(57)【要約】【課題】途中の製管加工度や製管温度を厳しく制御しなくても、高強度と高靭性とを両立し、さらに良好な溶接製を確保できる非調質継目無鋼管を提供する。【解決手段】非調質継目無鋼管は、重量基準で、Ｃ：０．１０〜０．２０％未満、Ｓｉ：０．０５〜１．０％、Ｍｎ：０．５〜２．５％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０５％以下、Ｃｒ：０．５〜１．５％、Ｖ：０．０３〜０．３％、Ａｌ：０．００３〜０．１０％、Ｎ：０．００１〜０．０２％、Ｏ：０．００３％以下を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなり、下記の式で定義される炭素当量Ｃｅｑ．（％）が０．６０〜０．８５％であることを特徴とする。Ｃｅｑ．＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋（Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ）／５＋（Ｎｉ＋Ｃｕ）／１５【選択図】        なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、
Ｃ：０．１０〜０．２０％未満、
Ｓｉ：０．０５〜１．０％、
Ｍｎ：０．５〜２．５％、
Ｐ：０．０３％以下、
Ｓ：０．０５％以下、
Ｃｒ：０．５〜１．５％、
Ｖ：０．０３〜０．３％、
Ａｌ：０．００３〜０．１０％、
Ｎ：０．００１〜０．０２％、
Ｏ：０．００３％以下を含有し、
残部がＦｅおよび不純物からなり、
下記の式で定義される炭素当量Ｃｅｑ．（％）が０．６０〜０．８５％であることを特徴とする、非調質継目無鋼管。
Ｃｅｑ．＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋（Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ）／５＋（Ｎｉ＋Ｃｕ）／１５
【請求項２】
Ｆｅの一部を、
Ｎｉ：０．０５〜１．５％、
Ｍｏ：０．０５〜１．５％、
Ｃｕ：０．０５〜１．５％、
Ｂ：０．０００３〜０．０１％のうちから選ばれた１種または２種以上に置換したことを特徴とする、請求項１に記載の非調質継目無鋼管。
【請求項３】
Ｆｅの一部を、
Ｔｉ：０．００５〜０．２％、
Ｎｂ：０．００５〜０．２％のうちから選ばれた１種または２種に置換したことを特徴とする、請求項１に記載の非調質継目無鋼管。
【請求項４】
Ｆｅの一部を、
Ｎｉ：０．０５〜１．５％、
Ｍｏ：０．０５〜１．５％、
Ｃｕ：０．０５〜１．５％、
Ｂ：０．０００３〜０．０１％のうちから選ばれた１種または２種以上、およびＴｉ：０．００５〜０．２％、
Ｎｂ：０．００５〜０．２％のうちから選ばれた１種または２種に置換したことを特徴とする、請求項１に記載の非調質継目無鋼管。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、機械構造用等に使用される継目無鋼管に関し、特に熱間製管のままで使用でき、高強度および高靭性を有し、さらに溶接性に優れた非調質継目無鋼管に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、高強度で靭性が要求される用途に用いられる継目無鋼管は、次のように製造されていた。すなわち、まず、ビレットから熱間加工での穿孔工程および圧延工程を経て継目無鋼管を製造する。その後、この鋼管に対して焼入れ、焼戻し処理を施すことにより、所定の強度レベルと靭性を付与して製品としていた。
【０００３】
上記の継目無鋼管の製造では、製管後に熱処理工程が必要になるので、コストが高くなり、加えて納期も長くなる。このような問題点の解消のために、熱処理を行なわない、すなわち非調質で高強度、高靭性を有する継目無鋼管の要求が高くなっている。
【０００４】
非調質で高強度、高靭性を有する継目無鋼管は、例えば、特開平０５−２０２４４７号公報、特開平０９−２５５４１号公報、特開平１０−１３０７８３号公報、特開平１０−２０４５７１号公報、特開平１０−３２４９４６号公報、特開平１１−３６０１７号公報、特開２０００−３２８１９２号公報、特開２００１−３２３３３８号公報、特開２００１−２４７９３１号公報、特開２００１−２６２２７５号公報に開示されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平０５−２０２４４７号公報
