(57)【要約】低コストで製造可能な、加速冷却ままで、高強度、高靭性を有するシームレス鋼管であって、質量％で、Ｃ：０．０３〜０．２０％、Ｓｉ：０．０１〜０．５０％、Ｍｎ：０．８０〜３．００％を含有し、Ｐ：０．０２０％以下、Ｓ：０．００８０％以下、Ａｌ：０．０５０％以下、Ｎ：０．００８０％以下、Ｏ：０．００５０％以下に制限し、残部がＦｅ及び不純物からなり、β＝２．７Ｃ＋０．４Ｓｉ＋Ｍｎ＋０．４５Ｎｉ＋Ｍｏ（元素記号は各元素の含有量［質量％］）が２．５０〜４．００、Ｐｃｍ＝Ｃ＋Ｓｉ／３０＋（Ｍｎ＋Ｃｕ）／２０＋Ｎｉ／６０＋Ｍｏ／１５＋Ｖ／１０が０．１５〜０．３０であり、組織がフレッシュマルテンサイトからなり、旧オーステナイトの平均粒径が５０〜２００μｍであることを特徴とする。【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、
Ｃ  ：０．０３〜０．２０％、
Ｓｉ：０．０１〜０．５０％、
Ｍｎ：０．８０〜３．００％、
Ａｌ：０．０１０％超、０．０５０％以下
を含有し、
Ｐ  ：０．０２０％以下、
Ｓ  ：０．００８０％以下、
Ｎ  ：０．００８０％以下、
Ｏ  ：０．００５０％以下
に制限し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、下記式（１）によって求められるβが２．５０〜４．００、下記式（２）によって求められるＰｃｍが０．１５〜０．３０であり、組織がフレッシュマルテンサイトからなり、旧オーステナイトの粒径が５０〜２００μｍであることを特徴とする靭性に優れた機械構造用高強度シームレス鋼管。
β＝２．７Ｃ＋０．４Ｓｉ＋Ｍｎ＋０．４５Ｎｉ
＋Ｍｏ                                        …（１）
Ｐｃｍ＝Ｃ＋Ｓｉ／３０＋（Ｍｎ＋Ｃｕ）／２０
＋Ｎｉ／６０＋Ｍｏ／１５＋Ｖ／１０        …（２）
ここで、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｖは各元素の含有量［質量％］である。
【請求項２】
さらに、前記鋼管が、質量％で、
Ｂ  ：０．０００１〜０．００３０％
を含有し、前記式（１）に代えて下記式（３）よって求められるβが２．５０〜４．００、前記式（２）に代えて下記式（４）によって求められるＰｃｍが０．１５〜０．３０であることを特徴とする請求項１に記載の靭性に優れた機械構造用高強度シームレス鋼管。
β＝２．７Ｃ＋０．４Ｓｉ＋Ｍｎ＋０．４５Ｎｉ
＋２Ｍｏ                                      …（３）
Ｐｃｍ＝Ｃ＋Ｓｉ／３０＋（Ｍｎ＋Ｃｕ）／２０
＋Ｎｉ／６０＋Ｍｏ／１５＋Ｖ／１０＋５Ｂ  …（４）
ここで、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｖ、Ｂは各元素の含有量［質量％］である。
【請求項３】
さらに、前記鋼管が、質量％で、
Ｎｉ：１．００％以下、
Ｃｕ：１．００％以下、
Ｍｏ：１．５０％以下
の１種又は２種以上を含有することを特徴とする請求項１又は２に記載の靭性に優れた機械構造用高強度シームレス鋼管。
【請求項４】
さらに、前記鋼管が、質量％で、
Ｔｉ：０．０５０％以下、
Ｎｂ：０．０５０％以下、
Ｖ  ：０．０５０％以下
の１種又は２種以上を含有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の靭性に優れた機械構造用高強度シームレス鋼管。
【請求項５】
さらに、前記鋼管が、質量％で、
Ｃａ：０．００４０％以下、
Ｍｇ：０．００１０％以下、
ＲＥＭ：０．００５％以下
の１種又は２種以上を含有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の靭性に優れた機械構造用高強度シームレス鋼管。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の機械構造用高強度シームレス鋼管の製造方法であって、
