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【発明の名称】 耐サワーラインパイプ用鋼板の製造方法
【発明者】 【氏名】和田 典巳

【氏名】辻 章嘉

【氏名】石川 信行
【要約】 【課題】強度の低下とDWTT特性の劣化を防止し、表面硬さの低減が可能な耐サワーラインパイプ用高強度鋼板の製造方法を提供する。

【解決手段】熱間圧延に引続き加速冷却又は直接焼入れを行う耐サワーラインパイプ用鋼板の製造方法において、質量％にて、Ｃ：０．０２〜０．０８％を含有し、ＣＥＱ＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋（Ｃｕ＋Ｎｉ）／１５＋（Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ）／５で表されるＣＥＱ値が０．４％以下である鋼を熱間圧延し、加速冷却または直接焼き入れ後の鋼板に、周波数：２００〜２０００Ｈｚのソレノイド型誘導加熱装置を用いて、電力密度１００Ｗ／ｃｍ2以上の条件で急速加熱して焼戻しを施す耐サワーラインパイプ用鋼板の製造方法。さらに焼戻し時の鋼板表面の加熱温度が500〜680℃の範囲であること、又は、鋼板表層部最高硬さがＨｖ２２０未満、降伏強度が４１３ＭＰａ以上とすることもできる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 熱間圧延に引き続き加速冷却または直接焼き入れを行う耐サワーラインパイプ用鋼板の製造方法において、質量％にて、Ｃ：０．０２〜０．０８％を含有し、ＣＥＱ＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋（Ｃｕ＋Ｎｉ）／１５＋（Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ）／５で表されるＣＥＱ値が０．４％以下である鋼を熱間圧延し、加速冷却または直接焼き入れ後の鋼板に、周波数：２００〜２０００Ｈｚのソレノイド型誘導加熱装置を用いて、電力密度１００Ｗ／ｃｍ2以上の条件で急速加熱して焼戻しを施すことを特徴とする耐サワーラインパイプ用鋼板の製造方法。
【請求項２】 焼戻し時の鋼板表面の加熱温度が５００〜６８０℃の範囲であることを特徴とする、請求項１に記載の耐サワーラインパイプ用鋼板の製造方法。
【請求項３】 鋼板表層部最高硬さがＨｖ２２０未満、降伏強度が４１３ＭＰａ以上であることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の耐サワーラインパイプ用鋼板の製造方法。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明が属する技術分野】この発明は、熱間圧延に引続き加速冷却又は直接焼入れを行う耐サワーラインパイプ用鋼板の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、優れた耐サワー性を有するラインパイプは、低C-極低S-Ca処理系の鋼を基本成分として、各種開発されている。近年X60ないしX65クラスの強度レベルの鋼板が開発されており、板厚に応じて合金成分の適正化、加速冷却条件の最適化が図られている。
【０００３】耐サワーラインパイプの表面硬さを低減する技術として、特開昭51-148611号公報には焼き入れ後の鋼材を高周波誘導加熱により焼き戻しを行う技術が開示されている。これによれば、焼き入れによって硬化した表層部を軟化することが可能であるというものである。
