JPS5940890B2 - 低温靭性の優れた鋼材の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は液化低温ガス等の低温流体の輸送や貯蔵、あ
るいは極寒冷地等の雰囲気に使用される鋼管等の鋼材に
関するものである。

周知のように鋼材は低温において靭性が急激に低下し、
いわゆる低温ぜい性を示す。

このような低温ぜい性を改善、すなわち低温靭性を附与
する従来の方法としては、合金元素、特に多量のＮｉ等
を添加する方法や２回焼入れ等の方法が知られているが
、これらはいずれもコストを大幅に上昇させる問題があ
る。

そこで従来から、安価な通常成分の鋼を素材とし、簡単
かつ容易に低温靭性の優れた鋼管等の鋼材を製造する方
法の開発が強（望まれていた。

ところで本発明者等は、継目無鋼管の製造方法として、
鋼ビレットを一次熱間加工により穿孔圧延し、次いで二
次熱間加工により外径調節のための仕上圧延を行った後
、冷却せずにただちに焼入れ（直接焼入れ）する方法の
研究・開発を進めている。

このような直接焼入れを適用した継目無鋼管の製造方法
について第１図を参照してさらに詳細に説明すると、先
ず素材としての鋼ビレット１をロータリーファーネス等
の加熱炉２において１２００℃程度以上に加熱し、これ
をピアサ、エロンゲータ、プラグミル、リーラミル等か
らなる一連の穿孔圧延工程３において熱間加工して、最
終製品の断面に近い断面寸法・形状に加工し、次いでウ
オーキングビームファーネス等の再加熱炉４に装入して
９００℃程度に再加熱し、その再加熱された鋼材（素管
）をサイザミルあるいはストレッチレデューサ等の仕上
圧延工程５によって所定の外径に仕上げ、続いてただち
に焼入れ装置６によって焼入れする方法である。

このような方法では鋼ビレット１の加熱から焼入れまで
が一連続の工程で行なわれるが、その連続工程の最終段
階である焼入装置６が何らかの原因で停止した場合、上
流側から加工・処理されて送られて来る鋼材を焼入れ装
置６に近い段階で系外へ排出して一旦ストックしておく
必要がある。

この場合、一般にはサイザミル等の仕上圧延工程５が終
了した段階、すなわち最終製品の形状・寸法まで加工さ
れた段階で鋼材を系外へ排出してストックしておき、そ
の後焼入れ装置の復旧に伴って前記ストックされていた
鋼材を基加熱して焼入れするのが通常と考えられる。

しかしながらこの場合には熱間加工後ただちに焼入れす
る所謂直接焼入れではなく、通常の焼入れとなるから、
得られる製品の品質が直接圧延の場合よりも格段に劣り
、例えば同一の焼もどし条件を採用した場合に引張強度
が格段に劣る。

このような事情から本発明者等は、前述のように焼入れ
装置が停止した場合にサイザミル等の仕上圧延を行う直
前、すなわち再加熱炉４から排出された鋼材をそのまま
クーリングベッド側へ送り、ストックすることを考えた
。

そして焼入れ装置の復旧に伴って前記ストックされてい
た鋼材を再加熱炉４に装入して再び９００℃前後に加熱
し、これをサイザミル等の仕上圧延工程５でわずかに熱
間圧延を加えて、ただちに焼入れ（直接焼入れ）する実
験を行ったところ、単に強度的に優れるばかりでなく、
優れた低温靭性を有する鋼管が得られる可能性があるこ
とを見出した。

そこでさらに実験を繰返したところ、焼入れ直前の熱間
圧延（仕上圧延）における加工比を調節することによっ
て、通常成分の低炭素鋼から低温靭性に優れた鋼材が得
られること、すなわち前述の要望を満たし得ることを知
見し、この発明をなすに至ったのである。

すなわちこの発明の低温用鋼材の製造方法は、例えば前
述のような一連の継目無鋼管の製造過程においてサイザ
ミル等の２次熱間加工（仕上圧延）の直前で系外へ排出
、ストックされてＡｒ１ 変態点以下に冷却された鋼索
管のごとく、最終製品の断面寸法・形状に近い断面寸法
・形状に既に加工されている通常成分の低炭素鋼材を素
材とし、その鋼材を加熱して特定の範囲の加工比で熱間
圧延し、ただちに焼入れ（直接焼入れ）するものである
。

