JP7239019B2 - 継目無鋼管およびその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、継目無鋼管とその製造方法に関する。
継目無鋼管は、中実の材料に孔をあける穿孔圧延と、引き続き肉厚を製品サイズにする減肉・延伸圧延、最後に外径を製品サイズにする定形圧延（外径縮径圧延）とを行うことで製造される。継目無鋼管は、板を曲げて溶接する溶接鋼管に比べ、周断面の材質を均一にできるため信頼性が高い。更に、継目無鋼管は、外径に対して肉厚が厚い製品形状を容易に作れるため、高い断面係数が得られる。そのため、継目無鋼管は、自動車用の部品や発電所のボイラー用耐熱鋼管に多く利用される。
特許文献１では、自動車の各種シャフトのような細径の継目無鋼管に冷間引き抜き加工を行うような細径で肉厚が厚い細径継目無鋼管の製造方法について開示されている。特許文献２では、Crを２５．０％まで含むことで耐熱性に優れた細径継目無鋼管が開示されている。
日本特許第３０８２６６５号 日本特許第３４６３６１７号
穿孔圧延や減肉・延伸圧延は、熱間で素材に孔をあけ、鋼管の肉厚を薄くすることが主の目的であるため、外径を細く仕上げる機能はない。そのため、継目無鋼管は、定形圧延機による定形圧延（外径縮径圧延）により所定の寸法を得る。外径縮径圧延では内径が小さくなるので、内面に工具を用いることはできず、鋼管内表面は自由変形となる。このような場合、鋼管内表面の材料は拘束や矯正されることがないため、肉厚の変化が生じる、または穿孔圧延や減肉・延伸圧延で発生した偏肉が矯正されずに製品に残存する。定形圧延後の継目無鋼管は、その後、そのまま、または必要に応じて更に冷間加工（冷間引き抜き加工）を経て製品となる。定形圧延後の継目無鋼管に偏肉があると様々な問題が起こる。例えば、製品強度特性は偏肉で肉厚が薄い部分が最も低くなる。製品特性は最も強度特性が低い部分で保証されるので、偏肉による薄い部分があると製品強度特性が低下する。また、管同士を長手方向端部にて溶接で接合する際には、接合部の肉厚が一致しないため、接合が不良になる。そのため、鋼管の外形寸法や偏肉は厳しい管理基準が設けられている。継目無鋼管の偏肉は冷間引き抜き加工を行われた後も残存するため、冷間加工前に偏肉がない鋼管を得る必要がある。
このように、偏肉が製品に残存すると様々な不良を招く。このため、偏肉の少ない鋼管製品の製造を目的とした様々な開発が行われている。しかしながら、継目無鋼管の鋼管内表面の微小な欠陥が製品疲労特性や冷間引き抜き加工の製造性に与える影響については十分に検討されていなかった。ここでいう微小な欠陥とは、鋼管内外表面に残存し、検査で有害であると検出されない欠陥、つまり肉厚に対して疵の深さが１０％以下といった、微細な疵の集合体である。このような微細な深さの疵や、微細な疵であっても、そのような疵が多く鋼管内面周方向に分布した継目無鋼管が種々の問題を引き起こすことについては十分に解明されていなかった。
そこで本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、疲労寿命が向上し、冷間加工（冷間引き抜き加工）を行う場合でも、冷間加工中のトラブルを抑制し、歩留まりを向上することができ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。
本発明者らは、鋼管内表面の微細な深さの疵形状と分布を詳細に調査した結果、このような疵形態は定形圧延時に発生すること、外径縮径量が大きく肉厚が厚いときに微細な深さの疵の発生が顕著になること、このような疵が多い場合は製品品質にも影響を与えること、加えて、このような疵を有する鋼管の場合、その後の冷間引き抜き加工で工具寿命の低下や製造安定性で問題となることに気付いた。つまり、微細な疵であっても継目無鋼管では、ある深さ以上になる、または鋼管内表面周方向に微細な疵が多く分布すると問題となることを突き止めた。
