(57)【要約】【課題】簡素化された製造工程で製造コストが安価であり、強度バラツキがなく、靭性に優れるとともに表面肌が良好である機械構造部品として最適な継目無鋼管を得る。【解決手段】質量％で、Ｃ：０．１０〜０．２５％、Ｓｉ：１．００％以下、Ｍｎ：０．２０〜２．００％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０２０％以下、Ｃｒ：０．１〜１．５％、Ｍｏ：０．５％以下、Ｔｉ：０．００５〜０．０３０％およびＶ：０．０１〜０．１０％を含有し、Ｔｉ／Ｎ：３．５以下であり、残部がＦｅおよび不純物からなるビレットを用い、穿孔圧延したのち、延伸加工と定径加工からなる仕上圧延を断面減少率４０％以上で、かつ仕上温度９００℃以上で行い、冷却することなく直ちに９００〜１０００℃の温度に均熱し、焼入れ・焼戻し熱処理を連続してオンラインで行う。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．１０〜０．２５％、Ｓｉ：１．００％以下、Ｍｎ：０．２０〜２．００％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０２０％以下、Ｃｒ：０．１〜１．５％、Ｍｏ：０．５％以下、Ｔｉ：０．００５〜０．０３０％およびＶ：０．０１〜０．１０％を含有し、Ｔｉ／Ｎ：３．５以下であり、残部がＦｅおよび不純物からなるビレットを用い、
穿孔圧延したのち、延伸加工と定径加工からなる仕上圧延を断面減少率４０％以上で、かつ仕上温度９００℃以上で行い、冷却することなく直ちに９００〜１０００℃の温度に均熱し、焼入れ・焼戻し熱処理を連続してオンラインで行うことを特徴とする機械構造部品用継目無鋼管の製造方法。
【請求項２】
さらに、質量％で、Ｃｕ：０．５％以下、Ｎｉ：１．０％以下およびＮｂ：０．０１％以下のうちから１種または２種以上を含有するビレットを用いることを特徴とする請求項１に記載の機械構造部品用継目無鋼管の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、従来法に比べ簡素化された製造工程を採用し、強度バラツキがなく、靭性に優れるとともに表面肌が良好であり、機械構造部品として最適な継目無鋼管の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
継目無鋼管の製造において、高信頼性や高品質化の観点から、強度と靱性を要する製品の製造には、未だかなりの製品がオフラインでの熱処理が行われている。例えば、機械構造部品としてシリンダー等に使用される、引張強度が６００ＭＰａ級ないしは８００ＭＰａ級の鋼管は、強度と靭性を確保するためにオフラインで焼入れ・焼戻し（ＱＴ）処理が適用される。
【０００３】
すなわち、高強度および高靭性の機械構造用継目無鋼管は、ビレットを穿孔機により穿孔して中空素管となし、プラグミルまたはマンドレルミルで延伸加工した後、サイザーまたはレデューサー等により定径加工を施し、冷却後、再加熱して焼入れ・焼戻しの熱処理を施し製造される。
【０００４】
このため、オフラインでの熱処理は、製管ラインとは別に熱処理炉を設置し、焼入れ・焼戻し熱処理を行う必要があり、経済的でなく製造コストを上昇させ、しかもリードタイムが長くなるという問題がある。これに対し、オンラインでの熱処理は、熱間加工後の素材の保有する熱を利用し、直ちに焼入れを行う直接焼入れプロセスで、工業的に大きなコストダウンが得られる。
【０００５】
例えば、特許文献１では、特定の成分系からなる鋼素材を鋼管に熱間加工し、直ちにその鋼管をＡｃ3変態点以上の温度から内外面浸漬焼入れにより直接水焼入れし、次いでその鋼管を、Ｔ≦Ａｃ1、並びに１８０００≦（Ｔ＋２７３）・（２０＋ｌｏｇｔ）≦２００００の両式を満足する温度Ｔ（℃）および焼戻し時間ｔ（時間）で焼戻す高強度継目無鋼管の製造方法を提案している。
