专利名称：高Cr系无缝钢管的制造方法
技术领域：
本发明涉及一种用于油井、气井或各种工厂或建筑结构材料等的高Cr系无缝钢管的制造，具体涉及即使在采用含10％～20％Cr的制管用坯料(钢坯)制造无缝钢管时也很少发生内表面缺陷的高Cr系无缝钢管的制造方法。
背景技术：
以往，作为油井用、各种工厂用或建筑结构用，多采用含10％～20％Cr的所谓高Cr系无缝钢管。通常，无缝钢管的制造是利用曼内斯曼穿孔、冲压穿孔等从圆钢坯制造空心管坯，用连续轧管机或自动轧管机等拉伸轧机对该管坯进行扩管，减小管壁厚度，然后，用拉力减径机等收缩外径，加工成目标尺寸的钢管。
在制造上述高Cr系无缝钢管时，作为制管用坯料(钢坯)，采用通过轧制用连续铸造法或铸锭铸造法制造的铸坯得到的圆钢坯。此时，用作坯料的钢坯，一般，采用连续铸造法或铸锭铸造法铸造成截面形状为方形的铸坯(初轧方坯)，在加热均匀温度后，用开坯机、初轧机等热轧成圆形，或采用通过连续铸造直接铸造成圆铸坯的方法进行制造。
在无缝钢管的热轧制管中，高Cr钢与普通钢相比，由于其热加工性能差，在制管后的钢管中存在内表面缺陷。例如，若在钢管中产生中间夹层缺陷等内表面缺陷(以下简称“内表面缺陷”)，不仅降低制品的成品率，还必须停止由穿孔机、扩轧机及缩径轧机构成的制管轧机系统，此时，严重阻碍生产效率。
以往，作为无缝钢管的热轧制管中的内表面缺陷的防止对策，采用降低制管时的加工度，或者为了避免加工发热等造成的缺陷，降低坯料的加热温度等手段。但是，上述对策都降低热轧制管的生产性，很难说是恰当的防止对策。
例如，在特开平4-224659号公报中提出了，通过规定部分合金成分的含量，同时，调整退火加热时间，将穿孔加热温度设定在1200℃以下，进行低温制管，从而改善热加工时组织的马氏体系无缝钢管的制造方法。但是，在该制造方法中，由于构成合金的成分元素的规定严格，能够使用的钢种受到限制，同时，由于限制穿孔制管时的加热温度的上限，存在在制管效率及生产性方面产生不良影响，而且还降低制管工具的使用寿命等问题。
如前所述，以往，在采用高Cr钢等难加工材制管时，采取的内表面缺陷的防止对策，由于是降低加工度及加热温度的低温化，使制管工序的生产性降低，实质上是阻碍高效率生产的主要因素。
发明内容
本发明是针对上述问题而完成的，目的是提供一种高Cr系无缝钢管的制造方法，在以高Cr钢系的铸坯或钢坯作为制管坯料制造无缝钢管时，能够不降低生产性并且有效防止内表面缺陷的发生。
在高Cr系无缝钢管的制管中，钢管产生内表面缺陷是因为，由于该钢种的热加工性差，经过制管加工时的变形，在组织上脆弱的部位产生裂纹，扩展成内表面缺陷。所谓的热加工中的高Cr钢的脆弱部分，是指该钢种在高温状态时主组织奥氏体γ晶粒和伴随δ铁素体生成所含的微量δ晶粒的晶界。
因此，作为降低热加工时产生的内表面缺陷的对策，有①降低δ铁素体的生成量，减少组织上脆弱的部位，或②增强γ晶粒和δ晶粒的晶界强度。作为上述①的对策，有效的办法是降低使晶界脆弱的杂质元素(S、P)含量，但是，如果过分降低，会增加制造成本。其次，作为上述②的对策，可以采用上述的特开平4-224659号公报中提出的方法，但是，从无缝钢管的高效率生产方面考虑，如要应用于实际生产，还需要进一步改进。
本发明人经过进一步详细研究发现，的确能够调整含有的Cr和其他添加合金元素对δ铁素体生成的影响度，此外，也能够对在钢坯等的制造阶段或坯料的制管前阶段的热滞后对δ铁素体量的影响度进行指数化。
此外，通过将上述研究结果在实际的制造生产线上进行验证，得知即使不过分降低杂质元素(S、P)含量，通过缓和制管条件等也能够高效率、高生产性、廉价地制造内表面品质优良的无缝钢管。
