JP7000907B2 - 二相ステンレス鋼管の口絞り加工方法及び二相ステンレス鋼管を生産する方法 - Google Patents

Description

本発明は、二相ステンレス鋼からなる素管の口絞り加工方法及び二相ステンレス鋼管を生産する方法に関する。

鋼管を所定の寸法に加工する方法として、引抜加工がある。一般的な引抜加工は次のとおりである。初めに、引抜加工される鋼管の素管の一方の端部を加熱する。加熱された素管の一方の端部を圧下して細く（縮径）し、把持しやすい形状にする。素管の一方の端部を圧下して縮径する加工は「口絞り加工」と称される。また、口絞り加工により縮径された一方の端部は「口絞り部」と称される。口絞り部は、ダイスに通される。口絞り部はグリッパと呼ばれる把持機構で把持される。グリッパで口絞り部を把持した後、グリッパを引抜方向に移動して、素管を引き抜く。以上の工程により、引抜加工が実施される。引抜加工の後、口絞り部を切断して製品とされる。

近年、深井戸の油井や天然ガス井の開発に伴い、高強度及び耐食性に優れた油井管の需要が増加している。そのため、油井管にはフェライト相及びオーステナイト相を有する二相ステンレス鋼管が用いられることがある。

二相ステンレス鋼からなる素管を所定の温度範囲に加熱すると、σ相が析出することがある。σ相が析出すると素管のじん性が低下する。そのため、σ相が析出した素管を口絞り加工すると、割れが発生することがある。また、口絞り加工で割れが発生しなくても、引抜加工で割れが発生することがある。そのため、引抜加工前に口絞り加工された素管のσ相を除去するために溶体化処理が実施される。溶体化処理はたとえば、素管を所定の温度まで再加熱し、急冷する。これにより、高強度の二相ステンレス鋼からなる素管を口絞り加工及び引抜加工しても、割れを抑制できる。

割れを抑制した口絞り加工方法はたとえば、特開２０１１－１９４４６９号公報（特許文献１）に開示されている。

特許文献１に開示された口絞り加工方法では、引張強度が９８０ＭＰａ以上の高強度の電縫鋼管を用いる。この電縫鋼管は炭素鋼からなる。特許文献１に開示された口絞り方法では、口絞り加工前に、口絞り部を４５０～５５０℃に加熱する。加熱された電縫鋼管をダイスにより口絞り加工する。これにより、電縫鋼管のシーム部の割れを抑制できる、と特許文献１には記載されている。

特開２０１１－１９４４６９号公報

しかしながら、特許文献１の口絞り加工方法は、σ相が析出しにくい炭素鋼からなる電縫鋼管を対象とする。そのため、特許文献１の口絞り加工方法を二相ステンレス鋼管に単純に適用することはできない。また、電縫鋼管は、鋼板を円形にし、鋼板の端部同士を溶接により接合する。そのため、特許文献１の炭素鋼を二相ステンレス鋼に代えても、溶接熱によりσ相が発生しやすい。すなわち、特許文献１の口絞り加工方法により加工された二相ステンレス鋼管に対しては溶体化処理が必須となる。溶体化処理を実施すれば、作業工程が１つ増えるため生産効率が低い。

さらに、σ相は材料を所定の温度範囲で一定時間保持すると析出する。このσ相が析出する所定の温度範囲（σ相析出温度域）は材料の組成に依存する。そのため、予め口絞り加工対象の材料のσ相析出温度域を調査し、σ相析出温度域外で口絞り加工を実施して素管の割れを抑制することが考えられる。しかしながら、実操業では、σ相析出温度域外で口絞り加工を実施しても素管に割れが発生することがある。

本発明の目的は、溶体化処理をしなくても割れを抑制した二相ステンレス鋼管の素管の口絞り加工方法及び二相ステンレス鋼管を生産する方法を提供することである。また、本発明のもう一つの目的は、実操業を考慮した割れを抑制する二相ステンレス鋼管の口絞り加工方法及び二相ステンレス鋼管を生産する方法を提供することである。

本実施形態の口絞り加工方法は、質量％で、Ｃ：０．００８～０．０３％、Ｓｉ：０～１％、Ｍｎ：０．１～２％、Ｃｒ：２０～３５％、Ｎｉ：３～１０％、Ｍｏ：０～５％、Ｗ：０～６％、Ｃｕ：０～３％、及び、Ｎ：０．１５～０．４０％、を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなる二相ステンレス鋼の素管の端部の口絞り加工方法である。口絞り加工方法は、加熱工程と、口絞り加工工程と、を含む。加熱工程では、素管の端部を６５０℃以上、８００℃未満に加熱する。口絞り加工工程では、口絞り加工終了時の端部の温度Ｔｆが、４００℃以上、かつ、口絞り加工開始時の端部の温度Ｔｏに対して式（１）を満たして加熱された端部を口絞り加工する。
Ｔｆ ≧ ４．４Ｔｏ－２６８０ （１）

