JP7472826B2 - 電縫溶接鋼管およびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、特に建設機械用のフレーム部材（本発明では建機フレームという）、中でも、クレーンラチス用、あるいはクレーンブーム用として好適な高強度かつ低温靭性に優れた電縫溶接鋼管およびその製造方法に関する。
建機フレーム、とくにクレーンラチス用、あるいはクレーンブーム用としての鋼管は、クレーンの大型化および極寒冷地での使用を考慮し、高強度化と高靭性化が求められている。
最近では、引張強度（ＴＳ）：７８０ＭＰａ級の鋼管で、かつ－２０℃という低温での優れた靭性が要求されるようになってきた。これらの用途に用いられる鋼管は、肉厚がｍｍ程度の比較的薄肉のものから、１０ｍｍを超える厚肉品にいたるまで幅広く、これまでは、薄肉のものについては、シームレス鋼管あるいは電縫溶接鋼管が、また厚肉のものについてはシームレス鋼管が使われ、かつ厚肉の場合には造管後の後熱処理（焼き入れ・焼き戻し）により必要強度を確保する方法がとられてきた。
最近では、引張強度（ＴＳ）：７８０ＭＰａ級の鋼管で、かつ－２０℃という低温での優れた靭性が要求されるようになってきた。これらの用途に用いられる鋼管は、肉厚がｍｍ程度の比較的薄肉のものから、１０ｍｍを超える厚肉品にいたるまで幅広く、これまでは、薄肉のものについては、シームレス鋼管あるいは電縫溶接鋼管が、また厚肉のものについてはシームレス鋼管が使われ、かつ厚肉の場合には造管後の後熱処理（焼き入れ・焼き戻し）により必要強度を確保する方法がとられてきた。
例えば、特許文献１に開示されている技術によれば、クレーンのブーム等の機械構造部材に適用される引張強度が７００ＭＰａ以上で、かつ伸びが２５％以上の高強度を有し、さらに、シャルピー衝撃試験によって得られる破面遷移温度ｖＴｒｓが－４０℃以下であるという低温靭性に優れる継目無鋼管を提供することができる。
しかしながら、特許文献１で提案された技術は、高強度と高靭性の両方を有する鋼管であるものの、一般的に電縫鋼管と比べて製造コストが高い継目無鋼管のため、価格競争力の面で課題がある。
さらに、造管工程（穿孔前の丸ビレットの高温加熱：約１２００℃）でパイプ表面に脱炭層が生じるため、その後に実施される焼入れ工程において、焼入れ硬さ不足が生じたり、かかる脱炭層部分の鋼管組織の粒径が焼入れ時の加熱工程でさらに粗大化することによって低温靭性が低下したりする問題があった。
さらに、造管工程（穿孔前の丸ビレットの高温加熱：約１２００℃）でパイプ表面に脱炭層が生じるため、その後に実施される焼入れ工程において、焼入れ硬さ不足が生じたり、かかる脱炭層部分の鋼管組織の粒径が焼入れ時の加熱工程でさらに粗大化することによって低温靭性が低下したりする問題があった。
これらの問題は、焼入れ工程の前にパイプの表面を研削し表面脱炭層を削除することで回避が可能ではあるものの、かかるパイプの内面の研削は極めて難しいばかりでなく研削工程の追加という製造コストの上昇につながる問題があった。
本発明は、かかる現状に鑑み、高強度かつ優れた低温靭性を有した建機フレーム用の電縫溶接鋼管、とりわけクレーンラチスあるいはクレーンブーム用の鋼管において、鋼管の内側の表面である管内表面および鋼菅の外側の表面である管外表面（以下、管内表面および管外表面ともいう）における表面脱炭層の少ない鋼管が要求され、同時に厚肉品にも対応するような溶接品質に優れた電縫溶接鋼管を、かかる電縫溶接鋼管を低コストに製造する方法とともに提供することを目的とする。
発明者らは、鋭意研究を繰り返し、鋼成分の最適化、特にＣｒ量を最適化することによって、焼入れ工程における素管の加熱段階での表面脱炭、すなわち管外表面および管内表面の脱炭を効果的に抑制することが可能であることを知見した。
Ｃｒはセメンタイトを安定化させる元素なので、焼入れ時の加熱中に、焼入れ前の組織におけるパーライト中のセメンタイトが溶解して拡散し脱炭反応に供されるのを防ぐ効果がある。すなわち、パイプの全厚にわたり均一な焼入れ後の硬さ（強度）を得ることが可能となるのである。さらに、パイプ表面の結晶粒粗大化が抑制されることで、鋼管の表面近傍における低温靭性の低下を、効果的に防ぐことが可能であることを併せて知見した。
Ｃｒはセメンタイトを安定化させる元素なので、焼入れ時の加熱中に、焼入れ前の組織におけるパーライト中のセメンタイトが溶解して拡散し脱炭反応に供されるのを防ぐ効果がある。すなわち、パイプの全厚にわたり均一な焼入れ後の硬さ（強度）を得ることが可能となるのである。さらに、パイプ表面の結晶粒粗大化が抑制されることで、鋼管の表面近傍における低温靭性の低下を、効果的に防ぐことが可能であることを併せて知見した。
本発明は、かかる知見に基づいて、さらに検討を加えて完成されたものである。
すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．質量％で、Ｃ：０．２０～０．３０％、Ｓｉ：０．０５～０．５０％、Ｍｎ：０．０５～１．５０％、Ｐ：０．０００５～０．０３００％、Ｓ：０．０００１～０．０３００％、Ａｌ：０．０１０～０．１００％、Ｃｒ：０．２５～０．５０％、Ｔｉ：０．０１０～０．１００％、Ｂ：０．０００１～０．００５０％、Ｎ：０．０００５～０．０１００％およびＣａ：０．０００１～０．００５０％を含み、残部Ｆｅおよび不可避的不純物であって、かつＴｉ／Ｎ≧４．０の関係を満足する組成を有し、鋼管の内表面および外表面の両面に脱炭層を備え、該脱炭層深さは最大深さがそれぞれ０．２０ｍｍ以下である電縫鋼管。
すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．質量％で、Ｃ：０．２０～０．３０％、Ｓｉ：０．０５～０．５０％、Ｍｎ：０．０５～１．５０％、Ｐ：０．０００５～０．０３００％、Ｓ：０．０００１～０．０３００％、Ａｌ：０．０１０～０．１００％、Ｃｒ：０．２５～０．５０％、Ｔｉ：０．０１０～０．１００％、Ｂ：０．０００１～０．００５０％、Ｎ：０．０００５～０．０１００％およびＣａ：０．０００１～０．００５０％を含み、残部Ｆｅおよび不可避的不純物であって、かつＴｉ／Ｎ≧４．０の関係を満足する組成を有し、鋼管の内表面および外表面の両面に脱炭層を備え、該脱炭層深さは最大深さがそれぞれ０．２０ｍｍ以下である電縫鋼管。
２．さらに、質量％で、Ｎｂ：０．０１００～０．１０００％、Ｍｏ：０．０５～０．３０％、Ｃｕ：０．００１～０．５００％、Ｎｉ：０．００１～０．５００％、Ｗ：０．００１～０．０５０％、Ｖ：０．００１～０．０１０％、ＲＥＭ：０．０２０％以下のうちから選んだ１種または２種以上を含有する前記１に記載の電縫鋼管。
３．前記１に記載の電縫鋼管を製造する方法であって、質量％で、Ｃ：０．２０～０．３０％、Ｓｉ：０．０５～０．５０％、Ｍｎ：０．０５～１．５０％、Ｐ：０．０００５～０．０３００％、Ｓ：０．０００１～０．０３００％、Ａｌ：０．０１０～０．１００％、Ｃｒ：０．２５～０．５０％、Ｔｉ：０．０１０～０．１００％、Ｂ：０．０００１～０．００５０％、Ｎ：０．０００５～０．０１００％およびＣａ：０．０００１～０．００５０％を含み、残部Ｆｅおよび不可避的不純物であって、かつＴｉ／Ｎ≧４．０の関係を満足する組成の鋼素材に、熱間圧延を施して熱延板とする熱延工程を施して鋼管用素材とし、該鋼管用素材を成形して円筒状のオープン管とし、該オープン管を電縫溶接して電縫鋼管とする造管工程を施し、該電縫鋼管をＡｃ３変態点以上まで昇温し、５０℃／ｓ以上の冷却速度でマルテンサイト変態点（Ｍｓ点）以下まで冷却して焼き入れを行う工程、および焼き戻し工程を備える電縫鋼管の製造方法。
４．前記２に記載の電縫鋼管を製造する方法であって、前記鋼素材の組成にさらに、質量％で、Ｎｂ：０．０１００～０．１０００％、Ｍｏ：０．０５～０．３０％、Ｃｕ：０．００１～０．５００％、Ｎｉ：０．００１～０．５００％、Ｗ：０．００１～０．０５０％、Ｖ：０．００１～０．０１０％、ＲＥＭ：０．０２０％以下のうちから選ばれた１種または２種以上を含有する前記３に記載の電縫鋼管の製造方法。
５．前記焼き戻し工程は、焼き戻し後の電縫鋼管の引張強度ＴＳを７８０～９８０ＭＰａの範囲とする条件で行う前記３または４に記載の電縫鋼管の製造方法。
６．前記焼き戻し工程後の電縫鋼管の外表面に、ショットブラストを施す前記３～５のいずれか１項に記載の電縫鋼管の製造方法。
７．前記１または２に記載の電縫鋼管を製造する方法であって、前記１または２に記載の成分を有するオープン管を電縫溶接する造管工程を施して電縫鋼管とし、該電縫鋼管をＡｃ３変態点以上まで昇温し、５０℃／ｓ以上の冷却速度でマルテンサイト変態点（Ｍｓ点）以下まで冷却する焼入れを施し、次いで焼き戻しを施す電縫鋼管の製造方法。
８．前記焼き戻しは、焼き戻し後の電縫鋼管の引張強度ＴＳを７８０～９８０ＭＰａとする条件で行う前記７に記載の電縫鋼管の製造方法。
９．前記焼き戻し後の電縫鋼管の外表面に、ショットブラストを施す前記７または８に記載の電縫鋼管の製造方法。
本発明によれば、引張強度ＴＳが７８０～９８０ＭＰａの高強度で、かつ低温衝撃特性（吸収エネルギー≧２４Ｊ、シャルピー試験片サイズ幅１０ｍｍ×高さ５ｍｍ、試験温度：－２０℃）に優れた建設機械の構造部材、特にクレーンラチスあるいはクレーンブーム用に好適な電縫鋼管を製造・提供することが可能である。
以下、本発明の実施形態について説明する。
［成分組成］
本発明の建機フレーム部材、特にクレーンラチスあるいはクレーンブーム用電縫鋼管（以下、単に電縫鋼管または鋼管という場合がある）は、所定の成分組成を有する。以下、各成分の含有量およびかかる含有量の限定理由について説明する。なお、特に断らない限り、以下の鋼管成分にかかる「％」は「質量％」を指すものとする。
Ｃ：０．２０～０．３０％
Ｃは、クレーンラチス、あるいはクレーンブームに求められる強度（硬さ）を確保するために必要な元素であり、０．２０％以上の含有を必要とする。一方、Ｃ含有量が０．３０％を超えると、低温靱性を劣化させる。そのため、Ｃ含有量は、０．３０％以下とし、好ましくは０．２６％以下とする。
［成分組成］
本発明の建機フレーム部材、特にクレーンラチスあるいはクレーンブーム用電縫鋼管（以下、単に電縫鋼管または鋼管という場合がある）は、所定の成分組成を有する。以下、各成分の含有量およびかかる含有量の限定理由について説明する。なお、特に断らない限り、以下の鋼管成分にかかる「％」は「質量％」を指すものとする。
Ｃ：０．２０～０．３０％
Ｃは、クレーンラチス、あるいはクレーンブームに求められる強度（硬さ）を確保するために必要な元素であり、０．２０％以上の含有を必要とする。一方、Ｃ含有量が０．３０％を超えると、低温靱性を劣化させる。そのため、Ｃ含有量は、０．３０％以下とし、好ましくは０．２６％以下とする。
Ｓｉ：０．０５～０．５０％
