專利名稱：高Cr系無縫鋼管的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于油井、氣井或各種工廠或建筑結(jié)構(gòu)材料等的高Cr系無縫鋼管的制造，具體涉及即使在采用含10％～20％Cr的制管用坯料(鋼坯)制造無縫鋼管時也很少發(fā)生內(nèi)表面缺陷的高Cr系無縫鋼管的制造方法。
背景技術(shù)：
以往，作為油井用、各種工廠用或建筑結(jié)構(gòu)用，多采用含10％～20％Cr的所謂高Cr系無縫鋼管。通常，無縫鋼管的制造是利用曼內(nèi)斯曼穿孔、沖壓穿孔等從圓鋼坯制造空心管坯，用連續(xù)軋管機或自動軋管機等拉伸軋機對該管坯進行擴管，減小管壁厚度，然后，用拉力減徑機等收縮外徑，加工成目標尺寸的鋼管。
在制造上述高Cr系無縫鋼管時，作為制管用坯料(鋼坯)，采用通過軋制用連續(xù)鑄造法或鑄錠鑄造法制造的鑄坯得到的圓鋼坯。此時，用作坯料的鋼坯，一般，采用連續(xù)鑄造法或鑄錠鑄造法鑄造成截面形狀為方形的鑄坯(初軋方坯)，在加熱均勻溫度后，用開坯機、初軋機等熱軋成圓形，或采用通過連續(xù)鑄造直接鑄造成圓鑄坯的方法進行制造。
在無縫鋼管的熱軋制管中，高Cr鋼與普通鋼相比，由于其熱加工性能差，在制管后的鋼管中存在內(nèi)表面缺陷。例如，若在鋼管中產(chǎn)生中間夾層缺陷等內(nèi)表面缺陷(以下簡稱“內(nèi)表面缺陷”)，不僅降低制品的成品率，還必須停止由穿孔機、擴軋機及縮徑軋機構(gòu)成的制管軋機系統(tǒng)，此時，嚴重阻礙生產(chǎn)效率。
以往，作為無縫鋼管的熱軋制管中的內(nèi)表面缺陷的防止對策，采用降低制管時的加工度，或者為了避免加工發(fā)熱等造成的缺陷，降低坯料的加熱溫度等手段。但是，上述對策都降低熱軋制管的生產(chǎn)性，很難說是恰當?shù)姆乐箤Σ摺?br> 例如，在特開平4-224659號公報中提出了，通過規(guī)定部分合金成分的含量，同時，調(diào)整退火加熱時間，將穿孔加熱溫度設(shè)定在1200℃以下，進行低溫制管，從而改善熱加工時組織的馬氏體系無縫鋼管的制造方法。但是，在該制造方法中，由于構(gòu)成合金的成分元素的規(guī)定嚴格，能夠使用的鋼種受到限制，同時，由于限制穿孔制管時的加熱溫度的上限，存在在制管效率及生產(chǎn)性方面產(chǎn)生不良影響，而且還降低制管工具的使用壽命等問題。
如前所述，以往，在采用高Cr鋼等難加工材制管時，采取的內(nèi)表面缺陷的防止對策，由于是降低加工度及加熱溫度的低溫化，使制管工序的生產(chǎn)性降低，實質(zhì)上是阻礙高效率生產(chǎn)的主要因素。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是針對上述問題而完成的，目的是提供一種高Cr系無縫鋼管的制造方法，在以高Cr鋼系的鑄坯或鋼坯作為制管坯料制造無縫鋼管時，能夠不降低生產(chǎn)性并且有效防止內(nèi)表面缺陷的發(fā)生。
在高Cr系無縫鋼管的制管中，鋼管產(chǎn)生內(nèi)表面缺陷是因為，由于該鋼種的熱加工性差，經(jīng)過制管加工時的變形，在組織上脆弱的部位產(chǎn)生裂紋，擴展成內(nèi)表面缺陷。所謂的熱加工中的高Cr鋼的脆弱部分，是指該鋼種在高溫狀態(tài)時主組織奧氏體γ晶粒和伴隨δ鐵素體生成所含的微量δ晶粒的晶界。
