(57)【要約】      （修正有）【課題】低温靭性に優れた厚肉鋼材製造用装置列を提供する。【解決手段】加熱装置と熱間加工装置とをこの順に配設し、加熱装置と熱間加工装置との間に冷却装置を配設した装置列とする。複数基の熱間加工装置を配設する場合には、冷却装置は複数基の熱間加工装置のうちの少なくとも１基の入り側に配設することが好ましい。なお、熱間加工装置の出側に保温装置を配設してもよい。このような装置列を用いることにより、鋼素材を加熱後、冷却装置で所定温度域を所定の冷却停止温度まで冷却することにより、非平衡状態の相分布を得ることができ、比較的少ない加工量で厚肉鋼材の中心部まで微細組織とすることができ、肉厚中心位置での加工量を大きくすることができない厚肉鋼材においても、低温靭性の向上が図れる。この装置列を利用することにより、低温靭性に優れた高強度厚肉ステンレス鋼材を容易にしかも安価に製造できるという効果を奏する。【選択図】図１
2015081352.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼素材を加熱する加熱装置と、該加熱された鋼素材に熱間圧延を施し所定形状の厚肉鋼材とする熱間加工装置とを配設してなる鋼材製造用装置列において、前記加熱装置と前記熱間加工装置との間に冷却装置を配設してなることを特徴とする厚肉鋼材製造用装置列。
【請求項２】
前記冷却装置が、被冷却材の表面の平均冷却速度で1.0℃/ｓ以上の冷却能を有することを特徴とする請求項１に記載の厚肉鋼材製造用装置列。
【請求項３】
前記熱間加工装置の出側に、保温装置を配設することを特徴とする請求項１または２に記載の厚肉鋼材製造用装置列。
【請求項４】
前記熱間加工装置が複数基配設されている場合には、前記冷却装置は、前記複数基の熱間加工装置のうちの少なくとも１基の入り側に配設することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の厚肉鋼材製造用装置列。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼材の製造に係り、とくに厚肉鋼材製造用として好適な装置列に関する。なお、ここでいう「鋼材」とは、鋼板、棒、鋼管を含むものとする。また、「厚肉」とは、肉厚15mm超え60mm以下をいうものとする。
【背景技術】
【０００２】
近年、世界的なエネルギー消費量の増大による、原油等のエネルギー価格の高騰や、石油資源の枯渇という観点から、従来、省みられなかったような深度が深い油田（深層油田）や、硫化水素等を含む、いわゆるサワー環境下にある厳しい腐食環境の油田やガス田や、さらには厳しい気象環境の極北における油田やガス田等において、エネルギー資源開発が盛んに行われている。このような環境下で使用される鋼材には、高強度で、かつ優れた耐食性（耐サワー性）や、さらには優れた低温靭性を兼ね備えた材質を有することが要求されている。
【０００３】
従来から、炭酸ガスCO２、塩素イオンCl−等を含む環境の油田、ガス田では、採掘に使用する鋼材として13％Crマルテンサイト系ステンレス鋼が多く使用されている。さらに、最近では13Crマルテンサイト系ステンレス鋼のＣを低減し、Ni，Mo等を増加させた成分系の改良型13Crマルテンサイト系ステンレス鋼の使用も拡大している。
例えば、特許文献１には、13％Crマルテンサイト系ステンレス鋼の耐食性を改善した、改良型マルテンサイト系ステンレス鋼（鋼板）の製造方法が記載されている。特許文献１に記載された技術では、重量％で10〜15％Crを含有するマルテンサイト系ステンレス鋼の組成で、Cを0.005〜0.05％と制限し、Ni：4.0％以上、Cu：0.5〜3％を複合添加し、さらにMoを1.0〜3％添加し、さらにNieqを−10以上に調整した組成を有する鋼を、熱間加工し室温まで自然放冷したのち、Ac１点以上でかつオーステナイト分率が80％になる温度以下で熱処理を施し、さらにオーステナイト分率が60％になる温度で熱処理を行い、組織が焼戻しマルテンサイト相、マルテンサイト相、残留オーステナイト相からなり、焼戻しマルテンサイト相、マルテンサイト相の合計の分率が60〜90％である組織を有する、マルテンサイトステンレス鋼としている。これにより、湿潤炭酸ガス環境および湿潤硫化水素環境における耐食性と耐硫化物応力腐食割れ性が向上するとしている。
【０００４】