Ｓｉは、脱酸剤として作用するとともに、固溶強化元素としても作用する元素である。前記効果を得るためには０．０５％以上の含有を必要とする。そのため、Ｓｉ含有量は０．０５％以上とする。一方、Ｓｉは電縫溶接において酸化物を形成しやすく、特に、管厚６ｍｍ以上の電縫溶接品質の確保が難しくなる厚肉品においては、Ｓｉを０．５０％以下にすることが肝要である。そのため、Ｓｉ含有量は０．５０％以下とする。
Ｓｉは、脱酸剤として作用するとともに、固溶強化元素としても作用する元素である。前記効果を得るためには０．０５％以上の含有を必要とする。そのため、Ｓｉ含有量は０．０５％以上とする。一方、Ｓｉは電縫溶接において酸化物を形成しやすく、特に、管厚６ｍｍ以上の電縫溶接品質の確保が難しくなる厚肉品においては、Ｓｉを０．５０％以下にすることが肝要である。そのため、Ｓｉ含有量は０．５０％以下とする。
Ｍｎ：０．０５～１．５０％
Ｍｎは、固溶して鋼の強度向上に寄与するとともに、鋼の焼入れ性を向上させる元素である。クレーンラチス、あるいはクレーンブームに求められる強度（硬さ）を確保するためには、０．０５％以上の含有を必要とする。そのため、Ｍｎ含有量は０．０５％以上、好ましくは０．２％以上とする。一方、１．５０％を超えて含有すると、靭性が低下することに加え、高質化して造管が難しくなる。そのため、Ｍｎ含有量は１．５０％以下、好ましくは１．４５％以下とする。
Ｍｎは、固溶して鋼の強度向上に寄与するとともに、鋼の焼入れ性を向上させる元素である。クレーンラチス、あるいはクレーンブームに求められる強度（硬さ）を確保するためには、０．０５％以上の含有を必要とする。そのため、Ｍｎ含有量は０．０５％以上、好ましくは０．２％以上とする。一方、１．５０％を超えて含有すると、靭性が低下することに加え、高質化して造管が難しくなる。そのため、Ｍｎ含有量は１．５０％以下、好ましくは１．４５％以下とする。
Ｐ：０．０００５～０．０３００％
Ｐは、固溶強化元素としても作用する元素である。前記効果を得るためには０．０００５％以上の含有を必要とする。一方で、過度の添加は粒界等に偏析し、溶接割れ性および靭性を低下につながる。そのため、クレーンラチス、あるいはクレーンブームとして用いるためにはＰ含有量を０．０３００％以下に低減する必要がある。なお、好ましくは０．０２５０％以下である。
Ｐは、固溶強化元素としても作用する元素である。前記効果を得るためには０．０００５％以上の含有を必要とする。一方で、過度の添加は粒界等に偏析し、溶接割れ性および靭性を低下につながる。そのため、クレーンラチス、あるいはクレーンブームとして用いるためにはＰ含有量を０．０３００％以下に低減する必要がある。なお、好ましくは０．０２５０％以下である。
Ｓ：０．０００１～０．０３００％
Ｓは、鋼中では硫化物系介在物として存在し、熱間加工性、靭性を低下させる元素である。クレーンラチス、あるいはクレーンブーム用電縫鋼管として用いるためにはＳ含有量を０．０３００％以下に低減すること必要がある。なお、好ましくは０．０１００％以下である。一方で、過度に低減することは製鋼（脱硫）コストの上昇につながるため下限は０．０００１％とする。
Ｓは、鋼中では硫化物系介在物として存在し、熱間加工性、靭性を低下させる元素である。クレーンラチス、あるいはクレーンブーム用電縫鋼管として用いるためにはＳ含有量を０．０３００％以下に低減すること必要がある。なお、好ましくは０．０１００％以下である。一方で、過度に低減することは製鋼（脱硫）コストの上昇につながるため下限は０．０００１％とする。
Ａｌ：０．０１０～０．１００％
Ａｌは、脱酸剤として作用するとともに、Ｎと結合しＡｌＮとして析出し、強度を高める効果を有する。前記効果を得るためには、０．０１０％以上の含有を必要とする。そのため、Ａｌ含有量は０．０１０％以上とする。一方、０．１００％を超えて多量に含有すると、酸化物系介在物量が増加し、加工性が低下する。そのため、Ａｌ含有量は０．１００％以下、好ましくは０．０５０％以下とする。
Ａｌは、脱酸剤として作用するとともに、Ｎと結合しＡｌＮとして析出し、強度を高める効果を有する。前記効果を得るためには、０．０１０％以上の含有を必要とする。そのため、Ａｌ含有量は０．０１０％以上とする。一方、０．１００％を超えて多量に含有すると、酸化物系介在物量が増加し、加工性が低下する。そのため、Ａｌ含有量は０．１００％以下、好ましくは０．０５０％以下とする。
Ｃｒ：０．２５～０．５０％
Ｃｒは、本発明において重要な元素である。Ｃｒは固溶して鋼の強度向上に寄与すると同時に、焼入れ時の加熱工程において、素管の構成相であるフェライトーパーライト相のうち、パーライト中のセメンタイトを安定化させることができるため、セメンタイトの溶解と、それにともなう炭素の拡散による脱炭反応の進行を抑制させる元素である。前記効果を得るために、Ｃｒは０．２５％以上の含有が肝要である。一方、Ｃｒ含有量が０．５０％を超えると、酸化物が形成されやすくなり、電縫溶接部にＣｒ酸化物が残存して電縫溶接品質が低下する。そのため、Ｃｒ含有量は０．５０％以下とする。なお、好ましくは０．４５％以下である。
Ｃｒは、本発明において重要な元素である。Ｃｒは固溶して鋼の強度向上に寄与すると同時に、焼入れ時の加熱工程において、素管の構成相であるフェライトーパーライト相のうち、パーライト中のセメンタイトを安定化させることができるため、セメンタイトの溶解と、それにともなう炭素の拡散による脱炭反応の進行を抑制させる元素である。前記効果を得るために、Ｃｒは０．２５％以上の含有が肝要である。一方、Ｃｒ含有量が０．５０％を超えると、酸化物が形成されやすくなり、電縫溶接部にＣｒ酸化物が残存して電縫溶接品質が低下する。そのため、Ｃｒ含有量は０．５０％以下とする。なお、好ましくは０．４５％以下である。
