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JP6048615B2 - 耐歪時効特性及び耐ｈｉｃ特性に優れた高変形能ラインパイプ用鋼材およびその製造方法ならびに溶接鋼管 - Google Patents

耐歪時効特性及び耐ｈｉｃ特性に優れた高変形能ラインパイプ用鋼材およびその製造方法ならびに溶接鋼管 Download PDF

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Description

本発明は、３００℃以下のコーティング処理後の材質劣化の小さなラインパイプ用鋼材およびその製造方法ならびに溶接鋼管に関し、ｐＨ５以上の湿潤硫化水素環境において優れた耐ＨＩＣ特性を有し、ＡＰＩ Ｘ６０〜Ｘ７０グレードのラインパイプ用鋼材に関する。
近年、天然ガスや原油の輸送用として使用されるラインパイプは、高圧操業による輸送効率の向上のため、高強度化が求められる。アイスガウジング（Ｉｃｅ Ｇｏｕｇｉｎｇ）や地盤変動により大変形が生じても、亀裂の発生防止が可能な高変形能が要求される。たとえば、アイスガウジングが生じる寒冷の海底や地震地帯に敷設されるパイプラインでは、高一様伸びに加え、９０％以下の低降伏比を有するラインパイプが要求される。
ラインパイプに用いられるＵＯＥ鋼管やＥＲＷ鋼管のような溶接鋼管は、鋼板を冷間で管状に成形して、突き合わせ部を溶接後、通常防食の観点から鋼管外面にコーティング処理が施される。しかしながら、製管時の加工歪みとコーティング処理時の加熱により歪時効硬化現象が生じ、降伏応力が上昇し、鋼管における降伏比は鋼板における降伏比よりも大きくなってしまうという問題がある。
また、硫化水素を含む天然ガスや原油の輸送に用いられるラインパイプは、鋼と硫化水素の反応により生じた水素が鋼中に侵入し、割れが生じることがある。このため、強度、高一様伸び化、低降伏比化、耐歪時効特性の他に、耐水素誘起割れ性（耐ＨＩＣ性）が要求される。
低降伏比化、高一様伸び化の方法として、鋼材の金属組織を、フェライトの様な軟質相中に、ベイナイトやマルテンサイトなどの硬質相が適度に分散した組織とすることが有効であることが知られている。また、水素誘起割れを防止する方法として、偏析傾向の高いＰなどを低減することが有効であることが知られている。一方で、ガス田開発の拡大に伴い，サワー環境（ｐＨ、硫化水素分圧）も拡大しており，マイルドサワー環境（湿潤硫化水素環境）が着目されている。ｐＨ５以上の比較的酸性度の低い環境、いわゆるマイルドサワー環境下では、鋼中にＣｕを添加して、鋼材に保護皮膜を形成することによって、鋼中への水素の侵入を抑制することが有効であることが知られている。
軟質相の中に硬質相が適度に分散した組織を得る製造方法として、特許文献１には、焼入れと焼戻しの中間に、フェライトとオーステナイトの２相域からの焼入れを施す熱処理方法が開示されている。
また、特許文献１に開示される複雑な熱処理を行わずに低降伏比化を達成する技術として、特許文献２には、Ａｒ３温度以上で鋼材の圧延を終了し、その後の加速冷却速度と冷却停止温度を制御することで、針状フェライトとマルテンサイトの２相組織とし、低降伏比化を達成する方法が開示されている。
耐歪時効特性に対しては、たとえば、特許文献３および４には、ＴｉとＭｏを含有する複合炭化物の微細析出物、あるいは、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖのいずれか２種類以上を含有する複合炭化物の微細析出物を活用した、耐歪時効特性に優れた低降伏比高強度高靭性鋼管およびその製造方法が開示されている。
また、特許文献５には、鋼材の合金元素の添加量を大きく増加させることなく、ＡＰＩ ５Ｌ Ｘ７０以下の耐歪時効特性に優れた低降伏比高強度高一様伸びを達成する方法として、加速冷却後、直ちに再加熱を行うことで、ベイナイトとポリゴナルフェライトと島状マルテンサイト（ＭＡ）の３相組織とする方法が開示されている。
また、特許文献６には、Ｘ６５以上のフェライトとベイナイトの２相組織からなる鋼材の耐ＨＩＣ特性を得る方法として、フェライトとベイナイトの硬度差を小さくする方法が開示されている。
特開昭５５−９７４２５号公報 特開平１−１７６０２７号公報 特開２００５−６０８３９号公報 特開２００５−６０８４０号公報 特開２０１１−７４４４３号公報 特開２００３−３０１２３６号公報
