JP6829717B2 - 残留熱を利用する継目無鋼管のオンライン焼入れ冷却方法および製造方法 - Google Patents

残留熱を利用する継目無鋼管のオンライン焼入れ冷却方法および製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、鋼管の冷却プロセスおよびその製造方法に関し、特に、継目無鋼管の冷却方法およびその製造方法に関する。
従来、製品形態及び製造方法上の制約から、合金元素の添加および圧延後のオフライン熱処理のみにより、熱間圧延継目無鋼管の製品性能を向上させてきた。油井管を例に挙げると、５５５ＭＰａ（８０Ｋｓｉ）以上のグレードの鋼管を製造するためには、大量の合金元素を添加することを必要があり、このような生産方公式では、製造コストが大幅に増加する。または、オフライン調質処理を採用した方法で５５５ＭＰａ（８０Ｋｓｉ）以上のグレードの鋼管を製造することもできる。ここで、オフライン熱処理とは、熱間圧延継目無鋼管を圧延した後、室温まで空冷し、鋼管材料の保管庫に入れてから、必要に応じて熱処理することである。しかし、このような方式を採用すると、鋼管を圧延後の残留熱が無駄になる。なぜならば、圧延後の鋼管の温度は、一般的に９００℃以上となり、同時に、工程の複雑化およびコストの増加をもたらすからである。また、オフライン熱処理を採用しても、材料変形後の誘起相転移効果を利用することにより強化させることができない。検討によれば、鋼材が変形した後、そのままオンライン焼入れを行うと、その性能は、冷却後さらに加熱して焼入れを行う方法より明らかに高くなる。
上記のとおり、当業者には、オンライン焼入れを採用することにより、継目無鋼管をより一層良好な性能が得られることが既に知られているが、なぜ従来技術においてオンライン焼入れを使用しないか？これは、継目無鋼管の特殊な断面形状のため、プレート材と比較し、その内部応力状態がより複雑であるため、オンライン焼入れ方法を採用すると、その性能を安定に制御することが困難である一方、鋼管の割れが発生しやすいからである。
本発明の目的の一つは、合金元素の添加量が少ない場合でも、性能に優れた継目無鋼管を得ることができ、かつ継目無鋼管の割れを防止することができる、残留熱を利用する継目無鋼管のオンライン焼入れ冷却方法を提供することである。
本発明は、上記発明の目的に基づき、残留熱を利用する継目無鋼管のオンライン焼入れ冷却方法を提供し、当該方法は、素管の温度がＡｒ３より高い条件下に、素管の周方向に水を均一にスプレーすることで、素管をＴ℃以下まで連続的に冷却し、冷却速度をＥ１℃／ｓ〜Ｅ２℃／ｓとなるように制御し、マルテンサイトを主相とする微細組織を得る工程を含み、ここで、Ｔ＝Ｍｓ−９５℃、Ｍｓはマルテンサイト変態温度であり、Ｅ１＝２０×（０．５−Ｃ）＋１５×（３．２−Ｍｎ）−８×Ｃｒ−２８×Ｍｏ−４×Ｎｉ−２８００×Ｂ、Ｅ２＝９６×（０．４５−Ｃ）＋１２×（４．６−Ｍｎ）（上記式中、Ｃ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、ＢおよびＭｏは、継目無鋼管におけるそれぞれの元素の質量パーセンテージを表す）である。
なお、本発明の技術案により限定された前記式は、必ずしも該継目無鋼管がＣ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、ＢおよびＭｏの元素を同時に含有することを意味していない。この公式は、該方法で焼入れを行う継目無鋼管に対する一般式である。この式中、前記元素の１種または２種以上が含有されない場合、かかる数値としてゼロを代入する。
本発明にかかる残留熱を利用する継目無鋼管のオンライン焼入れ冷却方法において、本発明者らは、鋼管材料と焼入れプロセスのパラメータ、特に焼入れ冷却開始温度、冷却最終温度および冷却速度との対応関係を制御することにより、継目無鋼管の焼入れおよび割れの傾向を効果的に制御し、かつ焼入れ後に割合が高いマルテンサイト相が得られることで、継目無鋼管の最終的性能の安定的な制御を達成する。
