JPH10298657A - マルテンサイト系ステンレス鋼の継目無鋼管の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】マルテンサイト系ステンレス継目無鋼管の高能
率の製造方法、とくに高能率の脱スケール製造方法の提
供。 【解決手段】重量％で、Ｃ：０．１〜０．５％、Ｓｉ：
０．３５〜１％、Ｍｎ：０．１〜１．２％、Ｃｒ：１１
〜１６％、Ｎｉ：０〜６．５％を含む鋼を穿孔圧延およ
び仕上げ圧延を含む製管法により継目無鋼管とし、その
継目無鋼管を焼入れた後、１２％以上の水蒸気を含有す
る雰囲気中で加熱処理する焼戻し処理するマルテンサイ
ト系ステンレス鋼管の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、表面性状に優れた
マルテンサイト系ステンレス鋼の継目無鋼管の製造方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】継目無鋼管は、通常、つぎの方法によっ
て製造される。

【０００３】素材ビレットを１１００℃〜１３００℃に
加熱した後、穿孔圧延（ピアシング）により中空素管を
製造し、その中空素管を延伸圧延する。延伸圧延には種
々の方法があるが、寸法精度および生産性に優れている
マンドレルミル圧延法が広く利用されている。

【０００４】マンドレルミル圧延法では、表面に熱間圧
延用潤滑剤を塗布したマンドレルバーを中空素管内に挿
入した状態で延伸圧延する。マンドレルミルでの管の温
度はマンドレルミル入口で１０５０℃〜１２００℃、ま
た、出口側では８００℃〜１０００℃とするのが一般的
である。マンドレルミルにより圧延された継目無鋼管
は、仕上げ圧延用素管と呼ばれている。

【０００５】仕上げ圧延用素管は、必要に応じて再加熱
炉によって８５０℃〜１１００℃に再加熱された後スト
レッチレデューサー等の仕上げ圧延機により所定サイズ
に圧延される。その後、マルテンサイト系ステンレス鋼
の継目無鋼管（以下、「マルテンサイト系ステンレス鋼
管」と記す）の場合は９００℃以上から焼入れ、ついで
６００〜７５０℃で焼戻し処理が施される。

【０００６】このようにマルテンサイト系ステンレス鋼
管の製造においては、各工程で１３００℃〜７００℃の
加熱を受けるため、管の内外表面には不可避的に酸化物
スケール（以下、「スケール」と記す）が生成する。通
常、スケールは仕上げ圧延後にショットブラストおよび
酸洗、またはショットブラストのみにより除去され、ス
ケールのない状態で継目無鋼管は出荷される。

【０００７】しかし、近年生産能率の向上、酸洗液使用
量の低減等が請求されるようになり、マルテンサイト系
ステンレス鋼管の脱スケール時間（ショットブラスト時
間、酸洗処理時間）の短縮、さらに脱スケールを省略し
たスケール付き出荷、すなわち表面黒皮出荷が検討され
ている。

【０００８】しかし、現状の方法で製造されたマルテン
サイト系ステンレス鋼管は、熱間製管時の耐酸化性に劣
り、脱スケール工程に至るまでに１５０μｍ以上のスケ
ールが生成される。さらに、このスケール生成にともな
って母材ではスケールと地金との界面から深さ約５μｍ
のＣｒ欠乏層（Ｃｒ含有率が８％程度まで減少）が形成
し耐食性に著しい悪影響を与える。したがって、酸洗液
の消耗を最少とするために、ショットブラストにおいて
は、厚く生成したスケールと５μｍのＣｒ欠乏層との両
方の除去を必要とする。このため、製造所要時間に占め
るショットブラスト時間の割合が高く、問題とされてい
た。

