JP4867088B2 - 高Ｃｒ系継目無鋼管の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、油井、ガス井または各種プラント若しくは建設構造材料等に用いられる高Cr系継目無鋼管の製造に関し、さらに詳しくは、Crを10〜20％含有した製管用素材（ビレット）を用いて継目無鋼管を製造する場合であっても、内面疵の発生が少ない高Cr系継目無鋼管の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
従来から、油井用、各種プラント用、または建設構造用としてCrを10〜20％含有する、いわゆる高Cr系の継目無鋼管が多く採用されている。通常、継目無鋼管は、丸鋼片からマンネスマン穿孔、プレス穿孔などにより中空素管を製造し、この素管をマンドレルミルやプラグミルなどの伸延圧延機で拡管して肉厚を減じた後、ストレッチレデューサなどの絞り圧延機で外径を絞り、目標寸法の鋼管に仕上げることによって製造される。
【０００３】
上記の高Cr系の継目無鋼管を製造する場合には、連続鋳造またはインゴット造塊法によって製造された鋳片を圧延して得られる丸鋼片が製管用素材（ビレット）として用いられる。このとき、素材として用いられる鋼片は、一般に、連続鋳造またはインゴット造塊法によって断面形状が矩形の鋳片（ブルーム）を鋳造し、均一温度に加熱した後、分塊圧延、ブルーミングミル等で丸形に熱間圧延するか、若しくは連続鋳造で丸鋳片に直接鋳造する方法によって製造される。
【０００４】
継目無鋼管の熱間製管に際して、高Cr鋼は一般鋼に比較してその熱間加工性が劣るため、製管後の鋼管に内面欠陥を発生することがある。例えば、鋼管に中被れ疵等の内面欠陥（以下、「内面疵」という）が発生すると、製品の歩留りが低下するだけでなく、穿孔圧延機をはじめとして、伸延圧延機および絞り圧延機からなる製管ミル全体を休止させねばならないこともあり、このような場合には生産効率が著しく阻害されることになる。
【０００５】
従来から、継目無鋼管の熱間製管での内面疵の発生を防止する対策として、製管時の加工度を低減したり、加工発熱等による欠陥発生を避けるため、素材の加熱温度を低くする等の手段が採られている。しかし、これらの対策は、いずれも熱間製管の生産性を低下させるものであり、適正な防止対策とは言い難い。
【０００６】
例えば、特開平４−224659号公報では、一部の合金成分の含有量を規定するとともに、焼鈍加熱時間を管理し、穿孔加熱温度を1200℃以下と低温で製管することによって、熱間加工時の組織を改善するマルテンサイト系継目無鋼管の製造方法が提案されている。しかしながら、その製造方法では、合金を構成する成分元素の規定が厳しいものであるため、適用することができる鋼種が限定されると同時に、穿孔製管での加熱温度の上限が制限されるために、製管能率や生産性の面で悪影響が生じ、さらに製管工具の寿命を劣化させるという問題がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前述の通り、従来、高Cr鋼等の難加工材を用いた製管に際して採用される内面疵の防止策は、加工度の低減や加熱温度の低温化であるため、製管工程における生産性の低下を来たし、本質的に効率生産の阻害要因となっている。
【０００８】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、高Cr鋼系の鋳片または鋼片を製管用素材として継目無鋼管を製造する際に、生産性の低下を伴うことなく、効果的に内面疵の発生を防止することができる、高Cr系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。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
高Cr系継目無鋼管の製管の際に、鋼管に内面疵が発生するのは、当該鋼種の熱間加工性が劣るため、製管加工時の歪みによって、組織上脆弱な部位で割れが発生し、内面疵に進展するからである。熱間加工における高Cr鋼の脆弱な部分とは、当該鋼種の高温状態における主組織であるオーステナイトγ粒と、δ−フェライトの生成にともなって微量含まれるδ粒との粒界である。
【００１０】
したがって、熱間加工時に発生する内面疵を低減する対策は、▲１▼δ−フェライトの生成量を低減して、組織上脆弱な部位を少なくする、または▲２▼γ粒とδ粒との粒界強度を強くすることである。前記▲１▼の対策としては、粒界を脆弱にする不純物元素（Ｓ、Ｐ）の低減が有効であるが、過剰な低減を行うと、製造コストの上昇を促すことになる。次に、▲２▼の対策としては、前述の特開平４−224659号公報で提案された方法を採用することができるが、継目無鋼管の効率生産の観点から、実際の生産に適用するには、さらなる改善が必要である。
【００１１】
本発明者らは、さらに詳細な検討を行うことによって、含有されたCrをはじめ、他に添加される合金元素がδ−フェライト生成に及ぼす影響度が的確に整理できること、さらに鋼片等の製造段階、または素材の製管前段階での熱履歴がδ−フェライト量に影響を及ぼし、これらの影響度も指数化できることを確認した。
【００１２】
そして、これらの検討結果を実際の製造ラインにおいて検証することによって、不純物元素（Ｓ、Ｐ）を過剰に低減しなくても、製管条件等を緩和することによっても、効率的に高い生産性で、安価でしかも内面品質に優れる継目無鋼管製造できることを知見した。
【００１３】
