継目無鋼管およびその製造方法
【課題】クレーンのブーム等の機械構造部材に特に好適な、高強度と高靭性を有する肉厚が３０ｍｍを超える厚肉継目無鋼管を提供する。
【解決手段】質量％で、Ｃ：０．１０〜０．２０％、Ｓｉ：０．０５〜１．０％、Ｍｎ：０．０５〜１．２％、Ｃｒ：０．５０〜１．５０％、Ｍｏ：０．５０〜１．５０％、Ｎｂ：０．００２〜０．１０％％、Ａｌ：０．００５〜０．１０％、並びにＴｉ：０．００３〜０．０５０％およびＶ：０．０１〜０．２０％の１種または２種を含有し、残部はＦｅおよび不純物からなり、不純物中のＮｉが０．１０％未満、Ｃｕが０．２０％以下、Ｐが０．０２５％以下、Ｓが０．００５％以下、Ｎが０．００７％以下、Ｂが０．０００３％未満である低合金鋼からなり、引張強度９５０ＭＰａ以上、降伏強度８５０ＭＰａ以上であって、−４０℃でのシャルピー吸収エネルギーが６０Ｊ以上であり、肉厚が３０ｍｍ超である継目無鋼管およびその製造方法。
【解決手段】質量％で、Ｃ：０．１０〜０．２０％、Ｓｉ：０．０５〜１．０％、Ｍｎ：０．０５〜１．２％、Ｃｒ：０．５０〜１．５０％、Ｍｏ：０．５０〜１．５０％、Ｎｂ：０．００２〜０．１０％％、Ａｌ：０．００５〜０．１０％、並びにＴｉ：０．００３〜０．０５０％およびＶ：０．０１〜０．２０％の１種または２種を含有し、残部はＦｅおよび不純物からなり、不純物中のＮｉが０．１０％未満、Ｃｕが０．２０％以下、Ｐが０．０２５％以下、Ｓが０．００５％以下、Ｎが０．００７％以下、Ｂが０．０００３％未満である低合金鋼からなり、引張強度９５０ＭＰａ以上、降伏強度８５０ＭＰａ以上であって、−４０℃でのシャルピー吸収エネルギーが６０Ｊ以上であり、肉厚が３０ｍｍ超である継目無鋼管およびその製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、厚肉の継目無鋼管およびその製造方法に関する。特に機械構造部材用、とりわけクレーンブーム用の継目無鋼管として、好適な継目無鋼管とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
機械構造部材のうち、円筒形のものは従来、棒鋼に鍛造又は延伸圧延を施して、あるいはさらに切削加工を施して所望の形状とした後に、熱処理が施され、機械構造部材に必要な機械的性質が付与されることが多い。近年、構造物の大型化および高耐力化の傾向をうけて、円筒形の構造部材を中空の継目無鋼管に置き換えることで軽量化が計られてきた。特に、クレーンのブーム材等、円筒形の構造部材としての鋼管は、クレーンの大型化、高層建築や寒冷地での作業等に鑑みて、高強度化とともに高靭性化が求められてきた。最近では、ブーム用途として、９５０ＭＰａ以上の引張強さを有し、かつ−４０℃という低温で優れた靭性を有することが継目無鋼管に要求されるようになってきた。このような用途に関しては、５〜５０ｍｍ程度の肉厚、特に８〜４５ｍｍ程度の肉厚の鋼管が要求される場合が多い。
【０００３】
高強度かつ高靭性の鋼管に関しては、従来より、種々の技術が提案されている。
【０００４】
例えば、特許文献１では、所定の範囲に規定してなるＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉ、ＡｌおよびＮ、並びにＮｂまたはＶのうちの１種以上を含み、さらにＢを０．０００５〜０．００２５％含有させた低合金鋼を製管後熱処理することによって、低温靭性に優れた高張力継目無鋼管の製造方法が提案されている。
【０００５】
特許文献２では、所定の範囲に規定してなるＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ａｌ、ＮｂおよびＮ、あるいはさらにＣｒ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｖ、ＲＥＭ、Ｃａ、Ｃｏ、Ｃｕを選択的に含有させた上で、Ｂを０．０００５〜０．００３０％含有させ、かつＴｉを−０．００５％＜（Ｔｉ−３．４Ｎ）＜０．０１％の範囲内で含有させた鋼であって、焼戻しによって析出する析出物の大きさが０．５μｍ以下である高強度高靭性継目無鋼管が提案されている。
【０００６】
また、特許文献３では、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｃｕ、Ｎ、Ｗを所定の範囲に含有させた低合金鋼を用いて、造管後に焼入れ焼戻しによって高強度継目無鋼管を得る技術が提案されている。
【０００７】
さらに、特許文献４では、所定の範囲のＣ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｎｂを含有させ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｐ、Ｓ、Ｎを所定の範囲以下に制限し、さらにＮｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｍｏの１種または２種以上を選択的に含有させた上で、Ｂを０．０００３〜０．００３％含有する鋼を用い、造管後に加速冷却と空冷を施して、金属組織を自己焼戻しマルテンサイト単独組織または自己焼戻しマルテンサイトと下部ベイナイトとの混合組織とする靭性と溶接性に優れた機械構造用高強度シームレス鋼管が提案されている。
【０００８】
しかしながら、上記特許文献１〜３で提案された技術によれば、優れた低温靭性を有する継目無鋼管が得られるものの、いずれも引張強度が９０ｋｇｆ／ｍｍ２程度までのものを対象としており、さらに高強度の鋼管を得ようとすると低温靭性が低下する可能性を否定することができない。
【０００９】
また、上記特許文献４によれば、その実施例にあるとおり、引張強度で１０００ＭＰａを越え、かつ−４０℃でのシャルピー吸収エネルギーが２００Ｊ以上の高靭性を有するシームレス鋼管が得られるものの、加速冷却ままで用いられる鋼管であるため、降伏応力が８５０ＭＰａ以下と低くなる問題がある。
【００１０】
このような背景において、本発明者のうちの一人は、クレーンのブーム等の機械構造部材に特に好適な、引張強度９５０ＭＰａ以上および降伏強度８５０ＭＰａ以上の高強度を有し、かつ、−４０℃でのシャルピー吸収エネルギーが６０Ｊ以上の高靭性を有する継目無鋼管とその製造方法を先に特許出願した。（特許文献５）
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開昭６１−２３８９１７
【特許文献２】特開平７−３３１３８１
【特許文献３】米国特許出願公開第２００２／０１５０４９７号明細書
【特許文献４】特開２００７−２６２４６８
【特許文献５】国際特許出願公開ＷＯ２０１０／０６１８８２Ａ１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
前述のように、クレーンブーム等の用途においては、５ｍｍ〜５０ｍｍ程度の肉厚、特に８〜４５ｍｍの肉厚の鋼管が要求されている。しかしながら、厚肉化に伴い、焼入時の肉厚中央部近辺の冷却速度の確保が困難になって、強度あるいは靭性を確保することが非常に困難であった。特に外径が大きい場合、具体的には外径が１８５ｍｍ以上の場合は、強度および靭性の確保がさらに困難となる傾向がある。これは、外径が大きい場合、鋼管全体の熱容量が大きいことの影響を受けることが理由とも考えられる。
【００１３】
本発明者のうちの一人は、このような厚肉の大きい場合であっても、継目無鋼管のＮｉ濃度を高めることによって、引張強度９５０ＭＰａ以上および降伏強度８５０ＭＰａ以上の高強度と、−４０℃でのシャルピー吸収エネルギーが６０Ｊ以上の高靭性を確保し得ることを見出し、上記特許文献５において開示した。
【００１４】
しかしながら、肉厚が５ｍｍ〜３０ｍｍの継目無鋼管であれば、Ｎｉを０．０２％以上含有させることによって満足な高強度と高靱性を確保することができるが、以下に示すとおり、肉厚が３０ｍｍを超える継目無鋼管においては、０．０２％以上のＮｉ含有量であっても、比較的低いＮｉ含有量の場合には満足な高強度と高靱性を確保できるとは限らないことが分かった。
【００１５】