本发明是基于上述发现完成的，以下面所述的(1)、(2)的高Cr系无缝钢管的制造方法作为要旨。
(1)一种高Cr系无缝钢管的制造方法，其特征在于以质量％计，将Cr含量设定在10％～20％、杂质S及P的含量分别设定在0.050％以下，此外，含有C、Mn、Ni、N、Cu、Si、Mo、Ti、Nb及V中的1种或2种以上，以1100℃以上均热的时间的总和为∑t1(小时)的铸坯或钢坯作为制管用坯料，在以1100℃以上均热的时间的总和作为∑t2(小时)，将上述坯料均热后，在加热到1200℃制管时，满足下式(b)地进行均热和/或加热。
f＝{20×C+0.3×Mn+1.2×Ni+25×N+Cu-9×Si-0.8×Cr-2×Mo-10×Ti-6×Nb-15×V}-45×(S+P/10) ...(a)F=f+0.6×(1-1eΣt1)+0.8×(1-1eΣt2)>-9.7---(b)]]>其中，式中的元素符号表示各成分元素的含量(质量％)。
(2)一种高Cr系无缝钢管的制造方法，其特征在于以质量％计，将Cr含量设定在10％～20％、杂质S及P的含量分别设定在0.050％以下，此外，含有C、Mn、Ni、N、Cu、Si、Mo、Ti、Nb及V中的1种或2种以上，以1100℃以上均热的时间的总和为∑t1(小时)的铸坯或钢坯作为制管用坯料，在以1100℃以上均热的时间的总和作为∑t2(小时)，将上述坯料均热后，在加热到1100～1300℃(其中，1200℃除外)制管时，满足下式(c)地进行均热和/或加热。
F=f+0.6×(1-1eΣt1)+0.8×(1-1eΣt2)+1.4×KT>-9.7---(c)]]>
但是，设KT=1200-T|1200-T|]]>
图1表示基于实施例的高Cr系无缝钢管的F值和内表面缺陷的发生率(％)的关系。
具体实施例方式
在本发明的制造方法中，其特征在于，以按质量％计，将Cr含量设定在10％～20％、杂质S及P的含量分别设定在0.050％以下的组成的高Cr钢作为制管坯料。在以下的说明中，“％”表示“质量％”。
Cr，是提高耐蚀性所必需的成分元素，如果其含量不满10％，不能确保所期望的耐蚀性，例如不能确保耐CO2腐蚀性。另外，如果Cr含量超过20％，高温加热时容易生成δ铁素体，降低耐蚀性(耐SSC性)及热加工性，此外，过多地添加Cr也导致制造成本上升。
P，作为杂质元素是钢中不可避免的元素，其含量是越低越好。而且，如果其含量超过0.050％，劣化高强度材料的韧性，同时，降低铁素体/γ晶界的强度，显著降低热加工性。因此，P的含量设定在0.050％以下。
S，作为杂质元素是钢中不可避免的元素，由于是对热加工性有不良影响的元素，其含量是越低越好。如果其含量超过0.050％，由于降低铁素体/γ晶界的强度，显著降低热加工性，所以，S的含量设定在0.050％以下。另外，规定的S含量有利于钢的切削性或焊接性，为谋求其效果，优选将其含量设定在0.004％以上。
在本发明中，关于坯料的化学组成，只规定Cr含量及杂质S及P的含量，但是，除此之外，作为高Cr钢，还可以添加相当于13％Cr钢、SUS304钢、SUS316钢、SUS321钢及SUS347钢的成分元素。
例如，为了抑制δ铁素体的生成，同时确保强度、韧性、耐蚀性等，可以适宜含有C0.30％以下、Si1.00％以下、Mn2.0％以下、Mo3.00％以下、Cu0.50％以下、Ni11.00％以下、Ti0.200％以下、Al0.100％以下、N0.150％以下、B0.0050％以下、Nb0.150％以下、V0.20％以下及Ca0.0050％以下等元素中的1种或2种以上。下面，说明含有这些元素时的作用。
C，为提高钢材的强度而添加，但是，如果过多添加，形成铬碳化物(Cr23C6等)，降低钢材的耐蚀性，同时，劣化低温韧性。因此，C含量的上限设定在0.30％。
