JPH0672262B2

JPH0672262B2 - ステンレス鋼継目無し管の製造方法

Info

Publication number: JPH0672262B2
Application number: JP28144587A
Authority: JP
Inventors: 邦夫近藤; 昌克植田; 隆弘 ▲櫛▼田
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1987-11-06
Filing date: 1987-11-06
Publication date: 1994-09-14
Anticipated expiration: 2009-09-14
Also published as: JPH01123027A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）この発明は、圧延のままで、従来の焼入れ、焼戻し処理
を施したものと同等の強度をもち、しかも靱性と耐応力
腐食割れ性においては従来のものに勝るマルテンサイト
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）一般に、マルテンサイト系ステンレス鋼の継目無し管は
強度、靱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
アサー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
レデューサー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、必要な強度と靱性を付与するために焼入れ、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。

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一
段と苛酷さを増しつつある使用環境では、靱性と耐応力
腐食割れ性が不十分な場合がある。また、圧延終了後
に、再加熱して焼入れ、焼戻しを行うのは工数およびエ
ネルギーの節約という面からも好ましくない。

本発明の目的は、製管後に熱処理を別途行うことなく、
圧延のままで従来の製造方法によるものに勝るマルテン
サイト系ステンレス鋼継目無し管、特に、H₂Sを含む環
境での耐硫化物応力腐食割れ性に優れ、かつ製管条件に
よって生じることのある靱性等における異方性も改善さ
れた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）本発明者は、一旦焼入れされた状態にあるマルテンサイ
ト系ステンレス鋼を適当な温度で温間加工すれば、マル
テンサイト組織の下部構造であるブロックとパケットの
単位より著しく微細なフェライト組織が得られ、この温
間加工から冷却したまま、即ち、圧延のままで従来の製
造方法によるものと同等の強度を有し、しかも靱性と耐
応力腐食割れ性においてはそれをはるかに凌ぐマルテン
サイト系ステンレス鋼継目無し管が製造できることを確
認した。

更に、圧延方向に対して直角の方向（Ｃ方向）の靱性
が、圧延方向（Ｌ方向）のそれに較べて低くなる、いわ
ゆる異方性を改善する対策を検討し、下記の点を要旨と
する発明に到った。

本願の第一発明は、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靱性
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、を要旨とする。

鋼片を1050〜1250℃の温度に加熱し穿孔と圧延を行
い、かつその際肉厚減少率で20％以上の加工をオーステ
ナイトの再結晶温度以下で行う工程。

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、 Ac₁変態点〜（Ac₁変態点−200℃）の温度に再加熱
し、断面減少率で５％以上の仕上圧延を行った後、空冷
または強制冷却する工程。

本願の第二発明は、同じく次の工程で順次加工熱処理す
ることを特徴とする継目無し管の製造方法、を要旨とす
る。

鋼片を1050〜1250℃の温度に加熱し穿孔と圧延を900
℃以上の温度で行う工程、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、 Ac₁変態点〜（Ac₁変態点−200℃）の温度に再加熱
し、断面減少率が５％以上、平均周径減少率と肉厚減少
率との差が0.35以下となる条件で仕上圧延を行った後、
空冷または強制冷却する工程。

更に、第三の発明は、同じく次の工程で順次加工熱処理
することを特徴とする靱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、
を要旨とする。

鋼片を1050〜1250℃の温度に加熱し穿孔と圧延を行
い、かつその際肉厚減少率で20％以上の加工をオーステ
ナイトの再結晶温度以下で行う工程、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、 Ac₁変態点〜（Ac₁変態点−200℃）の温度に再加熱
し、断面減少率が５％以上、平均周径減少率と肉厚減少
率との差が0.35以下となる条件で仕上圧延を行った後、
空冷または強制冷却する工程。

上記第一から第三の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、および或
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微細組織の焼戻しマル
テンサイト組織となる全てのステンレス鋼である。

また、製管方法としては、マンネスマンマンドレルミル
方式、マンネスマンプラグミル方式、マンネスマンアッ
セルミル方式等あらゆる方法に適用できる。

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ト領域が拡大し、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
多くなり靱性を著しく損なう。

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。一方、含有量が
１％を超えると粒界炭化物の生成を助長し、靱性、耐食
性を劣化させる。特に靱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、強度および靱性を向上させるが0.05％未満ではそ
の効果がなく、２％を超えると逆に靱性を劣化させる。