上記特許文献５には、Ｎｉの含有量とその作用に関して、「Ｎｉは、焼入れ性を向上させて強度を高めると共に、靭性を高める作用がある。その効果を得るために、０．０２％以上含有させる必要があるが、１．５％を越えて含有させるのは経済性の面から考えて不利である。従って、Ｎｉの含有量を０．０２〜１．５％とした。なお、Ｎｉ含有量の好ましい下限値は、０．０５％であり、さらに好ましい下限値は、０．１％である。また、Ｎｉ含有量の好ましい上限値は、１．３％であり、さらに好ましい上限値は、１．１５％である。なお、特に肉厚２５ｍｍ超の厚肉の鋼管の場合には、Ｎｉを０．５０％以上含有させることで、所望の高強度と靭性を確保することが容易になる。」（特許文献５の段落００４０参照）との記載がある。
【００１６】
上記特許文献５には、さらに、その実施例１において、種々のＮｉ含有量を有する鋼種（鋼Ｎｏ．１９〜２２）のインゴットから、３種の肉厚（２０ｍｍ、３０ｍｍおよび４５ｍｍ）の板材を作製し、焼入れおよび焼戻しの処理を施して、熱処理板材を得て、これに引張試験とシャルピー衝撃試験を施した結果が記載されている。
【００１７】
参考までに、それらの鋼種の化学成分（質量％）、Ａｃ１変態点（℃）およびＡｃ３変態点（℃）を次表Ａに、そして、板材の厚さ（ｍｍ）、焼入れ加熱温度（℃）、焼戻し温度（℃）、降伏強度（ＭＰａ）、引張強度（ＭＰａ）および吸収エネルギー（Ｊ）を次表Ｂに、それぞれ、再掲しておく。
【００１８】
【表Ａ】
【００１９】
【表Ｂ】
【００２０】
なお、これらの板材の製造条件と試験条件は、次に示すとおりである。各鋼種について、１００ｋｇインゴットを真空溶解によって用意し、熱間鍛造によりブロック形状とした後、１２５０℃で３０分加熱し、１２００〜１０００℃の温度範囲で熱間圧延して、２０ｍｍ、３０ｍｍ、４５ｍｍ厚の板材を作成した。これらの板材を９２０℃、１０分の条件で均熱後に水冷により焼入れし、さらに焼戻し処理を施して、熱処理板材を得た。焼戻しに関しては、６００℃または６５０℃の２条件で３０分均熱することで実施した。これらの熱処理板材の板厚中央部から圧延長手方向に平行に、ＪＩＳ ２２０１（１９９８年版）の１０号試験片を切り出し、ＪＩＳ Ｚ２２４１（１９９８年版）に準拠して引張試験を実施した。また、熱処理板材の板厚中央部から圧延幅方向に平行に、ＪＩＳ Ｚ２２４２に準拠した２ｍｍＶノッチフルサイズ試験片を切り出し、−４０℃にてシャルピー衝撃試験を行い、吸収エネルギーを評価した。
【００２１】
この試験結果から、比較的高いＮｉ含有量（０．５％または１．００％）の鋼Ｎｏ．２０〜２２の板材は、肉厚２０ｍｍ、３０ｍｍおよび４５ｍｍのいずれの板厚であっても、満足な高強度と高靱性を確保できた。しかしながら、比較的低いＮｉ含有量（０．０３％）の鋼Ｎｏ．１９は、肉厚２０ｍｍ及び３０ｍｍの場合（試験Ｎｏ．Ｒ１および試験Ｎｏ．Ｒ２）には満足な高強度と高靱性を確保できたが、肉厚４５ｍｍの場合（試験Ｎｏ．Ｒ３）には吸収エネルギーが３１Ｊと低位であり、満足な靭性を確保することができなかった。
【００２２】
このように、文献５に記載の高強度と高靭性を有する継目無鋼管であっても、肉厚が３０ｍｍを超える厚肉の鋼管の場合には、満足な高強度と高靱性を確保するためには、Ｎｉを０．５０％以上含有させることが必要となる。
【００２３】
しかしながら、Ｎｉは高価な金属であって、Ｎｉを多量に含有させることは、必然的にコスト上昇要因となり、経済性の低下を招く。
【００２４】
本発明は、このような現状に鑑みてなされたものであり、Ｎｉを実質的に含有しない合金設計で高強度と高靭性を有する肉厚が３０ｍｍを超える厚肉継目無鋼管を提供することを目的とする。より具体的には、クレーンのブーム等の機械構造部材に特に好適な、引張強度９５０ＭＰａ以上および降伏強度８５０ＭＰａ以上の高強度を有し、かつ、−４０℃でのシャルピー吸収エネルギーが６０Ｊ以上の高靭性を有する肉厚が３０ｍｍを超える厚肉継目無鋼管を、Ｎｉを実質的に含有させることなく、提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
本発明者等は、上記の問題を達成するために、種々の鋼種のインゴットから、種々の外径と肉厚を有する板材を作製した。そして、焼入れおよび焼戻しの処理を１回または複数回施して、熱処理板材を得て、これに引張試験とシャルピー衝撃試験を施して、その引張強度および降伏強度を測定するとともに、−４０℃にてシャルピー衝撃試験を行い、吸収エネルギーを評価することによって靱性を評価した。この結果、次の(a)〜(h)に示すとおりの知見を得た。
【００２６】
(a) 焼入れ焼戻しによって引張強度９５０ＭＰａ以上を得る場合には、低温靱性を向上させるために、Ｂを極力低減する必要がある。
【００２７】
(b) 焼入れ焼戻しによって引張強度９５０ＭＰａ以上を得る場合には、低温靱性を向上させるために、ＣｒとＭｏを適量含有させる必要がある。
【００２８】
(c) 焼入れ焼戻しによって引張強度９５０ＭＰａ以上を得る場合には、低温靱性を向上させるために、Ｖ、ＴｉおよびＮｂを適量含有させる必要がある。
【００２９】
(d) 不純物として含まれるＳは、製造プロセスの中でＭｎと反応してＭｎＳが生成するが、Ｓの含有量が多いと吸収エネルギーが低下することから、このＭｎＳが高強度の焼入れ焼戻し鋼の靭性に対して悪影響を及ぼしていると考えられる。したがって、Ｓ含有量を低減する必要がある。Ｓ含有量を低減するためには、Ｓの含有量の少ない原料鉱石やスクラップを用いるか、又は、製鋼時に溶鋼中にＣａやＭｇを含有させてＳを低減すればよく、その結果、ＭｎＳの生成を抑制することができる。
【００３０】
(e) 本発明と同様の焼入れ焼戻しにて製造されるラインパイプ用継目無鋼管の一般的な鋼に比べて、Ｍｎ含有量が低めであっても、吸収エネルギーが高く、低温靭性に優れている。
【００３１】
(f) その他の成分としては、Ａｌが鋼の靱性および加工性を高めるのにも有効であるから、その適量を含有させるのがよい。また、不純物中のＰとＮは、靱性を低下させる元素であるから、その含有量を抑制する必要がある。
【００３２】
(g) Ｎｉを実質的に含有しない鋼種であってかつ肉厚が３０ｍｍを超える厚肉の板材であっても、その焼入れおよび焼戻しの処理を２回以上繰り返すことによって、引張強度９５０ＭＰａ以上および降伏強度８５０ＭＰａ以上の高強度と、かつ、−４０℃でのシャルピー吸収エネルギーが６０Ｊ以上の高靭性とを確保できる。
【００３３】
(h) ただし、Ｎｉを実質的に含有しない場合には、Ｃｕチェッキングが生じやすくなるから、Ｃｕの含有量も実質的に含有させないのがよい。
【００３４】
本発明は、上記の知見に基づいて完成したものであって、その要旨は下記の(1)および(2)に示す継目無鋼管ならびに下記の(3)に示す継目無鋼管の製造方法にある。
【００３５】
(1) 質量％で、Ｃ：０．１０〜０．２０％、Ｓｉ：０．０５〜１．０％、Ｍｎ：０．０５〜１．２％、Ｃｒ：０．５０〜１．５０％、Ｍｏ：０．５０〜１．５０％、Ｎｂ：０．００２〜０．１０％％、Ａｌ：０．００５〜０．１０％、並びにＴｉ：０．００３〜０．０５０％およびＶ：０．０１〜０．２０％の１種または２種を含有し、残部はＦｅおよび不純物からなり、不純物中のＮｉが０．１０％未満、Ｃｕが０．２０％以下、Ｐが０．０２５％以下、Ｓが０．００５％以下、Ｎが０．００７％以下およびＢが０．０００３％未満である低合金鋼からなり、引張強度９５０ＭＰａ以上、かつ降伏強度８５０ＭＰａ以上であって、−４０℃でのシャルピー吸収エネルギーが６０Ｊ以上であり、肉厚が３０ｍｍ超であることを特徴とする継目無鋼管。
【００３６】
(2) Ｆｅの一部に代えて、さらにＣａ：０．０００５〜０．００５０％およびＭｇ：０．０００５〜０．００５０％のうちの一方または両方を含有する上記(1)の継目無鋼管。
【００３７】
(3) 上記(1)または(2)の化学成分を有する低合金鋼を熱間製管して、肉厚３０ｍｍ超の寸法形状に形成した後、焼入れ、焼戻しを２回以上行い、引張強度を９５０ＭＰａ以上、降伏強度を８５０ＭＰａ以上、−４０℃でのシャルピー吸収エネルギーを６０Ｊ以上とすることを特徴とする継目無鋼管の製造方法。
【発明の効果】