本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、下記（１）、（２）の高Ｃｒ系継目無鋼管の製造方法を要旨としている。
（１） 質量％で、Ｃｒ含有量を１０〜２０％、Ｃ含有量を０．３０％以下、Ｓｉ含有量を１．００％以下、Ｍｎ含有量を２．０％以下、Ｎｉ含有量を１１．００％以下、Ｔｉ含有量を０．２００％以下、Ｎ含有量を０．１５０％以下、Ｖ含有量を０．２０％以下とし、さらにＭｏ：３．００％以下、Ｃｕ：０．５０％以下、Ａｌ：０．１００％以下、Ｂ：０．００５０％以下、Ｎｂ：０．１５０％以下およびＣａ：０．００５０％以下の元素のうち１種または２種以上を含有し、残部はＦｅおよび不純物からなり、不純物であるＳおよびＰの含有量をそれぞれ０．０５０％以下とし、分塊圧延工程での加熱炉または均熱炉内で１１００℃以上で均熱する時間（Ｈｒ）の総和がΣｔ１である鋳片、または鋼片を製管用素材として、この素材を加熱炉で１１００℃以上で均熱する時間（Ｈｒ）の総和をΣｔ２とした後、加熱温度Ｔを１２００℃とし、下記（ａ）および（ｂ）式を満足するように製管することを特徴とする高Ｃｒ系継目無鋼管の製造方法である。
【数３】
（２）上記（１）と同様に、Ｃｒ含有量を１０〜２０％、Ｃ含有量を０．３０％以下、Ｓｉ含有量を１．００％以下、Ｍｎ含有量を２．０％以下、Ｎｉ含有量を１１．００％以下、Ｔｉ含有量を０．２００％以下、Ｎ含有量を０．１５０％以下、Ｖ含有量を０．２０％以下とし、さらにＭｏ：３．００％以下、Ｃｕ：０．５０％以下、Ａｌ：０．１００％以下、Ｂ：０．００５０％以下、Ｎｂ：０．１５０％以下およびＣａ：０．００５０％以下の元素のうち１種または２種以上を含有し、残部はＦｅおよび不純物からなり、不純物であるＳおよびＰの含有量をそれぞれ０．０５０％以下とし、分塊圧延工程での加熱炉または均熱炉内で１１００℃以上で均熱する時間（Ｈｒ）の総和がΣｔ１である鋳片、または鋼片を製管用素材として、この素材を加熱炉で１１００℃以上で均熱する時間（Ｈｒ）の総和をΣｔ２とした後、加熱温度Ｔを１１００〜１３００℃（ただし、１２００℃を除く）とし、下記（ｃ）式を満足するように製管することを特徴とする高Ｃｒ系継目無鋼管の製造方法である。
【数４】
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の製造方法では、質量％でCr含有量が10〜20％とし、かつ不純物であるＳおよびＰの含有量を0.050％以下とする組成の高Cr鋼を製管用素材とすることを特徴としている。以下の説明で、「％」は「質量％」を意味する。
【００１５】
Crは、耐食性を向上させるための必須の成分元素であり、その含有量が10％未満では、所望の耐食性、例えば耐CO２腐食性が確保できない。一方、Cr含有量が20％を超えると、高温加熱時にδ−フェライト相が生成しやすく、耐食性（耐ＳＳＣ性）および熱間加工性が低下することになり、さらに、Crの過剰な添加は製造コストの上昇を招く。
【００１６】
Ｐは、不純物元素として鋼中に不可避的に存在するものであり、その含有量は低いほど望ましい。そして、その含有量が0.050％を超えると、高強度材の靱性を劣化させるとともに、フェライト／γ粒界の強度を低下させて熱間加工性を著しく低下させる。そのため、Ｐの含有量は、0.050％以下とする。
【００１７】
Ｓは、不純物元素として鋼中に不可避的に存在し、熱間加工性に悪影響を与える成分であるから、その含有量は低いほど望ましい。その含有量が0.050％を超えると、フェライト／γ粒界の強度を低下させて熱間加工性を著しく低下させるので、Ｓの含有量は0.050％以下とする。一方、所定のＳ含有は、鋼の切削性や溶接性に有効であるから、その効果を図るには、その含有量を0.004％以上にするのが望ましい。
【００１８】
本発明では、素材の化学組成に関して、Ｃｒ含有量並びに不純物であるＳおよびＰの含有量を規定する他に、高Ｃｒ鋼として１３％Ｃｒ鋼、ＳＵＳ３０４鋼、ＳＵＳ３１６鋼、ＳＵＳ３２１鋼およびＳＵＳ３４７鋼に相当する成分元素を添加することができる。
【００１９】
例えば、δ−フェライトの生成を抑制しながら、強度、靱性、耐食性等を確保するために、Ｃ：0.30％以下、Si：1.00％以下、Mn：2.0％以下、Mo：3.00％以下、Cu：0.50％以下、Ni：11.00％以下、Ti：0.200％以下、Al：0.100％以下、Ｎ：0.150％以下、Ｂ：0.0050％以下、Nb：0.150％以下、Ｖ：0.20％以下およびCa：0.0050％以下等の元素のうち１種または２種以上を適宜含有することができる。以下、これらの元素を含有させた場合の作用を説明する。
【００２０】
Ｃは、鋼材の強度を高めるために添加されるが、過剰に添加すると、Cr炭化物（Cr２３Ｃ６等）を形成して鋼材の耐食性を低下させるとともに、低温靱性を劣化させる。そのため、Ｃ含有量の上限を0.30％とする。
【００２１】
Siは、製鋼過程で脱酸材として添加されるが、過剰に含有されると、靱性が劣化してくるため、その含有量は1.00％以下とする。
【００２２】
Mnは、鋼の焼入れ性を向上させ、鋼材の強度確保に有効な成分である。また、熱間加工性に影響を及ぼすδ−フェライト生成を抑制し、鋼中のＳを固定する効果も発揮する。しかし、過剰に含有すると靱性が低下するので、Mn含有量は2.0％以下とする。
【００２３】
Moは、炭酸ガスおよび硫化水素を含有する環境における、耐食性の皮膜強化に極めて大きな効果を発揮する。したがって、耐食性の観点からは添加すればするほど改善されることになるが、Moを多く添加すると、δ−フェライトを生成し易くなり、これに伴って、オーステナイト生成元素を多く添加せざるを得なくなり、添加コストの上昇が見られる。このため、Mo含有量の上限を3.00％とする。
