JPH01123028A - ステンレス鋼継目無し管の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、靭性と耐応力腐食割れ性に優れ、特にＣＯ
□とｌｌｌ５が共存する苛酷な環境下で用いるのに適す
るマルテンサイト系ステンレス鋼継目無し管の製造方法
に関する。

（従来の技術とその問題点） −ａに、マルテンサイト系ステンレス鋼の継目無し管は
強度、靭性および耐食性が要求される油井管や輸送管な
どに広く用いられ、特に耐ＣＯ２腐食性に優れているこ
とはよく知られている。

従来この種の継目無し管は、第１図に例示するとおり、
鋼片（ビレット）を穿孔可能な温度に加熱し、例えばピ
アサ−とマンドレルを用いて穿孔と圧延を行った後、オ
ーステナイト領域の温度に再加熱し、例えばストレッチ
レデューサ−で仕上げ圧延を行って製造される。仕上げ
圧延の後は空冷されて管はマルテンサイト組織になるが
、必要な強度と靭性を付与するために９４０〜１０５０
’ｃからの焼入れと６００〜７５０℃での焼戻しの熱処
理が施され最終的には焼戻しマルテンサイト組織となる
。

製管法としては、上に掲げたマンネスマンマンドレルミ
ル方式の外に、マンネスマンプラグミル方式、マンネス
マンアラセルミル方式等、様々の方法があるが、いずれ
の方式でもマルテンサイト系ステンレス鋼継目無し管の
製造には、製管後の焼入れ、焼戻し処理が必須とされて
いる。

上記の従来方法によって製造されたマルテンサイト系ス
テンレス鋼継目無し管は、高強度ではあるものの近年−
段と苛酷さを増しつつある使用環境では、靭性と耐応力
腐食割れ性が不十分な場合がある。即ち、ＣＯ２を含む
環境は同時にＨ，Ｓを含むことが多く、従来法で製造さ
れたマルテンサイト系ステンレス鋼の継目無し管は硫化
物応力腐食割れ感受性が高いため、現状ではその使用が
制約されＨ，Ｓ濃度の高い環境では通常のマルテンサイ
ト系ステンレス鋼よりもＣｒ、　Ｎｉ、、Ｍｏ等の合金
元素を大幅に高めたコストの高い高合金を用いなければ
ならない。

本発明の目的は、高価な合金元素をいたずらに増加させ
ることなく、即ち、−船釣なマルテンサイト系ステンレ
ス鋼或いはその改良ステンレス鋼を用い、強度は勿論、
靭性、耐応力腐食割れ性に優れ、しかも異方性の少ない
マルテンサイト系ステンレス鋼継目無し管を製造する方
法を提供すること、にある。

（問題点を解決するための手段） 一般に、マルテンサイト組織を持つ鋼の靭性、耐応力腐
食割れ性を支配しているのは、マルテンサイト組織の下
部構造であるブロック、パケットの大きさであり、旧オ
ーステナイト粒径を小さくするとこのブロック、パケッ
トのサイズが小さくなって靭性、耐応力腐食割れ性をは
じめとする諸性質が向上する。しかしながら、マルテン
サイト系ステンレス鋼は析出炭化物の固溶温度が割合高
く、従来の方法では焼入れ温度を高くしなければならな
いためオーステナイト結晶粒の粗大化が避けられず、製
管後の焼入れ処理で旧オーステナイト粒径を小さくする
のに限界がある。

本発明者は、マルテンサイト系ステンレス鋼の加工熱処
理とその組織について詳細に検討を重ねた結果、一旦焼
入れされた鋼を焼戻しした後に温間で加工すると、ブロ
ック、パケットの単位より著しく微細なフェライト組織
が得られることを知見した。

ところが、Ａｃ１変態点以下の低温フェライト域での加
工は異方性を生じさせやすく、最終圧延がストレッチレ
デューサ−またはサイザー等による縮径加工の場合、特
にこの傾向が強く、圧延方向（Ｌ方向）の靭性に較べて
圧延直角方向（Ｃ方向）の靭性が低めになることがある
。そこで、前記の微細フェライト粒と分散炭化物からな
る組織によって得られる靭性と耐応力腐食割れ性向上の
効果を維持した震ま、かかる異方性を少なくする方法を
探究した。その結果、この異方性はフェライトの温間加
工による集合組織に依存することが判明し、同時に、前
記のように温間加工された鋼を再度へＣ１変態点とＡｃ
１変態点との間に加熱しオーステナイトとフェライトの
混合組織のものを焼入れ、焼戻しすれば上記異方性が小
さくなることが判明した。