【００３８】
本発明によれば、クレーンのブーム等の機械構造部材に特に好適な、引張強度９５０ＭＰａ以上および降伏強度８５０ＭＰａ以上の高強度を有し、かつ、−４０℃でのシャルピー吸収エネルギーが６０Ｊ以上の高靭性を有する肉厚が３０ｍｍを超える厚肉継目無鋼管を、Ｎｉを実質的に含有させることなく、提供することができる。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
以下に、本発明に係る継目無鋼管の化学成分を限定した理由について述べる。なお、以下に示す「％」は、「質量％」を意味する。
【００４０】
Ｃ：Ｃ：０．１０〜０．２０％
Ｃは、鋼の強度を高める効果を有する元素である。Ｃの含有量が０．１０％未満の場合、所望の強度を得るためには低温の焼戻しを必要とするが、その結果、靭性の低下をまねく。一方、Ｃの含有量が０．２０％を超えると、溶接性が著しく低下する。従って、Ｃ含有量は０．１０〜０．２０％とした。Ｃ含有量の好ましい下限値は０．１２％、より好ましい下限値は０．１３％である。また、Ｃ含有量の好ましい上限値は０．１８％である。
【００４１】
Ｓｉ：０．０５〜１．０％
Ｓｉは、脱酸作用を有する元素である。また、この元素は、鋼の焼入れ性を高めて、強度を向上させる元素である。この効果を得るためにはＳｉが０．０５％以上含まれていることが必要である。しかし、その含有量が１．０％を超えると、靭性および溶接性が低下する。従って、Ｓｉの含有量は、０．０５〜１．０％とした。Ｓｉ含有量の好ましい下限値は０．１％、より好ましい下限値は０．１５％である。また、好ましい上限値は０．６％、より好ましい上限値は０．５０％である。
【００４２】
Ｍｎ：０．０５〜１．２％
Ｍｎは、脱酸作用を有する元素である。また、この元素は、鋼の焼入れ性を高めて強度を向上させる元素である。この効果を得るためにはＭｎを０．０５％以上含有させる必要がある。しかし、その含有量が１．２％を超えると、靭性が低下する。従って、Ｍｎの含有量を０．０５〜１．２％とした。Ｍｎ含有量の好ましい下限値は０．３０％である。また、好ましい上限値は１．１％である。
【００４３】
Ｃｒ：０．５０〜１．５０％
Ｃｒは、鋼の焼入れ性および焼戻し軟化抵抗を高めて強度を向上させるのに有効な元素である。引張強度９５０ＭＰａ以上の高強度鋼管において、その効果を発揮させるためには０．５０％以上含有させる必要がある。しかし、その含有量が１．５０％を超えると、靭性の低下を招く。従って、Ｃｒの含有量は０．５０〜１．５０％とした。Ｃｒ含有量の好ましい下限値は０．６０％であり、より好ましい下限値は０．８％である。また、Ｃｒ含有量の好ましい上限値は１．４０％である。
【００４４】
Ｍｏ：０．５０〜１．５０％
Ｍｏは、鋼の焼入れ性および焼戻し軟化抵抗を高めて強度を向上させるのに有効な元素である。引張強度９５０ＭＰａ以上の高強度鋼管において、その効果を発揮させるためには０．５０％以上含有させる必要がある。しかし、その含有量が１．５０％を超えると、靭性の低下を招く。従って、Ｍｏの含有量は０．５０〜１．５０％とした。Ｍｏ含有量の好ましい下限値は０．７０％である。また、Ｍｏ含有量の好ましい上限値は１．０％である。
【００４５】
上記のように、本発明では、Ｃｒ及びＭｏにより、鋼の焼入れ性および焼戻し軟化抵抗を高めて強度を向上させる手法を採用する。なお、Ｃｒ＋Ｍｏの合計量で１．５０％を超えて含有させるのが好ましく、１．５５％以上含有させるのがより好ましい。
【００４６】
Ｎｂ：０．００２〜０．１０％
Ｎｂは、高温域で炭窒化物を形成して、結晶粒の粗大化を抑制し、靭性を向上させる効果のある元素である。その効果を得るためには、Ｎｂを０．００２％以上含有させる必要がある。しかし、その含有量が０．１０％を超えると、炭窒化物が粗大になりすぎて、かえって靭性を低下させる。従って、Ｎｂ含有量を０．００２〜０．１０％とした。なお、Ｎｂ含有量の好ましい上限値は０．０５％である。
【００４７】
Ａｌ：０．００５〜０．１０％
Ａｌは、脱酸作用を有する元素である。この元素は、鋼の靱性および加工性を高める効果がある。この効果を得るためには、０．００５％以上含有させる必要がある。しかし、その含有量が０．１０％を超えると、地疵の発生が著しくなる。従って、Ａｌ含有量を０．００５〜０．１０％とした。なお、Ａｌ含有量の好ましい上限値は、０．０５％である。ここで、本発明にいうＡｌ含有量とは、酸可溶Ａｌ（いわゆるｓｏｌ．Ａｌ）の含有量を指す。
【００４８】
ＴｉおよびＶは、いずれか一方もしくは両方を含有させる必要がある。
【００４９】
Ｔｉ：０．００３〜０．０５０％
Ｔｉは、焼戻しの際にＴｉ炭化物として析出し、強度を向上させる効果がある。この効果を得るためには、０．００３％以上含有させる必要がある。ただし、その含有量が０．０５０％を越えると、凝固中など高温域で粗大な炭窒化物が形成し、また焼戻し時のＴｉ炭化物の析出量が過剰となるため、靭性が低下する。従って、Ｔｉ含有量を０．００３〜０．０５０％とした。
【００５０】
Ｖ：０．０１〜０．２０％
Ｖは、焼戻しの際にＶ炭化物として析出し、強度を向上させる効果がある。この効果を得るためには、０．０１％以上含有させる必要がある。ただし、その含有量が０．１５０％を越えると、焼戻し時のＶ炭化物の析出量が過剰となるため、靭性が低下する。従って、Ｖ含有量を０．０１％〜０．２０％とした。なお、Ｖ含有量の好ましい上限は０．１５％である。
【００５１】
本発明に係る継目無鋼管は、上記の成分のほか、残部がＦｅと不純物からなるものである。ここで、不純物とは、原料鉱石やスクラップ等から混入する成分であって、本発明に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。しかしながら、特に、不純物中のＮｉ、Ｃｕ、Ｐ、Ｓ、ＮおよびＢは、次に述べるように、その含有量を抑制する必要がある。
【００５２】
本発明は、その目的において、実質的にＮｉを含有しないことを前提としている。
Ｎｉ：０．１０％未満
本発明においては、実質的にＮｉを含有させないことを前提としているので、Ｎｉは添加しない。不純物として含有されるとしても、Ｎｉの含有量を０．１０％未満に制限する必要がある。不純物としてのＮｉの含有量は、好ましくは０．０３％以下、より好ましくは０．０２５％以下、さらに好ましくは０．０２％以下である。
【００５３】
Ｃｕ：０．２０％以下
なお、本発明においては、不純物としてのＮｉを０．１０％未満に制限しているため、Ｃｕチェッキングが生じやすくなる。したがって、Ｃｕは添加しない。不純物として含有されるとしても、Ｃｕの含有量を０．２０％以下に制限する必要がある。不純物としてのＣｕの含有量は、好ましくは０．０５％以下、より好ましくは０．０３％以下、さらに好ましくは０．０１％以下である。
【００５４】
Ｐ：０．０２５％以下
Ｐは、不純物として鋼中に存在する元素であるが、その含有量が０．０２５％を越えると靭性が著しく低下するため、不純物としての上限を０．０２５％とした。好ましい上限は、０．０２０％である。
【００５５】
Ｓ：０．００５％以下
Ｓは、Ｐと同様に不純物として鋼中に存在する元素であるが、その含有量が０．００５％を越えると靭性が著しく低下するため、不純物としての上限を０．００５％とした。なお、Ｓの含有量の好ましい上限は、０．００３％である。
【００５６】
Ｎ：０．００７％以下
Ｎは、不純物として鋼中に存在する元素であるが、その含有量が０．００７％を越えると靭性が著しく低下するため、不純物としての上限を０．００７％とした。
【００５７】
Ｂ：０．０００３％未満
Ｂは、通常、含有させることにより焼入れ性を向上させ、強度を高める効果のある元素である。しかしながら、ＣｒおよびＭｏが一定量含有されている鋼に、Ｂが０．０００３％以上含有されていると、焼戻し時に粗大な硼化物を形成し、靭性を低下させる。従って、本発明において、Ｂの不純物としての上限を０．０００３％未満とした。
【００５８】
また、本発明に係る継目無鋼管は、上記の成分のほか、ＣａおよびＭｇのうちの一方または両方を、必要に応じて含有させても良い。
【００５９】
Ｃａ：０．００５０％以下