例えば、疲労強度が必要な継目無鋼管の場合は、材料の疲労特性と鋼管の偏肉を含む断面形状を基に製品寿命が満たされるように形状が設計される。本発明者らが検討した結果、強度設計上問題のない肉厚が確保されたとしても、微細な疵がある深さ以上になる、または管周方向内表面に微細な疵が多く分布すると、さらに長時間の疲労寿命を必要とする場合に、寿命が低下していることが分かった。つまり、微細な疵を抑止できれば、疲労寿命の向上のために必要とされていた肉厚を薄くできることになり、軽量化や素材費用の低廉化が可能である。
また、例えば、継目無鋼管を母管とした冷間引き抜き加工の時には、金型間に鋼管が引き込まれて変形する際に、鋼管に形成された微細な疵がある深さ以上、または管周方向内表面に微細な疵が多く分布すると、高精度に仕上げられた内面圧延用のダイス表面を傷つけ、その結果、次に冷間引き抜き加工を行う継目無鋼管の内表面を傷つけて歩留まりを低下させること、そして、さらにダイス表面に形成された疵が顕著になると焼き付きにより冷間引き抜き加工が実施不能になるといった様々な問題を引き起こすことを突き止めた。
本発明は以上の知見に基づきなされたものであり、その要旨は次のとおりである。
［１］鋼管外径Ｄｏｕｔ（ｍｍ）と肉厚ｔ（ｍｍ）がｔ／Ｄｏｕｔ＝０．０５～０．４０である継目無鋼管で、
管軸方向に垂直な断面の鋼管内表面における疵の最大深さｄｍａｘ（ｍｍ）がｄｍａｘ≦０．３５０で、
前記鋼管内表面における深さ０．０５０ｍｍ以上の疵の平均疵深さｄａｖｅ（ｍｍ）がｄａｖｅ≦０．２００で、
前記鋼管内表面における深さ０．０５０ｍｍ以上の疵の管周方向内周長１ｍｍあたりの個数が３０個以下である継目無鋼管。
［２］前記継目無鋼管は、フェライト粒の平均結晶粒径が１５μｍ以下、または、旧オーステナイト粒の平均結晶粒径が１５μｍ以上である［１］に記載の継目無鋼管。
［３］前記継目無鋼管は、化学成分として、質量％で、
Ｃ：０．０５～０．４５％、Ｓｉ：０．０５～０．４５％、Ｍｎ：０．０５～１．２％を含有する［１］に記載の継目無鋼管。
［４］前記継目無鋼管は、化学成分として、さらに、質量％で、Ｃｒ：４．５％未満を含有し、フェライト粒の平均結晶粒径が１５μｍ以下である［３］に記載の継目無鋼管。
［５］前記継目無鋼管は、化学成分として、さらに、質量％で、Ｃｒ：４．５～９．５％を含有し、旧オーステナイト粒の平均結晶粒径が１５μｍ以上である［３］に記載の継目無鋼管。
［６］前記継目無鋼管は、化学成分として、さらに、質量％で、Ｎｉ：０．５％以下、Ｍｏ：１．５％以下、Ｗ：２．５％以下、Ｎ：０．１０％以下、Ｂ：０．０１０％以下から選ばれる１種以上を含有する［３］～［５］のいずれかに記載の継目無鋼管。
［７］［１］～［６］のいずれかに記載の継目無鋼管の製造方法であって、
穿孔圧延し、次いで減肉・延伸圧延した後、定形圧延するに際し、定形圧延前のオーステナイトの平均結晶粒径ＧＤ（ｍｍ)と定形圧延前の鋼管外径Ｄｉｎｉ（ｍｍ)と定形圧延後の鋼管外径Ｄｏｕｔ（ｍｍ)、定形圧延前の肉厚ｔ0（ｍｍ)について、下記式（１）を満たす継目無鋼管の製造方法。
（Ｄｉｎｉ－Ｄｏｕｔ）２×ｔ0 ２×ＧＤ２≦９９８０ （１）
［８］［７］に記載の継目無鋼管の製造方法であって、前記定形圧延後、加熱温度８５０～１１５０℃で均熱保持時間が１０分以上の熱処理を行う継目無鋼管の製造方法。
本発明の継目無鋼管を用いることで、疲労寿命が向上し、冷間加工(冷間引き抜き加工)を行う場合でも冷間加工中のトラブルを抑制し、歩留まりを向上することができる。
図１は、継目無鋼管を製造する製造プロセスである。 図２は、継目無鋼管内表面に発生する微細疵の形態である。 図３は、定形圧延条件と結晶粒径の関係を調査するための試験片形状である。
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態を説明する。図１は、継目無鋼管を製造する製造プロセスを示す図である。本発明の製造プロセスに用いられる穿孔圧延方法は高合金などの難加工材の熱間成形に有効な熱間押し出し方式、または量産に向くマンネスマン方式のいずれでも可能である。減肉・延伸圧延はエロンゲーターやプラグミル、マンドレルミル、プッシュベンチ法のいずれでも可能である。定形圧延はサイザーやレデューサーに代表される孔型ロールによる外径縮径圧延が対象となる。つまり、定形圧延では孔型ロールを利用して管外径を縮径しながら定形圧延するため、圧延前素管外径よりも圧延後素管外径が小さくなる。
