JPH0428779B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

産業上の利用分野 この発明は主として石油、ガス等の輸送用パイ
プラインに使用されるシームレス鋼管に関し、特
に直接焼入れ、焼もどし処理によつて製造される
高靭性シームレス鋼管に関するものである。 従来の技術 最近に至り、油井管・ラインパイプ等として使
用されるスームレス鋼管の製造にあたつては、主
として省エネルギの観点から、熱間圧延後の鋼管
をそのままその保有温度から焼入れし、しかる後
通常の調質鋼と同様に焼もどし処理する方法、す
なわち所謂直接焼入れ・焼もどし処理法を適用す
ることが多くなつている。 しかしながら、直接焼入れ・焼もどし処理を適
用してシームレス鋼管を製造する場合、焼入れ直
前のオーステナイト粒が一般に粗大であるため、
焼もどし後の靭性も従来の通常の再加熱・焼もど
し材と比較して劣る欠点がある。すなわち、直接
焼入れ・焼もどしを鋼板の製造に適用する場合
は、熱間圧延工程を各段階で圧下率条件や温度条
件を細かく制御る所謂制御圧延を実施することに
よつて直接焼入れ前のオーステナイト粒をある程
度微細とし、通常の再加熱焼入れ・焼もどし鋼板
と同等の靭性を得ることが可能であるが、シーム
レス鋼管と熱間圧延工程（製管工程）では制御圧
延が困難であり、そのため直接焼入れ前のオース
テナイトが粗大となつて焼もどし後の靭性が劣化
することを避け得なかつたのが実情である。 特にラインパイプ用鋼管の場合には、圧延直角
方向の靭性が高いことが要求されるが、圧延直角
方向の靭性は通常の再加熱焼入れ・焼もどし材の
場合でも、圧延方向の靭性と比較して劣るのが通
常であり、したがつて直接焼入れ・焼もどし処理
を適用して得られたシームレス鋼管は特に圧延直
角方向の靭性が低いことからラインパイプ用鋼管
として使用するには問題があつた。 このようなシームレス鋼管と直接焼入れ・焼も
どし材の靭性を改善する手段としては、例えば特
公昭57−11927号公報中には、直接焼入れ直前の
第二次熱間加工で相当歪にして0.2以上の加工を
加えることによつてオーステナイト粒を微細化す
る方法、あるいは第１次熱間加工後の鋼管を一旦
Ar₁点以下に冷却し次いでAc₃点以上に加熱する
ことによりオーステナイト粒の微細化を図る方法
が記載されている。しかしながら小径のシームレ
ス鋼管の製造に用いられるストレツチレデユーシ
ングミルの場合を除き、一般にラインパイプ用鋼
管として多用されている中径サイズのシームレス
鋼管の製造においては、第二次熱間加工に相当す
る最終サイジング過程での加工度は小さいのが通
常であつて、相当歪にして0.2以上の加工を加え
るためには大型かつ特殊な設備を必要とし、その
ため設備コストが嵩む問題を招く。また第一次熱
間加工後の鋼管を一旦Ar₁点以下に冷却し次いで
Ac₃点以上に加熱することにより細粒化を図る方
法では、熱間圧延途中で一旦冷却してその後再加
熱することになるため、通常の圧延によるシーム
レス鋼管製工程と比較し、圧延途中での冷却過程
およびそれに続く再加熱過程で余分な時間が費や
され、そのため圧延能率が低下して直接圧延の経
済的メリツトが失われてしまう問題を招く。 発明が解決すべき問題点 既に述べたように、直接焼入れ・焼もどし処理
を適用してシームレス鋼管を製造する場合、直接
焼入れ前のオーステナイト粒が粗大であるため、
高靭性を得ることが従来は困難であり、またその
ため高靭性が要求される用途の鋼管、特に圧延直
角方向の靭性が高いことが要求されるラインパイ
プ用には、直接焼入れ・焼もどし処理によつて製
造したシームレス鋼管は不適当とされていたのが
実情である。 またシームレス鋼管の直接焼入れ・焼もどし材
