WO2010061882A1 - 継目無鋼管およびその製造方法 - Google Patents

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勇次 荒井
孝司 高野
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住友金属工業株式会社
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    • C21D9/50—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for welded joints

Definitions

  • the present invention relates to a high-strength, high-toughness seamless steel pipe for machine structural members, particularly for crane booms.
  • mechanical structural members cylindrical ones have conventionally been subjected to heat treatment after being subjected to forging or drawing and rolling, or further processed into a desired shape, and the mechanical structure necessary for the mechanical structural members. Properties are often given.
  • weight reduction has been achieved by replacing a cylindrical structural member with a hollow seamless steel pipe in response to the trend toward larger size and higher yield strength of the structure.
  • steel pipes as cylindrical structural members such as crane boom members have been required to have high strength and high toughness in view of the enlargement of cranes, work in high-rise buildings and cold regions, and the like.
  • a seamless steel pipe has been required to have a tensile strength of 950 MPa or more and excellent toughness at a low temperature of ⁇ 40 ° C.
  • a steel pipe having a thickness of about 5 to 50 mm, particularly about 8 to 45 mm is often required.
  • Patent Document 1 includes one or more of C, Si, Mn, P, S, Ni, Cr, Mo, Ti, Al and N, and Nb or V defined in a predetermined range, Further, a method for producing a high-strength seamless steel pipe excellent in low-temperature toughness has been proposed by heat-treating a low alloy steel containing 0.0005 to 0.0025% B after pipe making.
  • Patent Document 2 C, Si, Mn, P, S, Al, Nb and N defined in a predetermined range, or Cr, Mo, Ni, V, REM, Ca, Co, and Cu are selectively selected.
  • a high-strength, high-toughness seamless steel pipe having a size of precipitates precipitated by tempering of 0.5 ⁇ m or less has been proposed.
  • Patent Document 4 a predetermined range of C, Mn, Ti, and Nb is contained, Si, Al, P, S, and N are limited to a predetermined range or less, and 1 of Ni, Cr, Cu, and Mo is further limited.
  • steel containing 0.0003-0.003% B after selectively containing seeds or two or more kinds accelerated cooling and air cooling are performed after pipe forming, and the metal structure is self-tempered martensite
  • a high-strength seamless steel pipe for machine structures that has a single structure or a mixed structure of self-tempered martensite and lower bainite and has excellent toughness and weldability has been proposed.
  • Patent Document 4 a seamless steel pipe having a high toughness with a tensile strength exceeding 1000 MPa and a Charpy absorbed energy at ⁇ 40 ° C. of 200 J or more can be obtained as in the examples. Since the steel pipe is used as it is, there is a problem that the yield stress is lowered to 850 MPa or less.
  • the present invention has been made in view of such a situation, and is particularly suitable for a mechanical structure member such as a boom of a crane.
  • the joint is required to have a high strength and a high toughness of a tensile strength of 950 MPa or more and a yield strength of 850 MPa or more.
  • the purpose is to provide steel-free pipes.
  • steel pipes with a thickness of about 5 mm to 50 mm, especially 8 to 45 mm, are required for applications such as crane booms. It is difficult to ensure the cooling rate of the steel, and it is very difficult to ensure the strength or toughness.
  • the present invention aims to ensure high strength and high toughness even in such a thick steel pipe.
  • the present inventors have studied about a 100 kg ingot for the steel types shown in Table 1 in order to examine the effect on the low temperature toughness exerted by the steel component of a quenched and tempered steel having a tensile strength of 950 MPa or more.
  • Al is also effective for enhancing the toughness and workability of steel, so it is preferable to add an appropriate amount thereof.
  • P and N in an impurity are elements which reduce toughness, it is necessary to suppress the content thereof.
  • Ni, Cu, Cr, P, S, N and B are contained as much as possible in the range of carbon amount appropriate for weldability as a machine structural member application such as a crane boom. It has been found that by using low alloy steel containing appropriate amounts of Mo, Nb and Al for the seamless steel pipe, extremely excellent low temperature toughness can be secured after quenching and tempering.
  • the present invention has been completed based on these findings.
  • the gist of the present invention resides in the following (1) and (2) seamless steel pipes and (3) the method of manufacturing seamless steel pipes.
  • a seamless steel pipe required to have high strength and high toughness with a tensile strength of 950 MPa or more and a yield strength of 850 MPa or more.
  • This seamless steel pipe can be used for machine structural members, particularly cranes and the like.
  • C is an element having an effect of increasing the strength of steel. If the C content is less than 0.1%, low temperature tempering is required to obtain the desired strength, which results in a decrease in toughness. On the other hand, when the content of C exceeds 0.20%, the weldability is significantly lowered. Therefore, the C content is set to 0.10 to 0.20%.
  • the preferable lower limit of the C content is 0.12%, more preferably 0.13%.
  • the preferable upper limit of C content is 0.18%.
  • Si 0.05 to 1.0%
  • Si is an element having a deoxidizing action. Moreover, this element is an element which improves the hardenability of steel and improves strength. In order to obtain this effect, it is necessary that 0.05% or more of Si is contained. However, when the content exceeds 1.0%, toughness and weldability are deteriorated. Therefore, the Si content is set to 0.05 to 1.0%.
  • a preferable lower limit of the Si content is 0.1%, more preferably 0.15%.
  • a preferable upper limit is 0.60%, More preferably, it is 0.50%.
  • Mn 0.05 to 1.2%
  • Mn is an element having a deoxidizing action. Moreover, this element is an element which improves the hardenability of steel and improves strength. In order to obtain this effect, it is necessary to contain 0.05% or more of Mn. However, when the content exceeds 1.2%, the toughness decreases. Therefore, the Mn content is set to 0.05 to 1.2%.
  • Ni 0.02 to 1.5%
  • Ni improves the hardenability and increases the strength, and also has the effect of increasing the toughness. In order to acquire the effect, it is necessary to make it contain 0.02% or more, but containing it exceeding 1.5% is disadvantageous from the economical viewpoint. Therefore, the Ni content is set to 0.02 to 1.5%.