また、特許文献２には、耐食性に優れた油井用高強度ステンレス鋼管の製造方法が記載されている。特許文献２に記載された技術では、mass％で、C：0.005〜0.050％、Si：0.05〜0.50％、Mn：0.20〜1.80％、Cr：15.5〜18％、Ni：1.5〜5％、Mo：1〜3.5％、V：0.02〜0.20％、N：0.01〜0.15％、O：0.006％以下を含有し、Cr＋0.65Ni＋0.6Mo＋0.55Cu−20C≧19.5およびCr＋Mo＋0.3Si−43.5C−0.4Mn−Ni−0.3Cu−9N≧11.5を満足する組成を有する鋼管素材を加熱し、熱間加工により造管して、造管後、空冷以上の冷却速度で室温まで冷却して所定寸法の継目無鋼管とし、ついで継目無鋼管を、850℃以上の温度に再加熱し空冷以上の冷却速度で100℃以下まで冷却し、ついで700℃以下の温度に加熱する焼入れ−焼戻処理を施すことにより、体積率で10〜60％のフェライト相を含み残部がマルテンサイト相である組織を有し、降伏強さが654MPa以上の油井用高強度ステンレス鋼管を得ることができるとしている。これにより、高強度で、CO２やCl−を含む、230℃までの高温の厳しい腐食環境下においても充分な耐食性を有し、しかも−40℃での吸収エネルギーが50Ｊ以上の高靭性を有する鋼管であるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平10−1755号公報
【特許文献２】特許第5109222号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
高深度の油井に用いられる部材用鋼材として、最近では、厚肉鋼材も多用されるようになっている。厚肉鋼材の製造においては、肉厚が厚くなるにしたがい、通常の熱間加工法では、所望の加工歪を肉厚中心までに付与することが難しくなり、肉厚中心部の組織が粗大化する傾向となる。そのため、薄肉材に比べて厚肉材では、肉厚中央部の靭性が低下しやすい。
【０００７】
特許文献１、２に記載された技術は、高々肉厚12.7mmまでの鋼材を対象としており、肉厚15mmを超えるような厚肉鋼材についてまでの言及はない。とくに、特許文献１、２に記載された技術では、厚肉鋼材の特性向上、とくに低温靭性の向上についての言及はない。
かかる従来技術の状況に鑑み、本発明は、肉厚中央部の低温靭性が優れた厚肉鋼材の製造が可能な、厚肉鋼材製造用装置列を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、上記した目的を達成するために、まず、厚肉ステンレス鋼材肉厚中央部の靭性に及ぼす各種要因について鋭意研究した。その結果、靭性改善に最も有効な方法は、組織の微細化であるということに思い至った。
そこで、更なる研究を行ない、厚肉ステンレス鋼材の組織微細化のためには、鋼素材に、600℃以上の温度域で、少なくとも50℃以上の温度範囲を、鋼材表面で、空冷以上の冷却速度である1.0℃/s以上の平均冷却速度で冷却を施しさらに熱間加工を施すことにより、組織が微細化し、肉厚：15mm超えの厚肉ステンレス鋼材の肉厚中心位置においても低温靭性が顕著に向上するという知見を得た。
【０００９】
まず、本発明者らが行った本発明の基礎となった実験結果について説明する。
質量％で、0.017％C−0.19％Si−0.26％Mn−0.01％P−0.002％S−16.6％Cr−3.5％Ni−1.6％Mo−0.047％V−0.047％N−0.01％Al−残部Feからなる組成のステンレス鋼板から試験材を採取した。採取した試験材（肉厚：20mm）を、加熱温度：1250℃に加熱し一定時間（60min）保持したのち、熱間加工温度である1200〜600℃の範囲の冷却停止温度までを種々の冷却速度で冷却した。冷却終了後、試験材を直ちに急冷して、組織を凍結した。
【００１０】
ついで、得られた試験片を研磨、腐食（腐食液：ビレラ液）して組織を観察し、マルテンサイト相とフェライト相の面積率を測定した。なお、マルテンサイト相は、冷却停止温度で存在したオーステナイト相が急冷時に変態したものである。得られた結果を、平均冷却速度と冷却停止温度でのフェライト量（面積率）との関係で、図２に示す。
図２から、冷却停止温度によらず、加熱温度から冷却停止温度（熱間加工温度）までの温度範囲を、1.0℃/ｓ以上の平均冷却速度で冷却することにより、フェライト相分率が、0.50℃/ｓで冷却した場合よりも、多くなることがわかる。なお、平均冷却速度：0.50℃/ｓの冷却は、空冷を模擬した冷却（空冷相当）であり、より平衡に近い状態での冷却であるといえる。
【００１１】
すなわち、上記したような組成のステンレス鋼においては、通常、加熱温度域では、フェライト相の分率が高く、加熱温度から空冷程度の冷却速度で冷却すると、温度の低下に伴い、フェライト相が減少してオーステナイト相の分率が増加する。しかし、加熱温度から熱間加工温度（冷却停止温度）までの温度範囲を、1.0℃/ｓ以上の平均冷却速度で加速冷却することにより、オーステナイト相の析出が遅れ、フェライト相が平衡状態より多く残存して、非平衡状態の相分布（組織）が得られる。