の靭性を改善するための前記特公昭57−11927号
公報中に記載されている方法も、設備コストの増
大よ圧延能率の低下等の問題から、実操業に適用
するには至らなかつた。 したがつてこの発明は、直接焼入れ・焼もどし
処理によつても高靭性が得られるようにしたシー
ムレス鋼管を提供することを目的とし、特に設備
コストの上昇や圧延能率の低下を招いたりするこ
とがないように、鋼管の化学成分の調整によつて
高靭性を実現することを目的とするものである。 問題点を解決するための手段 この発明のシームレス鋼管を主たる特徴は、高
靭性を実現するためにＣ量を低く抑え、同時に不
純物としてのＰ、Ｓを従来のシームレス鋼管には
見られない低水準に制限することにある。また、
必要に応じてCaを添加すること、さらに強度の
確保をＣや析出強化型元素に頼らず必要に応じて
Ｂなどの焼入れ性を高める元素やCu、Niなどの
固溶強化型元素を利用することもこの発明の特徴
の一つである。 これらの手段のうちには、個々には靭性改善に
有効な手段として従来からある程度は知られてい
たものもあるが、これらの手段の有効な組合せに
よつて、シームレス鋼管の直接焼入れ・焼もどし
材の靭性が、従来の通常の再加熱焼入れ・焼もど
し材の水準に近い程度まで向上することは、従来
は認識されていなかつたのである。すなわち、前
述のようにシームレス鋼管の直接焼入れにおいて
は、粗大の組織にる靭性不良が顕著であつたため
に、従来はラインパイプ用鋼管として直接焼入れ
の適用は不適当であると考えられており、そのた
め従来は、シームレス鋼管の直接焼入れ・焼もど
し材を主としてパインパイプ用鋼管の適用するべ
く前述のような手段を組合せることについては、
特に試みられていなかつたのである。 具体的には、本願の第１発明のシームレス鋼管
は、Ｃ 0.01〜0.08％、Si 0.10〜0.50％、Mn
0.50〜2.00％、Al 0.001〜0.100％を含有し、かつ
不純物としてのＰおよびＳをＰ 0.010％以下、
Ｓ 0.0020％以下とし、残部がFeおよびその他の
不可避的不純物よりなることを特徴とする直接焼
入れ・焼もどし処理されたシームレス鋼管であ
る。 また第２発明のシームレス鋼管は、Ｃ 0.01〜
0.08％、Si 0.10〜0.50％、Mn 0.50〜200％、Al
0.001〜0.100％を含有するとともに、0.50％以下
のCu、1.0％以下のNi、0.030％以下のTi、0.0030
％以下のＢおよび0.0060％以下のCaのうちから選
ばれた１種または２種以上を含有し、かつ不純物
としてのＰおよびＳをＰ 0.010％以下、Ｓ
0.0020％以下とし、残部がFeおよびその他の不可
避的不純物からなることを特徴とする直接焼入
れ・焼もどし処理されたシームレス鋼管である。 発明の具体的な説明 先ずこの発明のシームレス鋼管における基本成
分すなわち第１発明において規定している成分の
限定理由について説明する。 Ｃ：Ｃは靭性に対して有害な元素であり、靭性向
上のためには可及的にＣ量が低いことが望まし
い。したがつてＣ量な上限は通常のシームレス
鋼管より低い0.08％とする。しかしながら0.01
％未満では合金元素を多用しても強度確保が困
難となるから、0.01〜0.08％の範囲内とした。 Si：Siは通常の鋼において脱酸元素として添加さ
れる成分であり、この発明においても一般に靭
性の点で適正な水準とされる0.10〜0.50％の範
囲内において添加する。 Mn：Mnは焼入れ性を向上させる元素であつて、
靭性の低下を防ぎつつ強度を確保するために有
効であり、そのためには少なくとも0.5％以上
の添加が必要である。しかしながらMnは圧延
鋼材中に層状に偏析する傾向があり、過剰に含
有されれば圧延直角方向の靭性を劣化させるか