より具体的には、この発明の方法は、Ｃ０，１５％未満
、Ｓｉ ０．１〜１．０％、Ｍｎ ０．４〜２．０％、
ＡＩ ０．０１〜０．１０％、残部実質的にＦｅおよび
不可避的不純物よりなり、かつ製品の断面寸法・形状に
近い断面寸法・形状に予め加工されている鋼材を、Ａｃ
３ 変態点以上、オーステナイト結晶粒大化開始温度以
下の温度に加熱して、断面収縮比Ｒが０．０１５以上と
なるように熱間圧延した後、ただちに焼入れし、その後
Ａｃ１ 変態点以下の温度で焼もどすことを特徴とする
ものである。

但しここで断面収縮比Ｒは、熱間圧延前後における主圧
延方向に対し直角な断面の面積収縮率、すなわちより正
確には、熱間圧延前における断面積を８１ とし、熱間
圧延後における断面積な８２ とすれは、次の式であら
れされるものである。

２ Ｒ＝１−− １ 以下この発明の製造方法をさらに詳細に説明する。

この発明で対象とする鋼材の成分範囲は、前述のように
Ｃ０，１５％未満、Ｓｉ０．１〜１．０％、Ｍｎ ０．
４〜２．０％、ＡＩ ０．０１〜０．１０％、残部実質
的にＦｅおよび不可避的不純物であり、このような成分
限定理由は次の通りである。

Ｃは０．１５％を越えれば靭性が低下する。

またＣの下限は特に限定しないが通常は溶接性と強度の
面から実用上０．０８％前後とすることが望ましい。

Ｓｉは脱酸および強度増加の目的から添加されるが、そ
のためには０．１％以上が必要である。

一方Ｓｉが１．０％を越えれば靭性が急激に低下する。

Ｍｎは強度および靭性向上の目的から０．４％以上添加
することが必要であるが、２．０％を越えれば偏析や溶
接不良をおこす。

ＡＩは脱酸および鋼中のＮと結合して結晶粒を微細化さ
せるために添加されるが、そのためには０．１０％以上
が必要であり、またＡＩが０．１０％を越えれば上述の
効果が飽和する。

なおこのほか、低温靭性をより一層向上させるため、Ｎ
ｉ Ｏ，０５〜９．５％、Ｃｕ Ｏ，０５〜０．５％の
一方または双方を用途等に応じて添加しても良い。

また強度や耐水素誘起割れ性を確保するため、Ｃｒ Ｏ
，０５〜２．５％、Ｍｏ ０．０５〜１．５％、ＮｂＯ
，０１〜０．１％、Ｖｏ、０１〜０．２％、ＴｉＯ，０
０５〜０．１％、Ｂｏ、０００５〜０．００５％、Ｃａ
Ｏ１００２〜０．００５０％、ＲＥＭｏ、００５〜０．
０５０％のうちから選ばれた１種または２種以上を添加
しても良い。

この発明の製造方法は上述のような組成の鋼を素材とす
るのであるが、ここでこの発明の製造方法に供する素材
は、予め製品の断面に近い断面寸法・形状に加工されて
いる素管等のものである。

例えば第１図に示すごとき継目無鋼管の一連の製造過程
において、熱間仕上圧延工程５の直前で系外へ排出され
てＡｒ１ 変態点以下に冷却された素管、すなわち穿孔
圧延工程等の−・火熱間加工が既に施されている素管、
あるいは第１図における焼入装置６の直前で系外に排出
されてＡｒ１ 変態点以下に冷却された素管、すなわち
穿孔圧延工程３等の一次熱間加工および仕上圧延工程５
等の二次熱間圧延が既に施されて、当初予定していた製
品の断面寸法・形状に加工されている素管（但し本発明
では後にさらに若干の熱間圧延を施すから、本発明の方
法における最終製品の断面寸法・形状とは若干異なる）
などが対象となる。

このような素管等の素材に対し、この発明の方法では先
ずＡｃ３変態点以上、オーステナイト結晶粒粗大化開始
温度以下の温度に加熱する。

この加熱は、均一にオーステナイト化するとともに鋼中
の合金元素を充分に固溶させるためにＡｃａ 変態点以
上が必要であるが、熱間圧延後のオーステナイト結晶粒
を微細化するため、オーステナイト温度域の可及的に低
温度に加熱することが望ましく、少くともオーステナイ
ト結晶粒粗大化開始温度以下とする必要がある。

このように加熱した素材は、ただちにサイザミル、スト
レッチレデューサ等、得ようとする製品の形状、寸法に
応じた圧延機により断面収縮比Ｒ１すなわち主圧延方向
に直角な断面における圧延前の面積Ｓ１ と圧延後の面
積Ｓ２ とによって定まる（ １−８２／Ｓ１）の値が
０．０１５以上となるように熱間圧延する。

