JPH1157819A

JPH1157819A - 高強度高靱性鋼管の製造方法

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Publication number: JPH1157819A
Application number: JP22790497A
Authority: JP
Inventors: Takaaki Toyooka; 高明豊岡; Masanori Nishimori; 正徳西森; Motoaki Itaya; 元晶板谷; Akira Yorifuji; 章依藤; Yuji Hashimoto; 裕二橋本; Yoshitomo Okabe; 能知岡部; Taro Kanayama; 太郎金山
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1997-08-25
Filing date: 1997-08-25
Publication date: 1999-03-02

Abstract

(57)【要約】【課題】高強度高靱性の配管用合金鋼鋼管の製造方法
を提供する。【解決手段】Ｃ、Si、Mn、Al量を適正範囲とし、Cr：
２超〜10％、Mo：0.1 〜2.5 ％を含有する組成の母管を
400 〜750 ℃の温度範囲で累積縮径率20％以上の絞り圧
延を施す。絞り圧延後500 〜750 ℃の焼もどしを行って
もよい。なお、Cu、NiあるいはNb、Ti、Ｂ、Ｖあるいは
REM 、Caのうちから必要に応じ添加してもよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高圧機器の配管用
として使用される合金鋼鋼管に係り、とくに、強度と靱
性を兼ね備えた合金鋼鋼管の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】高圧機器の配管用として使用される合金
鋼鋼管は、熱間または冷間で仕上げ製管されたのち、通
常は、焼なまし、あるいは焼ならし後焼戻しの熱処理を
施され、使用に供されている。合金鋼鋼管は、高温強さ
を増加させるMoあるいはCrとMoが添加され、主に高温で
の使用を目的としている。

【０００３】しかし近年、高圧機器の設置場所が寒冷地
域に拡大され、機器製作時やシャットダウン時の安全性
を確保するため、高圧機器の配管にも強度とともに低温
靱性の向上が要求されるようになってきた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、製管
後、焼きなまし、あるいは焼ならし後焼戻し処理を施す
通常の製造方法では低温靱性の著しい向上は望めない。
本発明は、上記した問題を有利に解決し、高強度でかつ
高靱性を有する配管用合金鋼鋼管の製造を可能とする合
金鋼鋼管の製造方法を提案することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、CrとMoを
含有する配管用合金鋼鋼管の強度と靱性をともに向上さ
せる方法について鋭意検討した結果、フェライト再結晶
域での絞り圧延を施すことにより、鋼管の組織が微細化
され、フェライト粒、パケットサイズおよび析出物が微
細化し、高強度と高靱性を兼ね備える合金鋼鋼管となる
ことを新規に見い出した。

【０００６】本発明は、このような知見をもとに構成さ
れたものである。すなわち、本発明は、重量％で、重量
％で、Ｃ：0.30％以下、Si：1.5 ％以下、Mn：1.0 ％以
下、Cr：２超〜10％、Mo：1.0 〜2.5 ％、Al：0.001 〜
0.10％を含有し、残部Feおよび不可避的不純物よりなる
組成の母鋼管を加熱また均熱したのち、圧延温度：400
〜750 ℃で累積縮系率：20％以上の絞り圧延を施すこと
を特徴とする高強度高靱性鋼管の製造方法であり、前記
母鋼管の加熱または均熱を400 〜750 ℃の温度範囲とす
るのが好ましく、また、前記絞り圧延を潤滑下での圧延
とするのが好ましく、また、前記絞り圧延後、500 〜75
0 ℃で焼戻すのが好ましい。

【０００７】また、本発明では、前記組成を基本組成と
して、これに加えて、さらに重量％で、Cu：１％以下、
Ni：２％以下、のうちから選ばれた１種または２種を含
有してもよく、また、前記組成に加えて、さらに重量％
で、Nb：0.1 ％以下、Ｖ：0.3 ％以下、Ti：0.2 ％以
下、Ｂ：0.004 ％以下のうちから選ばれた１種または２
種以上を含有してもよく、また、前記組成に加えて、さ
らに重量％で、REM:0.02％以下、Ca:0.01 ％以下のうち
から選ばれた１種または２種を含有してもよい。また、
本発明では、前記基本組成に加えて、上記合金元素群か
らそれぞれ選ばれた合金元素を複合して含有してもよ
い。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明では素材として鋼管を用い
る。母鋼管の製造方法については、高周波電流を利用し
た電気抵抗溶接法による電気抵抗溶接鋼管（電縫鋼
管）、オープン管両エッジ部を固相圧接温度域に加熱し
圧接接合する固相圧接鋼管、鍛接鋼管、およびマンネス
マン式穿孔圧延による継目無鋼管いずれも好適に使用で
きるが、なかでも厳しい使用条件の場合には、継目無鋼
管を素材とするのが好ましい。