【００１２】
そして、本発明者らは、このような非平衡状態の組織を有する材料に、加工（圧延）を施せば、少ない加工歪で容易に組織の微細化が達成できることに思い至った。というのは、非平衡で存在するフェライト粒に歪を付加すれば、少ない加工歪でもα→γ変態の核生成サイトが多数生成でき、その結果、変態後に生成するオーステナイト粒が微細化し、低温靭性が向上すると考えられる。そして、本発明者らは、上記した現象を利用すれば、低温靭性に優れた厚肉ステンレス鋼材を容易に製造することが可能となることを知見した。
【００１３】
本発明者らは、このような現象を発現させるためには、使用する装置列を、加熱装置と熱間加工装置とをこの順に配列した従来の装置列から、熱間加工を施す前、あるいは熱間加工が完了する前に、所定の冷却を施す必要があることから、少なくとも加熱装置と熱間加工装置との間に、あるいは熱間加工装置が複数基配列されている場合には、複数基の熱間加工装置のうちの少なくとも１基の入り側に、冷却装置を配設した装置列とすることが肝要であることを知見した。
【００１４】
本発明は、かかる知見に基づき、更なる検討を加えて完成されたものである。すなわち、本発明の要旨はつぎの通りである。
（１）鋼素材を加熱する加熱装置と、該加熱された鋼素材に熱間圧延を施し所定形状の厚肉鋼材とする熱間加工装置とを配設してなる厚肉鋼材製造用装置列において、前記加熱装置と前記熱間加工装置との間に冷却装置を配設してなることを特徴とする厚肉鋼材製造用装置列。
（２）（１）において、前記冷却装置が、被冷却材表面の平均冷却速度で1.0℃/ｓ以上の冷却能を有することを特徴とする厚肉鋼材製造用装置列。
（３）（１）または（２）において、前記熱間加工装置の出側に、保温装置を配設することを特徴とする厚肉鋼材製造用装置列。
（４）（１）ないし（３）のいずれかにおいて、前記熱間加工装置が複数基配設されている場合には、前記冷却装置は、前記複数基の熱間加工装置のうちの少なくとも１基の入り側に配設することを特徴とする厚肉鋼材製造用装置列。
（５）（４）において、前記厚肉鋼材が、厚肉継目無鋼管であり、前記複数基の熱間加工装置が、前記加熱された鋼素材に穿孔圧延を施し中空素材とする穿孔圧延装置と、該中空素材に加工を施し所定形状の継目無鋼管とする圧延装置であり、前記冷却装置が、前記加熱装置と前記穿孔圧延装置との間に、または前記穿孔圧延装置と前記圧延装置との間に、配設してなることを特徴とする厚肉鋼材製造用装置列。
（６）（１）ないし（４）のいずれかに記載の厚肉鋼材製造用装置列を利用した厚肉鋼材の製造方法であって、鋼素材を前記加熱装置で加熱した後、前記冷却装置で前記鋼素材を冷却し、しかるのちに、該鋼素材に前記熱間加工装置で加工を施し、あるいはさらに該加工後に前記保温装置を通過させる処理を施して、所定寸法の厚肉鋼材とするにあたり、
前記鋼素材を、質量％で、
C ：0.050％以下、                  Si：0.50％以下、
Mn：0.20〜1.80％、                 Cr：15.5〜18.0％、
Ni：1.5〜5.0％、                   Mo：3.5％以下、
V ：0.02〜0.20％、                 N ：0.01〜0.15％、
O ：0.006％以下
を含み、
残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有する鋼素材とし、前記加熱を、加熱温度：Ac4変態点以上融点未満の範囲の温度に加熱する処理とし、前記冷却装置で冷却する前の前記鋼素材の表面温度を冷却開始温度として、前記冷却を、表面温度で、前記冷却開始温度からの温度差が少なくとも50℃以上で、かつ600℃以上となる冷却停止温度まで、前記鋼素材の表面温度で1.0℃/ｓ以上の平均冷却速度で冷却する処理とすることを特徴とする低温靭性に優れた厚肉高強度ステンレス鋼材の製造方法。
（７）（６）において、前記加工後に前記保温装置内を通過させる処理が、平均冷却速度で20℃/ｓ以下の冷却となるように調整する処理とすることを特徴とする厚肉高強度ステンレス鋼材の製造方法。
（８）（６）または（７）において、前記組成に加えてさらに、質量％で、次Ａ群〜Ｄ群
Ａ群：Al：0.002〜0.050％、
Ｂ群：Cu：3.5％以下、
Ｃ群：Nb：0.2％以下、Ti：0.3％以下、Zr：0.2％以下、W：3.0％以下、B：0.01％以下のうちから選ばれた１種または２種以上、
Ｄ群：Ca：0.01％以下、REM：0.01％以下のうちから選ばれた１種または２種