Ｃａは、鋼中のＳと反応して硫化物を形成することにより介在物の形態を改善し、鋼の靭性を向上させる効果を有するので必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、その含有量が０．００５０％を超えると、鋼中の介在物量が増大し、鋼の清浄度が低下するので、かえって靭性が低下する。従って、Ｃａを含有させる場合には、その含有量を０．００５０％以下とするのが好ましい。なお、上記効果を安定的に発現させたい場合には、Ｃａの含有量を０．０００５％以上とするのが好ましい。
【００６０】
Ｍｇ：０．００５０％以下
Ｍｇもまた、鋼中のＳと反応して硫化物を形成することにより介在物の形態を改善し、鋼の靭性を向上させる効果を有する。しかしながら、その含有量が０．００５０％を超えると、鋼中の介在物量が増大し、鋼の清浄度が低下するので、かえって靭性が低下する。従って、Ｍｇを含有させる場合には、その含有量を０．００５０％以下とするのが好ましい。なお、上記効果を安定的に発現させたい場合には、Ｍｇの含有量を０．０００５％以上とするのが好ましい。
【００６１】
なお、本発明においては、対象の鋼管を、肉厚３０ｍｍ超の肉厚の大きいサイズものに限定している。この理由は、肉厚が３０ｍｍ以下のサイズにおいては、Ｎｉを実質的に含有していなくても、特許文献５に開示された方法によって、引張強度９５０ＭＰａ以上、かつ降伏強度８５０ＭＰａ以上であって、−４０℃でのシャルピー吸収エネルギーが６０Ｊ以上という、目的とする機械的特性値が実現できるからである。
【００６２】
本発明の鋼管は、望ましい態様にあっては、外径が１８５ｍｍ以上である。また本発明の鋼管は、望ましい態様にあっては、−４０℃でのシャルピー吸収エネルギーが８０Ｊ以上であり、さらに望ましい態様にあっては、−４０℃でのシャルピー吸収エネルギーが１００Ｊ以上である。
【００６３】
次に、本発明の鋼管の製造方法について述べる。
【００６４】
造管手段は特に限定しない。例えば、熱間での穿孔、圧延および延伸工程にて製造しても良いし、熱間押し出しプレスにより製造しても良い。例えば、通常のマンネスマンープラグミル方式（Mannesmann-plug mill method）、あるいはマンネスマンーマンドレルミル方式(Mannesmann-mandrel mill method)を用いることができる。
【００６５】
本発明の鋼管を製造する方法として、発明者が提示する手段は、上記の方法により熱間で造管された素管に対して、２回以上の焼入れ、焼戻しを行うことである。焼入れは、用いる鋼のＡｃ３変態点以上に加熱し、その後急冷することによって行う。急冷手段としては、水冷や油冷等が適用できる。焼戻しは、用いる鋼のＡｃ１変態点未満の温度に加熱することによって行う。Ａｃ１変態点未満の温度で均熱後、空冷することが望ましい。
【００６６】
２回以上の焼入れ、焼戻し操作を行う手法としては、いくつかの方法がある。以下に、その方法を例示する。
【００６７】
その一つは、前記熱間での造管後、一旦自然冷却等で素管を常温に冷却した後、オフラインの熱処理炉を用いて焼入れ、焼戻しを複数回繰り返す方法である。この場合は、２回とも常温から再加熱され、逆変態を経ることで優れた靭性を確保しやすい。
【００６８】
二番目の手法は、前記熱間での造管の仕上げ圧延終了後、十分な保有熱を有する素管を速やかに熱処理炉に移し、Ａｒ３変態点温度以上で均熱して、Ａｒ３変態点以上の温度から急冷することで焼入れを行い、１回目の焼入れとすることである。本願明細書ではこの方法による焼入れをインライン焼入れと言う。その後、オフラインの熱処理炉で焼戻しを行い、更に焼入れ、焼戻しを１回以上繰り返す。この場合、インライン焼入れは常温から加熱するオフラインでの焼入れと比較して省エネルギーの効果があり、また靭性も前述の手法に比較的近いものが得られやすい。
【００６９】
三番目の手法は、前記熱間での造管の仕上げ圧延終了直後の、素管がＡｒ３変態点以上の温度にある状態から、急冷して焼入れ、１回目の焼入れとする方法であり、以降の焼戻しや２回目以降の焼入れ、焼戻し工程に関しては、二番目の手法と同様である。この方法は省エネルギー効果においては非常に優れるが、靭性確保の点では、前記二つの手法に比べて劣る。
【００７０】
以上、三つの手法について説明したが、この区分は、単に、熱間製管後冷却終了までの方法に基づいて行ったものであって、上記でオフライン熱処理炉で行うと記載された工程を、インラインに組み入れて行うことは、特別な設備が必要な問題はあるものの、原理的には何等差のないことは明らかである。
【実施例】
【００７１】
表１に示す化学成分の鋼を溶製し、転炉−連続鋳造プロセスにより、断面が矩形のビレットおよび外径３１０ｍｍの円柱ビレットを鋳造した。矩形ビレットは、さらに熱間鍛造により外径１７０ｍｍの円柱ビレットと外径２２５ｍｍの円柱ビレットに成形した。
【００７２】
【表１】
【００７３】
これらの円柱ビレットを、１２４０℃に加熱し、マンネスマン−マンドレル方式によって、表６に示す寸法の継目無鋼管を作製した。その後、表２に示す温度条件で、焼入れ
焼戻し熱処理を施して、製品鋼管を製造した。
【００７４】
得られた各製品鋼管について、長手方向の両端位置（圧延方向で先端側をＴ端、末端側をＢ端とする）の強度特性をＪＩＳ Ｚ２２０１の４号（丸棒）試験片を用いて、ＪＩＳ Ｚ２２４１に準拠した引張試験を実施して評価し、靭性をＪＩＳ Ｚ２２４２に準拠した２ｍｍＶノッチフルサイズ試験片を切り出し、−４０℃にてシャルピー衝撃試験を３本実施した中で、最も低い吸収エネルギーとして評価した。表２に各製品鋼管の強度および靭性の評価結果を示す。
【００７５】
【表２】
【００７６】
焼入れ焼戻しを２回繰り返したＮｏ.５および９〜１２の鋼管（本発明例）に関しては、３０ｍｍ超の肉厚、１８５ｍｍ以上の外径、そして、Ｎｉ含有量が０．１０％未満であるにもかかわらず、降伏強度８５０ＭＰａ以上、引張強度９５０ＭＰａ以上および−４０℃でのシャルピー吸収エネルギーが６０Ｊ以上と、良好な高強度かつ高靱性の結果が得られた。
【００７７】
これに対して、比較例に係るＮｏ．１〜３および１３〜１９は、１回の焼入れ・焼戻しにより、８５０ＭＰａ以上の降伏強度、９５０ＭＰａ以上の引張強度、６０Ｊ以上の吸収エネルギー（−４０℃）を達成できているが、肉厚が３０ｍｍ以下の例である。また、比較例に係るＮｏ．４、６、２０および２１は、１回の焼入れ・焼戻しを行ったものであるが、吸収エネルギーが小さく靭性が不足している。また、比較例に係るＮｏ．７および８は、１回の焼入れ・焼戻しを行ったものであり、靭性は満足できる水準にあるものの、降伏強度、引張強度が不足している。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
以上説明したように、本発明によれば、クレーンのブーム等の機械構造部材に特に好適な、引張強度９５０ＭＰａ以上および降伏強度８５０ＭＰａ以上の高強度を有し、かつ、−４０℃でのシャルピー吸収エネルギーが６０Ｊ以上の高靭性を有する肉厚が３０ｍｍを超える厚肉継目無鋼管を、Ｎｉを実質的に含有させることなく、提供することができる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、厚肉の継目無鋼管およびその製造方法に関する。特に機械構造部材用、とりわけクレーンブーム用の継目無鋼管として、好適な継目無鋼管とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
機械構造部材のうち、円筒形のものは従来、棒鋼に鍛造又は延伸圧延を施して、あるいはさらに切削加工を施して所望の形状とした後に、熱処理が施され、機械構造部材に必要な機械的性質が付与されることが多い。近年、構造物の大型化および高耐力化の傾向をうけて、円筒形の構造部材を中空の継目無鋼管に置き換えることで軽量化が計られてきた。特に、クレーンのブーム材等、円筒形の構造部材としての鋼管は、クレーンの大型化、高層建築や寒冷地での作業等に鑑みて、高強度化とともに高靭性化が求められてきた。最近では、ブーム用途として、９５０ＭＰａ以上の引張強さを有し、かつ−４０℃という低温で優れた靭性を有することが継目無鋼管に要求されるようになってきた。このような用途に関しては、５〜５０ｍｍ程度の肉厚、特に８〜４５ｍｍ程度の肉厚の鋼管が要求される場合が多い。