特許文献１に記載の熱処理方法では、二相域焼入れ温度を適当に選択することにより、低降伏比化が達成可能である。しかしながら、熱処理工程数が増加するため、生産性の低下や製造コストの増加を招くという問題がある。
また、特許文献２に記載の技術では、その実施例が示すように、引張強さで４９０Ｎ／ｍｍ２（５０ｋｇ／ｍｍ２）以上の鋼材とするために、鋼材の炭素含有量を高めるか、あるいはその他の合金元素の添加量を増やした成分組成とする必要がある。このため、素材コストの上昇を招くだけでなく、溶接熱影響部靭性の劣化が問題となる。さらに、ＵＯＥ鋼管やＥＲＷ鋼管のような溶接鋼管は、上述したように、鋼板を冷間で管状へ成形して、突合せ部を溶接後、通常防食等の観点から鋼管外面にコーティングが施されるため、製管時の加工歪とコーティング処理時の加熱により歪時効硬化が生じ、降伏応力が上昇する。そのため、特許文献２の技術では、素材の鋼板の低降伏比化を達成しても、コーティング処理後における低降伏比化を達成することは困難である。
特許文献３または４に記載の技術では、耐歪時効特性は改善されたものの、その実施例が示すように、板厚２６ｍｍ以上の厚肉での強度の確保については、検討されていない。板厚２６ｍｍ以上の厚肉では、厚肉に伴う冷却速度低下により高強度化が困難で、ＡＰＩ ５Ｌ Ｘ６５〜Ｘ７０、厚肉、高変形能、耐歪時効特性、耐マイルドサワー性能を併せ持つ複合仕様材が未開発である。
さらに、特許文献５に記載の技術では、その実施例が示すように、歪時効処理後に８５％以下の低降伏比化を達成しているものの、湿潤硫化水素環境における水素誘起割れが懸念される。
特許文献６に記載の技術では、ｐＨ３．３以上の湿潤硫化水素環境において優れた耐ＨＩＣを有している。しかしながら、フェライトとベイナイトとの硬度差を低くする必要があるため、低降伏比化の未達成が懸念される。マイルドサワー環境下で使用される溶接鋼管については、厳しいサワー環境下に適応される鋼成分の清浄化などの材料設計は過剰であり、製造コストの上昇が問題である。
そこで、本発明は、ｐＨ５以上の湿潤硫化水素環境において優れた耐ＨＩＣ特性を示し、コーティング処理後であっても降伏比が低いＡＰＩ ５Ｌ Ｘ６０〜Ｘ７０グレードの高変形能ラインパイプ用鋼材およびその製造方法ならびに溶接鋼管を提供することを目的とする。
本発明者らは上記課題を解決するために、適正な成分組成と鋼材の製造方法、特に制御圧延および制御圧延後の加速冷却という製造プロセスについて鋭意検討した結果、以下の知見を得た。
（ａ）Ｃｕを適量添加し、Ｍｏを含有しない、あるいは、含有しても０．０１％以下にすることにより、耐ＨＩＣ特性を向上させることが可能である。
（ｂ）加速冷却過程で、冷却開始温度を適正に制御し、ベイナイト変態途中、すなわち未変態オーステナイトが存在する温度領域で冷却を停止し、その後ベイナイト変態終了温度（以下、Ｂｆ点と記載する。）以上から再加熱を行うことにより、鋼板の金属組織を、フェライトおよびベイナイトの混合相中に硬質相である島状マルテンサイト（Ｍａｒｔｅｎｓｉｔｅ−Ａｕｓｔｅｎｉｔｅ ｃｏｎｓｔｉｔｕｅｎｔ、以下、ＭＡと記載する。）が均一に生成した３相組織となり、歪時効処理前および歪時効処理後（以下、「歪時効処理前後」と称することもある。）の低降伏比化が可能である。
（ｃ）加速冷却における冷却開始温度と冷却停止温度を適正な温度とすることで、固溶Ｃを低減することができるため、歪時効後の降伏比の上昇が抑制できる。
本発明は上記の知見に更に検討を加えてなされたものであり、以下のとおりである。
［１］成分組成として、質量％で、Ｃ：０．０３０〜０．１００％、Ｓｉ：０．０１〜０．５０％、Ｍｎ：０．５〜２．５％、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．００２％以下、Ｃｕ：０．２０〜１．００％、Ｍｏ：０．０１％以下、Ｎｂ：０．００５〜０．０５％、Ｔｉ：０．００５〜０．０４０％、Ａｌ：０．１０％以下、Ｎ：０．００７％以下を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、金属組織がフェライトとベイナイトと島状マルテンサイトとを有し、前記島状マルテンサイトの面積分率が０．５〜５．０％であり、前記フェライトと前記ベイナイトとの硬度差がビッカース硬さで６０以上であり、３００℃以下の温度の歪時効処理前および歪時効処理後の夫々について、一様伸びが９％以上および降伏比が９０％以下である耐歪時効特性及び耐ＨＩＣ特性に優れた高変形能ラインパイプ用鋼材。
