JPH11302785A

JPH11302785A - 継目無鋼管用鋼

Info

Publication number: JPH11302785A
Application number: JP10934498A
Authority: JP
Inventors: Kunio Kondo; 邦夫近藤; Shigeru Nakamura; 茂中村; Takeshi Ichinose; 威一ノ瀬
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1998-04-20
Filing date: 1998-04-20
Publication date: 1999-11-02

Abstract

(57)【要約】【課題】再結晶温度域以上での仕上げ圧延後、直ちに焼
入れし、その後焼戻しを行うという高い生産性を有する
インライン加工熱処理で、強度バラツキが小さく、しか
も靭性が優れた製品が得られる継目無鋼管用鋼を提供す
る。【解決手段】質量％で、Ｃ：０．１５〜０．３５％、Ｓ
ｉ：０．１〜１．５％、Ｍｎ：０．１〜２．５％、ｓｏ
ｌ．Ａｌ：０．００１〜０．１％、Ｎ：０．００７％以
下、Ｔｉ：０．０１５％以下、Ｐ：０．０５％以下、
Ｓ：０．００４％以下を含み、残部がＦｅおよび不可避
的不純物からなり、下式で求められるＦ値が０．００５
以下である継目無鋼管用鋼。この鋼は、Ｆｅの一部に代
えて、適量のＣｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｂ、Ｃａ、Ｍｇ、ＲＥＭ
およびＮｂのうちから選べれた１種または２種以上を含
むことができる。Ｆ＝％Ｔｉ−３．４×％Ｎ

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱間による製管
後、管をＡr₃変態点以下の温度に冷却せず、熱間加工時
の保有熱を有効に利用して焼入れ処理し、次いで焼戻し
処理する、いわゆるインライン熱処理プロセスに適用し
て好適な継目無鋼管用鋼に関する。

【０００２】

【従来の技術】溶接管に比較して高い信頼性が得られる
継目無鋼管は、過酷な油井環境や高温環境で使用される
ことが多く、均一な強度と良好な靱性を両立させること
が求められる。これらの要求を、高価な合金元素の使用
を回避しつつ満たすために、継目無鋼管では、オフライ
ンの調質処理により組織を細粒化する手段が利用されて
きた。

【０００３】しかし、近年、継目無鋼管の製造ラインで
もコスト合理化のためにインラインの加工熱処理をうま
く利用して、オフラインの熱処理を省略する製造方法が
検討されている。

【０００４】例えば、特開平０８−１３０３１号公報に
は、Ｎｂ、Ｔｉを添加した鋼を未再結晶域である低温で
加工し、その後インラインでの加速冷却によって微細組
織を有する鋼板を得る方法が示されている。確かに、鋼
板のように低温圧延が可能なものは、Ｎｂ、Ｔｉを積極
的に添加して再結晶温度を上昇させ、これによって未再
結晶加工割合を増加させることができるので、組織の微
細化に極めて有効である。

【０００５】これに対し、継目無鋼管の製造方法は、中
実ビレットを穿孔して得られたホローシェルの内側に工
具（マンドレルバー）を挿入して延伸圧延するのが一般
的である。しかし、延伸圧延後の管温度が低くなると、
管の高温強度が大きくなって管からマンドレルバーを引
き抜くのが困難になるだけでなく、マンドレルバーのの
寿命が低下するなどするので、鋼板のように低温圧延は
困難である。したがって、継目無鋼管の製造では、再結
晶温度域以上で仕上げ圧延を実施し、管をＡr₃変態点以
下の温度に冷却せず、熱間加工時の保有熱を有効に利用
して焼入れを行うインライン加工熱処理が主流となって
いる。

