JP6520465B2

JP6520465B2 - マルテンサイト系ステンレス鋼管の製造方法

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Publication number: JP6520465B2
Application number: JP2015129232A
Authority: JP
Inventors: 洋輔竹田; 友喜景山
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2015-06-26
Filing date: 2015-06-26
Publication date: 2019-05-29
Anticipated expiration: 2035-06-26
Also published as: JP2017013075A

Description

本発明は、マルテンサイト系ステンレス鋼管の製造方法に関する。さらに詳しくは、管端部をアップセット加工するマルテンサイト系ステンレス鋼管の製造方法に関する。

油井管に代表される鋼管同士を接続する場合、たとえば、管端部にねじ部が形成される。この場合、ねじ部を有する継手を介して鋼管同士が接続されたり、鋼管の管端同士がねじ部により接続されたりする。鋼管の管端部にねじ部を形成する場合、ねじ部の強度を高めるために、管端部の肉厚を、他の鋼管部分の肉厚よりも厚くする。

アップセット加工は、鋼管の管端部を増肉する。アップセット加工では、加熱された管端部を有する鋼管をダイスに挿入した後、マンドレルバーを用いて管端部を据込鍛造する。

アップセット加工では、管端部が変形しながら増肉する。このとき、管端部が均一に変形せずに、管端部の内面に凹みが発生する場合がある。このような凹みをアンダーフィルという。鋼管の変形抵抗が高い場合（たとえば、鋼管が高合金である場合又はアップセット加工時の鋼管の加熱温度に制約がある場合等）は特に、アンダーフィルが発生しやすい。

アップセット加工におけるアンダーフィルの発生を抑制する方法が特開平８−１０８８９号公報（特許文献１）に開示されている。特許文献１に開示された製造方法では、管端部における中央部を最高温度とし、中央部から両側に向かうに従って低温となるような温度分布で管端部を加熱した後、アップセット加工する。この場合、管端では変形抵抗が大きく、中央部では変形抵抗が小さい。そのため、増肉が軸方向に均一に起こる、と特許文献１には記載されている。

特開平８−１０８８９号公報

しかしながら、変形抵抗の高い鋼管に対してアップセット加工を実施する場合、特許文献１の方法を適用しても、依然としてアンダーフィルが発生する場合がある。変形抵抗の高い鋼管はたとえば、Ｃｒを１０．０〜１４．０質量％含有するマルテンサイト系ステンレス鋼（以下、１３Ｃｒ鋼ともいう）である。

１３Ｃｒ鋼からなる鋼管（以下、１３Ｃｒ鋼管ともいう）の管端部のアップセット加工において、変形抵抗を小さくするには、アップセット加工前の加熱温度を高くする方法がある。しかしながら、１３Ｃｒ鋼は、１２００℃以上に加熱すると急激にδフェライトが生成される。δフェライトが発生すると、靱性等の鋼の機械的特性が低下する。

本発明の目的は、１３Ｃｒ鋼管のアンダーフィルを抑制し、かつ、製造された１３Ｃｒ鋼管のδフェライトを低減できるマルテンサイト系ステンレス鋼管の製造方法を提供することである。

本発明の実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼管の製造方法は、加熱する工程と、アップセット加工する工程と、焼入れ及び焼戻しを実施する工程とを備える。加熱する工程では、Ｃｒを１０．０〜１４．０質量％含有するマルテンサイト系ステンレス鋼管の管端部を１２００〜１３００℃未満の温度に加熱する。アップセット加工する工程では、加熱された管端部をアップセット加工する。焼入れ及び焼戻しを実施する工程では、アップセット加工された管端部に対して焼入れ及び焼戻しを実施する。

本発明によるマルテンサイト系ステンレス鋼管の製造方法は、１３Ｃｒ鋼管のアンダーフィルを抑制し、かつ、製造された１３Ｃｒ鋼管のδフェライトを低減できる。

図１は、１３Ｃｒ鋼及び炭素鋼の加熱温度と変形抵抗との関係を示す図である。図２は、１２００℃以上でアップセット加工された後、放冷された１３Ｃｒ鋼管のミクロ組織写真画像である。図３は、１２００℃以上でアップセット加工された後、放冷された１３Ｃｒ鋼管のミクロ組織写真画像である。図４は、１２００℃以上でアップセット加工された後、焼入れ及び焼戻しされた１３Ｃｒ鋼管のミクロ組織写真画像である。図５は、１３Ｃｒ鋼管のアップセット加工の加熱温度と、δフェライト率との関係を示す図である。図６は、アップセット加工装置（アップセッタ）の概略図である。