請求項１〜５のいずれか１項に記載の成分を有する鋼をシームレス圧延し、その後、
開始温度７５０〜９５０℃で、冷却速度が１０〜５０℃／秒の加速冷却を施す
ことを特徴とする靭性に優れた機械構造用高強度シームレス鋼管の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特にシリンダー、ブッシュ、ブーム等の構造部材及びシャフト等の機械用部材に好適なシームレス鋼管及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車や産業機械等に使用される機械部品の多くは、棒鋼を鍛造、切削加工して所定の形状とした後、調質熱処理により、所定の機械的性質が付与される。
近年では、部品の製造コスト低減のため、また、機械等の軽量化のため、部品に要求される機械的性質を有する鋼管を素材として中空形状部品を製造し、鍛造工程の短縮及び熱処理工程を省略する場合も増えている。
しかし、一般に、鋼管は、棒鋼よりも高価であり、特にシームレス鋼管は、製造コストが高い。そのため、鋼管を中空形状部品の素材として用いても、コストダウンの効果が十分ではない。
これまでに、要求される機械的性質を有し、かつ、製造コストを低減した安価な鋼管を提供するために、さまざまな検討がされている。
特許文献１には、特定の組成の素管に、特定の温度域で絞り圧延と傾斜圧延とを組み合わせた加工を施すことにより、ミクロ組織をフェライト粒径２μｍ以下の微細かつ均一なフェライト、セメンタイト組織とし、高強度でかつ延性・靭性に優れる鋼管を製造する技術が開示されている。
特許文献２には、外表面からのみの加速冷却により、外面、内面の冷却速度の違いが生じる環境であっても、板厚方向全面に渡って、高強度、高靭性を両立できる最適な組織を生成する技術が開示されている。
特許文献３には、ＡｌとＴｉの添加量を最適化して粒内変態を活用し、さらに、シームレス圧延後の加速冷却により製造する、高強度、高靭性を両立できる微細な金属組織を有する鋼管が開示されている。しかし、この技術では、粒内変態を活用するためにＡｌ量を低減する必要があり、脱酸のコストが高くなる。
特許文献４には、機械構造部材用鋼管を安価に製造することを目的として、主にＣｒ添加鋼で、金属組織が、自己焼戻しマルテンサイト単独組織、又は、下部ベイナイトとの混合組織である鋼管が開示されている。自己焼戻しマルテンサイトとは、加速冷却中にオーステナイト相がマルテンサイト変態し、加速冷却停止後の放冷で微細なセメンタイトがラス内に析出した組織である。
近年の、機械構造用部品の用途拡大や、環境問題に対応した排気ガス削減の要請に伴い、要求される機械的性質を保ちつつ、さらに低コストなシームレス鋼管が求められている。しかし、従来の技術では、高強度、高靭性を維持し、かつ、低コスト化するには限界があった。
また、鋼管の焼入れ性を向上させるためには、通常、Ｃｒを添加するが、Ｃｒを添加すると、圧延時のロールやプラグとの焼付に起因する表面疵が発生するという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−３１２９０７号公報
【特許文献２】特開２００８−２６６７００号公報
【特許文献３】特開２００９−５２１０６号公報
【特許文献４】特開２００７−２６２４６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、上記のような現状に鑑みてなされたものであり、特にシリンダー、ブッシュ、ブーム等の構造部材及びシャフト等の機械用部材に好適な、高強度、高靭性で、溶接性に優れ、かつ、表面疵の発生を抑えられる機械構造用シームレス鋼管の提供、及び、適正な熱処理によって機械構造用シームレス鋼管を安価に製造する方法の提供を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者らは、表面疵の発生を防ぐために、Ｃｒを添加しない成分組成の鋼管について、鋼管の熱処理工程の省略によるコスト低減の検討を行った。具体的には、加速冷却まま鋼管（加速冷却後、熱処理を施さずに製造される鋼管）に注目し、検討した。