［２］前記成分組成に、さらに、質量％で、Ｎｉ：０．０２〜０．５０％、Ｃｒ：１．００％以下、Ｖ：０．１０％以下、Ｃａ：０．００５０％以下、Ｂ：０．００５０％以下の１種または２種以上を含有する［１］に記載の耐歪時効特性及び耐ＨＩＣ特性に優れた高変形能ラインパイプ用鋼材。
［３］［１］または［２］に記載の成分組成を有する鋼を、１０００〜１３００℃の温度に加熱し、Ａｒ３点以上の圧延終了温度で熱間圧延した後、（Ａｒ３−５０）〜（Ａｒ３＋３０）℃の冷却開始温度から５℃／ｓ以上の冷却速度で冷却停止温度４５０〜６５０℃まで加速冷却を行い、その後直ちに０．５℃／ｓ以上の昇温速度で５５０℃〜７５０℃まで再加熱を行う、金属組織がフェライトとベイナイトと島状マルテンサイトとを有し、前記島状マルテンサイトの面積分率が０．５〜５％であり、前記フェライトと前記ベイナイトの硬度差がビッカース硬さで６０以上であり、３００℃以下の温度の歪時効処理前および歪時効処理後の夫々について、一様伸びが９％以上および降伏比が９０％以下である耐歪時効特性及び耐ＨＩＣ特性に優れた高変形能ラインパイプ用鋼材の製造方法。
［４］［１］または［２］に記載の鋼材を素材とする溶接鋼管。
本発明によれば、ｐＨ５以上の湿潤硫化水素環境において優れた耐ＨＩＣ特性を示し、３００℃以下のコーティング処理後であっても降伏比が低いＡＰＩ ５Ｌ Ｘ６０〜Ｘ７０グレードの高変形能ラインパイプ用鋼材を得られる。
なお、本発明における耐歪時効特性とは、３００℃以下の温度の熱処理を施しても降伏比の過度な上昇を抑制できる特性をいう。また、本発明における耐ＨＩＣ特性とは、ｐＨ５以上の湿潤硫化水素環境において水素誘起割れが発生しない特性をいう。また、高変形能とは、一様伸びが９％以上および降伏比が９０％以下を満たす特性をいう。
以下、本発明について具体的に説明する。
１．成分組成
以下に、本発明に係る鋼材の成分組成の限定理由を説明する。なお、成分組成を示す単位の％は、全て質量％を意味する。
Ｃ：０．０３０〜０．１００％
Ｃは炭化物として析出強化に寄与する元素である。Ｃが０．０３０％未満では、ＭＡ（島状マルテンサイト）の生成が不足するため、十分な強度が確保できないほか、フェライトとベイナイトとの硬度差を所定量確保できないため、降伏比が大きくなる。Ｃが０．１００％を超えると、靭性や溶接性の劣化、歪時効による降伏比の上昇を招く。このため、Ｃ含有量を０．０３０〜０．１００％に規定する。好ましくは、Ｃ含有量は０．０５％以上である。また、好ましくは、Ｃ含有量は０．０９％以下である。
Ｓｉ：０．０１〜０．５０％
Ｓｉは脱酸のため含有する。Ｓｉが０．０１％未満では脱酸効果が十分ではない。Ｓｉが０．５０％を超えると靭性や溶接性の劣化を招く。このため、Ｓｉ含有量を０．０１〜０．５０％に規定する。好ましくは、Ｓｉ含有量は０．０１〜０．３％である。
Ｍｎ：０．５〜２．５％
Ｍｎは、強度、靭性のため含有する。Ｍｎが０．５％未満ではその効果が十分ではなく、また、ＭＡ（島状マルテンサイト）が不足するため、降伏比が大きくなる。このため、Ｍｎ含有量は０．５％以上とし、ＭＡ生成による低降伏比化の観点から、好ましくは、１．２％以上であり、より好ましくは、１．５％以上である。一方、Ｍｎが２．５％を超えると靭性と溶接性が劣化する。このため、Ｍｎ含有量を２．５％以下に規定し、好ましくは、２．０％以下である。
Ｐ：０．０１５％以下
Ｐは溶接性と耐ＨＩＣ特性を劣化させる不可避的不純物元素である。このため、Ｐ含有量は、０．０１５％以下に規定する。好ましくは、Ｐ含有量は０．０１０％以下である。
Ｓ：０．００２％以下
Ｓは一般的には鋼中においてはＭｎＳ介在物となり耐ＨＩＣ特性を劣化させる。このため、少ないほどよい。Ｓが０．００２％以下であれば問題ないため、Ｓ含有量の上限を０．００２％に規定する。好ましくは、Ｓ含有量は０．００１５％以下である。
Ｃｕ：０．２０〜１．００％
Ｃｕは本発明において重要な元素であり、鋼中への水素の侵入を抑制し、耐ＨＩＣ特性向上に寄与する。しかし、Ｃｕが０．２０％未満ではその効果が十分ではなく、１．００％を超えると溶接性が劣化する。このため、Ｃｕ含有量を０．２０〜１．００％に規定する。好ましくは、Ｃｕ含有量は０．２５％以上である。また、好ましくは、Ｃｕ含有量は０．５％以下である。
Ｍｏ：０．０１％以下（０を含む）
Ｍｏは歪時効による降伏比の上昇、および、耐ＨＩＣ特性の劣化を招く。このため、Ｍｏは含有しないか、あるいは含有しても０．０１％以下に規定する。好ましくは、Ｍｏ含有量は０．００５％以下である。