【０００９】これまでに、ステンレス鋼のスケールの制
御法として板材の焼入れ処理前に表面のスケールを除去
する方法が開示されている（特開昭５７−１９３２９号
公報）。しかし、この方法は脱スケールを長時間の酸洗
処理、または研削のみによって行っているため、連続的
に配置された各工程を短時間のうちに通過して製造され
る方法への適用は事実上不可能である。この開示の他に
製造工程中のスケール制御方法に関する提案はほとんど
されていない。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、マル
テンサイト系ステンレス鋼管の高能率の製造方法、とく
に高能率でスケールおよび脱Ｃｒ層を除去できる製造方
法を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明者らは上記の目的
を達成すべくマルテンサイト系ステンレス鋼の化学組成
および熱処理炉の雰囲気の影響について鋭意研究した結
果、マルテンサイト系ステンレス鋼管の酸化挙動として
次の事項を確認することができた。

【００１２】一般のマルテンサイト系ステンレス鋼管
は、８００℃〜１０００℃では Ｃｒ₂Ｏ₃ の緻密なスケ
ールを生じるが、これを超える温度域では異常酸化を起
こし、外層スケール（Ｆｅ₂Ｏ₃，Ｆｅ₃Ｏ₄，ＦｅＯ）と
内層スケール（ＦｅＣｒ₂Ｏ₄）からなる厚いスケールを
生成する。これは、製管工程中の加熱のたびに異常酸
化、すなわち外層スケールと内層スケールからなる厚い
スケールが生じることを意味する。

【００１３】Ｃｒ欠乏層は、最終の熱処理の焼戻しを
終了し、焼戻し用熱処理炉（以下、「テンパー炉」と記
す）を出た時点で、スケールと地金界面の地金がわに厚
さ５μｍ程度発生する。このＣｒ欠乏層でのＣｒ含有率
は約８％にまで減少している。

【００１４】マルテンサイト系ステンレス鋼にＳｉを
０．３５％以上含有させると、テンパー炉を出る時点の
スケール厚さを４０〜１００ミクロン程度に抑制するこ
とができ、さらにＣｒ欠乏層の厚さを従来の５μｍから
１．５μｍへ、そのＣｒ含有率も従来の８％から１１％
程度にとどめることができる。これは、従来のＣｒ欠乏
層が部分的にスケール化し、その厚さが見かけ上減少す
るためである。

【００１５】さらにテンパー炉の雰囲気中の水分を１
２％以上とすると、スケールはいちじるしく脆化し、短
時間のショットブラストによりスケールとともに脱Ｃｒ
層も除去することが可能となる。

【００１６】本発明は上記の事項を基に製造現場におけ
る各種のマルテンサイト系ステンレス鋼管の製造実験を
重ねて完成されたものであり、その要旨は、下記のマル
テンサイト系ステンレス鋼管の製造方法にある。

【００１７】『重量％で、Ｃ：０．１〜０．５％、Ｓ
ｉ：０．３５〜１％、Ｍｎ：０．１〜１．２％、Ｃｒ：
１１〜１６％およびＮｉ：０〜６．５％を含む鋼を穿孔
圧延および仕上げ圧延を含む製管法により継目無鋼管と
し、その継目無鋼管を焼入れた後、１２〜３０体積％の
水蒸気を含有する雰囲気中で加熱処理する焼戻し処理を
行うマルテンサイト系ステンレス鋼の継目無鋼管の製造
方法。』 上記の本発明方法においてマルテンサイト系ステンレス
鋼は、上記の合金元素の他に、周知の効果を示す合金元
素を含んでもよい。たとえば、脱酸や組織を微細化する
０．００５〜０．１％のＡｌ、組織の微細化のための
０．００５〜０．１％のＮｂ、０．００５〜０．０５％
のＴｉ等を含むことができる。

【００１８】「穿孔圧延、延伸圧延および仕上げ圧延を
経る製管法」とは、主にマンネスマンマンドレルミル方
式の圧延方法をさすが、製造される継目無鋼管の寸法精
度が大幅な機械切削を必要としないかぎり他の製管法で
あってもよい。

【００１９】テンパー炉における加熱処理により、本発
明方法の骨子をなす上記のおよびの効果がスケール
とＣｒ欠乏層に対して得られ、かつ、通常の目的である
焼戻しによる機械的性質の改善、脱水素効果等も得られ
ることはいうまでもない。上記の本発明方法は、この
後、ショットブラストにより脱スケール処理されること
を前提とする。酸洗処理は、用途に応じて必要とされ
る。