本実施形態の二相ステンレス鋼管を生産する方法は、準備工程と、加熱工程と、口絞り加工工程と、冷間引抜加工工程と、を含む。準備工程では、質量％で、Ｃ：０．００８～０．０３％、Ｓｉ：０～１％、Ｍｎ：０．１～２％、Ｃｒ：２０～３５％、Ｎｉ：３～１０％、Ｍｏ：０～５％、Ｗ：０～６％、Ｃｕ：０～３％、及び、Ｎ：０．１５～０．４０％、を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなる二相ステンレス鋼の素管を準備する。加熱工程では、素管の端部を６５０℃以上、８００℃未満に加熱する。口絞り加工工程では、口絞り加工終了時の端部の温度Ｔｆが、４００℃以上、かつ、口絞り加工開始時の端部の温度Ｔｏに対して式（１）を満たして加熱された端部を口絞り加工する。冷間引抜加工工程では、口絞り加工された素管を冷間引抜加工する。
Ｔｆ ≧ ４．４Ｔｏ－２６８０ （１）

本発明による口絞り加工方法及び二相ステンレス鋼管を生産する方法によれば、溶体化処理をしなくても二相ステンレス鋼管の素管の割れが抑制される。また、本発明による口絞り加工方法及び二相ステンレス鋼管を生産する方法によれば、実操業での二相ステンレス鋼管の素管の割れを抑制できる。

図１は、口絞り加工前後の素管の温度と加工割れとの関係を示す図である。 図２は、口絞り加工工程を示す断面図である。 図３は、引抜装置の全体構成図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳しく説明する。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。

本明細書において、「素管」とは引抜加工前の二相ステンレス鋼管を意味する。また、本実施形態の二相ステンレス鋼管は継目無鋼管を対象とする。

σ相の析出挙動は、加熱温度、口絞り加工終了時の素管の温度、口絞り加工後の素管の温度履歴等の複合的な要因により左右される。口絞り加工後の素管の組織中にσ相が一旦析出すれば、次工程の冷間引抜加工において、素管の口絞り部が破断する可能性が高まる。そのため、口絞り加工後の素管の全領域においてσ相の析出を完全に防止することが望ましい。

本発明者らは、口絞り加工において二相ステンレス鋼管の素管が割れる原因について検討した。その結果、口絞り加工前後において素管の温度がσ相析出温度未満であれば、σ相の析出が抑制され、二相ステンレス鋼管の素管の割れが抑制できることを見出した。この観点からすれば、予め、口絞り加工対象の材料のσ相析出温度域を調べ、σ相析出温度域外で口絞り加工をすれば素管の割れを抑制できる。σ相析出温度域は、口絞り加工される素管に適当なひずみ量を与えた後、材料を種々の温度に加熱し、組織を観察することで求められる。

しかしながら、実操業では、σ相析出温度域外で口絞り加工を実施しても、素管に割れが発生することがある。本発明者らは、このσ相析出温度域外での口絞り加工による素管の割れの原因を検討した。その結果、この原因は次のように考察される。

一般に、口絞り加工は複数回に分けて実施される。口絞り加工の際、素管は工具と接触するため工具抜熱により素管の温度は低下する。これは、口絞り加工回数が多いほど顕著となる。また、放冷によっても素管の温度は低下する。そのため、口絞り加工による素管の塑性変形によって材料組織内に導入された格子欠陥の移動が停滞し、材料の回復現象が起こりにくくなる。その結果、素管の累積ひずみが増大し、加工硬化に伴う材料の延性が低下する。これにより、素管に割れが発生し得ると考えられる。要するに、本発明者らは、σ相析出温度域外での口絞り加工であっても、工具抜熱等の様々な要因に起因する実操業条件を考慮して素管の温度を適切に制御しなければ、口絞り加工において素管に割れが発生し得ることを見出した。

続いて、本発明者らは口絞り加工又は引抜加工において二相ステンレス鋼管の素管が割れる原因をさらに詳細に調査した。その結果、次の知見を得た。口絞り加工又は引抜加工において、二相ステンレス鋼管の素管に割れが発生するか否かの境界に関して、素管の加熱温度、すなわち口絞り加工前（開始時）の素管の温度と、口絞り加工後（終了時）の素管の温度とに所定の関係があり、単に口絞り加工前後で素管の温度がσ相析出温度域外であればよいのではなく、この所定の関係を考慮して素管の温度を制御する必要がある。要するに、素管の割れを抑制できる口絞り加工前の素管の温度及び口絞り加工後の素管の温度は一定値ではなく、口絞り加工後の素管の温度は口絞り加工前の素管の温度に対応する。この点について具体的に説明する。