因此，作為降低熱加工時產(chǎn)生的內(nèi)表面缺陷的對策，有①降低δ鐵素體的生成量，減少組織上脆弱的部位，或②增強γ晶粒和δ晶粒的晶界強度。作為上述①的對策，有效的辦法是降低使晶界脆弱的雜質(zhì)元素(S、P)含量，但是，如果過分降低，會增加制造成本。其次，作為上述②的對策，可以采用上述的特開平4-224659號公報中提出的方法，但是，從無縫鋼管的高效率生產(chǎn)方面考慮，如要應(yīng)用于實際生產(chǎn)，還需要進一步改進。
本發(fā)明人經(jīng)過進一步詳細研究發(fā)現(xiàn)，的確能夠調(diào)整含有的Cr和其他添加合金元素對δ鐵素體生成的影響度，此外，也能夠?qū)υ阡撆鞯鹊闹圃祀A段或坯料的制管前階段的熱滯后對δ鐵素體量的影響度進行指數(shù)化。
此外，通過將上述研究結(jié)果在實際的制造生產(chǎn)線上進行驗證，得知即使不過分降低雜質(zhì)元素(S、P)含量，通過緩和制管條件等也能夠高效率、高生產(chǎn)性、廉價地制造內(nèi)表面品質(zhì)優(yōu)良的無縫鋼管。
本發(fā)明是基于上述發(fā)現(xiàn)完成的，以下面所述的(1)、(2)的高Cr系無縫鋼管的制造方法作為要旨。
(1)一種高Cr系無縫鋼管的制造方法，其特征在于以質(zhì)量％計，將Cr含量設(shè)定在10％～20％、雜質(zhì)S及P的含量分別設(shè)定在0.050％以下，此外，含有C、Mn、Ni、N、Cu、Si、Mo、Ti、Nb及V中的1種或2種以上，以1100℃以上均熱的時間的總和為∑t1(小時)的鑄坯或鋼坯作為制管用坯料，在以1100℃以上均熱的時間的總和作為∑t2(小時)，將上述坯料均熱后，在加熱到1200℃制管時，滿足下式(b)地進行均熱和/或加熱。
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，式中的元素符號表示各成分元素的含量(質(zhì)量％)。
(2)一種高Cr系無縫鋼管的制造方法，其特征在于以質(zhì)量％計，將Cr含量設(shè)定在10％～20％、雜質(zhì)S及P的含量分別設(shè)定在0.050％以下，此外，含有C、Mn、Ni、N、Cu、Si、Mo、Ti、Nb及V中的1種或2種以上，以1100℃以上均熱的時間的總和為∑t1(小時)的鑄坯或鋼坯作為制管用坯料，在以1100℃以上均熱的時間的總和作為∑t2(小時)，將上述坯料均熱后，在加熱到1100～1300℃(其中，1200℃除外)制管時，滿足下式(c)地進行均熱和/或加熱。
F=f+0.6×(1-1eΣt1)+0.8×(1-1eΣt2)+1.4×KT>-9.7---(c)]]>
但是，設(shè)KT=1200-T|1200-T|]]>


圖1表示基于實施例的高Cr系無縫鋼管的F值和內(nèi)表面缺陷的發(fā)生率(％)的關(guān)系。
具體實施例方式
在本發(fā)明的制造方法中，其特征在于，以按質(zhì)量％計，將Cr含量設(shè)定在10％～20％、雜質(zhì)S及P的含量分別設(shè)定在0.050％以下的組成的高Cr鋼作為制管坯料。在以下的說明中，“％”表示“質(zhì)量％”。