  • the preferable lower limit of Ni content is 0.05%, and a more preferable lower limit is 0.1%.
  • the upper limit with preferable Ni content is 1.3%, and a more preferable upper limit is 1.15%.
  • Cr 0.50 to 1.50% Cr is an element effective for increasing the hardenability and temper softening resistance of steel and improving the strength. In a high-strength steel pipe having a tensile strength of 950 MPa or more, it is necessary to contain 0.50% or more in order to exert its effect. However, when the content exceeds 1.50%, the toughness is reduced. Therefore, the Cr content is set to 0.50 to 1.50%.
  • the preferable lower limit of the Cr content is 0.60%, and more preferably 0.80%.
  • the preferable upper limit of Cr content is 1.40%.
  • Mo 0.50 to 1.50%
  • Mo is an element effective for increasing the hardenability and temper softening resistance of steel and improving the strength.
  • a high-strength steel pipe having a tensile strength of 950 MPa or more it is necessary to contain 0.50% or more in order to exert its effect.
  • the Mo content is set to 0.50 to 1.50%.
  • a preferable lower limit of the Mo content is 0.70%.
  • the preferable upper limit of Mo content is 1.0%.
  • the present invention employs a technique for improving the strength by increasing the hardenability and temper softening resistance of steel with Cr and Mo.
  • Their content is preferably more than 1.50% in total amount of Cr + Mo. Furthermore, it is preferably 1.55% or more.
  • Nb 0.002 to 0.10%
  • Nb is an element having an effect of forming carbonitrides in a high temperature region, suppressing coarsening of crystal grains, and improving toughness. In order to acquire the effect, it is preferable to contain 0.002% or more of Nb. However, if its content exceeds 0.10%, the carbonitride becomes too coarse, and rather toughness is reduced. Therefore, the Nb content is set to 0.002 to 0.10%. In addition, the preferable upper limit of Nb content is 0.05%.
  • Al 0.005 to 0.10%
  • Al is an element having a deoxidizing action. This element has the effect of increasing the toughness and workability of steel.
  • the Al content may be at the impurity level, but is preferably 0.005% or more in order to reliably obtain this effect. However, if the content exceeds 0.10%, the generation of ground will become remarkable. Therefore, the Al content is set to 0.10% or less. Therefore, the Al content is set to 0.005 to 0.10%. A preferable upper limit of the Al content is 0.05%.
  • Al content said to this invention refers to content of acid-soluble Al (what is called sol.Al).
  • Ti and V need to contain either one or both.
  • Ti 0.003 to 0.050% Ti precipitates as Ti carbide during tempering and has the effect of improving strength. In order to acquire this effect, it is necessary to make it contain 0.003% or more. However, if the content exceeds 0.050%, coarse carbonitrides are formed in a high temperature region such as during solidification, and the amount of Ti carbides precipitated during tempering becomes excessive, resulting in a decrease in toughness. Therefore, the Ti content is set to 0.003 to 0.050%.
  • V 0.01-0.20%
  • V precipitates as V carbide during tempering and has the effect of improving strength. In order to acquire this effect, it is necessary to make it contain 0.01% or more. However, if the content exceeds 0.20%, the amount of precipitation of V carbides during tempering becomes excessive, and the toughness decreases. Therefore, the V content is set to 0.01% to 0.20%. In addition, the upper limit with preferable V content is 0.15%.
  • the seamless steel pipe according to the present invention is composed of Fe and impurities in the balance in addition to the above components.
  • the impurity means a component mixed from raw material ore, scrap, or the like, and is allowed as long as it does not adversely affect the present invention.
  • the contents of P, S, N and B in the impurities need to be suppressed as described below.
  • P 0.025% or less P is an element present in steel as an impurity, but if its content exceeds 0.025%, the toughness is significantly reduced, so the upper limit as an impurity is 0.025%. did.
  • S 0.005% or less S is an element present in the steel as an impurity as in the case of P, but if its content exceeds 0.005%, the toughness is remarkably lowered, so the upper limit as an impurity is 0 0.005%. In addition, the upper limit with preferable content of S is 0.003%.
  • N 0.007% or less N is an element present in steel as an impurity, but if its content exceeds 0.007%, the toughness is significantly reduced, so the upper limit as an impurity is 0.007%. did.
  • B Less than 0.0003% B is an element that usually has the effect of improving the hardenability and increasing the strength. However, if a steel containing a certain amount of Cr and Mo contains B in an amount of 0.003% or more, a coarse boride is formed during tempering and the toughness is lowered. Therefore, in the present invention, the upper limit of B as an impurity is set to less than 0.0003%.
  • the seamless steel pipe according to the present invention may further contain Cu, if necessary, in addition to the above components. Moreover, you may further contain one or both of Ca and Mg as needed.
  • Cu 0.02 to 1.0%
  • Cu precipitates during tempering and has the effect of increasing strength. The effect becomes significant when the Cu content is 0.02% or more. On the other hand, if the content exceeds 1.0%, defects frequently occur on the surface of the steel pipe. Therefore, the content when Cu is contained is set to 0.02 to 1.0%.
  • the preferable lower limit of Cu content is 0.05%, and a more preferable lower limit is 0.10%.
  • the upper limit with preferable Cu content is 0.50%, and a more preferable upper limit is 0.35%.
  • Ca 0.0005 to 0.0050% Ca reacts with S in the steel to form a sulfide, thereby improving the form of inclusions and improving the toughness of the steel. This effect becomes significant when the Ca content is 0.0005% or more. On the other hand, if the content exceeds 0.0050%, the amount of inclusions in the steel increases, and the cleanliness of the steel decreases, so the toughness decreases. Therefore, when Ca is contained, its content is preferably 0.0005 to 0.0050%.
  • Mg 0.0005 to 0.0050% Mg also has the effect of improving the toughness of steel by improving the form of inclusions by reacting with S in steel to form sulfides. This effect becomes significant when the Mg content is 0.0005% or more. On the other hand, if the content exceeds 0.0050%, the amount of inclusions in the steel increases, and the cleanliness of the steel decreases, so the toughness decreases. Therefore, when Mg is contained, the content is preferably 0.0005 to 0.0050%.