加速冷却まま鋼管の組織の旧オーステナイトの粒径は１００μｍ程度であり、焼入れ、焼戻し処理（以下「ＱＴ処理」という）を施した鋼管（以下「ＱＴ鋼管」という）では２０〜３０μｍ程度である。
なお、脱酸元素であるＡｌ量を０．０１０％以下に低減して、Ｔｉを添加すれば、粒内変態を活用して粒径を微細にすることが可能である。しかし、本発明では、製造コストを低減するため、通常、脱酸に必要とされる０．０１０％超のＡｌを添加する。
したがって、従来、加速冷却まま鋼管の組織の粒径は、ＱＴ鋼管の組織の粒径と比較して粗大であり、ＱＴ鋼管と同等又は同等以上の強度及び靭性は確保できないと考えられていた。
また、表面疵の発生を防ぐためにＣｒを添加しないと、焼入れ性が低下するので、強度確保はさらに困難であり、強度確保のためにＣｒ以外の金属を添加すると、コストが上昇すると考えられていた。
しかし、本発明者らが鋭意検討した結果、鋼管の成分組成を適正にすることで、靭性に有害な組織である上部ベイナイトの生成を抑制することができ、Ｃｒを添加しない加速冷却まま鋼管でも、溶接性を損なうことなく、ＱＴ鋼管と同等の強度及び靭性が得られることを見出した。
本発明は、上記知見に基づきなされたものであって、その要旨は以下のとおりである。
（１）質量％で、
Ｃ  ：０．０３〜０．２０％、
Ｓｉ：０．０１〜０．５０％、
Ｍｎ：０．８０〜３．００％、
Ａｌ：０．０１０％超、０．０５０％以下
を含有し、
Ｐ  ：０．０２０％以下、
Ｓ  ：０．００８０％以下、
Ｎ  ：０．００８０％以下、
Ｏ  ：０．００５０％以下
に制限し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、下記式（１）によって求められるβが２．５０〜４．００、下記式（２）によって求められるＰｃｍが０．１５〜０．３０であり、組織がフレッシュマルテンサイトからなり、旧オーステナイトの粒径が５０〜２００μｍであることを特徴とする靭性に優れた機械構造用高強度シームレス鋼管。
β＝２．７Ｃ＋０．４Ｓｉ＋Ｍｎ＋０．４５Ｎｉ
＋Ｍｏ                                        …（１）
Ｐｃｍ＝Ｃ＋Ｓｉ／３０＋（Ｍｎ＋Ｃｕ）／２０
＋Ｎｉ／６０＋Ｍｏ／１５＋Ｖ／１０        …（２）
ここで、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｖは各元素の含有量［質量％］である。
（２）さらに、前記鋼管が、質量％で、
Ｂ  ：０．０００１〜０．００３０％
を含有し、前記式（１）に代えて下記式（３）よって求められるβが２．５０〜４．００、前記式（２）に代えて下記式（４）によって求められるＰｃｍが０．１５〜０．３０であることを特徴とする前記（１）の靭性に優れた機械構造用高強度シームレス鋼管。
β＝２．７Ｃ＋０．４Ｓｉ＋Ｍｎ＋０．４５Ｎｉ
＋２Ｍｏ                                      …（３）
Ｐｃｍ＝Ｃ＋Ｓｉ／３０＋（Ｍｎ＋Ｃｕ）／２０
＋Ｎｉ／６０＋Ｍｏ／１５＋Ｖ／１０＋５Ｂ  …（４）
ここで、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｖ、Ｂは各元素の含有量［質量％］である。
（３）さらに、前記鋼管が、質量％で、
Ｎｉ：１．００％以下、
Ｃｕ：１．００％以下、
Ｍｏ：１．５０％以下
の１種又は２種以上を含有することを特徴とする前記（１）又は（２）の靭性に優れた機械構造用高強度シームレス鋼管。
（４）さらに、前記鋼管が、質量％で、
Ｔｉ：０．０５０％以下、
Ｎｂ：０．０５０％以下、
Ｖ  ：０．０５０％以下