後述する実施例に示すように、本発明者らは、二相ステンレス鋼管の素管の端部を加熱し（加熱工程）、加熱された素管の端部を口絞り加工した（口絞り加工工程）。その後、口絞り加工された素管を冷間で引抜加工し（引抜加工工程）、二相ステンレス鋼管を製造した。そして、口絞り加工工程中又は引抜加工工程中に素管に割れが発生したか否かを目視観察及びミクロ組織観察により確認した。試験条件の詳細については、後述の実施例で述べるため、ここでは省略する。

図１は、口絞り加工前後の素管の温度と加工割れとの関係を示す図である。図１は、後述する実施例の試験結果である。図１中、横軸は口絞り加工開始時の温度Ｔｏ（℃）を示し、縦軸は口絞り加工終了時の温度Ｔｆ（℃）を示す。図１中、白丸印は口絞り加工及び引抜加工で素管に割れが発生しなかった結果を示し、黒丸印は口絞り加工又は引抜加工で素管に割れが発生した結果を示す。図１中、白三角印は口絞り加工開始時から口絞り加工終了時までが、２０分未満であれば素管に割れは発生しなかったが、２０分以上であれば素管に割れが発生した結果を示す。

図１を参照して、後述する実施例の結果に基づき素管に割れが発生しなかった温度域は直線１～直線４で囲まれる領域である。各直線について説明する。

直線１は、素管に割れが発生しなかった結果（白丸印及び白三角印）と、割れが発生した結果（黒丸印）との境界を表す。なお、白三角印で示す結果では、口絞り加工開始時から２０分以上経てば素管に割れが発生したが、実操業では口絞り加工開始時から口絞り加工終了時までを２０分未満とすることは可能であるため、白三角印も素管に割れが発生しなかった結果に含める。この直線１を口絞り加工終了時の素管（端部）の温度Ｔｆ（℃）と口絞り加工開始時の素管（端部）の温度Ｔｏ（℃）との関数で表すと、以下の式となる。
Ｔｆ ＝ ４．４Ｔｏ－２６８０

直線２は、口絞り加工終了時の素管の温度Ｔｆが４００℃の線を示す。二相ステンレス鋼管は高強度であるため、口絞り加工終了時の素管の温度Ｔｆが４００℃未満であれば、加工中の素管の温度低下を考慮しても、口絞り加工開始時の素管の温度Ｔｏが６５０℃以上となることはない。口絞り加工開始時の素管の温度Ｔｏが６５０℃未満であれば、素管の加工性が低く、素管を所望の外径に縮径することが困難である。したがって、実質的に二相ステンレス鋼管の口絞り加工において、口絞り加工終了時の素管の温度Ｔｆが４００℃以下となることはない。直線２は、このことを表している。

直線３は、口絞り加工開始時の素管の温度Ｔｏが６５０℃の線を示す。上述と同様に、口絞り加工開始時の素管の温度Ｔｏが６５０℃未満であれば、素管の加工性が低く、素管を所望の外径に縮径することが困難である。口絞り加工開始時の素管の温度Ｔｏが６５０℃未満であっても、口絞り加工は不可能ではないが、高出力のプレス機が必要となり、またプレス機のダイスが早期に消耗しやすくなる。そのため、口絞り加工開始時の素管の温度Ｔｏの下限は６５０℃である。

直線４は、口絞り加工終了時の素管の温度Ｔｆと口絞り加工開始時の素管の温度Ｔｏとの等温線を示す。口絞り加工では、ダイスが素管の端部を圧下する。その際、ダイスの温度は加熱された素管の温度よりも低い。したがって、口絞り加工により素管は抜熱される。換言すれば、口絞り加工終了時の素管の温度Ｔｆが口絞り加工開始時の素管の温度Ｔｏよりも大きくなることは原則あり得ない。そのため、直線４は物理的な理由により定まる線である。なお、口絞り加工の際、ダイスを高速に稼働させたり、プレス機の出力を著しく高くすれば、加工発熱により、口絞り加工終了時の素管の温度が口絞り加工開始時の素管の温度よりも高くなる場合がある。しかしながら、本実施形態の口絞り加工方法及び二相ステンレス鋼管を生産する方法では、そのような高速強加工は対象外とする。