Ｔｉ：０．０１０～０．１００％
Ｔｉは、鋼中のＮと結合しＴｉＮを形成することで、焼入れ性の向上に有効なＮと結合していない固溶ホウ素を確保する効果がある。そのためには、０．０１０％以上の添加が必要である。一方で、０．１００％を超えて含有すると、延性が低下する。このため、Ｔｉの含有量は０．１００％以下に限定する。なお、好ましくは０．０５０％以下である。
Ｔｉは、鋼中のＮと結合しＴｉＮを形成することで、焼入れ性の向上に有効なＮと結合していない固溶ホウ素を確保する効果がある。そのためには、０．０１０％以上の添加が必要である。一方で、０．１００％を超えて含有すると、延性が低下する。このため、Ｔｉの含有量は０．１００％以下に限定する。なお、好ましくは０．０５０％以下である。
Ｂ：０．０００１～０．００５０％
Ｂは鋼中に固溶状態で存在することにより、焼入れ性を向上させることができる。このような効果を発揮するには０．０００１％以上の添加が必要である。一方で、０．００５０％を超えて添加しても上記の効果は飽和すると同時に靭性の低下につながるため、上限を０．００５０％とする。
Ｂは鋼中に固溶状態で存在することにより、焼入れ性を向上させることができる。このような効果を発揮するには０．０００１％以上の添加が必要である。一方で、０．００５０％を超えて添加しても上記の効果は飽和すると同時に靭性の低下につながるため、上限を０．００５０％とする。
Ｎ：０．０００５～０．０１００％
Ｎは、不純物として不可避的に含有されるものの、鋼中の窒化物形成元素と結合し、結晶粒の粗大化の抑制、さらには焼戻後の強度増加に寄与する。このような効果を発揮するには０．０００５％以上の含有を有する。一方、０．０１００％を超える含有は、溶接部の靭性を低下させる。そのため、Ｎの含有量は、０．０１００％以下、好ましくは０．００５０％以下とする。
Ｎは、不純物として不可避的に含有されるものの、鋼中の窒化物形成元素と結合し、結晶粒の粗大化の抑制、さらには焼戻後の強度増加に寄与する。このような効果を発揮するには０．０００５％以上の含有を有する。一方、０．０１００％を超える含有は、溶接部の靭性を低下させる。そのため、Ｎの含有量は、０．０１００％以下、好ましくは０．００５０％以下とする。
Ｃａ：０．０００１～０．００５０％
Ｃａは、硫化物系介在物の形態を制御して、微細な略球形の介在物とする作用を有する元素である。ここで、スラブ中に存在するＭｎＳは熱間で展伸しやすく加工性や靭性を低下させるが、Ｃａを添加することで、スラブ中の固溶Ｓは、ＭｎＳを形成せずに、熱延工程で展伸しにくく比較的球状のＣａＳを形成する。そのため、前記ＭｎＳの影響を抑制することが可能となる。かかる効果を発揮するためには、Ｃａ含有量は０．０００１％以上、好ましくは０．００１０％以上とする。一方、Ｃａ含有量が０．００５０％を超えると、粗大なＣａＳ系のクラスターが多くなりすぎて、かえって加工性や靭性が低下する。そのため、Ｃａ含有量は０．００５０％以下、好ましくは０．００３０％以下である。
Ｃａは、硫化物系介在物の形態を制御して、微細な略球形の介在物とする作用を有する元素である。ここで、スラブ中に存在するＭｎＳは熱間で展伸しやすく加工性や靭性を低下させるが、Ｃａを添加することで、スラブ中の固溶Ｓは、ＭｎＳを形成せずに、熱延工程で展伸しにくく比較的球状のＣａＳを形成する。そのため、前記ＭｎＳの影響を抑制することが可能となる。かかる効果を発揮するためには、Ｃａ含有量は０．０００１％以上、好ましくは０．００１０％以上とする。一方、Ｃａ含有量が０．００５０％を超えると、粗大なＣａＳ系のクラスターが多くなりすぎて、かえって加工性や靭性が低下する。そのため、Ｃａ含有量は０．００５０％以下、好ましくは０．００３０％以下である。
Ｔｉ／Ｎ≧４．０
Ｔｉは、鋼中のＮと結合しＴｉＮを形成することで、焼入れ性の向上に有効なＮと結合していない固溶ホウ素を確保する効果がある。そのためには、前述のＴｉ量およびＮ量の規定に加え、鋼中のＮ量に応じた添加量が必要になる。したがって、本発明では、鋼中のＴｉ量および鋼中のＮ量がそれらの質量比でＴｉ／Ｎ≧４．０（なお、式中、Ｔｉは鋼中のＴｉ量の質量％を、Ｎは鋼中のＮ量の質量％をそれぞれ意味する）の関係を満たすことが必要である。なお、かかるＴｉ／Ｎの値の上限に特段の制限はないが、Ｔｉの添加量が過剰に多くなると加工性が低下するため、Ｔｉ／Ｎの上限は２０程度であることが好ましい。
Ｔｉは、鋼中のＮと結合しＴｉＮを形成することで、焼入れ性の向上に有効なＮと結合していない固溶ホウ素を確保する効果がある。そのためには、前述のＴｉ量およびＮ量の規定に加え、鋼中のＮ量に応じた添加量が必要になる。したがって、本発明では、鋼中のＴｉ量および鋼中のＮ量がそれらの質量比でＴｉ／Ｎ≧４．０（なお、式中、Ｔｉは鋼中のＴｉ量の質量％を、Ｎは鋼中のＮ量の質量％をそれぞれ意味する）の関係を満たすことが必要である。なお、かかるＴｉ／Ｎの値の上限に特段の制限はないが、Ｔｉの添加量が過剰に多くなると加工性が低下するため、Ｔｉ／Ｎの上限は２０程度であることが好ましい。