【０００６】ところが、鋼板のインライン熱処理用鋼と
して多く用いられている、Ｎｂ、Ｔｉ添加鋼をそのまま
継目無鋼管のインライン加工熱処理プロセスに適用する
と、製品の強度バラツキが極めて大きくなるだけでな
く、靭性が低下するという問題があった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、再結
晶温度域以上での仕上げ圧延後、管をＡr₃変態点以下の
温度に冷却せず、熱間加工時の保有熱を有効に利用して
焼入れし、その後焼戻しを行うというインライン加工熱
処理を施した場合に、製品の強度バラツキが小さく、し
かも靭性低下がない継目無鋼管を得ることが可能な継目
無鋼管用鋼を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、下記の
継目無鋼管用鋼にある。

【０００９】質量％で、Ｃ：０．１５〜０．３５％、Ｓ
ｉ：０．１〜１．５％、Ｍｎ：０．１〜２．５％、ｓｏ
ｌ．Ａｌ：０．００１〜０．１％、Ｎ：０．００７％以
下、Ｔｉ：０．０１５％以下、Ｐ：０．０５％以下、
Ｓ：０．００４％以下を含み、さらに、Ｃｒ：０〜１．
５％、Ｍｏ：０〜１．０％、Ｖ：０〜０．１５％、Ｂ：
０〜０．００３０％、Ｃａ：０〜０．００５０％、Ｍ
ｇ：０〜０．００５０％、ＲＥＭ：０〜０．００５０
％、Ｎｂ：０〜０．０１％を含み、残部がＦｅおよび不
可避的不純物からなり、下式で求められるＦ値が０．０
０５以下であることを特徴とする継目無鋼管用鋼。

【００１０】Ｆ＝Ｔｉ−３．４×Ｎここで、元素記号は
鋼中のそれぞれの元素の含有量（質量％）を表す。

【００１１】上記の本発明は、以下に述べる知見に基づ
いて、完成させた。

【００１２】すなわち、本発明者らは、前述の問題が発
生する原因の究明とその解決手段を見いだすために、鋭
意実験研究を行った結果、以下のことを知見した。

【００１３】代表的な微量添加合金元素であるＮｂに
着目すると、その炭化物であるＮｂＣは、ビレット加熱
温度域である１１５０〜１２５０℃程度では鋼中に固溶
し、継目無鋼管の仕上がり温度である１０００〜１１０
０℃近傍において溶解度が小さくなると析出を開始す
る。すなわち、ビレット加熱時に十分固溶したＮｂは圧
延仕上げ直後にＮｂＣとして析出し始めるが、一般的に
高温から冷却した場合の析出速度は小さく、焼入れ開始
までには少量析出するのみである。

【００１４】しかし、工具（プラグやマンドレルバーな
ど）と接触する表層、特に仕上げ圧延機であるマンドレ
ルミルのマンドレルバーと長時間接触する管の内表面で
は大きな温度低下が発生し、局所的に多量の炭化物析出
が誘起される。この局所的に多量の炭化物が析出した不
均一材料を焼入れ後に焼戻しすると、大きな強度バラツ
キが発生する。

【００１５】また、仕上げ圧延が低温域となる鋼管表層
部では炭化物の析出が多くなって焼戻し時には二次析出
による強化が小さく、逆に仕上げ温度が高温域となる鋼
管肉厚中央部では高温域で炭化物の析出が少なく、焼戻
し時の二次析出炭化物量が増加して大きく二次硬化す
る。

【００１６】図１は、０．０２６％Ｎｂ添加鋼とＮｂ無
添加鋼を用いてインライン熱処理によって鋼管を製造し
た場合の肉厚方向の硬度変化を調べた結果を示す図であ
り、Ｎｂ添加鋼では肉厚方向の硬度バラツキが大きい
が、Ｎｂ無添加鋼では肉厚方向の硬度バラツキがほとん
ど見られない。

【００１７】また、図２は、Ｎｂ添加量を変化させた場
合における肉厚中央部の硬度と管内表面の硬度との差を
調べた結果を示す図であるが、Ｎｂ添加量が０．０１％
以下であれば肉厚方向の硬度差（強度バラツキ）が小さ
くなる。