本発明者らは、この外径縮径圧延時に発生する管周方向圧縮ひずみと、その時の増厚ひずみが、微細な疵の発生原因であることを発見した。さらに、本発明者らは、このひずみ形態に加えて、外径縮径圧延を受ける材料の組織が微細疵の発生に影響することも発見した。
図２に、継目無鋼管内表面に発生する微細な疵の形態を示す。本発明者らは、管軸方向に垂直な断面の鋼管内表面における疵の最大深さｄｍａｘ（ｍｍ）がｄｍａｘ≦０．３５０で、鋼管内表面における深さ０．０５０ｍｍ以上の疵の平均疵深さｄａｖｅ（ｍｍ）がｄａｖｅ≦０．２００で、鋼管内表面における深さ０．０５０ｍｍ以上の疵の管周方向内周長１ｍｍあたりの個数が３０個以下であれば、疲労寿命が向上し、二次加工(冷間引き抜き)を行う場合でも二次加工中のトラブルを抑制し、歩留まりを向上することができることを見出した。
本発明において、微細な疵（以下、単に微細疵と称することもある）である管軸方向に垂直な断面の鋼管内表面における疵の最大深さｄｍａｘ（ｍｍ）が０．３５０ｍｍを超えると、製品の機械的特性や耐熱性能が劣化する。また、鋼管内表面における深さ０．０５０ｍｍ以上の疵の平均疵深さｄａｖｅ（ｍｍ）が０．２００ｍｍを超えると、同じく、製品の機械的特性や耐熱性能が劣化し、また、冷間加工を行う場合の工具表面を傷つけ、工具寿命の低下を招く。また、鋼管内表面における深さ０．０５０ｍｍ以上の疵の管周方向内周長１ｍｍあたりの個数が３０個を超えると、同じく、製品の機械的特性や耐熱性能が劣化し、また、冷間加工を行う場合の工具表面を傷つけ、工具寿命の低下を招く。
ここで、鋼管内表面における疵の深さは、鋼管内表面から外表面に向かう方向（深さ方向）の疵をいう。また、疵の深さと分布は、鋼管の輪切り断面を切り出して観察すればよい。輪切りする箇所について、例えば、鋼管の長手方向における中央部付近について輪切り断面を切り出し、表面を研磨したのちに顕微鏡で観察すれば確認できる。鋼管の長手方向における中央部を切断すると製品上問題となる場合は、鋼管の先後端について、同様に輪切り断面を切り出して観察すればよい。ただし、継目無鋼管の定形圧延では圧延先後端の張力が定常部と異なるため、微細疵が過剰に発生しやすい。そのため、先後端を利用して微細疵を調査する場合は定形圧延機で圧延された鋼管の外径をＤｏｕｔとしたときに、先後端から長さ１０Ｄｏｕｔの距離以上を確保して輪切り断面を採取して調査されることが好ましい。また、輪切り断面の観察範囲については、鋼管内表面全体（鋼管断面周方向０～３６０°の範囲）であればよい。また、疵の深さについて、前述したように、鋼管内表面から外表面に向かう方向（深さ方向）の疵をいうが、図２のｄｍａｘのように、鋼管外表面で構成される円弧の法線方向の疵をいう（鋼管外表面から直角方向の深さ）。
本発明では、微細疵を抑制するという理由で、鋼管外径Ｄｏｕｔ（ｍｍ）と鋼管肉厚ｔ（ｍｍ）がｔ／Ｄｏｕｔ＝０．０５～０．４０とする。外径に対して肉厚が薄い場合は微細疵が問題にならないため、下限は０．０５とする。一方で、外径に対して肉厚が厚すぎると定形圧延で管形状にすることが難しいため、上限は０．４０とする。
本発明における継目無鋼管は、外径が５７．２ｍｍ以下の細径であることが好ましい。
本発明の継目無鋼管は、フェライト粒の平均結晶粒径が１５μｍ以下であることが好ましい。その理由は、強度や靭性などの機械的特性を向上させるためである。粒径の下限については特に限定はないが、あまりに細粒化すると微細粒化効果により強度が高くなりすぎて、その後の成形性が悪くなる。そのため、粒径の下限は０．５μｍが好ましい。