以下、図面を参照して、本実施形態の１３Ｃｒ鋼管の製造方法について詳述する。図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

本発明者らは、１３Ｃｒ鋼管の管端部をアップセット加工しても、アンダーフィルの発生を抑制できる製造方法について検討した。その結果、次の知見を得た。

［１３Ｃｒ鋼及び炭素鋼の加熱温度と変形抵抗との関係］
図１は、１３Ｃｒ鋼及び炭素鋼の加熱温度と変形抵抗との関係を示す図である。図１は次の方法により得られた。表１に示す化学組成を有する１３Ｃｒ鋼材と、ＪＩＳＧ４０５１（２００９）に規定されたＳ４５Ｃに相当する化学組成を有する炭素鋼材とを準備した。

１３Ｃｒ鋼材及び炭素鋼材から引張試験片を採取した。採取された引張試験片を種々の温度に加熱した。加熱された引張試験片に対して、ＪＩＳＺ２２４１（２０１１）に準拠した引張試験を大気中で実施し、変形抵抗（降伏応力、単位はｋｇｆ／ｍｍ²）を求めた。得られた変形抵抗値をプロットして図１を得た。

図１中の「○」印は１３Ｃｒ鋼材の変形抵抗を示し、「◇」印は炭素鋼材の変形抵抗を示す。図１を参照して、１３Ｃｒ鋼材の変形抵抗は、いずれの加熱温度においても、炭素鋼材よりも高い。しかしながら、１３Ｃｒ鋼材及び炭素鋼材ともに、加熱温度が高まるにしたがい変形抵抗が低下する。そして、１３Ｃｒ鋼材は、炭素鋼材と比較して、加熱温度の上昇に伴う変形抵抗の低下代が大きい。そのため、加熱温度が上昇して１２００℃となったとき、１３Ｃｒ鋼材の変形抵抗は、炭素鋼材の変形抵抗とほぼ同等レベルまで下がる。

以上の結果から、１３Ｃｒ鋼管をアップセット加工する場合、１２００℃以上の加熱温度で加熱すれば、炭素鋼材と同等の変形抵抗となり、アンダーフィルの発生が抑制されると考えられる。

しかしながら、１３Ｃｒ鋼を１２００℃以上の温度に加熱すれば、上述のとおり、金属組織にδフェライトが生成しやすい。δフェライトは一度生成されると、その除去は困難であると考えられていたため、従前の１３Ｃｒ鋼材の熱間加工では、加熱温度が１２００℃未満に抑えられている。

［δフェライト低減方法］
本発明者らは、１３Ｃｒ鋼を１２００℃以上でアップセット加工した場合であってもδフェライトの生成が低減される方法について検討した。その結果、次の知見を得た。

１２００℃以上の加熱温度で加熱された１３Ｃｒ鋼管をアップセット加工した後、焼入れ及び焼戻しを実施すれば、δフェライトが低減される。

図２及び図３は、１２００℃以上でアップセット加工された後、放冷された１３Ｃｒ鋼管のミクロ組織写真画像である。図４は、１２００℃以上でアップセット加工された後、焼入れ及び焼戻しされた１３Ｃｒ鋼管のミクロ組織写真画像である。図２〜図４は次の方法により得られた。

図２では、表１に示す化学組成の１３Ｃｒ鋼管の管端部を１２３０℃に加熱して、アップセット加工を実施した。アップセット加工後、１３Ｃｒ鋼管を放冷した。冷却後の１３Ｃｒ鋼管の管端部を切断して、ミクロ組織観察を実施した。具体的には、鋼管の肉厚中央部からサンプルを採取した。サンプルの表面のうち、鋼管の軸方向と垂直な表面を機械研磨した後、周知の腐食液でエッチングした。エッチング後の表面に対して顕微鏡を用いてミクロ組織観察を行い、図２のミクロ組織写真画像を得た。