【０００６】
【特許文献２】
特開平０９−２５５４１号公報
【０００７】
【特許文献３】
特開平１０−１３０７８３号公報
【０００８】
【特許文献４】
特開平１０−２０４５７１号公報
【０００９】
【特許文献５】
特開平１０−３２４９４６号公報
【００１０】
【特許文献６】
特開平１１−３６０１７号公報
【００１１】
【特許文献７】
特開２０００−３２８１９２号公報
【００１２】
【特許文献８】
特開２００１−３２３３３８号公報
【００１３】
【特許文献９】
特開２００１−２４７９３１号公報
【００１４】
【特許文献１０】
特開２００１−２６２２７５号公報
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
特開平０５−２０２４４７号公報、特開平０９−２５５４１号公報、特開平１０−１３０７８３号公報、特開平１０−２０４５７１号公報、特開平１０−３２４９４６号公報、特開平１１−３６０１７号公報および特開２０００−３２８１９２号公報は、いずれも、非調質で高強度と靭性とを両立させるために、成分調整や熱間での製管方法を開示している。また、これらの公報に開示された技術に共通するところは、炭素（Ｃ）を０．２％以上添加し、中炭素系の成分設計をしていることである。これらの従来技術では、０．２％以上の炭素を含むことから、強度レベルに対して靭性が十分ではない。特に、溶接部では焼入れ硬化して靭性が低下したり、溶接割れを引き起こしたりする。
【００１６】
特開２００１−３２３３３８号公報は、広範囲の炭素添加量の鋼を対象とし、熱間加工性と切削性と靭性を両立させることを開示している。しかしながら、この公報に開示された鋼管にはバナジウム（Ｖ）が添加されていないので、十分な強度を確保できないことを指摘できる。
【００１７】
特開２００１−２４７９３１号公報および特開２００１−２６２２７５号公報は、広範囲の炭素添加量の鋼を対象とし、熱間での製管温度を規定して金属組織をコントロールすることにより強度、靭性を確保する技術や、熱間加工性を確保する技術を開示している。しかしながら、これらの公報に提案されている低温製管を実施するためには、従来の設備ではモーターパワーが不足して設備改造が必要である。また、一旦冷却した後に再加熱して製管するためには、再加熱炉等の設備が必要になる等の問題点を指摘できる。
【００１８】
なお、特開２００１−２４７９３１号公報では、請求の範囲において広範囲の炭素添加量を規定しているものの、実施例では炭素添加量は０．２％以上となっている。
【００１９】
本発明の目的は、非調質で高強度と高靭性とを両立し、さらに良好な溶接性を確保できる非調質継目無鋼管を提供することである。特に、途中の製管加工度や製管温度を厳しく限定しなくても、高強度と高靭性とを両立し、溶接部における割れや靭性の低下を防止できるようにすることを狙いとする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本願発明者は、上記の目的を達成するために、以下のことが有効であることを見出した。
【００２１】
（１）炭素含有量を低下させる。そして、炭素含有量の低下に伴う強度を補うために、マンガン（Ｍｎ）とクロム（Ｃｒ）とバナジウム（Ｖ）を複合添加する。これにより、高強度が得られ、かつ溶接部を含めて良好な靭性が得られる。
【００２２】
（２）炭素含有量を低下させた上で、炭素当量（Ｃｅｑ．）を所定の範囲に調整する。
【００２３】
非調質鋼の金属組織はフェライト・パーライト鋼が標準であるが、高強度化の要求に応えるために高炭素化を行なうと、靭性が低下することが判明した。そこで、本願発明者は、炭素含有量を低減し、強度を補うためにＭｎ、Ｃｒ、Ｖを複合添加した。このようにして得られた非調質鋼の金属組織は、ベイナイト主体の組織になり、高強度と高靭性とを確保できるようになる。なお、「ベイナイト主体の組織」とは、ベイナイトが１００％存在する組織を含むことはもちろんであるが、ベイナイトとフェライトの混合組織でフェライトが５０体積％以下のものも含むものである。
【００２４】
本発明の骨子は、次の点にある。
【００２５】
（１）炭素含有量を０．２％未満に抑制すること。
【００２６】
（２）マンガン（Ｍｎ）とクロム（Ｃｒ）とバナジウム（Ｖ）とを複合添加すること。