【００２４】
Cuは、オーステナイト生成元素であり、δ−フェライトの生成を抑え、組織の安定に有効である。しかし、過剰の添加は、高温、長時間での使用中の延性を低下させるので、Cu含有量は0.50％以下とする。
【００２５】
Niは、オーステナイト生成元素であり、δ−フェライトの生成を抑え、組織の安定と同時に、必要な強度の確保、耐食性の向上、および熱間加工性の改善には有効な元素である。しかし、過剰に添加しても、それらの効果が飽和し添加コストの上昇を招くだけであり、高温での使用中の延性を低下させる。したがって、Ni含有量は、11.00％以下とする。
【００２６】
Tiは、耐食性の改善に合わせ、強度や靱性の向上に有効な元素である。しかし、0.200％を超えて含有させると、靱性を劣化させる。
【００２７】
Alは、鋼の脱酸剤として添加される元素である。過剰の添加は鋼の清浄度を低下させ、加工性を損なうとともに、高温強度の低下を招くため、含有量は0.100％以下とする。
【００２８】
Ｎは、鋼の強度を確保するのに有効であるが、過剰に添加すると靱性を劣化させるので、含有量は0.150％以下とする。
【００２９】
Ｂは、鋼の強度を向上させると同時に、組織の微細化に寄与し、靱性および耐食性の改善に有効である。しかし、過剰な添加は靱性および耐食性の劣化を促すので、その含有量は0.0050％以下とする。
【００３０】
Nbは、鋼中で微細な炭化物または炭窒化物を形成して、クリープ強度を高める元素である。しかし、過剰の添加は、炭化物の粗大化を促し、靱性の低下を招くので、Nbの含有量は0.150％以下とする。
【００３１】
Ｖは、鋼中で微細な炭化物または炭窒化物を形成して、強度、靱性およびクリープ強度を高める元素である。しかし、過剰の添加は、炭化物の粗大化を促し、靱性の低下を招くので、Ｖの含有量は0.20％以下とする。
【００３２】
Caは、鋼中の硫化物の形状を改善して、熱間加工性を向上させるのに有効な元素である。しかし、過剰に添加すると靱性、耐食性を劣化させるので、Caの含有量は、0.0050％以下とする。
【００３３】
なお、本発明の製管用素材が13％Cr鋼であり、その成分元素がNi：1.5％以下、Mo：1.0％以下である場合には、Cuを無添加（例えば、含有量で0.2％未満）とし、後述する(b)式で示すＦ値は、−9.4未満とするのが望ましい。Cuはオーステナイト形成元素であるが、低融点金属であり粒界の熱間加工性を悪化させる元素でもあり、Ni含有量が少なくδフェライト相が出現しやすくなると、γ（オーステナイト）／δ粒界が多くなり、内面疵が発生しやすくなるからである。
【００３４】
上述の通り、本発明の製造方法では、δ−フェライトの生成を抑制するために、Cr含有量を規定し、かつＳおよびＰの含有量を規制することとしているが、これらの元素の他に、高Cr鋼として必要な成分元素を添加できることとしている。これらの元素の添加を想定して、下記の（a）式で規定するｆ値を後述する(b)式または(c)式で管理することとしている。
【００３５】
δ−フェライトは、凝固時に析出するフェライトまたは高温加熱時に生成するフェライトを指称するものであるが、上記(a)式で規定するｆ値は、このδ−フェライトの生成のし易さを容易に判断できるように指数化したものである。すなわち、式中において、オーステナイト生成元素を「＋」、フェライト生成元素を「−」として整理し、鋼材の組成上、熱間加工での高温加熱状態（1000〜1300℃）におけるδ−フェライト生成の難易度を、成分元素の影響係数と含有量との積によって示している。換言すれば、ｆ値はオーステナイト相の発生のし易さを示す指数としても把握することができる。
【００３６】
本発明で採用される製造工程は、慣用される継目無鋼管の製管工程であればよく、前述のように、丸鋼片からマンネスマン穿孔、プレス穿孔などにより中空素管を製造し、この素管を伸延圧延した後、絞り圧延で鋼管に仕上げる方式であればよい。
【００３７】
通常、寸法精度と生産性の面で有利なことから、マンネスマン−マンドレルミル方式、またはマンネスマン−プラグミル方式が適用される。前者の方式では、連続鋳造によって製造された製管用素材を1100〜1300℃に加熱した後、ピアサーで穿孔圧延によって中空素管とし、さらにマンドレルミルで延伸圧延して仕上圧延用素管を作製する。次いで、この仕上圧延用素管を延伸圧延ままの状態、または850〜1100℃に再加熱した後にストレッチレヂューサ、またはサイザーに通して、所定寸法の継目無鋼管に仕上げる。
【００３８】
製管工程におけるフェライト組織の生成には、製管された鋼管の熱履歴が影響する。すなわち、製管圧延に至るまでの鋳片または鋼片の段階、および素材（ビレット）の段階での高温（1100℃以上）での均熱時間が長ければ、偏析が拡散し、δ−フェライトの生成は抑制される。そのため、鋳片、鋼片として1100℃以上で均熱する時間（Hr）の総和をΣｔ1として、同時に、素材が1100℃以上で均熱する時間（Hr）の総和をΣｔ2として管理する必要がある。ただし、鋳片または鋼片の段階の均熱時間とは、分塊圧延工程での加熱炉または均熱炉内での1100℃以上で鋼材が均熱される時間であり、１ヒート圧延では鋳片１回分の均熱時間であり、２ヒート圧延では鋳片１回分および鋳片１回分を合計した均熱時間である。
【００３９】