の１種又は２種以上を含有することを特徴とする前記（１）〜（３）の靭性に優れた機械構造用高強度シームレス鋼管。
（５）さらに、前記鋼管が、質量％で、
Ｃａ：０．００４０％以下、
Ｍｇ：０．００１０％以下、
ＲＥＭ：０．００５％以下
の１種又は２種以上を含有することを特徴とする前記（１）〜（４）の靭性に優れた機械構造用高強度シームレス鋼管。
（６）前記（１）〜（５）のいずれかの機械構造用高強度シームレス鋼管の製造方法であって、
前記（１）〜（５）のいずれかの成分を有する鋼をシームレス圧延し、その後、
開始温度７５０〜９５０℃で、冷却速度が１０〜５０℃／秒の加速冷却を施す
ことを特徴とする靭性に優れた機械構造用高強度シームレス鋼管の製造方法。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、加速冷却まま鋼管において、加速冷却時に上部ベイナイトの生成を抑制することが可能となる。その結果、ＱＴ処理を施すことなく、低コストで、ＱＴ鋼管と同等の靭性をもつ、加速冷却まま鋼管を製造することが可能となる。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
本発明のシームレス鋼管は、加速冷却ままで、上部ベイナイトの生成を抑制して靭性を改善するために、焼入れ性の指標であるβを適正な範囲に制御し、かつ、溶接性を確保するために、溶接性の指標であるＰｃｍを適正な範囲に制御したものである。以下、本発明について詳細に説明する。
まず、本発明で、鋼管の化学成分を限定した理由を述べる。以下、「％」は、「質量％」を意味するものとする。
Ｃは、強度向上に極めて有効な元素である。目標とする強度を得るためには、０．０３％以上のＣを添加する必要がある。一方、０．２０％超のＣを添加すると、低温靭性が低下し、溶接時に割れを生じる。したがって、Ｃ量は、０．０３〜０．２０％に限定する。強度を高めるには、Ｃ量は、０．０７％以上が好ましい。一方、靭性を確保するためには、Ｃ量は、０．１５％以下が好ましい。
Ｓｉは、脱酸元素であり、強度の向上に寄与する元素である。添加の効果を得るためには、０．０１％以上のＳｉの添加が必要である。強度を向上させるには、Ｓｉ量は、０．１０％以上が好ましい。一方、Ｓｉを、０．５０％を超えて添加すると、上部ベイナイトが生成し、低温靭性を損なうので、Ｓｉ量の上限は０．５０％に制限する。Ｓｉ量の好ましい上限は０．２５％である。
Ｍｎは、低温変態組織の生成を促進する元素であり、強度と低温靭性のバランスを向上させるために有効である。この効果を得るには、０．８０％以上のＭｎを添加することが必要である。しかし、Ｍｎ量が３．００％よりも多いと、低温靭性を損なうことがあるので、３．００％を上限とする。強度と低温靭性のバランスを向上させるために好ましいＭｎ量の範囲は、１．５０〜２．４０％である。
Ｐ及びＳは不純物であり、過剰に含有すると靭性が低下し、溶接性が低下する。よって、Ｐ及びＳの含有量の上限は、それぞれ、０．０２０％及び０．００８０％とする。Ｐ及びＳの含有量は、靭性を確保するために、添加量が少ない方が好ましく、それぞれ、０．０１５％以下及び０．００５０％以下がより好ましい。Ｐ及びＳは含有しないことが好ましいので、下限値は規定しない。ただし、Ｐ及びＳの含有量を０．００１０％未満にすると製造コストが増大するので、０．００１０％を下限とすることが好ましい。
Ａｌは、強力な脱酸元素であり、脱酸のコストの観点から、０．０１０％超を添加する。Ａｌを過剰に添加すると粗大なＡｌ酸化物が生成し、低温靭性が劣化するので、上限を０．０５０％に制限する。靭性を高めるには、Ａｌ量の上限を０．０３５％にすることがより好ましい。
Ｎは、不純物であり、０．００８０％を超えると、粗大なＴｉＮが生成し、靭性が低下するので上限を０．００８０％に制限する。Ｎの含有量は、０．００６０％未満が好ましく、０．００５０％以下であれば、さらに好ましい。Ｎは含有しないことが好ましいので、下限は特に規定しない。ただし、Ｎの含有量を０．００１０％未満とすると製造コストが増大するので、０．００１０％を下限とすることが好ましい。
