JP7276641B1 - 電縫鋼管およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
Cは、固溶強化により鋼の強度を上昇させる元素である。また、Cは、焼入れ性を高めてマルテンサイトの生成に寄与する元素である。このような効果を得るためには、0.150%以上のCを含有する。一方、C含有量が0.500%を超えると、強度が高くなり過ぎて加工性および靱性が低下し、また溶接性も悪化する。このため、C含有量は0.150%以上0.500%以下とする。C含有量は、好ましくは0.180%以上であり、より好ましくは0.200%以上である。一方、C含有量は、好ましくは0.480%以下であり、より好ましくは0.460%以下である。
Siは、固溶強化により鋼の強度を上昇させる元素である。また、Siは、焼入れ性を高めてマルテンサイトの生成に寄与する元素である。このような効果を得るためには、0.05%以上のSiを含有する。一方、Si含有量が1.00%を超えると、強度が高くなり過ぎて加工性および靱性が低下する。また、電縫溶接部に酸化物が生成しやすくなり、溶接部特性が低下する。このため、Si含有量は0.05%以上1.00%以下とする。Si含有量は、好ましくは0.08%以上であり、より好ましくは0.10%以上である。一方、Si含有量は、好ましくは0.80%以下であり、より好ましくは0.50%以下である。
Mnは、固溶強化により鋼の強度を上昇させる元素である。また、Mnは、焼入れ性を高めてマルテンサイトの生成に寄与する元素である。このような効果を得るためには、0.10%以上のMnを含有することが必要である。一方、Mn含有量が2.00%を超えると、強度が高くなり過ぎて加工性および靱性が低下する。また、電縫溶接部に酸化物が生成しやすくなり、溶接部特性が低下する。このため、Mn含有量は0.10%以上2.00%以下とする。Mn含有量は、好ましくは0.20%以上であり、より好ましくは0.30%以上である。一方、Mn含有量は、好ましくは1.50%以下であり、より好ましくは1.20%以下である。
Pは、粒界に偏析し材料の不均質を招くため、不可避的不純物としてできるだけ低減することが好ましいが、0.050%までは許容できる。このため、本開示ではP含有量を0.050%以下とする。P含有量は、好ましくは0.020%以下であり、より好ましくは0.010%以下である。なお、特にPの下限は規定しないが、過度の低減は製錬コストの高騰を招くため、P含有量は0.002%以上とすることが好ましい。
Sは、鋼中では通常、MnSとして存在するが、MnSは、熱間圧延工程で薄く延伸され、延性および靭性に悪影響を及ぼす。このため、本開示では不可避的不純物としてSをできるだけ低減することが好ましいが、0.0200%までは許容できる。このため、S含有量は0.0200%以下とする。S含有量は、好ましくは0.0100%以下であり、より好ましくは0.0080%以下である。なお、特にSの下限は規定しないが、過度の低減は製錬コストの高騰を招くため、Sは0.0002%以上とすることが好ましい。
Alは、強力な脱酸剤として作用する元素である。このような効果を得るためには、0.005%以上のAlを含有することが必要である。一方、Al含有量が0.100%を超えると溶接性が悪化するとともに、アルミナ系介在物が多くなり、表面性状が悪化する。また溶接部の靱性も低下する。このため、Al含有量は0.100%以下とする。Al含有量は、好ましくは0.010%以上であり、より好ましくは0.015%以上である。一方、Al含有量は、好ましくは0.080%以下であり、より好ましくは0.070%以下である。
Nは、不可避的不純物であり、転位の運動を強固に固着することで延性および靭性を低下させる作用を有する元素である。本開示の母材部1では、Nは不純物としてできるだけ低減することが望ましいが、Nの含有量は0.0100%までは許容できる。このため、N含有量は0.0100%以下とする。N含有量は、好ましくは0.0080%以下である。なお、特にNの下限は規定しないが、過度の低減は精錬コストの高騰を招くため、Nは0.0010%以上とすることが好ましい。