  • the pipe making means is not particularly limited.
  • it may be manufactured by hot piercing, rolling and stretching processes, or by a hot extrusion press.
  • the heat treatment for imparting strength and toughness is performed by quenching and tempering. Quenching is performed by heating to the Ac3 transformation point or higher of the steel component to be used and then rapidly cooling.
  • the heating for the quenching may be a normal furnace heating, and more preferably rapid heating using induction heating.
  • the rapid cooling method includes water cooling and oil cooling. Tempering is performed by heating and soaking at a temperature lower than the Ac1 transformation point of the steel component to be used, followed by air cooling.
  • the tempering heating soaking temperature is preferably 550 ° C. or higher because it may cause embrittlement if it is too low.
  • ingots were made into a block shape by hot forging, heated at 1250 ° C. for 30 minutes, and hot-rolled in a temperature range of 1200 to 1000 ° C. to produce 20 mm, 30 mm, and 45 mm thick plate materials. .
  • plate materials were soaked at 920 ° C. for 10 minutes, quenched by water cooling, and further tempered to obtain heat-treated plate materials. Tempering was carried out by soaking for 30 minutes under two conditions of 600 ° C or 650 ° C.
  • a No. 10 test piece of JIS 2201 (1998 version) was cut out from the central part of the thickness of these heat-treated plate materials in parallel to the rolling longitudinal direction, and a tensile test was performed in accordance with JIS Z2241 (1998 version).
  • a 2 mm V notch full-size test piece conforming to JIS Z2242 was cut out in parallel with the rolling width direction from the center part of the thickness of the heat-treated plate, and a Charpy impact test was performed at ⁇ 40 ° C. to evaluate the absorbed energy.
  • Table 4 shows the results of the tensile test and Charpy impact test performed in the above test.
  • Steel No. Although 19 consists of the chemical composition of the steel which concerns on this invention, Ni: 0.03% and Ni content are few. In the case of wall thicknesses of 20 mm and 30 mm, a satisfactory strength level and toughness could be secured, but in the case of a wall thickness of 45 mm, the absorbed energy was as low as 31 J, and satisfactory toughness could not be secured.
  • Steel No. Nos. 20 to 22 are composed of the chemical composition of the steel according to the present invention, and all contain 0.50% or more of Ni, but it is possible to ensure the desired high strength and toughness even at a thickness of 45 mm. did it.
  • Table 6 shows the evaluation results of the strength and toughness of each product steel pipe. For any steel pipe of any size, good results were obtained with a yield strength of 850 MPa, a tensile strength of 950 MPa, and a Charpy absorbed energy at ⁇ 40 ° C. of 60 J.