【０００３】
高強度かつ高靭性の鋼管に関しては、従来より、種々の技術が提案されている。
【０００４】
例えば、特許文献１では、所定の範囲に規定してなるＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉ、ＡｌおよびＮ、並びにＮｂまたはＶのうちの１種以上を含み、さらにＢを０．０００５〜０．００２５％含有させた低合金鋼を製管後熱処理することによって、低温靭性に優れた高張力継目無鋼管の製造方法が提案されている。
【０００５】
特許文献２では、所定の範囲に規定してなるＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ａｌ、ＮｂおよびＮ、あるいはさらにＣｒ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｖ、ＲＥＭ、Ｃａ、Ｃｏ、Ｃｕを選択的に含有させた上で、Ｂを０．０００５〜０．００３０％含有させ、かつＴｉを−０．００５％＜（Ｔｉ−３．４Ｎ）＜０．０１％の範囲内で含有させた鋼であって、焼戻しによって析出する析出物の大きさが０．５μｍ以下である高強度高靭性継目無鋼管が提案されている。
【０００６】
また、特許文献３では、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｃｕ、Ｎ、Ｗを所定の範囲に含有させた低合金鋼を用いて、造管後に焼入れ焼戻しによって高強度継目無鋼管を得る技術が提案されている。
【０００７】
さらに、特許文献４では、所定の範囲のＣ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｎｂを含有させ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｐ、Ｓ、Ｎを所定の範囲以下に制限し、さらにＮｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｍｏの１種または２種以上を選択的に含有させた上で、Ｂを０．０００３〜０．００３％含有する鋼を用い、造管後に加速冷却と空冷を施して、金属組織を自己焼戻しマルテンサイト単独組織または自己焼戻しマルテンサイトと下部ベイナイトとの混合組織とする靭性と溶接性に優れた機械構造用高強度シームレス鋼管が提案されている。
【０００８】
しかしながら、上記特許文献１〜３で提案された技術によれば、優れた低温靭性を有する継目無鋼管が得られるものの、いずれも引張強度が９０ｋｇｆ／ｍｍ２程度までのものを対象としており、さらに高強度の鋼管を得ようとすると低温靭性が低下する可能性を否定することができない。
【０００９】
また、上記特許文献４によれば、その実施例にあるとおり、引張強度で１０００ＭＰａを越え、かつ−４０℃でのシャルピー吸収エネルギーが２００Ｊ以上の高靭性を有するシームレス鋼管が得られるものの、加速冷却ままで用いられる鋼管であるため、降伏応力が８５０ＭＰａ以下と低くなる問題がある。
【００１０】
このような背景において、本発明者のうちの一人は、クレーンのブーム等の機械構造部材に特に好適な、引張強度９５０ＭＰａ以上および降伏強度８５０ＭＰａ以上の高強度を有し、かつ、−４０℃でのシャルピー吸収エネルギーが６０Ｊ以上の高靭性を有する継目無鋼管とその製造方法を先に特許出願した。（特許文献５）
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開昭６１−２３８９１７
【特許文献２】特開平７−３３１３８１
【特許文献３】米国特許出願公開第２００２／０１５０４９７号明細書
【特許文献４】特開２００７−２６２４６８
【特許文献５】国際特許出願公開ＷＯ２０１０／０６１８８２Ａ１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
前述のように、クレーンブーム等の用途においては、５ｍｍ〜５０ｍｍ程度の肉厚、特に８〜４５ｍｍの肉厚の鋼管が要求されている。しかしながら、厚肉化に伴い、焼入時の肉厚中央部近辺の冷却速度の確保が困難になって、強度あるいは靭性を確保することが非常に困難であった。特に外径が大きい場合、具体的には外径が１８５ｍｍ以上の場合は、強度および靭性の確保がさらに困難となる傾向がある。これは、外径が大きい場合、鋼管全体の熱容量が大きいことの影響を受けることが理由とも考えられる。
【００１３】
本発明者のうちの一人は、このような厚肉の大きい場合であっても、継目無鋼管のＮｉ濃度を高めることによって、引張強度９５０ＭＰａ以上および降伏強度８５０ＭＰａ以上の高強度と、−４０℃でのシャルピー吸収エネルギーが６０Ｊ以上の高靭性を確保し得ることを見出し、上記特許文献５において開示した。
【００１４】
しかしながら、肉厚が５ｍｍ〜３０ｍｍの継目無鋼管であれば、Ｎｉを０．０２％以上含有させることによって満足な高強度と高靱性を確保することができるが、以下に示すとおり、肉厚が３０ｍｍを超える継目無鋼管においては、０．０２％以上のＮｉ含有量であっても、比較的低いＮｉ含有量の場合には満足な高強度と高靱性を確保できるとは限らないことが分かった。
【００１５】
上記特許文献５には、Ｎｉの含有量とその作用に関して、「Ｎｉは、焼入れ性を向上させて強度を高めると共に、靭性を高める作用がある。その効果を得るために、０．０２％以上含有させる必要があるが、１．５％を越えて含有させるのは経済性の面から考えて不利である。従って、Ｎｉの含有量を０．０２〜１．５％とした。なお、Ｎｉ含有量の好ましい下限値は、０．０５％であり、さらに好ましい下限値は、０．１％である。また、Ｎｉ含有量の好ましい上限値は、１．３％であり、さらに好ましい上限値は、１．１５％である。なお、特に肉厚２５ｍｍ超の厚肉の鋼管の場合には、Ｎｉを０．５０％以上含有させることで、所望の高強度と靭性を確保することが容易になる。」（特許文献５の段落００４０参照）との記載がある。
【００１６】
上記特許文献５には、さらに、その実施例１において、種々のＮｉ含有量を有する鋼種（鋼Ｎｏ．１９〜２２）のインゴットから、３種の肉厚（２０ｍｍ、３０ｍｍおよび４５ｍｍ）の板材を作製し、焼入れおよび焼戻しの処理を施して、熱処理板材を得て、これに引張試験とシャルピー衝撃試験を施した結果が記載されている。
【００１７】
参考までに、それらの鋼種の化学成分（質量％）、Ａｃ１変態点（℃）およびＡｃ３変態点（℃）を次表Ａに、そして、板材の厚さ（ｍｍ）、焼入れ加熱温度（℃）、焼戻し温度（℃）、降伏強度（ＭＰａ）、引張強度（ＭＰａ）および吸収エネルギー（Ｊ）を次表Ｂに、それぞれ、再掲しておく。
【００１８】
【表Ａ】
【００１９】
【表Ｂ】
【００２０】
なお、これらの板材の製造条件と試験条件は、次に示すとおりである。各鋼種について、１００ｋｇインゴットを真空溶解によって用意し、熱間鍛造によりブロック形状とした後、１２５０℃で３０分加熱し、１２００〜１０００℃の温度範囲で熱間圧延して、２０ｍｍ、３０ｍｍ、４５ｍｍ厚の板材を作成した。これらの板材を９２０℃、１０分の条件で均熱後に水冷により焼入れし、さらに焼戻し処理を施して、熱処理板材を得た。焼戻しに関しては、６００℃または６５０℃の２条件で３０分均熱することで実施した。これらの熱処理板材の板厚中央部から圧延長手方向に平行に、ＪＩＳ ２２０１（１９９８年版）の１０号試験片を切り出し、ＪＩＳ Ｚ２２４１（１９９８年版）に準拠して引張試験を実施した。また、熱処理板材の板厚中央部から圧延幅方向に平行に、ＪＩＳ Ｚ２２４２に準拠した２ｍｍＶノッチフルサイズ試験片を切り出し、−４０℃にてシャルピー衝撃試験を行い、吸収エネルギーを評価した。
【００２１】
この試験結果から、比較的高いＮｉ含有量（０．５％または１．００％）の鋼Ｎｏ．２０〜２２の板材は、肉厚２０ｍｍ、３０ｍｍおよび４５ｍｍのいずれの板厚であっても、満足な高強度と高靱性を確保できた。しかしながら、比較的低いＮｉ含有量（０．０３％）の鋼Ｎｏ．１９は、肉厚２０ｍｍ及び３０ｍｍの場合（試験Ｎｏ．Ｒ１および試験Ｎｏ．Ｒ２）には満足な高強度と高靱性を確保できたが、肉厚４５ｍｍの場合（試験Ｎｏ．Ｒ３）には吸収エネルギーが３１Ｊと低位であり、満足な靭性を確保することができなかった。