【００１８】次に、鋼管の長手方向および製造ロット
間の強度バラツキと、鋼中のＮ含有量とＴｉ含有量バラ
ツキとの間に相関関係があり、特にＴｉを積極的に添加
した鋼の場合に極めて強い相関関係があることが判明し
た。

【００１９】図３は、鋼中のＴｉ含有量とＮ含有量を種
々変化させた上記インライン加工熱処理による鋼管の焼
戻し後の強度特性を示す図である。この図に示すよう
に、焼戻し後の鋼管強度は、下式で求められるＦ値と強
い相関関係があり、鋼管の長手方向および製造ロット間
の強度バラツキを小さくすためには、Ｆ値を０．００５
以下にする必要があることがわかった。

【００２０】Ｆ＝Ｔｉ−３．４×Ｎここで、元素記号は鋼中のそれぞれの元素の含有量（質
量％）を表す。

【００２１】なお、上記のＦ値は、高温の熱間加工時に
ＴｉＮとして析出していないフリーなＴｉ量（固溶状態
のＴｉ）を表している。すなわち、上記の図３は、この
フリーなＴｉ量が０．００５％を超えると、焼戻し時に
ＴｉＣが析出して析出強化が進行し、鋼管の長手方向お
よび製造ロット間の強度バラツキが大きくなることを意
味している。

【００２２】さらに、微量のＮｂとＴｉを添加すると
結晶粒の微細化効果が得られる。ただし、前述したよう
に、ＮｂとＴｉは継目無鋼管のインライン熱処理プロセ
スでは、強度バラツキを助長する元素であるので、添加
する場合に強度バラツキの小さい範囲が存在し、その範
囲で添加するのがよい。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明になる継目無鋼管用
鋼の化学組成を上記のように定めた理由について詳細に
説明する。なお、以下において、「％」は「質量％」を
意味する。

【００２４】Ｃ：Ｃは、鋼管の強度を確保する目的で添
加するが、その含有量が０．１５％未満では焼入性が不
足し、必要とする強度を確保することが難しい。一方、
０．３５％を超えて含有させると、焼き割れが発生する
ようになるだけでなく、靱性の劣化が大きくなる。した
がって、Ｃ含有量は、０．１５〜０．３５％と定めた。
好ましい範囲は、０．２０〜０．３０％である。

【００２５】Ｓｉ：Ｓｉは、通常、溶鋼の脱酸を目的と
して添加され、また焼戻し軟化抵抗を高めて強度上昇に
も寄与する。脱酸の目的では０．１％以上の含有量が必
要である。一方、１．５％を超えて含有させた場合、靱
性の低下をもたらす。したがって、Ｓｉ含有量は、０．
１〜１．５％と定めた。好ましい範囲は、０．２０〜
０．３５％である。

【００２６】Ｍｎ：Ｍｎは、鋼の焼入性を増し、鋼管の
強度確保に有効な元素である。その含有量が０．１％未
満では焼入性の不足によって強度、靱性ともに低下す
る。一方、２．５％を超えて含有させると偏析を増して
靱性を低下させる。したがって、Ｍｎ含有量は、０．１
〜２．５％と定めた。好ましい範囲は、０．５〜１．５
％である。

【００２７】ｓｏｌ．Ａｌ：Ａｌは、脱酸のために必須
の元素であり、ｓｏｌ．Ａｌで０．００１％以上は含有
させる必要がある。すなわち、その含有量が０．００１
％未満の場合は、脱酸が不足し、鋼質の劣化、靭性の低
下を招く。しかし、０．１％を超えて含有させると、か
えって靱性の低下を招くため好ましくない。したがっ
て、ｓｏｌ．Ａｌ含有量は、０．００１〜０．１％とし
た。好ましい範囲は、０．０１〜０．０４％である。

【００２８】Ｔｉ、Ｎ：前述の図３に示したように、高
温の熱間加工時にＴｉＮとして析出していないフリーな
Ｔｉ量、すなわち固溶Ｔｉ量を表す前述の式で求められ
るＦ値が０．００５％以下の場合、焼戻し時にＴｉＣが
析出しないために析出強化が起こらず、強度バラツキが
小さくなる。したがって、本発明では、そのＦ値を０．
００５以下と規定した。