  • a No. 3A test piece (width: 20 mm, parallel part: 30 mm + maximum width of the surface of the weld metal part + 30 mm) defined in JIS Z 3121 was prepared and subjected to a tensile test.
  • the tensile strength was satisfactory at 972 MPa or more at a heat input of 12 KJ / cm and 1002 MPa or more at a heat input of 15 KJ / cm.
  • the steel pipe of the present invention was a satisfactory level even with respect to the characteristics after welding.
  • the seamless steel pipe according to the present invention has a high strength such as a tensile strength of 950 MPa or more and a yield strength of 850 MPa or more, and is excellent in high toughness at a low temperature. Therefore, it can be used for a mechanical structural member. It is particularly preferable for boom materials for cranes.

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Abstract

本発明は、引張強度９５０ＭＰａ以上および降伏強度８５０ＭＰａ以上の高強度を有し、かつ低温での高靭性に優れた継目無鋼管及びその製造方法を提供するものである。本発明の継目無鋼管は、質量％で、Ｃ：０．５０～０．２０％、Ｓｉ：０．０５～１．０％、Ｍｎ：０．０５～１．２％、Ｎｉ：０．０２～１．５％、Ｃｒ：０．５０～１．５０％、Ｍｏ：０．５０～１．５０％、Ｎｂ：０．００２～０．１０％およびＡｌ：０．００５～０．１０％、並びにＴｉ：０．００３～０．０５０％およびＶ：０．０１～０．２０％のうちの一方または両方を含有し、残部はＦｅと不純物からなり、不純物中のＰが０．０２５％以下、Ｓが０．００５％以下、Ｎが０．００７％以下およびＢが０．０００３％未満である低合金鋼からなり、引張強度９５０ＭＰａ以上かつ降伏強度８５０ＭＰａ以上で、－４０℃でのシャルピー吸収エネルギーが６０Ｊ以上であることを特徴とする。

Description

継目無鋼管およびその製造方法
　本発明は、機械構造部材用、特にクレーンブーム用の高強度高靭性継目無鋼管材に関する。
　機械構造部材のうち、円筒形のものは従来、棒鋼を鍛造又は延伸圧延を施して、あるいはさらに切削加工を施して所望の形状とした後に、熱処理が施され、機械構造部材に必要な機械的性質が付与されることが多い。近年、構造物の大型化および高耐力化の傾向をうけて、円筒形の構造部材を中空の継目無鋼管に置き換えることで軽量化が計られてきた。特に、クレーンのブーム材等、円筒形の構造部材としての鋼管は、クレーンの大型化、高層建築や寒冷地での作業等に鑑みて、高強度化とともに高靭性化が求められてきた。最近では、ブーム用途として、９５０ＭＰａ以上の引張強さを有し、かつ－４０℃という低温で優れた靭性を有することが継目無鋼管に要求されるようになってきた。このような用途に関しては、５～５０ｍｍ程度、特に８～４５ｍｍ程度の肉厚の鋼管が要求される場合が多い。
　高強度かつ高靭性の鋼管に関しては、従来より種々の技術が提案されている。
　例えば、特許文献１では、所定の範囲に規定してなるＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉ、ＡｌおよびＮ、並びにＮｂまたはＶのうちの１種以上を含み、さらにＢを０．０００５～０．００２５％含有させた低合金鋼を製管後熱処理することによって、低温靭性に優れた高張力継目無鋼管の製造方法が提案されている。
　特許文献２では、所定の範囲に規定してなるＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ａｌ、ＮｂおよびＮ、あるいはさらにＣｒ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｖ、ＲＥＭ、Ｃａ、Ｃｏ、Ｃｕを選択的に含有させた上で、Ｂを０．０００５～０．００３０％含有させ、かつＴｉを－０．００５％＜（Ｔｉ－３．４Ｎ）＜０．０１％の範囲内で含有させた鋼で、焼き戻しによって析出する析出物の大きさが０．５μｍ以下である高強度高靭性継目無鋼管が提案されている。
　また、特許文献３では、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｃｕ、Ｎ、Ｗを所定の範囲に含有させた低合金鋼を用いて、造管後に焼き入れ焼き戻しによって高強度継目無鋼管を得る技術が提案されている。
　さらに、特許文献４では、所定の範囲のＣ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｎｂを含有させ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｐ、Ｓ、Ｎを所定の範囲以下に制限し、さらにＮｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｍｏの１種または２種以上を選択的に含有させた上で、Ｂを０．０００３～０．００３％含有する鋼を用い、造管後に加速冷却と空冷を施して、金属組織を自己焼き戻しマルテンサイト単独組織または自己焼き戻しマルテンサイトと下部ベイナイトとの混合組織とする靭性と溶接性に優れた機械構造用高強度シームレス鋼管が提案されている。