図３では、表１に示す化学組成の１３Ｃｒ鋼管の管端部を１２００℃に加熱した。その他の条件（アップセット加工）は図２を得た場合と同じとした。図２と同じ方法でミクロ組織観察を行い、図３のミクロ組織写真画像を得た。

図４では、表１に示す化学組成の１３Ｃｒ鋼管の管端部を１２１０℃に加熱して、図２及び図３と同じ条件でアップセット加工を実施した。さらに、アップセット加工後の１３Ｃｒ鋼管に対して、焼入れを実施した。焼入れ後、１３Ｃｒ鋼管に対して、焼戻しを実施した。焼入れ温度は９１０℃、保持時間は１５分であり、水冷による焼入れを実施した。焼戻し温度は６０５℃、保持時間は３０分であり、保持時間経過後、放冷した。焼戻し後の１３Ｃｒ鋼管を用いて、図２と同じ方法でミクロ組織観察を行い、図４のミクロ組織写真画像を得た。

図２〜図４中の黒色部分がδフェライトである。図２〜図４を参照して、１２００℃以上でアップセット加工のみを実施した場合（図２及び図３）、組織内にδフェライトが多数生成した。ＡＳＴＭ（米国材料試験協会）Ｅ５６２に規定されるメッシュカウント法によってδフェライト率（％）を算出した結果、図２のδフェライト率は１．３３％であり、図３のδフェライト率は０．８３％であった。

一方、１２００℃以上で１３Ｃｒ鋼管に対しアップセット加工を実施した後、焼入れ及び焼戻しを実施した場合（図４）、組織内にδフェライトがほぼ観察されず、δフェライト率は０．０１％であった。

以上の結果から、１３Ｃｒ鋼材を１２００℃以上に加熱してアップセット加工を実施した後、焼入れ及び焼戻し処理を実施すれば、δフェライトを低減できる。

図５は、１３Ｃｒ鋼管のアップセット加工の加熱温度と、δフェライト率との関係を示す図である。図５は後述の実施例により得られた。図５中の「◇」印は、アップセット加工後、放冷して得られた１３Ｃｒ鋼管（アップセットまま材）の結果である。「○」印は、アップセット加工後、焼入れ及び焼戻しを実施した１３Ｃｒ鋼管の結果である。

図５を参照して、アップセットまま材の場合、１２００℃以上でδフェライト率（％）が顕著に増大する。一方、アップセット加工後、焼入れ及び焼戻しを実施する場合、１２００℃以上の加熱温度でアップセット加工を実施しても、δフェライト率はほぼ０％であり、δフェライトを低減できる。

以上の知見に基づいて完成した本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼管の製造方法は、加熱する工程と、アップセット加工する工程と、焼入れ及び焼戻しを実施する工程とを備える。加熱する工程では、Ｃｒを１０．０〜１４．０質量％含有するマルテンサイト系ステンレス鋼管の管端部を１２００〜１３００℃未満の温度に加熱する。アップセット加工する工程では、加熱された管端部をアップセット加工する。焼入れ及び焼戻しを実施する工程では、アップセット加工された管端部に対して焼入れ及び焼戻しを実施する。

本実施形態の製造方法は、アップセット加工する１３Ｃｒ鋼管の管端部を１２００℃以上に加熱する。これにより、１３Ｃｒ鋼管の変形抵抗が低減されるため、アップセット加工後の管端部にアンダーフィルが発生しにくい。また、アップセット加工後に１３Ｃｒ鋼管に焼入れ及び焼戻しを実施する。これにより、加熱する工程で管端部に生成されたδフェライトを低減できる。

好ましくは、上述の製造方法は、焼入れ及び焼戻しを実施する工程の前に、１回以上の加熱する工程と、複数回のアップセット加工する工程とを備える。

管端部のアップセット加工において、１回当たりの加工量が大きいとアンダーフィルが発生しやすい。管端部を複数回に分けてアップセット加工すると、アップセット加工１回当たりの加工量が少ない。そのため、アンダーフィルの発生がさらに抑制される。