Crは、焼入れ性を高めてマルテンサイトの生成に寄与し、鋼の強度を上昇させる元素である。このような効果を得るためには、0.10%以上のCrを含有することが必要である。一方、Cr含有量が1.00%を超えると、強度が高くなり過ぎて加工性および靱性が低下する。また、電縫溶接部に酸化物が生成しやすくなり、溶接部特性が低下する。このため、Cr含有量は0.10%以上1.00%以下とする。Cr含有量は、好ましくは0.15%以上であり、より好ましくは0.20%以上である。一方、Cr含有量は、好ましくは0.80%以下であり、より好ましくは0.60%以下である。
Bは、焼入れ性を高めてマルテンサイトの生成に寄与し、鋼の強度を上昇させる元素である。このような効果を得るためには、0.0002%以上のBを含有することが必要である。一方、B含有量が0.0050%を超えると、強度が高くなり過ぎて加工性および靱性が低下する。このため、B含有量は0.0002%以上0.0050%以下とする。B含有量は、好ましくは0.0003%以上であり、より好ましくは0.0005%以上である。一方、B含有量は、好ましくは0.0040%以下であり、より好ましくは0.0030%以下である。
Cuは、固溶強化により鋼の強度を上昇させる元素であり、必要に応じて含有することができる。上記した効果を得るため、Cuを含有する場合には、Cu含有量は0.01%以上とすることが好ましい。一方、1.00%を超えるCuの含有は、靱性の低下および溶接性の悪化を招くおそれがある。よって、Cuを含有する場合には、Cu含有量は1.00%以下とすることが好ましい。Cu含有量は、より好ましくは、0.05%以上であり、さらに好ましくは、0.10%以上である。一方、Cu含有量は、より好ましくは0.70%以下であり、さらに好ましくは0.50%以下である。
Niは、固溶強化により鋼の強度を上昇させる元素であり、必要に応じて含有することができる。上記した効果を得るため、Niを含有する場合には、Ni含有量は0.01%以上とすることが好ましい。一方、1.00%を超えるNiの含有は、靱性、加工性の低下および溶接性の悪化を招くおそれがある。よって、Niを含有する場合には、Ni含有量は1.00%以下とすることが好ましい。Ni含有量は、より好ましくは、0.05%以上であり、さらに好ましくは、0.10%以上である。一方、Ni含有量は、より好ましくは0.70%以下であり、さらに好ましくは、0.50%以下である。
Moは、鋼の焼入れ性を高め、鋼の強度を上昇させる元素であり、必要に応じて含有することができる。上記した効果を得るため、Moを含有する場合には、Mo含有量は0.01%以上とすることが好ましい。一方、1.00%を超えるMoの含有は、靱性、加工性の低下および溶接性の悪化を招くおそれがある。よって、Moを含有する場合には、Mo含有量は1.00%以下とすることが好ましい。Mo含有量は、より好ましくは0.05%以上であり、さらに好ましくは0.10%以上である。一方、Mo含有量は、より好ましくは0.70%以下であり、さらに好ましくは0.50%以下である。
Nbは、鋼中で微細な炭化物、窒化物を形成することで鋼の強度向上に寄与し、また、熱間圧延中のオーステナイトの粗大化を抑制することで組織の微細化にも寄与する元素であり、必要に応じて含有することができる。上記した効果を得るため、Nbを含有する場合は、0.002%以上のNbを含有することが好ましい。一方、Nb含有量が0.150%を超えると靱性および加工性が低下する。このため、Nbを含有する場合は、Nb含有量は0.150%以下とすることが好ましい。Nb含有量は、より好ましくは0.005%以上であり、さらに好ましくは0.010%以上である。一方、Nb含有量は、より好ましくは0.100%以下であり、さらに好ましくは0.080%以下である。