Cr，是提高耐蝕性所必需的成分元素，如果其含量不滿10％，不能確保所期望的耐蝕性，例如不能確保耐CO2腐蝕性。另外，如果Cr含量超過20％，高溫加熱時容易生成δ鐵素體，降低耐蝕性(耐SSC性)及熱加工性，此外，過多地添加Cr也導(dǎo)致制造成本上升。
P，作為雜質(zhì)元素是鋼中不可避免的元素，其含量是越低越好。而且，如果其含量超過0.050％，劣化高強度材料的韌性，同時，降低鐵素體/γ晶界的強度，顯著降低熱加工性。因此，P的含量設(shè)定在0.050％以下。
S，作為雜質(zhì)元素是鋼中不可避免的元素，由于是對熱加工性有不良影響的元素，其含量是越低越好。如果其含量超過0.050％，由于降低鐵素體/γ晶界的強度，顯著降低熱加工性，所以，S的含量設(shè)定在0.050％以下。另外，規(guī)定的S含量有利于鋼的切削性或焊接性，為謀求其效果，優(yōu)選將其含量設(shè)定在0.004％以上。
在本發(fā)明中，關(guān)于坯料的化學組成，只規(guī)定Cr含量及雜質(zhì)S及P的含量，但是，除此之外，作為高Cr鋼，還可以添加相當于13％Cr鋼、SUS304鋼、SUS316鋼、SUS321鋼及SUS347鋼的成分元素。
例如，為了抑制δ鐵素體的生成，同時確保強度、韌性、耐蝕性等，可以適宜含有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種或2種以上。下面，說明含有這些元素時的作用。
C，為提高鋼材的強度而添加，但是，如果過多添加，形成鉻碳化物(Cr23C6等)，降低鋼材的耐蝕性，同時，劣化低溫韌性。因此，C含量的上限設(shè)定在0.30％。
Si，是在制鋼過程中作為脫氧材料添加的，但是，如果過多含有，劣化韌性，因此，其含量設(shè)定在1.00％以下。
Mn，是提高鋼的淬透性、確保鋼材強度的有效成分。此外，也具有抑制影響熱加工性的δ鐵素體的生成、固定鋼中S的效果。但如果過多含有，會降低韌性，所以，Mn含量設(shè)定在2.0％以下。
Mo，在含有碳酸氣體及硫化氫的環(huán)境中，具有極好的強化耐蝕性保護膜的效果。因此，從耐蝕性角度考慮，添加越多改善效果越好，但是，如果過多添加，容易生成δ鐵素體，隨之，不得不大量添加奧氏體生成元素，這樣會增加制造成本。因此，Mo含量的上限設(shè)定在3.00％。
Cu，奧氏體生成元素，抑制δ鐵素體的生成，有利于穩(wěn)定組織。但是，如果過多添加，降低高溫、長時間使用中的延性，所以，Cu含量設(shè)定在0.50％以下。
Ni，奧氏體生成元素，抑制δ鐵素體的生成，有利于穩(wěn)定組織，同時，是確保必要強度、提高耐蝕性及改善熱加工性的有效元素。但是，即使過剩添加，其效果飽和，只能導(dǎo)致增加添加成本，還降低高溫下使用中的延性。因此，Ni含量設(shè)定在11.00％以下。
Ti，適合改善耐蝕性，是提高強度及韌性的有效元素。但是，如果含量超過0.200％，劣化韌性。
Al，是作為鋼的脫氧劑而添加的元素。如果過剩添加，降低鋼的清潔度，損害加工性能，同時，導(dǎo)致降低高溫強度，所以，含量設(shè)定在0.100％以下。
N，是確保鋼強度的有效元素，但由于過多添加會劣化韌性，所以其含量設(shè)定在0.150％以下。
B，提高鋼的強度，同時，有助于組織的微細化，是改進韌性及耐蝕性的有效元素。但由于過多添加會促進韌性及耐蝕性的劣化，所以其含量設(shè)定在0.0050％以下。