好ましくは、本実施形態の製造方法で製造されるマルテンサイト系ステンレス鋼管は、質量％で、Ｃ：０．０５％以下、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：１．０％以下、Ｐ：０．０４％以下、Ｓ：０．００５％以下、Ｃｒ：１０．０〜１４．０％、Ｍｏ：０．５〜７．０％、Ｎｉ：４．０〜８．０％、Ａｌ：０．００１〜０．１％、Ｔｉ：０〜０．７５％、Ｚｒ：０〜２．０％、Ｃａ：０〜０．０５％、Ｍｇ：０〜０．０５％、希土類元素：０〜０．０５％、及び、Ｎ：０．０５％以下、Ｃｕ：０〜３．５％、Ｖ：０〜０．１２％、を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなる。

［製造方法］
上述の知見に基づく本実施形態のマルテンサイト系ステンレス鋼管（１３Ｃｒ鋼管）の製造方法は、次のとおりである。

本実施形態の１３Ｃｒ鋼管の製造方法は、１３Ｃｒ鋼管を加熱する工程（加熱工程：Ｓ１）と、１３Ｃｒ鋼管をアップセット加工する工程（アップセット加工工程：Ｓ２）と、アップセット加工後の１３Ｃｒ鋼管を焼入れ及び焼戻しを実施する工程（焼入れ及び焼戻し工程：Ｓ３）とを備える。以下、各工程について詳述する。

［加熱工程：Ｓ１］
初めに、マルテンサイト系ステンレス鋼管を準備し、加熱する。本実施形態のマルテンサイト系ステンレス鋼管は、１０．０〜１４．０質量％のＣｒを含有する。以下、１０．０〜１４．０質量％のＣｒを含有するマルテンサイト系ステンレス鋼管を、「１３Ｃｒ鋼管」という。

１３Ｃｒ鋼管の化学組成は、Ｃｒ含有量が１０．０〜１４．０％で、マルテンサイト系ステンレス鋼が得られる組成であれば、特に限定されない。好ましくは、１３Ｃｒ鋼管の化学組成は、次の元素を含有する。以下の説明で、化学組成の「％」は「質量％」を意味する。

Ｃ：０．０５％以下
炭素（Ｃ）は不可避に含有される。Ｃは鋼の強度を高める。しかしながら、Ｃ含有量が高すぎれば、Ｃｒ炭化物が過剰に析出し、応力腐食割れが発生する。したがって、Ｃ含有量は０．０５％以下である。鋼の強度をさらに有効に高めるための好ましいＣ含有量の下限は、０．００１％である。

Ｓｉ：１．０％以下
シリコン（Ｓｉ）は、鋼を脱酸する。Ｓｉはさらに、鋼の耐食性を高める。しかしながら、Ｓｉ含有量が高すぎれば、鋼の靭性及び加工性が低下する。また、Ｓｉはフェライト形成元素であるため、Ｓｉ含有量が高すぎればδフェライトが生成され、鋼の靱性が低下する。そのため、Ｓｉ含有量は１．０％以下にする。鋼の耐食性をさらに有効に高めるための好ましいＳｉ含有量の下限は、０．０５％である。

Ｍｎ：１．０％以下
マンガン（Ｍｎ）は、鋼を脱酸する。Ｍｎ含有量が高すぎれば、鋼の延性が低下する。したがって、Ｍｎ含有量は１．０％以下である。また、Ｍｎはオーステナイト形成元素であり、組織のマルテンサイト化に寄与する。したがって、その効果を得るための好ましいＭｎ含有量の下限は０．１％である。

Ｐ：０．０４％以下
燐（Ｐ）は不純物である。Ｐは、フェライト形成元素であるため、δフェライトを生成し、鋼の靱性が低下する。したがって、Ｐ含有量は０．０４％以下である。

Ｓ：０．００５％以下
硫黄（Ｓ）は不純物である。Ｓは、フェライト形成元素であるため、δフェライトを生成し、鋼の靱性が低下する。したがって、Ｓ含有量は０．００５％以下である。

Ｃｒ：１０．０〜１４．０％
クロム（Ｃｒ）は、使用環境下での鋼の耐食性を高める。Ｃｒはさらに、炭化物を生成して鋼の強度を高める。Ｃｒ含有量が低すぎれば、これらの効果が得られない。一方、Ｃｒ含有量が高すぎれば、焼戻し後の組織をマルテンサイトにするのを妨げる。さらに、Ｃｒはフェライト生成元素であるためＣｒ含有量が高すぎれば、δフェライトを生成し、鋼の靱性が低下する。したがって、Ｃｒ含有量は１０．０〜１４．０％である。

