JP7372586B1 - 継目無鋼管 - Google Patents
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Abstract
Description
C:0.05~0.20%、
Si:0.05~0.50%、
Mn:0.40~1.50%、
P:0.025%以下、
S:0.020%以下、
Cu:0.10~0.50%、
Ni:0.10~0.50%、
Cr:0.10~1.20%、
Mo:0.10~0.50%、
Ti:0.005~0.050%、
Nb:0.005~0.100%、
Ca:0.0005~0.0025%、
Al:0.080%以下、
N:0.0100%以下、
V:0~0.100%、
B:0~0.0050%、
Mg:0~0.0050%、
REM:0~0.0050%、
残部:Feおよび不純物であり、
前記各元素含有量が上述の範囲内であることを前提として、下記(i)式を満足し、
さらに、前記化学組成は、旧オーステナイト結晶粒度との関係において、下記(ii)式および(iii)式を満足し、
引張強さが1200MPa以上であり、
限界水素濃度が2.5ppm以上である、
継目無鋼管。
5C+Mo+Cr≧1.00 ・・・(i)
GN-1.96×(Mn+70P+100N)≧7.50 ・・・(ii)
GN-1.37×(Mn+85P-30Ca)≧8.90 ・・・(iii)
但し、上記式中の元素記号は、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。また、GNは、旧オーステナイト結晶粒度を意味する。
V:0.001~0.100%、
B:0.0001~0.0050%、
Mg:0.0001~0.0100%、および、
REM:0.0001~0.0100%、
から選択される1種以上を含有する、
上記(1)に記載の継目無鋼管。
5C+Mo+Cr≧1.00 ・・・(i)
GN-1.96×(Mn+70P+100N)≧7.50 ・・・(ii)
GN-1.37×(Mn+85P-30Ca)≧8.90 ・・・(iii)
本発明の一実施形態に係る継目無鋼管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は、安価に鋼の強度を高めるのに有効な元素である。その含有量が0.05%未満では所望の引張強さを得ることが困難であり、0.20%を超えると加工性および溶接性が低下する。したがって、Cの含有量を0.05~0.20%とする。C含有量の好ましい範囲は0.07%以上、0.18%以下であり、より好ましい範囲は0.09%以上、0.17%以下である。なお、継目無鋼管をエアバッグの形状にする際には、縮径加工等が必要である。そのため、加工性を特に重視する場合には、C含有量は0.17%未満であるのがさらに好ましい。
Siは、脱酸作用を有するほか、鋼の焼入れ性を高めて強度を向上させる元素である。この目的でSiの含有量を0.05%以上とする。しかし、その含有量が0.50%を超えると靭性が低下するため、Siの含有量を0.50%以下とする。Si含有量の好ましい範囲は0.10%以上、0.40%以下であり、より好ましい範囲は0.15%以上、0.30%以下である。
Mnは、脱酸作用を有するほか、鋼の焼入れ性を高めて強度と靭性とを向上させるのに有効な元素である。しかし、その含有量が0.40%未満では十分な強度および靭性が得られない。一方、Mn含有量が1.50%を超えるとMnSの粗大化が起こり、これが熱間圧延時に展伸し、靭性および耐水素脆化特性が低下する。加えて、過剰なMnは、水素の拡散速度を低下させ、局所的な濃化を生じさせることによって、耐水素脆化特性の低下を招く。このため、Mnの含有量を0.40~1.50%とする。好ましいMnの含有量は0.45%以上、1.20%以下であり、より好ましい範囲は0.50%以上、1.00%以下である。
Pは、鋼中に不純物として含まれ、粒界偏析に起因する靭性および耐水素脆化特性の低下をもたらす。特に、Pの含有量が0.025%を超えると、靭性および耐水素脆化特性の低下が著しくなる。したがって、Pの含有量を0.025%以下とする。Pの含有量は好ましくは0.020%以下、より好ましくは0.015%以下である。
Sも、鋼中に不純物として含まれ、特に鋼管のT方向(鋼管の管軸方向に直交する方向)の靭性を低下させる。Sの含有量が0.020%を超えると、鋼管T方向の靭性低下が著しくなるので、Sの含有量を0.020%以下とする。好ましいSの含有量は0.010%以下である。