ら、上限を2.00％とし、0.5〜2.00％の範囲内で
添加することとした。 Al：Alは強度には直接関与しないが、靭性向上
に有効な元素であり、特に直接焼入れ材におい
ては焼入れ時に鋼中に存在する靭性に有害なＮ
を焼もどし時にAlNとして析出させて靭性を
向上させる作用を有する。しかしながらAlが
0.001％未満ではその効果が得られないから、
下限を0.001％とした。一方、通常の鋼中不純
物としての窒素量が最大0.0100％程度であるこ
とを考慮すればAl量は最大0.060％程度で充分
であるが、0.100％程までは靭性に悪影響を及
ぼさず、またＢを含有する場合にはAlを多め
に添加することもあるため、Alの上限は0.100
％とした。 ＰおよびＳ：これらの元素はいずれも鋼中に不可
避的に含有される不純物成分であり、これらは
いずれも靭栄を劣化させる作用が強い。この発
明で対象としている直接焼入れ・焼もどし材に
おいては通常成分のままでは靭性が劣り、した
がつてこの発明ではＰ、Ｓの含有量を従来より
も一層低く制限することが特に重要である。し
たがつてＰ量、Ｓ量は可及的に低にことが好ま
しいが、いずれも通常成分より低い水準である
P0.010％以下、Ｓ 0.0020％以下に制限するこ
とによつて直接焼入れ・焼もどし材における靭
性改善効果が顕著となることから、上限をその
ように設定した。 本願の第１発明のシームレス鋼管の場合は、
上記各成分の残部はFeと、前記のＰ、Ｓ以外
の不可避的不純物とすれば良いが、第２発明の
場合には上記各成分のほか、さらにCu、Ni、
Ti、ＢおよびCaのうちから選ばれた１種また
は２種以上を含有することとする。これらの成
分の限定理由を次に説明する。 Cu：Cuは靭性を維持しつつ強度を向上させる作
用を果たし、したがつてCuを添加することに
よりその分Ｃ量を低減することが可能となつて
靭性向上のために有利となる。しかしながら
Cu量が0.5％を越えれば熱間加工性が低下する
から、Cuの上限を0.5％とした。なおCuを添加
する場合の下限には特に限定しないが、通常は
0.10％以上とすることが好ましい。 Ni：NiはCuと同様に靭性を劣化させずに降伏応
力を高める作用を果たし、またその分他の合金
成分を低減することにより靭性改善に有利とな
る。しかしながらNiは高価な元素であり、多
量に添加すれば直接焼入れの経済的メリツトを
減少させるから、上限を1.0％とした。なおNi
を添加する場合の下限は特に限定しないが、通
常は0.10％以上とすることが望ましい。 Ｂ：Ｂは強度向上に有効な元素であつて、Ｃ、
Mn量が少ない場合や管肉厚が厚い場合、ある
いは目標強度が高い場合などには欠かせない元
素であり、また強度向上と同時に焼入れ性向上
による靭性改善効果も有する。Ｂは微量でもこ
れらの効果が期待できるが、過剰に含有されれ
ば靭性を劣化させるから、上限を0.0030％とし
た。なおＢの下限は特に定めないが、Ｂの効果
を積極的に得たい場合には0.0005％以上とする
ことが好ましい。 Ti：Tiは直接焼入れ材においてＢを添加する場
合にそのＢと同時添加することによつて、Ｂの
効果を助長する作用を有する。これは、Tiの
添加によつて高温でも安定なTiNを生成し、
Ｂの効果を阻害するＮをトラツプするからであ
る。しかしながら過剰にTiを添加すればTiCの
析出等により靭性を低下させる作用が強くな
り、したがつてTiの上限は0.030％とした。な
おTiを添加する場合の下限は特に限定しない
が、Tiの添加効果を積極的に得るためには、
0.005％以上添加することが好ましい。 Ca：Caは靭性をより一層向上させるために有効
な元素であるが、その含有量が過剰となれば逆
に靭性を劣化させるから、上限を0.0060％とし