ここで、直線１に着目する。上述したように、素管の割れの原因となるσ相の析出は素管の温度に依存することが知られている。したがって一般に、素管が割れるか否かは、口絞り加工前の素管の温度と口絞り加工後の素管の温度との関係ではなく、口絞り加工前、加工中及び加工後の素管の温度がσ相析出温度域でなければよいと考えられていた。しかしながら、実際には上述したように口絞り加工による素管の材料の延性低下によって、σ相析出温度域外での口絞り加工であっても素管が割れることがある。本発明者らの詳細な検討により、素管に割れが発生するか否かの境界は、口絞り加工終了時の素管の温度Ｔｆ及び口絞り加工開始時の素管の温度Ｔｏの関数となることが見出された。

たとえば、口絞り加工開始時の素管の温度Ｔｏが７００℃の場合を見ると、この場合、素管に割れが発生しないための口絞り加工終了時の素管の温度Ｔｆは４００℃～７００℃である。一方、口絞り加工開始時の素管の温度Ｔｏが７５０℃の場合を見ると、この場合、素管に割れが発生しないための口絞り加工終了時の素管の温度Ｔｆは約６２０℃～約７５０℃である。このように、口絞り加工前、加工中及び加工後の素管の温度がσ相析出温度域外のある一定の温度範囲であれば素管に割れが発生しないのではなく、口絞り加工前後の素管の温度に相関があり、口絞り加工開始時の素管の温度によって割れの発生を抑制できる口絞り加工終了時の素管の温度が変わることが見出された。

以上の知見に基づいた本実施形態の口絞り加工方法は、質量％で、Ｃ：０．００８～０．０３％、Ｓｉ：０～１％、Ｍｎ：０．１～２％、Ｃｒ：２０～３５％、Ｎｉ：３～１０％、Ｍｏ：０～５％、Ｗ：０～６％、Ｃｕ：０～３％、及び、Ｎ：０．１５～０．４０％、を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなる二相ステンレス鋼の素管の端部の口絞り加工方法である。口絞り加工方法は、加熱工程と、口絞り加工工程と、を含む。加熱工程では、素管の端部を６５０℃以上、８００℃未満に加熱する。口絞り加工工程では、口絞り加工終了時の端部の温度Ｔｆが、４００℃以上、かつ、口絞り加工開始時の端部の温度Ｔｏに対して式（１）を満たして加熱された端部を口絞り加工する。
Ｔｆ ≧ ４．４Ｔｏ－２６８０ （１）

上述したように、σ相析出温度域外での口絞り加工であっても素管に割れが生じることがある。本発明者らは、この原因が口絞り加工中の材料の延性低下によることを見出した。そして、この材料の延性低下による素管の割れには、口絞り加工開始時の素管の端部の温度と、口絞り加工終了時の素管の端部の温度とが所定の関係（式（１））を有することを見出した。この知見に基づいて口絞り加工前後の二相ステンレス鋼管の素管の温度を制御すれば、後述する実施例に示すように、σ相析出温度域外で口絞り加工を実施するため、σ相を除去する溶体化処理は必要ない。さらに、実操業における口絞り加工中の素管の延性低下をも考慮しているため、素管の割れの発生がさらに抑制される。

好ましくは、上記の口絞り加工方法において、口絞り加工開始時から口絞り加工終了時までが、１５分以内である。

σ相の析出は材料の温度及びその温度の保持時間に依存する。口絞り加工において、素管の端部全域の温度を正確に把握することは実際上困難である。そのため、素管の端部の一部の領域の温度が、σ相析出温度域に達することも考えられる。したがって、σ相が析出するまでの間に口絞り加工を終了すれば、仮に素管の端部の一部がσ相析出温度域であっても素管の割れを抑制できる。

好ましくは、口絞り加工する工程では、端部の外径加工度が３２％以下である。

二相ステンレス鋼は高強度であるため、外径加工度が大きすぎればプレス機を高出力にする必要があり、また口絞り加工工具（ダイス）が早期に消耗する。したがって、外径加工度は一定値以下であるのが好ましい。

本実施形態の二相ステンレス鋼管を生産する方法は、準備工程と、加熱工程と、口絞り加工工程と、冷間引抜加工工程と、を含む。準備工程では、質量％で、Ｃ：０．００８～０．０３％、Ｓｉ：０～１％、Ｍｎ：０．１～２％、Ｃｒ：２０～３５％、Ｎｉ：３～１０％、Ｍｏ：０～５％、Ｗ：０～６％、Ｃｕ：０～３％、及び、Ｎ：０．１５～０．４０％、を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなる二相ステンレス鋼の素管を準備する。加熱工程では、素管の端部を６５０℃以上、８００℃未満に加熱する。口絞り加工工程では、口絞り加工終了時の端部の温度Ｔｆが、４００℃以上、かつ、口絞り加工開始時の端部の温度Ｔｏに対して式（１）を満たして加熱された端部を口絞り加工する。冷間引抜加工工程では、口絞り加工された素管を冷間引抜加工する。
Ｔｆ ≧ ４．４Ｔｏ－２６８０ （１）