【０００６】
【特許文献１】特開昭６０−３３３１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１で提案された製造方法を採用すれば、製管寸法により定径加工後の温度に各管毎に差が生じたり、また、各管毎に温度差が生じない場合でも、管端部と中央部とに温度差が生じ、焼入れでの温度バラツキに起因して管長手方向および円周方向における組織の均一性が得られず、強度バラツキや靭性低下を生ずることがある。
【０００８】
また、構造用継目無鋼管の製造に際して、オンライン熱処理での高強度および高靭性を確保するため、熱間加工に引き続いてＡｒ1温度以下まで冷却した後、所定の昇温速度で加熱し、次いで焼入れ後にＡｃ1点以下の温度で焼戻す方法も提案されたが、熱間加工したのち、Ａｒ1温度以下まで冷却することから、冷却に時間を要し、製管ラインを長くしたり、製造能率を下げる等の対応が必要になるとともに、リードタイムが長くなることになる。
【０００９】
本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであり、従来法より簡素化された製造工程で、強度バラツキがなく、靭性に優れるとともに表面肌が良好であり、機械構造部品として最適な継目無鋼管の製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは、上記の課題を解決するため、オンライン熱処理における特性やそれに及ぼす合金元素の影響をついて、種々の検討を行った。その結果、直接にオンラインで焼入れするプロセスであっても、成分系を特定し、さらに、穿孔後の延伸加工と定径加工からなる仕上圧延の条件を限定し、適正な焼入れ・焼戻し熱処理を施すことによって、結晶粒度の細粒化を図ることができ、オフラインでの焼入れ・焼戻し熱処理を施したものと同等の特性が確保できることを知見した。
【００１１】
上記の知見に基づくものであり、本発明の継目無鋼管の製造方法は、質量％で、Ｃ：０．１０〜０．２５％、Ｓｉ：１．００％以下、Ｍｎ：０．２０〜２．００％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０２０％以下、Ｃｒ：０．１〜１．５％、Ｍｏ：０．５％以下、Ｔｉ：０．００５〜０．０３０％およびＶ：０．０１〜０．１０％を含有し、Ｔｉ／Ｎ：３．５以下であり、残部がＦｅおよび不純物からなるビレットを用い、穿孔圧延したのち、延伸加工と定径加工からなる仕上圧延を断面減少率４０％以上で、かつ仕上温度９００℃以上で行い、冷却することなく直ちに９００〜１０００℃の温度に均熱し、焼入れ・焼戻し熱処理を連続してオンラインで行うことを特徴としている。
【００１２】
さらに、本発明の継目無鋼管の製造方法は、質量％で、Ｃｕ：０．５％以下、Ｎｉ：１．０％以下およびＮｂ：０．０１％以下のうちから１種または２種以上を含有するビレットを用いることが望ましい。さらに結晶粒度が細粒化し、強度と靭性に優れた機械構造部品用継目無鋼管を得ることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の継目無鋼管の製造方法によれば、オンラインでの焼入れ・焼戻し熱処理であっても、従来のオフラインの焼入れ・焼戻し熱処理したものと同等の性能を確保できるので、従来法に比較し、製造工程の簡素化、製管能率の向上および省エネルギーを達成できることから低コストであり、さらに強度バラツキがなく、靭性に優れるとともに表面肌が良好であることから、機械構造部品として最適な継目無鋼管を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の製造方法を上記のように規定した理由について、ビレットの化学組成および製造条件に区分して説明する。以下の説明において、化学組成は「質量％」で示す。
１．ビレットの化学組成