のうちから選ばれた１群または２群以上を含有することを特徴とする厚肉高強度ステンレス鋼材の製造方法。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、低温靭性に優れた厚肉鋼材を、容易に製造でき、産業上格段の効果を奏する。また、本発明によれば、比較的少ない加工量で鋼材組織を中心部まで微細化することができ、肉厚中心位置での加工量を大きくすることができない厚肉鋼材においても、低温靭性の向上が図れるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明厚肉鋼材製造用装置列の一例を模式的に示す説明図である。
【図２】熱間加工前の平均冷却速度と冷却停止温度でのフェライト量との関係を示すグラフである。
【図３】厚肉鋼材である厚肉継目無鋼管の製造用装置列の一例を模式的に示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明厚肉鋼材製造用装置列は、加熱した鋼素材を適正温度範囲内で冷却したのちに、加工を施し、厚肉鋼材とすることができる装置列とする。本発明厚肉鋼材製造用装置列の一例を図１に示す。本発明装置列は、（ａ）加熱装置１と冷却装置３と熱間加工装置２とをこの順に配設するか、熱間加工装置２が２基配設されている場合には、（ｂ）加熱装置１と熱間加工装置21、冷却装置３、熱間加工装置22の順に配設してなる装置列とする。なお、熱間加工装置が３基以上配設されている場合には、冷却装置３は、加工条件に応じてそれぞれ適切な位置である熱間加工装置の入り側に配設するものとする。
【００１８】
本発明で使用する加熱装置１は、鋳片、鋼片等の鋼素材を所定温度に加熱できる、加熱炉であればよく、とくに限定する必要はない。厚肉鋼材が継目無鋼管である場合には、例えば、回転炉床式加熱炉、ワーキングビーム式加熱炉等の常用の加熱炉がいずれも適用できる。また、誘導加熱方式の加熱炉としてもよい。
本発明で使用する熱間加工装置２は、通常、鋼素材を所定寸法の厚肉鋼材とする場合に適用する熱間加工装置がいずれも適用できる。例えば、鋼材が鋼板である場合には、厚板圧延機等の各種の熱間圧延装置が、また鋼材が棒材である場合には穴型圧延装置または引抜き加工装置が、また鋼材が継目無鋼管である場合には、穿孔圧延装置、および縮径圧延や矯正圧延等の通常公知の圧延装置が例示できる。
【００１９】
なお、鋼材が継目無鋼管である場合の好ましい装置列の一例を図３に示す。
熱間加工装置２の一つである穿孔圧延装置21は、加熱された鋼素材に穿孔圧延を施し中空素材とすることができる穿孔圧延装置であればよく、例えば、バレル形ロール、コーン型ロール等を用いるマンネスマン傾斜式穿孔機、熱間押出式穿孔機等の、通常公知の穿孔圧延装置がいずれも適用できる。また、熱間加工装置２の一つである圧延装置22は、中空素材に加工を施し所定形状の継目無鋼管とすることができる装置であればよく、目的に応じて、例えば、エロンゲータ221、穿孔された中空素管を薄く長く延ばすプラグミル222、素管内外表面を滑らかにするリーラ（図示せず）、所定寸法に整えるサイザー223の順で配置された圧延装置、あるいは中空素管を所定寸法の鋼管とするマンドレルミル（図示せず）、若干の圧下を行ない外径、肉厚を調整するレデューサ（図示せず）を配置した圧延装置等の、通常公知の熱間加工装置がいずれも適用できるが、加工量の大きいエロンゲータ221、マンドレルミルとすることが好ましい。
【００２０】
また、本発明で使用する冷却装置３は、非平衡状態の相分布を得るために、加熱装置１と熱間加工装置２との間に配設される。なお、複数基の熱間加工装置が配設される場合には、冷却装置は、加工条件に応じて適切な位置である、複数基の熱間加工装置のうちの少なくとも１基の入り側に配設することが好ましい。例えば、鋼材が継目無鋼管である場合には、複数基の熱間加工装置、すなわち穿孔圧延装置21と、圧延装置22とが配設され、冷却装置３は、加熱装置１と穿孔圧延装置21との間、あるいは穿孔圧延装置21と圧延装置22との間に設置される。
【００２１】
本発明で使用する冷却装置３は、加熱された鋼素材（被冷却材）を所望の冷却速度以上で冷却することが可能な装置であれば、その形式はとくに限定する必要はない。比較的容易に所望の冷却速度を確保できる冷却装置としては、被冷却材である加熱された鋼素材あるいは加工途中の素材（中空素材を含む）の外面あるいは外内面に、冷却水または圧縮空気あるいはミストを噴射、あるいは供給して冷却する方式の装置とすることが好ましい。
【００２２】