【０００９】つぎに、母鋼管の化学組成の限定理由を説
明する。Ｃ：0.30％以下Ｃは、焼入性を向上させ、鋼の強度を増加させる元素で
あり、所望の強度を確保するために、好ましくは0.07％
以上の含有を必要とする。しかし、0.30％を超えて含有
すると強度が高くなりすぎ延性が劣化し、さらに溶接硬
化性が増加する。このようなことから、Ｃは0.30％以
下、好ましくは0.07〜0.30％の範囲に限定した。

【００１０】Si：1.5 ％以下 Siは、脱酸元素として作用するとともに、基地中に固溶
し、焼入性を向上させ、鋼の強度を増加させる。この効
果は、0.01％以上、好ましくは0.1 ％以上の含有で認め
られるが、1.5 ％を超える含有は延性を劣化させる。こ
のことから、Siは1.5 ％以下に限定した。なお、好まし
くは、0.1 〜1.5 ％の範囲である。

【００１１】Mn：1.0 ％以下 Mnは、焼入性を向上させ、鋼の強度を増加させる元素で
あり、炭化物の微細析出を促進する。所望の強度を確保
するためおよび炭化物の微細析出のためには0.3 ％以上
含有するのが好ましいが、1.0 ％を超えると延性が劣化
し、また溶接硬化性が増加する。このようなことから、
Mnは1.0 ％以下に限定した。なお、好ましくは0.3 〜0.
6 ％である。

【００１２】Cr：２超〜10％ Crは、鋼の焼入性を向上させ、マルテンサイト組織と
し、強度を増加させる元素である。また、炭化物を形成
し、常温強度および高温強度、クリープ強度を増加させ
る。さらにCrは、鋼の耐食性、酸化性を向上させる。こ
のような効果は２％を超えてCrを含有すると顕著となる
が、10％を超えて添加すると、素材鋼板または鋼管を製
造する際の熱間加工性が劣化し、経済的にも高価とな
る。このため、Crは、２超〜10％の範囲に限定した。

【００１３】Mo：0.1 〜2.5 ％ Moは、焼入性を向上させ、鋼の強度を増加させる元素で
あり、また、炭化物を形成し、常温強度、高温強度およ
びクリープ強度を増加させる。このような効果を得るた
めには0.1 ％以上の含有を必要とするが、2.5 ％を超え
ると強度が高くなりすぎ、延性が低下するとともに、溶
接硬化性が増加し、溶接部の靱性が劣化し、さらに溶接
部に割れが発生しやすくなる。このため、Moは0.1 〜2.
5 ％の範囲に限定した。なお、好ましくは0.3 〜1.5 ％
である。

【００１４】Al：0.001 〜0.10％ Alは、結晶粒径を微細化する作用を有している。結晶粒
微細化のためには、少なくとも0.001 ％以上の含有を必
要とするが、0.10％を超えると酸素系介在物量が増加し
清浄度が低下する。このため、Alは0.001 〜0.10％の範
囲に限定した。なお、好ましくは0.015 〜0.06％であ
る。

【００１５】上記した母鋼管の基本組成に加えて、つぎ
に述べる合金元素群を単独あるいは複合して添加しても
よい。 Cu：１％以下、Ni：２％以下のうちから選ばれた１種ま
たは２種 Cu、Niはいずれも、鋼の焼入性を向上させ、強度を増加
させる元素であり、必要に応じ１種または２種を添加で
きる。しかし、Cuは多量添加すると熱間加工性が劣化す
るため、１％を上限とした。Niは強度増加とともに靱性
をも改善するが２％を超えて添加しても効果が飽和し経
済的に高価となるため、２％を上限とした。なお、好ま
しくはCu：0.1 〜0.6 ％、Ni：0.1 〜1.0 ％である。

【００１６】Nb：0.1 ％以下、Ｖ：0.3 ％以下、Ti：0.
2 ％以下、Ｂ：0.004 ％以下のうちから選ばれた１種ま
たは２種以上 Nb、Ｖ、Ti、Ｂは、炭化物、窒化物または炭窒化物とし
て析出し、結晶粒の微細化と高強度化に寄与する元素で
あり、特に高温に加熱される溶接部で、溶接時の加熱過
程で粒の粗大化を防止する効果もあり、必要に応じ１種
または２種以上添加できる。しかし、多量添加すると、
溶接性と靱性が劣化するため、Nbは0.1％、Ｖは0.3
％、Tiは0.2 ％、Ｂは0.004 ％をそれぞれ上限とした。
なお、好ましくはNb：0.005 〜0.05％、Ｖ：0.05〜0.1
％、Ti：0.005 〜0.10％、Ｂ：0.0005〜0.002 ％であ
る。