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、靱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0.001
％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
すぎると靱性、耐食性が劣化する。0.1％が許容上限値
であるが、0.01％以下に抑えれば靱性、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。

なお、Ｐを0.01％以下とし、かつＳを0.001％以下にす
るのが最も望ましい。

Sol.Al:0.005〜0.1％ Alは溶鋼の脱酸のため添加される。Sol.Alとして0.005
％以上の含有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、
靱性、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Ｖ、0.5％以下のTi、0.5％以下のZr、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、0.001〜0.05％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、靱性を大きく向上させる効果があ
る。しかし、５％を超えて含有させ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。

Nb、Ｖ、Ti、Zr: これらの元素は強度や靱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
って靱性を劣化させる。

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、
靱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％を超えると逆に靱性、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％を超えると著しい靱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％未満の含有量
ではその効果が得られず、0.05％を超えると靱性、耐食
性を劣化させる。

第２図に示すのは本願第一の発明のひとつの工程図であ
る。以下、これに沿って各工程を説明する。

（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℃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十
分な時間とする。

（ｂ）穿孔と圧延ピアサー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。ピアサーは、傾斜
圧延方式でもプレスピアシング方式でもよい。

ここでの加工のうち、肉厚減少率で20％以上をオーステ
ナイトの再結晶温度（通常約950℃）以下で行うのが望
ましい。これは、次工程のAc₁変態点以下で行われる仕
上げ圧延、特に、最終圧延がストレッチレデューサーま
たはサイザー等による縮径加工の場合に起こる圧延方向
に直角の方向の靱性が低めになる現象、いわゆる異方
性、が改善されるからである。即ち、オーステナイト域
での穿孔、圧延において再結晶温度以下で或る程度以上
の肉厚圧下を加えて急冷すれば、次工程でマルテンサイ
トに仕上げ圧延を加えた後に生成する異方性の原因とな
る集合組織を打ち消すような集合組織が生じ、靱性の異
方性が改善されるのである。かかる効果を得るためには
再結晶温度以下での加工量として肉厚減少率で20％以上
が必要である。

（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、靱
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織（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、
80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靱性低下の
原因となる粗大粒界炭化物が析出するようになる。冷却
が大きいほど靱性は向上し、特に前記のオーステナイト
再結晶温度以下で20％以上の肉厚減少として異方性の改
善を図る場合、この冷却速度も60℃／分以上とするのが
よく、例えば水冷などの急冷を行う。500℃以下は空冷
でも差し支えない。

（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ーで行
うが、サイザー、リーラー等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、圧延
のままで焼入れ、焼戻しを施した従来の製品と同等の強
度、それよりはるかに優れた靱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Ac₁変態点を超えるとオーステナイトが生
成し、所望の靱性、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。

ここで、断面減少率Ｋ（％）は、次の（イ）式で定義さ
れる。

Ｋ＝〔１−(r₂ ²-r₁ ²)/(R₂ ²-R₁ ²)〕×100・・・・（イ）ここで、R₁、R₂は仕上げ圧延前の内半径と外半径 r₁、r₂は仕上げ圧延後の内半径と外半径である。

仕上げ圧延後の冷却は空冷でもよいが、水冷などの強制
冷却を行えば上記の特性が一層向上する。

第３図は、本願第二の発明の工程図の一例を示すもので
ある。この場合は、前記（ｂ）の穿孔と圧延では、粗大
粒界炭化物の析出による靱性低下をできるだけ小さくす
るため、加工は900℃以上、望ましくは940℃以上の温度
域で終了させる。この処理で発生するおそれのある異方
性は、後の仕上げ圧延の条件を精密に調整することによ
って解消される。

穿孔、圧延工程の後の冷却条件、およびその後の再加熱
の条件は前記第一発明の場合と同じである。ただ、穿
孔、圧延後の少なくとも500℃までの冷却速度は、30℃
／分以上とすれば足りる。

第二発明において、異方性を改善する主な工程は仕上げ
圧延工程である。ここでは、前記のように、断面減少率
（Ｋ）を５％以上とするとともに、下記（ロ）式を満足
する条件で仕上げ圧延を行う。

