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発明の名称 マルテンサイト系ステンレス継目無鋼管の製造方法
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2001−96304(P2001−96304A)
公開日 平成13年4月10日(2001.4.10)
出願番号 特願2000−106398(P2000−106398)
出願日 平成12年4月7日(2000.4.7)
代理人 【識別番号】100105441
【弁理士】
【氏名又は名称】田中 久喬
発明者 山本 修治 / 岡 正春 / 坂本 俊治 / 高久 健一 / 古庄 弘一 / 石橋 精二
要約 目的


構成
特許請求の範囲
【請求項1】 質量%で、Cr:10.0〜16.0%、Ni:1.0〜8.0%を含有するマルテンサイト系ステンレス鋼片を加熱した際に鋼片表面に生成する酸化スケールの下層部を、金属片を含み、かつ断面全体に対する空隙の面積率が20%以下であるスケール厚さを150μm以下として穿孔することを特徴とするマルテンサイト系ステンレス継目無鋼管の製造方法。
【請求項2】 質量%で、Cr:10.0〜16.0%、Ni:1.0〜8.0%を含有するマルテンサイト系ステンレス鋼片を加熱した際に鋼片表面に生成する酸化スケールの下層部を、金属片を含み、かつ断面全体に対する空隙の面積率が20%以下であるスケール厚さを150μm以下とし、かつ加熱時のオーステナイト粒径を200μm以下として穿孔することを特徴とするマルテンサイト系ステンレス継目無鋼管の製造方法。
【請求項3】 質量%で、Cr:10.0〜16.0%、Ni:1.0〜8.0%、Ti:0.01〜0.05%を含有するマルテンサイト系ステンレス鋼片を加熱した際に鋼片表面に生成する酸化スケールの下層部を、金属片を含み、かつ断面全体に対する空隙の面積率が20%以下であるスケール厚さを150μm以下とし、かつ加熱時のオーステナイト粒径を200μm以下として穿孔することを特徴とするマルテンサイト系ステンレス継目無鋼管の製造方法。
【請求項4】 酸化スケールの下層部の前記金属片の含有率が断面全体に対する面積率で30%以上であることを特徴とする請求項1〜3の内のいずれか1つに記載のマルテンサイト系ステンレス継目無鋼管の製造方法。
発明の詳細な説明
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、質量%で、Cr:10.0〜16.0%、Ni:1.0〜8.0%を含有するマルテンサイト系ステンレス継目無鋼管の製造方法に関するもので、特に、シームレス圧延に際して、外表面の圧延疵の発生を減少させる圧延法に関わるものである。
【0002】
【従来の技術】ユージン−セジュルネ方式で代表される熱間押出法により製造されてきた各種ステンレス継目無鋼管が、近年、前記熱間押出法よりも生産性の高いマンドレルミル法およびプラグミル法の圧延法で製造されるようになった。JIS規格SUS420J1タイプの13%Cr鋼は、油井用鋼管として使用されるため生産量が多い。また、耐食性、強度、靭性などの材質特性への市場要求の高度化に伴い、特公平3−2277号公報や特開平2−247360号公報に見られるようなNi、Mo、Cuなどの合金元素を多量に含有する鋼種が開発されてきており、これらマルテンサイト系ステンレス鋼は、一般に、油井管用途としてのModified 13Crやラインパイプ用途としてのWeldable 13Crなどの呼称で称され、継目無鋼管を始め、電縫管や丸鋼などの製品として実用化されている。
【0003】このようなステンレス鋼は、普通鋼に比較して熱間加工性が劣るため、特に加工が過酷な継目無鋼管圧延においては、疵が発生しやすい。JIS規格SUS420系の13%Cr鋼鋼菅の外面疵を低減するため、本発明者らは特開平7−178435号公報において、圧延用素材の表面に脱炭防止剤を塗布するか、もしくは保護鋼板を全面に覆った後、圧延する方法を提案した。
【0004】しかしながら、上記Modified 13CrやWeldable 13Crの中でも特にNiを1%以上含有する鋼においては、外面疵の発生が著しく、特開平7−178435号公報にある方法を用いてもその防止が充分になされなかった。
【0005】Ni、Mo、Crなどの合金元素を多量に含有するマルテンサイト系ステンレス鋼の外表面疵を低減するため、本発明者らは特願平11−210712号において、加熱した際に生成する金属片を含み空隙が少ないスケール層の厚さを150μm以下とし穿孔する方法を提案した。上述の方法では、外表面疵の低減を行うことは可能であるが、さらに一層の外表面疵を低減することが可能な方法が求められる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述の問題を克服する技術を提供することを目的とするものであり、すなわち、Ni、Moなどの製品性能上有用な合金元素を多量に含有するマルテンサイト系ステンレス継目無鋼管のシームレス圧延に際して、外表面疵の発生を低減することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明は、質量%で、Cr:10.0〜16.0%、Ni:1.0〜8.0%を含有するマルテンサイト系ステンレス継目無鋼管で発生する外表面の圧延疵について詳細に調査・解析した。
【0008】その結果、鋼材表面側の酸化スケールは、金属片を多量に含み、空隙が少ないものであって、これが外面疵の発生原因となることを見出して本発明を完成した。