【００２２】
このように、文献５に記載の高強度と高靭性を有する継目無鋼管であっても、肉厚が３０ｍｍを超える厚肉の鋼管の場合には、満足な高強度と高靱性を確保するためには、Ｎｉを０．５０％以上含有させることが必要となる。
【００２３】
しかしながら、Ｎｉは高価な金属であって、Ｎｉを多量に含有させることは、必然的にコスト上昇要因となり、経済性の低下を招く。
【００２４】
本発明は、このような現状に鑑みてなされたものであり、Ｎｉを実質的に含有しない合金設計で高強度と高靭性を有する肉厚が３０ｍｍを超える厚肉継目無鋼管を提供することを目的とする。より具体的には、クレーンのブーム等の機械構造部材に特に好適な、引張強度９５０ＭＰａ以上および降伏強度８５０ＭＰａ以上の高強度を有し、かつ、−４０℃でのシャルピー吸収エネルギーが６０Ｊ以上の高靭性を有する肉厚が３０ｍｍを超える厚肉継目無鋼管を、Ｎｉを実質的に含有させることなく、提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
本発明者等は、上記の問題を達成するために、種々の鋼種のインゴットから、種々の外径と肉厚を有する板材を作製した。そして、焼入れおよび焼戻しの処理を１回または複数回施して、熱処理板材を得て、これに引張試験とシャルピー衝撃試験を施して、その引張強度および降伏強度を測定するとともに、−４０℃にてシャルピー衝撃試験を行い、吸収エネルギーを評価することによって靱性を評価した。この結果、次の(a)〜(h)に示すとおりの知見を得た。
【００２６】
(a) 焼入れ焼戻しによって引張強度９５０ＭＰａ以上を得る場合には、低温靱性を向上させるために、Ｂを極力低減する必要がある。
【００２７】
(b) 焼入れ焼戻しによって引張強度９５０ＭＰａ以上を得る場合には、低温靱性を向上させるために、ＣｒとＭｏを適量含有させる必要がある。
【００２８】
(c) 焼入れ焼戻しによって引張強度９５０ＭＰａ以上を得る場合には、低温靱性を向上させるために、Ｖ、ＴｉおよびＮｂを適量含有させる必要がある。
【００２９】
(d) 不純物として含まれるＳは、製造プロセスの中でＭｎと反応してＭｎＳが生成するが、Ｓの含有量が多いと吸収エネルギーが低下することから、このＭｎＳが高強度の焼入れ焼戻し鋼の靭性に対して悪影響を及ぼしていると考えられる。したがって、Ｓ含有量を低減する必要がある。Ｓ含有量を低減するためには、Ｓの含有量の少ない原料鉱石やスクラップを用いるか、又は、製鋼時に溶鋼中にＣａやＭｇを含有させてＳを低減すればよく、その結果、ＭｎＳの生成を抑制することができる。
【００３０】
(e) 本発明と同様の焼入れ焼戻しにて製造されるラインパイプ用継目無鋼管の一般的な鋼に比べて、Ｍｎ含有量が低めであっても、吸収エネルギーが高く、低温靭性に優れている。
【００３１】
(f) その他の成分としては、Ａｌが鋼の靱性および加工性を高めるのにも有効であるから、その適量を含有させるのがよい。また、不純物中のＰとＮは、靱性を低下させる元素であるから、その含有量を抑制する必要がある。
【００３２】
(g) Ｎｉを実質的に含有しない鋼種であってかつ肉厚が３０ｍｍを超える厚肉の板材であっても、その焼入れおよび焼戻しの処理を２回以上繰り返すことによって、引張強度９５０ＭＰａ以上および降伏強度８５０ＭＰａ以上の高強度と、かつ、−４０℃でのシャルピー吸収エネルギーが６０Ｊ以上の高靭性とを確保できる。
【００３３】
(h) ただし、Ｎｉを実質的に含有しない場合には、Ｃｕチェッキングが生じやすくなるから、Ｃｕの含有量も実質的に含有させないのがよい。
【００３４】
本発明は、上記の知見に基づいて完成したものであって、その要旨は下記の(1)および(2)に示す継目無鋼管ならびに下記の(3)に示す継目無鋼管の製造方法にある。
【００３５】
(1) 質量％で、Ｃ：０．１０〜０．２０％、Ｓｉ：０．０５〜１．０％、Ｍｎ：０．０５〜１．２％、Ｃｒ：０．５０〜１．５０％、Ｍｏ：０．５０〜１．５０％、Ｎｂ：０．００２〜０．１０％％、Ａｌ：０．００５〜０．１０％、並びにＴｉ：０．００３〜０．０５０％およびＶ：０．０１〜０．２０％の１種または２種を含有し、残部はＦｅおよび不純物からなり、不純物中のＮｉが０．１０％未満、Ｃｕが０．２０％以下、Ｐが０．０２５％以下、Ｓが０．００５％以下、Ｎが０．００７％以下およびＢが０．０００３％未満である低合金鋼からなり、引張強度９５０ＭＰａ以上、かつ降伏強度８５０ＭＰａ以上であって、−４０℃でのシャルピー吸収エネルギーが６０Ｊ以上であり、肉厚が３０ｍｍ超であることを特徴とする継目無鋼管。
【００３６】
(2) Ｆｅの一部に代えて、さらにＣａ：０．０００５〜０．００５０％およびＭｇ：０．０００５〜０．００５０％のうちの一方または両方を含有する上記(1)の継目無鋼管。
【００３７】
(3) 上記(1)または(2)の化学成分を有する低合金鋼を熱間製管して、肉厚３０ｍｍ超の寸法形状に形成した後、焼入れ、焼戻しを２回以上行い、引張強度を９５０ＭＰａ以上、降伏強度を８５０ＭＰａ以上、−４０℃でのシャルピー吸収エネルギーを６０Ｊ以上とすることを特徴とする継目無鋼管の製造方法。
【発明の効果】
【００３８】
本発明によれば、クレーンのブーム等の機械構造部材に特に好適な、引張強度９５０ＭＰａ以上および降伏強度８５０ＭＰａ以上の高強度を有し、かつ、−４０℃でのシャルピー吸収エネルギーが６０Ｊ以上の高靭性を有する肉厚が３０ｍｍを超える厚肉継目無鋼管を、Ｎｉを実質的に含有させることなく、提供することができる。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
以下に、本発明に係る継目無鋼管の化学成分を限定した理由について述べる。なお、以下に示す「％」は、「質量％」を意味する。
【００４０】
Ｃ：Ｃ：０．１０〜０．２０％
Ｃは、鋼の強度を高める効果を有する元素である。Ｃの含有量が０．１０％未満の場合、所望の強度を得るためには低温の焼戻しを必要とするが、その結果、靭性の低下をまねく。一方、Ｃの含有量が０．２０％を超えると、溶接性が著しく低下する。従って、Ｃ含有量は０．１０〜０．２０％とした。Ｃ含有量の好ましい下限値は０．１２％、より好ましい下限値は０．１３％である。また、Ｃ含有量の好ましい上限値は０．１８％である。
【００４１】
Ｓｉ：０．０５〜１．０％
Ｓｉは、脱酸作用を有する元素である。また、この元素は、鋼の焼入れ性を高めて、強度を向上させる元素である。この効果を得るためにはＳｉが０．０５％以上含まれていることが必要である。しかし、その含有量が１．０％を超えると、靭性および溶接性が低下する。従って、Ｓｉの含有量は、０．０５〜１．０％とした。Ｓｉ含有量の好ましい下限値は０．１％、より好ましい下限値は０．１５％である。また、好ましい上限値は０．６％、より好ましい上限値は０．５０％である。
【００４２】
Ｍｎ：０．０５〜１．２％
Ｍｎは、脱酸作用を有する元素である。また、この元素は、鋼の焼入れ性を高めて強度を向上させる元素である。この効果を得るためにはＭｎを０．０５％以上含有させる必要がある。しかし、その含有量が１．２％を超えると、靭性が低下する。従って、Ｍｎの含有量を０．０５〜１．２％とした。Ｍｎ含有量の好ましい下限値は０．３０％である。また、好ましい上限値は１．１％である。
【００４３】
Ｃｒ：０．５０〜１．５０％
Ｃｒは、鋼の焼入れ性および焼戻し軟化抵抗を高めて強度を向上させるのに有効な元素である。引張強度９５０ＭＰａ以上の高強度鋼管において、その効果を発揮させるためには０．５０％以上含有させる必要がある。しかし、その含有量が１．５０％を超えると、靭性の低下を招く。従って、Ｃｒの含有量は０．５０〜１．５０％とした。Ｃｒ含有量の好ましい下限値は０．６０％であり、より好ましい下限値は０．８％である。また、Ｃｒ含有量の好ましい上限値は１．４０％である。
【００４４】
Ｍｏ：０．５０〜１．５０％