Nb，在鋼中形成微細的碳化物或碳氮化物，是提高蠕變強度的元素。但由于過多添加會促使碳化物粗大化，導(dǎo)致韌性降低，所以，Nb的含量設(shè)定在0.150％以下。
V，在鋼中形成微細的碳化物或碳氮化物，是提高強度、韌性及蠕變強度的元素。但由于過多添加會促使碳化物粗大化，導(dǎo)致韌性降低，所以，V的含量設(shè)定在0.20％以下。
Ca，改善鋼中的硫化物的形狀，是提高熱加工性的有效元素。但由于過多添加會劣化韌性及耐蝕性，所以，Ca的含量設(shè)定在0.0050％以下。
此外，本發(fā)明的制管用坯料為13％Cr鋼，在其成分元素為Ni1.5％以下、Mo1.0％以下時，如不添加Cu(例如，含量不滿0.2％)，用后述的式(b)表示的F值優(yōu)選低于-9.4。這是因為，Cu是奧氏體形成元素，但由于是低熔點金屬，也是惡化晶界的熱加工性的元素，如果Ni含量少，容易出現(xiàn)δ鐵素體相，γ(奧氏體)/δ晶界增多，容易產(chǎn)生內(nèi)表面缺陷。
如上所述，在本發(fā)明的制造方法中，為抑制δ鐵素體的生成，應(yīng)規(guī)定Cr含量，并且控制S及P的含量，但除這些元素外，可以添加作為高Cr鋼所必需的元素。如設(shè)想添加這些元素，應(yīng)用后述的式(b)或式(c)調(diào)整以如下的式(a)規(guī)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鐵素體指的是凝固時析出的鐵素體或高溫加熱時生成的鐵素體，但用上述式(a)規(guī)定的f值是指數(shù)化的值，如此能夠容易判斷該δ鐵素體的生成的難易度。即，在式中，以奧氏體生成元素作為“+”，鐵素體生成元素作為“-”，進行調(diào)整，利用成分元素的影響系數(shù)與含量的積表示在鋼材的組織上、熱加工中的高溫熱狀態(tài)(1000～1300℃)下δ鐵素體生成的難易度。換言之，也能夠作為表示奧氏體相的生成的難易度控制f值。
本發(fā)明中采用的制造工序只要是常用的無縫鋼管的制造工序就可以，如前所述，只要是從圓鑄鋼，通過曼內(nèi)斯曼穿孔、沖壓穿孔等制造空心管坯，該管坯擴軋后，通過收縮軋制加工成鋼管的方式就可以。
通常，由于在尺寸精度和生產(chǎn)性方面有利，采用曼內(nèi)斯曼-連續(xù)軋管機方式或曼內(nèi)斯曼-自動軋管機方式。在前者的方式中，將連續(xù)鑄造制造的制管用管坯加熱到1100～1300℃后，用穿孔機穿孔軋制，形成空心管坯，然后，用曼內(nèi)斯曼軋機擴軋，制作加工軋制用管坯。之后，在擴軋原狀態(tài)或850～1100℃將加工軋制用管坯再加熱后，通過拉力減徑機或定徑機，加工成規(guī)定尺寸的無縫鋼管。
制造的鋼管的熱滯后影響制管工序中的鐵素體組織的生成。即，如果延長達到制管軋制的鑄坯或鋼坯的階段及坯料(鋼坯)階段的高溫(1100℃以上)下的均熱時間，能夠擴散偏析，抑制δ鐵素體的生成。因此，需要控制，作為鑄坯、鋼坯，將1100℃以上均熱的時間的總和設(shè)定為∑t1(小時)，同時，將坯料在1100℃以上均熱的時間的總和設(shè)定為∑t2(小時)。但是，所謂的鑄坯或鋼坯的階段的均熱時間，指的是在開坯軋制工序的加熱爐或均熱爐內(nèi)的1100℃以上均熱鋼材的時間，在1次熱軋中鑄坯1次間歇的均熱時間，在2次熱軋中合計鑄坯1次間歇及鑄坯1次間歇的均熱時間。