【００２９】しかし、ＴｉとＮの含有量が、それぞれ
０．０１５％超、０．００７％超になると、ＴｉＮが多
量に生成して靱性低下を引き起こす。このため、その含
有量の上限を、Ｔｉについては０．０１５％、Ｎについ
ては０．００７％と定めた。

【００３０】なお、Ｔｉ含有量は、強度バラツキを小さ
くする観点からは低ければ低いほど好ましく、その含有
量が０（ゼロ）であることが最も望ましい。ところが、
Ｔｉは、後述するＮｂと同様に、オーステナイト結晶粒
の微細化作用を有している。このため、この効果を得た
い場合には、上記の範囲内において、積極的に添加する
ようにしてもよい。

【００３１】Ｐ：Ｐは、不純物として鋼中に不可避的に
存在する。その含有量が０．０５％を超えると粒界に偏
析して靭性を低下させるので、その上限値を０．０５％
とした。好ましい上限は０．０２％、より好ましい上限
は０．０１％である。

【００３２】Ｓ：Ｓは、ＭｎＳまたはＣａやＲＥＭと結
合してオキシサルファイドを形成し、介在物として鋼中
に存在する。その含有量が多いと靭性が低下するので、
０．００４％以下に抑える必要がある。好ましい上限は
０．００２％、より好ましい上限は０．００１％であ
る。

【００３３】本発明の鋼は、上記の各元素のうち、基本
的にＣ、ＳｉおよびＭｎのみで最低限必要な焼入性が確
保される。このため、上記以外の合金元素を添加しなく
てもよいが、必要に応じて、Ｆｅの一部に替えて、下記
量のＣｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｂ、Ｍｇ、Ｃａ、ＲＥＭおよびＮ
ｂのうちから選ばれた１種または２種以上を添加するこ
とができる。

【００３４】Ｃｒ：Ｃｒは、焼入性および焼戻し軟化抵
抗を高めるのに有効な元素である。このため、その効果
を得たい場合、具体的にはより厚肉の鋼管を製造する際
に必要とされる焼入性を確保し、かつ焼戻し軟化抵抗を
高めたい場合に添加することができる。しかし、その含
有量が０．１％未満では、上記の効果が十分に得られな
い。一方、その含有量が１．５％を超えると、靭性が低
下する。したがって、添加する場合の含有量は、０．１
〜１．５％とするのが望ましい。好ましい範囲は、０．
３〜０．７％である。

【００３５】Ｍｏ：Ｍｏは、上記のＣｒと同様に、焼入
性および焼戻し軟化抵抗を高めるのに有効な元素であ
る。このため、その効果を得たい場合、具体的にはより
厚肉の鋼管を製造する際に必要とされる焼入性を確保
し、かつ焼戻し軟化抵抗を高めたい場合に添加すること
ができる。しかし、その含有量が０．０５％未満では、
上記の効果が十分に得られない。一方、その含有量が
１．０％を超えると、靭性が著しく低下する。したがっ
て、添加する場合の含有量は、０．０５〜１．０％とす
るのが望ましい。好ましい範囲は、０．０５〜０．２０
％である。

【００３６】Ｖ：Ｖは、ＮｂやＴｉと同様に、二次析出
強化によって強度を高める作用を有するが、その炭化物
（ＶＣ）は、ＮｂやＴｉの炭化物に比べて溶解度が大き
いので、インライン焼入れ時にはほとんど析出せず、強
度バラツキの要因にならない。また、添加することによ
る靱性への悪影響も比較的小さい反面、焼入性および焼
戻し軟化抵抗を向上させる作用を有しており、強度向上
のための選択肢となりうる元素である。このため、その
効果を得たい場合に添加することができるが、その含有
量が０．０１％未満では、上記の効果が得られない。一
方、その含有量が０．１５％を超えると、靱性が大きく
低下する。したがって、添加する場合の含有量は、０．
０１〜０．１５％とするのが望ましい。好ましい範囲
は、０．０３〜０．１２％である。