また、本発明の継目無鋼管は、Ｃｒ量が４．５～９．５％の場合、旧オーステナイト粒の平均結晶粒径が１５μｍ以上であることが好ましい。旧オーステナイト粒の平均結晶粒径が１５μｍ以上とすることにより、鋼管の耐熱性能が向上する。なお、Ｃｒを添加すると焼き入れ性（熱間からの冷却でオーステナイトがフェライトにならず、マルテンサイトになる）が向上する。そのため、Ｃｒ量によって組織が異なり、Ｃｒ量が４．５％未満の場合はフェライト粒の場合はフェライト粒径を測定し、Ｃｒ量が４．５％以上の場合は、熱間でオーステナイトだった部分の粒径であるマルテンサイト中の旧オーステナイト粒径を測定する。旧オーステナイト粒径は旧オーステナイト粒を腐食したのち光学顕微鏡を用いて測定できる。または結晶方位解析を行い、判定することもできる。なお、旧オーステナイト粒の平均結晶粒径の上限については特に限定はないが、あまりに粒径が大きくなりすぎると機械的特性が低下する。そのため、上限は３００μｍとすることが好ましい。
本発明の継目無鋼管は、以下の成分組成を有することが好ましい。また、成分組成の％表示は、特に断らない限り、質量％を意味する。
Ｃ：０．０５～０．４５％
Ｃは鋼管製品の強度特性に影響を与える重要な元素である。良好な強度特性を得るには０．０５％以上含有することが好ましく、これにより高強度が得られる。含有量を増加させると強度が向上するため好ましい。一方で含有量が過大になると冷間加工性や溶接性を損なう。そのため、０．４５％以下とすることが好ましい。強度と冷間加工性、溶接性を満足するためには、０．０８～０．３８％が好ましい範囲となる。
Ｓｉ：０．０５～０．４５％
Ｓｉは鋼の強度を高めるのに有効である。その効果を得るには０．０５％以上の含有が好ましい。一方で、多量に含有すると熱間加工中の脆化を招く。そのため、０．４５％以下とすることが好ましい。強度と加工性を両立するには０．１０～０．３０％の範囲が好適である。
Ｍｎ：０．０５～１．２％
Ｍｎは強度を高めるのに有効である。その効果を得るには０．０５％以上が好ましい。一方で、多量に含有すると常温でのフェライト相を不安定にし、残留オーステナイトが残存して疲労強度が低下する。そのため１．２％以下とすることが好ましい。強度と疲労特性を両立するには０．１５～０．８０％の範囲が好適である。
本発明では、さらにＣｒを含有しても良い。
Ｃｒ：４．５～９．５％
Ｃｒは鋼の焼き入れ性の改善や高温強度、耐高温酸化特性を向上する元素であり、強度特性や高温強度、耐高温酸化特性を安定的に得るのに役立つ。そのため、機械的特性や高温強度、耐高温酸化特性が必要な材料については４．５％以上含有することが好ましい。添加量が低減すると焼き入れ性や高温強度や耐高温酸化性能が低下するため、用途に必要な高温強度や耐高温酸化性能に応じて添加量を適宜調整できる。Ｃｒは耐熱性能と疲労寿命が求められる用途では５．０％以上の含有がより好ましい。また、より高温度域で使用するためには７．５％以上がさらに好ましい。耐高温酸化性能は含有量の増加に伴い向上するので上限は特に限定がないが、含有量が増えると、熱間圧延中の結晶粒径の微細化が難しくなり、定形圧延時に微細疵が発生しやすくなる。そのため、９．５％以下とすることが好ましい。また、微細疵と特性を良好に両立させるには７．５～９．０％とすることがより好ましい。
一方で、高い機械的特性や高温強度、耐高温酸化特性が不要な場合にはＣｒの添加は合金コストの上昇になる。また、上述の特性向上と引き換えに冷間での成形性が低下するため、高い冷間での成形性を得るためにはＣｒは４．５％未満とすることが好ましい。より安定して冷間の成形性を得るには１．５％未満がより好ましい添加量となる。
さらに、本発明では、上記以外の成分として、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎ、Ｂのいずれか１種以上を含有しても良い。以下にその限定理由を述べる。
Ｎｉは靭性に有効である。靭性が必要な場合には０．５％以下の範囲で添加されることが好ましい。より好ましい範囲は０．１０～０．３０％となる。
Ｍｏは熱処理特性や耐熱性に有効であり、１．５％以下の範囲で添加されることが好ましい。より好ましくは０．３～１．３％の範囲となる。
Ｗは耐熱性能に有効であり、２．５％以下で添加されることが好ましい。より好ましくは１．０～２．０％の範囲となる。