Ｏは、０．００５０％を超えて含有すると、粗大な酸化物が生成し、低温靭性を損なうので、上限を０．００５０％とする。Ｏは含有しないことが好ましいので、下限は特に規定しない。ただしＯの含有量を０．００１０％未満とすると製造コストが増大するので、０．００１０％を下限とすることが好ましい。
本発明の鋼には、さらにＢを添加してもよい。Ｂは、焼入れ性を高め、鋼の強靭化に寄与する元素である。その効果を得るためには、０．０００１％以上のＢを添加することが好ましい。一方、Ｂの添加量が０．００３０％より多いとＢＮなどの析出物を生じ、焼入れ性が低下することがある。より好ましいＢ量の範囲は、０．００１０〜０．００２０％である。
さらに、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｏの１種又は２種以上を添加してもよい。これらは、焼入れ性を高める元素であり、本発明の鋼の強靱化に寄与する。
Ｎｉは、低温靭性を劣化させることなく強度を向上させる元素でもあり、添加の効果を得るためには０．０５％以上添加することが好ましい。１．００％を超えてＮｉを添加すると、偏析して組織が不均一になり、靭性が劣化することがあるため、Ｎｉ量の上限は１．００％とすることが好ましい。Ｎｉの添加量は０．８０％未満が好ましく、０．５０％以下がより好ましい。さらに好ましい範囲は、０．２５〜０．４５％である。
Ｃｕ、及びＭｏは、強度を向上させる効果を得るために、それぞれ、０．０５％以上を添加することが好ましい。Ｃｕ及びＭｏは、添加量がそれぞれ、１．００％、及び１．５０％を超えると溶接性を損なうことがある。また、Ｃｕを単独で添加すると表面疵が発生することがあるので、Ｃｕは、Ｎｉと同時に添加することが好ましい。
さらに、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖの１種又は２種以上を添加してもよい。これらは、析出強化によって鋼の強度を向上させる元素である。
Ｔｉは、鋼を析出強化させるために、０．００５％以上含有させることが好ましい。また、不純物であるＮを固定し、靭性を高めるには、０．０１０％以上のＴｉを添加することが好ましい。Ｔｉ量が、０．０５０％を超えると、粗大なＴｉ酸化物の析出によって靭性が低下することがあるので、上限を０．０５０％とすることが好ましい。また、ＴｉＮの粗大化を防止して低温靭性を向上させるには、Ｔｉ量の上限を０．０３５％以下とすることが好ましい。
Ｎｂは、炭化物、窒化物等の析出物を生成し、圧延時のオーステナイトの再結晶を抑制し組織を微細化するだけでなく、焼入れ性を増大させ、鋼の強靱化に有効な元素である。Ｎｂ量が０．０５０％を超えると、粗大なＮｂの析出物が生成し、靭性が劣化することがあるので、上限を０．０５０％とする。Ｎｂ添加の効果を得るには、０．００５％以上添加することが好ましい。
Ｖは、炭化物、窒化物を生成し、析出強化によって鋼の強度を向上させる元素であり、焼入れ性を高める効果も有する。Ｖ量が０．０５０％を超えると炭化物、窒化物が粗大化し、靭性を損なうことがあるので、Ｖ量の上限を０．０５０％とすることが好ましい。Ｖ添加の効果を得るには、０．００５％以上添加することが好ましい。
さらに、Ｃａ、Ｍｇ、ＲＥＭの１種又は２種以上を添加してもよい。これらは、介在物の形状を調整し加工性を向上させる元素であり、さらに、硫化物、酸化物又は硫酸化物として析出し、鋼管の接合部の硬化を防止する作用をもつ。
Ｃａ、Ｍｇ、及びＲＥＭの含有量は、それぞれ、０．００４０％、０．００１０％、及び０．００５％を超えると、介在物が多くなりすぎ、延性が劣化するので、上限をそれぞれ、０．００４０％、０．００１０％、及び０．００５％とする。熱間加工性を高めるには、Ｃａ、Ｍｇ、及びＲＥＭの含有量の下限を、それぞれ、０．０００５％、０．０００５％、及び０．０００１％とすることが好ましい。