【0009】本発明の要旨は、以下の通りである。
【0010】(1) 質量%で、Cr:10.0〜16.0%、Ni:1.0〜8.0%を含有するマルテンサイト系ステンレス鋼片を加熱した際に鋼片表面に生成する酸化スケールの下層部を、金属片を含み、かつ断面全体に対する空隙の面積率が20%以下であるスケール厚さを150μm以下として穿孔することを特徴とするマルテンサイト系ステンレス継目無鋼管の製造方法。
【0011】(2) 質量%で、Cr:10.0〜16.0%、Ni:1.0〜8.0%を含有するマルテンサイト系ステンレス鋼片を加熱した際に鋼片表面に生成する酸化スケールの下層部を、金属片を含み、かつ断面全体に対する空隙の面積率が20%以下であるスケール厚さを150μm以下とし、かつ加熱時のオーステナイト粒径を200μm以下として穿孔することを特徴とするマルテンサイト系ステンレス継目無鋼管の製造方法。
【0012】(3) 質量%で、Cr:10.0〜16.0%、Ni:1.0〜8.0%、Ti:0.01〜0.05%を含有するマルテンサイト系ステンレス鋼片を加熱した際に鋼片表面に生成する酸化スケールの下層部を、金属片を含み、かつ断面全体に対する空隙の面積率が20%以下であるスケール厚さを150μm以下とし、かつ加熱時のオーステナイト粒径を200μm以下として穿孔することを特徴とするマルテンサイト系ステンレス継目無鋼管の製造方法。
【0013】(4) 酸化スケールの下層部の前記金属片の含有率が断面全体に対する面積率で30%以上であることを特徴とする前記(1)〜(3)の内のいずれか1つに記載のマルテンサイト系ステンレス継目無鋼管の製造方法。
【0014】
【発明の実施の形態】以下に本発明による圧延方法について詳細に説明する。
【0015】本発明者らは、質量%で、Cr:10.0〜16.0%、Ni:1.0〜8.0%を含有するマルテンサイト系ステンレス鋼においては、図1に示すようなNiが濃化した金属片を含有した酸化スケールが外面疵の発生に多大な影響を与えることを知見した。図1に示すように酸化スケール中の金属片の一部は図2に示すように地鉄と繋がっているため、210気圧程度の高圧水デスケーリングを行っても、除去することが困難である。このような地鉄との密着性に優れる酸化スケールが付着した素材をプレスロール穿孔機あるいは傾斜穿孔機で穿孔すると以下のメカニズムで外面疵になることを突き止めた。プレスロール穿孔機による穿孔においては、図3に示すように角形鋼片のコーナー近傍において、ロールから受けるロール側面フランジ方向への摩擦により、スケールが不均一に押し込まれて溝状欠陥になる。この溝状欠陥の存在する素管を傾斜圧延機で延伸圧延すると、ロールから受ける回転方向の摩擦により溝状欠陥がラップして外面疵になる場合がある。一方、傾斜圧延機においても、ロールから受ける回転方向の摩擦により、スケールが不均一に押し込まれて表面が溝状になると共にラップして外面疵になる。
【0016】続いて、鋼材表面に生成するスケールと疵の内部に存在するスケールの関係を調査した。鋼材表面に生成した酸化スケールの形態は図1に示した通りであり、2層に分類される。同図中にIで示した範囲の表層側の酸化スケールは空隙が多く、金属片の少ないものであるため、容易に剥離しやすいと推定される。このIで示した範囲の表層側の酸化スケールを以下、スケールIと呼ぶことにする。一方、同図中にIIで示した範囲の地鉄側の酸化スケール(酸化スケールの下層部)は空隙が少なく、金属片の多いものである。このIIで示した金属片を含み空隙が少ないスケールとは、任意に切断した断面全体に対する空隙の面積率が20%以下、かつ金属片の面積率が30%以上のスケールである。このIIで示した金属片を含み空隙が少ない酸化スケールを以下、スケールIIと呼ぶことにする。
【0017】次に、溝状疵の内部に存在するスケールを調査した結果、このスケールは図4に示すように、金属片を多量に含むスケールであり、スケールIIであることを突き止めた。空隙が多く金属片が少ないスケールIは、ロールと接触後、直ちに被穿孔材より剥離し問題とならないが、被穿孔材との密着性がよい、スケールIIは、地鉄と共に塑性変形しようとするが、ロールからの摩擦に起因する剪断変形により、地鉄/スケール界面あるいはスケール中でスケールが分断されて不均一に押し込まれることにより溝状欠陥になる。
【0018】このスケール起因の外面疵を軽減するための圧延法を検討した。上述したように外面疵の起点は、スケールIIが不均一に押し込まれて生じた溝状欠陥であるため、スケールIIの厚さを小さくすることで、表面に生成する溝状欠陥が浅くなり、外面疵を防止できると発想した。一般的に、加熱時間が長くなると酸化スケールの厚さが厚くなるが、図5に示すようにスケールIIの厚さも、加熱時間の増加に伴い増加することを知見した。
【0019】まず、プレスロール穿孔機で角形鋼片を厚肉中空素管に穿孔後、傾斜圧延機で薄肉素管に延伸圧延する工程で検討を行った。表層に生成したスケールIIの厚さを変更した鋼片を用い、プレスロール穿孔機で厚肉中空素管に穿孔後、傾斜圧延機で薄肉素管に圧延し、外面疵の深さを調査した。その際、一部の鋼片については、プレスロール穿孔機で穿孔後に払い出し、プレスロール穿孔による溝状欠陥の深さを調査した。
【0020】図6にスケールIIの厚さと穿孔後の溝状欠陥の深さの関係を示す。図6に示すように、スケールIIの厚さが200μmの付近から溝状欠陥の深さが大きく上昇する。