Ｎｂ：０．００５〜０．０５％
Ｎｂは組織の微細化により靭性を向上させ、さらに炭化物を形成し、強度上昇に寄与する。しかし、Ｎｂが０．００５％未満ではその効果が十分ではなく、０．０５％を超えると溶接熱影響部の靭性が劣化する。このため、Ｎｂ含有量を０．００５〜０．０５％に規定する。好ましくは、Ｎｂ含有量は０．０１〜０．０５％である。
Ｔｉ：０．００５〜０．０４０％
ＴｉはＴｉＮのピニング効果により、スラブ加熱時のオーステナイト粗大化を抑制し、母材靭性を向上させ、さらに固溶Ｎを低減し歪時効による降伏比上昇を抑制する。しかし、Ｔｉが０．００５％未満ではその効果が十分ではなく、０．０４０％を超えると溶接熱影響部の靭性が劣化する。このため、Ｔｉ含有量は０．００５〜０．０４０％に規定する。好ましくは、Ｔｉ含有量は０．００５〜０．０２％である。
Ａｌ：０．１０％以下
Ａｌは脱酸剤として含有する。Ａｌが０．１０％を超えると鋼の清浄度が低下し、靭性が劣化する。このため、Ａｌ含有量は０．１０％以下に規定する。好ましくは、Ａｌ含有量は０．０１〜０．０８％とする。
Ｎ：０．００７％以下
Ｎは歪時効による降伏比の上昇、溶接熱影響部の靭性の劣化を招く不可避的不純物元素である。このため、Ｎ含有量の上限を０．００７％に規定する。好ましくは、Ｎ含有量は０．００６％以下である。
以上が本発明の基本成分である。なお、鋼板の強度および靭性をさらに改善し、且つ耐ＨＩＣ特性を向上する目的で、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｖ、Ｃａ、Ｂの１種または２種以上を含有してもよい。
Ｎｉ：０．０２〜０．５０％
Ｎｉは耐ＨＩＣ向上に寄与し、靭性の改善と強度の上昇に有効な元素である。Ｎｉが０．０２％未満ではその効果が十分ではなく、０．５０％を超えて含有しても効果が飽和し、むしろコスト的に不利になる。このため、含有する場合はＮｉ含有量を０．０２〜０．５０％に規定する。好ましくは、Ｎｉ含有量は０．２％以上である。また、好ましくは、Ｎｉ含有量は０．４％以下である。
Ｃｒ：１．００％以下
Ｃｒは低Ｃでも十分な強度を得るために有効な元素である。Ｃｒが１．００％を超えると溶接性が劣化する。このため、含有する場合はＣｒ含有量の上限を１．００％に規定する。好ましくは、０．１〜０．５％以下である。
Ｖ：０．１０％以下
Ｖは組織の微細化により靭性を向上させ、さらに炭化物を形成し、強度の向上に寄与する。Ｖが０．１０％を超えると溶接熱影響部の靭性が劣化する。このため、含有する場合はＶ含有量は０．１０％以下に規定する。好ましくは、Ｖ含有量は０．００５％以上である。また、好ましくは、Ｖ含有量は０．０５％以下である。
Ｃａ：０．００５０％以下
Ｃａは硫化物系介在物の形態制御による靭性改善に有効な元素である。Ｃａが０．００５０％を超えると効果が飽和し、むしろ、鋼の清浄度の低下により靭性を劣化させる。このため、含有する場合は、Ｃａ含有量を０．００５０％以下に規定する。好ましくは、Ｃａ含有量は０．００１％以上である。また、好ましくは、Ｃａ含有量は０．００４％以下である。
Ｂ：０．００５０％以下
Ｂは強度上昇、溶接熱影響部の靭性改善に有効な元素である。Ｂが０．００５０％を超えると溶接性を劣化させる。このため、含有する場合は、Ｂ含有量を０．００５０％以下に規定する。好ましくは、Ｂ含有量は０．００３％以下である。また、好ましくは、Ｂ含有量は０．０００３％以上である。
本発明の鋼材における上記成分以外の残部は、Ｆｅおよび不可避的不純物である。ただし、本発明の作用効果を害さない範囲であれば、上記以外の元素の含有を問題としない。
２．金属組成
本発明の鋼板の金属組織は、フェライトとベイナイトと島状マルテンサイトとからなる３相組織を主体とする。フェライトとベイナイトと島状マルテンサイトとからなる３相組織を主体とするとは、フェライトとベイナイトと島状マルテンサイトの面積分率が合計で９０％以上の複相組織をいう。残部としては、マルテンサイト（島状マルテンサイトを除く）やパーライト、残留オーステナイト等から選ばれる１種または２種以上の合計の面積分率が１０％以下の組織である。