さらに、具体的に、本発明者は検討を重ねた結果、素管をＴ℃以下まで連続的に冷却し、冷却速度をＥ１℃／ｓ〜Ｅ２℃／ｓとなるように制御し、ここで、Ｔ＝Ｍｓ−９５℃、Ｍｓはマルテンサイト変態温度を示し、Ｅ１＝２０×（０．５−Ｃ）＋１５×（３．２−Ｍｎ）−８×Ｃｒ−２８×Ｍｏ−４×Ｎｉ−２８００×Ｂ、Ｅ２＝９６×（０．４５−Ｃ）＋１２×（４．６−Ｍｎ）であり、上記式中、Ｃ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、ＢおよびＭｏは、継目無鋼管におけるそれぞれの元素の質量パーセンテージを表すことを創造的に提案した。冷却速度をＥ１℃／ｓ〜Ｅ２℃／ｓとなるように制御するのは、冷却速度がＥ１より小さいと、焼入れした後に十分な割合のマルテンサイト相が得られにくく、さらに最終性能を確保することができず、冷却速度がＥ２℃／ｓより大きいと、鋼管変形後の内部応力が大きいため、鋼管の焼入れ際、割れが生じやすくなる。
また、素管の温度はＡｒ３温度を超えることを必要とするが、これは素管がＡｒ３温度未満で継目無鋼管のオンライン焼入れ冷却プロセスを行い始める場合、継目無鋼管において初析フェライトが一部生成され、焼入れした後に大量のマルテンサイトが得られることを確保することができないからである。
なお、Ａｒ３温度およびＭｓ温度は、当業者が公知のものであり、または技術的条件で、例えばマニュアルを参照することで得られ、または熱シミュレーション実験を用いて測定することにより得られる。
また、なお、上記の上記式中、Ｃ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、ＢおよびＭｏは、継目無鋼管におけるそれぞれの元素の質量％を表し、即ち、公式におけるＣ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、ＢおよびＭｏに代入される値は、％記号前の数値であり、例えば、Ｃの質量％が０．１７％である実施例において、公式に代入する時、Ｃに代入される数値は、０．００１７ではなく、０．１７である。他の元素の代入も同じことなので、ここで説明を省略する。
さらに、本発明にかかる継目無鋼管のオンライン焼入れ冷却方法において、継目無鋼管における合金の合計含有量は、質量％で、５％以下であり、合金がＣ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｂ、Ｃｕ、Ｖ、ＮｂおよびＴｉの少なくとも１種を含有する。合金の含有量が５％を超える鋼は、そのマルテンサイト変態を空冷条件下で行うことができ、該方法を適用する必要はない。なお、本発明の技術案における継目無鋼管の合金元素の種類は、Ｃ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｂ、Ｃｕ、Ｖ、ＮｂおよびＴｉという種類に限られず、さらにその他の合金元素を含有することもできる。
さらに、本発明にかかる継目無鋼管のオンライン焼入れ冷却方法において、継目無鋼管における合金の合計含有量は、質量％で、０．２〜５％である。
さらに、本発明にかかる継目無鋼管のオンライン焼入れ冷却方法において、得られたマルテンサイト相の割合は９０％以上である。相割合が９０％以上であるマルテンサイトの微細組織により、継目無鋼管が高い強靭性と安定した性能変動を有することになる。
また、さらに、本発明にかかる継目無鋼管のオンライン焼入れ冷却方法後に得られた微細組織は、さらにベイナイト、フェライトおよびカーバイドを含有することができる。
従来技術に比べて、本発明にかかる継目無鋼管のオンライン焼入れ冷却方法は、残留熱を利用して鋼材料の変形後の誘起相転移効果を奏する。よって、過剰の合金元素を添加する必要はない。また、本発明の技術案で提案された公式が高い適用性を有するため、本発明の技術案では継目無鋼管の配合成分の割合について具体的に制限しておらず、本発明の技術案より限定された技術的特徴を満足さえすれば、本発明の技術案で奏しようとする技術的効果を奏することができる。
相応に、本発明のもう一つの目的は、残留熱を利用する継目無鋼管の製造方法を提供することであり、当該方法には、（１）鋼管用ビレットを製造する工程と、（２）鋼管用ビレットを素管に成形する工程と、（３）前文で述べた継目無鋼管のオンライン焼入れ冷却方法を用いる工程と、（４）焼戻しを行う工程と、を含む。
なお、工程（１）において、鋼管用ビレットの製造方法は、製錬後の溶鋼をそのまま丸ビレットに鋳込むことによって製造することができる。または、鋳込みを行ってからスラブ鍛造または圧延することによって鋼管用ビレットにすることも採用できる。
さらに、本発明にかかる継目無鋼管の製造方法において、前記工程（４）において、マルテンサイトが十分に分解され、焼戻しソルバイトが得られることを確保するように、焼戻し温度を４００℃以上とし、焼戻し時間を３０分以上とすることにより、性能に優れた継目無鋼管が得られる。