上記の元素の残部は、Ｆｅ及び不可避的不純物である。不可避的不純物としては、スクラップから混入するＳｎ、Ｂｉ等が挙げられる。また、脱酸時に必要に応じて添加される、Ｚｒ、Ｔａなどを、本発明の特性を損なわない範囲で含有してもよい。
本発明のシームレス鋼管は、上部ベイナイトの生成を抑制し、靭性を改善した点が特徴である。上部ベイナイトの生成を抑制するためには、鋼材の焼入れ性を高めることが必要である。そこで、本発明では、個々の元素の組成の限定に加えて、さらに、下記式（１）で求められるβを、２．５０〜４．００の範囲に限定する。βは鋼の焼入れ性の指標であり、式（１）の元素記号は、各元素の含有量（質量％）を表す。
β＝２．７Ｃ＋０．４Ｓｉ＋Ｍｎ＋０．４５Ｎｉ
＋Ｍｏ                                        …  （１）
βが２．５０よりも小さくなると、低温靭性が劣化する。また、βが４．００を超えると、ＨＡＺ靭性、溶接性が悪化する。
さらに、下記式（２）で求められるＰｃｍを０．１５〜０．３０に限定する。式（２）の元素記号は、各元素の含有量（質量％）を表す。
Ｐｃｍ＝Ｃ＋Ｓｉ／３０＋（Ｍｎ＋Ｃｕ）／２０
＋Ｎｉ／６０＋Ｍｏ／１５＋Ｖ／１０        …  （２）
Ｐｃｍが０．１５よりも小さくなると、必要な強度が得られなくなり、さらに、溶接性が悪化する。Ｐｃｍが０．３０を超えると、低温靭性が劣化し、さらに、溶接性が悪化する。より好ましいＰｃｍの範囲は、０．２０超〜０．３０である。
式（１）、式（２）に含まれる選択元素を添加しないときは、その元素の含有量は０として計算する。
鋼管がＢを含有するときは、上記式（１）、式（２）に代えて、下記式（３）、式（４）を用いて、β及びＰｃｍを求める。式（３）及び式（４）の元素記号は、各元素の含有量（質量％）を表す。
β＝２．７Ｃ＋０．４Ｓｉ＋Ｍｎ＋０．４５Ｎｉ
＋２Ｍｏ                                      …  （３）
Ｐｃｍ＝Ｃ＋Ｓｉ／３０＋（Ｍｎ＋Ｃｕ）／２０
＋Ｎｉ／６０＋Ｍｏ／１５＋Ｖ／１０＋５Ｂ  …  （４）
式（３）、式（４）に含まれる選択元素を添加しないときは、式（１）、式（２）の場合と同様に、その元素の含有量は０として計算する。
式（１）及び式（３）によって定義されるβは、鋼の焼入れ性に及ぼす各元素の影響を重み付けした経験式である。式（１）と式（３）との相違点は、Ｍｏの係数である。これは、Ｍｏを単独で含有する場合と比較して、ＭｏとＢとを同時に含有する場合は、相乗効果によって、焼入れ性を高めるＭｏの効果が高まることを意味する。
本発明のシームレス鋼管の金属組織は、フレッシュマルテンサイトからなる。フレッシュマルテンサイトは、ラス状の組織であり、光学顕微鏡による観察ではセメンタイトが見られない点で、焼戻しマルテンサイトやベイナイトとは異なる。本発明のシームレス鋼管は、冷却ままで製造されるので、焼戻しマルテンサイトは含まれない。また、本発明のシームレス鋼管は、靭性を低下させる相の生成を抑制したものであり、上部ベイナイトも含まれない。
フレッシュマルテンサイトは、冷却によってオーステナイトが変態した組織であり、旧オーステナイトの粒径が大きいほど、靭性が低下する。しかし、シームレス鋼管を製造する場合、一般に、鋼片の加熱温度が高く、穿孔及び圧延によって導入される累積ひずみ量を確保できないので、旧オーステナイトを微細にすることが困難である。
本発明では、旧オーステナイトの粒径を５０μｍ以上とする。これは、ＱＴ処理を施すことなく旧オーステナイトの粒径を５０μｍ未満にするには、低温で穿孔及び圧延を行う必要があり、製造コストが高くなるためである。
一方、旧オーステナイトの粒径が粗大であると靭性が低下するので、本発明では、靭性を確保するために、旧オーステナイトの粒径を２００μｍ以下とする。
旧オーステナイトの粒径は、ＪＩＳ  Ｇ  ０５５１に準拠して測定することができる。