本発明で使用する冷却装置３は、非平衡状態の相分布を得るために、例えばステンレス鋼組成の鋼材の場合、被冷却材の板表面、肉厚中心位置で、少なくとも1.0℃/ｓ以上の平均冷却速度を得ることができる冷却能を有する装置とする必要がある。冷却能が不足し、上記した平均冷却速度より遅い冷却しかできない場合には、非平衡状態の相分布を得ることができず、その後に加工を施しても、組織の微細化ができなくなる。なお、冷却速度の上限は、とくに限定する必要はないが、熱応力による割れや曲り防止という観点から、50℃/ｓとすることが好ましい。
【００２３】
なお、本発明では、図１に示すように、熱間加工装置２の出側に、保温装置４を配設した装置列とすることが好ましい。保温装置４は、熱間加工後の冷却速度を遅くするために、必要に応じて配設する。鋼材がステンレス鋼組成の場合、加工後に冷却が速すぎると、非平衡フェライト相がα→γ変態を生じることなく冷却され、所望の微細なオーステナイト粒の生成が得られず、鋼管組織の微細化が達成できなくなる。なお、保温装置は、被冷却材の肉厚中心温度で、少なくとも20℃/ｓ以下程度の冷却速度に調整できる保温能があれば十分である。
【００２４】
つぎに、上記した本発明厚肉鋼材製造用装置列を利用して、ステンレス鋼組成の鋼材を例として、低温靭性に優れた厚肉鋼材の製造方法について説明する。
本発明では、鋼素材を、加熱装置で所定温度に加熱した後、冷却装置で冷却し、しかるのちに、鋼素材に熱間加工装置で加工を施し、あるいはさらに該加工後に保温装置を通過させる処理を施して、所定寸法の厚肉鋼材とすることが好ましい。
【００２５】
本発明では、好ましい鋼素材の組成は、非平衡状態の相分布を実現できる組成であれば、とくに限定されない。なかでも、非平衡状態の相分布が容易に確保できる組成である、
「質量％で、
C ：0.050％以下、                  Si：0.50％以下、
Mn：0.20〜1.80％、                 Cr：15.5〜18.0％、
Ni：1.5〜5.0％、                   Mo：3.5％以下、
V ：0.02〜0.20％、                 N ：0.01〜0.15％、
O ：0.006％以下
を含み、
あるいはさらに次Ａ群〜Ｄ群
Ａ群：Al：0.002〜0.050％、
Ｂ群：Cu：3.5％以下、
Ｃ群：Nb：0.2％以下、Ti：0.3％以下、Zr：0.2％以下、W：3.0％以下、B：0.01％以下のうちから選ばれた１種または２種以上、
Ｄ群：Ca：0.01％以下、REM：0.01％以下のうちから選ばれた１種または２種
のうちから選ばれた１群または２群以上を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有する鋼素材」とすることが好ましい。
【００２６】
以下、組成限定理由について説明する。なお、とくに断わらない限り、質量％は単に％で記す。
C：0.050％以下
Cは、マルテンサイト系ステンレス鋼の強度に関係する重要な元素であり、本発明では所望の強度を確保するために0.005％以上含有することが望ましい。一方、0.050％を超えて含有すると、Ni含有による焼戻時の鋭敏化が増大する。耐食性の観点からはCは少ないほうが望ましい。このようなことから、Cは0.050％以下に限定した。なお、好ましくは0.030〜0.050％である。
【００２７】
Si：0.50％以下
Siは、脱酸剤として作用する元素であり、0.05％以上含有することが望ましい。0.50％を超える含有は、耐食性を低下させ、さらに熱間加工性をも低下させる。このため、Siは0.50％以下に限定した。なお、好ましくは0.10〜0.30％である。
Mn：0.20〜1.80％
Mnは、強度を増加させる作用を有する元素であり、このような効果を得るためには0.20％以上の含有を必要とする。一方、1.80％を超えて含有すると、靭性に悪影響を及ぼす。このため、Mnは0.20〜1.80％に限定した。なお、好ましくは0.20〜1.00％である。
【００２８】
Cr：15.5〜18.0％
Crは、保護皮膜を形成し耐食性を向上させる作用を有し、さらに固溶して鋼の強度を増加させる元素である。このような効果を得るためには、15.5％以上の含有を必要とする。一方、18.0％を超えて多量に含有すると、熱間加工性が低下し、さらに強度が低下する。このため、Crは15.5〜18.0％に限定した。なお、好ましくは16.6〜18.0％である。
【００２９】
Ni：1.5〜5.0％
Niは、保護膜を強固にし、耐食性を高める作用を有する元素であり、さらに固溶して鋼の強度を増加させ、さらに靭性を向上させる元素でもある。このような効果は1.5％以上の含有で認められる。一方、5.0％を超えて含有すると、マルテンサイト相の安定性が低下し、強度が低下する。このため、Niは1.5〜5.0％に限定した。なお、好ましくは2.5〜4.5％である。