【００１７】REM ：0.02％以下、Ca：0.01％以下のうち
から選ばれた１種または２種 REM 、Caは、いずれも介在物の形状を調整し加工性を向
上させる作用を有しており、さらに、硫化物、酸化物ま
たは硫酸化物として析出し、高温に加熱される溶接接合
部で接合部の硬化を防止する作用をも有し、必要に応じ
１種以上添加できる。REM ：0.004 ％未満、Ca：0.001
％未満ではこの作用による効果が少ないため、REM ：0.
004 ％以上、Ca：0.001 ％以上とするのが好ましいが、
REM ：0.02％、Ca：0.01％を超えると介在物が多くなり
すぎ清浄度が低下し、延性が劣化する。

【００１８】母鋼管は、上記した成分のほか、残部Feお
よび不可避的不純物からなる。不可避的不純物として
は、Ｎ：0.020 ％以下、Ｏ：0.006 ％以下、Ｐ：0.025
％以下、Ｓ：0.020 ％以下が許容される。Ｎ：0.020 ％以下Ｎは、Alと結合して結晶粒を微細化するに必要な量、0.
020 ％までは許容できるが、それ以上の含有は延性を劣
化させるため、0.010 ％以下に低減するのが好ましい。
なお、より好ましくは、Ｎは0.003 〜0.006 ％である。

【００１９】Ｏ：0.006 ％以下Ｏは、酸化物として清浄度を劣化させるため、できるだ
け低減するのが好ましいが、0.006 ％までは許容でき
る。Ｐ：0.025 ％以下Ｐは、粒界に偏析し、靱性を劣化させるため、できるだ
け低減するのが好ましいが、0.025 ％までは許容でき
る。

【００２０】Ｓ：0.020 ％以下Ｓは、硫化物を増加し清浄度を劣化させるため、できる
だけ低減するのが好ましいが、0.020 ％までは許容でき
る。本発明では、上記した組成の母鋼管を用いて鋼管を
製造する。つぎに、本発明の鋼管の製造方法について説
明する。

【００２１】上記組成の母鋼管を好ましくは750 〜400
℃に加熱または均熱する。加熱または均熱温度が750 ℃
を超えると、表面性状が劣化するとともに、加熱または
均熱時にオーステナイトが増加して結晶粒が粗大化す
る。このため、母鋼管の加熱または均熱温度は750 ℃以
下とするのが好ましい。また、加熱または均熱温度が40
0 ℃未満では、好適な圧延温度を確保できないため、加
熱または均熱温度は400 ℃以上とするのが好ましい。

【００２２】加熱された母鋼管はついで絞り圧延を施さ
れる。絞り圧延方法は、レデューサと称される複数の孔
型圧延機による絞り圧延が好適である。本発明の実施に
好適な設備列の１例を図１に示す。図１では、孔型ロー
ルを有する複数のスタンドの絞り圧延装置21が示されて
いる。圧延機のスタンド数は、母鋼管径と仕上げ管径の
組み合わせで適宜決定される。孔型ロールは、通常公知
の２ロール、３ロールあるいは４ロールいずれでも好適
に適用できる。

【００２３】絞り圧延の加熱または均熱方法はとくに限
定するものではないが、加熱炉、あるいは誘導加熱によ
るのが好ましい。なかでも誘導加熱方式が加熱速度が大
きく、生産能率あるいは結晶粒の成長を抑制する点から
好ましい。絞り圧延の圧延温度は、フェライト再結晶温
度域の750 〜400 ℃の範囲とする。フェライト再結晶温
度域での圧延によりフェライト粒あるいはベイナイト、
マルテンサイトのパケットが加工され、この圧延温度域
で導入される加工歪により、CrおよびMoの化合物の析出
が促進され、CrおよびMo化合物が微細析出する。