【００２７】
（３）金属組織がベイナイト主体の組織となり、その中でも高強度と高靭性とを両立できる成分組成範囲として、以下の式で規定される炭素当量Ｃｅｑ．（％）が０．６０以上で０．８５以下を満足すること。
【００２８】
Ｃｅｑ．＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋（Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ）／５＋（Ｎｉ＋Ｃｕ）／１５
強度を確保するためには、Ｃｅｑ．が０．６０〜０．８５の範囲であればよく、それを満たす方法としては種々の合金元素添加量の調整で可能である。本願発明者は、その中でも特にＭｎ、Ｃｒ、Ｖに関しては、同時に複合添加すると強度と靭性とのバランスが良好になることを見出した。すなわち、同じ炭素含有量のとき、ＭｎとＣｒの添加だけで狙いとする炭素当量Ｃｅｑ．を達成するよりも、ＭｎとＣｒの量を低下させながらＶを添加して狙いとする炭素当量Ｃｅｑ．を達成したほうが、良好な靭性が得られる。従って、ＭｎとＣｒとＶに関しては、複合添加することが重要である。
【００２９】
以上の観点から、本発明に従った非調質継目無鋼管は、重量基準で、Ｃ：０．１０〜０．２０％未満、Ｓｉ：０．０５〜１．０％、Ｍｎ：０．５〜２．５％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０５％以下、Ｃｒ：０．５〜１．５％、Ｖ：０．０３〜０．３％、Ａｌ：０．００３〜０．１０％、Ｎ：０．００１〜０．０２％、Ｏ：０．００３％以下を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなり、下記の式で定義される炭素当量Ｃｅｑ．（％）が０．６０〜０．８５％であることを特徴とする。
【００３０】
Ｃｅｑ．＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋（Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ）／５＋（Ｎｉ＋Ｃｕ）／１５
Ｆｅの一部を、Ｎｉ：０．０５〜１．５％、Ｍｏ：０．０５〜１．５％、Ｃｕ：０．０５〜１．５％、Ｂ：０．０００３〜０．０１％のうちから選ばれた１種または２種以上に置換してもよい。
【００３１】
あるいは、Ｆｅの一部を、Ｔｉ：０．００５〜０．２％、Ｎｂ：０．００５〜０．２％のうちから選ばれた１種または２種に置換してもよい。
【００３２】
さらに、Ｆｅの一部を、Ｎｉ：０．０５〜１．５％、Ｍｏ：０．０５〜１．５％、Ｃｕ：０．０５〜１．５％、Ｂ：０．０００３〜０．０１％のうちから選ばれた１種または２種以上、およびＴｉ：０．００５〜０．２％、Ｎｂ：０．００５〜０．２％のうちから選ばれた１種または２種に置換してもよい。
【００３３】
上記の限定理由を以下に説明する。
【００３４】
Ｃ：０．１０〜０．２０％未満
Ｃは、強度を増加する元素であるが、靭性、溶接性を低下させる元素である。そのため、高強度レベルで靭性および溶接性を確保するには、Ｃの含有量を０．２０％未満に制限する必要がある。靭性および溶接性の観点から見ればＣの含有量は低いほど好ましいが、０．１０％未満になると強度の確保が困難になる。かかる理由で、Ｃの含有量を０．１０〜０．２０％未満の範囲に限定した。最も良好な強度−靭性バランスを確保する観点からは、Ｃの含有量を０．１３〜０．１７％の範囲にするのがよい。
【００３５】
Ｓｉ：０．０５〜１．０％
Ｓｉは、脱酸剤として作用するとともに強度を向上させる作用を有する。しかし、０．０５％未満ではその効果が得られず、１．０％を超えると靭性が低下する。かかる理由から、Ｓｉの含有量を０．０５〜１．０％の範囲に限定した。最も良好な強度−靭性バランスを確保する観点からは、Ｓｉの含有量を０．１〜０．４％の範囲にするのがよい。
【００３６】
Ｍｎ：０．５〜２．５％
Ｍｎは、Ｃを低減した鋼において、Ｃｒ、Ｖと併せて複合添加することによって、靭性を低下させずに強度を増加させる元素である。所定の強度を確保するためには、０．５％以上の含有が必要である。一方、２．５％を超えると、溶接性および靭性が低下する。かかる理由から、Ｍｎの含有量を０．５〜２．５％の範囲に限定した。最も良好な強度−靭性バランスを確保する観点からは、Ｍｎの含有量を１．５〜２．０％の範囲にするのがよい。