Ｎは強度の向上に有効であり、０．１０％以下で添加されることが好ましい。より好ましくは０．０１～０．０８％の範囲となる。
Ｂは耐熱性と熱間加工性の向上に有効であり０．０１０％以下で添加されることが好ましい。より好ましくは０．０００５～０．００５％の範囲となる。
残部はＦｅおよび不可避的不純物とする。なお、不可避的不純物としては、例えばＰ：０．０３０％以下、Ｓ：０．００８％以下が許容できる。
次に、本発明の継目無鋼管の製造方法について説明する。
本発明では、穿孔圧延し、次いで減肉・延伸圧延した後、定形圧延するに際し、定形圧延前のオーステナイト結晶粒径ＧＤ（ｍｍ）と定形圧延前の鋼管外径Ｄｉｎｉ（ｍｍ）と定形圧延後の鋼管外径Ｄｏｕｔ（ｍｍ）、定形圧延前の肉厚ｔ０（ｍｍ）について、下記式（１）を満たすことを特徴とする。
（Ｄｉｎｉ－Ｄｏｕｔ）２×ｔ0 ２×ＧＤ２≦９９８０ （１）
以下、式（１）に到った経緯について説明する。
まず、発明者らは微細疵の発生についてメカニズムを明らかにするために種々の検討を行った。まず発明者らは、定形圧延で起こる鋼管内面のひずみの形態を詳細に調査した。その結果、定形圧延では管周方向に大きな圧縮ひずみが発生して外径が縮径されるが、それと同時に自由に変形できる内表面には厚み方向ひずみも発生し、鋼管内表面には増厚変形が発生することを突き止めた。発明者らはこの特殊なひずみ変化が鋼管内表面の微細疵を発生させていると考えた。
一方で、微細疵は同じ外径と肉厚を持つ製品で必ずしも同じ量だけ発生するわけではなく、程度に差がある。つまり、同じ設備で同じ条件で外径縮径圧延を実施しても微細疵の程度に差があることが、これまで未解明であった。そこで発明者らは更に検討を重ね、定形圧延による外径縮径圧延によるひずみ形態に加え、外径縮径圧延を受ける材料の組織が影響することを新たに知見した。そこで定形圧延の特殊なひずみ形態を模擬し、定形圧延条件と組織の影響について検討することにした。
具体的には、発明者らは以下の定形圧延模擬試験により定形圧延条件と組織の影響について検討した。図３に本発明で鋼管縮径量と結晶粒径が微細疵発生に与える影響を調査するための定形圧延模擬試験片の形状を示す。この試験片形状は小型でありながら単軸圧縮方向のみの制御で定形圧延の外径縮径と増厚ひずみが模擬可能である。そのため、例えば汎用の単軸圧縮試験機（サーメックマスターやグリーブル試験機）が利用可能である。更に、汎用試験装置には直流電流による抵抗加熱装置や、コイルによるIH加熱装置を具備したものも市販されており、熱間加工で発生する温度履歴も容易に模擬可能である。
次に、図３の試験片形状で制御可能な定形圧延時のひずみ模擬方法を説明する。図３の上の図は、試験片をＬ－ｔ方向から見た図（Ｌ：試験片の長さ、ｔ：試験片の肉厚）、下の図はＬ－ｗ方向から見たものである（ｗ：試験片の幅）。なお、試験片の両端については、圧縮装置との連結に応じて適宜変更可能な、丸棒または板形状であればよい。図３の試験片形状によると軸方向に圧縮変位を与えると軸方向１／２部に位置する評価面（図３中のＲ１：Ｒ１は評価面であり、定形圧延時の鋼管内表面を模擬する部分となる）に大きな圧縮ひずみが発生する。その一方で評価面を形成するＲ１と評価面に対して反対側に位置する面のＲ２をＲ１の曲率半径＞Ｒ２の曲率半径とすると、軸方向の圧縮変位が増加するとともに評価面を曲げの内表面とした屈曲が起き、それにより評価面中央部に高い増厚ひずみが発生する。圧縮ひずみと増厚ひずみのバランスや大きさは圧縮変位量やＲ１／Ｒ２で容易に制御することが可能であり、いずれの定形圧延による外径縮径圧延も精度よく模擬可能である。ｗは任意の長さにすることができるが、ｗを長くするほどに評価面の応力状態が安定するため装置との干渉がなければ長ければよい。ｗの下限は試験片の圧縮するストローク長さと同じかそれ以上が好ましい。なお、図３の試験片の大きさに限定はなく、小型でも製作可能なため、例えば製品成分の小さな鋼塊を鋳込み、その鋼塊に任意の熱間圧延や熱処理を与えて組織形態を変化させ、そこから定形圧延模擬試験片を切り出して試験すれば、容易に評価が可能となる。また、定形圧延前の素材を採取し、そこから切り出して試験するとより良い。本模擬試験では例えば結晶粒径の差や、試験片圧縮方向に対する、圧延集合組織の影響、温度やひずみの影響を評価できる。