さらに、本発明の他の実施形態として、上記成分組成が、さらに任意に、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｗ、ＶおよびＲＥＭからなる群より選択される１または２以上の元素を以下に記す量で含むことができる。
Ｎｂ：０．０１００～０．１０００％
Ｎｂは、鋼中のＣと結合しＮｂＣを形成し微細分散することで焼入れ工程での加熱中のオーステナイト粒の粗大化を防ぎ、靭性の低下を抑制する元素である。かかる効果を発揮するためには、０．０１００％以上の含有が好ましい。一方、Ｎｂ含有量が０．１０００％を超えると、添加効果が飽和して含有量に見合う効果が得られないため、経済的に不利となる。そのため、Ｎｂ含有量は０．１０００％以下が好ましく、より好ましくは０．０５００％以下である。
Ｎｂ：０．０１００～０．１０００％
Ｎｂは、鋼中のＣと結合しＮｂＣを形成し微細分散することで焼入れ工程での加熱中のオーステナイト粒の粗大化を防ぎ、靭性の低下を抑制する元素である。かかる効果を発揮するためには、０．０１００％以上の含有が好ましい。一方、Ｎｂ含有量が０．１０００％を超えると、添加効果が飽和して含有量に見合う効果が得られないため、経済的に不利となる。そのため、Ｎｂ含有量は０．１０００％以下が好ましく、より好ましくは０．０５００％以下である。
Ｍｏ：０．０５～０．３０％、
Ｍｏは、固溶して鋼の強度向上に寄与する元素である。かかる効果を得るためには、Ｍｏ含有量を０．０５％以上とすることが望ましい。一方、Ｍｏ含有量が０．３０％を超えると、効果が飽和すると同時に素材のコストの増加に繋がる。そのため、Ｍｏ含有量は０．３０％以下が好ましく、より好ましくは０．２０％以下である。
Ｍｏは、固溶して鋼の強度向上に寄与する元素である。かかる効果を得るためには、Ｍｏ含有量を０．０５％以上とすることが望ましい。一方、Ｍｏ含有量が０．３０％を超えると、効果が飽和すると同時に素材のコストの増加に繋がる。そのため、Ｍｏ含有量は０．３０％以下が好ましく、より好ましくは０．２０％以下である。
Ｃｕ：０．００１～０．５００％
Ｃｕは、耐食性を向上させる作用を有する元素である。かかる効果を得るには０．００１％以上の含有が望ましい。一方、Ｃｕは高価な合金元素であるため、Ｃｕ含有量が０．５００％を超えると材料コストの高騰を招く。そのため、Ｃｕ含有量は０．５００％以下が好ましく、より好ましくは０．３００％以下である。
Ｃｕは、耐食性を向上させる作用を有する元素である。かかる効果を得るには０．００１％以上の含有が望ましい。一方、Ｃｕは高価な合金元素であるため、Ｃｕ含有量が０．５００％を超えると材料コストの高騰を招く。そのため、Ｃｕ含有量は０．５００％以下が好ましく、より好ましくは０．３００％以下である。
Ｎｉ：０．００１～０．５００％
Ｎｉは、Ｃｕと同様、耐食性を向上させる作用を有する元素である。かかる効果を得るには０．００１％以上の含有が望ましい。一方、Ｎｉは高価な合金元素であるため、Ｎｉ含有量が０．５００％を超えると材料コストの高騰を招く。そのため、Ｎｉ含有量は０．５００％以下が好ましく、より好ましくは０．３００％以下である。
Ｎｉは、Ｃｕと同様、耐食性を向上させる作用を有する元素である。かかる効果を得るには０．００１％以上の含有が望ましい。一方、Ｎｉは高価な合金元素であるため、Ｎｉ含有量が０．５００％を超えると材料コストの高騰を招く。そのため、Ｎｉ含有量は０．５００％以下が好ましく、より好ましくは０．３００％以下である。
Ｗ：０．００１～０．０５０％
Ｗは、Ｎｂと同様に、微細な炭化物を形成して強度（硬さ）の増加に寄与する元素である。かかる効果を得るには０．００１％以上の含有が望ましい。一方、Ｗ含有量が０．０５０％を超えると、添加効果が飽和して含有量に見合う効果が得られないため、経済的に不利となる。そのため、Ｗ含有量は０．０５０％以下が好ましく、より好ましくは０．０３０％以下である。
Ｗは、Ｎｂと同様に、微細な炭化物を形成して強度（硬さ）の増加に寄与する元素である。かかる効果を得るには０．００１％以上の含有が望ましい。一方、Ｗ含有量が０．０５０％を超えると、添加効果が飽和して含有量に見合う効果が得られないため、経済的に不利となる。そのため、Ｗ含有量は０．０５０％以下が好ましく、より好ましくは０．０３０％以下である。
Ｖ：０．００１～０．０１０％
Ｖは、Ｎｂと同様に鋼中のＣと結合し炭化物を形成し、焼入れ工程での加熱中のオーステナイト粒の粗大化を防ぎ、靭性の低下を抑制する元素である。かかる効果を発揮するためには、０．００１％以上の含有が望ましい。一方、Ｖ含有量が０．０１０％を超えると、添加効果が飽和して含有量に見合う効果が得られないため、経済的に不利となる。そのため、Ｖ含有量は０．０１０％以下が好ましく、より好ましくは０．００８％以下である。
Ｖは、Ｎｂと同様に鋼中のＣと結合し炭化物を形成し、焼入れ工程での加熱中のオーステナイト粒の粗大化を防ぎ、靭性の低下を抑制する元素である。かかる効果を発揮するためには、０．００１％以上の含有が望ましい。一方、Ｖ含有量が０．０１０％を超えると、添加効果が飽和して含有量に見合う効果が得られないため、経済的に不利となる。そのため、Ｖ含有量は０．０１０％以下が好ましく、より好ましくは０．００８％以下である。
ＲＥＭ：０．０２０％以下