Vは、鋼中で微細な炭化物、窒化物を形成することで鋼の強度向上に寄与する元素であり、必要に応じて含有することができる。上記した効果を得るため、Vを含有する場合は、0.002%以上のVを含有することが好ましい。一方、V含有量が0.150%を超えると靱性および加工性が低下する。このため、Vを含有する場合は、V含有量は0.150%以下とすることが好ましい。V含有量は、より好ましくは0.005%以上であり、さらに好ましくは0.010%以上である。一方、V含有量は、より好ましくは0.100%以下であり、さらに好ましくは0.080%以下である。
Tiは、鋼中で微細な炭化物、窒化物を形成することで鋼の強度向上に寄与し、熱間圧延中のオーステナイトの粗大化を抑制することで組織の微細化にも寄与する元素であって、必要に応じて含有することができる。また、Nとの親和性が高いため鋼中のNを窒化物として無害化し、鋼の靭性向上にも寄与する元素である。上記した効果を得るため、Tiを含有する場合は、0.002%以上のTiを含有することが好ましい。一方、Ti含有量が0.150%を超えると降伏比が高くなり靱性が低下する。このため、Ti含有量は0.150%以下とするのが好ましい。Ti含有量は、より好ましくは0.005%以上であり、さらに好ましくは0.008%以上である。一方、Ti含有量は、より好ましくは0.130%以下であり、さらに好ましくは0.110%以下である。
Caは、熱間圧延工程で薄く延伸されるMnS等の硫化物を球状化することで鋼の靱性向上に寄与する元素であり、必要に応じて含有することができる。上記した効果を得るため、Caを含有する場合は、0.0005%以上のCaを含有することが好ましい。一方、Ca含有量が0.0100%を超えると、鋼中にCa酸化物クラスターが形成され、靱性が悪化する。このため、Caを含有する場合は、Ca含有量を0.0100%以下とすることが好ましい。Ca含有量は、より好ましくは0.0008%以上であり、さらに好ましくは0.0010%以上である。一方、Ca含有量は、より好ましくは0.0080%以下であり、さらに好ましくは0.0060%以下である。
マルテンサイトは硬質な組織であり、本開示で必要とする強度を得るためには、体積率で90%以上のマルテンサイトが必要である。マルテンサイトの体積率は、好ましくは93%以上であり、より好ましくは95%以上である。一方、加工性の観点から、マルテンサイトの体積率は、好ましくは99%以下であり、より好ましくは98%以下である。
電縫鋼管の母材部1の肉厚中央における残部は、フェライト、ベイナイト、パーライトおよびオーステナイトのうちの1種または2種以上とする。これらの組織はそれぞれマルテンサイトとは異なる強度を有しており、マルテンサイトと混合させることで降伏比を低下させ、全伸びを増加させることができる。一方で、これらの組織とマルテンサイトの界面においては、強度差に起因する応力集中により破壊が生じやすいため、これらの組織が多くなると靭性が低下する。そのため、これらの各組織の合計の体積率は、かかる位置の同一視野における組織全体に対して10%以下とし、好ましくは7%以下であり、より好ましくは5%以下である。なお、これらの組織は、焼入れ工程において完全に生成を抑制することが困難であり、かつ加工性を確保するため、その下限として1%程度は許容される。
母材部1の肉厚中央における鋼組織の結晶粒の平均結晶粒径が10μm超の場合、亀裂伝播の障害となる結晶粒界の総面積が小さいため、所望の靱性が得られない。よって、本開示の母材部1では、上記結晶粒の平均結晶粒径は、10μm以下とする。上記結晶粒の平均結晶粒径は、好ましくは8.0μm以下であり、より好ましくは6.0μm以下である。なお、平均結晶粒径が小さすぎると、加工性が低下するため、かかる平均結晶粒径は3.0μm以上であることが好ましい。