【００２０】「テンパー炉雰囲気中の１２％以上の水蒸
気」とは、焼戻し温度における１気圧での体積％をい
う。

【００２１】

【発明の実施の形態】つぎに本発明を上記のように限定
した理由について説明する。合金元素の含有率の「％」
は、「重量％」を表示するものとする。

【００２２】１．母材成分 Ｃ：Ｃは強度を確保するために０．１％以上は必要であ
る。しかし、０．５％を超えると焼入れ処理で焼割れが
生じることがあるのでＣの上限は０．５％とする。

【００２３】Ｓｉ：製造工程において生成するスケール
および脱Ｃｒ層の厚さをできるだけ低減する目的で、Ｓ
ｉは０．３５％以上とする。Ｓｉが０．３５％未満の場
合は、スケールおよび脱Ｃｒ層ともに厚く生成し、従来
と同じショットブラストの時間では良好な表面性状が得
られない。また、Ｓｉが１％を超えると母材の組織安定
性が劣化し機械的性質に悪影響を及ぼす。したがって、
Ｓｉは０．３５〜１％とする。

【００２４】Ｍｎ：ＭｎはＳをＭｎＳとして固定するの
に有効であるが、１．２％を超えると表面酸化された場
合スピネル型酸化物の形成を促進する。このスピネル型
酸化物はスケールの粘着力を増加し脱スケール性を劣化
させるので、Ｍｎは１．２％以下とする。一方、Ｍｎが
０．１％未満ではＳの固定が不十分となり継目無鋼管の
製造中に割れを生じるので、下限は０．１％とする。

【００２５】Ｃｒ：本発明はマルテンサイト系ステンレ
ス鋼管の提供が目的であるのでＣｒは１１〜１６％とす
る。すなわち、Ｃｒが１６％を超えると加熱してもオー
ステナイト相（以下、「γ相」とする）に変態せず、熱
処理による母材の機械的性質の制御が不可能となる。一
方、Ｃｒが１１％未満では耐食性が劣化するので、１１
〜１６％とする。

【００２６】Ｎｉ：Ｎｉは含まなくてもよい。Ｎｉは耐
食性および機械的性質の向上に有効なので、これらの性
能を向上させる場合には含ませる。Ｎｉが６．５％を超
えると、表面酸化された場合スケール中に酸化されずに
金属として残存し、脱スケール性を劣化させるので、
６．５％以下とする。

【００２７】２．製管法 本発明方法においては、前記したように、製造された継
目無鋼管の寸法精度が良好で、大きな機械切削を必要と
しなければどのような製管法であってもよい。そのよう
な良好な寸法精度を確保するためには、製管法には仕上
げ圧延を含むものでなくてはならない。通常は、寸法精
度と生産性を備えた製管法であるマンネスマン−マンド
レルミル方式により継目無鋼管を製造する。すなわち、
前記したように、連続鋳造法等によって造塊した素材ビ
レットは１１００℃〜１３００℃に加熱し穿孔圧延さ
れ、マンドレルミル圧延により１２００℃〜８００℃で
仕上げ圧延用素管とされる。その後仕上げ圧延用素管
は、８５０℃〜１１００℃に加熱されストレッチレデュ
ーサにより所定形状の継目無鋼管とされる。

【００２８】３．焼入れ焼戻し処理 焼入れおよび焼戻しの加熱温度は、通常のマルテンサイ
ト系ステンレス鋼に用いられる温度とすることができ
る。たとえば、JIS G 4303の表２５に記載されている温
度を採用することができる。

【００２９】４．テンパー炉での雰囲気 テンパー炉での加熱に用いる燃料ガスは一般的に重油ま
たはブタンであり、テンパー炉の雰囲気には水蒸気（
Ｈ₂Ｏ）、酸素（Ｏ₂）、炭酸ガス（ＣＯ₂）、一酸化炭
素（ＣＯ）等が含まれる。テンパー炉の雰囲気中で水蒸
気が１２％未満の場合、たとえ母材のＳｉ等が上記の範
囲内にあっても、上記母材とスケールとの界面に形成し
た脱Ｃｒ層が、短時間のショットブラストによりスケー
ルの一部としてスケールオフされるようなスケールの構
造にならない。テンパー炉の雰囲気中の水蒸気を１２％
以上とすると、スケールの構造が脆弱なＦｅＯを多く含
むように変化し、かつ脱Ｃｒ層は浅くなるため短時間の
ショットブラスト処理により脱Ｃｒ層が除去される。