発明者らはこのような定形圧延模擬試験により背景で述べた各種課題を解決すべく、定形圧延で鋼管内表面に発生する周方向圧縮ひずみを模擬したひずみ量、すなわち図３の圧縮ストローク量や、変形前の粒径を、事前に顕微鏡観察で測定し、切断法により平均粒径を求め、変形前の粒径の大きさと微細疵の関係を調査し、微細疵に与える加工条件と組織（変形前の平均結晶粒径）の影響について知見を得ることができた。
異なる複数の鋼種について、図３の試験片を用いて、定形圧延前の鋼管外径Ｄｉｎｉと定形圧延後の鋼管外径Ｄｏｕｔ、定形圧延前の肉厚ｔ０を変化させた条件の定形圧延模擬試験を行い、試験後の試験片のｄｍａｘとｄａｖｅを測定するとともに、その時の定形圧延模擬試験前のオーステナイトの結晶粒径と比較した。なお、定形圧延前のオーステナイト粒径は定形圧延前の管端をホットソーで切断し、クロップを冷却後に観察して測定した。得られた管端は肉厚の中心と内表面表層部について、旧オーステナイト粒界腐食を行い、光学顕微鏡で観察し、切断法により平均粒径を測定した。その結果、式（１）を満たすことで、微細疵による課題を克服できることを見出した。
（Ｄｉｎｉ－Ｄｏｕｔ）２×ｔ０ ２×ＧＤ２≦９９８０ （１）
この式を満たせば鋼管内表面に発生する微細疵を抑制し、製品の疲労寿命を向上させることができ、冷間引き抜き性に優れた継目無鋼管を提供することが可能となる。なお、定形圧延後の鋼管外径Ｄｏｕｔは、製品の鋼管外径Ｄｏｕｔと同じである。
この式（１）は定形圧延前の鋼管外径Ｄｉｎｉに対する定形圧延後の鋼管外径Ｄｏｕｔの差を小さくする、および／または肉厚ｔ０を薄くすると有利であり、この式を満たすように適宜、定形圧延条件を決定すればよい。
減肉・延伸圧延後であり、かつ定形圧延前の組織についてはオーステナイト結晶粒径ＧＤが小さくなるほどよい。結晶粒径を小さくするには加熱中の粒成長を抑制するピンニング元素の添加などの素材の化学成分を変化させてもよいが、減肉・延伸圧延後、かつ定形圧延前に、再結晶や逆変態を利用する方法がよい。再結晶は圧下率を増加させることで実施可能であり、再結晶により結晶粒径は微細粒化する。また、再結晶後の粒成長を抑制するために、圧下率を増加させるのは定形圧延の直前の減肉・延伸工程が好ましい。
再結晶による微細化は素材の化学元素と密接に関係しており，特にＣｒの効果が大きく、添加されると、減肉・延伸圧延で適切な圧延条件を選ぶことが重要となる。再結晶で結晶粒径を微細化するには８００＋２５＊Ｃｒ＋５＊Ｍｏ（℃）（Ｃｒ、Ｍｏは鋼中の含有量（質量％）以上の圧延温度かつ、減肉・延伸工程は５０％以上の圧下率での圧延を１０秒以内に終える速度で行うと再結晶による微細粒化が得られやすい。それ以上の圧下率を与えることは問題ないが、再結晶の効果が飽和することと、圧下率が過大になると圧延を行う設備の負荷が増大する。そのため、圧下率は８０％以下で管理されることが好ましい。また圧延温度はあまりに高いと、再結晶後の粒成長により結晶粒径が粗大化するので圧延温度は、１１５０℃以下とすることが好ましい。
逆変態は、減肉・延伸圧延後、かつ定形圧延前におけるオーステナイト相を300℃以下に存在するフェライト変態点以下まで冷却し、その後、再び加熱してオーステナイト相変態をさせる処理であり、この処理を定形圧延前に実施することで再加熱後のオーステナイト結晶粒径が微細化した状態で定形圧延が可能となる。このときの冷却は熱間でオーステナイト相の状態から実施したほうが大きな効果が得られるため、650℃以上の冷却開始温度が好ましい。また、逆変態前の平均冷却速度や逆変態の平均加熱速度を早くすることでオーステナイト結晶粒径がより微細化するため、それぞれ1.0℃/s以上とすることが好ましい。また、平均冷却速度は特に粒径に影響を与えるため、好ましくは5.0℃/以上とすることで、より大きな効果が得られる。平均冷却速度、平均加熱速度のいずれについても、早すぎると熱応力により割れが入ることがあるため、20℃/s以下にすることが好ましい。再結晶と逆変態は合わせて行うと更に効果が高まるため、より微細疵を抑制したい場合は両方実施するとよい。なお、逆変態については圧下率について特段制限はないが、減肉工程では必ず減肉するため、通常５０％以下の圧下を行う。