本発明において、1100℃以上の均熱処理を対象としているのは、偏析の拡散速度が大きくなる処理を対象とするためであり、1100℃以上の均熱を長時間行うことによって、局部的な高濃度のＰ、Ｓの偏在を回避することができる。均熱処理の上限温度を規定する必要はないが、通常、1100〜1300℃の温度範囲が採用される。
【００４０】
δ−フェライトの生成には製管時の加熱温度が影響し、加熱温度Ｔを低温にするほど、フェライトの生成が抑制される。ここでいう加熱温度Ｔは、ピアサー穿孔圧延での材料温度であり、素材（ビレット）を1100〜1300℃に加熱した後の炉出し温度として把握することができる。
【００４１】
上述した本発明の技術思想を定量化したのが下記(b)式であり、不純物（Ｓ、Ｐ）偏析の拡散効果を判断し、鋳片または鋼片段階での均熱時間、素材段階での均熱時間の影響、さらに製管時の加熱温度の影響を確認するため、Ｆ値を導入している。
【００４２】
下記(b)式は、偏析が均熱によるソーキング効果によってなくなるまで、均熱時間（Σｔ1、Σｔ2）を理論的に充分長くした場合に、Ｆ＝ｆ＋1.4になることを意味し、このときのオーステナイト相の発生し易さが「＋1.4」であることを示している。そして、上工程になるほど偏析が大きくソーキング効果による偏析改善代が減少するため、上記「＋1.4」を分塊圧延工程（鋳片・鋼片）でのソーキング効果を「0.6」と、製管工程（素材）でのソーキング効果を「0.8」に分割した。
【００４３】
このように、分塊圧延工程または製管工程によって、均熱時間による偏析改善代は変動するが、いずれの工程においても、偏析改善代は均熱時間の指数関数として近似的に表すと、
の関係が得られる。
【００４４】
したがって、下記(b)式で示す条件を満足しつつ、継目無鋼管の製管することによって、確実に内面疵の発生を抑制することができる。
【００４５】
上記(b)式は、加熱温度Ｔを1200℃として製管した場合の条件を示しているが、加熱温度Ｔが1200℃を外れる場合には、下記(c')式で示されるＫＴによる補正が必要になる。このときの補正は、値が負になる場合も考慮するとともに、放物線則に沿ったものとした。
【００４６】
このように製管時の加熱温度Ｔが1200℃を外れる場合には、ＫＴによる補正が必要になるのは、同一成分、同一熱履歴の場合であっても、最終加熱温度の影響でδフェライトの生成量が変動することを考慮したためである。以下、本発明の効果を、具体的な実施例に基づいて説明する。
【００４７】
【実施例】
本発明の方法で製造された高Cr系継目無鋼管の内面疵の発生状況を確認するため、表１〜３に示す化学組成の鋼片を準備した。準備した鋼片のうち、試料No.１〜28は13％Cr鋼、試料No.29〜33はSUS304鋼、試料No.34〜38はSUS316鋼、試料No.39〜42はSUS321鋼、試料No.44〜48はSUS347鋼にそれぞれ相当している。
【００４８】
【表１】
【００４９】
【表２】
【００５０】
【表３】
【００５１】
上記の鋼片を製管用素材として加熱炉で1100〜1300℃の温度範囲で均熱加熱した後、ピアサーで穿孔して中空素管とし、引き続きマンドレルミル圧延によって仕上圧延用素管を製造した。次に、仕上圧延用素管を1100℃に再加熱してからストレッチレヂューサに通して、外径88.9mm、内径70mm、長さ1000mmの継目無鋼管を製造した。
【００５２】
このときの製造、製管条件として、鋼片の均熱時間Σｔ1、素材の均熱時間Σｔ2および製管時の加熱温度Ｔを表４〜６に示す。さらに、前記(a)式によるｆ値、(b)、(c)式によるＦ値を計算して、その値を表４〜６に示している。
【００５３】
その後、製造された鋼管を所定の条件で焼入、焼戻の処理をして、引き続き内面疵の発生状況を調査した。その調査結果を表４〜６に示した。
【００５４】
【表４】
【００５５】
【表５】
【００５６】
【表６】
【００５７】
図１は、本実施例に基づく高Cr系継目無鋼管のＦ値と内面疵の発生率（％）との関係を示す図である。なお、図１に示す内面疵の発生率（％）は、製管後の検査において確認できた材料起因の中被れ疵、ヘゲ疵を発生した本数比で示している。
【００５８】
上記表１〜６および図１に示すように、本発明が対象とする高Cr系継目無鋼管であれば、13％Cr鋼、SUS304鋼、SUS316鋼等の鋼種に拘わらず、前記(b)、(c)式で規定されるＦ値を「−9.7」以下に管理することによって、内面疵の発生率を2.0％以下に低減して、優れた内面品質を確保できることが分かる。
【００５９】
【発明の効果】
本発明の製造方法によれば、高Cr鋼を製管用素材とする場合であっても、熱間製管工程でのδ−フェライトの生成を充分に抑止できるので、内面疵の発生が少ない高Cr系継目無鋼管の製造が可能である。しかも、素材の組成として不純物を過剰に低減する必要もなく、また、製管時には所定の生産性を確保できるので、内面品質に優れた高Cr系継目無鋼管を低廉な製造コストで効率的に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例に基づく高Cr系継目無鋼管のＦ値と内面疵の発生率（％）との関係を示す図である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、油井、ガス井または各種プラント若しくは建設構造材料等に用いられる高Cr系継目無鋼管の製造に関し、さらに詳しくは、Crを10〜20％含有した製管用素材（ビレット）を用いて継目無鋼管を製造する場合であっても、内面疵の発生が少ない高Cr系継目無鋼管の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