以下、本実施形態の口絞り加工方法について説明する。本実施形態の口絞り加工方法は、加熱工程と、口絞り加工工程と、を含む。

［加熱工程］
加熱工程では、二相ステンレス鋼管の素管の端部を加熱装置により加熱する。加熱する方法は特に限定されないが、通常、インダクションヒータ、ガス加熱等で行われる。素管の端部は、素管の端面から所定の長さの領域を意味する。要するに、素管の端部は、口絞り部に相当する。素管の端部を加熱することにより材料の加工性が向上するため、高強度の二相ステンレス鋼管であっても、口絞り加工できる。

素管の端部の加熱温度は、６５０℃以上、８００℃未満である。上述したように、口絞り加工開始時の素管の温度Ｔｏが６５０℃未満であれば、素管の加工性が低く、素管を所望の外径に縮径することが困難である。加熱工程で素管の端部の温度が６５０℃以上であれば、実際上、口絞り加工開始時の素管の温度が６５０℃未満となりにくい。したがって、加熱工程での素管の端部の加熱温度の下限は６５０℃である。なお、口絞り加工開始時の素管の温度Ｔｏが６５０℃未満であっても、口絞り加工は不可能ではないが、高出力のプレス機が必要となり、またプレス機のダイスが早期に消耗しやすくなる。この観点からも、口絞り加工開始時の素管の温度Ｔｏの下限は６５０℃である。後述する実施例に基づき、口絞り加工開始時の素管の温度Ｔｏが８００℃以上であれば、σ相が析出しやすくなる。加熱工程で素管の端部の温度が８００℃未満であれば、実際上、口絞り加工開始時の素管の温度が８００℃以上となることは原則ない。したがって、加熱工程での素管の端部の加熱温度の上限は８００℃である。好ましくは、加熱工程での素管の端部の加熱温度の上限は７５０℃である。口絞り加工開始時の素管の温度Ｔｏは低い方がσ相が析出しにくくなるからである。

［口絞り加工工程］
口絞り加工工程は、加熱工程後に実施される。口絞り加工工程では、加熱された素管の端部を口絞り加工する。より具体的には、素管の端部を口絞り加工装置で圧下し、縮径する。口絞り加工装置はたとえば、プレス装置、スウェージング装置等である。

図２は、口絞り加工工程を示す断面図である。図２は、素管の管軸ＣＡ方向に垂直な断面を示す。図２を参照して、素管２の端部を口絞り加工装置１に回転可能に固定する。口絞り加工装置１は複数のダイス３を有する。図２では、口絞り加工装置１が素管２の円周方向に等間隔に配置された８つのダイス３を有する場合を示す。しかしながら、ダイス３の数は８つに限定されない。ダイス３の数は、適宜設定されればよい。

素管２を管軸ＣＡ周りに回転させながら、ダイス３が素管２の径方向（図２中の矢印方向）に往復運動する。これにより、素管２の端部が口絞り加工され、縮径される。すなわち、口絞り部が成形される。なお、上述の説明と異なり、ダイス３が素管２の周方向に沿って移動して素管２の端部を口絞り加工してもよい。口絞り部の断面形状は円形であってもよいし、円形でなくてもよい。要するに、口絞り部の断面形状は引抜加工時にグリッパが把持できる形状であればよい。

口絞り加工工程は、複数回繰り返してもよい。すなわち、複数回に分けて素管の端部を口絞り加工してもよい。口絞り加工を複数回に分けることで、１回の外径加工度を小さくすることができ、口絞り加工による素管の割れをさらに抑制できる。

図１を参照して、上述したように、二相ステンレス鋼管の素管の口絞り加工において、素管の割れの発生が抑制できるのは、直線１～直線４で囲まれる領域である。図１の直線２に基づけば、素管の端部の割れを抑制するには、口絞り加工終了時の素管の端部の温度Ｔｆは、４００℃以上である必要がある。これに加え、図１の直線１に基づけば、口絞り加工終了時の素管の端部の温度Ｔｆは、以下の式（１）も満たしている必要がある。
Ｔｆ ≧ ４．４Ｔｏ－２６８０ （１）