た。なおCaを添加する場合の下限は特に限定
しないが、Caの添加効果を積極的に期待する
場合は0.0010％以上添加することが好ましい。 なお本願の第１発明、第２発明においては上
述のような成分元素の制限によつて高靭性を有
する直接焼入れ・焼もどしによるシームレス鋼
管を得ることができるが、特に高強度を必要と
する場合は、上記各成分元素のほか、以下に示
すような範囲で、Cr、Mo、Nb、Ｖのうち１
種または２種以上の合金元素を含有することが
許容され、これらの合金元素の含有によつて比
較的靭性を損なわずに高強度でかつ高靭性を有
する直接焼入れ・焼もどしによるシームレス鋼
管を得ることができる。 すなわち、Crについては、焼入れ性を向上
させるとともに弱い析出強化作用を有するが、
多過ぎれば靭性を劣化させる傾向を示すため、
0.50％以下の範囲で許容される。 またMoについては、焼入れ性を向上させる
作用が大きく、有効であるが、析出強化による
靭性劣化作用もCrより強いため、0.20％以下の
範囲を許容範囲とする。 Nbは、ラインパイプ用鋼材に多用されてい
る元素であり、再加熱焼入れ・焼もどし材の場
合には結晶粒微細化による靭栄改善効果も期待
できるが、直接焼入れ・焼もどし材の場合には
析出強化作用が極めて顕著となり、そのため靭
性劣化作用も強く現われる。したがつてNbの
許容範囲は、通常の許容範囲より低く、0.030
％を上限とする。 さらにＶについても同様に析出強化作用が強
く、多過ぎれば靭性劣化が大きくなるから、Ｖ
は顕著な靭性劣化を招かない範囲、すなわち、
0.050％以下の範囲で許容される。 以上のように本願の各発明は靭性に有害なＣを
極力抑制し、かつ不純物としてのＰ、Ｓを従来よ
りも低い範囲に制限することによつて、また特に
第２発明の場合にはそれに加えて焼入れ性を向上
させる元素や固溶強化型の元素を添加することに
よつて、シームレス鋼管の直接焼入れ・焼もどし
材において従来の通常の再加熱焼入れ・焼もどし
材に近い高靭性を有することが可能となつたので
ある。 なおこの発明のシームレス鋼管の製造にあたつ
ては、常法に従つて熱間加工によりシームレス鋼
管を製管（圧延）し、その保有温度を利用して直
ちに直接焼入れを行ない、その後焼もどせば良
い。すなわちこの発明のシームレス鋼管において
は、その圧延途中で一旦Ar₁点以下に冷却した後
Ac₃点以上に再加熱するような特殊な操作や、最
終サイジング加工における加工率を極端に大きく
する等の手段を用いずに、高靭性を得ることがで
きるのである。 実施例 第１表に示す成分組成を有する鋼Ａ〜Ｆ（従来
鋼）および鋼Ｇ〜Ｔのシームレス鋼管を、通常の
マンネスマン‐プラグミル圧延法によつて第２表
中に示す管サイズに圧延製管し、圧延直後の管に
直接焼入れを施した。但し従来鋼については、一
部の圧延終了後の管を一旦室温まで冷却し、しか
る後Ac₃点以上に加熱して焼入れる再加熱焼入れ
処理も併せて実施した。 なお直接焼入れ処理された鋼管は、圧延途中で
一旦Ar₁点以下に冷却する細粒化処理は施されて
いないものであり、あくまで通常のプロセスに従
つて圧延され、直接焼入れされたものである。 上述のようにして直接焼入れされた後の鋼管、
および再加熱焼入れされた鋼管は、620〜720℃の
種々の温度において焼もどし処理し、焼もどし後
の鋼管の強度および靭製を調べた。なおここで強
度はすべて管軸に平行なAPI全厚試験片によつて
調べ、また靭製は管軸に垂直な（したがつて圧延
方向に対し直角な方向に沿つた）10mm×10mmサイ
ズのシヤルピー衝撃試験片によつて調査した。 第２図には、代表的な従来鋼である鋼Ａについ
て、直接焼入れ後種々の温度で焼もどした場合の
強度および靭栄と、再加熱焼入れ後種々の温度で