さらに、島状マルテンサイトの面積分率は０．５〜５．０％とする。これにより、歪時効硬化処理前後の降伏比９０％以下を満足することができる。島状マルテンサイトの面積分率が０．５％未満では低降伏比化を達成するには不十分な場合がある。また、島状マルテンサイトの面積分率が５．０％を超えると母材靱性および耐ＨＩＣ特性を劣化させる場合がある。島状マルテンサイトは、コーティング処理時の加熱温度（最高３００℃）においても分解することなく安定なため、本発明においてはコーティング処理後も低降伏比を達成することが可能である。なお、コーティング処理時の熱処理においては、歪時効硬化現象が生じるため、歪時効処理前と歪時効処理後の低降伏比化を達成することにより、溶接鋼管製造においてコーティング処理を行っても低降伏比化を達成することができる。なお、フェライトとベイナイトの面積分率は特に限定する必要はないが、低降伏比化および耐ＨＩＣ特性の観点から、フェライトの面積分率は１０％以上、ベイナイトの面積分率は１０％以上であることが好ましい。
フェライトとベイナイトとの硬度差は、ビッカース硬さ（ＨＶ）で６０以上とする。硬度差を６０以上にすることにより、歪時効硬化処理前後の降伏比９０％以下を満足することができる。硬度差がＨＶで６０未満の場合、フェライトあるいはベイナイトの単相組織と挙動が変わらず、降伏比が高くなり、所望の降伏比を達成することが困難となる。また、硬度差がＨＶで１８０より大きい場合、耐ＨＩＣ特性を劣化させるとともに歪時効後の降伏比を上昇させる場合があるため、硬度差はＨＶで１８０以下とすることが好ましい。より好ましくは、硬度差はＨＶで１５０以下である。
なお、各金属組織は、例えば、光学顕微鏡あるいは走査型電子顕微鏡観察し、得られた少なくとも３視野以上ミクロ組織写真を画像処理することにより、組織の種類および各相の面積分率を求めることができる。また、ＭＡ（島状マルテンサイト）は、たとえば３％ナイタール溶液（ｎｉｔａｌ：硝酸アルコール溶液）でエッチング後、電解エッチングして観察すると、容易に識別可能である。ＭＡは、走査型電子顕微鏡観察し，得られた少なくとも３視野以上ミクロ組織写真を画像処理することにより面積分率を求めることができる。
また、硬度はビッカース硬度計によって測定した値とし、それぞれの相の内部で最適な大きさの圧痕を得るため任意の荷重を選択することができる。フェライトとベイナイトとで同一の荷重で硬度測定をすることが望ましい。また、ミクロ組織の局所的な成分または測定誤差によるばらつきを考慮して、それぞれの相について少なくとも１５点以上の異なる位置で硬度測定を行い、フェライトとベイナイトの硬度として、それぞれの相の平均硬度を用いることが好ましい。平均硬度を用いる場合の硬度差は、フェライトの硬度の平均値と、ベイナイトの硬度の平均値との差の絶対値を用いるものとする。
３．歪時効処理前後の引張特性
３００℃以下の温度の歪時効処理前および歪時効処理後の夫々について、一様伸びが９％以上および降伏比が９０％以下
地震地帯に適用されるラインパイプ用鋼材は、地盤変動のような大きな変形を受ける場合でも破壊しないように高変形能であることが要求されている。さらに防食のためのコーティングで最大３００℃に加熱される歪時効処理後でも高変形能を維持することが必要である。３００℃以下の温度の歪時効処理前および歪時効処理後の夫々について、一様伸びが９％以上および降伏比が９０％以下である場合は、十分な高変形能が得られ、地震などの大変形により破壊に至る虞はない。そのため、本発明の鋼材では、３００℃以下の温度の歪時効処理前および歪時効処理後の夫々について、一様伸びを９％以上とし、降伏比を９０％以下とする。この３００℃以下の温度の歪時効処理前および歪時効処理後の夫々は、高変形能の観点から、一様伸びが１０％以上および降伏比が８８％以下であることが好ましい。
４．製造条件
次に、本発明の高変形能ラインパイプ用鋼材の製造方法について説明する。本発明の高変形能ラインパイプ用鋼材の製造方法としては、上述した成分組成を有する鋼素材を用い、加熱温度：１０００〜１３００℃、圧延終了温度：Ａｒ３点以上で熱間圧延を行った後、（Ａｒ３−５０）〜（Ａｒ３＋３０）℃の冷却開始温度から５℃／ｓ以上の冷却速度で冷却停止温度４５０〜６５０℃まで加速冷却を行い、その後直ちに０．５℃／ｓ以上の昇温速度で５５０〜７５０℃まで再加熱を行うことで、所望の金属組織とすることができる。ここで、温度は鋼材の中央部温度とする。なお、Ａｒ３点は、以下の式より計算される。
Ａｒ３（℃）＝９１０−３１０Ｃ−８０Ｍｎ−２０Ｃｕ−１５Ｃｒ−５５Ｎｉ−８０Ｍｏ
上記式において、元素記号は各元素の含有量（質量％）を示し、含有しない場合は０とする。
次に、各製造条件の限定理由について説明する。
加熱温度：１０００〜１３００℃