特開昭６１－２３８９１７ 特開平７－３３１３８１ 米国特許出願公開第２００２／０１５０４９７号明細書 特開２００７－２６２４６８
　しかしながら、上記特許文献１～３で提案された技術によれば、優れた低温靭性を有する継目無鋼管が得られるものの、いずれも引張強度が９０ｋｇｆ／ｍｍ２程度までのものを対象としており、さらに高強度の鋼管を得ようとすると低温靭性が低下する可能性を否定することができない。
　また、上記特許文献４によれば、その実施例にあるとおり、引張強度で１０００ＭＰａを越え、かつ－４０℃でのシャルピー吸収エネルギーが２００Ｊ以上の高靭性を有するシームレス鋼管が得られるものの、加速冷却ままで用いられる鋼管であるため、降伏応力が８５０ＭＰａ以下と低くなる問題がある。
　本発明は、このような現状に鑑みてなされたものであり、特にクレーンのブーム等の機械構造部材に好適な、引張強度９５０ＭＰａ以上および降伏強度８５０ＭＰａ以上の高強度かつ高靭性を要求される継目無鋼管を提供することを目的としている。
　なお、前述のように、クレーンブーム等の用途においては、５ｍｍ～５０ｍｍ程度、特に８～４５ｍｍの肉厚の鋼管が要求されるが、厚肉化に伴い、焼入時の肉厚中央部近辺の冷却速度の確保が困難になって、強度あるいは靭性を確保することが非常に困難となる。
　本発明は、特に、このような厚肉の鋼管においても、高強度かつ高靭性を確保することを目的とする。
　本発明者らは、上記の課題を解決するため、引張強度が９５０ＭＰａ以上の焼き入れ焼き戻し鋼について、鋼成分が及ぼす低温靭性への影響を検討すべく、表１に示す鋼種について、１００ｋｇインゴットを真空溶解によって用意した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　そして、これらのインゴットを、熱間鍛造によりブロック形状とした後、熱間圧延にて２０ｍｍ厚の板材を作成した。これらの板材に焼き入れ焼き戻し処理を施して、熱処理板材を得た。これらの熱処理板材の板厚中央部から圧延長手方向に平行に、ＪＩＳ　２２０１（１９９８年版）の１０号試験片を切り出し、ＪＩＳ　Ｚ２２４１（１９９８年版）に準拠して引張試験を実施した。また、熱処理板材の板厚中央部から圧延幅方向に平行に、ＪＩＳ　Ｚ２２４２に準拠した２ｍｍＶノッチフルサイズ試験片を切り出し、－４０℃にてシャルピー衝撃試験を行い、吸収エネルギーを評価した。上記の試験で実施した引張試験とシャルピー衝撃試験の結果を表２に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　この結果、引張強度が９５０ＭＰａ以上の継目無鋼管であっても低温靭性を向上させることができる方法について、次の(a)～(h)に示すとおりの知見を得た。
　(a) 鋼Ｎｏ．１～４の試験結果から、Ｂの影響が判明した。Ｂを０．００１５％程度含有している鋼Ｎｏ．１および２は、Ｂの含有量が０．０００１％と極微量の鋼Ｎｏ．３および鋼Ｎｏ．４に比べて、吸収エネルギーが低位となっている。これは、高強度を得るためにＣｒとＢを共に含有させると、焼き戻しの際に、結晶粒界に粗大な硼化物を形成し、これが脆性破壊の起点となって、靱性を低下させるためであると思われる。したがって、焼き入れ焼き戻しによって引張強度９５０ＭＰａ以上を得る場合には、低温靱性を向上させるために、Ｂを極力低減する必要があることが分かった。
　(b) 次に、鋼Ｎｏ．５～７の試験結果から、ＣｒとＭｏの影響が判明した。鋼Ｎｏ．５および６は、ＭｏまたはＣｒの含有量が低すぎるので、高強度を得るために低温焼き戻しを実施したが、この低温焼き戻しによって吸収エネルギーが低位となったのである。一方、鋼Ｎｏ．７は、ＣｒおよびＭｏの含有量が多いため焼き戻し温度は高温で実施できたが、ＣｒおよびＭｏの含有量が過剰であるために吸収エネルギーが低位となった。したがって、焼き入れ焼き戻しによって引張強度９５０ＭＰａ以上を得る場合には、低温靱性を向上させるために、ＣｒとＭｏを適量含有させる必要があることが分かった。
　(c) 鋼Ｎｏ．８～１１の試験結果から、ＣｕとＮｉの影響が判明した。鋼Ｎｏ．８ではＣｕとＮｉの含有量がいずれも０．０１％と低すぎるため、吸収エネルギーが低位であった。一方、鋼Ｎｏ．９～１１では、吸収エネルギーは高く、ＣｕとＮｉの含有量は適量であった。したがって、焼き入れ焼き戻しによって引張強度９５０ＭＰａ以上を得る場合には、低温靱性を向上させるために、Ｎｉの適量をあるいはＮｉとＣｕの適量を含有させる必要があることが分かった。
　(d) 鋼Ｎｏ．１２～１５の試験結果から、Ｖ、ＴｉおよびＮｂの影響が判明した。鋼Ｎｏ．１２は、Ｖ、ＴｉおよびＮｂの含有量が低いために吸収エネルギーが低位であった。一方、鋼Ｎｏ．１５では、Ｖ含有量が高すぎるために吸収エネルギーが低位であった。したがって、焼き入れ焼き戻しによって引張強度９５０ＭＰａ以上を得る場合には、低温靱性を向上させるために、Ｖ、ＴｉおよびＮｂを適量含有させる必要があることが分かった。
　(e) 鋼Ｎｏ．１６～１７の試験結果から、Ｍｎの影響が判明した。いずれも、本発明と同様の焼き入れ焼き戻しにて製造されるラインパイプ用継目無鋼管の一般的な鋼に比べて、Ｍｎ含有量が低めであるが、吸収エネルギーが高く、低温靭性に優れている。
　(f) 鋼Ｎｏ．１８の試験結果から、Ｓの影響が判明した。鋼Ｎｏ．１８は、Ｓ含有量が過剰であるために、吸収エネルギーが低位である。これは、不純物として含まれるＳが製造プロセスの中でＭｎと反応してＭｎＳが生成し、このＭｎＳが高強度の焼き入れ焼き戻し鋼の靭性に対して、悪影響を及ぼしているためと考えられる。したがって、Ｓ含有量を低減する必要がある。Ｓ含有量を低減するためには、Ｓの含有量の少ない原料鉱石やスクラップを用いるか、又は、製鋼時に溶鋼中にＣａやＭｇを含有させてＳを低減すればよく、その結果、ＭｎＳの生成を抑制することができる。
　(g) その他の成分としては、Ａｌが鋼の靱性および加工性を高めるのにも有効であるから、その適量を含有させるのがよい。また、不純物中のＰとＮは、靱性を低下させる元素であるから、その含有量を抑制する必要がある。