さらに、本発明にかかる継目無鋼管の製造方法において、前記工程（２）において、鋼管用ビレットを１１００〜１３００℃まで加熱し、１〜４時間保持してから、穿孔、連続圧延、ストレッチレデューシングによる縮径またはストレッチサイジングによる定径を経て素管に成形する。
また、本発明のもう一つの目的は、上記の継目無鋼管の製造方法により得られた継目無鋼管を提供することである。
さらに、本発明にかかる継目無鋼管において、その硬さが、（５８×Ｃ＋２７）ＨＲＣ（式中、Ｃは継目無鋼管における炭素元素の質量％を表す）を超える。
本発明にかかる残留熱を利用する継目無鋼管のオンライン焼入れ冷却方法および製造方法は、以下の利点および有益な効果を有する。
（１）本発明にかかる継目無鋼管のオンライン焼入れ冷却方法および製造方法を採用すると、継目無鋼管を熱間圧延後の残留熱を十分に利用することができ、再加熱して継目無鋼管をオーステナイト化させる必要がないことから、従来技術における常用のオフライン焼入れされた製品に比べて生産フローがより短くなり、コストがより低くなる；
（２）本発明にかかる継目無鋼管のオンライン焼入れ冷却方法および製造方法を採用すると、同等の性能の継目無鋼管を得ることを前提とし、合金元素の添加量を大きく低減させることができる；
（３）本発明にかかる継目無鋼管のオンライン焼入れ冷却方法および製造方法を採用すると、従来技術において制御することができない現象である継目無鋼管の割れを避けることができ、これにより、製品の歩留まりを確保することができる；
（４）本発明にかかる継目無鋼管のオンライン焼入れ冷却方法を採用すると、微細組織においてマルテンサイトを主相とする継目無鋼管を得ることができ、さらに鋼管の強靭性および性能安定性を確保することができる。
以下、本発明にかかる残留熱を利用する継目無鋼管のオンライン焼入れ冷却方法および製造方法を実施例によりさらに解釈し説明するが、本発明は、これらの解釈および説明によってなんら限定されるものではない。
実施例Ａ１〜Ａ７と比較例Ｂ１〜Ｂ５
実施例Ａ１〜Ａ７における継目無鋼管は、下記の工程により製造されたものである。
（１）鋼管用ビレットを製造する工程：表１に示された各化学元素の質量％のとおりに製錬し、インゴットに鋳込み、またインゴットを鋼管用ビレットに鍛造する。
（２）鋼管用ビレットを素管に成形する工程：鋼管用ビレットを１１００〜１３００℃まで加熱し、１〜４ｈ保持した後、穿孔、連続圧延、ストレッチレデューシングによる縮径またはストレッチサイジングによる定径を経て素管に成形する。
（３）残留熱を利用する継目無鋼管のオンライン焼入れ冷却方法を用いる工程：素管の温度がＡｒ３より高い条件下において、素管の周方向に水を均一にスプレーすることで、素管をＴ℃以下まで連続的に冷却し、冷却速度をＥ１℃／ｓ〜Ｅ２℃／ｓとなるように制御し、マルテンサイトを主相とする微細組織を得る。ここで、Ｔ＝Ｍｓ−９５℃、Ｍｓはマルテンサイト変態温度であり、Ｅ１＝２０×（０．５−Ｃ）＋１５×（３．２−Ｍｎ）−８×Ｃｒ−２８×Ｍｏ−４×Ｎｉ−２８００×Ｂ、Ｅ２＝９６×（０．４５−Ｃ）＋１２×（４．６−Ｍｎ）であり、上記式中、Ｃ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、ＢおよびＭｏは、継目無鋼管におけるそれぞれの元素の質量パーセンテージを表す。
（４）焼戻しを行う工程：焼戻し温度が４００℃以上とし、焼戻し時間を３０分以上とする。
本願においてオンライン焼入れ冷却方法の本願実施効果への影響を示すために、比較例Ｂ１〜Ｂ５では、鋼管用ビレットと素管を製造する工程で実施例と同様のプロセス工程を採用したが、焼入れプロセスでは本発明の技術案の保護範囲以外のプロセスパラメータを採用した。また、比較例の素管に用いられたのは、オンライン焼入れではなく、室温までに完全に冷却した後、再度Ａｒ３まで加熱してからさらに焼入れし始めたものである。
表１は、実施例Ａ１〜Ａ７および比較例Ｂ１〜Ｂ５にかかる継目無鋼管の各化学元素の質量％を表す。
Figure 0006829717
表２は、実施例Ａ１〜Ａ７および比較例Ｂ１〜Ｂ５における継目無鋼管の製造方法の具体的なプロセスパラメータを例示する。
Figure 0006829717