加熱温度が１０００℃未満では炭化物の固溶が不十分で必要な強度が得られず、１３００℃を超えると母材靭性が劣化する。このため、加熱温度を１０００〜１３００℃に規定する。
圧延終了温度：Ａｒ３点以上
圧延終了温度がＡｒ３点未満であると、その後のフェライト変態速度が低下し、圧延による塑性歪がフェライト中に残存してフェライト強度が高くなり、フェライトとベイナイトとの硬度差が低下するため、所望の降伏比が達成できなくなる。このため、圧延終了温度をＡｒ３点以上に規定する。さらに、９００℃以下の温度域における累積圧下率を５０％以上とすることが好ましい。９００℃以下の温度域における累積圧下率を５０％以上とすることにより、オーステナイト粒を微細化することができる。
加速冷却の冷却開始温度：（Ａｒ３−５０）〜（Ａｒ３＋３０）℃
冷却開始温度が（Ａｒ３−５０）℃未満の温度ではフェライトの面積分率が増加し、母材強度が劣化する。さらに、フェライトとベイナイトの硬度差が大きくなり、耐ＨＩＣ特性が劣化する。よって、冷却開始温度は（Ａｒ３−５０）℃以上とし、好ましくは、（Ａｒ３−３０）℃以上である。また、冷却開始温度が（Ａｒ３＋３０）℃を超えるとフェライトの面積分率が減少するとともにフェライトとベイナイトの硬度差の低下が生じ、低降伏比化を達成するには不十分となる。よって、冷却開始温度は（Ａｒ３＋３０）℃以下とし、好ましくは、（Ａｒ３＋２５）℃以下である。
加速冷却の冷却速度：５℃／ｓ以上
冷却速度が５℃／ｓ未満では冷却時にパーライトを生成し、十分な強度や低降伏比が得られないため、冷却速度を５℃／ｓ以上に規定する。好ましくは、冷却速度は８℃／ｓ以上、より好ましくは１０℃／ｓ以上である。また、好ましくは、冷却速度は１００℃／ｓ以下、より好ましくは６０℃／ｓ以下である。
冷却停止温度：４５０〜６５０℃
本発明において、加速冷却の冷却停止温度は重要な製造条件である。本発明では、再加熱後に存在するＣの濃縮した未変態オーステナイトが、その後の空冷時にＭＡ（島状マルテンサイト）へと変態する。すなわち、ベイナイト変態途中の未変態オーステナイトが存在する温度域で冷却を停止する必要がある。冷却停止温度が４５０℃未満では、ベイナイト変態が完了するため空冷時にＭＡ（島状マルテンサイト）が生成せず低降伏比化が達成できない。６５０℃を超えると冷却中に析出するパーライトにＣが消費されＭＡ（島状マルテンサイト）の生成が抑制され、ＭＡ量が不足する。このため、加速冷却の冷却停止温度を４５０〜６５０℃に規定する。好ましくは、冷却停止温度は５１５℃以上、より好ましくは５３０℃以上である。また、好ましくは、冷却停止温度は６３５℃以下、より好ましくは６２０℃以下である。
本発明においては、加速冷却後、直ちに再加熱を行うことが好ましい。未変態オーステナイトが存在する状態から再加熱を行うことが好ましいからである。「直ちに」とは製造効率や熱処理に要する燃料コストを削減する観点から、冷却停止の後１２０秒以内であることが好ましい。
加速冷却停止後直ちに０．５℃／ｓ以上の昇温速度で５５０〜７５０℃の温度まで再加熱する
このプロセスも、本発明において重要な製造条件である。再加熱時の未変態オーステナイトからのフェライト変態と、それに伴う未変態オーステナイトへのＣの排出により、再加熱後の空冷時にＣが濃化した未変態オーステナイトがＭＡ（島状マルテンサイト）へと変態する。このようなＭＡ（島状マルテンサイト）を得るためには、加速冷却後Ｂｆ点以上の温度から５５０〜７５０℃の温度域まで再加熱する必要がある。昇温速度が０．５℃／ｓ未満では、目的の再加熱温度に達するまでに長時間を要するため製造効率が悪化し、また、パーライト変態が生じるためＭＡ（島状マルテンサイト）が得られず、十分な低降伏比を得ることができない。
再加熱の温度が５５０℃未満ではフェライト変態が十分起こらずＣの未変態オーステナイトへの排出が不十分となり、ＭＡが生成せず低降伏比化が達成できない。再加熱温度７５０℃を超えると、ベイナイトの軟化によりフェライトとベイナイトとの硬度差がＨＶで６０未満となり、低降伏比が達成できない。このため、再加熱の温度域を５５０〜７５０℃に規定する。なお、確実にフェライト変態を生じさせてＣを未変態オーステナイトへ濃化させるためには、再加熱の際に、再加熱開始温度より５０℃以上昇温することが望ましい。再加熱後の冷却速度は基本的には空冷とすることが好ましい。