本発明のシームレス鋼管は、成分、特に、焼入れ性指標β及び溶接性指標Ｐｃｍを適正な範囲とすることにより、金属組織をフレッシュマルテンサイトとし、旧オーステナイトの粒径を５０〜２００μｍとするものである。そして、本発明によれば、特に製造コストが上昇することなく、強度と靭性のバランスに優れたシームレス鋼管を提供することができる。なお、本発明の機械構造用シームレス鋼管の好ましい特性は、例えば、引張強度が７８０ＭＰａ以上、さらに好ましくは９８０ＭＰａ以上であり、かつ−２０℃でのシャルピー吸収エネルギーが１００Ｊ以上である。
次に、本発明のシームレス鋼管の製造方法について説明する。
本発明の鋼管は、熱間で約１１００〜１３００℃で加熱した鋼片を穿孔し、圧延して製造されるシームレス鋼管であり、シームレス圧延後に延伸工程を経ることもある。結晶粒微細化による高靭性化の観点からは、穿孔、圧延で累積ひずみ量を増加させることが好ましい。
シームレス圧延後、必要に応じて、磨管、定型工程を経て、その後、所定の温度まで再加熱する。なお、再加熱前に、鋼管の温度が６００℃未満になると、部分的に変態が生じ、再加熱後、異常粒成長によって、局所的に粗大な結晶粒を生じることがある。また、再加熱前の冷却時に析出物を生じ、焼入れ性を高める元素の固溶量が減少して焼入れ性が低下することがあるので、鋼管の温度を６００℃未満にすることなく再加熱することが好ましい。
再加熱後、必要に応じて絞り圧延を施し、鋼管を加速冷却する。加速冷却を開始する際の鋼管の温度は、高すぎるとオーステナイト粒が粗大化し、靭性が低下することがあるので、９５０℃以下とし、９００℃以下が好ましい。また、結晶粒界からのフェライト変態を抑制するため、加速冷却を開始する際の鋼管の温度は７５０℃以上とする。
加速冷却の冷却速度が遅すぎると、上部ベイナイトが生成する。上部ベイナイトは、比較的高温で生じるベイナイトであり、局部的な脆化相である島状マルテンサイトを多く含有するので、靭性の低下を招く。また、冷却速度が速すぎると、均一な冷却が困難となり、冷却後、鋼管が大きく変形する原因となる。したがって、加速冷却の速度は１０〜５０℃／秒とする。加速冷却の速度とは、加速冷却の開始から冷却停止までの、平均の冷却速度をいう。
冷却停止温度が高すぎても上部ベイナイトが生成することがあり、４００℃以下で加速冷却を停止することが好ましい、より好ましくは２５０℃以下である。
冷却方法は、水を鋼管の外表面に直接当てる方法、鋼管外周の接線方向に当てる方法、ミスト冷却などから任意に選定できる。
本発明の成分組成を有する鋼管を、適切な冷却速度で加速冷却することにより、上部ベイナイトの生成が抑制された、フレッシュマルテンサイトからなる金属組織が得られる。また、本発明の成分組成を有する鋼管は、旧オーステナイトの粒径が５０〜２００μｍであるから、圧延温度を低くしたり、粒内変態を活用したりする必要がない。したがって、本発明によれば、コストを上昇させることなく、強度及び靭性に優れた鋼管を製造することが可能である。
【実施例】
【０００８】
表１に記載の成分組成を有する鋼を溶製し、転炉、連続鋳造プロセスにより直径１００〜１７０ｍｍの鋼片を鋳造した。これらの鋼片を１１００〜１２５０℃に加熱し、マンネスマン−プラグミル方式により穿孔、圧延し、９００〜１０００℃に再加熱後、表２に示す条件で加速冷却を行った。加速冷却は、水を鋼管の外表面に直接当てる方法によって行った。製造後、鋼管の表面疵の有無を目視で確認した。
【表１】
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【表２】
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製造した鋼管のサイズは、表２に示したとおりである。製造した鋼管の長手方向及び肉厚方向の中央部近傍から試料を採取し、光学顕微鏡を用いて金属組織を観察し、金属組織を、フレッシュマルテンサイト、上部ベイナイト、下部ベイナイト、パーライト、フェライトに分類した。また、旧オーステナイトの粒径は、ＪＩＳ  Ｇ  ０５５１に準拠して測定した。