すなわち、口絞り加工終了時の端部の温度Ｔｆが、４００℃以上、かつ、口絞り加工開始時の素管の温度Ｔｏに対して式（１）を満たして素管の端部を口絞り加工すれば、σ相の析出に起因する素管の割れを抑制し、さらには、口絞り加工による材料の延性低下に起因する素管の割れをも抑制することができる。また、図１の直線１～直線４で囲まれる領域内の温度は、後述する実施例に示すようにσ相析出温度域外であるため、σ相の析出が抑制され、σ相を除去するために溶体化処理を実施する必要もない。なお、複数回口絞り加工工程を実施する場合であっても、各口絞り加工工程において口絞り加工終了時の端部の温度Ｔｆが、４００℃以上、かつ、口絞り加工開始時の素管の温度Ｔｏに対して式（１）を満たす必要がある。

後述する実施例に基づいて、口絞り加工工程では、１回の口絞り加工による素管の端部の外径加工度は３２％以下であるのが好ましい。二相ステンレス鋼等の高強度の材料は、塑性変形しにくい。そのため、素管の外径加工度が３２％よりも大きければ、口絞り加工により素管の端部に割れ等が発生しやすい。したがって、素管の外径加工度は３２％以下であるのが好ましい。

［加工時間］
σ相の析出は、素管の温度以外にも、素管の温度の保持時間にも依存する。たとえば、二相ステンレス鋼管の素管をあるσ相析出温度に加熱し、その温度を保持したとする。加熱後所定時間は素管にσ相は析出しないが、所定時間を過ぎると素管にσ相が析出する。この所定時間は素管の温度によって変化する。そのため、実操業では、予め口絞り加工する素管の材料のσ相析出温度域を調査し、それに基づいて口絞り加工前後の素管の温度を制御し、σ相の析出を抑制している。

しかしながら、口絞り加工では時々刻々と素管の温度は変化する。また、口絞り加工により導入されるひずみ量は、素管の端部の場所によって異なり、一様ではない。したがって、ある温度及びあるひずみ量におけるσ相の析出条件を把握しても、完全に実操業での口絞り加工の条件を考慮しているとは言えず、操業条件を決定する目安となるに過ぎない。また、あらゆる温度及びひずみ量についてσ相の析出条件を予備調査することは実際上困難である。そのため、素管の端部の一部の領域の温度が、σ相温度域に達することも考えられる。したがって、σ相が析出するまでの間に口絞り加工を終了すれば、仮に素管の端部の一部がσ相析出温度域であっても素管の割れを抑制できる。後述する実施例に基づき、口絞り加工工程では、口絞り加工開始時から口絞り加工終了時までが、２０分未満であればよい。しかしながら、実操業上、σ相が析出する時間の直前までよりもある程度余裕がある方が好ましいので、口絞り加工開始時から口絞り加工終了時までが１５分以内であるのが好ましい。

［二相ステンレス鋼］
本実施形態の口絞り加工方法は、二相ステンレス鋼管の素管の端部の口絞り加工を対象とする。以下、本実施形態の二相ステンレス鋼について説明する。以下の説明において、各成分元素の含有量の「％」は「質量％」を意味する。

Ｃ：０．００８～０．０３％
炭素（Ｃ）は、鋼中のオーステナイト相を安定化する。一方、Ｃ含有量が高すぎれば、粗大な炭化物が析出しやすくなり、鋼の耐食性、特に耐ＳＣＣ性が低下する。したがって、Ｃ含有量は０．００８～０．０３％である。

Ｓｉ：０～１％
シリコン（Ｓｉ）は、任意元素である。Ｓｉは、鋼を脱酸する。Ｓｉはさらに、鋼の耐食性を高める。Ｓｉ含有量が高すぎれば、オーステナイト組織の安定性が低下し、かつ、延性が低下する。したがって、Ｓｉ含有量は０～１％である。

Ｍｎ：０．１～２％
マンガン（Ｍｎ）は、鋼を脱酸するとともに、オーステナイト組織を安定化させる。また、Ｍｎは、σ相の析出を抑制しつつ、鋼の強度を高める。一方、Ｍｎ含有量が高すぎれば、鋼の耐食性が低下する。したがって、Ｍｎ含有量は、０．１～２％である。

Ｃｒ：２０～３５％
クロム（Ｃｒ）は鋼の耐食性を高める。一方、Ｃｒ含有量が高すぎれば、σ相に代表される金属間化合物が顕著に析出し、鋼の熱間加工性を低下する。したがって、Ｃｒ含有量は２０～３５％である。

Ｎｉ：３～１０％
ニッケル（Ｎｉ）はオーステナイト組織を安定化させる。Ｎｉはさらに、鋼の耐食性を高める。一方、Ｎｉ含有量が高すぎれば、二相ステンレス鋼中のフェライト相の割合が減少する。さらに、σ相に代表される金属間化合物が顕著に析出する。したがって、Ｎｉ含有量は３～１０％である。