この断面収縮比が適当であることは後述する実施例に示
すように本発明者等が実験により見出したのであり、断
面収縮比を０．０１５以上とすることによってはじめて
焼入れ一焼もどし後の鋼材に優れた低温靭性が与えられ
、断面収縮比が０．０１５未満では良好な低温靭性が得
られない。

なおこの熱間圧延における断面収縮比の上限は特に限定
しな（・が、実施例で示すように低温靭性が向上する効
果は断面収縮比が０．０２５〜０．０３０程度で飽和し
、それ以上断面収縮比を大きくしても効果は上昇せず、
またそもそもこの発明で対象とする素材は予め製品に近
い断面寸法・形状に加工されているものであるから、断
面収縮比は通常は０．１０程度以下とする。

なおまた、この熱間圧延においては、圧縮荷重をできる
だけ一挙に加えて０．０ ］、 ５以上の断面収縮比を
得ることが望ましく、その観点から、３パス程度以下（
但し圧下が加えられた１組のロールを通過する過程を１
パスとする）で断面収縮比０．０１５以上に圧延するこ
とが望ましい。

４パス以上で圧延した場合、熱間圧延工程全体としての
断面収縮比が０．０１５以上であっても１パス当りの断
面収縮比が著しく小さくなり、そのため良好な低温靭性
が得られなくなるおそれがある。

上述のようにして熱間圧延した後には、ただちに水焼入
れする。

すなわち臨界温度まで冷却される以前に焼入れする。

この焼入れは、例えば鋼管の場合、内外両面にその長手
方向に沿った水流、すなわち軸流を流して冷却する方式
を採用することが望ましいが、必ずしもこれに限るもの
ではない。

このようにして焼入れした後には、Ａｃ１ 変態点以下
の温度に焼もどしする。

この焼もどしは通常は６００℃以上で行うことが望まし
く、また焼もどし後は常法にしたがって急冷する。

゛このようにして熱間圧延後、焼入れ焼もどしすること
によってこの発明の製造方法における最終製品である鋼
管等の鋼材が得られる。

なお、この発明の製造方法における素材として、第１図
に示される継目無鋼管の製造ラインの中途からライン外
へ排出・冷却された素管を用いる場合には、第１図にお
けるウオーキングビームファーネス等の再加熱炉４をこ
の発明の製造方法における熱間圧延前の加熱に利用する
ことが望ましい。

すなわち、例えば第２図の破線で示すように再加熱炉４
からクーリングベッド７の側へ排出・ストックされてＡ
ｒ１ 変態点以下に冷却された素管を素材とする場合、
第２図の実線で示すようにその冷却された素管を再加熱
炉４に再装入してＡｃ３変態点以上、オーステナイト結
晶粒粗大化開始温度以下の温度に加熱し、これをサイザ
ミル、ストレンチレデューサ等の仕上圧延工程５で断面
収縮比０．０１５以上に熱間圧延し、ただちに焼入れて
焼もどしすれば良い。

また例えば第３図の破線で示すように、仕上圧延工程５
を経てからライン外のクーリングベッドγ′へ排出され
て冷却された鋼管を素材とする場合も、第３図の実線で
示すようにその鋼管を再加熱炉４に再装入して前記温度
に加熱し、再度仕上圧延工程５において断面収縮比が０
．０１５以上となるように熱間圧延し、ただちに焼入れ
だ後、焼もどしすれば良い。

前述のようにして得られた鋼材はその低温靭性が著しく
優れている。

その理由は次のように考えられる。

すなわち、熱間圧延のための加熱温度をオーステナイト
結晶粒粗大化開始温度以下（但しＡｃ３ 点以上）とし
、かつ０．０１５以上の比較的大きい断面収縮比で熱間
圧延するため、熱間圧延後（焼入れ前）のオーステナイ
ト結晶粒が著しく微細化されて、これを直接焼入れおよ
び焼入れした後の結晶粒も微細化され、これによりクラ
ックの伝播が阻止されるようになることが第１の理由と
して挙げられる。

また、熱間圧延によって鋼材中に導入されたひずみすな
わち格子欠陥が焼もどしの際に炭化物生成の析出サイト
として機能し、高温焼もどしにより炭化物の析出形態が
球状化、分散化し、さらには熱間圧延により硫化物系非
金属介在物が展伸および分離切断され、これらにより炭
化物や硫化物による脆性クラックの発生、伝法※播特性
が改善されることが第２の理由として挙げられる。