また、定形圧延後の製品には熱処理を行ってもよい。本発明によれば、微細疵は定形圧延で発生するため、定形圧延にて微細疵の発生を抑制できれば、その後の熱処理は鋼管内表面の品質に影響しない。定形圧延後の熱処理で良好な強度靭性バランスが得られる。熱処理条件としては、定形圧延後の製品に対して加熱温度：８５０～１１５０℃で均熱保持時間：１０分以上とすることが好ましい。Ｃｒを４．５％以上含む場合は９５０～１１５０℃で加熱時間１５分以上とし，１℃/ｓ以下で徐冷すると優れた耐熱強度が得られるため好ましい。
本発明は、継目無鋼管の製造方法として実施することができる。具体的には、穿孔圧延し、減肉および延伸圧延した後、定形圧延前に、素管（再結晶および／または逆変態を行った場合は逆変態・再結晶の処理後定形圧延前の素管）の管端を切断し、冷却後のサンプルを用いてオーステナイトの平均結晶粒径ＧＤ（ｍｍ)を測定し、下記式（１）を満たすかどうか検査する。
（Ｄｉｎｉ－Ｄｏｕｔ）２×ｔ0 ２×ＧＤ２≦９９８０ （１）
定形圧延前の鋼管外径Ｄｉｎｉ（ｍｍ)、定形圧延後の鋼管外径Ｄｏｕｔ（ｍｍ)、定形圧延前の肉厚ｔ0（ｍｍ)
上記検査工程は、製品となったときの継目無鋼管のサイズ、および強度グレードが同一の材料に対し、一回以上実施する。式（１）を満たした減肉および延伸圧延後の素管を合格とし、合格となった素管と同一サイズ、および強度グレードが同一の素管を、定形圧延して継目無鋼管を製造する。
なお、本発明において、穿孔圧延および減肉・延伸圧延の製造条件については特段制限されず、前述したように、穿孔圧延方法は高合金などの難加工材の熱間成形に有効な熱間押し出し方式、または量産に向くマンネスマン方式のいずれでも可能である。減肉・延伸圧延はエロンゲーターやプラグミル、マンドレルミル、プッシュベンチ法のいずれでも可能である。
次に実施例について説明する。表１に示す化学成分の鋼について、Φ（直径）１３０から１５０ｍｍの丸ビレットを製造し、マンネスマン方式で穿孔圧延、マンドレルミルで減肉・延伸圧延、その後、レデューサーで定形圧延を行った。定形圧延では定形圧延前の鋼管外径Ｄｉｎｉと定形圧延後の鋼管外径Ｄｏｕｔを測定し、比を算出した。定形圧延後の肉厚ｔ（つまり、製品の鋼管肉厚）はｔ／Ｄｏｕｔで０．０６１～０．３１５の間で製造を行った。
なお、継目無鋼管の外径は２４．５～５７．２ｍｍとして製造した。
オーステナイト結晶粒径を変化させる方法は再結晶、または逆変態の手法、またはその両方を利用した。なお、再結晶を用いる場合は定形圧延前の850～1150℃の範囲で行う減肉圧延で圧下率を変化させ、圧下は1.0から9.5sの間で累積した。累積圧下率は表に示した値とした。逆変態を用いる場合は、減肉・延伸圧延後に、表に示す種々の平均冷却速度で300℃以下～常温まで冷却し、その後の850℃以上に再加熱した。再加熱は雰囲気加熱とし、肉厚によって0.5から5.0℃/sの平均加熱速度とした。定形圧延前の旧オーステナイト粒径は、定形圧延前に素管（再結晶および／または逆変態を行った場合は逆変態・再結晶の処理後定形圧延前の素管）の管端を切断し、冷却後のサンプルを用いて旧オーステナイト粒径ＧＤを観察し、測定した。旧オーステナイト粒径ＧＤから式（１）の値を算出した。なお、組織観察については、同一試験片の異なる視野３か所について、光学顕微鏡や走査型電子顕微鏡（SEM）で400から2000倍の倍率で観察し、平均値を算出した。
定形圧延後の継目無鋼管について、鋼管長さ方向中央部を輪切りし、鋼管内表面の断面を鏡面研磨後に微細疵の観察を行った。観察範囲は鋼管内表面断面の０°から３６０°の範囲とした。微細疵として、鋼管内表面における疵の最大深さｄｍａｘ、鋼管内表面における疵深さ０．０５０ｍｍ以上の疵の平均疵深さｄａｖｅ、鋼管内表面における疵深さ０．０５０ｍｍ以上の疵の個数をそれぞれ求めた。