以上の製造プロセスにより、３００℃以下の温度の歪時効処理前後における一様伸びが９％以上および降伏比が９０％以下である耐歪時効特性および耐ＨＩＣ性に優れた高変形能ラインパイプ用鋼材を得ることが可能となる。本発明においては、一般的な鋼管のコーティング工程における３００℃以下の温度の熱履歴を経ても、歪時効により降伏比上昇や一様伸びの低下を抑制することができ、一様伸び９％以上および降伏比９０％以下を確保することができる。なお、コーティング処理時の熱処理においては、歪時効硬化現象が生じるため、歪時効処理前と歪時効処理後の低降伏比化を達成することにより、溶接鋼管製造においてコーティング処理を行っても低降伏比化を達成することができる。
５．溶接鋼管の製造方法
さらに、溶接鋼管の製造方法について説明する。
本発明は上述の鋼材を用いて鋼管となす。鋼管の成形方法としては、ＵＯＥプロセスやプレスベンド（ベンディングプレスとも称する）等の冷間成形によって鋼管形状に成形する方法が挙げられる。
ＵＯＥプロセスでは、素材となる厚鋼板の幅方向端部に開先加工を施したのち、プレス機を用いて鋼板の幅方向端部の端曲げを行い、続いて、プレス機を用いて鋼板をＵ字状にそしてＯ字状に成形することにより、鋼板の幅方向端部同士が対向するように鋼板を円筒形状に成形する。次いで、鋼板の対向する幅方向端部をつき合わせて溶接する。この溶接をシーム溶接と呼ぶ。このシーム溶接においては、円筒形状の鋼板を拘束し、対向する鋼板の幅方向端部同士を突き合わせて仮付溶接する仮付溶接工程と、サブマージアーク溶接法によって鋼板の突き合わせ部の内外面に溶接を施す本溶接工程との、二段階の工程を有する方法が好ましい。シーム溶接を行った後に、溶接残留応力の除去と鋼管真円度の向上のため、拡管を行う。拡管工程において拡管率（拡管前の管の外径に対する拡管前後の外径変化量の比）は、通常、０．３％〜１．５％の範囲で実施される。真円度改善効果と拡管装置に要求される能力とのバランスの観点から、拡管率は０．５％〜１．２％の範囲であることが好ましい。その後、防食を目的としてコーティング処理を実施することができる。コーティング処理としては、外面に、たとえば、２００〜３００℃の温度域に加熱した後、たとえば公知の樹脂を塗布すればよい。
プレスベンドの場合には、鋼板に三点曲げを繰り返すことにより逐次成形し、ほぼ円形の断面形状を有する鋼管を製造する。その後は、上述のＵＯＥプロセスと同様に、シーム溶接を実施する。プレスベンドの場合にも、シーム溶接の後、拡管を実施してもよく、また、コーティングを実施することもできる。
表１に示す成分組成（残部はＦｅおよび不可避的不純物）の鋼（鋼種Ａ〜Ｋ）を、表２に示す条件で板厚３０ｍｍ、３３ｍｍの鋼材を製造した。再加熱については、誘導加熱炉またはガス燃焼炉を用いて行った。なお、加熱温度、圧延終了温度、冷却停止（終了）温度及び、再加熱温度等の温度は鋼板の中央部温度とした。中央部温度は、スラブもしくは鋼板の中央部に熱電対を挿入し、直接測定、あるいは、スラブもしくは鋼板の表面温度より、板厚、熱伝導率等のパラメータを用いて算出した。また、冷却速度は、熱間圧延終了後、冷却停止（終了）温度まで冷却に必要な温度差をその冷却を行うのに要した時間で割った平均冷却速度である。また、再加熱速度（昇温速度）は、冷却後、再加熱温度までの再加熱に必要な温度差を再加熱するのに要した時間で割った平均昇温速度である。
Figure 0006048615
Figure 0006048615
上記のように製造した鋼材について、組織観察を行うとともに、引張特性、硬度差、耐ＨＩＣ特性を測定した。評価方法は以下のとおりである。
（１）組織観察
得られた厚鋼板から組織観察用試験片を採取し、Ｌ方向断面を研磨、ナイタール腐食して、板厚中央位置から±２ｍｍの領域である板厚中央部について、光学顕微鏡（倍率：４００倍）または走査型電子顕微鏡（倍率：２０００倍）を用いて、ミクロ組織を各３視野以上観察し、撮像して画像解析により、組織の種類および各相の面積分率を求めた。
（２）引張特性
歪時効処理前の引張強度については、圧延垂直方向のＪＩＳ Ｚ ２２０１に規定される４号試験片を２本採取し、引張試験を行い、その平均値で評価した。引張強度５１７ＭＰａ以上（ＡＰＩ ５Ｌ Ｘ６０以上）を本発明に必要な強度とした。降伏比、一様伸びは、圧延方向のＪＩＳ Ｚ ２２０１に規定される４号試験片を２本採取し、引張試験を行い、その平均値で評価した。降伏比９０％以下、一様伸び９％以上を本発明に必要な降伏比とした。