なお、結晶粒度の点だけがら見れば、切欠靭性を向上さ
せるためには熱間圧延後のオーステナイト結晶粒度（Ｊ
ＩＳ）が６，０以上あることが望ましい。

但し、鋼材の化学成分に切欠靭性を向上させる合金元素
例えばＮｉ、Ｎｂ等を含有する場合には断面収縮比は小
でも良く、一方、これらの合金元素を含有しない場合に
は断面収縮比を犬にすることが好ましいが、この発明の
方法で重要なことは、断面収縮比が犬であれば常に切欠
靭性向上効果が得られて、優れた低温靭性が得られる点
である。

すなわち、この発明の方法によれば、切欠靭性を向上さ
せる合金元素を特に含有しない場合でも、熱間圧延にお
ける断面収縮比を犬（０，０１５以上）とすることによ
り、前記第１の理由および第２の理由が相俟って良好な
低温靭性が得られる。

以下にこの発明の実施例を記す。

実施例 第１表に示される２種の鋼材Ａ、 Ｂについて予め熱間
加工により直径８０〜１０５ｍｒＩＬ１肉厚８〜１６ｍ
ｍの素管に加工しておき、これを素材としてウオーキン
グビームファーネスにより９１０〜９３０℃に充分に均
熱した後、孔型熱間圧延機により１〜３パスにて各種の
断面収縮比となるように熱間圧延した。

続いてただちに内外両面軸流焼入れ装置により水冷焼入
れし、その後６０５℃〜６４０℃程度に焼もどしして、
各鋼材の降伏強さ）を４０に９ｆ／−にそろえた。

上述の実施例により得られた各鋼材に対し、サブサイズ
の２ｍｍＶノツチシャルピー衝撃試験を行なって、５０
％脆性破面率を呈する遷移温度（ｖＴｒｓ）を調べた。

各成分の鋼Ａ、Ｂにおけるその遷移温度ｖＴｒｓを各断
面収縮比Ｒに対応して第４図に示す。

実用的にはｖＴ ｒｓが一５０℃以下であれば低温靭性
が優れていると判定できるが、第４図から明らかなよう
に断面収縮比Ｒが０．０１０から０．０２０程度まで増
加すればｖＴ ｒｓが急激に低下し、靭性向上効果を有
するＮｉを含む鋼材Ｂの場合はもちろんのこと、Ｎｉを
実質的に含有しない鋼材Ａの場合も断面収縮比０．０１
５以上でｖＴｒｓ≦−５０℃を確保することができた。

前述の説明で明らかなようにこの発明の方法によれば安
価な通常成分の鋼を素材として、簡単かつ容易に低温靭
性の優れた鋼管等の鋼材を製造することができ、したが
って低温靭性の優れた鋼管等の鋼材を低コストで提供す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の背景としての継目無鋼管の製造工程
の一例を示すブロック図、第２図および第３図はそれぞ
れ継目無鋼管の製造工程にこの発明を適用した例を示す
ブロック図、第４図はこの発明の実施例における断面収
縮比Ｒとシャルピー衝撃試験破面遷移温度（ｖＴｒｓ
）との関係を示すグラフである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 Ｉ Ｃ０，１５％未満、Ｓｉ ０．１〜１．０％、Ｍ
   ｎ０．４〜２．０％、ＡＩｏ、０１〜０．１０％、残部
   実質的にＦｅおよび不可避的不純物よりなり、かつ予め
   製品の断面形状・寸法に近い断面形状・寸法に加工され
   ている鋼材を素材とし、その素材なＡ ｃ ３ 変態
   点以上、オーステナイト結晶粒粗大化開始温度以下の温
   度に加熱して、下記（１）式で定まる断面収縮比Ｒが０
   ．０１５以上となるように熱間圧延した後、ただちに焼
   入れし、その後Ａｃ１ 変態点以下の温度で焼もどしす
   ることを特徴とする低温靭性の優れた鋼材の製造方法。 ２ Ｒ＝１−一 ・・・・・・（１）１ 但しＳｌは熱間圧延前における主圧延方向に対し直角を
   なす断面の面積、Ｓ２は熱間圧延後における主圧延方向
   に対し直角をなす断面の面積をあられす。 ２ 前記熱間圧延において断面収縮比Ｒ力框旧５以上０
   ．１０以下となるように圧延する特許請求の範囲第１項
   記載の製造方法。