Ｍｏ：０～５％
モリブデン（Ｍｏ）は、任意元素である。Ｍｏは、鋼の耐食性及び強度を高める。一方、Ｍｏ含有量が高すぎれば、σ相に代表される金属間化合物が顕著に析出する。したがって、Ｍｏ含有量は０～５％である。

Ｗ：０～６％
タングステン（Ｗ）は、任意元素である。Ｗは、鋼の耐食性を高める。一方、Ｗ含有量が高すぎれば、σ相に代表される金属間化合物が顕著に析出する。したがって、Ｗ含有量は０～６％である。

Ｃｕ：０～３％
銅（Ｃｕ）は、任意元素である。Ｃｕはオーステナイト組織を安定化させる。Ｃｕはさらに、フェライト相及びオーステナイト相の境界におけるσ相の生成を抑制する。Ｃｕはさらに、鋼の強度を高める。一方、Ｃｕ含有量が高すぎれば、鋼の熱間加工性が低下する。したがって、Ｃｕ含有量は０～３％である。

Ｎ：０．１５～０．４０％
窒素（Ｎ）は、オーステナイト組織を安定化させる。Ｎは、二相ステンレス鋼の熱的安定性、強度及び耐食性を高める。一方、Ｎ含有量が高すぎれば、溶接欠陥であるブローホールが発生しやすくなる。さらに、溶接時の熱影響により粗大な窒化物が生成し、鋼の靭性及び耐食性が低下する。したがって、Ｎ含有量は０．１５～０．４０％である。

本実施形態の二相ステンレス鋼の残部は、鉄（Ｆｅ）及び不純物からなる。ここでいう不純物は、鋼の原料として利用される鉱石やスクラップ、又は製造過程の環境等から混入される元素をいう。不純物はたとえば、燐（Ｐ）、硫黄（Ｓ）、アルミニウム（Ａｌ）等である。

以上、本実施形態の口絞り加工方法を説明した。続いて、本実施形態の口絞り加工方法を用いた二相ステンレス鋼管を生産する方法を説明する。本実施形態の二相ステンレス鋼管を生産する方法は、準備工程と、加熱工程と、口絞り加工工程と、引抜加工工程と、を含む。

［準備工程］
準備工程では、上述した二相ステンレス鋼の素管を準備する。素管は継目無鋼管である。マンネスマン製法、ユジーン製法等により製造された二相ステンレス鋼管の素管を所定の長さに切断し、口絞り加工用の二相ステンレス鋼管の素管を得る。

［加熱工程］
加熱工程は、上述した本実施形態の口絞り加工方法の加熱工程と同じである。そのため、詳細な説明は省略する。

［口絞り加工工程］
口絞り加工工程は、上述した本実施形態の口絞り加工方法の口絞り加工ステップと同じである。そのため、詳細な説明は省略する。すなわち、本実施形態の二相ステンレス鋼管を生産する方法の加熱工程及び口絞り加工工程では、上述した本実施形態の口絞り加工方法を実施する。口絞り加工工程後、素管を常温まで冷却する。冷却方法はたとえば、常温での放冷である。

［引抜加工工程］
冷却された素管に対し冷間引抜加工を実施する。これにより、所定の寸法に縮径された二相ステンレス鋼管が得られる。

図３は、引抜装置の全体構成図である。引抜装置は、グリッパ４と、ダイス５と、キャリッジ６と、移動装置７とを備える。図３では、ダイス５は断面図を示す。

ダイス５は、引抜加工時に素管２を縮径して、素管２の真円度を高める。ダイス５は、入側（図３の左側）から出側（図３の右側）に向かって順に、アプローチ部８、ベアリング部９を連続して備える。アプローチ部８では、ダイス５の入側から出側に向かって内径が徐々に小さくなる。すなわち、アプローチ部８はテーパ形状を有する。ベアリング部９は円筒である。ベアリング部９の内径は一定で、製造される二相ステンレス鋼管の外径に相当する。

グリッパ４は、引抜加工中の素管２の口絞り部１０を把持する。図３では、口絞り部１０はグリッパ４で隠れているため破線で示す。グリッパ４はキャリッジ６に取り付けられる。キャリッジ６は移動装置７に取付けられる。移動装置７はたとえばチェーンであり、引抜加工時に、キャリッジ６及びグリッパ４を引抜方向Ｘに移動する。これにより、グリッパ４に把持された素管２が引き抜かれ、二相ステンレス鋼管が得られる。