従来から、油井用、各種プラント用、または建設構造用としてCrを10〜20％含有する、いわゆる高Cr系の継目無鋼管が多く採用されている。通常、継目無鋼管は、丸鋼片からマンネスマン穿孔、プレス穿孔などにより中空素管を製造し、この素管をマンドレルミルやプラグミルなどの伸延圧延機で拡管して肉厚を減じた後、ストレッチレデューサなどの絞り圧延機で外径を絞り、目標寸法の鋼管に仕上げることによって製造される。
【０００３】
上記の高Cr系の継目無鋼管を製造する場合には、連続鋳造またはインゴット造塊法によって製造された鋳片を圧延して得られる丸鋼片が製管用素材（ビレット）として用いられる。このとき、素材として用いられる鋼片は、一般に、連続鋳造またはインゴット造塊法によって断面形状が矩形の鋳片（ブルーム）を鋳造し、均一温度に加熱した後、分塊圧延、ブルーミングミル等で丸形に熱間圧延するか、若しくは連続鋳造で丸鋳片に直接鋳造する方法によって製造される。
【０００４】
継目無鋼管の熱間製管に際して、高Cr鋼は一般鋼に比較してその熱間加工性が劣るため、製管後の鋼管に内面欠陥を発生することがある。例えば、鋼管に中被れ疵等の内面欠陥（以下、「内面疵」という）が発生すると、製品の歩留りが低下するだけでなく、穿孔圧延機をはじめとして、伸延圧延機および絞り圧延機からなる製管ミル全体を休止させねばならないこともあり、このような場合には生産効率が著しく阻害されることになる。
【０００５】
従来から、継目無鋼管の熱間製管での内面疵の発生を防止する対策として、製管時の加工度を低減したり、加工発熱等による欠陥発生を避けるため、素材の加熱温度を低くする等の手段が採られている。しかし、これらの対策は、いずれも熱間製管の生産性を低下させるものであり、適正な防止対策とは言い難い。
【０００６】
例えば、特開平４−224659号公報では、一部の合金成分の含有量を規定するとともに、焼鈍加熱時間を管理し、穿孔加熱温度を1200℃以下と低温で製管することによって、熱間加工時の組織を改善するマルテンサイト系継目無鋼管の製造方法が提案されている。しかしながら、その製造方法では、合金を構成する成分元素の規定が厳しいものであるため、適用することができる鋼種が限定されると同時に、穿孔製管での加熱温度の上限が制限されるために、製管能率や生産性の面で悪影響が生じ、さらに製管工具の寿命を劣化させるという問題がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前述の通り、従来、高Cr鋼等の難加工材を用いた製管に際して採用される内面疵の防止策は、加工度の低減や加熱温度の低温化であるため、製管工程における生産性の低下を来たし、本質的に効率生産の阻害要因となっている。
【０００８】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、高Cr鋼系の鋳片または鋼片を製管用素材として継目無鋼管を製造する際に、生産性の低下を伴うことなく、効果的に内面疵の発生を防止することができる、高Cr系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。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
高Cr系継目無鋼管の製管の際に、鋼管に内面疵が発生するのは、当該鋼種の熱間加工性が劣るため、製管加工時の歪みによって、組織上脆弱な部位で割れが発生し、内面疵に進展するからである。熱間加工における高Cr鋼の脆弱な部分とは、当該鋼種の高温状態における主組織であるオーステナイトγ粒と、δ−フェライトの生成にともなって微量含まれるδ粒との粒界である。
【００１０】
したがって、熱間加工時に発生する内面疵を低減する対策は、▲１▼δ−フェライトの生成量を低減して、組織上脆弱な部位を少なくする、または▲２▼γ粒とδ粒との粒界強度を強くすることである。前記▲１▼の対策としては、粒界を脆弱にする不純物元素（Ｓ、Ｐ）の低減が有効であるが、過剰な低減を行うと、製造コストの上昇を促すことになる。次に、▲２▼の対策としては、前述の特開平４−224659号公報で提案された方法を採用することができるが、継目無鋼管の効率生産の観点から、実際の生産に適用するには、さらなる改善が必要である。
【００１１】
本発明者らは、さらに詳細な検討を行うことによって、含有されたCrをはじめ、他に添加される合金元素がδ−フェライト生成に及ぼす影響度が的確に整理できること、さらに鋼片等の製造段階、または素材の製管前段階での熱履歴がδ−フェライト量に影響を及ぼし、これらの影響度も指数化できることを確認した。
【００１２】
そして、これらの検討結果を実際の製造ラインにおいて検証することによって、不純物元素（Ｓ、Ｐ）を過剰に低減しなくても、製管条件等を緩和することによっても、効率的に高い生産性で、安価でしかも内面品質に優れる継目無鋼管製造できることを知見した。
【００１３】
本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、下記（１）、（２）の高Ｃｒ系継目無鋼管の製造方法を要旨としている。