母材部1の肉厚中央の鋼組織における旧オーステナイトのうち、粒径が50μm以上の旧オーステナイト(以下、「粗大な旧オーステナイト」とも呼ぶ。)の旧オーステナイトの体積率が40%超となり粗大粒の割合が高くなると、粗大粒を介して亀裂が容易に伝播するため、所望の靭性が得られない。また、加工中に粗大粒にひずみが集中し、破断が早期に生じるため、所望の加工性が得られない。よって、本開示の母材部1では、粗大な旧オーステナイトの体積率は、40%以下とする。粗大な旧オーステナイトの体積率は、好ましくは35%以下であり、より好ましくは30%以下である。
(加熱温度:1100℃以上1300℃以下)
加熱温度が1100℃未満である場合、被圧延材の変形抵抗が大きくなり圧延が困難となる。一方、加熱温度が1300℃を超えると、オーステナイト粒が粗大化し、後の圧延(粗圧延、仕上圧延)において微細なオーステナイト粒が得られず、熱延鋼板の組織が粗大化する。その結果、焼入れ工程の加熱時におけるオーステナイトの核生成サイトが減少するため、焼入れ工程において生成したオーステナイト(電縫鋼管の旧オーステナイト)が粗大化し、本開示で目的とする電縫鋼管の鋼組織の平均結晶粒径および粗大な旧オーステナイトの体積率が得られない。加熱温度は、より好ましくは1120℃以上である。一方、加熱温度は、より好ましくは1280℃以下である。
粗圧延終了温度が850℃未満である場合、後の仕上圧延中に鋼板表面温度がフェライト変態開始温度以下になって、粗大なフェライトが生成し、後の焼入れ工程において粗大な旧オーステナイトが過剰に生成する原因となる。その結果、本開示で目的とする電縫鋼管の鋼組織の平均結晶粒径および粗大な旧オーステナイトの体積率が得られない。一方、粗圧延終了温度が1150℃を超えると、オーステナイト未再結晶温度域での圧下量が不足し、鋼素材のオーステナイトが粗大化し、熱延鋼板の組織が粗大化し、後の焼入れ工程において粗大な旧オーステナイトが生成する原因となる。その結果、本開示で目的とする電縫鋼管の鋼組織の平均結晶粒径および粗大な旧オーステナイトの体積率が得られない。粗圧延終了温度は、より好ましくは880℃以上である。一方、粗圧延終了温度は、より好ましくは1100℃以下である。
仕上圧延終了温度が750℃未満である場合、仕上圧延中に鋼板表面温度がフェライト変態開始温度以下になって、粗大なフェライトが生成してしまい、後の焼入れ工程において粗大な旧オーステナイトが生成する原因となる。その結果、本開示で目的とする電縫鋼管の鋼組織の平均結晶粒径および粗大な旧オーステナイトの体積率が得られない。一方、仕上圧延終了温度が900℃を超えると、オーステナイト未再結晶温度域での圧下量が不足することで、鋼素材のオーステナイトが粗大化してしまい、熱延鋼板の組織が粗大化し、後の焼入れ工程において粗大な旧オーステナイトが生成する原因となる。その結果、本開示で目的とする電縫鋼管の鋼組織の平均結晶粒径および粗大な旧オーステナイトの体積率が得られない。仕上圧延終了温度は、より好ましくは770℃以上である。一方、仕上圧延終了温度は、より好ましくは880℃以下である。
本開示の製造方法では、熱間圧延工程においてオーステナイト中のサブグレインを微細化し、熱延鋼板の組織を微細化することで、目的とする平均結晶粒径および粗大な旧オーステナイトの体積率を有する電縫鋼管の組織が得られる。また、焼入れ工程の加熱時には、主に方位差の大きい粒界からオーステナイトが生成する。よって、焼入れ工程前の組織を微細化することにより、オーステナイトの核生成サイトとなる結晶粒界の面積が増加し、焼入れ工程において生成するオーステナイトを微細化することができる。
本開示の製造方法では、前記熱間圧延工程の後の冷却工程で、熱延板に冷却処理を施す。かかる冷却工程では、冷却停止温度までの熱延板の板厚中心の平均冷却速度を5℃/s以上30℃/s以下、熱延板の板厚中心の冷却停止温度を400℃以上650℃以下として冷却する。
熱延板の板厚中心で、冷却開始から後述する冷却停止までの温度域における平均冷却速度が5℃/s未満では、核生成頻度が減少し、熱延鋼板の組織が粗大化するため、本開示で目的とする平均結晶粒径および粗大な旧オーステナイトの体積率を有する電縫鋼管の組織が得られない。一方、かかる平均冷却速度が30℃/sを超えると、多量のマルテンサイトが生成し、延性および靱性が低下する。そのため、後の造管工程における成形が困難となる。