Si，是在制钢过程中作为脱氧材料添加的，但是，如果过多含有，劣化韧性，因此，其含量设定在1.00％以下。
Mn，是提高钢的淬透性、确保钢材强度的有效成分。此外，也具有抑制影响热加工性的δ铁素体的生成、固定钢中S的效果。但如果过多含有，会降低韧性，所以，Mn含量设定在2.0％以下。
Mo，在含有碳酸气体及硫化氢的环境中，具有极好的强化耐蚀性保护膜的效果。因此，从耐蚀性角度考虑，添加越多改善效果越好，但是，如果过多添加，容易生成δ铁素体，随之，不得不大量添加奥氏体生成元素，这样会增加制造成本。因此，Mo含量的上限设定在3.00％。
Cu，奥氏体生成元素，抑制δ铁素体的生成，有利于稳定组织。但是，如果过多添加，降低高温、长时间使用中的延性，所以，Cu含量设定在0.50％以下。
Ni，奥氏体生成元素，抑制δ铁素体的生成，有利于稳定组织，同时，是确保必要强度、提高耐蚀性及改善热加工性的有效元素。但是，即使过剩添加，其效果饱和，只能导致增加添加成本，还降低高温下使用中的延性。因此，Ni含量设定在11.00％以下。
Ti，适合改善耐蚀性，是提高强度及韧性的有效元素。但是，如果含量超过0.200％，劣化韧性。
Al，是作为钢的脱氧剂而添加的元素。如果过剩添加，降低钢的清洁度，损害加工性能，同时，导致降低高温强度，所以，含量设定在0.100％以下。
N，是确保钢强度的有效元素，但由于过多添加会劣化韧性，所以其含量设定在0.150％以下。
B，提高钢的强度，同时，有助于组织的微细化，是改进韧性及耐蚀性的有效元素。但由于过多添加会促进韧性及耐蚀性的劣化，所以其含量设定在0.0050％以下。
Nb，在钢中形成微细的碳化物或碳氮化物，是提高蠕变强度的元素。但由于过多添加会促使碳化物粗大化，导致韧性降低，所以，Nb的含量设定在0.150％以下。
V，在钢中形成微细的碳化物或碳氮化物，是提高强度、韧性及蠕变强度的元素。但由于过多添加会促使碳化物粗大化，导致韧性降低，所以，V的含量设定在0.20％以下。
Ca，改善钢中的硫化物的形状，是提高热加工性的有效元素。但由于过多添加会劣化韧性及耐蚀性，所以，Ca的含量设定在0.0050％以下。
此外，本发明的制管用坯料为13％Cr钢，在其成分元素为Ni1.5％以下、Mo1.0％以下时，如不添加Cu(例如，含量不满0.2％)，用后述的式(b)表示的F值优选低于-9.4。这是因为，Cu是奥氏体形成元素，但由于是低熔点金属，也是恶化晶界的热加工性的元素，如果Ni含量少，容易出现δ铁素体相，γ(奥氏体)/δ晶界增多，容易产生内表面缺陷。
如上所述，在本发明的制造方法中，为抑制δ铁素体的生成，应规定Cr含量，并且控制S及P的含量，但除这些元素外，可以添加作为高Cr钢所必需的元素。如设想添加这些元素，应用后述的式(b)或式(c)调整以如下的式(a)规定的f值。
f＝{20×C+0.3×Mn+1.2×Ni+25×N+Cu-9×Si-0.8×Cr-2×Mo-10×Ti-6×Nb-15×V}-45×(S+P/10)...(a)δ铁素体指的是凝固时析出的铁素体或高温加热时生成的铁素体，但用上述式(a)规定的f值是指数化的值，如此能够容易判断该δ铁素体的生成的难易度。即，在式中，以奥氏体生成元素作为“+”，铁素体生成元素作为“-”，进行调整，利用成分元素的影响系数与含量的积表示在钢材的组织上、热加工中的高温热状态(1000～1300℃)下δ铁素体生成的难易度。换言之，也能够作为表示奥氏体相的生成的难易度控制f值。
本发明中采用的制造工序只要是常用的无缝钢管的制造工序就可以，如前所述，只要是从圆铸钢，通过曼内斯曼穿孔、冲压穿孔等制造空心管坯，该管坯扩轧后，通过收缩轧制加工成钢管的方式就可以。