ここに、本発明の要旨は、マルテンサイト系ステンレス
鋼片を下記の工程で順次加工熱処理することを特徴とす
る靭性と耐応力腐食割れ性に優れたマルテンサイト系ス
テンレス鋼継目無し管の製造方法、にある。

■鋼片を１０５０〜１２５０℃に加熱し、穿孔と圧延を
行う工程、 ■少なくとも５００℃までを３０℃／分以上の冷却速度
としてマルテンサイト変態開始温度以下の温度まで冷却
して８０容量％以上がマルテンサイトで占められる組織
とする工程、 ■実質的にオーステナイトの生成がないＡｃ１変態点〜
（Ａｃ１変態点−２００℃）の温度域に再加熱して断面
減少率で５％以上の仕上圧延を行った後、直ちに、また
は一旦冷却してからＡｃ１変態点〜ＡＣ１変態点の温度
域に３０分以下保持し、次いで、少なくとも５００℃ま
でを３０℃／分以上の冷却速度としてマルテンサイト変
態開始温度以下の温度まで冷却して８０容量％以上がマ
ルテンサイトで占められる組織とする工程。

■Ａｃ１変態点以下の温度で焼戻しを行う工程。

本発明は、先に掲げたマンネスマン製管法の各種の方式
をはじめ、鋼片を熱間で穿孔、圧延するあらゆる継目無
し管の製造方法に適用できる。

また、本発明の対象となるマルテンサイト系ステンレス
鋼とは、当業者間で周知のもの、および成る種の元素を
添加したり不純物を低下して改良したもの等、本発明の
製造方法で実質的にマルテンサイト組織となる全てのス
テンレス鋼である。

以下、本発明の対象として望ましいマルテンサイト系ス
テンレス鋼の標準的な組成を例示し、含有量の選定理由
を説明する。なお、元素の含有量についての％は、全て
重量％である。

Ｃｒ：　　８〜１５％ Ｃｒは、ステンレス鋼としての耐食性を維持するために
８％以上の含有量が必要である。しかし、１５％を超え
ると高温においてフェライＤＩ域が拡大し、その後の冷
却によるマルテンサイト変態が困難になる。

Ｃ：０．４％以下 Ｃは、マルテンサイト系ステンレス鋼の強度に関係する
元素であるが、含有量が０．４％を超えると粗大炭化物
が多くなり靭性を著しく損なう。

Ｓｉ：　０．０１−１％ Ｓｉは、脱酸剤および強化元素として添加される。

０．０１％未満の含有量ではこれらの効果がない、−方
、含有量が１％を超えると粒界炭化物の生成を助長し、
靭性、耐食性を劣化させる。特に靭性と耐食性を向上さ
せるには、上限を０．２％に抑えるのがよい。

Ｍｎ：　０．０５〜２％ Ｍｎは、強度および靭性を向上させるが０．０５％未満
ではその効果がなく、２％を超えると逆に靭性を劣化さ
せる。

Ｓ：０．０３％以下 Ｓは不純物元素であって、含有量は低いほど望ましい、
高すぎると硫化物の量が増加し、靭性と耐応力腐食割れ
性を害する。　０．０３％が許容上限値であるが、特に
ｏ、ｏｏｔ％以下に抑えれば耐応力腐食割れ性の向上が
著しい。

Ｐ：０，１％以下 ＰもＳと同様に不純物元素であり低いほど望ましい、高
すぎると靭性、耐食性が劣化する。０．１％が許容上限
値であるが、０．０１％以下に抑えれば靭性、耐食性の
向上に効果があり、またこれらの性質の異方性も少なく
なる。

最も望ましいのは、Ｐを０．０１％以下とするとともに
Ｓを０．００１％以下に抑えることである。

Ｓｏ　ｌ　、Ａ　ｌ　：　０．００５〜０．１％＾ｌは
溶鋼の脱酸のため添加される。Ｓｏｌ、＾ｌとして０．
００５％以上の含を量になるように添加する必要がある
が、０．１％を超える含有量になると酸化物系介在物が
増加し、靭性、耐食性を劣化させる。

以上の成分の外、残部がＦｅおよび不可避不純物からな
るものが標準的な組成である。これに加えて下記の第１
群および第２群の一方または両方から１種以上の元素を
選んで含有させてもよい。

第１群の元素 ２．０％以下のＭｏ、　５％以下のＮｉ、　０．５％以
下のＮｂ、　０．５％以下の■、０．５％以下のＴｉ、
０．５％以下のＺ「、０．０１％以下のＢ、および０．
１５％以下のＮ。