旧オーステナイトの粒径とは、マルテンサイトに変態する前の組織（高温での組織）の粒径のことをいう。旧オーステナイトの粒径は、マルテンサイトに変態した後も変わらないので、変態後でも測定可能である。
引張試験は円弧状のＪＩＳ１２号引張試験片を用いて行い、降伏強度と引張強度を測定した。靭性の評価は、ＪＩＳ  Ｚ  ２２４２に準拠し、２ｍｍＶノッチフルサイズ試験片を用いて、−２０℃でシャルピー試験を実施し、吸収エネルギーを測定した。
表３に結果を示す。
【表３】
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○：表面疵なし  ×：表面疵あり
Ｍ：フレッシュマルテンサイト，ＢＬ：下部ベイナイト，ＢＵ：上部ベイナイト，
Ｐ：パーライト，Ｆ：フェライト
下線は本発明の範囲外であることを意味する。
本発明で既定する成分組成、β、及びＰｃｍを満たす鋼Ａ〜Ｉを用いて、本発明で規定する製造方法で製造した鋼管は、組織がフレッシュマルテンサイトであり、旧オーステナイトの粒径が５０〜２００μｍとなる。
その結果、機械構造用鋼管として必要な強度を有し、さらに、シャルピー衝撃試験の−２０℃における吸収エネルギー（ｖＥ−２０）が１１５Ｊ以上と高い値を示しており、靭性も優れている。
鋼Ｇを用いて、本発明の範囲内で冷却開始温度や冷却速度を変えて製造した鋼管（Ｎｏ．７、１０〜１３）は、いずれも適正な金属組織を有し、また、機械構造用鋼管として必要な強度を有する。さらに、シャルピー衝撃試験の−２０℃における吸収エネルギー（ｖＥ−２０）が１１５Ｊ以上と高い値を示しており、靭性も優れている。
Ｎｏ．１４は、Ｃｒを含有するため、シームレス圧延によって鋼管に表面疵が発生した。
Ｎｏ．１５は、Ｃが本発明で規定する下限を下回っており、βが２．２９と焼入れ性が劣っている。そのため、加速冷却後の金属組織は上部ベイナイトと下部ベイナイトとなり、その結果、強度が弱く、靭性も劣っている。
Ｎｏ．１６は、Ｂが本発明で規定する上限を超えており、βが２．１１と焼入れ性が劣っている。加速冷却後の金属組織は上部ベイナイトとパーライトとなり、その結果、強度が弱く、靭性も劣っている。
Ｎｏ．１７は、Ｃが本発明で規定する上限を超えているので、加速冷却後の金属組織はフレッシュマルテンサイトであるが、強度が高くなりすぎ、靭性が低下した。
Ｎｏ．１８は、個々の元素の組成は本発明の範囲内であるが、βが４．０１と大きい。その結果、加速冷却後の金属組織はフレッシュマルテンサイトであるが、強度が高くなりすぎ、靭性が低下した。
Ｎｏ．１９は、成分組成、β、及びＰｃｍが本発明の範囲内である鋼Ｇを用いて製造した鋼管であるが、冷却開始温度が高いので、金属組織が上部ベイナイトとフェライトとなり、強度が弱く、靭性も劣っている。
Ｎｏ．２０は、鋼Ｇを用いて製造した鋼管であるが、冷却開始温度が高いので、旧オーステナイトの平均粒径が大きくなり、その結果、靭性が低下した。
Ｎｏ．２１は、鋼Ｇを用いて製造した鋼管であるが、冷却速度が遅いので、金属組織がパーライトとフェライトとなり、さらに、旧オーステナイトの平均粒径が小さくなり、その結果、強度が弱く、靭性もやや劣っている。
以上示したとおり、本発明で規定する成分組成、β、及びＰｃｍを満たす鋼を、本発明の製造方法で製造することにより、ＱＴ鋼管と同等の靭性をもつ、ＱＴ処理を施さない加速冷却まま鋼管を製造することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【０００９】
本発明によれば、特にシリンダー、ブッシュ、ブーム等の構造部材及びシャフト等の機械用部材に好適な、ＱＴ鋼管と同等又は同等以上の靭性をもつシームレス鋼管を、低コストで、製造することが可能となるので、自動車産業、機械産業等への貢献は大きい。
【国際調査報告】
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