在本發(fā)明中，以1100℃以上的均熱處理為對象是由于以提高偏析擴散速度的處理為對象，通過長時間進行1100℃以上的均熱，能夠回避局部的高濃度的P、S的不均。不需要規(guī)定均熱處理的上限，但通常采用1100～1300℃的溫度范圍。
制管時的加熱溫度影響δ鐵素體的生成，加熱溫度T越低，越能抑制鐵素體的生成。此處所說的加熱溫度T是穿孔機穿孔軋制時的材料溫度，可以將管坯(鋼坯)加熱到1100～1300℃后的出爐溫度進行控制。
下式(b)將上述本發(fā)明的技術(shù)思想定量化，為判斷雜質(zhì)(S、P)偏析的擴散效果，確認在鑄坯或鋼坯階段的均熱時間、坯料階段時的均熱時間的影響及制管時的加熱溫度的影響，引入F值。
下式(b)意味著在理論上充分延長均熱時間(∑t1、∑t2)至利用均熱提供的均熱效果消除偏析時，為F＝f+1.4。表示此時的奧氏體相的發(fā)生難易度為“+1.4”。此外，在上工序，偏析的確增大，為減少基于用均熱效果的偏析改善費，將上述“+1.4”分割成在開坯軋制工序(鑄坯·鋼坯)時的均熱效果為“0.6”和制管工序(坯料)時的均熱效果為“0.8”。
這樣，通過開坯軋制工序或制管工序，改變由均熱時間得出的偏析改善費，但無論哪一個工序，如果作為均熱時間的指數(shù)函數(shù)近似地表示偏析改善費， 因此，通過滿足下式(b)所示的條件同時制造無縫鋼管，確實能夠抑制內(nèi)表面缺陷的發(fā)生。
F=f+0.6×(1-1eΣt1)+0.8×(1-1eΣt2)>-9.7---(b)]]>上式(b)表示將加熱溫度設(shè)定在1200℃制管時的條件，但在加熱溫度T偏離1200℃時，需要用由下式(c′)示出的KT修正。此時的修正也考慮到此值為負值時的情況，同時，按照拋物線法則設(shè)定。
KT=1200-T|1200-T|]]>這樣，在制管時的加熱溫度T偏離1200℃時，要求用KT修正是因為考慮到，即使是同一成分、同一熱滯后時，因最終加熱溫度的影響，也改變δ鐵素體的生成量。以下，根據(jù)具體實施例說明本發(fā)明的效果。
實施例為了確認用本發(fā)明的方法制造高Cr系無縫鋼管的內(nèi)表面缺陷的發(fā)生狀況，準備表1～3所示化學組成的鋼坯。在準備的鋼坯中，分別相當于試樣No.1～28為13％Cr鋼，試樣No.29～33為SUS304鋼，試樣No.34～38為SUS316鋼，試樣No.39～42為SUS321鋼，試樣No.44～48為SUS347鋼。
表1

表2

表3

以上述鋼坯作為制管用管坯，在加熱爐中，在1100～1300℃的溫度范圍均熱加熱后，用穿孔機穿孔，制成空心管坯，接著用曼內(nèi)斯曼軋機軋制，制成加工軋制用管坯。然后，將加工軋制用管坯再加熱到1100℃后，通過拉力減徑機，制成外徑88.9mm、內(nèi)徑70mm、長1000mm的無縫鋼管。
作為此時的制造、制管條件，鋼坯的均熱時間∑t1、鋼坯的均熱時間∑t2及制管時加熱溫度T示于表4～6。此外，根據(jù)式(a)計算f值及根據(jù)式(b)、(c)計算F值，其結(jié)果示于表4～6。
之后，按規(guī)定條件，淬火制造的鋼管，進行回火處理，接著調(diào)查內(nèi)表面缺陷的發(fā)生狀況。該調(diào)查結(jié)果見表4～6。
表4

表5

表6