焼もどした場合の強度および靭性とを比較して示
すものである。第２図から明らかなように、従来
鋼の場合、再加熱焼入れ・焼もどし材のシヤルピ
ー破面遷移温度が−90℃前後であるのに対して直
接焼入れ・焼もどし材のシヤルピー破面遷移温度
は−40℃前後であり、同じ強度水準で比較しても
直接焼入れ・焼もどし材が再加熱焼入れ・焼もど
し材よりも40℃前後シヤルピー破面遷移温度が高
くなつて靭性が劣化していることが明らかであ
る。 一方第１図は、上述のような従来鋼における直
接焼入れ・焼もどし材の靭性劣化を改善すべく発
明されたこの発明の代表的鋼種である本発明鋼Ｇ
と、代表的従来鋼Ｂとについて直接焼入れ・焼も
どし後の強度・靭性を比較したものである。第１
図から、従来鋼Ｂの直接焼入れ・焼もどし後のシ
ヤルピー破面遷移温度が−50℃前後と高く、靭性
が劣つているのに対し、本発明鋼Ｇの場合には同
じ直接焼入れ・焼もどし材のシヤルピー破面遷移
温度が−90℃前後と著しく改善されていることが
判る。すなわち本発明鋼においては、直接焼入
れ・焼もどし処理を適用した場合でも、従来鋼の
再加熱焼入れ・焼もどし後の靭性に匹敵する水準
の高靭性が達成されたことが明らかである。 さらに第２表は、第１表に示した種々の鋼Ａ〜
Ｆ、Ｇ〜Ｔを表中に示した各管サイズに圧延し、
直接焼入れ後種々の温度で焼もどした試験結果の
うち、650℃×10分の焼もどし後のデータを代表
として示したものである。第２表から、本発明鋼
はいずれも従来鋼と比較して優れた靭性を有する
ことが明らかである。

【表】

【表】 よる。
発明の効果 前述の実施例からも明らかなように、この発明
によれば、従来高靭性を得ることが困難とされて
いたシームレス鋼管の直接焼入れ・焼もどし処理
材において優れた靭性を有する鋼管を提供するこ
とができ、しかも通常のシームレス鋼管の圧延工
程（製管工程）をなんら変更する必要がないた
め、設備コストや圧延効率の低下を招くことなく
高靭性を有する、直接焼入れ・焼もどし処理され
たシームレス鋼管を得ることができるから、直接
焼入れ・焼もどし処理の経済的メリツトを充分に
生かすことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明鋼Ｇにおよび従来鋼Ｂの直接焼
入れ・焼もどし材について、種々の温度で焼もど
した場合の靭性および強度を比較して示す分布
図、第２図は従来鋼Ａを直接焼入れ・焼もどし材
および再加熱焼入れ・焼もどし材について、種々
の温度で焼もどした場合の靭性よおび強度を示す
分布図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ Ｃ 0.01〜0.08％（重量％、以下同じ）、Si
   0.10〜0.50％、Mn 0.50〜2.00％、Al 0.001〜
   0.100％を含有し、かつ不純物としてのＰおよび
   ＳをＰ 0.010％以下、Ｓ 0.0020％以下とし、
   残部がFeおよびその他の不可避的不純物よりな
   ることを特徴とする直接焼入後焼もどし処理され
   た高靭性シームレス鋼管。 ２ Ｃ 0.01〜0.08％、Si 0.10〜0.50％、Mn
   0.50〜2.00％、Al 0.001〜0.100％を含有するとと
   もに、0.50％以下のCu、1.0％以下のNi、0.030％
   以下のTi、0.0030％以下のＢ、および0.0060％以
   下のCaのうちから選ばれた１種または２種以上
   を含有し、かつ不純物としてのＰおよびＳをＰ
   0.010％以下、Ｓ 0.0020％以下とし、残部がFe
   および不可避的不純物よりなることを特徴とする
   直接焼入後焼もどし処理された高靭性シームレス
   鋼管。