Ｍｏ：０．５〜７．０％
モリブデン（Ｍｏ）は、鋼の耐食性を高め、かつ、鋼の強度を高める。Ｍｏ含有量が低すぎれば、これらの効果が得られない。一方、Ｍｏ含有量が高すぎれば、製造コストが高くなる。したがって、Ｍｏ含有量は０．５〜７．０％である。

Ｎｉ：４．０〜８．０％
ニッケル（Ｎｉ）は、オーステナイト形成元素であり、組織のマルテンサイト化に寄与する。Ｎｉ含有量が低すぎれば、焼戻し後の組織に多くのフェライトが析出する。一方、Ｎｉ含有量が高すぎれば、焼戻し後の組織が主としてオーステナイトとなる。したがって、Ｎｉ含有量は４．０〜８．０％である。

Ａｌ：０．００１〜０．１％
アルミニウム（Ａｌ）は、Ｓｉと同様に鋼を脱酸する。Ａｌ含有量が高すぎれば、鋼中に多くの介在物が生成され、耐食性が低下する。一方、Ａｌ含有量が低すぎれば、鋼の脱酸効果が得られない。したがって、Ａｌ含有量は０．００１〜０．１％である。本実施形態においてＡｌ含有量は、酸可溶Ａｌ（ｓｏｌ．Ａｌ）の含有量を意味する。

Ｔｉ：０〜０．７５％
チタン（Ｔｉ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、Ｔｉは鋼中に固溶し、炭窒化物として析出して、鋼の強度を高める。Ｔｉが少しでも含有されると、この効果がある程度得られる。しかしながら、Ｔｉ含有量が高すぎれば、炭窒化物が多量に析出し、延性が低下する。したがって、Ｔｉ含有量は０〜０．７５％である。鋼の強度をさらに有効に高めるための好ましいＴｉ含有量の下限は、４×Ｃ（％）である。

Ｚｒ：０〜２．０％
ジルコニウム（Ｚｒ）は任意元素である、含有されなくてもよい。含有される場合、ＺｒはＴｉ同様に、鋼中に固溶し、炭窒化物として析出して、鋼の強度を高める。しかしながら、Ｚｒ含有量が高すぎれば、炭窒化物が多量に析出し、延性が低下する。したがって、Ｚｒ含有量は０〜２．０％である。鋼の強度をさらに有効に高めるための好ましいＺｒ含有量の下限は、１０×Ｃ（％）である。

Ｃａ：０〜０．０５％
カルシウム（Ｃａ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、Ｃａは鋼の熱間加工性を高める。Ｃａが少しでも含有されると、この効果がある程度得られる。しかしながら、Ｃａ含有量が高すぎれば、Ｃａが酸素（Ｏ）と結合して鋼の清浄性が低下し、熱間加工性がかえって低下する。したがって、Ｃａ含有量は０〜０．０５％である。鋼の熱間加工性をさらに有効に高めるための好ましいＣａ含有量の下限は、０．００１％である。

Ｍｇ：０〜０．０５％
マグネシウム（Ｍｇ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、ＭｇはＣａと同様に、鋼の熱間加工性を高める。Ｍｇが少しでも含有されると、この効果がある程度得られる。しかしながら、Ｍｇ含有量が高すぎれば、ＭｇがＯと結合して、鋼の清浄性が低下し、かえって鋼の熱間加工性が低下する。したがって、Ｍｇ含有量は０〜０．０５％である。鋼の熱間加工性をさらに有効に高めるための好ましいＭｇ含有量の下限は、０．００１％である。

希土類元素（ＲＥＭ）：０〜０．０５％
希土類元素（ＲＥＭ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、ＲＥＭはＳとの親和力が強く、鋼の熱間加工性を高める。ＲＥＭが少しでも含有されると、この効果がある程度得られる。しかしながら、ＲＥＭ含有量が高すぎれば、ＲＥＭがＯと結合して、鋼の清浄性が低下し、かえって鋼の熱間加工性が低下する。したがって、ＲＥＭ含有量は０〜０．０５％である。鋼の熱間加工性をさらに有効に高めるための好ましいＲＥＭ含有量の下限は、０．００１％である。なお、「ＲＥＭ」とは、Ｓｃ、Ｙ及びランタノイドの合計１７元素の総称であり、ＲＥＭの含有量はＲＥＭのうちの１種又は２種以上の元素の合計含有量を指す。また、ＲＥＭについては一般的にミッシュメタルに含有される。このため、たとえば、ミッシュメタルの形で添加して、ＲＥＭの量が上記の範囲となるように含有させてもよい。