Ｍｏは、鋼の焼入れ性および焼戻し軟化抵抗を高めて強度を向上させるのに有効な元素である。引張強度９５０ＭＰａ以上の高強度鋼管において、その効果を発揮させるためには０．５０％以上含有させる必要がある。しかし、その含有量が１．５０％を超えると、靭性の低下を招く。従って、Ｍｏの含有量は０．５０〜１．５０％とした。Ｍｏ含有量の好ましい下限値は０．７０％である。また、Ｍｏ含有量の好ましい上限値は１．０％である。
【００４５】
上記のように、本発明では、Ｃｒ及びＭｏにより、鋼の焼入れ性および焼戻し軟化抵抗を高めて強度を向上させる手法を採用する。なお、Ｃｒ＋Ｍｏの合計量で１．５０％を超えて含有させるのが好ましく、１．５５％以上含有させるのがより好ましい。
【００４６】
Ｎｂ：０．００２〜０．１０％
Ｎｂは、高温域で炭窒化物を形成して、結晶粒の粗大化を抑制し、靭性を向上させる効果のある元素である。その効果を得るためには、Ｎｂを０．００２％以上含有させる必要がある。しかし、その含有量が０．１０％を超えると、炭窒化物が粗大になりすぎて、かえって靭性を低下させる。従って、Ｎｂ含有量を０．００２〜０．１０％とした。なお、Ｎｂ含有量の好ましい上限値は０．０５％である。
【００４７】
Ａｌ：０．００５〜０．１０％
Ａｌは、脱酸作用を有する元素である。この元素は、鋼の靱性および加工性を高める効果がある。この効果を得るためには、０．００５％以上含有させる必要がある。しかし、その含有量が０．１０％を超えると、地疵の発生が著しくなる。従って、Ａｌ含有量を０．００５〜０．１０％とした。なお、Ａｌ含有量の好ましい上限値は、０．０５％である。ここで、本発明にいうＡｌ含有量とは、酸可溶Ａｌ（いわゆるｓｏｌ．Ａｌ）の含有量を指す。
【００４８】
ＴｉおよびＶは、いずれか一方もしくは両方を含有させる必要がある。
【００４９】
Ｔｉ：０．００３〜０．０５０％
Ｔｉは、焼戻しの際にＴｉ炭化物として析出し、強度を向上させる効果がある。この効果を得るためには、０．００３％以上含有させる必要がある。ただし、その含有量が０．０５０％を越えると、凝固中など高温域で粗大な炭窒化物が形成し、また焼戻し時のＴｉ炭化物の析出量が過剰となるため、靭性が低下する。従って、Ｔｉ含有量を０．００３〜０．０５０％とした。
【００５０】
Ｖ：０．０１〜０．２０％
Ｖは、焼戻しの際にＶ炭化物として析出し、強度を向上させる効果がある。この効果を得るためには、０．０１％以上含有させる必要がある。ただし、その含有量が０．１５０％を越えると、焼戻し時のＶ炭化物の析出量が過剰となるため、靭性が低下する。従って、Ｖ含有量を０．０１％〜０．２０％とした。なお、Ｖ含有量の好ましい上限は０．１５％である。
【００５１】
本発明に係る継目無鋼管は、上記の成分のほか、残部がＦｅと不純物からなるものである。ここで、不純物とは、原料鉱石やスクラップ等から混入する成分であって、本発明に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。しかしながら、特に、不純物中のＮｉ、Ｃｕ、Ｐ、Ｓ、ＮおよびＢは、次に述べるように、その含有量を抑制する必要がある。
【００５２】
本発明は、その目的において、実質的にＮｉを含有しないことを前提としている。
Ｎｉ：０．１０％未満
本発明においては、実質的にＮｉを含有させないことを前提としているので、Ｎｉは添加しない。不純物として含有されるとしても、Ｎｉの含有量を０．１０％未満に制限する必要がある。不純物としてのＮｉの含有量は、好ましくは０．０３％以下、より好ましくは０．０２５％以下、さらに好ましくは０．０２％以下である。
【００５３】
Ｃｕ：０．２０％以下
なお、本発明においては、不純物としてのＮｉを０．１０％未満に制限しているため、Ｃｕチェッキングが生じやすくなる。したがって、Ｃｕは添加しない。不純物として含有されるとしても、Ｃｕの含有量を０．２０％以下に制限する必要がある。不純物としてのＣｕの含有量は、好ましくは０．０５％以下、より好ましくは０．０３％以下、さらに好ましくは０．０１％以下である。
【００５４】
Ｐ：０．０２５％以下
Ｐは、不純物として鋼中に存在する元素であるが、その含有量が０．０２５％を越えると靭性が著しく低下するため、不純物としての上限を０．０２５％とした。好ましい上限は、０．０２０％である。
【００５５】
Ｓ：０．００５％以下
Ｓは、Ｐと同様に不純物として鋼中に存在する元素であるが、その含有量が０．００５％を越えると靭性が著しく低下するため、不純物としての上限を０．００５％とした。なお、Ｓの含有量の好ましい上限は、０．００３％である。
【００５６】
Ｎ：０．００７％以下
Ｎは、不純物として鋼中に存在する元素であるが、その含有量が０．００７％を越えると靭性が著しく低下するため、不純物としての上限を０．００７％とした。
【００５７】
Ｂ：０．０００３％未満
Ｂは、通常、含有させることにより焼入れ性を向上させ、強度を高める効果のある元素である。しかしながら、ＣｒおよびＭｏが一定量含有されている鋼に、Ｂが０．０００３％以上含有されていると、焼戻し時に粗大な硼化物を形成し、靭性を低下させる。従って、本発明において、Ｂの不純物としての上限を０．０００３％未満とした。
【００５８】
また、本発明に係る継目無鋼管は、上記の成分のほか、ＣａおよびＭｇのうちの一方または両方を、必要に応じて含有させても良い。
【００５９】
Ｃａ：０．００５０％以下
Ｃａは、鋼中のＳと反応して硫化物を形成することにより介在物の形態を改善し、鋼の靭性を向上させる効果を有するので必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、その含有量が０．００５０％を超えると、鋼中の介在物量が増大し、鋼の清浄度が低下するので、かえって靭性が低下する。従って、Ｃａを含有させる場合には、その含有量を０．００５０％以下とするのが好ましい。なお、上記効果を安定的に発現させたい場合には、Ｃａの含有量を０．０００５％以上とするのが好ましい。
【００６０】
Ｍｇ：０．００５０％以下
Ｍｇもまた、鋼中のＳと反応して硫化物を形成することにより介在物の形態を改善し、鋼の靭性を向上させる効果を有する。しかしながら、その含有量が０．００５０％を超えると、鋼中の介在物量が増大し、鋼の清浄度が低下するので、かえって靭性が低下する。従って、Ｍｇを含有させる場合には、その含有量を０．００５０％以下とするのが好ましい。なお、上記効果を安定的に発現させたい場合には、Ｍｇの含有量を０．０００５％以上とするのが好ましい。
【００６１】
なお、本発明においては、対象の鋼管を、肉厚３０ｍｍ超の肉厚の大きいサイズものに限定している。この理由は、肉厚が３０ｍｍ以下のサイズにおいては、Ｎｉを実質的に含有していなくても、特許文献５に開示された方法によって、引張強度９５０ＭＰａ以上、かつ降伏強度８５０ＭＰａ以上であって、−４０℃でのシャルピー吸収エネルギーが６０Ｊ以上という、目的とする機械的特性値が実現できるからである。
【００６２】
本発明の鋼管は、望ましい態様にあっては、外径が１８５ｍｍ以上である。また本発明の鋼管は、望ましい態様にあっては、−４０℃でのシャルピー吸収エネルギーが８０Ｊ以上であり、さらに望ましい態様にあっては、−４０℃でのシャルピー吸収エネルギーが１００Ｊ以上である。
【００６３】
次に、本発明の鋼管の製造方法について述べる。
【００６４】
造管手段は特に限定しない。例えば、熱間での穿孔、圧延および延伸工程にて製造しても良いし、熱間押し出しプレスにより製造しても良い。例えば、通常のマンネスマンープラグミル方式（Mannesmann-plug mill method）、あるいはマンネスマンーマンドレルミル方式(Mannesmann-mandrel mill method)を用いることができる。
【００６５】
本発明の鋼管を製造する方法として、発明者が提示する手段は、上記の方法により熱間で造管された素管に対して、２回以上の焼入れ、焼戻しを行うことである。焼入れは、用いる鋼のＡｃ３変態点以上に加熱し、その後急冷することによって行う。急冷手段としては、水冷や油冷等が適用できる。焼戻しは、用いる鋼のＡｃ１変態点未満の温度に加熱することによって行う。Ａｃ１変態点未満の温度で均熱後、空冷することが望ましい。