上記の（ロ）式は、平均周径減少率、即ち、１−〔(r₁+
r₂)/(R₁+R₂)〕と肉厚減少率、即ち、１−〔(r₂-r₁)/(R₂
-R₁)〕の差である。（ロ）式の意味するところは、仕上
げ圧延の縮径圧延時にある程度以上の肉厚圧下をも行う
ということであり、それによって靱性の異方性が改善さ
れる。その理由は、異方性の原因となるフェライトの温
間加工による特殊な集合組織が、縮径加工と同時に行わ
れる肉厚圧下によって改善されるためと考えられる。

次に、本願第三の発明は、前記第一の発明における穿
孔、圧延の条件と、第二の発明の仕上げ圧延の条件の双
方を満足する継目無し管の製造方法である。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管では、
異方性の改善が一層確かなものとなる。

以上、第一発明から第三発明まで、どの方法による場合
でも製品となる継目無し管は、マクロ的には焼戻しマル
テンサイトであり、ミクロ的にはフェライト粒が極めて
微細でかつ析出炭化物が微細分散した組織を有し、圧延
のままで異方性の殆どない優れた靱性と耐応力腐食割れ
性をもつものとなる。

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100mm
φ×300mml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、また靱性を評価する目的で5mm×10mm×55mmの2mmV
ノッチ試験片を用いてシャルピー衝撃試験を行ってＬ方
向とＣ方向の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
プ試験、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℃、気圧:1気圧のH₂S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。

第２表中、本発明法（Ｉ）と記したのは、本願第一の発
明の実施例、（II）（III）は同じく第二、第三の発明
の実施例に相当する。これらいずれのものでも0.2％耐
力、引張り強さにおいて従来法のものに遜色なく、靱性
および耐応力腐食割れ性においては遥かにこれを凌ぐ。
更に、Ｌ方向、Ｃ方向の破面遷移温度に殆ど差がなく、
靱性の異方性はほぼ解消されている。

比較法のNo.1〜４は、別途焼入れ−焼戻し処理をしない
ことにおいては本発明方法と類似するが、穿孔、圧延の
条件、その後の冷却条件、再加熱条件、仕上げ圧延の条
件のいずれかが本発明の条件を満たさない例である。こ
の場合、靱性と耐応力腐食割れ性が低いか、靱性に異方
性が甚だしい。

（発明の効果）本発明は、マルテンサイト系ステンレス鋼の冶金学的な
特性を生かし、加工と冷却の条件を精密に調整して、圧
延のままで従来の製品をはるかに凌ぐ特性の継目無し管
を製造することを可能とした。本発明方法によって製造
される鋼管は、圧延のままで特殊な微細組織の焼戻しマ
ルテンサイト組織となり、その結晶粒および分散炭化物
が極めて微細であるから、特に靱性と耐応力腐食割れ性
において従来の製品に勝る。更には、圧延方向による特
性上の異方性も解消されている。

本発明は、上記製品特性の向上の外に工程の簡素化とい
う効果を奏し、マルテンサイト系ステンレス鋼継目無し
管の一層の普及に寄与するところが大きい。

【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鋼継目無し管を
製造する従来の工程を説明する図、第２図と第３図は、同じく本発明の工程を説明する図、
である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項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靱性と耐応
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。鋼片を1050〜1250℃の温度に加熱し穿孔と圧延を行
い、かつその際肉厚減少率で20％以上の加工をオーステ
ナイトの再結晶温度以下で行う工程、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、 Ac₁変態点〜（Ac₁変態点−200℃）の温度に再加熱
し、断面減少率で５％以上の仕上圧延を行った後、空冷
または強制冷却する工程。
【請求項２】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靱性と耐応
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。鋼片を1050〜1250℃の温度に加熱し、穿孔と圧延を90
0℃以上の温度で行う工程、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、 Ac₁変態点〜（Ac₁変態点−200℃）の温度に再加熱
し、断面減少率が５％以上、平均周径減少率と肉厚減少
率との差が0.35以下となる条件で仕上圧延を行った後、
空冷または強制冷却する工程。
【請求項３】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靱性と耐応
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。鋼片を1050〜1250℃の温度に加熱し穿孔と圧延を行
い、かつその際肉厚減少率で20％以上の加工をオーステ
ナイトの再結晶温度以下で行う工程、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、 Ac₁変態点〜（Ac₁変態点−200℃）の温度に再加熱
し、断面減少率が５％以上、平均周径減少率と肉厚減少
率との差が0.35以下となる条件で仕上圧延を行った後、
空冷または強制冷却する工程。