【００２４】このような微細CrおよびMo化合物の析出に
より、組織の安定性が増し、常温から中高温度域での配
管用材料の用途に適用できる。また、短時間使用であれ
ば、高温域での配管用材料としても使用可能となる。さ
らに、微細なMo化合物の析出により、高温強度が増加
し、組織微細化によるクリープ強度の低下もない。圧延
温度が750 ℃を超えると、再結晶後のフェライト粒の成
長が著しくなり延性が低下する。一方、圧延温度が400
℃未満では青熱脆性により脆化し圧延中に材料が破断す
る恐れがある。さらに、圧延温度が400 ℃未満では材料
の変形抵抗が増大し圧延が困難となるほか、再結晶が不
十分となり加工歪が残存しやすくなる。このため、絞り
圧延の圧延温度は、750 〜400 ℃の範囲に限定した。な
お、好ましくは600 〜700 ℃である。

【００２５】絞り圧延における累積縮径率は20％以上と
する。累積縮径率（＝（素材鋼管外径−製品鋼管外径）／（素
材鋼管外径）×100 ％）が20％未満では、再結晶による
結晶粒の微細化あるいは析出物の微細析出が不十分であ
り、延性に富み、高温強度に優れた鋼管とならない。ま
た、造管速度も遅く生産能率が低い。このため、本発明
では累積縮径率を20％以上とした。なお、累積縮径率が
60％以上では、加工硬化による強度増加に加えて組織の
微細化が顕著となる。このことから、累積縮径率は60％
以上とするのがより好ましい。

【００２６】本発明における鋼管の絞り圧延は、２軸応
力状態の圧延加工となり、著しい結晶粒微細化効果を得
ることができる。これに対し、鋼板の圧延においては、
圧延方向に加え、板幅方向（圧延直角方向）にも自由端
が存在し、１軸応力状態における圧延加工であり、結晶
粒微細化に限界がある。また、本発明では、絞り圧延は
潤滑下での圧延とするのが好適である。絞り圧延を潤滑
下での圧延（潤滑圧延）とすることにより、厚み方向の
歪分布が均一となり、結晶粒径の分布が厚み方向で均一
となる。無潤滑圧延では、剪断効果によって材料表面層
部のみに歪が集中し、厚み方向の結晶粒が不均一となり
やすい。潤滑圧延は、通常公知の、鉱油あるいは鉱油に
合成エステルを混合した圧延油を用いて行えばよく、圧
延油をとくに限定する必要はない。

【００２７】絞り圧延加工後、鋼管は室温まで冷却され
る。冷却方法は、空冷でよいが、粒成長を少しでも抑え
る目的で急冷装置24を用いて水冷、あるいはミスト冷
却、強制空冷等通常公知の冷却方法が適用可能である。
冷却速度は好ましくは10℃／sec 以上とするのが好まし
い。なお、本発明では、絞り圧延装置21の入側あるいは
絞り圧延装置21の途中に冷却装置26を設置し、温度調節
を行ってもよい。

【００２８】本発明では、絞り圧延後、鋼管に500 〜75
0 ℃の温度範囲で焼戻しを行うことができる。本発明の
方法で製造された鋼管は、そのままでも組織、析出物の
安定度は高く、あらためて焼きならし、焼きなまし等の
熱処理を必要としないが、鋼管の用途が高温で長時間の
使用が想定される用途である場合には、絞り圧延後、組
織および析出物をさらに安定化させるために焼戻しを行
うのが好ましい。

【００２９】焼戻し温度が500 ℃未満では、焼戻し効果
が期待できない。一方、焼戻し温度が750 ℃を超える
と、逆変態オーステナイトの形成とその再変態により組
織が粗大化し、絞り圧延による組織の微細化効果が消失
する。このため、焼戻し温度は、500 〜750 ℃に限定す
るのが好ましい。

【００３０】

【実施例】

（実施例１）表１に示す化学組成を有する母鋼管に、表
２に示す温度に誘導加熱コイルで加熱したのち、３ロー
ル構造の絞り圧延機で表２に示す圧延条件で製品管とし
た。なお、母鋼管は継目無鋼管、固相圧接鋼管とした。

【００３１】表２中に示す固相圧接鋼管とは、7.0mm 厚
の熱延帯鋼を600 ℃に予熱したのち、複数の成形ロール
で連続的に成形しオープン管とし、ついで、オープン管
両エッジ部を誘導加熱で1000℃まで予熱したのち、さら
に両エッジ部を誘導加熱により未溶融温度域の1450℃ま
で加熱しスクイズロールにより衝合し固相圧接して、φ
110mm×7.0mm 厚の鋼管としたものを用いた。一方、継
目無鋼管は、連続鋳造製ビレットを加熱し、マンネスマ
ンマンドレル方式のミルで造管し、継目無鋼管としたも
のを用いた。