【００６６】
２回以上の焼入れ、焼戻し操作を行う手法としては、いくつかの方法がある。以下に、その方法を例示する。
【００６７】
その一つは、前記熱間での造管後、一旦自然冷却等で素管を常温に冷却した後、オフラインの熱処理炉を用いて焼入れ、焼戻しを複数回繰り返す方法である。この場合は、２回とも常温から再加熱され、逆変態を経ることで優れた靭性を確保しやすい。
【００６８】
二番目の手法は、前記熱間での造管の仕上げ圧延終了後、十分な保有熱を有する素管を速やかに熱処理炉に移し、Ａｒ３変態点温度以上で均熱して、Ａｒ３変態点以上の温度から急冷することで焼入れを行い、１回目の焼入れとすることである。本願明細書ではこの方法による焼入れをインライン焼入れと言う。その後、オフラインの熱処理炉で焼戻しを行い、更に焼入れ、焼戻しを１回以上繰り返す。この場合、インライン焼入れは常温から加熱するオフラインでの焼入れと比較して省エネルギーの効果があり、また靭性も前述の手法に比較的近いものが得られやすい。
【００６９】
三番目の手法は、前記熱間での造管の仕上げ圧延終了直後の、素管がＡｒ３変態点以上の温度にある状態から、急冷して焼入れ、１回目の焼入れとする方法であり、以降の焼戻しや２回目以降の焼入れ、焼戻し工程に関しては、二番目の手法と同様である。この方法は省エネルギー効果においては非常に優れるが、靭性確保の点では、前記二つの手法に比べて劣る。
【００７０】
以上、三つの手法について説明したが、この区分は、単に、熱間製管後冷却終了までの方法に基づいて行ったものであって、上記でオフライン熱処理炉で行うと記載された工程を、インラインに組み入れて行うことは、特別な設備が必要な問題はあるものの、原理的には何等差のないことは明らかである。
【実施例】
【００７１】
表１に示す化学成分の鋼を溶製し、転炉−連続鋳造プロセスにより、断面が矩形のビレットおよび外径３１０ｍｍの円柱ビレットを鋳造した。矩形ビレットは、さらに熱間鍛造により外径１７０ｍｍの円柱ビレットと外径２２５ｍｍの円柱ビレットに成形した。
【００７２】
【表１】
【００７３】
これらの円柱ビレットを、１２４０℃に加熱し、マンネスマン−マンドレル方式によって、表６に示す寸法の継目無鋼管を作製した。その後、表２に示す温度条件で、焼入れ
焼戻し熱処理を施して、製品鋼管を製造した。
【００７４】
得られた各製品鋼管について、長手方向の両端位置（圧延方向で先端側をＴ端、末端側をＢ端とする）の強度特性をＪＩＳ Ｚ２２０１の４号（丸棒）試験片を用いて、ＪＩＳ Ｚ２２４１に準拠した引張試験を実施して評価し、靭性をＪＩＳ Ｚ２２４２に準拠した２ｍｍＶノッチフルサイズ試験片を切り出し、−４０℃にてシャルピー衝撃試験を３本実施した中で、最も低い吸収エネルギーとして評価した。表２に各製品鋼管の強度および靭性の評価結果を示す。
【００７５】
【表２】
【００７６】
焼入れ焼戻しを２回繰り返したＮｏ.５および９〜１２の鋼管（本発明例）に関しては、３０ｍｍ超の肉厚、１８５ｍｍ以上の外径、そして、Ｎｉ含有量が０．１０％未満であるにもかかわらず、降伏強度８５０ＭＰａ以上、引張強度９５０ＭＰａ以上および−４０℃でのシャルピー吸収エネルギーが６０Ｊ以上と、良好な高強度かつ高靱性の結果が得られた。
【００７７】
これに対して、比較例に係るＮｏ．１〜３および１３〜１９は、１回の焼入れ・焼戻しにより、８５０ＭＰａ以上の降伏強度、９５０ＭＰａ以上の引張強度、６０Ｊ以上の吸収エネルギー（−４０℃）を達成できているが、肉厚が３０ｍｍ以下の例である。また、比較例に係るＮｏ．４、６、２０および２１は、１回の焼入れ・焼戻しを行ったものであるが、吸収エネルギーが小さく靭性が不足している。また、比較例に係るＮｏ．７および８は、１回の焼入れ・焼戻しを行ったものであり、靭性は満足できる水準にあるものの、降伏強度、引張強度が不足している。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
以上説明したように、本発明によれば、クレーンのブーム等の機械構造部材に特に好適な、引張強度９５０ＭＰａ以上および降伏強度８５０ＭＰａ以上の高強度を有し、かつ、−４０℃でのシャルピー吸収エネルギーが６０Ｊ以上の高靭性を有する肉厚が３０ｍｍを超える厚肉継目無鋼管を、Ｎｉを実質的に含有させることなく、提供することができる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．１０〜０．２０％、Ｓｉ：０．０５〜１．０％、Ｍｎ：０．０５〜１．２％、Ｃｒ：０．５０〜１．５０％、Ｍｏ：０．５０〜１．５０％、Ｎｂ：０．００２〜０．１０％％、Ａｌ：０．００５〜０．１０％、並びにＴｉ：０．００３〜０．０５０％およびＶ：０．０１〜０．２０％の１種または２種を含有し、残部はＦｅおよび不純物からなり、不純物中のＮｉが０．１０％未満、Ｃｕが０．２０％以下、Ｐが０．０２５％以下、Ｓが０．００５％以下、Ｎが０．００７％以下およびＢが０．０００３％未満である低合金鋼からなり、引張強度９５０ＭＰａ以上、かつ降伏強度８５０ＭＰａ以上であって、−４０℃でのシャルピー吸収エネルギーが６０Ｊ以上であり、肉厚が３０ｍｍ超であることを特徴とする継目無鋼管。
【請求項２】
Ｆｅの一部に代えて、さらにＣａ：０．０００５〜０．００５０％およびＭｇ：０．０００５〜０．００５０％のうちの一方または両方を含有する請求項１に記載の継目無鋼管。
【請求項３】
請求項１または２に記載の化学成分を有する低合金鋼を熱間製管して、肉厚３０ｍｍ超の寸法形状に形成した後、焼入れ、焼戻しを２回以上行い、引張強度を９５０ＭＰａ以上、降伏強度を８５０ＭＰａ以上、−４０℃でのシャルピー吸収エネルギーを６０Ｊ以上とすることを特徴とする継目無鋼管の製造方法。
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．１０〜０．２０％、Ｓｉ：０．０５〜１．０％、Ｍｎ：０．０５〜１．２％、Ｃｒ：０．５０〜１．５０％、Ｍｏ：０．５０〜１．５０％、Ｎｂ：０．００２〜０．１０％％、Ａｌ：０．００５〜０．１０％、並びにＴｉ：０．００３〜０．０５０％およびＶ：０．０１〜０．２０％の１種または２種を含有し、残部はＦｅおよび不純物からなり、不純物中のＮｉが０．１０％未満、Ｃｕが０．２０％以下、Ｐが０．０２５％以下、Ｓが０．００５％以下、Ｎが０．００７％以下およびＢが０．０００３％未満である低合金鋼からなり、引張強度９５０ＭＰａ以上、かつ降伏強度８５０ＭＰａ以上であって、−４０℃でのシャルピー吸収エネルギーが６０Ｊ以上であり、肉厚が３０ｍｍ超であることを特徴とする継目無鋼管。
【請求項２】
Ｆｅの一部に代えて、さらにＣａ：０．０００５〜０．００５０％およびＭｇ：０．０００５〜０．００５０％のうちの一方または両方を含有する請求項１に記載の継目無鋼管。
【請求項３】
請求項１または２に記載の化学成分を有する低合金鋼を熱間製管して、肉厚３０ｍｍ超の寸法形状に形成した後、焼入れ、焼戻しを２回以上行い、引張強度を９５０ＭＰａ以上、降伏強度を８５０ＭＰａ以上、−４０℃でのシャルピー吸収エネルギーを６０Ｊ以上とすることを特徴とする継目無鋼管の製造方法。
【公開番号】特開２０１２−１９３４０４（Ｐ２０１２−１９３４０４Ａ）
【公開日】平成２４年１０月１１日（２０１２．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５７５２０（Ｐ２０１１−５７５２０）
【出願日】平成２３年３月１６日（２０１１．３．１６）
【出願人】（０００００２１１８）住友金属工業株式会社 (2,544)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月１１日（２０１２．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月１６日（２０１１．３．１６）
【出願人】（０００００２１１８）住友金属工業株式会社 (2,544)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]