【００３０】
Mo：3.5％以下
Moは、Cl−による孔食に対する抵抗性を増加させる元素である。このような効果を得るためには、1.0％以上含有することが望ましい。一方、3.5％を超える多量の含有は、強度が低下するとともに、材料コストが高騰する。このため、Moは3.5％以下に限定した。なお、好ましくは2.0〜3.5％である。
【００３１】
V：0.02〜0.20％
Vは、強度を増加させるとともに、耐食性を改善する元素である。このような効果を得るためには、0.02％以上の含有を必要とする。一方、0.20％を超えて含有すると、靭性が低下する。このため、Vは0.02〜0.20％に限定した。なお、好ましくは0.02〜0.08％である。
【００３２】
N：0.01〜0.15％
Nは、耐孔食性を著しく向上される元素であり、このような効果を得るためには0.01％以上の含有を必要とする。一方、0.15％を超えて含有すると、種々の窒化物を形成し靭性を低下させる。なお、好ましくは0.02〜0.08％である。
O：0.006％以下
Oは、鋼中では酸化物として存在し、各種特性に悪影響を及ぼす。このため、できるだけ低減することが望ましい。とくに、Oが0.006％を超えて多量に含有すると、熱間加工性、靭性、耐食性の低下が著しくなる。このため、Oは0.006％以下に限定した。
【００３３】
上記した成分が基本の成分であるが、基本成分に加えてさらに、選択元素として、次Ａ群〜Ｄ群
Ａ群：Al：0.002〜0.050％、
Ｂ群：Cu：3.5％以下、
Ｃ群：Nb：0.2％以下、Ti：0.3％以下、Zr：0.2％以下、W：3.0％以下、B：0.01％以下のうちから選ばれた１種または２種以上、
Ｄ群：Ca：0.01％以下、REM：0.01％以下のうちから選ばれた１種または２種
のうちから選ばれた１群または２群以上を含有することができる。
【００３４】
Ａ群：Al：0.002〜0.050％
Ａ群：Alは、脱酸剤として作用する元素であり、このような効果を得るためには、0.002％以上含有することが好ましいが、0.050％を超えて含有すると、靭性に悪影響を及ぼす。このため、含有する場合には、Ａ群：Al：0.002〜0.050％に限定することが好ましい。なお、Al無添加の場合には、不可避的不純物として0.002％未満程度が許容される。
【００３５】
Ｂ群：Cu：3.5％以下
Ｂ群：Cuは、保護皮膜を強固し、鋼中への水素の侵入を抑制し、耐硫化物応力腐食割れ性を高める。このような効果は0.5％以上の含有で顕著となる。3.5％を超える含有は、CuSの粒界析出を招き、熱間加工性が低下する。このため、含有する場合には、Ｂ群：Cuは3.5％以下に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.8〜1.2％である。
【００３６】
Ｃ群：Nb：0.2％以下、Ti：0.3％以下、Zr：0.2％以下、W：3.0％以下、B：0.01％以下のうちから選ばれた１種または２種以上
Ｃ群：Nb、Ti、Zr、W、Bはいずれも、強度を増加させる元素であり、必要に応じて選択して含有できる。このような効果は、Nb：0.03％以上、Ti：0.03％以上、Zr：0.03％以上、W：0.2％以上、B：0.01％以上の含有で認められる。一方、Nb：0.2％、Ti：0.3％、Zr：0.2％、W：3.0％、B：0.01％、をそれぞれ超える含有は、靭性を低下させる。このため、含有する場合は、Nb：0.2％以下、Ti：0.3％以下、Zr：0.2％以下、W：3.0％以下、B：0.01％以下に、それぞれ限定することが好ましい。
【００３７】
Ｄ群：Ca：0.01％以下、REM：0.01％以下のうちから選ばれた１種または２種
Ｄ群：Ca、REMは、硫化物系介在物の形状を球状化する作用を有し、介在物周囲のマトリックスの格子歪を小さくして、介在物の水素トラップ能を低下させる効果を有し、必要に応じて１種または２種を含有できる。このような効果は、Ca：0.0005％以上、REM：0.001％以上の含有で顕著となるが、Ca：0.01％、REM：0.01％を超えて含有すると、耐食性が低下する。このため、含有する場合には、Ca：0.01％以下、REM：0.01％以下に限定することが好ましい。
【００３８】
上記した成分以外の残部は、Feおよび不可避的不純物である。なお、不可避的不純物としてはP：0.03％以下、S：0.005％以下が許容できる。