第２群の元素 ０．００１〜０．０５％のＣａ、　０．００１〜０．０
５％のＬａ、および０．００１〜０．０５％のＣｅ。

これらの元素の作用効果は次のとおりである。

ＭＯ： 耐食性の向上に効果がある。しかし、含有量が２％を超
えると冷却時のマルテンサイト変態が困難になる。

Ｎｉ　： 耐食性を向上させるとともに、Ｃ含有量を抑える効果と
の組み合わせで強度、靭性を大きく向上させる効果があ
る。しかし、５％を超えて含有さゼても効果の増大はな
くなりコスト増加を招くだけである。

Ｎｂ５Ｖ、　Ｔｉ、、Ｚｒ　： これらの元素は強度や靭性の向上に効果があると同時に
、耐食性に有効な基質中のＣｒの減少を阻止する効果が
ある。しかし、それぞれ０．５％を超える含有量ではか
えって靭性を劣化させる。

Ｂ： 強度の向上に効果があるとともに組織の微細化を促し、
靭性および耐食性をも改善する効果がある。しかし、含
有量が０．０１％を超えると逆に靭性、耐食性に悪影響
がでてくる。

Ｎ： Ｎは強度を向上させる安価な元素であるが、含有量が０
．１５％を超えると著しい靭性の低下をもたらす。

Ｃａ、、Ｌａ、　Ｃｅ： これらの元素は鋼中の硫化物の形状を改善し、耐応力腐
食割れ性を向上させる。それぞれ０．００１％未溝の含
有量ではその効果が得られず、０．０５％を超えると靭
性、耐食性を劣化させる。

次に、第２図および第３図に例示する本発明方法の工程
図にそって、加工熱処理の工程を説明する。

（ａ）鋼片加熱温度 この加熱は鋼片の中心部まで均一に加熱して、ミクロ偏
析などを除去した状態で次工程の穿孔、圧延を行うため
に充分な温度と時間が必要である。

加熱温度が１０５０℃よりも低いと次工程での変形抵抗
が大きくなり好ましくない、一方、１２５０’Ｃよりも
高い温度で加熱するとスケールの発生が著しくなり歩留
り低下と表面肌荒れを招くだけでなく、δ−フェライト
が生成し易くなって製管性能が低下する。

加熱の時間は、鋼片のサイズによって決定されるが、上
記のように中心部まで均一に加熱されるのに必要かつ充
分な時間とする。

（ｂ）穿孔と圧延 ピアサ−による穿孔とマンドレルミルまたはプラグミル
による圧延は通常の方法で行われる。ピアサ−は、傾斜
圧延方式でもプレスピアシング方式でもよい。

この工程では、圧延終了温度が低くなりすぎないように
注意する必要がある。圧延が低温の未再結晶域で行われ
ると粒界に残留する歪が多くなり、冷却途上での粗大粒
界炭化物の析出が促進される。

粒界炭化物は製品継目無し管の性質、特に靭性に悪影響
を及ぼす、かかる理由で、圧延は９００℃以上、好まし
くは９４０℃以上の温度域で終了させるのが望ましい。

（ｃ）冷却条件 圧延終了後の冷却条件は極めて重要である。この冷却は
、マルテンサイト変態を起こさせて８０容量％以上、靭
性と耐応力腐食割れ性の向上のためには望ましくは９５
容量％以上がマルテンサイトで占められる均一な組１ａ
（残りはフェライトおよび／または残留オーステナイト
）になるように選定する。即ち、冷却終了温度はＭｓ点
以下、８ｏ容量％以上、望ましくは９５容量％以上のマ
ルテンサイトに変態する温度とする。しかしながら、炭
化物の析出しやすい５００℃まではできるだけ早く冷却
する必要がある。即ち、少なくとも５００℃までを３０
℃／分以上の冷却速度とする。３０℃／分より遅い冷却
速度では靭性低下の原因となる粗大粒界炭化物が析出す
るようになる。冷却が大きいほど靭性は向上するから例
えば水冷などの急冷を行う。

（ｄ）再加熱と仕上げ圧延 上記の急冷処理によって実質的にマルテンサイト組織と
なった管をＡｃ１変態点以下の温度に再加熱して仕上げ
圧延を行う、圧延は、例えばストレッチレデューサ−で
行うが、サイザー、リーラ−による加工でもよい。

この再加熱と圧延によってマルテンサイトの焼戻しと結
晶粒の微細化、炭化物の微細均一分散化が行われ、従来
の製品と同等の強度、それよりはるかに優れた靭性と耐
応力腐食割れ性を有する継目無し管が得られるのである
。