【０００４】また、特開平11-302776号公報には、耐サワー性と優れたHAZ靱性を有するAPI規格X60以上の高強度鋼板およびその製造法が提案されている。この技術では、低C-低Mn-Nb-Ti系の基本成分にS,Mg,CaおよびO量を厳格に制限した鋼を制御圧延した後、加速冷却することにより鋼板を製造する。効果としては、HAZ靱性、耐HIC性に優れた高強度鋼板(X60以上)の製造が可能となるというものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】耐サワー性の観点から、ラインパイプの表面硬さには制限があり、規格等により規制されている。例えば、NACE規格ではHv≦248と規定されている。また、近年では表面硬さ規定がさらに厳しくなり、DNV規格ではHv≦220と規定されている。さらに、ラインパイプ用の原板としては、パイプ成型時の加工硬化を考慮して、これらの値より、Hv10〜20ポイント程度低目に製造する必要がある。特開昭５１−１４８６１１号公報記載の技術は、焼き入れによって硬化した表層部を軟化することが可能であるが、高々Ｈｖ２２０程度が限界である。また、実施例にあるように、誘導加熱コイルの周波数が５０００Ｈｚと高く鋼板のごく表層部が加熱されるため、表層部は軟化するが少し内部で硬度が高い部分は軟化できない。この公報には高周波と低周波の誘導加熱コイルを併用する方法も提案されているが、この場合、内部まで加熱されるため、炭化物等の析出によって内部の硬度が上昇するだけでなく、ＤＷＴＴ特性の劣化を生じることが問題である。
【０００６】さらに、この公報に開示された技術は、Ｃ含有量の高い鋼材を対象としているため、ＨＡＺ靱性に優れる低Ｃ系の鋼材に対して適用できない。低Ｃ系の鋼材に適用した場合、焼き戻しによる炭化物の析出量が少ないため、中心部の硬度が低下し、さらにＤＷＴＴ特性が大幅に劣化するという問題もある。
【０００７】その一方で、ラインパイプの強度については、X60ではYS≧413MPa, TS≧517MPa、また、X65ではYS≧448MPa, TS≧565MPaが、それぞれ規格から要求されている。ラインパイプ用の原板としては、パイプ成型時のバウシンガー効果による強度低下を考慮して、これらの値より、20〜50 MPa高目の強度を確保する必要がある。
【０００８】低Ｃ系の耐サワーラインパイプ用鋼板において、強度と表面硬さとを共に満足させることは、従来技術およびその延長上の技術では容易ではない。すなわち、鋼の化学成分および圧延／加速冷却等の製造条件の最適化だけでは、X60〜X65の強度の確保と表面硬さの低減を両立させることは困難である。表面硬さの低減については、通常のガス燃焼炉や、特開昭５１−１４８６１１号公報記載の高周波誘導加熱によるによる焼戻し処理でも可能であるが、強度の低下並びにDWTT特性の劣化が生じるという問題がある。
【０００９】本発明は以上の問題点を解決し、強度の低下とDWTT特性の劣化を防止しつつ、表面硬さを低減させることが可能なX60クラスおよびそれ以上の耐サワーラインパイプ用高強度鋼板の製造方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記の課題は、次の発明により解決される。その発明は、熱間圧延に引続き加速冷却又は直接焼入れを行う耐サワーラインパイプ用鋼板の製造方法において、質量％にて、Ｃ：０．０２〜０．０８％を含有し、ＣＥＱ＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋（Ｃｕ＋Ｎｉ）／１５＋（Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ）／５で表されるＣＥＱ値が０．４％以下である鋼を熱間圧延し、加速冷却または直接焼き入れ後の鋼板に、周波数：２００〜２０００Ｈｚのソレノイド型誘導加熱装置を用いて、電力密度１００Ｗ／ｃｍ2以上の条件で急速加熱して焼戻しを施すことを特徴とする耐サワーラインパイプ用鋼板の製造方法である。
【００１１】上記の発明において、さらに焼戻し時の鋼板表面の加熱温度が500〜680℃の範囲であることを特徴とする耐サワーラインパイプ用鋼板の製造方法とすることもできる。
【００１２】また、これらの発明において、鋼板表層部最高硬さがＨｖ２２０未満、降伏強度が４１３ＭＰａ以上であることを特徴とする耐サワーラインパイプ用鋼板の製造方法とすることもできる。