ＲＥＭ（希土類金属）は、Ｃａと同様に、硫化物系介在物の形態を微細な略球形の介在物に制御する作用を有する元素である。Ｃａの作用を補完するために、任意にＲＥＭを添加することができる。一方、ＲＥＭ含有量が０．０２０％を超えると、疲労き裂の起点となる介在物の量が過剰となり、かえって耐腐食疲労特性が低下する。そのため、ＲＥＭ含有量は０．０２０％以下が好ましく、より好ましくは０．０１０％以下である。一方、ＲＥＭ含有量の下限はとくに限定されないが、ＲＥＭの添加効果を高めるという観点からは、ＲＥＭ含有量を０．００１％以上とすることが好ましい。
なお、本発明における上記した成分以外の残部の成分は、Ｆｅおよび不可避的不純物である。
ＲＥＭ（希土類金属）は、Ｃａと同様に、硫化物系介在物の形態を微細な略球形の介在物に制御する作用を有する元素である。Ｃａの作用を補完するために、任意にＲＥＭを添加することができる。一方、ＲＥＭ含有量が０．０２０％を超えると、疲労き裂の起点となる介在物の量が過剰となり、かえって耐腐食疲労特性が低下する。そのため、ＲＥＭ含有量は０．０２０％以下が好ましく、より好ましくは０．０１０％以下である。一方、ＲＥＭ含有量の下限はとくに限定されないが、ＲＥＭの添加効果を高めるという観点からは、ＲＥＭ含有量を０．００１％以上とすることが好ましい。
なお、本発明における上記した成分以外の残部の成分は、Ｆｅおよび不可避的不純物である。
本発明における鋼管の表面脱炭について、以下説明する。
本発明に従う鋼管は、表面脱炭すなわち、管内表面および管外表面に、以下に規定する脱炭層（本明細書において全脱炭層ともいう）を備える。なお、本発明において、かかる脱炭層は、ＪＩＳ Ｇ０５５８に記載された方法に準拠して、鋼管の断面を研磨した後、ナイタール液を用いて腐食し、以下の顕微鏡観察で、鋼材の表面から、脱炭層と生地との化学的性質又は物理的性質の差異が、もはや視認で区別できない位置までの距離を意味する。
かかる全脱炭層の深さは、組織観察（管円周（Ｃ）方向断面観察）用試験片を用い、光学顕微鏡（倍率：１００倍）で組織を観察し、１０視野（１視野当たり約１ｍｍ長さ）の最大深さ箇所で規定する。
本発明に従う鋼管は、表面脱炭すなわち、管内表面および管外表面に、以下に規定する脱炭層（本明細書において全脱炭層ともいう）を備える。なお、本発明において、かかる脱炭層は、ＪＩＳ Ｇ０５５８に記載された方法に準拠して、鋼管の断面を研磨した後、ナイタール液を用いて腐食し、以下の顕微鏡観察で、鋼材の表面から、脱炭層と生地との化学的性質又は物理的性質の差異が、もはや視認で区別できない位置までの距離を意味する。
かかる全脱炭層の深さは、組織観察（管円周（Ｃ）方向断面観察）用試験片を用い、光学顕微鏡（倍率：１００倍）で組織を観察し、１０視野（１視野当たり約１ｍｍ長さ）の最大深さ箇所で規定する。
また、かかる全脱炭層の深さは、管内表面でも管外表面でも０．２０ｍｍを超えると、焼入れ後に表面で十分な強度（硬さ）が得られないことに加え、表面の結晶粒の粗大化により低温靭性の低下につながる。したがって、本発明では、かかる全脱炭層の深さの上限を０．２０ｍｍとする。なお、望ましくは０．１５ｍｍである。なお、下限は全脱炭層がなくても問題ないため０ｍｍである。
以下、本発明における鋼管の機械的特性（引張強度）と低温靭性（衝撃特性）について説明する。
引張強度ＴＳ：７８０～９８０ＭＰａ
本発明における鋼管は、クレーンの大型化および寒冷地での使用を考慮し、高強度化と高靭性化が求められている。そのためには引張強度ＴＳが７８０ＭＰａ以上であることが必要である。一方で、９８０ＭＰａを超える高強度になると、必要強度を確保するために、鋼中の炭素量を増やす、あるいは焼き戻し温度を低温化する等の必要が生じ、これらは低温靭性を低下させることにつながる。したがって、引張強度ＴＳの上限は９８０ＭＰａとする。
引張強度ＴＳ：７８０～９８０ＭＰａ
本発明における鋼管は、クレーンの大型化および寒冷地での使用を考慮し、高強度化と高靭性化が求められている。そのためには引張強度ＴＳが７８０ＭＰａ以上であることが必要である。一方で、９８０ＭＰａを超える高強度になると、必要強度を確保するために、鋼中の炭素量を増やす、あるいは焼き戻し温度を低温化する等の必要が生じ、これらは低温靭性を低下させることにつながる。したがって、引張強度ＴＳの上限は９８０ＭＰａとする。
シャルピー吸収エネルギー：２４J以上（シャルピー試験片のサイズ幅：１０ｍｍ×高さ：５ｍｍ、試験温度：－２０℃）
本発明における鋼管は、寒冷地での使用を考慮して、低温衝撃特性として、シャルピー吸収エネルギーシャルピー試験片サイズ：１０×５ｍｍ、試験温度：－２０℃）は２４J以上が必要である。２４J未満では寒冷地での使用において脆性破壊のリスクが増える。なお、上限については特に制限はない。
本発明における鋼管は、寒冷地での使用を考慮して、低温衝撃特性として、シャルピー吸収エネルギーシャルピー試験片サイズ：１０×５ｍｍ、試験温度：－２０℃）は２４J以上が必要である。２４J未満では寒冷地での使用において脆性破壊のリスクが増える。なお、上限については特に制限はない。
本発明における鋼管の製造方法について説明する。
本発明では、鋼素材に、熱延工程を施して鋼管用素材とし、ついで該鋼管用素材に、造管工程を施して電縫鋼管（素管）とする。
例えば、使用する鋼素材は、前記した組成を適宜有する溶鋼を、転炉等の常法の溶製方法で溶製し、連続鋳造法あるいは造塊－圧延法でスラブ等の鋼素材とする。
かかる鋼素材に熱間圧延を施して熱延板とする熱延工程を経た熱延板を鋼管用素材とし、ついで、該鋼管用素材に造管工程を施して電縫鋼管とする。かかる造管工程は、鋼管用素材を連続的に成形し略円筒状のオープン管とし、該オープン管を電縫溶接して電縫鋼管（素管）とする工程である。