Ｎ：０．０５％以下
窒素（Ｎ）は不純物である。Ｎは、鋼中に固溶し、微細な窒化物を形成して、鋼の強度を高める。Ｎ含有量が高すぎれば、鋼中に窒化物が多く析出され、熱間加工性が低下する。したがって、Ｎ含有量は０．０５％以下である。

Ｃｕ：０〜３．５％
銅（Ｃｕ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、ＣｕはＮｉと同様にオーステナイト形成元素であり、組織のマルテンサイト化に寄与する。また、Ｃｕは鋼中への水素の侵入を抑制し、耐硫化物応力腐食割れ性を高める。しかしながら、Ｃｕ含有量が高すぎれば、焼戻し後の組織が主としてオーステナイトとなる。また、Ｃｕ含有量が３．５％を超えれば、ＣｕＳが粒界に析出し熱間加工性が低下する。したがって、Ｃｕ含有量は０〜３．５％である。鋼の組織のマルテンサイト化をさらに有効に高めるための好ましいＣｕ含有量の下限は、０．２％である。

Ｖ：０〜０．１２％
バナジウム（Ｖ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、Ｖは炭化物を形成し鋼の強度、靱性を高める。しかしながら、Ｖ含有量が０．１２％を超えれば、鋼の靱性が低下する。したがって、Ｖ含有量は０〜０．１２％である。鋼の強度をさらに有効に高めるための好ましいＶ含有量の下限は、０．０５％である。

本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス鋼は、上記の元素を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなる。ここでいう「不純物」とは、鋼材を工業的に製造する際に、鉱石、スクラップ等の原料その他の要因により混入する成分を意味する。

１３Ｃｒ鋼管を１２００〜１３００℃未満で加熱する。たとえば、１３Ｃｒ鋼管の管端部を、高周波誘導加熱炉によって加熱する。加熱工程（Ｓ１）では、１３Ｃｒ鋼管の管端部のみを加熱してもよいし、１３Ｃｒ鋼管全体を加熱してもよい。

加熱温度が１２００℃未満であれば、アップセット加工時に１３Ｃｒ鋼管の変形抵抗が高いため、高仕様のアップセット設備が必要になるうえ、アンダーフィルが発生しやすい。したがって、加熱温度の下限は１２００℃である。一方、加熱温度が１３００℃であると、図５に示すとおり、焼入れ及び焼戻しを実施してもδフェライト率は約５％となる。したがって、加熱温度は１２００〜１３００℃未満である。加熱温度の好ましい上限は１２７０℃である。この場合、δフェライト率を０．１％まで低減できる。

［アップセット加工工程：Ｓ２］
アップセット加工工程では、加熱された１３Ｃｒ鋼管の管端部に対してアップセット加工を実施する。

図６は、アップセット加工装置（アップセッタ）１の概略図である。図１を参照して、アップセッタ１は、マンドレルバー２と、ダイス３と、グリップ５とを備える。

図示しない加熱炉で加熱された１３Ｃｒ鋼管４を、ダイス３に挿入する。１３Ｃｒ鋼管４の管端部のうち、前端の管端部を、グリップ５により把持して固定する。固定後、マンドレルバー２の軸芯を、１３Ｃｒ鋼管４の軸芯に合わせる。その後、マンドレルバー２を、管端部４１の後端から１３Ｃｒ鋼管４の前端に向かって、軸方向に押し込む。このとき、マンドレルバー２のテーパ部２２が管端部４１に挿入される。そして、マンドレルバー２のショルダ２１が管端部４１の後端面４２と接触して、管端部４１を前方に押す。マンドレルバー２のテーパ部２２が１３Ｃｒ鋼管４内に挿入されるため、管端部４１の肉厚が１３Ｃｒ鋼管４の径方向外側に向かって増加する。