上記した組成を有する鋼素材の製造方法はとくに限定する必要はない。転炉、電気炉等、常用の溶製炉を使用して、上記した組成の溶鋼を溶製し、連続鋳造法等の常用の鋳造方法で、鋳片（丸鋳片）としたものを鋼素材とすることが好ましい。なお、鋳片を熱間圧延して所定寸法の鋼片として鋼素材としてもよい。また、造塊−分塊圧延法で鋼片とし、鋼素材としてもなんら問題はない。
【００３９】
まず、上記した組成を有する鋼素材を、加熱装置に装入して、加熱温度：Ac4変態点以上融点未満の範囲の温度に加熱する。
加熱温度：Ac4変態点以上融点未満
加熱温度がAc4変態点未満では、単相である変態を利用して組織の微細化を達成することができない。また、変形抵抗が高くなりすぎて、その後の熱間加工が困難となる。一方、融点以上では成形（加工）による歪の蓄積が困難となる。このため、鋼素材の加熱温度はAc4変態点以上融点未満の範囲の温度に限定した。なお、変形抵抗が小さく加工がしやすいことや、冷却時に温度差を大きくとれるという観点から好ましくは1000〜1300℃である。また、冷却後に、継目無鋼管の製造におけるように熱間加工として穿孔圧延を行う場合には、加熱温度は1200〜1300℃とすることがより好ましい。
【００４０】
加熱された鋼素材は、ついで、冷却装置で、所定の冷却速度で所定の冷却停止温度まで冷却される。
冷却は、冷却開始温度からの温度差が少なくとも50℃以上で、かつ600℃以上となる冷却停止温度まで、鋼素材の表面で1.0℃/ｓ以上の平均冷却速度で加速冷却する冷却処理とする。なお、冷却開始温度とは、冷却開始前の鋼素材の表面温度であり、本発明では600℃以上とすることが好ましい。冷却開始温度が600℃未満では、変形抵抗が高くなり、その後の加工（成形）が困難になる。
【００４１】
冷却温度範囲：50℃以上
冷却の温度範囲、すなわち、冷却開始温度と冷却停止温度の温度差は、少なくとも50℃以上とする。冷却の温度範囲が50℃未満では、顕著な非平衡状態の相分率を確保できなくなり、その後の加工により所望の組織微細化を達成できない。このため、冷却の温度範囲は50℃以上に限定した。冷却の温度範囲は大きいほど、非平衡状態の相分率を確保できやすくなる。なお、好ましくは100℃以上である。
【００４２】
冷却停止温度：600℃以上
冷却停止温度は600℃以上とする。冷却停止温度が600℃未満では、元素の拡散が遅くなり、その後の加工による相変態（α→γ変態）が遅れ、所望の加工による組織微細効果が期待できなくなる。このため、冷却停止温度は600℃以上に限定した。なお、好ましくは700℃以上である。また、冷却後に、継目無鋼管の製造における穿孔圧延を行う場合には、冷却停止温度は1000℃以上とすることが好ましい。
【００４３】
平均冷却速度：1.0℃/ｓ以上
冷却の平均冷却速度が表面で1.0℃/ｓ未満では、非平衡状態の相分率を確保できなくなり、その後の加工により所望の組織微細化を達成できない。このため、冷却の平冷却速度は1.0℃/ｓ以上に限定した。なお、冷却速度の上限は、冷却装置の能力により決定され、とくに限定する必要はないが、熱応力による割れや曲り防止という観点から、50℃/ｓ以下とすることが好ましい。なお、好ましくは3〜10℃/ｓである。
【００４４】
所定の冷却停止温度まで冷却された鋼素材は、ついで熱間加工を施され、所定寸法の厚肉鋼材とされる。なお、冷却終了から熱間加工を施すまでの時間は600ｓ以内とすることが好ましい。冷却終了後、加工開始までの時間が600ｓを超えて長くなると、フェライト相がオーステナイト相に変態し、非平衡状態を確保できなくなる。
冷却後の鋼素材に施される熱間加工は、所定寸法の厚肉鋼材とすることができればよく、常用の加工条件がいずれも適用でき、とくに限定する必要はない。本発明では、比較的低い加工量（圧下率）でも、所望の組織微細化が可能であるが、組織微細化の観点からは、少なくとも加工量を累積で15％以上とすることが好ましい。
【００４５】
なお、加工後の冷却速度は、とくに限定する必要はないが、表面で平均冷却速度で20℃/ｓを超える冷却となる場合には、圧延装置の出側に配設された保温装置に装入し、平均冷却速度を20℃/ｓ以下に調整することが好ましい。加工後の冷却が20℃/ｓを超えて速くなりすぎると、α→γ変態によるオーステナイト相の析出が遅れ、オーステナイト相を析出することなく冷却され、加工後の組織が凍結され、所望の組織微細化を達成することができなくなる。
【００４６】