本発明では、鋼素材に、熱延工程を施して鋼管用素材とし、ついで該鋼管用素材に、造管工程を施して電縫鋼管（素管）とする。
例えば、使用する鋼素材は、前記した組成を適宜有する溶鋼を、転炉等の常法の溶製方法で溶製し、連続鋳造法あるいは造塊－圧延法でスラブ等の鋼素材とする。
かかる鋼素材に熱間圧延を施して熱延板とする熱延工程を経た熱延板を鋼管用素材とし、ついで、該鋼管用素材に造管工程を施して電縫鋼管とする。かかる造管工程は、鋼管用素材を連続的に成形し略円筒状のオープン管とし、該オープン管を電縫溶接して電縫鋼管（素管）とする工程である。
さらに、本発明では上記素管に熱処理を加える。以下、本発明における鋼管の熱処理方法について説明する。
・焼入れ：前記素管をＡｃ３変態点以上まで昇温（焼入れ開始温度がＡｃ３変態点以上と）し、５０℃／ｓ以上の冷却速度でマルテンサイト変態点（Ｍｓ点）以下まで冷却して焼き入れを行う。
かかる焼入れ開始温度がＡｃ３変態点未満の場合、十分な焼入れ硬さが得られない一方で、過度に高温加熱するとオーステナイト粒の粗大化が生じ低温靭性が低下する。そのため、前記素管をＡｃ３変態点以上まで昇温する。また、かかる焼入れ開始温度の上限は、工業的にＡｃ３変態点＋１００℃程度である。
また、上記昇温後の冷却の冷却速度が５０℃／ｓ未満の場合には十分な焼入れ硬さが得られない。そのため、かかる冷却速度の下限は５０℃／ｓである。一方、かかる冷却速度の上限に、特段の制限はないが、工業的には、１５０℃／ｓ程度である。
・焼入れ：前記素管をＡｃ３変態点以上まで昇温（焼入れ開始温度がＡｃ３変態点以上と）し、５０℃／ｓ以上の冷却速度でマルテンサイト変態点（Ｍｓ点）以下まで冷却して焼き入れを行う。
かかる焼入れ開始温度がＡｃ３変態点未満の場合、十分な焼入れ硬さが得られない一方で、過度に高温加熱するとオーステナイト粒の粗大化が生じ低温靭性が低下する。そのため、前記素管をＡｃ３変態点以上まで昇温する。また、かかる焼入れ開始温度の上限は、工業的にＡｃ３変態点＋１００℃程度である。
また、上記昇温後の冷却の冷却速度が５０℃／ｓ未満の場合には十分な焼入れ硬さが得られない。そのため、かかる冷却速度の下限は５０℃／ｓである。一方、かかる冷却速度の上限に、特段の制限はないが、工業的には、１５０℃／ｓ程度である。
・焼き戻し：焼き戻しの条件は、焼き戻し後に必要とされる強度（ＴＳ：７８０～９８０ＭＰａ）を外さない条件であればよい。具体的に、焼き戻し温度は、Ａｃ１変態点を超えると鋼管の強度が大きく低下するため、望ましくはＡｃ１点以下とする。また、焼き戻し温度の下限は、３００℃未満にすると低温靭性が低下するため、望ましくは３００℃以上とする。さらに望ましくは４００℃以上である。
保持時間については、特に限定しないが、品質の均一性を確保するためには、１０分以上であることが望ましい。
なお、本発明では、かかる本発明の成分組成等を満足するオープン管を準備すれば、それ以降の造管工程および熱処理を上記した本発明の条件とすることで、本発明の電縫鋼管を得ることができる。
保持時間については、特に限定しないが、品質の均一性を確保するためには、１０分以上であることが望ましい。
なお、本発明では、かかる本発明の成分組成等を満足するオープン管を準備すれば、それ以降の造管工程および熱処理を上記した本発明の条件とすることで、本発明の電縫鋼管を得ることができる。
さらに、上記焼き戻し工程の後に、管外表面にショットブラストを実施してもよい。ショットブラストの条件については特に限定しないが、表面の美麗性およびその後の塗装性を確保するよう表面酸化スケール残りがない範囲の条件で実施する。
表１に示す組成の溶鋼を転炉で溶製し、連続鋳造法でスラブ（鋼素材）とした。これらスラブ（鋼素材）に熱延圧延を施し、板厚：１２ｍｍの熱延板（鋼管用素材）としたのち、ロール成形による成形を施して略円筒状のオープン管とした。ついで、かかるオープン管にスクイズロールで突き合せ部を押圧しながら、高周波抵抗溶接により、該突合せ部を電縫溶接して電縫鋼管（大きさ、外径：１１４．３ｍｍφ×肉厚：１２ｍｍ）とした。
その後、表２に示した熱処理（焼入れ、焼き戻し）を実施して得られた電縫鋼管について、全脱炭層（表面脱炭）深さの測定、引張試験、およびシャルピー試験を実施した。試験方法は次のとおりとした。
その後、表２に示した熱処理（焼入れ、焼き戻し）を実施して得られた電縫鋼管について、全脱炭層（表面脱炭）深さの測定、引張試験、およびシャルピー試験を実施した。試験方法は次のとおりとした。
（１）全脱炭層深さ
全脱炭層深さの測定はＪＩＳ Ｇ０５５８に記載された方法に則り行った。すなわち、得られた鋼管から、組織観察（管円周（Ｃ）方向断面観察）用試験片を採取し、断面研磨した後、ナイタール液を用いて腐食し、光学顕微鏡（倍率：１００倍）を用いて組織を観察し、全脱炭層深さを測定した。観察は１０視野で行い、全脱炭層深さのうち最大脱炭深さを採用した。
全脱炭層深さの測定はＪＩＳ Ｇ０５５８に記載された方法に則り行った。すなわち、得られた鋼管から、組織観察（管円周（Ｃ）方向断面観察）用試験片を採取し、断面研磨した後、ナイタール液を用いて腐食し、光学顕微鏡（倍率：１００倍）を用いて組織を観察し、全脱炭層深さを測定した。観察は１０視野で行い、全脱炭層深さのうち最大脱炭深さを採用した。
（２）引張試験