（１） 質量％で、Ｃｒ含有量を１０〜２０％、Ｃ含有量を０．３０％以下、Ｓｉ含有量を１．００％以下、Ｍｎ含有量を２．０％以下、Ｎｉ含有量を１１．００％以下、Ｔｉ含有量を０．２００％以下、Ｎ含有量を０．１５０％以下、Ｖ含有量を０．２０％以下とし、さらにＭｏ：３．００％以下、Ｃｕ：０．５０％以下、Ａｌ：０．１００％以下、Ｂ：０．００５０％以下、Ｎｂ：０．１５０％以下およびＣａ：０．００５０％以下の元素のうち１種または２種以上を含有し、残部はＦｅおよび不純物からなり、不純物であるＳおよびＰの含有量をそれぞれ０．０５０％以下とし、分塊圧延工程での加熱炉または均熱炉内で１１００℃以上で均熱する時間（Ｈｒ）の総和がΣｔ１である鋳片、または鋼片を製管用素材として、この素材を加熱炉で１１００℃以上で均熱する時間（Ｈｒ）の総和をΣｔ２とした後、加熱温度Ｔを１２００℃とし、下記（ａ）および（ｂ）式を満足するように製管することを特徴とする高Ｃｒ系継目無鋼管の製造方法である。
【数３】
【数４】
【発明の実施の形態】
本発明の製造方法では、質量％でCr含有量が10〜20％とし、かつ不純物であるＳおよびＰの含有量を0.050％以下とする組成の高Cr鋼を製管用素材とすることを特徴としている。以下の説明で、「％」は「質量％」を意味する。
【００１５】
Crは、耐食性を向上させるための必須の成分元素であり、その含有量が10％未満では、所望の耐食性、例えば耐CO２腐食性が確保できない。一方、Cr含有量が20％を超えると、高温加熱時にδ−フェライト相が生成しやすく、耐食性（耐ＳＳＣ性）および熱間加工性が低下することになり、さらに、Crの過剰な添加は製造コストの上昇を招く。
【００１６】
Ｐは、不純物元素として鋼中に不可避的に存在するものであり、その含有量は低いほど望ましい。そして、その含有量が0.050％を超えると、高強度材の靱性を劣化させるとともに、フェライト／γ粒界の強度を低下させて熱間加工性を著しく低下させる。そのため、Ｐの含有量は、0.050％以下とする。
【００１７】
Ｓは、不純物元素として鋼中に不可避的に存在し、熱間加工性に悪影響を与える成分であるから、その含有量は低いほど望ましい。その含有量が0.050％を超えると、フェライト／γ粒界の強度を低下させて熱間加工性を著しく低下させるので、Ｓの含有量は0.050％以下とする。一方、所定のＳ含有は、鋼の切削性や溶接性に有効であるから、その効果を図るには、その含有量を0.004％以上にするのが望ましい。
【００１８】
本発明では、素材の化学組成に関して、Ｃｒ含有量並びに不純物であるＳおよびＰの含有量を規定する他に、高Ｃｒ鋼として１３％Ｃｒ鋼、ＳＵＳ３０４鋼、ＳＵＳ３１６鋼、ＳＵＳ３２１鋼およびＳＵＳ３４７鋼に相当する成分元素を添加することができる。
【００１９】
例えば、δ−フェライトの生成を抑制しながら、強度、靱性、耐食性等を確保するために、Ｃ：0.30％以下、Si：1.00％以下、Mn：2.0％以下、Mo：3.00％以下、Cu：0.50％以下、Ni：11.00％以下、Ti：0.200％以下、Al：0.100％以下、Ｎ：0.150％以下、Ｂ：0.0050％以下、Nb：0.150％以下、Ｖ：0.20％以下およびCa：0.0050％以下等の元素のうち１種または２種以上を適宜含有することができる。以下、これらの元素を含有させた場合の作用を説明する。
【００２０】
Ｃは、鋼材の強度を高めるために添加されるが、過剰に添加すると、Cr炭化物（Cr２３Ｃ６等）を形成して鋼材の耐食性を低下させるとともに、低温靱性を劣化させる。そのため、Ｃ含有量の上限を0.30％とする。
【００２１】
Siは、製鋼過程で脱酸材として添加されるが、過剰に含有されると、靱性が劣化してくるため、その含有量は1.00％以下とする。
【００２２】
Mnは、鋼の焼入れ性を向上させ、鋼材の強度確保に有効な成分である。また、熱間加工性に影響を及ぼすδ−フェライト生成を抑制し、鋼中のＳを固定する効果も発揮する。しかし、過剰に含有すると靱性が低下するので、Mn含有量は2.0％以下とする。
【００２３】
Moは、炭酸ガスおよび硫化水素を含有する環境における、耐食性の皮膜強化に極めて大きな効果を発揮する。したがって、耐食性の観点からは添加すればするほど改善されることになるが、Moを多く添加すると、δ−フェライトを生成し易くなり、これに伴って、オーステナイト生成元素を多く添加せざるを得なくなり、添加コストの上昇が見られる。このため、Mo含有量の上限を3.00％とする。
【００２４】
Cuは、オーステナイト生成元素であり、δ−フェライトの生成を抑え、組織の安定に有効である。しかし、過剰の添加は、高温、長時間での使用中の延性を低下させるので、Cu含有量は0.50％以下とする。
【００２５】
Niは、オーステナイト生成元素であり、δ−フェライトの生成を抑え、組織の安定と同時に、必要な強度の確保、耐食性の向上、および熱間加工性の改善には有効な元素である。しかし、過剰に添加しても、それらの効果が飽和し添加コストの上昇を招くだけであり、高温での使用中の延性を低下させる。したがって、Ni含有量は、11.00％以下とする。
【００２６】
Tiは、耐食性の改善に合わせ、強度や靱性の向上に有効な元素である。しかし、0.200％を超えて含有させると、靱性を劣化させる。
【００２７】
Alは、鋼の脱酸剤として添加される元素である。過剰の添加は鋼の清浄度を低下させ、加工性を損なうとともに、高温強度の低下を招くため、含有量は0.100％以下とする。
【００２８】
Ｎは、鋼の強度を確保するのに有効であるが、過剰に添加すると靱性を劣化させるので、含有量は0.150％以下とする。
【００２９】
Ｂは、鋼の強度を向上させると同時に、組織の微細化に寄与し、靱性および耐食性の改善に有効である。しかし、過剰な添加は靱性および耐食性の劣化を促すので、その含有量は0.0050％以下とする。