Ｃ：０．１０〜０．２５％
Ｃは、強度を増加し焼入れ性を確保するのに必須の元素であるが、その含有量が０．１０％未満ではその効果が十分でなく、一方、０．２５％を超えると、焼入れ時の割れ発生および靭性の低下、並びに製品での溶接性および加工性が劣化する。このため、Ｃ含有量を０．１０〜０．２５％とした。さらに、高強度化にあたって合金元素の低減を図るために、Ｃ含有量の上限を０．１６％とするのが望ましい。
【００１５】
Ｓｉ：１．００％以下
Ｓｉは、鋼の脱酸および強度向上に有効な元素であるが、その含有量が１．０％を超えて過剰に含有させると鋼を脆化させる。したがって、良好な靭性を確保するため、１．０％以下とした。
【００１６】
Ｍｎ：０．２０〜２．００％
Ｍｎは、鋼の脱酸・脱硫に必要であり、かつ強度、熱間加工性を改善し、適正な組織を得るために有用な元素であるが、その含有量が０．２０％未満ではその効果が十分でなく、一方、２．００％を超えると強度が上がるものの、溶接性、加工性が劣化する。このため、Ｍｎ含有量は、０．２０〜２．００％  とした。
【００１７】
Ｐ：０．０３０％以下
Ｐは、不純物として鋼中に不可避的に存在する元素であるが、含有が０．０３０％を超えると粒界に偏析して靭性を劣化させるため、不純物としての上限を０．０３０％とした。
【００１８】
Ｓ：０．０２０％以下
Ｓは、Ｐと同様に不純物として鋼中に不可避的に存在する元素であるが、粗大な介在物を形成し、特に圧延方向と直角方向（Ｔ方向）の靭性を劣化させる。このため、不純物としてＳ含有量の上限を０．０２０％とした。
【００１９】
Ｃｒ：０．１〜１．５％
Ｃｒは、Ｃと同様に焼入れ性を確保するのに必要な元素であるが、その含有量が０．１％未満ではその効果が十分でなく、一方、１．５％を超えると溶接性および加工性を低下させる。このため、Ｃｒ含有量は０．２〜１．５％とした。
【００２０】
Ｍｏ：０．５％以下
Ｍｏは、焼入れ性と高温焼戻しによる靭性確保に必要な元素であるが、その含有量が０．５％を超えるとその効果が飽和し、かつ偏析等により製管時の加工性を低下させる。このため、Ｍｏ含有量の上限を０．５％とした。
【００２１】
Ｔｉ：０．００５〜０．０３０％
Ｔｉは、結晶粒度を細粒化し、靭性を向上させる効果を有する元素であるが、その含有量が０．００５％未満ではその効果が十分でなく、また、０．０３０％を超えて多量に添加すると粗大な炭化物となり、靭性を低下させる。このため、Ｔｉ含有量は０．００５〜０．０３０％とした。
【００２２】
さらに、Ｔｉ含有量が０．００５〜０．０３０％の範囲であっても、後述するように、ＮによりＴｉＮと固定することによりＴｉＣの生成を制御するため、Ｔｉ／Ｎ：３．５以下の関係を満たすことが必要になる。
【００２３】
Ｖ：０．０１〜０．１０％
Ｖは、高温焼戻しによる靭性を向上させる効果を有する元素であるが、その含有量が０．０１％未満ではその効果が十分でなく、また、０．１０％を超えて多量に添加すると、粗大な炭化物となり、靭性を低下させる。このため、Ｖ含有量は０．０１〜０．１０％とした。
【００２４】
Ｔｉ／Ｎ：３．５以下
Ｔｉは、過剰に添加するとＴｉＣが析出し鋼を劣化させる。ＴｉＣの析出を抑制するには、ＴｉをＮに結合させＴｉＮとするのが有効である。ＴｉとＮの原子量の比から、Ｔｉ／Ｎの関係が３．５以下であればＴｉＣの析出を抑制できる。
【００２５】
本発明の製造方法では、ビレットの化学組成を上記の通り限定することによって、結晶粒度が細粒化し、強度と靭性に優れた機械構造部品用継目無鋼管を得ることができるが、さらに、強度および靭性を向上させたい場合に、上記の化学組成にＮｉ、ＣｕおよびＮｂのうち１種または２種以上を含有させるのが有効である。これら任意添加成分の含有量の限定理由は以下の通りである。
【００２６】
Ｃｕ：０．５％以下
Ｃｕは、強度を高め、耐食性の向上に有効な元素であるが、その含有量が０．５％を超えると鋼管表面に欠陥が多発する。このため、Ｃｕを含有させる場合には、その上限を０．５％とした。