本実施形態では、１２００℃以上に加熱した１３Ｃｒ鋼管をアップセット加工する。上述のとおり、１３Ｃｒ鋼管を１２００℃以上に加熱すれば、変形抵抗が低下して、炭素鋼とほぼ同等になる。そのため、１３Ｃｒ鋼管の管端部の熱間鍛造性が高まり、アンダーフィルの発生が抑制される。

［焼入れ及び焼戻し工程：Ｓ３］
１３Ｃｒ鋼管を１２００℃以上でアップセット加工すれば、アンダーフィルの発生が抑制されるものの、δフェライトが生成する。そこで、本実施形態では、アップセット加工後の１３Ｃｒ鋼管に対して、焼入れ及び焼戻しを実施する。

焼入れは、周知の方法で実施すればよい。焼入れにおける加熱温度（焼入れ温度）はＡ₃変態温度以上であり、たとえば、９００〜１０００℃である。焼入れ温度での保持時間は特に限定されない。保持時間はたとえば、１５〜６０分である。保持時間経過後の１３Ｃｒ鋼管をＭ_s点以下に急冷する。冷却方法はたとえば、水冷である。

焼入れ後の１３Ｃｒ鋼管に対して焼戻しを実施する。焼戻しは周知の方法で実施すればよい。焼戻し温度はＡ₁変態温度以下であり、たとえば、５００〜７００℃である。焼戻し温度での保持時間はたとえば、１５〜９０分である。保持時間経過後、１３Ｃｒ鋼管４を放冷する。焼戻し温度及び保持時間は１３Ｃｒ鋼管の機械的特性に応じて適宜調整する。

上述の焼入れ及び焼戻しを実施することにより、１２００℃以上の加熱により生成されたδフェライトが低減する。そのため、本実施形態では、１３Ｃｒ鋼管のアンダーフィルの発生を抑制しつつ、かつ、組織中のδフェライトを抑制できる。

上述の実施の形態では、加熱工程（Ｓ１）を１回実施した後、アップセット加工工程（Ｓ２）を１回実施し（１ヒート１ショットプロセス）、その後、焼入れ及び焼戻し工程（Ｓ３）を実施する。しかしながら、加熱工程（Ｓ１）及びアップセット加工工程（Ｓ２）の回数は特に制限されない。たとえば、加熱工程（Ｓ１）及びアップセット加工工程（Ｓ２）を交互に２回以上繰り返してもよい（例えば２ヒート２ショットプロセス）。２ヒート２ショットプロセスでは、加熱工程（Ｓ１）、アップセット加工工程（Ｓ２）、加熱工程（Ｓ１）、アップセット加工工程（Ｓ２）の順に各工程を実施する。また、１回の加熱工程（Ｓ１）で加熱された管端部４１の温度が下がらない間に複数回アップセット加工工程（Ｓ２）を実施してもよい。たとえば１ヒート２ショットプロセスでは、加熱工程（Ｓ１）、アップセット加工工程（Ｓ２）、アップセット加工工程（Ｓ２）の順に各工程を実施する。

管端部４１のアップセット加工を複数回に分けて実施すれば、アップセット加工１回当たりの加工量を低減できる。そのため、アンダーフィルの発生をさらに抑制できる。

後述する本発明例及び参考例の製造方法によって、加熱温度の異なる複数の１３Ｃｒ鋼管を製造した。製造された１３Ｃｒ鋼管のδフェライト率を調査した。

［本発明例の製造方法］
本発明例では、加熱工程（Ｓ１）、アップセット加工工程（Ｓ２）、加熱工程（Ｓ１）、アップセット加工工程（Ｓ２）、焼入れ及び焼戻し工程（Ｓ３）の順に各工程を実施し複数の１３Ｃｒ鋼管を製造した。製造された各鋼管は、加熱工程（Ｓ１）での加熱温度が異なるだけで、その他の条件は全ての鋼管の製造において同じとした。

本発明例では焼入れ温度は９１０℃、保持時間は１５分であり、水冷による焼入れを実施した。焼戻し温度は６０５℃、保持時間は３０分であった。

本発明例では、表１に示す化学組成を有する１３Ｃｒ鋼管を用いた。アップセット加工前の各鋼管の外径は１１４．３ｍｍ、肉厚は１４．２２ｍｍであった。各鋼管の管端部を加熱（１回目の加熱）した後、図１に示すアップセッタ１を用いて１回目のアップセット加工を実施した。その後、各鋼管の管端部を再度、１回目と同じ温度に加熱し、２回目のアップセット加工を実施した。