【００３０】
Nbは、鋼中で微細な炭化物または炭窒化物を形成して、クリープ強度を高める元素である。しかし、過剰の添加は、炭化物の粗大化を促し、靱性の低下を招くので、Nbの含有量は0.150％以下とする。
【００３１】
Ｖは、鋼中で微細な炭化物または炭窒化物を形成して、強度、靱性およびクリープ強度を高める元素である。しかし、過剰の添加は、炭化物の粗大化を促し、靱性の低下を招くので、Ｖの含有量は0.20％以下とする。
【００３２】
Caは、鋼中の硫化物の形状を改善して、熱間加工性を向上させるのに有効な元素である。しかし、過剰に添加すると靱性、耐食性を劣化させるので、Caの含有量は、0.0050％以下とする。
【００３３】
なお、本発明の製管用素材が13％Cr鋼であり、その成分元素がNi：1.5％以下、Mo：1.0％以下である場合には、Cuを無添加（例えば、含有量で0.2％未満）とし、後述する(b)式で示すＦ値は、−9.4未満とするのが望ましい。Cuはオーステナイト形成元素であるが、低融点金属であり粒界の熱間加工性を悪化させる元素でもあり、Ni含有量が少なくδフェライト相が出現しやすくなると、γ（オーステナイト）／δ粒界が多くなり、内面疵が発生しやすくなるからである。
【００３４】
上述の通り、本発明の製造方法では、δ−フェライトの生成を抑制するために、Cr含有量を規定し、かつＳおよびＰの含有量を規制することとしているが、これらの元素の他に、高Cr鋼として必要な成分元素を添加できることとしている。これらの元素の添加を想定して、下記の（a）式で規定するｆ値を後述する(b)式または(c)式で管理することとしている。
δ−フェライトは、凝固時に析出するフェライトまたは高温加熱時に生成するフェライトを指称するものであるが、上記(a)式で規定するｆ値は、このδ−フェライトの生成のし易さを容易に判断できるように指数化したものである。すなわち、式中において、オーステナイト生成元素を「＋」、フェライト生成元素を「−」として整理し、鋼材の組成上、熱間加工での高温加熱状態（1000〜1300℃）におけるδ−フェライト生成の難易度を、成分元素の影響係数と含有量との積によって示している。換言すれば、ｆ値はオーステナイト相の発生のし易さを示す指数としても把握することができる。
【００３６】
本発明で採用される製造工程は、慣用される継目無鋼管の製管工程であればよく、前述のように、丸鋼片からマンネスマン穿孔、プレス穿孔などにより中空素管を製造し、この素管を伸延圧延した後、絞り圧延で鋼管に仕上げる方式であればよい。
【００３７】
通常、寸法精度と生産性の面で有利なことから、マンネスマン−マンドレルミル方式、またはマンネスマン−プラグミル方式が適用される。前者の方式では、連続鋳造によって製造された製管用素材を1100〜1300℃に加熱した後、ピアサーで穿孔圧延によって中空素管とし、さらにマンドレルミルで延伸圧延して仕上圧延用素管を作製する。次いで、この仕上圧延用素管を延伸圧延ままの状態、または850〜1100℃に再加熱した後にストレッチレヂューサ、またはサイザーに通して、所定寸法の継目無鋼管に仕上げる。
【００３８】
製管工程におけるフェライト組織の生成には、製管された鋼管の熱履歴が影響する。すなわち、製管圧延に至るまでの鋳片または鋼片の段階、および素材（ビレット）の段階での高温（1100℃以上）での均熱時間が長ければ、偏析が拡散し、δ−フェライトの生成は抑制される。そのため、鋳片、鋼片として1100℃以上で均熱する時間（Hr）の総和をΣｔ1として、同時に、素材が1100℃以上で均熱する時間（Hr）の総和をΣｔ2として管理する必要がある。ただし、鋳片または鋼片の段階の均熱時間とは、分塊圧延工程での加熱炉または均熱炉内での1100℃以上で鋼材が均熱される時間であり、１ヒート圧延では鋳片１回分の均熱時間であり、２ヒート圧延では鋳片１回分および鋳片１回分を合計した均熱時間である。
【００３９】
本発明において、1100℃以上の均熱処理を対象としているのは、偏析の拡散速度が大きくなる処理を対象とするためであり、1100℃以上の均熱を長時間行うことによって、局部的な高濃度のＰ、Ｓの偏在を回避することができる。均熱処理の上限温度を規定する必要はないが、通常、1100〜1300℃の温度範囲が採用される。
【００４０】
δ−フェライトの生成には製管時の加熱温度が影響し、加熱温度Ｔを低温にするほど、フェライトの生成が抑制される。ここでいう加熱温度Ｔは、ピアサー穿孔圧延での材料温度であり、素材（ビレット）を1100〜1300℃に加熱した後の炉出し温度として把握することができる。
【００４１】
上述した本発明の技術思想を定量化したのが下記(b)式であり、不純物（Ｓ、Ｐ）偏析の拡散効果を判断し、鋳片または鋼片段階での均熱時間、素材段階での均熱時間の影響、さらに製管時の加熱温度の影響を確認するため、Ｆ値を導入している。
【００４２】
下記(b)式は、偏析が均熱によるソーキング効果によってなくなるまで、均熱時間（Σｔ1、Σｔ2）を理論的に充分長くした場合に、Ｆ＝ｆ＋1.4になることを意味し、このときのオーステナイト相の発生し易さが「＋1.4」であることを示している。そして、上工程になるほど偏析が大きくソーキング効果による偏析改善代が減少するため、上記「＋1.4」を分塊圧延工程（鋳片・鋼片）でのソーキング効果を「0.6」と、製管工程（素材）でのソーキング効果を「0.8」に分割した。
【００４３】
このように、分塊圧延工程または製管工程によって、均熱時間による偏析改善代は変動するが、いずれの工程においても、偏析改善代は均熱時間の指数関数として近似的に表すと、