【0021】図7に、スケールIIの厚さと傾斜圧延機での延伸圧延後の薄肉中空素管の外面疵深さの関係を示す。図7に示すように、スケールIIの厚さを小さくすることで、プレスロール穿孔後の溝状欠陥が浅くなり、傾斜圧延機での圧延後の外面疵が浅くなること、さらに、スケールIIの厚さをl50μm以下にすることで、外面疵を防止できることを知見した。
【0022】次に、表層に生成したスケールIIの厚さを変更した鋼片を用い、傾斜圧延機で穿孔した素管の外面疵の深さを調査した。図8にスケールIIの厚さと外面疵の深さの関係を示す。
【0023】傾斜圧延機においても、スケールIIの厚さを150μm以下にすることで外面疵を防止できることを知見した。したがって、本発明ではスケールIIの厚さを150μm以下に限定した。そして、スケールIIの厚さを150μm以下とするには、図5に示すように、鋼片の加熱時間を140分以下とすることにより達成できる。好ましくは、100分以下である。
【0024】本発明者らは、質量%で、Cr:10.0〜16.0%、Ni:1.0〜8.0%を含有するマルテンサイト系ステンレス鋼の継目無圧延において、請求項1の発明にあるような対策を講じても発生した外表面疵を詳細に調査・解析した結果、以下に述べるもう一つの外表面疵の生成機構を突き止めた。
【0025】上記鋼においては、図1に示すようなNiが濃化した金属片2を含有した酸化スケールが生成するが、図9に示すように、金属片2と酸化物3とを含有するその酸化スケール4と地鉄5の界面に楔状の酸化スケールがオーステナイト粒界7に生成する場合がある。この楔状の酸化スケールを以下、楔状スケール6と呼ぶことにする。この楔状スケールが存在する中空素管を傾斜圧延機で圧延すると、次ぎに述べる機構により外表面疵になることを知見した。
【0026】図10に傾斜圧延機での圧延を示す。圧延素材である被圧延材8がロール9と接触を開始し、マンドレルバー11で支持されたプラグ10と呼ぶ内面側の工具と接触するまでの過程(以下、空揉み過程と呼ぶ)で、圧延素材はロールにより圧下され、2つのロール中心を結ぶ線に垂直な位置の外表面側(図10(b)中に■で示す箇所)に、周方向の引張応力が生じる。楔状スケールが存在する素管を傾斜圧延機にて圧延途中止めし圧延材を調査した結果、外表面疵は、楔状スケールを起点とし空揉み過程で周方向の引張応力により割れて生じたものであることを突き止めた。さらに、請求項1の発明にあるように、金属片を含む酸化スケールが付着した鋼片を、プレスロール穿孔機および傾斜穿孔機等の穿孔機で穿孔すると、金属片を含む酸化スケールが押し込まれて溝状欠陥が生成することがある。この溝状欠陥の深さが200μm以上で深く、その底の部分に楔状スケールが存在すると、外表面疵がより発生しやすくなることを知見した。
【0027】続いて、酸化スケールと地鉄との界面に発生する楔状スケールと素材の関係を詳細に調査した結果、楔状スケールは加熱時のオーステナイト粒界に生成し、その粒径に多大な影響を受けることを知見した。図11は1280℃で2時間加熱した鋼片のオーステナイト粒径と楔状スケールの深さの関係を示したものであるが、オーステナイト粒径が小さくなると楔状スケールが浅くなり、オーステナイト粒径が200μm以下では楔状スケールが発生しなくなることを知見した。オーステナイト粒の粗大化を抑制するには、ピン止め効果のある元素を添加すれば良いが、本発明においては、ピン止め効果のある元素として、特にTiが有効であることを知見し、Tiを用いた。Tiを0.01%以上添加することで、1280℃に加熱時のオーステナイト粒径が200μm以下となる。また、TiはNと親和性の強い元素であり窒化物を生成するが、過度に含有させて窒化物の存在密度が高くなり、熱間加工性が悪化するため上限を0.05%とした。このためTiを添加するときは、Ti:0.01〜0.05%とした。
【0028】次に、本発明の適用鋼種を質量%で、Cr:10.0〜16.0%、Ni:1.0〜8.0%.に限定した理由を以下に述べる。
【0029】Niが1.0%以下では、図1に示すような金属片を含んだスケールが発生しないか、発生した場合でも150μm以上にはならない。Niは耐食性改善に有効な元素であり、かつδフェライト生成を防止する観点から含有させるが、高価な元素であると共に多量に含有させると熱間変形抵抗を高めて加工性を低下させるので上限を8.0%とした。
【0030】続いて、Crを限定した理由を述べる。図1に示す範囲のスケ−ルを分析した結果、大半がFeO・Cr23であった。このFeO・Cr23の生成量は、Cr量の増加に伴い増加するが、13質量%程度でピークとなり、それ以上Crを添加すると減少する。Crが10質量%未満あるいは16質量%超では、150μm以上のスケールが生成しない。よって、Crの適用範囲を10.0〜16.0質量%とした。
【0031】
【実施例】(実施例1)辺長215mm、長さ2500mmの表lに示す成分のModified l3Crの角材を、表2に示す条件にて加熱した。加熱した角材をプレスロール穿孔機にて外径256mm、肉厚65mm、長さ2960mmに穿孔後、傾斜圧延機にて外径256mm、肉厚20mm、長さ7790mmに延伸圧延した。延伸圧延後の素管の外面疵を調査した結果を表3に示す。
【0032】本発明No.1では、スケールIIの厚さは90〜120μmであり、外面疵の発生が見られなかった。一方、比較例No.2では、スケールIIの厚さは240〜280μmであり50本中38本に疵の発生が見られた【0033】
【表1】