Cuは、鋼の焼入れ性を高めることで強度と靭性とを向上させる。その効果は、0.10%以上のCuを含有していれば発現する。しかし、0.50%を超えてCuを含有させると、合金コストの上昇を招く。したがって、Cuの含有量を0.10~0.50%とする。好ましいCu含有量は0.15%以上、より好ましくは0.20%以上である。また、Cu含有量は、好ましくは0.40%以下、より好ましくは0.35%以下である。
Niは、鋼の焼入れ性を高め、それにより強度と靭性とを向上させる。その効果は、0.10%以上のNiを含有していれば発現する。しかし、0.50%を超えてNiを含有させると、合金コストの上昇を招く。したがって、Niの含有量を0.10~0.50%とする。好ましいNi含有量は0.15%以上、より好ましくは0.20%以上である。Ni含有量は、好ましくは0.45%以下、より好ましくは0.40%以下である。
Crは、鋼の焼入れ性を高め、また、焼き戻し軟化抵抗を高めて、強度と靭性とを向上させる。その効果は、0.10%以上のCrを含有していれば発現する。しかし、1.20%を超えてCrを含有させると、合金コストの上昇を招く。したがって、Crの含有量を0.10~1.20%とする。好ましいCr含有量は0.15%以上、より好ましくは0.20%以上である。Cr含有量は、好ましくは1.00%以下、より好ましくは0.90%以下である。
Moは、鋼の焼入れ性を高め、また、焼き戻し軟化抵抗を高めて、強度と靭性とを向上させる。その効果は、0.10%以上のMoを含有していれば発現する。しかし、0.50%を超えてMoを含有させると、合金コストの上昇を招く。また、Mo含有量が過剰に高いと、継目無鋼管の熱間製管後の空冷においても、強度が高くなる傾向があり、冷間抽伸加工前に軟化熱処理が必要となり、製造コストの上昇を招く。したがって、Moの含有量を0.10~0.50%とする。好ましいMo含有量は0.15%以上、より好ましくは0.20%以上である。Mo含有量は、好ましくは0.45%以下、より好ましくは0.40%以下である。
Tiは、鋼中でNを固定し、靭性を向上させる。また、微細に分散したTi窒化物は、結晶粒界を強くピン止めし、結晶粒を細粒化させ、鋼の靭性を向上させる。その効果を得るためには、0.005%以上含有させることが必要であるが、0.050%を超えて含有させると、窒化物が粗大化し、かえって靭性が低下する。したがって、Tiの含有量を0.005~0.050%とする。Ti含有量は、好ましくは0.040%以下、より好ましくは0.030%以下である。
Nbは、鋼中で炭化物として微細に分散し、結晶粒界を強くピン止めする。それにより、結晶粒を細粒化させ、鋼の靭性を向上させる効果を有する。その効果を得るためには、0.005%以上含有させることが必要であるが、0.100%を超えて含有させると、炭化物が粗大化し、かえって靭性が低下する。したがって、Nbの含有量を0.005~0.100%とする。好ましいNb含有量は0.010%以上、より好ましくは0.015%以上である。Nb含有量は、好ましくは0.050%以下、より好ましくは0.030%以下である。
Caは、鋼中に不可避不純物として存在するSを硫化物として固定し、靭性の異方性を改善して、鋼管のT方向の靭性を高め、これによって耐バースト性を高める。加えて、MnSの生成を抑制することで、耐水素脆化特性の向上にも寄与する。その効果は、0.0005%以上のCaを含有していれば発現する。しかし、0.0025%を超えて含有させると、介在物が増加して、かえって靭性が低下する。したがって、Caの含有量を0.0005~0.0025%とする。耐水素脆化特性の向上効果を確実に得るためには、Ca含有量は0.0010%以上であるのが好ましく、0.0010%超であるのがより好ましく、0.0012%以上であるのがさらに好ましく、0.0015%以上であるのがさらに好ましい。
Alは、脱酸作用を有し、靭性および加工性を高めるのに有効な元素である。しかし、0.080%を超えて含有させると、地疵の発生が著しくなる。したがって、Alの含有量を0.080%以下とする。Al含有量は、好ましくは0.060%以下、より好ましくは0.040%以下である。なお、Al含有量は不純物レベルであってもよいので、その下限は特に定めないが、0.005%以上とすることが好ましい。なお、本発明にいうAl含有量とは、酸可溶Al(所謂「sol.Al」)の含有量を指す。
