性が得られないか、Ｐｃｍが高くなるため溶接性の点で劣る。
（実施例２）
表３に示す化学組成を有する鋼Ｌを溶製し、転炉−連続鋳造プロセスにより、矩形ビレットを鋳造した。矩形ビレットは、さらに熱間鍛造により外径１９１ｍｍの円形ビレット、外径２２５ｍｍの円形ビレットおよび外径３１０ｍｍの円形ビレットに成形し、室温まで冷却した。
Figure 0006292366
上記の各円形ビレットを、１２４０℃で加熱し、マンネスマン−マンドレル方式によって、仕上げ温度が８５０〜９５０℃の範囲になるように、表４に示す種々の肉厚の継目無鋼管を作製し、室温まで冷却した。このようにして得た各継目無鋼管を、表４に示す条件で、焼入れと焼戻しを施して、製品鋼管を製造した。なお、焼入れは全て水焼入れによって実施した。焼戻しの際の冷却は全て大気中での放冷とした。
その後、各製品鋼管（試験番号２７〜３８）について、実施例１と同様にして焼戻しマルテンサイトの面積率を求めた。図３は、焼戻しマルテンサイトの面積率が９５％以上であった試験番号３１の組織写真である。
次に、各製品鋼管について、長手方向の片端位置または両端位置（圧延方向で先端側をＴ端、末端側をＢ端とする）から、ＪＩＳ Ｚ ２２４１−２０１１の附属書Ｅに記載の１２号試験片を切り出して、室温大気中で引張試験を実施して、ＹＳおよびＴＳを求めた。さらに、上記各製品鋼管について、長手方向の片端位置または両端位置から圧延長手方向に平行に、幅１０ｍｍの２ｍｍＶノッチフルサイズ試験片（製品肉厚が２０ｍｍまたは３８ｍｍの場合）または幅が３．３ｍｍの２ｍｍＶノッチ試験片（製品肉厚が５．７４ｍｍの場合）を各３本ずつ切り出して、−４０℃にてシャルピー衝撃試験を実施し、各３本の平均吸収エネルギーを調査し、これを用いて衝撃値を求めた。
表４に、上記の各調査結果を併せて示す。
Figure 0006292366
表４から、本発明で規定する化学組成を有する鋼Ｌを用いて、本発明で規定する方法で製造した本発明例の試験番号２７〜３８の鋼管は、いずれの寸法においても、ＴＳが９８０ＭＰａ以上で、ＹＳも８９０ＭＰａ以上という高強度を有するとともに低温靱性にも優れることが明らかであり、また、Ｐｃｍが０．３０以下であるため、優れた溶接性を備えることも容易に想定できる。
本発明の継目無鋼管は、引張強度が９８０ＭＰａ以上の高強度を有するとともに低温靱性にも優れ、かつＰｃｍが０．３０以下と小さいので、機械構造部材用、なかでもクレーンブーム用として好適である。また、本発明の製造方法によって、上記の継目無鋼管を低コストで得ることができる。

Claims (2)

  1. 化学組成が、質量％で、
    Ｃ：０．１０〜０．２０％、
    Ｓｉ：０．０５〜１．０％、
    Ｍｎ：０．０５〜１．２％、
    Ｐ：０．０２５％以下、
    Ｓ：０．００５％以下、
    Ｃｕ：０．２０％以下、
    Ｎ：０．００７％以下、
    Ｎｉ：０．２０〜０．５０％、
    Ｃｒ：０．３０％以上０．５０％未満、
    Ｍｏ：０．３０〜０．５０％、
    Ｎｂ：０．０１〜０．０５％、
    Ａｌ：０．００１〜０．１０％、
    Ｂ：０．０００５〜０．００２０％、
    Ｔｉ：０．００３〜０．０５０％、
    Ｖ：０．０１〜０．２０％、
    Ｃａ、ＭｇおよびＲＥＭのいずれか１種以上の合計：０〜０．０２５％、
    残部：Ｆｅおよび不純物であり、
    下記［Ａ］式で表わされるＰｃｍの値が０．３０以下であり、
    金属組織が、面積％で、
    焼戻しマルテンサイト：９０％以上であり、
    引張強さが９８０ＭＰａ以上、
    ２ｍｍＶノッチ試験片を用いた−４０℃でのシャルピー衝撃値が７５Ｊ／ｃｍ２以上である、
    継目無鋼管。
    Ｐｃｍ＝Ｃ＋（Ｓｉ／３０）＋（Ｍｎ／２０）＋（Ｃｕ／２０）＋（Ｎｉ／６０）＋（Ｃｒ／２０）＋（Ｍｏ／１５）＋（Ｖ／１０）＋５Ｂ ・・・［Ａ］
    但し、［Ａ］式中の元素記号は、各元素の鋼中含有量（質量％）を意味し、含有されない場合はゼロとする。
  2. 請求項１に記載の継目無鋼管を製造する方法であって、
    請求項１に記載の化学組成を有する鋼片を用いて、下記の[i]から[iv]までの工程を順に施す、
    継目無鋼管の製造方法。
    [i]：鋼片を１２００〜１３００℃に加熱した後、断面減少率で４０〜９９％の加工を行って素管を製造する、熱間製管工程
    [ii]：前記素管をＡｃ１点未満の温度まで冷却する、冷却工程
    [iii]：冷却した素管をＡｃ３点〜９５０℃に加熱した後、急冷する、焼入れ工程
    [iv]：焼入れした素管を５００〜６００℃に加熱した後、室温まで冷却する、焼戻し工程

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