得られた鋼管から、ＪＩＳ Ｚ ２２４１の規定に準拠して、引張方向が管軸（Ｌ）方向となるようにＪＩＳ １２号Ｂ引張試験片（標点距離：５０ｍｍ）を採取し、ＪＩＳ Ｚ ２２４１の規定に準拠して、引張試験を実施し、０．２％耐力：ＹＳ（ＭＰａ）、引張強さ：ＴＳ（ＭＰａ）、伸び：Ｅｌ（％）をそれぞれ求めた。
得られた鋼管から、ＪＩＳ Ｚ ２２４１の規定に準拠して、引張方向が管軸（Ｌ）方向となるようにＪＩＳ １２号Ｂ引張試験片（標点距離：５０ｍｍ）を採取し、ＪＩＳ Ｚ ２２４１の規定に準拠して、引張試験を実施し、０．２％耐力：ＹＳ（ＭＰａ）、引張強さ：ＴＳ（ＭＰａ）、伸び：Ｅｌ（％）をそれぞれ求めた。
（３）シャルピー試験（低温衝撃性試験）
得られた鋼管から、ＪＩＳ Ｚ ２２４２の規定に準拠して、管長手（Ｌ）方向の管厚中央部からＶノッチ試験片（幅：１０ｍｍ×高さ：５ｍｍ×長さ：５５ｍｍ、ノッチ角度：４５°、ノッチ深さ：２ｍｍ、ノッチ底半径：０．２５ｍｍ）を採取し、試験温度：‐２０℃にて吸収エネルギーを測定した。
得られた結果を表２に併記する。
得られた鋼管から、ＪＩＳ Ｚ ２２４２の規定に準拠して、管長手（Ｌ）方向の管厚中央部からＶノッチ試験片（幅：１０ｍｍ×高さ：５ｍｍ×長さ：５５ｍｍ、ノッチ角度：４５°、ノッチ深さ：２ｍｍ、ノッチ底半径：０．２５ｍｍ）を採取し、試験温度：‐２０℃にて吸収エネルギーを測定した。
得られた結果を表２に併記する。
表２に記載のように、本発明に従う鋼管は、いずれも高強度であってかつ低温靭性に優れていることが示されている。これに対して、本発明の範囲を外れた鋼成分あるいは製造条件で作製した鋼管は、強度、低温衝撃特性のいずれか、または両方の特性に劣っていることが示されている。
また、比較として、同じ鋼成分の素材を用いて作製した継目無鋼管を同じ条件で焼入れ、焼き戻しした例を表２のNo.17に記載するが、本発明従う鋼管と比べ、引張強さは同等であるものの、全脱炭層深さが大きく、低温衝撃特性や表面肌の性状（あばた状になり美麗性）に劣っていた。
Claims (9)
- 質量％で、Ｃ：０．２０～０．３０％、Ｓｉ：０．０５～０．５０％、Ｍｎ：０．０５～１．５０％、Ｐ：０．０００５～０．０３００％、Ｓ：０．０００１～０．０３００％、Ａｌ：０．０１０～０．１００％、Ｃｒ：０．２５～０．５０％、Ｔｉ：０．０１０～０．１００％、Ｂ：０．０００１～０．００５０％、Ｎ：０．０００５～０．０１００％およびＣａ：０．０００１～０．００５０％を含み、残部Ｆｅおよび不可避的不純物であって、かつＴｉ／Ｎ≧４．０の関係を満足する組成を有し、鋼管の内表面および外表面の両面に脱炭層を備え、該脱炭層深さは最大深さがそれぞれ０．２０ｍｍ以下（５０×１０ ―６ ｍ以下を除く）である電縫鋼管。
- さらに、質量％で、
Ｎｂ：０．０１００～０．１０００％、Ｍｏ：０．０５～０．３０％、Ｃｕ：０．００１～０．５００％、Ｎｉ：０．００１～０．５００％、Ｗ：０．００１～０．０５０％、V：０．００１～０．０１０％、ＲＥＭ：０．０２０％以下のうちから選んだ１種または２種以上を含有する請求項１に記載の電縫鋼管。 - 請求項１に記載の電縫鋼管を製造する方法であって、
質量％で、Ｃ：０．２０～０．３０％、Ｓｉ：０．０５～０．５０％、Ｍｎ：０．０５～１．５０％、Ｐ：０．０００５～０．０３００％、Ｓ：０．０００１～０．０３００％、Ａｌ：０．０１０～０．１００％、Ｃｒ：０．２５～０．５０％、Ｔｉ：０．０１０～０．１００％、Ｂ：０．０００１～０．００５０％、Ｎ：０．０００５～０．０１００％およびＣａ：０．０００１～０．００５０％を含み、残部Ｆｅおよび不可避的不純物であって、かつＴｉ／Ｎ≧４．０の関係を満足する組成の鋼素材に、熱間圧延を施して熱延板とする熱延工程を施して鋼管用素材とし、該鋼管用素材を成形して円筒状のオープン管とし、該オープン管を電縫溶接して電縫鋼管とする造管工程を施し、該電縫鋼管をＡｃ３変態点以上まで昇温し、５０℃／ｓ以上の冷却速度でマルテンサイト変態点（Ｍｓ点）以下まで冷却して焼き入れを行う工程、および焼き戻し工程を備える電縫鋼管の製造方法。 - 請求項２に記載の電縫鋼管を製造する方法であって、
前記鋼素材の組成にさらに、質量％で、Ｎｂ：０．０１００～０．１０００％、Ｍｏ：０．０５～０．３０％、Ｃｕ：０．００１～０．５００％、Ｎｉ：０．００１～０．５００％、Ｗ：０．００１～０．０５０％、V：０．００１～０．０１０％、ＲＥＭ：０．０２０％以下のうちから選ばれた１種または２種以上を含有する請求項３に記載の電縫鋼管の製造方法。 - 前記焼き戻し工程は、焼き戻し後の電縫鋼管の引張強度ＴＳを７８０～９８０ＭＰａの範囲とする条件で行う請求項３または４に記載の電縫鋼管の製造方法。
- 前記焼き戻し工程後の電縫鋼管の外表面に、ショットブラストを施す請求項３～５のいずれか１項に記載の電縫鋼管の製造方法。
- 請求項１または２に記載の電縫鋼管を製造する方法であって、
請求項１または２に記載の成分を有するオープン管を電縫溶接する造管工程を施して電縫鋼管とし、該電縫鋼管をＡｃ３変態点以上まで昇温し、５０℃／ｓ以上の冷却速度でマルテンサイト変態点（Ｍｓ点）以下まで冷却する焼入れを施し、次いで焼き戻しを施す電縫鋼管の製造方法。 - 前記焼き戻しは、焼き戻し後の電縫鋼管の引張強度ＴＳを７８０～９８０ＭＰａとする条件で行う請求項７に記載の電縫鋼管の製造方法。
- 前記焼き戻し後の電縫鋼管の外表面に、ショットブラストを施す請求項７または８に記載の電縫鋼管の製造方法。
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