通常，由于在尺寸精度和生产性方面有利，采用曼内斯曼-连续轧管机方式或曼内斯曼-自动轧管机方式。在前者的方式中，将连续铸造制造的制管用管坯加热到1100～1300℃后，用穿孔机穿孔轧制，形成空心管坯，然后，用曼内斯曼轧机扩轧，制作加工轧制用管坯。之后，在扩轧原状态或850～1100℃将加工轧制用管坯再加热后，通过拉力减径机或定径机，加工成规定尺寸的无缝钢管。
制造的钢管的热滞后影响制管工序中的铁素体组织的生成。即，如果延长达到制管轧制的铸坯或钢坯的阶段及坯料(钢坯)阶段的高温(1100℃以上)下的均热时间，能够扩散偏析，抑制δ铁素体的生成。因此，需要控制，作为铸坯、钢坯，将1100℃以上均热的时间的总和设定为∑t1(小时)，同时，将坯料在1100℃以上均热的时间的总和设定为∑t2(小时)。但是，所谓的铸坯或钢坯的阶段的均热时间，指的是在开坯轧制工序的加热炉或均热炉内的1100℃以上均热钢材的时间，在1次热轧中铸坯1次间歇的均热时间，在2次热轧中合计铸坯1次间歇及铸坯1次间歇的均热时间。
在本发明中，以1100℃以上的均热处理为对象是由于以提高偏析扩散速度的处理为对象，通过长时间进行1100℃以上的均热，能够回避局部的高浓度的P、S的不均。不需要规定均热处理的上限，但通常采用1100～1300℃的温度范围。
制管时的加热温度影响δ铁素体的生成，加热温度T越低，越能抑制铁素体的生成。此处所说的加热温度T是穿孔机穿孔轧制时的材料温度，可以将管坯(钢坯)加热到1100～1300℃后的出炉温度进行控制。
下式(b)将上述本发明的技术思想定量化，为判断杂质(S、P)偏析的扩散效果，确认在铸坯或钢坯阶段的均热时间、坯料阶段时的均热时间的影响及制管时的加热温度的影响，引入F值。
下式(b)意味着在理论上充分延长均热时间(∑t1、∑t2)至利用均热提供的均热效果消除偏析时，为F＝f+1.4。表示此时的奥氏体相的发生难易度为“+1.4”。此外，在上工序，偏析的确增大，为减少基于用均热效果的偏析改善费，将上述“+1.4”分割成在开坯轧制工序(铸坯·钢坯)时的均热效果为“0.6”和制管工序(坯料)时的均热效果为“0.8”。
这样，通过开坯轧制工序或制管工序，改变由均热时间得出的偏析改善费，但无论哪一个工序，如果作为均热时间的指数函数近似地表示偏析改善费， 因此，通过满足下式(b)所示的条件同时制造无缝钢管，确实能够抑制内表面缺陷的发生。
F=f+0.6×(1-1eΣt1)+0.8×(1-1eΣt2)>-9.7---(b)]]>上式(b)表示将加热温度设定在1200℃制管时的条件，但在加热温度T偏离1200℃时，需要用由下式(c′)示出的KT修正。此时的修正也考虑到此值为负值时的情况，同时，按照抛物线法则设定。
KT=1200-T|1200-T|]]>这样，在制管时的加热温度T偏离1200℃时，要求用KT修正是因为考虑到，即使是同一成分、同一热滞后时，因最终加热温度的影响，也改变δ铁素体的生成量。以下，根据具体实施例说明本发明的效果。
实施例为了确认用本发明的方法制造高Cr系无缝钢管的内表面缺陷的发生状况，准备表1～3所示化学组成的钢坯。在准备的钢坯中，分别相当于试样No.1～28为13％Cr钢，试样No.29～33为SUS304钢，试样No.34～38为SUS316钢，试样No.39～42为SUS321钢，试样No.44～48为SUS347钢。
表1
表2
表3
以上述钢坯作为制管用管坯，在加热炉中，在1100～1300℃的温度范围均热加热后，用穿孔机穿孔，制成空心管坯，接着用曼内斯曼轧机轧制，制成加工轧制用管坯。然后，将加工轧制用管坯再加热到1100℃后，通过拉力减径机，制成外径88.9mm、内径70mm、长1000mm的无缝钢管。