Ｃｒ量が４．５％未満の一部の継目無鋼管には、熱処理として表２に示す温度で焼き入れ（焼入れ温度Ｑ）と焼き戻し（焼き戻し温度）Ｔを行った。また、Ｃｒ量が４．５％以上の一部の継目無鋼管には、熱処理として表２に示す焼鈍温度Ｎで１５分保持し平均冷却速度1℃/sで徐冷する焼鈍を行った。
定形圧延後、または熱処理後の継目無鋼管は輪切り断面肉厚中央部の組織についてＣｒが４．５％未満の材料についてはフェライト平均結晶粒径、Ｃｒ量が４．５％以上については旧オーステナイト平均結晶粒径を測定した。なお、粒径は切断法を用いて測定し、平均結晶粒径とした。
定形圧延後または熱処理後に得られた継目無鋼管を用いて、疲労寿命を評価した。疲労寿命の評価方法は外径の１／２長さで輪切りした継目無鋼管について、管外周面対向位置を平板で圧縮し、あらかじめＪＩＳ Ｚ ２２４１に従って測定された鋼管の降伏強度と同じ応力が発生するように調整し、２Ｈｚで繰り返し応力を与えた場合について疲労破壊するまでの応力負荷回数を求めた。
また、定形圧延後または熱処理後の継目無鋼管について、外径を１０％縮径、肉厚を１５％減肉する冷間引き抜き圧延を行い、鋼管内面を圧延する工具の寿命を評価した。工具の寿命については、工具が使用不可（使用不可の基準：工具が損傷し、製品内面品質不良と判断される）となるまでの、工具を使用した回数を評価した。
疲労寿命、工具寿命はいずれについても、同一成分、同一外径、同一肉厚である継目無鋼管の比較例を１としたときの相対値で算出し、評価した。
結果を表２に示す。
Figure 0007239019000001
Figure 0007239019000002
 表２の結果より、本発明例はいずれも微細疵が抑制されており、同一成分、同一外径、同一肉厚の比較例に比べて、疲労寿命と、冷間引き抜き加工の時の工具寿命の向上を確認した。
Ｒ１ 評価面
Ｒ２ Ｒ１と対向する面
Ｗ 試験片の幅

Claims (6)

  1. 鋼管外径Ｄｏｕｔ（ｍｍ）と肉厚ｔ（ｍｍ）がｔ／Ｄｏｕｔ＝０．０５～０．４０である継目無鋼管で、
    管軸方向に垂直な断面の鋼管内表面における疵の最大深さｄｍａｘ（ｍｍ）がｄｍａｘ≦０．３５０で、
    前記鋼管内表面における深さ０．０５０ｍｍ以上の疵の平均疵深さｄａｖｅ（ｍｍ）がｄａｖｅ≦０．２００で、
    前記鋼管内表面における深さ０．０５０ｍｍ以上の疵の管周方向内周長１ｍｍあたりの個数が３０個以下で、
    化学成分として、質量％で、
    Ｃ：０．０５～０．４５％、
    Ｓｉ：０．０５～０．４５％、
    Ｍｎ：０．０５～１．２％、
    Ｎ：０．１０％以下を含有し、
    残部はＦｅおよび不可避的不純物である継目無鋼管。
  2. 前記継目無鋼管は、化学成分として、さらに、質量％で、Ｃｒ：４．５％未満を含有し、フェライト粒の平均結晶粒径が１５μｍ以下である請求項１に記載の継目無鋼管。
  3. 前記継目無鋼管は、化学成分として、さらに、質量％で、Ｃｒ：４．５～９．５％を含有し、旧オーステナイト粒の平均結晶粒径が１５μｍ以上である請求項１に記載の継目無鋼管。
  4. 前記継目無鋼管は、化学成分として、さらに、質量％で、Ｎｉ：０．５％以下、Ｍｏ：１．５％以下、Ｗ：２．５％以下、Ｂ：０．０１０％以下から選ばれる１種以上を含有する請求項１～３のいずれかに記載の継目無鋼管。
  5. 請求項１～４のいずれかに記載の継目無鋼管の製造方法であって、
    穿孔圧延し、次いで減肉および延伸圧延した後、定形圧延するに際し、定形圧延前のオーステナイトの平均結晶粒径ＧＤ（ｍｍ）と定形圧延前の鋼管外径Ｄｉｎｉ（ｍｍ）と定形圧延後の鋼管外径Ｄｏｕｔ（ｍｍ）、定形圧延前の肉厚ｔ0（ｍｍ）について、下記式（１）を満たす継目無鋼管の製造方法。
    （Ｄｉｎｉ－Ｄｏｕｔ）２×ｔ0 ２×ＧＤ２≦９９８０ （１）
  6. 請求項５に記載の継目無鋼管の製造方法であって、前記定形圧延後、加熱温度８５０～１１５０℃で均熱保持時間が１０分以上の熱処理を行う継目無鋼管の製造方法。
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