【0034】
【表2】

【0035】
【表3】

【0036】(実施例2)直径が80mm、長さ800mmの表1に示す成分のModified l3Crの丸材を、表4に示す条件にて加熱した。加熱した丸素材を、傾斜圧延機にて外径80mm、肉厚8mm、長さ2220mmに穿孔した。穿孔後の素管の外面疵を調査した結果を表5に示す。
【0037】本発明No.3では、スケールIIの厚さは80〜120μmであり、外面疵の発生が見られなかった。一方、比較例No.4では、スケールIIの厚さは240〜280μmであり、10本中7本に疵の発生が見られた。
【0038】
【表4】

【0039】
【表5】

【0040】(実施例3)辺長220mm、長さ2500mmの表6に示す成分のModified 13Crの角材を、表7に示す条件にて加熱した。加熱した角材をプレスロール穿孔機にて穿孔し、引き続き傾斜圧延機、プラグミル、リーラーにて圧延後、再加熱しサイザーにて外径273mm、肉厚15.1mmに定径した。圧延後の素管の外表面疵を調査した結果を表7に示す。また、加熱後のオーステナイト粒径および楔状スケールの発生有無を表8に示す。
【0041】本発明No.1では、楔状スケールの発生が無く、外表面疵の発生が見られなかった。一方、比較例No.2では、楔状スケールが発生し、100本中18本に外表面疵の発生が見られた。比較例No.3では、深さ350μmの溝状欠陥および楔状スケールが発生したため、100本中92本に外表面疵の発生が見られた。
【0042】
【表6】

【0043】
【表7】

【0044】
【表8】

【0045】
【発明の効果】以上述べた如く本発明によれば、Ni、Mo、Cuなどの製品性能上有用な合金元素を多量に含有するマルテンサイト系ステンレス鋼材の外表面疵発生を大幅に低減でき、品質および歩留の向上、疵手入れの減少等その工業上の効果は大きい。




 

 


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