【００３７】Ｂ：Ｂは、上記のＣｒおよびＭｏと同様
に、焼入性を高めるのに有効な元素である。このため、
その効果を得たい場合、具体的には厚肉の鋼管を製造す
る際の焼入性が不足している場合に添加することができ
る。しかし、その含有量が０．０００３％未満では、上
記の効果が得られない。一方、その含有量が０．００３
０％を超えると、焼戻し後にＭ₂₃Ｃ₆ タイプの炭化物の
生成を促進して靭性が低下する。したがって、添加する
場合の含有量は、０．０００３〜０．００３０％とする
のが望ましい。好ましい範囲は、０．０００５〜０．０
０１０％である。

【００３８】Ｃａ、Ｍｇ：ＣａおよびＭｇは、鋼中のＳ
と反応して溶鋼中で硫酸化物を生成する。この硫酸化物
は、ＭｎＳなどとは異なり、圧延加工によって圧延方向
に伸びることがなく、圧延後も球状である。このため、
機械的性質の異方性を改善し、特に圧延方向と直交する
方向の衝撃性質を向上させる。また、延伸した介在物の
先端などを割れの起点とする水素誘起割れを抑制する作
用もある。このため、この効果を得たい場合には、いず
れか一方または両方を添加することができる。しかし、
いずれの元素もその含有量が０．０００５％未満では、
上記の効果が得られない。一方、いずれの元素もその含
有量が０．００５０％を超えると、清浄度の低下によっ
て靭性が低下する。したがって、添加する場合の含有量
は、いずれの元素も０．０００５〜０．００５０％とす
るのが望ましい。好ましい範囲は、０．０００５〜０．
００２０％である。

【００３９】ＲＥＭ：ＲＥＭは、組織の微細化や、Ｓを
固定して靭性を改善するのに有効な元素である。このた
め、その効果を得たい場合に添加することができる。し
かし、その含有量が０．０００５％未満では、上記の効
果が得られない。一方、その含有量が０．００５０％を
超えると、かえって靱性が低下する。したがって、添加
する場合の含有量は、０．０００５〜０．００５０％と
するのが望ましい。好ましい範囲は、０．０００５〜
０．００２０％である。

【００４０】Ｎｂ：Ｎｂは、インライン熱処理材の強度
バラツキを抑制する観点からみた場合、添加しない方が
よいが、微量のＮｂ添加は高温からのインライン焼入れ
プロセスで粗大になりがちなオーステナイト結晶粒を微
細化する効果を有している。このため、その効果を得た
い場合には添加することができる。しかし、その含有量
が０．００３％未満では、上記の効果が得られない。一
方、その含有量が０．０１％を超えると、前述の図２に
示すように、強度バラツキが大きくなる。したがって、
添加する場合の含有量は、０．００３〜０．０１％以下
とするのが望ましい。好ましい範囲は、０．００５〜
０．００８％である。

【００４１】上記の化学組成からなる本発明の継目無鋼
管用鋼は、常法にしたがって溶製、鋳造するか、鋳造後
に熱間加工を施すことによって製造する。

【００４２】

【実施例】表１に示す化学組成を有する１５種類の鋼を
準備した。なお、表１中のNo. １〜５および１０〜１２
は本発明例の鋼、No. ６〜９および１３〜１５は比較例
の鋼である。

【００４３】

【表１】

【００４４】上記１５種類の各鋼は、２トン真空炉で溶
製後、鍛造によって外径２５６ｍｍの中実ビレットを製
造し、マンネスマン−マンドレルミル方式により外径２
７３ｍｍ、肉厚２０ｍｍの継目無鋼管に製管した。製管
後の継目無鋼管には、変態させることなく直ちに９５０
℃に５分間均熱保持後、水焼入れし、次いで６３０℃に
１５分間均熱保持後、空冷する焼戻し処理のインライン
熱処理を施した。