再加熱温度がへＣ１変態点を超えるとオーステナイトが
生成し、所望の靭性、耐応力腐食割れ性が得られない、
また、再加熱温度がＡＣ１変態点−２００℃よりも低い
と仕上げ圧延での変形抵抗が大きくなり過ぎる。

仕上げ圧延での加工率も重要である。ここでの圧延、即
ち、温間加工によって微視的なフェライトの再結晶と析
出炭化物の微細分散化が進み上記の優れた諸性質が得ら
れるのであるが、そのためには断面減少率で５％以上の
加工が必要である。

なお、断面減少率に（％）は、次の（イ）式で定義され
る。

ｘ＝　（１−Ｃｒｔ”　−ｒ＋”）／（Ｒｚ２−Ｒ＋”
））　ｘｌＯＯ・・・・　（イ） ここで、Ｒ１、Ｒ８は仕上げ圧延前の内半径と外半径「
１、「よは仕上げ圧延後の内半径と外半径である。

仕上げ圧延後は、第３図に示すようにそのまま直ちに次
の（ｅ）の工程に移ることができる。しかし、第２図の
ように一旦室温または適当な温度まで冷却してしてから
（ｅ）の工程に移ってもよい。

冷却する場合には、後にまたＡｃ１変態点以上に加熱さ
れるのであるから焼戻し脆性を考慮する必要はなく、従
って特に急冷するには及ばない。

（ｅ）二相域別熱と冷却の条件 へ０１変態点以下の温度で焼戻しマルテンサイトを加工
することによって、微細フェライトと微細分散炭化物か
らなる耐応力腐食割れ性に著しく優れた組織が得られる
。しかし、このままの組織では前記のように特に靭性に
異方性が現れることがある。そこで、これをＡＣ１変態
点〜Ａｃ３変態点の温度域、即ちオーステナイトとフェ
ライトの混合する二相域に加熱し、一部をオーステナイ
トに変態させるとフェライトが持っている集合組織が弱
められ異方性が改善される。

この時の加熱温度が＾Ｃ１変態点を超えると、オーステ
ナイト−層の組織になり異方性の除去にはよいが、前工
程で得られた微細組織をもつフェライトが消失しこれに
依存する高靭性が影響を受ける。従って、本発明では、
Ｌ方向の靭性を高いレベルに保ったまま、異方性をでき
るだけ除くために、加熱温度をＡｃ１変態点〜ＡＣ３変
態点の範囲とした。

また、加熱時間が３０分を超えると、未固溶炭化物およ
び結晶粒が粗大化して靭性、耐応力腐食割れ性ともに低
下する。

二相域別熱の後の冷却は、先の（ｃ）と同じ理由で、同
じ条件とする。８０容量％以上、望ましくは９５容量％
以上がマルテンサイトで占められる均一な組織になるよ
うに、Ｍｓ点以下の温度まで、しかも少なくとも５ＱＯ
’Ｃまでを３０”Ｃ／分以上の冷却速度とする。

（ｆ）最終焼戻し この焼戻しは前段階の加熱、冷却でオーステナイトから
変態したマルテンサイトの靭性と耐応力腐食割れ性を向
上させるために行う。この焼戻し温度が＾ｃ１変態点を
超えると再びオーステナイトが生成し、冷却時にフレッ
シュマルテンサイトが生じるのでＡｃ１変態点以下に抑
える。焼戻し後の冷却は性能に大きな影響を与えないが
、冷却速度が大きい方が望ましい。

このようにして製造されたマルテンサイト系ステンレス
鋼継目無し管は、マクロ的には焼戻しマルテンサイト組
織であり、ミクロ的にはフェライト結晶粒が極めて微細
でかつ析出炭化物が微細分散した組織を有し、靭性、耐
応力腐食割れ性、特に耐硫化物応力腐食割れ性に優れた
ものとなり、しかも、圧延方向による異方性は掻く小さ
い。

以下、実施例によって本発明を更に具体的に説明する。

（実施例） 第１表に示す組成の鋼から通常の溶解、鋳造法で１００
　ｍ−φ×３００ＩＩＩｌｌの鋼片を製造した。これら
の鋼片を用いて、第２表に示す条件でマルテンサイト系
ステンレス鋼継目無し管を製造した。

これらの鋼管について０．２％耐力と引張り強さとを測
定し、また靭性を評価する目的で５ｍｍＸ１０ｓ１）×
５５ｍＩｍの２ｍｍ　Ｖノツチ試験片を用いてり、Ｃ両
方向のシャルピー衝撃試験を行ってシャルピー破面遷移
温度を測定した。