Nは、微細な窒化物を形成し、それにより、結晶粒界を強くピン止めし、結晶粒を細粒化させ、鋼の靭性を向上させる。しかし、0.0100%を超えて含有させると、窒化物が粗大化し、かえって靭性が低下する。したがって、Nの含有量を0.0100%以下とする。N含有量は、好ましくは0.0080%以下、より好ましくは0.0050%以下である。なお、N含有量は不純物レベルであってもよいので、その下限は特に定めないが、0.0005%以上とすることが好ましく、0.0010%以上とすることがより好ましい。
Vは、靭性を確保するとともに、析出強化により強度を高める元素であるため、必要に応じて含有させてもよい。しかし、0.100%を超えて含有させると靭性の低下を招く。したがって、含有させる場合のVの含有量を0.100%以下とする。V含有量は、好ましくは0.050%以下、より好ましくは0.010%以下である。Vの作用は微量でも認めら得るが、十分な効果を得るには、0.001%以上含有させることが好ましい。
Bは、微量添加することにより鋼中で粒界偏析し、鋼の焼入れ性を著しく向上させる元素であるため、必要に応じて含有させてもよい。しかし、0.0050%を超えるBを含有させると、結晶粒界に硼化物が粗大に析出し、靭性が低下する傾向が認められる。したがって、含有させる場合のBの含有量を0.0050%以下とする。B含有量は、好ましくは0.0030%以下、より好ましくは0.0020%以下である。Bの作用は微量でも認められるが、十分な効果を確保するには0.0001%以上含有させることが好ましく、0.0005%以上含有させることがより好ましい。
Mgは、Caと同様に、鋼中に不可避不純物として存在するSを硫化物として固定し、靭性の異方性を改善して、鋼管のT方向の靭性を高め、これによって耐バースト性を高める元素であるため、必要に応じて含有させてもよい。しかし、0.0050%を超えて含有させると、介在物が増加して、かえって靭性が低下する。したがって、含有させる場合のMgの含有量を0.0050%以下とする。Mg含有量は、好ましくは0.0040%以下、より好ましくは0.0030%以下である。Mgの作用は微量でも認められるが、十分な効果を確保するには0.0001%以上含有させることが好ましく、0.0005%以上含有させることがより好ましい。
REMは、Caと同様に、鋼中に不可避不純物として存在するSを硫化物として固定し、靭性の異方性を改善して、鋼管のT方向の靭性を高め、これによって耐バースト性を高める元素であるため、必要に応じて含有させてもよい。しかし、0.0050%を超えて含有させると、介在物が増加して、かえって靭性が低下する。したがって、含有させる場合のREMの含有量を0.0050%以下とする。REM含有量は、好ましくは0.0040%以下、より好ましくは0.0030%以下である。REMの作用は微量でも認められるが、十分な効果を確保するには0.0001%以上含有させることが好ましく、0.0005%以上含有させることがより好ましい。
5C+Mo+Cr≧1.00 ・・・(i)
但し、上記式中の元素記号は、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。
GN-1.96×(Mn+70P+100N)≧7.50 ・・・(ii)
但し、上記式中の元素記号は、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。また、GNは、旧オーステナイト結晶粒度を意味する。
GN-1.37×(Mn+85P-30Ca)≧8.90 ・・・(iii)
但し、上記式中の元素記号は、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。また、GNは、旧オーステナイト結晶粒度を意味する。
Q=6.64log10(M/100) ・・・(I)
但し、上記式中のMは観察倍率である。
本実施形態に係る継目無鋼管は、高い強度を有し、具体的には、引張強さが1200MPa以上である。引張強さが1200MPa以上であれば、極めて短時間に大きな歪速度で応力が負荷される高圧ガスのアキュムレータとして用いる場合においても、優れた耐バースト性を発揮する。
本発明の一実施形態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。
上述した鋼片を加熱した後、熱間製管を行って所定の形状を有する素管を製造する。熱間製管法については一般的な方法を用いればよく、例えば、マンドレル-マンネスマン法を採用してもよい。鋼片の加熱温度は、例えば、1000~1300℃とすることができる。