なお、本開示の製造方法では、冷却前の熱延板表面におけるフェライトの生成を抑制するため、仕上圧延終了後直ちに冷却を開始することが好ましい。
熱延板の板厚中心で、冷却停止温度が400℃未満では、多量のマルテンサイトが生成し、延性および靱性が低下するため、後の造管工程における成形が困難となる。一方、かかる冷却停止温度が650℃を超えると、核生成頻度が減少し、熱延鋼板の組織が粗大化するため、本開示で目的とする平均結晶粒径および粗大な旧オーステナイトの体積率を有する電縫鋼管の組織が得られない。冷却停止温度は、好ましくは430℃以上である。一方、冷却停止温度は、好ましくは620℃以下である。
前記冷却工程後、巻取り工程で、熱延板をコイル状に巻取り、その後放冷する。巻取り温度が400℃未満では、多量のマルテンサイトが生成し、延性および靱性が低下するため、後の造管工程における成形が困難となる。一方、巻取り温度が650℃を超えると、核生成頻度が減少し、熱延鋼板の組織が粗大化するため、本開示で目的とする平均結晶粒径および粗大な旧オーステナイトの体積率を有する電縫鋼管の組織が得られない。巻取り温度は、好ましくは430℃以上である。一方、巻取り温度は、好ましくは620℃以下である。なお、本開示では、熱延板をコイル状に巻取ったものを熱延鋼板と呼称する。
巻取り工程後に、造管工程で熱延鋼板に造管処理を施す。かかる造管工程では、熱延鋼板を連続的に払い出しながら、冷間ロール成形により円筒状のオープン管(丸型鋼管)に成形し、該オープン管の周方向突合せ部を高周波電気抵抗加熱により溶融させながら、スクイズロールによるアプセットで圧接接合して電縫溶接し、鋼管素材とする。
造管工程後のサイジング工程では、鋼管素材に対して上下左右に配置されたロールにより該鋼管素材を縮径し、外径および真円度を所望の値に調整する。
焼入れ工程における加熱温度が850℃未満または加熱時間が100s未満の場合、組織が完全にオーステナイト化しないため、所望のマルテンサイトの体積率が得られない。一方、焼入れ工程における加熱温度が1050℃超または加熱時間が1000s超の場合、オーステナイトが粗大化してしまい、本開示で目的とする電縫鋼管の鋼組織の平均結晶粒径および粗大な旧オーステナイトの体積率が得られない。焼入れ工程における加熱温度は、好ましくは880℃以上であり、好ましくは1000℃以下である。また、焼入れ工程における加熱時間は、好ましくは200s以上であり、好ましくは800s以下である。
本開示の製造方法では、焼入れ工程における平均冷却速度を規定する温度範囲を、少なくとも800℃から400℃の間に規定する。フェライト、パーライトおよびベイナイトは、この温度範囲において生成するためである。
焼戻し工程における加熱温度が450℃未満または加熱時間が70s以下の場合、転位の回復が不十分となるため、所望の靭性および加工性が得られない。さらに、可動転位の回復が不十分となって、可動転位が過剰に残るため、応力緩和量が増加して、降伏応力が低下し、所望の降伏応力が得られない。一方、焼戻し工程における加熱温度が600℃超の場合、可動転位が過剰に回復してしまうため、応力緩和量が過剰に減少してしまい、降伏応力や降伏比が上昇することで、加工性が低下する。焼戻し工程における加熱温度は、好ましくは480℃以上であり、好ましくは570℃以下である。
組織観察用の試験片は、観察面が管長手方向および肉厚方向の両方に平行な断面かつ肉厚中央となるように採取し、鏡面研磨した後、ナイタール腐食して作製した。
引張試験は、引張方向が管長手方向と平行になるように、JIS12A号の引張試験片を採取し、JIS Z 2241の規定に準拠して実施した。降伏応力YS(MPa)、引張強度TS(MPa)、全伸びEL(%)を測定し、(YS/TS)×100で定義される降伏比YR(%)を算出した。