【００３０】しかし、通常の雰囲気では水蒸気は５〜１
０％程度であるので、燃焼ガスとは別に水蒸気を添加を
する必要がある。この水蒸気を添加する方法については
特に限定はしない。ただし、水蒸気濃度が３０％を超え
ると炉の内壁の損傷が大きくなるので３０％を超える雰
囲気は好ましくない。

【００３１】テンパー炉雰囲気のその他の成分は、特に
問題ないが、Ｏ₂とＣＯ₂はスケール構造を変化させＣｒ
欠乏層を増大させる可能性があるため空燃比の調整によ
ってＯ₂とＣＯ₂の濃度はともにできるだけ低くすること
が望ましい。

【００３２】テンパー炉での加熱時間は、通常の加熱時
間である６０〜１１０分とすることが望ましい。

【００３３】５．脱スケール処理 本発明方法は脱スケールにショットブラストを行うこと
を前提としている。このとき、スケールだけでなく脱Ｃ
ｒ層も一緒に除去する。ショットブラストによるスケー
ルおよび脱Ｃｒ層の除去等の表面性状の判定には、表面
粗度を用いることができる。表面粗度Ｓａ１程度ではス
ケールおよび脱Ｃｒ層の両方とも除去が不十分であり、
表面粗度Ｓａ３程度が得られれば、従来材も含めて一般
にスケールと脱Ｃｒ層の両方が除去されていると判断で
きる。

【００３４】用途に応じて酸洗が行われる場合もある。

【００３５】上記の説明は継目無管外面を対象とした脱
スケール処理の方法であるが、管内面のスケールおよび
脱Ｃｒ層の除去にもショットブラストが用いられるの
で、管内面の脱スケールに関しても本発明を直接適用す
ることができる。

【００３６】

【実施例】つぎに実施例により本発明の効果について説
明する。

【００３７】表１は試験に用いたステンレス鋼１６種類
（ＴＰ１〜ＴＰ１６）の化学組成を示す。

【００３８】

【表１】

【００３９】これらの化学組成を有する素材ビレット
（外形１９２ｍｍ）を回転炉床加熱炉において１１００
℃〜１２００℃に加熱し、マンネスマンピアサ−によっ
て外形１９２ｍｍ、肉厚１６ｍｍ、長さ６６５０ｍｍの
中空素管を製造した。その後マンドレルミルによって外
形１５１ｍｍ、肉厚６．５ｍｍ、長さ２０ｍの仕上用素
管を製造し、再加熱炉で１１００℃、２０分加熱後スト
レッチレデユサ−によって外径６３．５ｍｍ、肉厚５．
５ｍｍ、長さ５６ｍの継目無鋼管とした。その後、９８
０℃に６５分加熱後、高圧水により焼入れ処理を行い、
その後７３０℃で１００分間の焼戻し処理を実施し最終
製品とした。このテンパー炉での熱処理では雰囲気中の
水蒸気を１０、１５、２０％にコントロールし脱スケー
ル性に及ぼす水蒸気濃度の影響を調査した。燃料である
重油配管とは別の配管から水蒸気を添加して、雰囲気中
にＣＯ₂が１０％、Ｏ₂が５％、またＣＯが微量含まれる
雰囲気とした。

【００４０】最終製品は、４分、８分、１２分、１５分
（現状）の４段階のショットブラストを施した後、表面
性状を評価した。表面性状は、前記したように、表面粗
度Ｓａ３をスケールおよび脱Ｃｒ層が除去された状態と
判断した。