圖1是表示基于實施例的高Cr系無縫鋼管的F值和內(nèi)表面缺陷的發(fā)生率(％)的關(guān)系的圖。此外，用在制管后的檢查中確認的發(fā)生起因于材料的中間夾層缺陷、重皮的根數(shù)比，表示圖1所示內(nèi)表面缺陷的發(fā)生率(％)。
如上述表1～6以及圖1所示，如果以本發(fā)明為對象的高Cr系無縫鋼管，不局限于13％Cr鋼、SUS304鋼、SUS316鋼等，通過將用上述式(b)、(c)規(guī)定的F值調(diào)整到“-9.7”以下，內(nèi)表面缺陷的發(fā)生率降到2.0％以下，能夠確保優(yōu)良的內(nèi)表面質(zhì)量。
如采用本發(fā)明，即使在以高Cr鋼作為制管用坯料時，由于能夠充分抑制熱制管工序中的δ鐵素體的生成，可制作內(nèi)表面缺陷少的高Cr系無縫鋼管。而且，作為坯料的組成，不需要過分降低雜質(zhì)，由于能夠確保制管時規(guī)定的生產(chǎn)性，能夠低成本、高效率制造內(nèi)表面質(zhì)量優(yōu)良的高Cr系無縫鋼管。由此，能夠擴大無縫鋼管的應(yīng)用范圍。
權(quán)利要求
1.一種高Cr系無縫鋼管的制造方法，其特征在于以質(zhì)量％計，將Cr含量設(shè)定在10％～20％、雜質(zhì)S及P的含量分別設(shè)定在0.050％以下，此外，含有C、Mn、Ni、N、Cu、Si、Mo、Ti、Nb及V中的1種或2種以上，以1100℃以上均熱的時間總和為∑t1(小時)的鑄坯或鋼坯作為制管用坯料，在以1100℃以上均熱的時間總和作為∑t2(小時)，對上述坯料均熱后，在加熱到1200℃制管時，滿足下式(b)地進行均熱和/或加熱，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，式中的元素符號表示各成分元素的含量(質(zhì)量％)。
2.一種高Cr系無縫鋼管的制造方法，其特征在于以質(zhì)量％計，將Cr含量設(shè)定在10％～20％、雜質(zhì)S及P的含量分別設(shè)定在0.050％以下，此外，含有C、Mn、Ni、N、Cu、Si、Mo、Ti、Nb及V中的1種或2種以上，以1100℃以上的均熱的時間總和為∑t1(小時)的鑄坯或鋼坯作為制管用坯料，在以1100℃以上均熱的時間總和作為∑t2(小時)，將上述坯料均熱后，在加熱到1100～1300℃制管時，其中1200℃除外，滿足下式(c)地進行均熱和/或加熱，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，設(shè)KT=1200-T|1200-T|,]]>式中的元素符號表示各成分元素的含量(質(zhì)量％)。
全文摘要
一種低成本、高效率制造內(nèi)表面品質(zhì)優(yōu)良的高Cr系無縫鋼管的方法，其特征在于，在采用Cr含量為10％～20％、雜質(zhì)S及P的含量為0.050％以下的坯料制管時，鋼坯的均熱時間設(shè)定為∑t1(小時)，坯料的均熱時間設(shè)定為∑t2(小時)，1200℃加熱制管時，滿足下式(b)。
文檔編號C22C38/54GK1509340SQ02810278
公開日2004年6月30日 申請日期2002年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月21日
發(fā)明者木谷茂, 池田耕一, 阿部俊治, 一, 治 申請人:住友金屬工業(yè)株式會社