本実施形態の口絞り加工方法の効果を確認するために、口絞り加工前の素管の加熱温度を種々変更して口絞り加工を実施した。すなわち、口絞り加工開始時の素管の温度Ｔｏを
種々変更して口絞り加工を実施した。具体的には、二相ステンレス鋼管の素管の端部を加熱した（加熱工程）。その後、加熱された素管の端部を２回から１０回の範囲で口絞り加工した（口絞り加工工程）。加熱工程では、加熱炉を制御し、素管の端部を約６７０℃～約８００℃の範囲の種々の温度に加熱した。口絞り加工工程では、１回当たりの加工量を変化させて口絞り回数を２回から１０回の間で変化させ、口絞り加工開始から口絞り加工終了までの時間を３分から１５分の間で変化させることにより、口絞り加工終了時の素管の端部の温度を約４２０℃～約７２０℃の範囲の種々の温度に変化させた。そして、口絞り加工後、素管の割れの有無を目視観察及びミクロ組織観察により確認した。

［試験条件］
本実施例で用いた二相ステンレス鋼の組成を表１に示す。口絞り加工条件を表２に示す。

表２中、「口絞り径」とは、口絞り加工後の素管の外径を意味する。「外径加工度」は、以下の式で算出された。本実施例での素管の端部の加熱方法は、インダクションヒータによる直接加熱であった。
（外径加工度（％））＝（１－（口絞り加工後の素管の端部の外径）／（口絞り加工前の素管の端部の外径））×１００

［試験結果］
試験結果を、図１に示す。図１を参照して、口絞り加工開始時の素管の温度Ｔｏが８００℃であれば、素管に割れが発生した。口絞り加工開始時の素管の温度Ｔｏが８００℃の試験での素管を観察すると、σ相の析出が観察された。また、σ相は素管の温度が高温になると析出しやすくなる。すなわち、口絞り加工開始時の素管の温度Ｔｏが８００℃以上であれば、σ相析出温度域であることが分かった。

口絞り加工開始時の素管の温度Ｔｏが８００℃未満であっても、口絞り加工終了時の素管の温度Ｔｆが低いほど、素管に割れが発生しやすかった。口絞り加工開始時の素管の温度Ｔｏが８００℃未満であって、素管に割れが発生した試験での素管を観察すると、σ相の析出は観察されなかった。すなわち、これらの試験では、σ相に起因して素管は割れず、上述したように材料の延性低下により素管に割れが発生したものと考えられる。

以上、本発明の実施形態を説明した。しかしながら、上述した実施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形態を適宜変更して実施することができる。

１：口絞り加工装置
２：素管
３：ダイス
４：グリッパ
５：ダイス
６：キャリッジ
７：移動装置
８：アプローチ部
９：ベアリング部
１０：口絞り部

Claims (2)

1. 質量％で、Ｃ：０．００８～０．０３％、Ｓｉ：０～１％、Ｍｎ：０．１～２％、Ｃｒ：２０～３５％、Ｎｉ：３～１０％、Ｍｏ：０～５％、Ｗ：０～６％、Ｃｕ：０～３％、及び、Ｎ：０．１５～０．４０％、を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなる二相ステンレス鋼の素管の端部の口絞り加工方法であって、
   前記素管の端部を６５０℃以上、８００℃未満に加熱する工程と、
   口絞り加工終了時の前記端部の温度Ｔｆが、４００℃以上、かつ、口絞り加工開始時の前記端部の温度Ｔｏに対して式（１）を満たして前記加熱された端部を口絞り加工する工程と、を備える口絞り加工方法であって、
   前記口絞り加工開始時から前記口絞り加工終了時までが、１５分以内であり、
   前記口絞り加工する工程では、１回又は複数回の口絞り加工を行い、前記端部の外径加工度が３２％以下である、口絞り加工方法。
   Ｔｆ ≧ ４．４Ｔｏ－２６８０ （１）
2. 質量％で、Ｃ：０．００８～０．０３％、Ｓｉ：０～１％、Ｍｎ：０．１～２％、Ｃｒ：２０～３５％、Ｎｉ：３～１０％、Ｍｏ：０～５％、Ｗ：０～６％、Ｃｕ：０～３％、及び、Ｎ：０．１５～０．４０％、を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなる二相ステンレス鋼の素管を準備する工程と、
   前記素管の端部を６５０℃以上、８００℃未満に加熱する工程と、
   口絞り加工終了時の前記端部の温度Ｔｆが、４００℃以上、かつ、口絞り加工開始時の前記端部の温度Ｔｏに対して式（１）を満たして前記加熱された端部を口絞り加工する工程と、
   前記口絞り加工された素管を冷間引抜加工する工程と、を備える二相ステンレス鋼管を生産する方法であって、
   前記口絞り加工開始時から前記口絞り加工終了時までが、１５分以内であり、
   前記口絞り加工する工程では、１回又は複数回の口絞り加工を行い、前記端部の外径加工度が３２％以下である、二相ステンレス鋼管を生産する方法。
   Ｔｆ ≧ ４．４Ｔｏ－２６８０ （１）

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