実施例Ａ１〜Ａ７および比較例Ｂ１〜Ｂ５における継目無鋼管について各項目の性能測定を行い、得られたデータを表３に示した。また、降伏強度のデータは、実施例Ａ１〜Ａ７および比較例Ｂ１〜Ｂ５における継目無鋼管をＡＰＩ弧状引張試験片に加工し、ＡＰＩ規格に準拠して試験を行った後、平均値として得られたものである。衝撃試験片のデータは、実施例Ａ１〜Ａ７および比較例Ｂ１〜Ｂ５における継目無鋼管を１０ｍｍ×１０ｍｍ×５５ｍｍのサイズ、Ｖ字型ノッチに加工した標準衝撃試験片とし、０℃で測定したものである。また、各実施例および比較例において、焼入れ冷却後の硬さはロックウェル硬度試験機により測定されたものである。
表３は、各実施例および比較例における継目無鋼管の性能データを示す。
Figure 0006829717
表２からわかるように、実施例Ａ１〜Ａ７における継目無鋼管は、オンライン焼入れ後のマルテンサイト相の割合はいずれも９０％以上である。表３からわかるように、実施例Ａ１〜Ａ７における継目無鋼管の降伏強度はいずれも４９２ＭＰａより高く、０℃フルサイズの衝撃エネルギーはいずれも１０６Ｊより高く、かつ焼入れ後のＨＲＣ硬さはいずれも３９より高く、また全て割れがない。
表２および表１の組み合わせから分かるように、各実施例および比較例における各化学元素の配合成分の割合に差はないが、各実施例および比較例の製造方法には大きく異なるため、実施例Ａ１〜Ａ７における継目無鋼管の全体的な性能は、比較例Ｂ１〜Ｂ５より優れている。また、表２と表３の組み合わせからわかるように、比較例Ｂ１の冷却開始温度がＡｒ３温度より低く、比較例Ｂ１において先に初析フェライトを生成させ、焼入れ後の硬度を低減させ、かつその継目無鋼管の強度にも影響を与えた。比較例Ｂ２の冷却速度は、本願で限定された冷却速度範囲より低く、比較例Ｂ３の冷却最終温度は、本願で限定された冷却速度範囲より高いため、比較例Ｂ２とＢ３における継目無鋼管は焼入れ後、高い割合のマルテンサイトの微細組織が得られず、さらにその性能に影響を与えた。また、比較例Ｂ４および比較例Ｂ５の冷却速度は、本願で限定された冷却速度範囲より高いため、鋼管の割れが生じ、適当な鋼管製品を得ることができなくなる。
以上、本発明の具体的な実施形態は単なる例示に過ぎず、これらは本発明を限定するものではないことが明らかであり、これに伴って多くの類似した変更があることに留意すべきである。当業者であれば、本発明の開示の内容から直接に導出、または連想される全ての変形は、本発明の保護範囲に含まれるべきである。

Claims (4)

  1. 残留熱を利用する継目無鋼管のオンライン焼入れ冷却方法であって、
    継目無鋼管は、質量％で、Ｃ：０．１７〜０．３％、Ｍｎ：０．４５〜１．６５％、Ｃｒ：０〜１．０５％、Ｎｉ：０〜１．０５％、Ｂ：０〜０．００２５％、Ｍｏ：０〜０．２３％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物であり、
    素管の温度がＡｒ３より高い条件下において、素管の周方向に水を均一にスプレーすることにより、素管をＴ℃以下になるまで、冷却速度をＥ１℃／ｓ〜Ｅ２℃／ｓとなるように制御しながら、連続的に冷却し、マルテンサイト相の割合が９０％以上である微細組織を得る工程を含むことを特徴とする継目無鋼管のオンライン焼入れ冷却方法であって、
    ここで、Ｔ＝Ｍｓ−９５℃、Ｍｓはマルテンサイト変態温度であり、Ｅ１＝２０×（０．５−Ｃ）＋１５×（３．２−Ｍｎ）−８×Ｃｒ−２８×Ｍｏ−４×Ｎｉ−２８００×Ｂ、Ｅ２＝９６×（０．４５−Ｃ）＋１２×（４．６−Ｍｎ）
    （上記式中、Ｃ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、ＢおよびＭｏは、継目無鋼管におけるそれぞれの元素の質量パーセンテージを表す。）である、
    継目無鋼管のオンライン焼入れ冷却方法。
  2. 残留熱を利用する継目無鋼管の製造方法であって、
    （１）鋼管用ビレットを製造する工程と、
    （２）鋼管用ビレットを素管に成形する工程と、
    （３）請求項１に記載の継目無鋼管のオンライン焼入れ冷却方法を用いる工程と、
    （４）焼戻しを行う工程と、
    を含む継目無鋼管の製造方法。
  3. 前記工程（４）において、焼戻し温度が４００℃以上であり、焼戻し時間が３０分以上である、請求項２に記載の継目無鋼管の製造方法。
  4. 前記工程（２）において、鋼管用ビレットを１１００〜１３００℃まで加熱し、１〜４時間保持した後、穿孔、連続圧延、ストレッチレデューシングによる縮径またはストレッチサイジングによる定径を経て素管に成形する、請求項２に記載の継目無鋼管の製造方法。
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