【００３２】また、絞り圧延後、一部の鋼管には、表２
に示す焼戻し処理を施した。なお、比較例として、一部
の絞り圧延後の鋼管に焼きなまし、あるいは焼きならし
焼戻し処理を施した。絞り圧延を行わず焼きならし−焼
戻し処理のみを施した例を従来例とした。これら製品管
の引張特性、衝撃特性を調査し、その結果を表２に示
す。引張特性は、JIS 11号試験片を用いた。なお、伸び
の値は、試験片のサイズ効果を考慮して、El＝El₀×
（√（a₀/a））^0.4（ここに、El₀：実測伸び、a₀：29
2mm²、ａ：試験片断面積（mm² ））を用いて求めた換算
値を使用した。

【００３３】衝撃特性は、シャルピー衝撃試験を行い、
衝撃値を求め、評価した。さらに、高温強さとして、JI
S G 0567に準拠して400 ℃で高温引張試験を行い、引張
強さを求めた。

【００３４】

【表１】

【００３５】

【表２】

【００３６】表２から、本発明例（No.1、No.2、No.5、
No.6、No.9、No.12 〜15）は、強度と延性・靱性がバラ
ンスよく向上し、さらに高温引張強さも高くなってい
る。例えば、本発明例のNo.1、No.2は、組成が同じで、
絞り圧延を行わない従来例（No.16 ）に比べ強度の向上
が著しい。一方、比較例（No.3、No.4、No.7、No.8、N
o.10 、No.11 ）は、延性・靱性が低く、強度と延性・
靱性のバランスが悪い。

【００３７】

【発明の効果】本発明によれば、組織安定性に優れ、高
温強度が確保でき、さらにクリープ強度の低下もない、
高強度高靱性鋼管が得られる。しかも従来、高圧機器の
配管用鋼管に必要であった熱処理を省略することがで
き、産業上格別の効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施に好適な設備列の一例を示す概念
図である。

【符号の説明】

８母鋼管 16 製品管 20 温度計 21 絞り圧延装置 23 デスケーリング装置 24 急冷装置 25 再加熱装置 26 冷却装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＣ２２Ｃ 38/00 ３０２Ｃ２２Ｃ 38/00 ３０２Ｚ 38/22 38/22 38/54 38/54 (72)発明者板谷元晶愛知県半田市川崎町１丁目１番地川崎製鉄株式会社知多製造所内 (72)発明者依藤章愛知県半田市川崎町１丁目１番地川崎製鉄株式会社知多製造所内 (72)発明者橋本裕二愛知県半田市川崎町１丁目１番地川崎製鉄株式会社知多製造所内 (72)発明者岡部能知愛知県半田市川崎町１丁目１番地川崎製鉄株式会社知多製造所内 (72)発明者金山太郎愛知県半田市川崎町１丁目１番地川崎製鉄株式会社知多製造所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、Ｃ：0.30％以下、 Si：1.5 ％以下、 Mn：1.0 ％以下、 Cr：２超〜10％、 Mo：1.0 〜2.5 ％、 Al：0.001 〜0.10％を含有し、残部Feおよび不可避的不純物よりなる組成の
母鋼管を加熱また均熱したのち、圧延温度：400 〜750
℃で累積縮系率：20％以上の絞り圧延を施すことを特徴
とする高強度高靱性鋼管の製造方法。
【請求項２】前記母鋼管の加熱または均熱を400 〜75
0 ℃の温度範囲とすることを特徴とする請求項１に記載
の鋼管の製造方法。
【請求項３】前記絞り圧延が潤滑下での圧延であるこ
とを特徴とする請求項１または２に記載の鋼管の製造方
法。
【請求項４】前記絞り圧延後、500 〜750 ℃で焼戻す
ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の
鋼管の製造方法。
【請求項５】前記組成に加えて、さらに重量％で、 Cu：１％以下、Ni：２％以下のうちから選ばれた１種ま
たは２種を含有することを特徴とする請求項１ないし４
のいずれかに記載の鋼管の製造方法。
【請求項６】前記組成に加えて、さらに重量％で、 Nb：0.1 ％以下、Ｖ：0.3 ％以下、Ti：0.2 ％以下、
Ｂ：0.004 ％以下のうちから選ばれた１種または２種以
上を含有することを特徴とする請求項１ないし５のいず
れかに記載の鋼管の製造方法。
【請求項７】前記組成に加えて、さらに重量％で、 REM:0.02％以下、Ca:0.01 ％以下のうちから選ばれた１
種または２種を含有することを特徴とする請求項１ない
し６のいずれかに記載の鋼管の製造方法。