更に、耐応力腐食割れ性を評価する目的で、シェルタイ
ブ試験、即ち、水平３点曲げ試験片の中央点に異なった
荷重を付加した状態で、温度：２０℃１気圧：ｌ気圧の
ｉ２ｓで飽和した０、５％酢酸水溶液中に５００時間浸
漬して割れ発生を観察し、耐硫、化物応力腐食割れ性の
指標となるＳｃ値を求めた。

上記の各測定結果を第２表にまとめて示す。

まず、第２表の本発明法のＮｌ１ｌ〜３０の試験結果と
従来法（通常の条件で製管後に焼入れ一焼戻し処理を施
したもの）のＮ（Ｌｌ〜２１の試験結果を比較すると、
０．２％耐力と引張り強さにおいては路間等であるが、
破面遷移温度とＳｃ値では本発明法のものがはるかに勝
っている。特に、破面遷移温度に着目すれば、従来法の
ものは異方性は少ないがり、Ｃ方向ともに遷移温度が高
いのに対し、本発明法のものは両方向とも遷移温度が高
くしかもその差は掻く小さい、なお、比較法の患１は製
管仕上げ圧延後の再加熱温度が低いためにＬ方向に較べ
てＣ方向の靭性が低い。また、比較法の漱２と３は製管
時の条件が本発明の条件を満たしていないもので、靭性
と耐応力腐食割れ性が本発明法によるものに及ばない。

（発明の効果） 本発明方法によって製造された継目無し管は、加工と冷
却の条件の精密な調整によって、結晶粒および分散炭化
物が極めて微細化されている。従って、強度はもとより
、靭性、耐応力腐食割れ性、特に、耐硫化物応力腐食割
れ性に優れ、しかも製管後の適切な熱処理によって異方
性も改善されている。

本発明は、マルテンサイト系ステンレス鋼継目無し管の
使用分野の拡大に寄与するところが極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は、マルテンサイト系ステンレス！ｉｌ継目無し
管を製造する従来の工程を説明する図、第２図および第
３図は、同じ（本発明の詳細な説明する図、である。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）マルテンサイト系ステンレス鋼片を下記の工程で
   順次加工熱処理することを特徴とする靭性と耐応力腐食
   割れ性に優れたマルテンサイト系ステンレス鋼継目無し
   管の製造方法。 ［１］鋼片を１０５０〜１２５０℃に加熱し、穿孔と圧
   延を行う工程、 ［２］少なくとも５００℃までを３０℃／分以上の冷却
   速度としてマルテンサイト変態開始温度以下の温度まで
   冷却して８０容量％以上がマルテンサイトで占められる
   組織とする工程、 ［３］実質的にオーステナイトの生成がないＡｃ＿１変
   態点〜（Ａｃ＿１変態点−２００℃）の温度域に再加熱
   して断面減少率で５％以上の仕上圧延を行った後、直ち
   に、または一旦冷却してからＡｃ＿１変態点〜Ａｃ＿１
   変態点の温度域に３０分以下保持し、次いで、少なくと
   も５００℃までを３０℃／分以上の冷却速度としてマル
   テンサイト変態開始温度以下の温度まで冷却して８０容
   量％以上がマルテンサイトで占められる組織とする工程
   。 ［４］Ａｃ＿１変態点以下の温度で焼戻しを行う工程。
2. （２）マルテンサイト系ステンレス鋼が通常の化学組成
   を有するものである特許請求の範囲第１項記載の継目無
   し管の製造方法。
3. （３）マルテンサイト系ステンレス鋼が下記第１群およ
   び／または第２群の元素の１種以上を含有するものであ
   る特許請求の範囲第１項記載の継目無し管の製造方法。 第１群 重量％で、２．０％以下のＭｏ、５％以下のＮｉ、０．
   ５％以下のＮｂ、０．５％以下のＶ、０．５％以下のＴ
   ｉ、０．５％以下のＺｒ、０．０１％以下のＢ、および
   ０．１５％以下のＮ。 第２群 重量％で、０．００１〜０．０５％のＣａ、０．００１
   〜０．０５％のＬａ、および０．００１〜０．０５％の
   Ｃｅ。
4. （４）マルテンサイト系ステンレス鋼が、不純物元素の
   ＰとＳの一方または両方を下記の範囲にそれぞれ低減せ
   られたものである特許請求の範囲第１項から第３項まで
   に記載のいずれかの継目無し管の製造方法。 Ｐ：０．０１重量％以下 Ｓ：０．００１重量％以下