【００４１】表２はこれらの試験結果を示す。

【００４２】

【表２】

【００４３】試験結果を母材の化学組成とテンパー炉雰
囲気の影響とに分けて説明する。

【００４４】・母材の化学組成の影響 比較例である試番２５〜３２は、化学組成が本発明の範
囲外の鋼符号ＴＰ９〜ＴＰ１６に対する試験であった。

【００４５】鋼符号ＴＰ９は焼入性に有効なＣが０．０
５％と低いため十分な強度が得られなかった。また、母
材の組織にオーステナイトが残留した。

【００４６】ＴＰ１０は逆にＣを０．６％と高くしたた
めに製造工程で焼割れが生じ、製管が著しく困難であっ
た。

【００４７】ＴＰ１１は、Ｓｉが０．３％と低いためス
ケールおよび脱Ｃｒともに厚く生成し、ショット時間は
従来と同等で改善がみられなかった。

【００４８】ＴＰ１２はＳｉを１．１％としたことによ
り母材の組織にδフェライトが混じり、組織の安定性が
低下し機械的特性も劣化した。

【００４９】ＴＰ１３は、Ｎｉが高すぎスケール中にＮ
ｉが酸化されずに金属として残存し脱スケール性が著し
く劣る結果となった。

【００５０】ＴＰ１４はスケール中のスピネル型スケー
ル（Ｆｅ，Ｍｎ）₃Ｏ₄の割合が高く、スケール硬度が増
加したために脱スケール性が悪かった。

【００５１】ＴＰ１５はＣｒが低く従来のマルテンサイ
ト系ステンレス鋼管ほどの耐食性が得られず、またスケ
ールおよび脱Ｃｒ層ともに厚く生成し、脱スケール性に
改善がみられなかった。

【００５２】ＴＰ１６は、Ｃｒが１６％と高かったため
にフェライトおよび炭化物相(Ｃｒ，Ｆｅ)₂₃Ｃ₆が混在
し、熱処理による母材の機械的特性の制御が不可能とな
った。

【００５３】これに対して試番１〜２４は、鋼の化学組
成に関するかぎり本発明の範囲内の鋼ＴＰ１〜ＴＰ８を
用いた試験である。このため、これらの試番の結果は、
母材組織に関するかぎり目標通りのマルテンサイト単相
組織であった。

【００５４】・テンパー炉雰囲気中の水蒸気濃度の影響 比較例である試番１７〜２４は、鋼の化学組成が本発明
の範囲内の鋼ＴＰ１〜ＴＰ８を用いたが、テンパー炉雰
囲気中の水蒸気濃度が１０％と本発明の範囲外であった
ために、脱スケール性に優れるＦｅＯの比率が低くショ
ット時間の短縮が認められなかった。しかし、水蒸気濃
度がたとえ１５％と本発明の範囲内であっても、試番２
５〜３２に示すように本発明の範囲外の鋼ＴＰ１１、Ｔ
Ｐ１３、ＴＰ１４、ＴＰ１５を用いた場合には、表面性
状を良好にするために必要なショットブラスト時間は１
５分間またはそれ以上であり、不満足な結果となった。

【００５５】これに対して、鋼もテンパー炉雰囲気も本
発明の範囲内の試番１〜１６は、すべて８分間のショッ
トブラストで表面粗度Ｓａ３に達しており、従来法の半
分で十分であった。

【００５６】

【発明の効果】本発明方法によって、表面性状の優れた
マルテンサイト系ステンレス鋼管をショットブラスト時
間を短縮して製造することができ、マルテンサイト系ス
テンレス鋼管の製造費用の低減が可能になった。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】重量％で、Ｃ：０．１〜０．５％、Ｓｉ：
   ０．３５〜１％、Ｍｎ：０．１〜１．２％、Ｃｒ：１１
   〜１６％およびＮｉ：０〜６．５％を含む鋼を穿孔圧延
   および仕上げ圧延を含む製管法により継目無鋼管とし、
   その継目無鋼管を焼入れた後、１２〜３０体積％の水蒸
   気を含有する雰囲気中で加熱処理する焼戻し処理を行う
   ことを特徴とするマルテンサイト系ステンレス鋼の継目
   無鋼管の製造方法。