【００２７】
Ｎｉ：１．０％以下
Ｎｉは、焼入れ性を改善すると共に、靭性を向上させる効果を有する元素であるが、高価であるため経済性の面から、含有させる場合には上限を１．０％とした。
【００２８】
Ｎｂ：０．０１％以下
Ｎｂは、Ｔｉと同様に結晶粒度を細粒化させ、靭性を向上させる効果を有する元素であるが、オンライン熱処理プロセスではＮｂ炭窒化物の析出偏在に起因する製品強度バラツキの原因となる。このため、Ｎｂを含有させる場合には、その上限を０．０１％とした。
２．製造条件
本発明の製造方法におけるビレットの加熱温度は、穿孔機で熱間穿孔できる温度であればよい。最適温度は、材質により異なり、高温延性と高温強度を考慮して決定する。通常は、１１００〜１３００℃の範囲に加熱する。穿孔工程は、穿孔機で中実のビレットに穿孔して中空素管とする工程である。穿孔工程においては、次の延伸加工と定径加工を合算した仕上圧延での強加工を容易とするため、コーン型ロールの交叉穿孔機を用いる。
【００２９】
本発明の製造方法においては、穿孔圧延した中空素管の延伸加工と定径加工を合算した仕上圧延を、断面減少率４０％以上で、かつ仕上温度９００℃以上で行う必要がある。断面減少率４０％未満の場合には、再結晶がスムーズに進行せず、結晶粒度の微細化による効果が得られないとともに、結晶粒が異常成長するおそれがある。仕上圧延における断面減少率の上限は、製管対象の材質やミルの能力によって異なることから、特に限定できないが、断面減少率が大きすぎると疵が発生し易くなるので、８０％とするのが望ましい。
【００３０】
仕上圧延における仕上温度は、製管対象の材質やミルの能力によって異なるが、９００℃未満では素材鋼の変形抵抗が大きくなり、断面減少率４０％以上の強加工を施すことが困難になることから９００℃以上とした。また、仕上温度の上限は、製管対象の材質やミルの能力によって異なるため、特に限定できないが、１１００℃とするのが望ましい。
【００３１】
本発明の製造方法では、仕上圧延と焼入れ・焼戻し熱処理との間で、冷却することなく、直ちに再結晶処理(焼ならし)を実施することが大きな特徴であり、これによって加工と熱処理との組合せで再結晶が誘起され、結晶粒の整粒化が可能になる。
【００３２】
本発明の製造方法においては、従来技術で行われていたように、仕上圧延の途中工程で延伸加工と定径加工の間で再加熱し、均熱後に定径加工する必要がない。このため、均熱温度を再結晶が進行する最低温度に設定することができ、整粒化された再結晶粒を得ることができる。
【００３３】
均熱温度は、本発明が対象とするビレット（Ｃｒ−Ｍｏ鋼）の場合、９００℃未満では再結晶化に長時間を必要とし、製管効率が顕著に低下する。また、１０００℃を超えると、結晶粒の粗粒化が甚だしく、靭性が低下して二次加工等に際して割れ発生の原因となる。したがって、均熱温度は、９００〜１０００℃の温度域とした。均熱後は、直ちに焼入れ処理を実施する。
【００３４】
オフラインでの焼入れ処理を行う場合は、常温からの昇温が必要になるため、加熱炉内での滞留時間が長くなり、経済性に劣り、かつ表面スケールの成長が大きく、用途によっては製品でのスケール除去のための酸洗、ショットブラスト等の工程が必要になる。これに対し、本発明の製造方法では、９００℃以上の高温で仕上がった鋼管を、そのまま再加熱炉で均熱できるため、在炉時間も３０分未満に抑えることができ、エネルギーコストの面で経済性に優れているとともに、表面肌が良好になる。
【００３５】
本発明における焼戻し処理は、目標強度を確保できるように所定温度で焼戻を施す。本発明が対象とするビレット（Ｃｒ−Ｍｏ鋼）では、Ｖが添加されているので、５００〜６００℃ではＶＣ析出による靭性の劣化があるため、通常、６２０〜７２０℃の温度で焼戻を行う。
【実施例】
【００３６】