なお、上記した説明は、冷却装置を、加熱装置と熱間加工装置の間に配設した場合について説明したが、熱間加工装置が複数基配設する場合には、複数基の熱間加工装置のうちの適正な位置で熱間加工装置の入り側に配設してもよい。例えば、厚肉鋼材が継目無鋼管の場合には、鋼素材は、穿孔圧延装置で穿孔圧延を施されて中空素材とされたのち、その下流側に配設された圧延装置で所定寸法の継目無鋼管とされる。冷却装置を熱間加工装置（穿孔圧延装置）と熱間加工装置（圧延装置）の間に配設した装置列を使用した場合と、冷却装置を加熱装置と熱間加工装置（穿孔圧延装置）との間に配設した装置列を使用した場合とでは同じ効果が期待できる。というのは、本発明では、熱間加工装置の加工形態の影響は少ないことを確認している。
【００４７】
上記した製造方法で得られる厚肉鋼材は、上記した組成と、マルテンサイト相を主相とし、フェライト相と、あるいはさらに残留オーステナイト相からなる組織とを有する鋼材である。ここでいう「主相」とは、面積率で最も多い相をいうものとする。なお、残留オーステナイト相は、面積率で20％以下である。このような組織を有する鋼管は、降伏強さ：654MPa以上の高強度と、肉厚中心位置でのシャルピー衝撃試験の試験温度：−40℃での吸収エネルギーが50Ｊ以上となる優れた低温靭性を有する厚肉鋼材となる。
【００４８】
つぎに、実施例に基づき、さらに本発明について説明する。
【実施例】
【００４９】
表１に示す組成の溶鋼を、転炉で溶製し、連続鋳造法で鋳片（スラブ：肉厚260mm）とし、熱間板圧延を行い、厚さ80mmの鋼素材とした。図１（ａ）に示す装置列を利用して、これら鋼素材を加熱装置１に装入し、表２に示す加熱温度に加熱し、一定時間（60min）保持した後、水スプレーを利用した冷却装置３で、表２に示す平均冷却速度で表２に示す冷却停止温度まで冷却し、ただちに熱間加工装置２（熱間板圧延機）で表２に示す累積圧下率で熱間圧延（熱間加工）し、加工後放冷または保温装置４を利用して冷却を調整して、表２に示す板厚の厚肉鋼板（鋼材）とした。また、一部の厚肉鋼板は図１（ａ）に示す装置列の冷却装置３を利用せず、放冷（0.5℃/ｓ）とした。
【００５０】
得られた厚鋼板から、試験片を採取し、組織観察、引張試験、衝撃試験を実施した。試験方法はつぎの通りとした。
（１）組織観察
得られた厚肉鋼板から、組織観察用試験片を採取し、圧延方向に直交する断面（Ｃ断面）を研磨、腐食（腐食液：ビエラ液）して、光学顕微鏡（倍率：100倍）または走査型電子顕微鏡（倍率：1000倍）で組織を観察し、撮像して、画像解析を用い、組織の種類およびその分率を測定した。なお、微細化の指標として、組織写真から、単位長さの直線と交差する相境界の数を測定した。なお、単位長さ当たりの相境界数は、得られた値を、鋼板No.１の値を基準（1.00）として、基準値に対する比率として示した。
（２）引張試験
得られた厚肉鋼板から、圧延方向が引張方向となるように、丸棒引張試験片（平行部6mmφ×GL20mm）を採取し、JIS Z 2241の規定に準拠して引張試験を実施し、降伏強さYSを求めた。なお、降伏強さは0.2％伸びでの強度とした。
（３）衝撃試験
得られた厚肉鋼板の肉厚中央位置から、圧延方向と直交する方向（Ｃ方向）が試験片長手方向となるように、Ｖノッチ試験片を採取し、JIS Z 2242の規定に準拠してシャルピー衝撃試験を実施し、試験温度：−40℃における吸収エネルギーを測定し、靭性を評価した。なお、試験片は各３本とし、それらの平均値を当該厚肉鋼板の吸収エネルギーとした。
【００５１】
得られた結果を表３に示す。
【００５２】
【表１】
2015081352.tif 000003
【００５３】
【表２】
2015081352.tif 000004
【００５４】
【表３】
2015081352.tif 000005
【００５５】
本発明装置列を利用し、好ましい製造条件で製造された厚肉鋼材（ここでは、本発明例という）はいずれも、厚肉の板厚中心位置においても組織の微細化ができ、降伏強さ：654MPa以上の高強度であるにもかかわらず、試験温度：−40℃における吸収エネルギーが50Ｊ以上と靭性が顕著に向上している。なお、加工量（累積圧下率）が5％と比較的低い本発明例（鋼管No.12）でも、靭性が顕著に向上している。一方、本発明装置列を利用しないため、好ましい製造条件の範囲を外れる厚肉鋼材、あるいは本発明装置列を利用しても、好ましい製造条件を外れる厚肉鋼材（ここでは、比較例という）は、所望の高強度を確保できていないか、組織が微細化できず、所望の高靭性を確保できていない。
【符号の説明】
【００５６】
１   加熱装置
２   熱間加工装置
３   冷却装置
４   保温装置
21   穿孔圧延装置
22   圧延装置
221  エロンゲータ
222  プラグミル
223  サイジングミル
【図１】
2015081352.tif 000006
【図２】
2015081352.tif 000007
【図３】
2015081352.tif 000008