　(h) 以上の結果から、クレーンのブーム等の機械構造部材用途としての溶接性に適正な炭素量の範囲で、Ｐ、Ｓ、ＮおよびＢを極力含有させずに、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｍｏ、ＮｂおよびＡｌを適量含有させた低合金鋼を継目無鋼管に用いることで、焼き入れ焼き戻し後に、極めて優れた低温靭性が確保できることが分かった。
　本発明は、これらの知見に基づいて完成したものであり、その要旨とするところは下記の(1)及び(2)の継目無鋼管、および(3)の継目無鋼管の製造方法にある。
　(1) 質量％で、Ｃ：０．１０～０．２０％、Ｓｉ：０．０５～１．０％、Ｍｎ：０．０５～１．２％、Ｎｉ：０．０２～１．０％、Ｃｒ：０．５０～１．５０％、Ｍｏ：０．５０～１．５０％、Ｎｂ：０．００２～０．１０％およびＡｌ：０．００５～０．１０％、並びにＴｉ：０．００３～０．０５０％およびＶ：０．０１～０．２０％のうちの一方または両方を含有し、残部はＦｅと不純物からなり、不純物中のＰが０．０２５％以下、Ｓが０．００５％以下、Ｎが０．００７％以下およびＢが０．０００３％未満である低合金鋼からなり、引張強度９５０ＭＰａ以上かつ降伏強度８５０ＭＰａ以上で、－４０℃でのシャルピー吸収エネルギーが６０Ｊ以上であることを特徴とする継目無鋼管。
　(2) Ｆｅの一部に代えて、さらにＣｕ：０．０２～１．０％を含有する合金鋼からなる、引張強度９５０ＭＰａ以上かつ降伏強度８５０ＭＰａ以上で、－４０℃でのシャルピー吸収エネルギーが６０Ｊ以上であることを特徴とする、上記(1)に記載の継目無鋼管。
　(3) Ｆｅの一部に代えて、さらにＣａ：０．０００５～０．００５０％およびＭｇ：０．０００５～０．００５０％のうちの一方または両方を含有する低合金鋼からなる、引張強度９５０ＭＰａ以上かつ降伏強度８５０ＭＰａ以上で、－４０℃でのシャルピー吸収エネルギーが６０Ｊ以上であることを特徴とする、上記(1)または(2)に記載の継目無鋼管。
　(4) 肉厚が８ｍｍ以上であり、引張強度９５０ＭＰａ以上かつ降伏強度８５０ＭＰａ以上で、－４０℃でのシャルピー吸収エネルギーが６０Ｊ以上であることを特徴とする、上記(1)～(3)のいずれかに記載の継目無鋼管。
　(5) 肉厚が２０ｍｍ以上であり、引張強度９５０ＭＰａ以上かつ降伏強度８５０ＭＰａ以上で、－４０℃でのシャルピー吸収エネルギーが６０Ｊ以上であることを特徴とする、上記(4)に記載の継目無鋼管。
　(6) 上記(1)～(3)のいずれかに記載の合金組成を有する低合金鋼を、熱間で鋼管形状に製管後、室温からＡｃ３変態点以上に加熱して焼入れた後、Ａｃ１変態点以下に焼戻しすることを特徴とする、引張強度９５０ＭＰａ以上かつ降伏強度８５０ＭＰａ以上で、－４０℃でのシャルピー吸収エネルギーが６０Ｊ以上を有する継目無鋼管の製造方法。
　本発明によれば、引張強度９５０ＭＰａ以上および降伏強度８５０ＭＰａ以上の高強度かつ高靭性を要求される継目無鋼管を提供することができる。この継目無鋼管は、機械構造部材、特にクレーンの等に用いることができる。
溶接試験における開先形状を示す。
　以下に、本発明に係る継目無鋼管の化学成分を限定した理由について述べる。なお、以下に示す「％」は、「質量％」を意味する。
　Ｃ：Ｃ：０．１０～０．２０％
　Ｃは、鋼の強度を高める効果を有する元素である。Ｃの含有量が０．１％未満の場合、所望の強度を得るためには低温の焼戻しを必要とするが、その結果、靭性の低下をまねく。一方、Ｃの含有量が０．２０％を超えると、溶接性が著しく低下する。従って、Ｃ含有量は０．１０～０．２０％とした。Ｃ含有量の好ましい下限値は０．１２％、より好ましくは０．１３％である。また、Ｃ含有量の好ましい上限値は０．１８％である。
　Ｓｉ：０．０５～１．０％
　Ｓｉは、脱酸作用を有する元素である。また、この元素は、鋼の焼入れ性を高めて、強度を向上させる元素である。この効果を得るためにはＳｉが０．０５％以上含まれていることが必要である。しかし、その含有量が１．０％を超えると、靭性および溶接性が低下する。従って、Ｓｉの含有量は、０．０５～１．０％とした。Ｓｉ含有量の好ましい下限値は０．１％、より好ましくは０．１５％である。また、好ましい上限値は０．６０％、より好ましくは０．５０％である。
　Ｍｎ：０．０５～１．２％
　Ｍｎは、脱酸作用を有する元素である。また、この元素は、鋼の焼入れ性を高めて強度を向上させる元素である。この効果を得るためにはＭｎを０．０５％以上含有させる必要がある。しかし、その含有量が１．２％を超えると、靭性が低下する。従って、Ｍｎの含有量を０．０５～１．２％とした。
　Ｎｉ：０．０２～１．５％
　Ｎｉは、焼き入れ性を向上させて強度を高めると共に、靭性を高める作用がある。その効果を得るために、０．０２％以上含有させる必要があるが、１．５％を越えて含有させるのは経済性の面から考えて不利である。従って、Ｎｉの含有量を０．０２～１．５％とした。なお、Ｎｉ含有量の好ましい下限値は、０．０５％であり、さらに好ましい下限値は、０．１％である。また、Ｎｉ含有量の好ましい上限値は、１．３％であり、さらに好ましい上限値は、１．１５％である。なお、特に肉厚２５ｍｍ超の厚肉の鋼管の場合には、Ｎｉを０．５０％以上含有させることで、所望の高強度と靭性を確保することが容易になる。
　Ｃｒ：０．５０～１．５０％
　Ｃｒは、鋼の焼入れ性および焼き戻し軟化抵抗を高めて強度を向上させるのに有効な元素である。引張強度９５０ＭＰａ以上の高強度鋼管において、その効果を発揮させるためには０．５０％以上含有させる必要がある。しかし、その含有量が１．５０％を超えると、靭性の低下を招く。従って、Ｃｒの含有量は０．５０～１．５０％とした。Ｃｒ含有量の好ましい下限値は０．６０％であり、より好ましいのは０．８０％である。また、Ｃｒ含有量の好ましい上限値は１．４０％である。
　Ｍｏ：０．５０～１．５０％
　Ｍｏは、鋼の焼入れ性および焼き戻し軟化抵抗を高めて強度を向上させるのに有効な元素である。引張強度９５０ＭＰａ以上の高強度鋼管において、その効果を発揮させるためには０．５０％以上含有させる必要がある。しかし、その含有量が１．５０％を超えると、靭性の低下を招く。従って、Ｍｏの含有量は０．５０～１．５０％とした。Ｍｏ含有量の好ましい下限値は０．７０％である。また、Ｍｏ含有量の好ましい上限値は１．０％である。
　上記のように、本発明では、Ｃｒ及びＭｏにより、鋼の焼入れ性および焼き戻し軟化抵抗を高めて強度を向上させる手法を採用する。それらの含有量は、好ましくはＣｒ＋Ｍｏの合計量で１．５０％超である。さらに、好ましくは１．５５％以上である。