作为此时的制造、制管条件，钢坯的均热时间∑t1、钢坯的均热时间∑t2及制管时加热温度T示于表4～6。此外，根据式(a)计算f值及根据式(b)、(c)计算F值，其结果示于表4～6。
之后，按规定条件，淬火制造的钢管，进行回火处理，接着调查内表面缺陷的发生状况。该调查结果见表4～6。
表4
表5
表6
图1是表示基于实施例的高Cr系无缝钢管的F值和内表面缺陷的发生率(％)的关系的图。此外，用在制管后的检查中确认的发生起因于材料的中间夹层缺陷、重皮的根数比，表示图1所示内表面缺陷的发生率(％)。
如上述表1～6以及图1所示，如果以本发明为对象的高Cr系无缝钢管，不局限于13％Cr钢、SUS304钢、SUS316钢等，通过将用上述式(b)、(c)规定的F值调整到“-9.7”以下，内表面缺陷的发生率降到2.0％以下，能够确保优良的内表面质量。
如采用本发明，即使在以高Cr钢作为制管用坯料时，由于能够充分抑制热制管工序中的δ铁素体的生成，可制作内表面缺陷少的高Cr系无缝钢管。而且，作为坯料的组成，不需要过分降低杂质，由于能够确保制管时规定的生产性，能够低成本、高效率制造内表面质量优良的高Cr系无缝钢管。由此，能够扩大无缝钢管的应用范围。
权利要求
1.一种高Cr系无缝钢管的制造方法，其特征在于以质量％计，将Cr含量设定在10％～20％、杂质S及P的含量分别设定在0.050％以下，此外，含有C、Mn、Ni、N、Cu、Si、Mo、Ti、Nb及V中的1种或2种以上，以1100℃以上均热的时间总和为∑t1(小时)的铸坯或钢坯作为制管用坯料，在以1100℃以上均热的时间总和作为∑t2(小时)，对上述坯料均热后，在加热到1200℃制管时，满足下式(b)地进行均热和/或加热，f＝{20×C+0.3×Mn+1.2×Ni+25×N+Cu-9×Si-0.8×Cr-2×Mo-10×Ti-6×Nb-15×V}-45×(S+P/10) ...(a)F=f+0.6×(1-1eΣt1)+0.8×(1-1eΣt2)>-9.7---(b)]]>其中，式中的元素符号表示各成分元素的含量(质量％)。
2.一种高Cr系无缝钢管的制造方法，其特征在于以质量％计，将Cr含量设定在10％～20％、杂质S及P的含量分别设定在0.050％以下，此外，含有C、Mn、Ni、N、Cu、Si、Mo、Ti、Nb及V中的1种或2种以上，以1100℃以上的均热的时间总和为∑t1(小时)的铸坯或钢坯作为制管用坯料，在以1100℃以上均热的时间总和作为∑t2(小时)，将上述坯料均热后，在加热到1100～1300℃制管时，其中1200℃除外，满足下式(c)地进行均热和/或加热，f＝{20×C+0.3×Mn+1.2×Ni+25×N+Cu-9×Si-0.8×Cr-2×Mo-10×Ti-6×Nb-15×V}-45×(S+P/10) ...(a)F=f+0.6×(1-1eΣt1)+0.8×(1-1eΣt2)+1.4×KT>-9.7---(c)]]>其中，设KT=1200-T|1200-T|,]]>式中的元素符号表示各成分元素的含量(质量％)。
全文摘要
一种低成本、高效率制造内表面品质优良的高Cr系无缝钢管的方法，其特征在于，在采用Cr含量为10％～20％、杂质S及P的含量为0.050％以下的坯料制管时，钢坯的均热时间设定为∑t1(小时)，坯料的均热时间设定为∑t2(小时)，1200℃加热制管时，满足下式(b)。
文档编号C22C38/54GK1509340SQ02810278
公开日2004年6月30日 申请日期2002年6月21日 优先权日2001年6月21日
发明者木谷茂, 池田耕一, 阿部俊治, 一, 治 申请人:住友金属工业株式会社