【００４４】
したがって、下記(b)式で示す条件を満足しつつ、継目無鋼管の製管することによって、確実に内面疵の発生を抑制することができる。
上記(b)式は、加熱温度Ｔを1200℃として製管した場合の条件を示しているが、加熱温度Ｔが1200℃を外れる場合には、下記(c')式で示されるＫＴによる補正が必要になる。このときの補正は、値が負になる場合も考慮するとともに、放物線則に沿ったものとした。
このように製管時の加熱温度Ｔが1200℃を外れる場合には、ＫＴによる補正が必要になるのは、同一成分、同一熱履歴の場合であっても、最終加熱温度の影響でδフェライトの生成量が変動することを考慮したためである。以下、本発明の効果を、具体的な実施例に基づいて説明する。
【００４７】
【実施例】
本発明の方法で製造された高Cr系継目無鋼管の内面疵の発生状況を確認するため、表１〜３に示す化学組成の鋼片を準備した。準備した鋼片のうち、試料No.１〜28は13％Cr鋼、試料No.29〜33はSUS304鋼、試料No.34〜38はSUS316鋼、試料No.39〜42はSUS321鋼、試料No.44〜48はSUS347鋼にそれぞれ相当している。
【００４８】
【表１】
【表２】
【表３】
上記の鋼片を製管用素材として加熱炉で1100〜1300℃の温度範囲で均熱加熱した後、ピアサーで穿孔して中空素管とし、引き続きマンドレルミル圧延によって仕上圧延用素管を製造した。次に、仕上圧延用素管を1100℃に再加熱してからストレッチレヂューサに通して、外径88.9mm、内径70mm、長さ1000mmの継目無鋼管を製造した。
【００５２】
このときの製造、製管条件として、鋼片の均熱時間Σｔ1、素材の均熱時間Σｔ2および製管時の加熱温度Ｔを表４〜６に示す。さらに、前記(a)式によるｆ値、(b)、(c)式によるＦ値を計算して、その値を表４〜６に示している。
【００５３】
その後、製造された鋼管を所定の条件で焼入、焼戻の処理をして、引き続き内面疵の発生状況を調査した。その調査結果を表４〜６に示した。
【００５４】
【表４】
【表５】
【表６】
図１は、本実施例に基づく高Cr系継目無鋼管のＦ値と内面疵の発生率（％）との関係を示す図である。なお、図１に示す内面疵の発生率（％）は、製管後の検査において確認できた材料起因の中被れ疵、ヘゲ疵を発生した本数比で示している。
【００５８】
上記表１〜６および図１に示すように、本発明が対象とする高Cr系継目無鋼管であれば、13％Cr鋼、SUS304鋼、SUS316鋼等の鋼種に拘わらず、前記(b)、(c)式で規定されるＦ値を「−9.7」以下に管理することによって、内面疵の発生率を2.0％以下に低減して、優れた内面品質を確保できることが分かる。
【００５９】
【発明の効果】
本発明の製造方法によれば、高Cr鋼を製管用素材とする場合であっても、熱間製管工程でのδ−フェライトの生成を充分に抑止できるので、内面疵の発生が少ない高Cr系継目無鋼管の製造が可能である。しかも、素材の組成として不純物を過剰に低減する必要もなく、また、製管時には所定の生産性を確保できるので、内面品質に優れた高Cr系継目無鋼管を低廉な製造コストで効率的に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例に基づく高Cr系継目無鋼管のＦ値と内面疵の発生率（％）との関係を示す図である。
Claims (2)
- 質量％で、Ｃｒ含有量を１０〜２０％、Ｃ含有量を０．３０％以下、Ｓｉ含有量を１．００％以下、Ｍｎ含有量を２．０％以下、Ｎｉ含有量を１１．００％以下、Ｔｉ含有量を０．２００％以下、Ｎ含有量を０．１５０％以下、Ｖ含有量を０．２０％以下とし、さらにＭｏ：３．００％以下、Ｃｕ：０．５０％以下、Ａｌ：０．１００％以下、Ｂ：０．００５０％以下、Ｎｂ：０．１５０％以下およびＣａ：０．００５０％以下の元素のうち１種または２種以上を含有し、残部はＦｅおよび不純物からなり、不純物であるＳおよびＰの含有量をそれぞれ０．０５０％以下とし、
分塊圧延工程での加熱炉または均熱炉内で１１００℃以上で均熱する時間（Ｈｒ）の総和がΣｔ１である鋳片、または鋼片を製管用素材として、この素材を加熱炉で１１００℃以上で均熱する時間（Ｈｒ）の総和をΣｔ２とした後、加熱温度Ｔを１２００℃とし、下記（ａ）および（ｂ）式を満足するように製管することを特徴とする高Ｃｒ系継目無鋼管の製造方法。
- 質量％で、Ｃｒ含有量を１０〜２０％、Ｃ含有量を０．３０％以下、Ｓｉ含有量を１．００％以下、Ｍｎ含有量を２．０％以下、Ｎｉ含有量を１１．００％以下、Ｔｉ含有量を０．２００％以下、Ｎ含有量を０．１５０％以下、Ｖ含有量を０．２０％以下とし、さらにＭｏ：３．００％以下、Ｃｕ：０．５０％以下、Ａｌ：０．１００％以下、Ｂ：０．００５０％以下、Ｎｂ：０．１５０％以下およびＣａ：０．００５０％以下の元素のうち１種または２種以上を含有し、残部はＦｅおよび不純物からなり、不純物であるＳおよびＰの含有量をそれぞれ０．０５０％以下とし、
分塊圧延工程での加熱炉または均熱炉内で１１００℃以上で均熱する時間（Ｈｒ）の総和がΣｔ１である鋳片、または鋼片を製管用素材として、この素材を加熱炉で１１００℃以上で均熱する時間（Ｈｒ）の総和をΣｔ２とした後、加熱温度Ｔを１１００〜１３００℃（ただし、１２００℃を除く）とし、下記（ａ）および（ｃ）式を満足するように製管することを特徴とする高Ｃｒ系継目無鋼管の製造方法。
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