　Ｎｂ：０．００２～０．１０％
　Ｎｂは、高温域で炭窒化物を形成して、結晶粒の粗大化を抑制し、靭性を向上させる効果のある元素である。その効果を得るためには、Ｎｂを０．００２％以上含有させるのが好ましい。しかし、その含有量が０．１０％を超えると、炭窒化物が粗大になりすぎて、かえって靭性を低下させる。従って、Ｎｂ含有量を０．００２～０．１０％とした。なお、Ｎｂ含有量の好ましい上限値は０．０５％である。
　Ａｌ：０．００５～０．１０％
　Ａｌは、脱酸作用を有する元素である。この元素は、鋼の靱性および加工性を高める効果がある。Ａｌ含有量は不純物レベルであってもよいが、確実にこの効果を得るためには、０．００５％以上とすることが好ましい。しかし、その含有量が０．１０％を超えると、地疵の発生が著しくなる。従って、Ａｌの含有量を０．１０％以下とした。従って、Ａｌ含有量を０．００５～０．１０％とした。Ａｌ含有量の好ましい上限値は、０．０５％である。なお、本発明にいうＡｌ含有量とは、酸可溶Ａｌ（いわゆるｓｏｌ．Ａｌ）の含有量を指す。
　ＴｉおよびＶは、いずれか一方もしくは両方を含有させる必要がある。
　Ｔｉ：０．００３～０．０５０％
　Ｔｉは、焼き戻しの際にＴｉ炭化物として析出し、強度を向上させる効果がある。この効果を得るためには、０．００３％以上含有させる必要がある。ただし、その含有量が０．０５０％を越えると、凝固中など高温域で粗大な炭窒化物が形成し、また焼き戻し時のＴｉ炭化物の析出量が過剰となるため、靭性が低下する。従って、Ｔｉ含有量を０．００３～０．０５０％とした。
　Ｖ：０．０１～０．２０％
　Ｖは、焼き戻しの際にＶ炭化物として析出し、強度を向上させる効果がある。この効果を得るためには、０．０１％以上含有させる必要がある。ただし、その含有量が０．２０％を越えると、焼き戻し時のＶ炭化物の析出量が過剰となるため、靭性が低下する。従って、Ｖ含有量を０．０１％～０．２０％とした。なお、Ｖ含有量の好ましい上限は０．１５％である。
　本発明に係る継目無鋼管は、上記の成分のほか、残部がＦｅと不純物からなるものである。ここで、不純物とは、原料鉱石やスクラップ等から混入する成分であって、本発明に悪影響を与えない範囲であれば許容されるものを意味する。しかしながら、特に、不純物中のＰ、Ｓ、ＮおよびＢは、次に述べるように、その含有量を抑制する必要がある。
　Ｐ：０．０２５％以下
　Ｐは、不純物として鋼中に存在する元素であるが、その含有量が０．０２５％を越えると靭性が著しく低下するため、不純物としての上限を０．０２５％とした。
　Ｓ：０．００５％以下
　Ｓは、Ｐと同様に不純物として鋼中に存在する元素であるが、その含有量が０．００５％を越えると靭性が著しく低下するため、不純物としての上限を０．００５％とした。なお、Ｓの含有量の好ましい上限は、０．００３％である。
　Ｎ：０．００７％以下
　Ｎは、不純物として鋼中に存在する元素であるが、その含有量が０．００７％を越えると靭性が著しく低下するため、不純物としての上限を０．００７％とした。
　Ｂ：０．０００３％未満
　Ｂは、通常、含有させることにより焼き入れ性を向上させ、強度を高める効果のある元素である。しかしながら、ＣｒおよびＭｏが一定量含有されている鋼に、Ｂが０．００３％以上含有されていると、焼き戻し時に粗大な硼化物を形成し、靭性を低下させる。従って、本発明において、Ｂの不純物としての上限を０．０００３％未満とした。
　本発明に係る継目無鋼管は、上記の成分のほか、必要に応じて、Ｃｕをさらに含有させてもよい。また、必要に応じて、ＣａおよびＭｇのうちの一方または両方をさらに含有させても良い。
　Ｃｕ：０．０２～１．０％
　Ｃｕは、焼き戻しの際に析出して、強度を高める作用がある。その効果は、Ｃｕの含有量が０．０２％以上の場合に顕著となる。一方、１．０％を越えて含有させると、鋼管表面に欠陥が多発する。従って、Ｃｕを含有させる場合の含有量を０．０２～１．０％とした。なお、Ｃｕ含有量の好ましい下限値は０．０５％であり、さらに好ましい下限値は０．１０％である。また、Ｃｕ含有量の好ましい上限値は０．５０％であり、さらに好ましい上限値は０．３５％である。
　Ｃａ：０．０００５～０．００５０％
　Ｃａは、鋼中のＳと反応して硫化物を形成することにより介在物の形態を改善し、鋼の靭性を向上させる効果を有する。この効果は、Ｃａの含有量が０．０００５％以上の場合に顕著となる。一方、その含有量が０．００５０％を超えると、鋼中の介在物量が増大し、鋼の清浄度が低下するので、かえって靭性が低下する。従って、Ｃａを含有させる場合には、その含有量を０．０００５～０．００５０％とするのが好ましい。
　Ｍｇ：０．０００５～０．００５０％
　Ｍｇもまた、鋼中のＳと反応して硫化物を形成することにより介在物の形態を改善し、鋼の靭性を向上させる効果を有する。この効果は、Ｍｇの含有量が０．０００５％以上の場合に顕著となる。一方、その含有量が０．００５０％を超えると、鋼中の介在物量が増大し、鋼の清浄度が低下するので、かえって靭性が低下する。従って、Ｍｇを含有させる場合には、その含有量を０．０００５～０．００５０％とするのが好ましい。
　次に、本発明の鋼管の製造方法について述べる。
　造管手段は特に限定しない。例えば、熱間での穿孔、圧延および延伸工程にて製造しても良いし、熱間押し出しプレスにより製造しても良い。
　強度および靭性を付与するための熱処理は、焼き入れ焼き戻しによって行う。焼き入れは、用いる鋼成分のＡｃ３変態点以上に加熱し、その後急冷することによって行う。この焼き入れのための加熱は、通常の炉加熱で良く、誘導加熱を用いた急速加熱であればなお良い。また、急冷方法は、水冷や油冷などである。焼き戻しは、用いる鋼成分のＡｃ１変態点未満の温度で加熱均熱した後に空冷することで行う。焼き戻し加熱均熱温度は、低すぎると脆化を起こす恐れがあるため、５５０℃以上が好ましい。
　表３に示す鋼種について、１００ｋｇインゴットを真空溶解によって用意した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　そして、これらのインゴットを、熱間鍛造によりブロック形状とした後、１２５０℃で３０分加熱し、１２００～１０００℃の温度範囲で熱間圧延して、２０ｍｍ、３０ｍｍ、４５ｍｍ厚の板材を作成した。これらの板材を９２０℃、１０分の条件で均熱後に水冷により焼入れし、さらに焼戻し処理を施して、熱処理板材を得た。焼戻しに関しては、６００℃または６５０℃の２条件で３０分均熱することで実施した。