【００１３】本発明は、前述の課題を解決するために、加速冷却または直接焼き入れによって製造される鋼板の表面硬度を軟化させる方法について鋭意研究を行った結果なされた。その過程で、周波数の低いソレノイド型誘導加熱装置によって、大電力密度の急速加熱焼戻しを行うことによって、鋼板中心部の過度の温度上昇を防ぎながら、表面のみを加熱できること、そして焼戻し時の加熱温度を一定範囲に制限することで、表層部の硬度を効果的に低減できるという知見が得られた。
【００１４】以下、本発明の耐サワーラインパイプ用鋼板の製造方法について詳しく説明する。まず、本発明においては、重量％にて、Ｃ：０．０２〜０．０８％を含有し、ＣＥＱ＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋（Ｃｕ＋Ｎｉ）／１５＋（Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ）／５で表されるＣＥＱ値が０．４％以下である鋼を用いる。
Ｃ：０．０２〜０．０８％Ｃは、鋼板の強度を確保するために含有されるが、０．０２％未満ではＸ６０グレード以上の十分な強度を確保できず、０．０８％を超えるとＨＡＺ靭性および耐HIC性を劣化させるだけでなく、誘導加熱による急速加熱時に炭化物の析出を生じるため、ＤＷＴＴ特性が著しく劣化する。従って、Ｃ量を０．０２〜０．０８に規定する。
ＣＥＱ値：０．４％以下本発明においては、Ｃ以外の合金元素を含有してもよい。しかし、ＣＥＱ＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋（Ｃｕ＋Ｎｉ）／１５＋（Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ）／５で表されるＣＥＱ値が０．４％を超えると、ＨＡＺ靭性およびＤＷＴＴ特性が劣化するため、ＣＥＱ値の上限を０．４％とする。ＣＥＱ値の下限は特に規定しないが、十分な強度と靱性を得るためには、０．２５％以上であることが望ましい。
【００１５】好ましい化学成分の範囲としては、上記のＣ：０．０２〜０．０８％の他、Ｓｉ：０．５０％以下、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．００２％以下、ｓｏｌ．Ａｌ：０．０１〜０．１０、残部実質的に鉄である。また、必要に応じてＮｂ：０．１％以下、Ｖ：０．１％以下、Ｔｉ：０．０５％以下、Ｃａ：０．０００５〜０．００４０を添加することもできる。また、Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｏ等の合金元素もそれぞれ０．５％以下添加することもできる。
【００１６】その後、インラインまたはオフラインで、誘導加熱装置を用いて鋼板に急速加熱の焼戻しを施す。この場合、誘導加熱コイルは、磁束が鋼板の板面に平行となるように配置し、表層のみを加熱できるソレノイド型の誘導加熱装置を用いる。ここで、周波数：２００〜２０００Ｈｚ、電力密度１００Ｗ／ｃｍ2以上の条件で鋼板を急速加熱するが、以下に誘導加熱条件の説明を行う。
【００１７】周波数：２００〜２０００Ｈｚ加速冷却または直接焼き入れによって製造された鋼板は、表層から数ｍｍ程度の範囲で硬度が上昇しているため、誘導加熱によって硬度を低下させるためには、硬化層の深さに応じて十分な浸透深さ（発熱する領域の深さ）を得る必要がある。誘導加熱コイルの周波数が２０００Ｈｚを超えると、浸透深さが小さくなり、極表層部のみのしか加熱されないため、表面硬度は低下するものの、少し内部では軟化が不十分となる。また、周波数が２００Ｈｚより低いと、浸透深さが深くなりすぎ、鋼板中心部まで加熱されるために、ＤＷＴＴ特性が劣化する。よって、誘導加熱の周波数は２００〜２０００Ｈｚに規定する。