管端部の加熱は、１３Ｃｒ鋼管の管端から管軸方向に１５０ｍｍの長さの領域を均一に加熱した。１回のアップセット加工による管端部の増肉量は６．７５ｍｍであり、アップセット長さは６０ｍｍであった。

［参考例の製造方法］
参考例では、、加熱工程（Ｓ１）、アップセット加工工程（Ｓ２）、加熱工程（Ｓ１）、アップセット加工工程（Ｓ２）の順に各工程を実施し複数の１３Ｃｒ鋼管を製造した。すなわち、参考例では、アップセット加工後に焼入れ及び焼戻し工程（Ｓ３）を実施しなかった。参考例でも、本発明例と同様に、製造された各鋼管は、加熱工程（Ｓ１）での加熱温度が異なるだけで、その他の条件は全ての鋼管の製造において同じとした。

参考例では、本発明例と同様に表１に示す化学組成を有する１３Ｃｒ鋼管を用いた。１３Ｃｒ鋼管のサイズ、加熱領域、加工条件も本発明例と同じとした。

［試験結果］
本発明例及び参考例の製造方法によって製造された各鋼管を上述と同様の方法でミクロ組織観察を行い、δフェライト率を求めた。その結果を表２及び表３に示す。表２は、本発明例の結果を示す。表３は、参考例の結果を示す。

表２を参照して、本発明例では管端部の加熱温度が１２００℃〜１３００℃未満では、加熱温度が１２００℃以上であるにもかかわらず、δフェライト率は０．３％以下であり、δフェライトが低減された。加熱温度が１２７０℃未満では、製造された１３Ｃｒ鋼管のδフェライト率は０．１％以下であり、さらにδフェライトが低減された。

表３を参照して、参考例では管端部の加熱温度が１１９０℃以下ではδフェライト率は０．１５％以下であった。一方、加熱温度が１１９５℃では１．３３％、１２０５℃では０．８３％であった。すなわち、参考例では管端部の加熱温度が１２００℃近傍においてδフェライト率が急激に上昇した。

表２及び表３の結果より、加熱工程でδフェライトが生成されても、アップセット加工後に焼入れ及び焼戻し工程を実施することで、δフェライトを低減できることがわかった。したがって、１３Ｃｒ鋼管を１２００℃以上に加熱してアップセット加工を実施でき、アンダーフィルの発生を抑制できる。

以上、本発明の実施の形態を説明した。しかしながら、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。したがって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変更して実施することができる。

１アップセッタ
２マンドレルバー
３ダイス

Claims

Ｃｒを１０．０〜１４．０質量％、Ｃを０．０５質量％以下含有するマルテンサイト系ステンレス鋼管の管端部を１２００〜１３００℃未満の温度に加熱する工程と、
加熱された前記管端部をアップセット加工する工程と、
アップセット加工された前記管端部に対して焼入れ及び焼戻しを実施する工程とを備える、マルテンサイト系ステンレス鋼管の製造方法。
請求項１に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼管の製造方法であって、
前記焼入れ及び焼戻しする工程の前に、１回以上の前記加熱する工程と、複数回の前記アップセット加工する工程とを備える、マルテンサイト系ステンレス鋼管の製造方法。
請求項１又は請求項２に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼管の製造方法であって、
前記マルテンサイト系ステンレス鋼管は、質量％で、
Ｃ：０．０５％以下、
Ｓｉ：１．０％以下、
Ｍｎ：１．０％以下、
Ｐ：０．０４％以下、
Ｓ：０．００５％以下、
Ｃｒ：１０．０〜１４．０％、
Ｍｏ：０．５〜７．０％、
Ｎｉ：４．０〜８．０％、
Ａｌ：０．００１〜０．１％、
Ｔｉ：０〜０．７５％、
Ｚｒ：０〜２．０％、
Ｃａ：０〜０．０５％、
Ｍｇ：０〜０．０５％、
希土類元素：０〜０．０５％、及び、
Ｎ：０．０５％以下、
Ｃｕ：０〜３．５％、
Ｖ：０〜０．１２％、を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなるマルテンサイト系ステンレス鋼管の製造方法。