　これらの熱処理板材の板厚中央部から圧延長手方向に平行に、ＪＩＳ　２２０１（１９９８年版）の１０号試験片を切り出し、ＪＩＳ　Ｚ２２４１（１９９８年版）に準拠して引張試験を実施した。また、熱処理板材の板厚中央部から圧延幅方向に平行に、ＪＩＳ　Ｚ２２４２に準拠した２ｍｍＶノッチフルサイズ試験片を切り出し、－４０℃にてシャルピー衝撃試験を行い、吸収エネルギーを評価した。上記の試験で実施した引張試験とシャルピー衝撃試験の結果を表４に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　鋼Ｎｏ．１９は、本発明に係る鋼の化学組成からなるものであるが、Ｎｉ：０．０３％とＮｉの含有量が少ない。肉厚２０ｍｍ及び３０ｍｍの場合は、満足できる強度レベルと靭性を確保できたが、肉厚４５ｍｍの場合は、吸収エネルギーが３１Ｊと低位であり、満足な靭性を確保することができなかった。鋼Ｎｏ．２０～２２は、本発明に係る鋼の化学組成からなるものであり、いずれも０．５０％以上のＮｉを含有するが、４５ｍｍの肉厚においても所望の高強度と靭性と確保することができた。
　このように、特に厚肉の場合において、Ｎｉ濃度を高めることが有効であることが明らかとなった。また同時に、Ｃｕを含有しなくても、目的を達成できることも明らかとなった。
　表５に示す化学成分の鋼を溶製し、転炉－連続鋳造プロセスにより、矩形ビレットおよび外径３１０ｍｍの円柱ビレットを鋳造した。矩形ビレットは、さらに熱間鍛造により外径１７０ｍｍの円柱ビレットと外径２２５ｍｍの円柱ビレットに成形した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
　これらの円柱ビレットを、１２４０℃に加熱し、マンネスマン－マンドレル方式によって、表６に示す寸法の継目無鋼管を作製した。その後、表６に示す温度条件で、焼き入れ焼き戻し熱処理を施して、製品鋼管を製造した。得られた各製品鋼管について、長手方向の両端位置（圧延方向で先端側をＴ端、末端側をＢ端とする）の強度特性をＪＩＳ　Ｚ２２０１の１２号試験片を用いて、ＪＩＳ　Ｚ２２４１に準拠した引張試験を実施して評価し、靭性をＪＩＳ　Ｚ２２４２に準拠した２ｍｍＶノッチフルサイズ試験片を切り出し、－４０℃にてシャルピー衝撃試験を３本実施した中で、最も低い吸収エネルギーとして評価した。表６に、各製品鋼管の強度および靭性の評価結果を示す。いずれの寸法の鋼管においても、降伏強度８５０ＭＰａ、引張強度９５０ＭＰａおよび－４０℃でのシャルピー吸収エネルギーが６０Ｊと、良好な結果が得られた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
　上記方法で製造された鋼管のうち、外径２１９．１ｍｍ、肉厚１５．０ｍｍの鋼管（６５０℃焼戻）を用いて、周方向に溶接を行い、溶接試験を実施した。溶接条件を表７に、そして、開先形状を図１に、それぞれ示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000007
　得られた溶接継手から、ＪＩＳ　Ｚ　３１２１規定の３Ａ号試験片（幅：２０ｍｍ、平行部：３０ｍｍ＋溶接金属部の表面の最大幅＋３０ｍｍ）を作成し、引張試験を行った。継手引張試験の結果、引張強度は、入熱１２KJ/cmで９７２MＰａ以上、入熱１５KJ/cmで１００２MPa以上で満足できるレベルであった。
　以上の通り、本発明の鋼管は、溶接施工後の特性関しても満足のできる水準であった。
　本発明に係る継目無鋼管は、引張強度９５０ＭＰａ以上および降伏強度８５０ＭＰａ以上の高強度を有し、かつ低温での高靭性に優れているので、機械構造部材に用いることができる。特にクレーンのブーム材等に好ましい。

Claims (6)

  1. 　質量％で、Ｃ：０．１０～０．２０％、Ｓｉ：０．０５～１．０％、Ｍｎ：０．０５～１．２％、Ｎｉ：０．０２～１．０％、Ｃｒ：０．５０～１．５０％、Ｍｏ：０．５０～１．５０％、Ｎｂ：０．００２～０．１０％およびＡｌ：０．００５～０．１０％、並びにＴｉ：０．００３～０．０５０％およびＶ：０．０１～０．２０％のうちの一方または両方を含有し、残部はＦｅと不純物からなり、不純物中のＰが０．０２５％以下、Ｓが０．００５％以下、Ｎが０．００７％以下およびＢが０．０００３％未満である低合金鋼からなり、引張強度９５０ＭＰａ以上かつ降伏強度８５０ＭＰａ以上で、－４０℃でのシャルピー吸収エネルギーが６０Ｊ以上であることを特徴とする継目無鋼管。
  2. 　Ｆｅの一部に代えて、さらにＣｕ：０．０２～１．０％を含有する合金鋼からなる、引張強度９５０ＭＰａ以上かつ降伏強度８５０ＭＰａ以上で、－４０℃でのシャルピー吸収エネルギーが６０Ｊ以上であることを特徴とする、請求項１に記載の継目無鋼管。
  3. 　Ｆｅの一部に代えて、さらにＣａ：０．０００５～０．００５０％およびＭｇ：０．０００５～０．００５０％のうちの一方または両方を含有する低合金鋼からなる、引張強度９５０ＭＰａ以上かつ降伏強度８５０ＭＰａ以上で、－４０℃でのシャルピー吸収エネルギーが６０Ｊ以上であることを特徴とする、請求項１または２に記載の継目無鋼管。
  4. 　肉厚が８ｍｍ以上であり、引張強度９５０ＭＰａ以上かつ降伏強度８５０ＭＰａ以上で、－４０℃でのシャルピー吸収エネルギーが６０Ｊ以上であることを特徴とする、請求項１から３までのいずれかに記載の継目無鋼管。
  5. 　肉厚が２０ｍｍ以上であり、引張強度９５０ＭＰａ以上かつ降伏強度８５０ＭＰａ以上で、－４０℃でのシャルピー吸収エネルギーが６０Ｊ以上であることを特徴とする、請求項４に記載の継目無鋼管。
  6. 　請求項１から３までのいずれかに記載の合金組成を有する低合金鋼を、熱間で鋼管形状に製管後、室温からＡｃ３変態点以上に加熱して焼入れた後、Ａｃ１変態点以下に焼戻しすることを特徴とする、引張強度９５０ＭＰａ以上かつ降伏強度８５０ＭＰａ以上で、－４０℃でのシャルピー吸収エネルギーが６０Ｊ以上を有する継目無鋼管の製造方法。
     
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