表１に示す化学組成の発明鋼Ａ〜Ｇ、および比較鋼Ｈ〜Ｍを慣用される方法によって溶製し、分塊圧延して直径２２５ｍｍのビレットとした。
【００３７】
【表１】
2007196237.tif 000002
【００３８】
各ビレットは１２５０℃に加熱した後、穿孔機を用いて中空素管とした。そして、試験Ｎｏ．１〜７の本発明例では、延伸加工と定径加工からなる仕上圧延を、表２に示す圧延条件で行い、外径２４０ｍｍ、肉厚８〜３０ｍｍの継目無鋼管を製管し、冷却することなく直ちに表２に示す均熱温度で保持した後、焼入れ・焼戻し熱処理を行った。
【００３９】
試験Ｎｏ．８〜１３の比較例では、本発明で規定する範囲を外れた比較鋼を用いて、表２に示す圧延条件で延伸加工と定径加工からなる仕上圧延を行い、外径２４０ｍｍ、肉厚８〜３０ｍｍの継目無鋼管を製管し、冷却することなく直ちに表２に示す条件で均熱保持した後、焼入れ・焼戻し熱処理を行った。
【００４０】
また、試験Ｎｏ．１４〜１７の比較例では、延伸加工と定径加工からなる仕上圧延を、表２に示す圧延条件（試験Ｎｏ．１５、１６は本発明で規定する範囲を外れた条件）で行い、外径２４０ｍｍ、肉厚８〜３０ｍｍの継目無鋼管を製管した。そして、得られた各継目無鋼管は、冷却することなく直ちに表２に示す条件（試験Ｎｏ．１４、１７は本発明で規定する範囲を外れた条件）で再加熱保持した後、焼入れ・焼戻し熱処理を行った。
【００４１】
さらに、試験Ｎｏ．１８〜２０の従来例では、延伸加工と定径加工からなる仕上圧延を、表２に示す条件で実施し、外径２４０ｍｍ、肉厚８〜３０ｍｍの継目無鋼管を製管した。そして、得られた各継目無鋼管は、常温まで冷却し、オフラインの焼入れ炉に装入して表２に示す条件に加熱後、水冷焼入れ・焼戻し熱処理を実施した。なお、表２中の均熱温度の（  ）内は、仕上圧延後、一旦常温まで冷却し、焼入れ炉に装入して昇温均熱した温度を示す。
【００４２】
【表２】
2007196237.tif 000003
【００４３】
得られた各継目無鋼管の評価は、機械的特性をＪＩＳ Ｚ２２０１の金属材料引張試験片に規定の１２Ｃ号試験片を用い、ＪＩＳ Ｚ２２４１に規定の金属材料引張試験方法に準じて引張試験を実施し、引張強度（ＴＳ）が５９０ＭＰａ以上、および降伏強さ（ＹＳ）が４９０ＭＰａ以上を目標値とした。
【００４４】
また、靭性は、ＪＩＳ Ｚ２２０２の金属材料衝撃試験片に規定の１０ｍｍ幅のＶノッチ試験片を用い、ＪＩＳ Ｚ２２４２に規定の金属材料衝撃試験方法に準じてシャルピー衝撃試験を実施し、０℃での吸収エネルギー（Ｊ）を測定し、１００Ｊ以上を目標値とした。
【００４５】
評価は、引張強度および降伏強さ、並びに吸収エネルギーのいずれもが目標値を満足する場合を○とし、いずれかが目標値を満足しない場合を×とした。試験結果および評価結果を表３に示す
【００４６】
【表３】
2007196237.tif 000004
【００４７】
表２、表３に示すように、試験Ｎｏ．１〜７の本発明例では、機械的特性、吸収エネルギーともにバラツキが少なく、試験Ｎｏ．１８〜２０の従来例とほぼ同等の性能を示している。さらに、表面肌は良好な状態であった。これに対し、試験Ｎｏ．８〜１７の比較例では、本発明の条件範囲を満足していないため、試験Ｎｏ．１８〜２０の従来例の性能を確保できず、いずれも×の評価であった。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明の継目無鋼管の製造方法によれば、オンラインでの焼入れ・焼戻し熱処理であっても、従来のオフラインの焼入れ・焼戻し熱処理したものと同等の性能を確保できるので、従来法に比較し、製造工程の簡素化、製管能率の向上および省エネルギーを達成でき、安価であり、さらに強度バラツキがなく、靭性に優れるとともに表面肌が良好であることから、機械構造部品として最適な継目無鋼管を得ることができる。これにより、機械構造部品用継目無鋼管の製造方法として広く採用することができる。