【００４５】そして、得られた各鋼管からは、リング状
の硬度測定用の試験片と、そのＬ（管軸長）方向からＪ
ＩＳＺ２２０２に規定される４号シャルピー試験片
を採取し、それぞれ、硬度測定とシャルピー衝撃試験に
供した。

【００４６】硬度測定は、円周方向の任意位置を０度と
し、時計回り方向の９０度、１８０度、２７０度の４位
置における肉厚中央と管内表面のロックウエルＣ硬度
（ＨＲＣ）を測定した。また、シャルピー衝撃試験は、
室温（２０℃）で行い、試験片の破断に要した吸収エネ
ルギー（Ｊ）を測定した。

【００４７】以上の測定結果を、表１に併せて示した。
なお、表１に示す肉厚中央と管内表面のロックウエル硬
度（ＨＲＣ）およびその硬度差（△ＨＲＣ＝肉厚中央硬
度−管内表面硬度）は、上記の４位置における平均値で
ある。

【００４８】表１に示す結果から明らかなように、本発
明例の鋼（No. １〜５および１０〜１２）は、インライ
ン熱処理後の鋼管の肉厚中央の硬度と管内表面の硬度の
差（△ＨＲＣ）が−０．３〜０．２と小さく、強度バラ
ツキが極めて小さかった。これに対し、比較例の鋼のう
ち、Ｎｂ含有量が０．０１５〜０．０５０％で本発明で
規定する上限０．０１％を超える鋼（No. ６〜９）、お
よびＦ値が本発明で規定する範囲を外れる鋼（No. １
３、１４）は、硬度差（△ＨＲＣ）が１．２〜１．５と
大きく、強度バラツキが大きかった。また、Ｆ値は本発
明で規定する範囲内であるが、Ｔｉの添加量が本発明で
規定する範囲を外れる鋼（No. １５）は、吸収エネルギ
ーが２１Ｊで、靭性が大幅に悪かった。

【００４９】

【発明の効果】本発明によれば、生産性の高いインライ
ン熱処理に用いた場合に、強度バラツキが小さく、しか
も靱性に優れた製品が得られる安価な継目無鋼管用鋼が
提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】０．０２６％Ｎｂ添加鋼とＮｂ無添加鋼を用い
てインライン熱処理によって鋼管を製造した場合の肉厚
方向の硬度変化特性を示す図である。

【図２】Ｎｂ添加量を変化させたときの肉厚中央部の硬
度と内面から２．５ｍｍの位置の硬度の差を示す図であ
る。

【図３】Ｔｉ、Ｎ変化材の焼戻し後の強度特性を、Ｆ
（＝％Ｔｉ−３．４×％Ｎ）値で整理して示した図であ
る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩ // Ｃ２１Ｄ 9/08 Ｃ２１Ｄ 9/08 Ｅ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】質量％で、Ｃ：０．１５〜０．３５％、Ｓ
ｉ：０．１〜１．５％、Ｍｎ：０．１〜２．５％、ｓｏ
ｌ．Ａｌ：０．００１〜０．１％、Ｎ：０．００７％以
下、Ｔｉ：０．０１５％以下、Ｐ：０．０５％以下、
Ｓ：０．００４％以下を含み、さらに、Ｃｒ：０〜１．
５％、Ｍｏ：０〜１．０％、Ｖ：０〜０．１５％、Ｂ：
０〜０．００３０％、Ｃａ：０〜０．００５０％、Ｍ
ｇ：０〜０．００５０％、ＲＥＭ：０〜０．００５０
％、Ｎｂ：０〜０．０１％を含み、残部がＦｅおよび不
可避的不純物からなり、下式で求められるＦ値が０．０
０５以下であることを特徴とする継目無鋼管用鋼。Ｆ＝Ｔｉ−３．４×Ｎここで、元素記号は鋼中のそれぞれの元素の含有量（質
量％）を表す。