【００１８】電力密度：１００Ｗ／ｃｍ2以上誘導加熱での電力密度とは、誘導加熱装置の出力（電力量）を加熱される部分の鋼板表面積で除した値であり、電力密度が大きいほど鋼板表面を高温まで短時間に加熱することが可能であるため、鋼板中央部の加熱を抑制することができる。しかし、電力密度が１００Ｗ／ｃｍ2未満では、表面が加熱されるまでに時間がかかり、熱伝導によって鋼板中央部も温度が上昇するので、ＤＷＴＴ特性が劣化する。よって、電力密度を１００Ｗ／ｃｍ2以上に規定する。
【００１９】本発明では、強度低下やＤＷＴＴ特性の劣化をまねくことなく、表面硬度を確実に低下させることを目的として、鋼板表面の加熱温度が５００〜６８０℃の範囲となる急速加熱を行う。以下に、その理由について説明する。
【００２０】鋼板表面の加熱温度：５００〜６８０℃加速冷却または直接焼き入れした低Ｃ鋼の表層部は、マルテンサイトまたは下部ベイナイトを含んだ組織となるため硬化するが、焼き戻しを行うことでマルテンサイトまたは下部ベイナイトが分解され、硬度が低下する。しかし、鋼板表面の加熱温度が５００℃未満ではマルテンサイトまたは下部ベイナイトの分解が遅いため、急速加熱によって十分に軟化することができない。また、加熱温度が６８０℃を超えると、鋼板中心部の温度も上昇するため、強度の低下やＤＷＴＴ特性の劣化をまねく。好ましくは、６６０℃以下である。よって、急速加熱による鋼板表面の加熱温度を５００〜６８０℃に規定する。
【００２１】急速加熱後の冷却については、空冷でもDWTT特性の劣化は見られず、冷却速度を特に規定する必要はない。但し、板厚35mm程度を超えるような厚鋼板において、冷却速度が遅くなり、炭化物の凝集粗大化による靭性劣化が懸念される場合は、再加熱処理後に水冷やミスト冷却を行ってもよい。
【００２２】鋼板表層部最高硬さ：Ｈｖ２２０未満耐サワー性の観点から、NACE規格ではHv≦248、DIN規格ではHv≦220が規定されているが、ラインパイプ用原板としては、パイプ成形時の加工硬化を考慮して、さらに低めにする必要がある。このため、Hv２２０未満、好ましくはHv２００以下であることが望ましい。
【００２３】降伏強度：４１３ＭＰａ以上高強度ラインパイプ用鋼として、本発明ではＸ60以上の強度レベルを対象とする。このため、Ｘ60ではYS≧413MPa、Ｘ65ではYS≧448MPaである。
【００２４】
【発明の実施の形態】鋼板の製造方法としては、上記のＣ含有量と、ＣＥＱ値の規定を満足していれば、加速冷却または直接焼き入れによる表面硬化層が軟化でき、耐サワー性に優れ鋼板が得られるため、目標とする強度、靱性に応じた化学成分を含有することができる。また、転炉法、電炉法等の鋼の溶製方法や、連続鋳造、造塊法等のスラブの製造方法についても適宜選択できる。
【００２５】圧延については、強度と靭性のバランス等の観点からは、制御圧延法により製造することが好ましい。その場合、スラブ加熱温度は、Nb等の微量添加元素が固溶するよう好ましくは1000℃以上とし、オーステナイト粒の粗大化を防ぐため好ましくは1200℃以下とする。また、オーステナイトの未再結晶域の合計圧下率（CR圧下率）を30%以上することが、組織微細化による低温靭性向上の観点から好ましい。
【００２６】圧延後は、引続き加速冷却又は直接焼入れを行う。その際、急冷（水冷）開始温度は、ポリゴナルフェライトの生成を防止するため、少なくともAr3-50℃以上とすることが好ましい。急冷は、高強度でＨＩＣ特性に優れたベイニティクフェライト組織を得るために行う。
【００２７】冷却停止は、狙いの強度と成分から決定されるが、650℃を超える停止温度ではポリゴナルフェライト組織となってしまう。したがって、急冷停止温度は、室温以上650℃以下の範囲が好ましい。
【００２８】
【実施例】本発明の実施例について述べる。表１に示す化学成分の鋼を溶製して、スラブに鋳造し、加熱炉で加熱後、制御圧延を行って種々の板厚の鋼板を製造した。ここで、鋼Ａ〜Ｃは化学成分が本発明の範囲であるが、鋼ＤはＣ含有量が高く、鋼ＥはＣＥＱ値が高い。
【００２９】
【表１】