【００３７】
Ｐ：０．０３％以下
Ｐは、凝固時に最終凝固位置近傍に濃化し、かつ粒界に偏析して熱間加工性や靭性を低下させる不純物元素である。従って可及的に低減するのが好ましいが、０．０３％までは許容できるのでＰの含有量を０．０３％以下とした。ただし、さらに高靭性を確保するためには、０．０２％以下にするのが好ましく、より好ましくは、０．０１％以下にするのがよい。
【００３８】
Ｓ：０．０５％以下
Ｓは、Ｐと同様に凝固時に粒界に偏析して熱間加工性や靭性を低下させる不純物元素である。従って可及的に低減するのが好ましいが、０．０５％までは許容できるのでＳの含有量を０．０５％以下とした。ただし、低減しすぎると切削性が低下することがあるので、切削性を重視する場合のＳの下限値は０．０１％とするのが好ましい。一方、切削性よりも靭性を特に重視する場合には、Ｓの含有量を０．０２％以下、より好ましくは０．０１％以下にするのがよい。
【００３９】
Ｃｒ：０．５〜１．５％
Ｃｒは、Ｃを低減した鋼において、Ｍｎ、Ｖと併せて複合添加することによって、靭性を低下させずに強度を増加させる元素である。所定の強度を確保するためには、０．５％以上の含有が必要である。一方、１．５％を超えると、溶接性および靭性が低下する。かかる理由から、Ｃｒの含有量を０．５〜１．５％の範囲に限定した。最も良好な強度−靭性バランスを確保する観点からは、Ｃｒの含有量を０．９〜１．４％の範囲にするのがよい。
【００４０】
Ｖ：０．０３〜０．３％
Ｖは、微細なＶ炭化物を析出させて強度を増大するので添加する。Ｍｎ、Ｃｒと併せて複合添加すれば、高強度でありながら靭性の低下を小さく抑えることができる。この効果を得るためには、０．０３％以上の添加が必要である。一方、０．３％を超えると靭性が低下するので、Ｖの含有量を０．０３〜０．３％の範囲に限定した。最も良好な強度ー靭性バランスを確保する観点からは、Ｖの含有量を０．０５〜０．１５％の範囲にするのがよい。
【００４１】
Ａｌ：０．００３〜０．１０％
Ａｌは、脱酸剤として作用する。この効果を得るためには、０．００３％以上の含有が必要である。０．１０％を超えると、アルミナ系介在物が増加し表面欠陥が多発する懸念がある。かかる理由から、Ａｌの含有量を０．００３〜０．１０％の範囲に限定した。なお、安定した表面品質を確保するためには、０．００３〜０．０５％の範囲が好ましい。
【００４２】
Ｎ：０．００１〜０．０２％
Ｎは、Ａｌ、Ｔｉと共存して結晶粒を微細化させ、靭性を向上させる作用を有する。ただし、０．００１％未満ではその効果が小さく、０．０２％を超えるとかえって靭性が低下する。かかる理由から、Ｎの含有量を０．００１〜０．０２％の範囲に限定した。
【００４３】
Ｏ：０．００３％以下
Ｏは、０．００３％を超えて含有すると、靭性及び疲労強度を低下させる。そこで、Ｏの含有量を０．００３％以下とした。
【００４４】
Ｎｉ：０．０５〜１．５％、Ｍｏ：０．０５〜１．５％、Ｃｕ：０．０５〜１．５％、Ｂ：０．０００３〜０．０１％のうちから選ばれた１種または２種以上
Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｂは、いずれも焼入れ性を向上させて鋼の強度を増加させる元素であり、必要に応じて１種または２種以上を添加できる。添加する場合は、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｕに関しては０．０５％以上、Ｂに関しては０．０００３％以上で効果を発揮する。一方、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｕに関して１．５％を超えて添加すると、Ｎｉは強度上昇効果が飽和するとともにコストアップになり、Ｍｏは溶接性、靭性を低下させ、Ｃｕは熱間加工性を低下させる。このため、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｕの上限値をそれぞれ１．５％とした。Ｂは０．０１％を超えて添加すると靭性が低下するので、０．０１％を上限とした。
【００４５】
Ｔｉ：０．００５〜０．２％、Ｎｂ：０．００５〜０．２％のうちから選ばれた１種または２種