上記の方法によって得られた素管には、寸法精度の向上を目的として、冷間加工を施す。冷間加工方法としては、素管を均一に加工できる方法であれば、特に制限されなく、例えば、孔明きダイスとプラグとを用いるいわゆる冷間抽伸機またはコールドピルガーミルと称される冷間圧延機等を用いるのが工業的に有利である。
冷間加工後の素管には、次に、900~1050℃の温度に高周波加熱した後で急冷する高周波焼入れ処理が施される。加熱温度が900℃未満であると、オーステナイト化が完了しないので、高い強度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1050℃を超えると、オーステナイト粒が急激に成長することで粗大になり、優れた靭性を具備させることができなくなる。
高周波焼入れした素管には、370~410℃に加熱した後、室温まで冷却する、焼戻し処理が施される。焼戻しの加熱温度が370℃未満であると、強度は確保できても低温靭性が低下する。一方、焼戻しの加熱温度が410℃を超えると、優れた低温靭性は得られても強度が低下して、1200MPa以上の引張強さを得ることができなくなる。
Q=6.64log10(M/100) ・・・(I)
但し、上記式中のMは観察倍率である。
各継目無鋼管から、一定長さの管状試験片を切り出し、JIS Z 2241:2011に準拠した11号試験片を作製した。そして、当該11号試験片を用い、JIS Z 2241:2011に規定される管状引張試験を実施することで、引張強さを測定した。
図1に示すように、各継目無鋼管から、長さ10mmの管状試験片(図1a)を採取した後に、室温で管軸方向に切断してC字状にしてから(図1b)、板状に展開した(図1c)。そして、長手方向における両端を切断し、長さ55mm、幅10mm、厚さが鋼管の元肉厚dの矩形状の試験片とした後に、当該試験片の長手方向における中央部において、ノッチ底が上記試験片の厚さ方向に平行になるように、ノッチ角度45°、ノッチ深さ2mm、ノッチ底半径0.25mmのVノッチを導入した(図1d)。
各継目無鋼管から、図2に示す形状の弧状引張試験片を採取し、陰極チャージ定荷重試験を実施した。具体的には、把持部および減幅部を有する、複数の弧状引張試験片を3%NaClおよび0~30g/Lの範囲のチオシアン酸アンモニウムを含む種々の水溶液中に浸漬しながら、-0.9~-1.2Vの範囲の電位で陰極チャージ定荷重試験を行った。この際、各継目無鋼管の引張強さの90%の応力を負荷した。
Claims (2)
- 化学組成が、質量%で、
C:0.05~0.20%、
Si:0.05~0.50%、
Mn:0.40~1.50%、
P:0.025%以下、
S:0.020%以下、
Cu:0.10~0.50%、
Ni:0.10~0.50%、
Cr:0.10~1.20%、
Mo:0.10~0.50%、
Ti:0.005~0.050%、
Nb:0.005~0.100%、
Ca:0.0005~0.0025%、
Al:0.080%以下、
N:0.0100%以下、
V:0~0.100%、
B:0~0.0050%、
Mg:0~0.0050%、
REM:0~0.0050%、
残部:Feおよび不純物であり、
前記各元素含有量が上述の範囲内であることを前提として、下記(i)式を満足し、
さらに、前記化学組成は、旧オーステナイト結晶粒度との関係において、下記(ii)式および(iii)式を満足し、
引張強さが1200MPa以上であり、
限界水素濃度が2.5ppm以上である、
継目無鋼管。
5C+Mo+Cr≧1.00 ・・・(i)
GN-1.96×(Mn+70P+100N)≧7.50 ・・・(ii)
GN-1.37×(Mn+85P-30Ca)≧8.90 ・・・(iii)
但し、上記式中の元素記号は、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。また、GNは、旧オーステナイト結晶粒度を意味する。 - 前記化学組成が、質量%で、
V:0.001~0.100%、
B:0.0001~0.0050%、
Mg:0.0001~0.0050%、および、
REM:0.0001~0.0050%、
から選択される1種以上を含有する、
請求項1に記載の継目無鋼管。
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