応力緩和試験は、引張方向が管長手方向と平行になるように、JIS12A号の引張試験片を採取し、JIS Z 2276の規定に準拠して実施した。初期応力は引張試験で求めた降伏応力の40%の応力とした。変位の保持時間は500sとし、その間の応力低下量を応力緩和量とした。
シャルピー衝撃試験は、得られた電縫鋼管の母材部の肉厚中央から試験片長手方向が管軸方向と平行になるようにVノッチ試験片を採取し、JIS Z 2242の規定に準拠して-60℃において実施し、吸収エネルギーを求めた。
へん平試験は、得られた電縫鋼管から、管軸方向の長さLが100mmの環状試験片を採取し、溶接部の管外面側は金属光沢が出るように研磨し、JIS G 3441に記載の方法に準拠して実施した。圧縮速度は10mm/minとし、割れが発生した時点で圧縮を停止し、その時点での荷重を割れ発生時の荷重P(N)とした。
2 溶接熱影響部(溶接部)
3 ボンド部(溶接部)
Claims (5)
- 母材部と、溶接部を有する電縫鋼管であって、
成分組成が、質量%で、
C:0.150%以上0.500%以下、
Si:0.05%以上1.00%以下、
Mn:0.10%以上2.00%以下、
P:0.050%以下、
S:0.0200%以下、
Al:0.005%以上0.100%以下、
N:0.0100%以下、
Cr:0.10%以上1.00%以下および
B:0.0002%以上0.0050%以下
を含み、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、
前記母材部の肉厚中央の鋼組織が、
マルテンサイトの体積率:90%以上であって、
残部がフェライト、ベイナイト、パーライトおよびオーステナイトのうちの1種または2種以上を含み、
平均結晶粒径:10μm以下であって、
粒径:50μm以上の旧オーステナイトの体積率が40%以下である
電縫鋼管。 - 前記成分組成に加えてさらに、質量%で、
Cu:1.00%以下、
Ni:1.00%以下、
Mo:1.00%以下、
Nb:0.150%以下、
V:0.150%以下、
Ti:0.150%以下および
Ca:0.0100%以下
のうちから選んだ1種または2種以上を含む請求項1に記載の電縫鋼管。 - 前記成分組成が、質量%で、
P:0.002%以上0.050%以下、
S:0.0002%以上0.0200%以下および
N:0.0010%以上0.0100%以下
である請求項1に記載の電縫鋼管。 - 請求項1から3の何れか1項に記載の電縫鋼管の製造方法であって、
鋼素材を、加熱温度:1100℃以上1300℃以下に加熱した後、粗圧延終了温度:850℃以上1150℃以下、仕上圧延終了温度:750℃以上900℃以下、かつ、930℃以下での合計圧下率:50%以上である熱間圧延を施す熱間圧延工程と、
該熱間圧延工程の後に、板厚中心の平均冷却速度:5℃/s以上30℃/s以下、かかる板厚中心の冷却停止温度:400℃以上650℃以下とする冷却を施す冷却工程と、
該冷却工程の後に、400℃以上650℃以下で巻取り、熱延鋼板とする巻取り工程と、
前記熱延鋼板を、冷間ロール成形により円筒状に成形し、電縫溶接を施して鋼管素材とする造管工程と、
前記鋼管素材を、周長が3.0%以下の割合で減少する縮径を行うサイジング工程と、
該サイジング工程の後に、850℃以上1050℃以下の温度範囲で100s以上1000s以下の間加熱し、次いで肉厚中心温度で、少なくとも800℃から400℃の間の肉厚中心の平均冷却速度を40℃/s以上とし、100℃以下まで冷却する焼入れ工程と、
該焼入れ工程の後に、450℃以上600℃以下の温度範囲で70s超の間加熱する焼戻し工程と
を含む電縫鋼管の製造方法。 - 前記焼戻し工程における450℃以上600℃以下の温度範囲の加熱時間を100s以上1000s以下の間とする請求項4に記載の電縫鋼管の製造方法。
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