【００３０】圧延後の鋼板は、引続き加速冷却し、次いで、ソレノイド型誘導加熱炉またはガス燃焼式の雰囲気炉で焼戻しを行った。鋼板の圧延、冷却条件及び焼戻し条件を表２に示す。なお、誘導加熱での電力密度は、加熱時投入電力を加熱帯の鋼板表面積で除した値である。また、焼戻し時の鋼板表面温度は、誘導加熱または炉加熱が終了した直後に放射温度計で測定した鋼板表面の温度である。
【００３１】
【表２】

【００３２】次に、これらの鋼板について、引張特性、最高硬さ、耐HIC性、及びDWTT特性を調べた。引張特性は圧延方向と垂直方向から採取した全厚引張試験片により測定した。最高硬さは、荷重１０ｋｇのビッカース硬さ試験機によって鋼板の板厚方向断面の硬さを１ｍｍピッチで測定し、その表層部での最高値を最高硬さとした。耐HIC性は、pHが約3の硫化水素を飽和させた5%NaCl+0.5%CH3COOH水溶液(通常のNACE溶液)中で行ったHIC試験により調べた。DWTT特性は、API規格のプレスノッチ試験片によるDWTT試験(Drop Weight Tear Test)を行い、延性破面率が85%となる温度(85%SATT)で評価した。
【００３３】鋼板の引張特性、最高硬さ、耐HIC性、及びDWTT特性を、表３に示す。ここで、強度はAPI X65グレードとして要求される降伏強度448MPa以上を目標とし、最高硬さはHV200、耐HIC性はHIC試験で割れ長さ率(CLR)が10%以下、DWTTは-30℃以下を目標とした。【００３４】
【表３】

【００３５】表３より明らかなように、周波数200〜2000Hz、電力密度100W/cm2以上の高周波誘導加熱により焼戻しを行った本発明鋼板No.1〜13においては、良好な引張特性、耐HIC性、及びDWTT特性が得られ、かつ、HV200以下の最高硬さが得られている。
【００３６】これに対して、比較鋼板No.14〜28においては、機械的特性、表層部最高硬さ、耐HIC性、又はDWTT特性のいずれかが劣っている。
【００３７】鋼板No.14〜16は高周波誘導加熱により焼戻しを行ったが、No.14は周波数が高すぎるため、最表層部高度が低下していたが、少し内部の硬さは低減できないため、表層部の最高硬さが高い。No.15は焼戻し時の表面加熱温度が高すぎるため、DWTT特性が劣化した。No.16は焼戻し時の表面加熱温度が低すぎるため、表層部の軟化が不十分であった。
【００３８】また、比較鋼板No.17は焼戻しを行っていないため、表層部が著しく硬化している。No.18, 19は炉加熱により焼戻しを行っているため、表面硬度は低下するが、DWTTが劣化した。No.20〜22は高周波誘導加熱により焼戻しを行ったが、No.20は焼戻し時の表面加熱温度が低すぎるため、表層部の軟化が不十分であった。No.21は周波数が低すぎるため、鋼板内部まで加熱され、強度及びDWTT特性が低下した。No.22は誘導加熱の電力密度が低すぎるため、熱伝導によって内部まで加熱されDWTT特性が低下した。
【００３９】比較鋼板No.23〜26は焼戻しを行わないか、または炉加熱による焼戻しを行っているため、表層部最高硬さが高いか、またはDWTT特性が劣っている。No.27, 28は本発明の範囲の誘導加熱による焼戻しを行っているが、鋼板の成分が本発明範囲を外れているため、耐HIC特性またはDWTT特性が劣っている。
【００４０】
【発明の効果】本発明は、加速冷却又は直接焼入れ後の鋼板を、高周波加熱により急速加熱することにより、表層のみを軟化させることができる。その結果、本発明により耐サワー性の優れた高強度パイプライン用鋼を安価に大量生産することが可能となり、パイプラインの安全性を著しく向上させることができる。
【出願人】 【識別番号】０００００４１２３
【氏名又は名称】日本鋼管株式会社
【出願日】 平成１４年２月２８日（２００２．２．２８）
【代理人】 【識別番号】１００１１６２３０
【弁理士】
【氏名又は名称】中濱 泰光
【公開番号】 特開２００２−３２７２１２（Ｐ２００２−３２７２１２Ａ）
【公開日】 平成１４年１１月１５日（２００２．１１．１５）
【出願番号】 特願２００２−５３２２９（Ｐ２００２−５３２２９）