また、歪時効処理後の引張強度については、圧延方向のＪＩＳ Ｚ ２２０１に規定される４号試験片を２本採取し、２．０％の引張歪を付与した後、２５０℃にて５分間保持して、歪時効処理した後、引張試験を実施し、その平均値で評価した。なお、歪時効処理後の評価基準は、上述した歪時効処理前の評価基準と同一の基準で判定した。
（３）硬度差
得られた厚鋼板から硬さ測定用試験片を採取し、フェライトとベイナイトの硬度を、測定荷重５ｇのビッカース硬度計により測定し、１０点以上の測定結果の平均値を用いて、フェライトとベイナイトとの硬度差を求めた。
（４）耐ＨＩＣ特性
耐ＨＩＣ特性は１００％硫化水素を飽和させたｐＨ約５．０の５％ＮａＣｌを含む１ｍｏｌ／ｌ酢酸緩衝溶液中に９６時間浸漬する条件でＨＩＣ試験を行い、割れが認められない場合を耐ＨＩＣ特性良好と判断して○印で示し、割れが発生した場合を×印で示した。
測定結果を表３に示す。なお、金属組織は、特記したものを除き（Ｎｏ．１１はフェライトの面積分率：２％）、いずれも、フェライトの面積分率は１０％以上であり、ベイナイトの面積率も１０％以上であった。
Figure 0006048615
表３において、本発明例であるＮｏ．１〜７はいずれも、化学成分及び製造方法が本発明の範囲内であり、２．０％の引張歪を付与し、２５０℃にて５分間の歪時効処理前後で、引張強度５１７ＭＰａ以上の高強度で降伏比９０％以下、一様伸び９％以上となり、低降伏比、高一様伸びで、かつ優れた耐ＨＩＣ特性を示した。
また、鋼材の組織はフェライトとベイナイトと島状マルテンサイトとからなり、島状マルテンサイトの面積分率が０．５〜５％であり、フェライトとベイナイトとの硬度差がビッカース硬さで６０以上であった。
一方、比較例であるＮｏ．８〜１３は、化学成分は本発明の範囲内であるが、製造方法が本発明の範囲外であるため、組織、強度、歪時効処理前後いずれかの降伏比、一様伸びのいずれかが不十分であった。Ｎｏ．１４〜１８は化学成分が本発明の範囲外または製造方法が本発明の範囲外であるので、十分な強度が得られないか、降伏比が高いか、一様伸びが低いか、ＨＩＣ試験で割れが生じていた。

Claims (4)

  1. 成分組成として、質量％で、Ｃ：０．０３０〜０．１００％、Ｓｉ：０．０１〜０．５０％、Ｍｎ：０．５〜２．５％、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．００２％以下、Ｃｕ：０．２０〜１．００％、Ｍｏ：０．０１％以下、Ｎｂ：０．００５〜０．０５％、Ｔｉ：０．００５〜０．０４０％、Ａｌ：０．１０％以下、Ｎ：０．００７％以下を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、金属組織がフェライトとベイナイトと島状マルテンサイトとを合計で面積分率で９０％以上有し、前記島状マルテンサイトの面積分率が０．５〜５．０％であり、前記フェライトと前記ベイナイトとの硬度差がビッカース硬さで６０以上１８０以下であり、３００℃以下の温度の歪時効処理前および歪時効処理後の夫々について、一様伸びが９％以上および降伏比が９０％以下である耐歪時効特性及び耐ＨＩＣ特性に優れた高変形能ラインパイプ用鋼材。
  2. 前記成分組成に、さらに、質量％で、Ｎｉ：０．０２〜０．５０％、Ｃｒ：１．００％以下、Ｖ：０．１０％以下、Ｃａ：０．００５０％以下、Ｂ：０．００５０％以下の１種または２種以上を含有する請求項１に記載の耐歪時効特性及び耐ＨＩＣ特性に優れた高変形能ラインパイプ用鋼材。
  3. 請求項１または請求項２に記載の成分組成を有する鋼を、１０００〜１３００℃の温度に加熱し、Ａｒ３点以上の圧延終了温度で熱間圧延した後、（Ａｒ３−５０）〜（Ａｒ３＋３０）℃の冷却開始温度から５℃／ｓ以上の冷却速度で冷却停止温度４５０〜６５０℃まで加速冷却を行い、その後１２０秒以内に０．５℃／ｓ以上の昇温速度で５５０℃〜７５０℃まで再加熱を行う、金属組織がフェライトとベイナイトと島状マルテンサイトとを合計で面積分率で９０％以上有し、前記島状マルテンサイトの面積分率が０．５〜５．０％であり、前記フェライトと前記ベイナイトの硬度差がビッカース硬さで６０以上１８０以下であり、３００℃以下の温度の歪時効処理前および歪時効処理後の夫々について、一様伸びが９％以上および降伏比が９０％以下である耐歪時効特性及び耐ＨＩＣ特性に優れた高変形能ラインパイプ用鋼材の製造方法。
  4. 請求項１または請求項２に記載の鋼材を素材とする溶接鋼管。
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