JPS63241117A - 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、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、しかも靭性と耐応力
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） −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ＣＯ８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、靭性と耐応力
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を製造する方法を提供するこ
とを目的とする。

（問題点を解決するための手段） 本発明者は、継目無し管の製造工程、特にその圧延と冷
却の条件を適正に選べば、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、しかも靭性と耐応力腐
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
。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℃の温度で加熱し穿孔と圧
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、 ［３］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。

上記本発明は、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
ミル方式その他、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。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：９．４％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％ Ｓ＋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Ｏ，ＯＳ％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
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：ｏ、ｔ％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ｏ、ｏｏｉ％以下に抑えることである。

５ｏ１２　、Ａｊ！　＝　０．００５〜０．１％Ａｊ！
は溶鋼の脱酸のため添加される。ＳｏＩ！、、＾２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、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Ｃｏ。

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％未満の含
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図に例示する本発明の一つの工程図にそうて
、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
が太き（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、σ−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−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掻めて重要である。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同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Ａｃ、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エーサーで
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、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Ａｃ１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Ａｃ、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
。なお、断面減少率Ｋ（χ）は、次の（イ）式で定義さ
れる。

に−（１（ｒ、！　−ｒ＋”）／（Ｒｚ”　−Ｒ＋”）
）　Ｘ１００・・・・　（イ） ここで、Ｒ３、Ｒｚは仕上げ圧延前の内半径と外半径ｒ
１、ｒ２ば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。

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
−　φＸ３００＋１ｍｌ１の鋼片を製造した。なお、第
１表の鋼種Ｍ以下は特にＰとＳの両方を低く抑えたもの
である。これらの鋼片を用いて、第２表と第３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５ｓｍＸＩＱａｍ　Ｘ
　５５ａ＋ｍの２ｍｍ　Ｖノツチ試験片を用いてシャル
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
ＨｚＳ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表と第３表にまとめて示す、ま
た第３図と第４図に本発明方法によるものと従来方法に
よるものの代表例につき、０．２％耐力とＳｃ値の関係
を示した。

まず、第２表の試験結果は不純物のＰ、Ｓが通常レベル
の鋼種（一部、ＰまたはＳを低くしたものを含む）を対
象とするものである。試験Ｎαｌ〜２２が本発明の実施
例に相当する。従来法のＮα２３〜３Ｉば、製管後に焼
入れ一焼戻し処理を施したちのである０両者の試験結果
を比較すると、０．２％耐力と引張り強さにおいてはほ
ぼ同等であるが、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。なお、比較法として掲げた
Ｎａ３２〜３５は、別途焼入れ一焼戻し処理をしないこ
とにおいては本発明方法と！（ＧＪするが、穿孔、圧延
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、靭
性と耐応力腐食割れ性が著しく悪い。

第３図は、鋼種Ａと已について本発明法と従来法によっ
て得られた０、２％耐力とＳｃ値の関係をプロットした
ものである。同じ強度レベルであれば、本発明法による
ものの方が耐応力腐食割れ性がはるかに勝ることが明白
である。

次に、第３表はＰとＳを通常レベルよりも低く抑えた鋼
種（第１表のＭ−Ｘ）を対象とした試験である。第２表
の結果に較べて靭性と耐応力腐食割れ性が一層向上して
いることがわかる。また、第４図は、鋼種ＭとＱについ
ての前記第３図と同様の関係図である。ここでも、Ｓｃ
値が第３し１に較ベて高くなっていることが明らかであ
る。

（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０本発明方法によって製造
される鋼管は、圧延のままで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、特に靭性と耐応力腐食割れ性において従来の製
品に勝る。

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図は、同じく本
発明の詳細な説明する図、第３図と第４図は、本発明方
法と従来方法とによって得られた継目無し管の強度と耐
応力腐食割れ性との関係を示す図、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℃の温度に加熱し穿孔
   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］Ａｃ＿１変態点〜（Ａｃ＿１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。
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