Ｔｉ、Ｎｂは、いずれも炭化物を形成して組織を微細化し靭性を向上させるとともに、基地中に析出して強度を増加させ高強度化に寄与する元素である。従って、必要に応じて、上記の１種または２種を添加できる。いずれの元素も、０．００５％以上の添加で効果が得られる。一方、０．２％を超えて添加すると、靭性を低下させる。かかる理由から、いずれもその範囲を０．００５〜０．２％の範囲に限定した。
【００４６】
炭素当量Ｃｅｑ．（％）：０．６０〜０．８５％
Ｃｅｑ．＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋（Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ）／５＋（Ｎｉ＋Ｃｕ）／１５
合金元素量は、それぞれ、質量％で定義される。上記した成分組成の限定に加えて、強度と靭性と溶接性を良好に保つ観点から、Ｃｅｑ．を０．６０〜０．８５％の範囲に限定するのが好ましい。Ｃｅｑ．が０．６０％を下回ると強度が確保できず、Ｃｅｑ．が０．８５％を超えると靭性が低下するとともに溶接割れが発生しやすくなる。なお、高強度の観点からは、０．６５〜０．８５％が好ましく、さらに０．７０〜０．８５％にするとより好ましい。
【００４７】
残部は、Ｆｅおよび不純物である。
【００４８】
不純物の中には、Ｃａ、Ｍｇ、ＲＥＭ（希土類金属）をそれぞれ０．０１％を上限として含有することができる。これらの元素は、強度、靭性、溶接性に大きな影響を与えないが、鋳造時、特に丸ビレットに鋳込むときにタンディッシュのノズル詰まりを防止するので、添加する場合がある。これらの元素の含有量が０．０１％を超えると表面性状を悪化して歩留まりを低下させる。従って、それぞれ０．０１％を上限に不純物として含有してもよい。
【００４９】
本発明に従った継目無鋼管は、次のようにして製造できる。すなわち、上記の組成の鋼を転炉、電気炉、または真空溶解炉で溶製し、連続鋳造法または造塊法で凝固させる。この凝固物をそのまま、あるいは分塊して鋼管素材とし、通常の継目無鋼管の製造プロセスを経て鋼管とした後、空冷することにより得られる。
【００５０】
熱間圧延後の冷却は、自然放冷による空冷が好ましいが、衝風（風除けカバーで覆いながら冷却）等の暖冷却、または風冷（多少の風を送りながら冷却）を施してもよい。
【００５１】
【実施例】
表１に示す化学組成の鋼を溶製し、インゴットに鋳込んだ後、鍛造にてビレットを作成した。これらのビレットを１２５０℃に加熱して、マンネスマンマンドレル方式のミルで造管し、外径１５０ｍｍ×肉厚２４．２ｍｍの継目無鋼管とした。これらの鋼管は、圧延後に空冷した。造管のままで、これらの鋼管の機械的性質（引張特性、シャルピー試験による衝撃特性）、および溶接割れ性を調査した。
【００５２】
なお、溶接割れ性は、ＪＩＳ  Ｚ  ３１５８「Ｙ形溶接割れ試験」に準拠して予熱無しで入熱２０ｋＪ／ｃｍの被覆アーク溶接法により溶接を行ない、割れの有無を調査した。これらの試験結果も合わせて表１に示す。表中、ＴＳ（ＭＰａ）は引張強度を示す。また、２ｕＥ２０（Ｊ）は、靭性の指標として、ＪＩＳ  Ｚ  ２２０２およびＪＩＳ  Ｚ  ２２４２に準拠したシャルピー破断エネルギー値を示し、２ｍｍのＵノッチ試験片に対する２０℃試験でのシャルピー破断エネルギー値（Ｊ）に対応する。
【００５３】
【表１】
2004292857.tif 000002
【００５４】
表１中、試料番号（試番）１〜２１が本発明例であり、引張強度は、最低でも７００ＭＰａを超えており、最高９００ＭＰａ近くにまで達している。このように高強度であっても、衝撃値で評価した靭性は、５０Ｊ以上を確保でき、また溶接割れも発生しなかった。
【００５５】
試料番号（試番）２２〜２８は比較例である。試番２２、２３は、従来のフェライト・パーライト鋼となる中炭素系成分の例である。この場合、強度は確保できるものの、靭性は低く、溶接割れも発生した。また、試番２４〜２７は、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖが複合添加されていないか、規定の範囲から外れた例である。溶接割れは起こらなかったが、靭性が不足した。試番２８は、成分組成範囲を満足するものの、炭素当量Ｃｅｑ．が低い例である。強度が７００ＭＰａを大幅に下回り、高強度非調質継目無鋼管の用途には使用できない。
【００５６】
【発明の効果】
以上のようにこの発明によれば、途中の製管加工度や製管温度を厳しく制御しなくても、高強度と高靭性とを両立し、さらに良好な溶接性を確保できる非調質継目無鋼管を得ることができる。