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WO2019026311A1 - 管材および管材の製造方法 - Google Patents

管材および管材の製造方法 Download PDF

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WO2019026311A1
WO2019026311A1 PCT/JP2018/002034 JP2018002034W WO2019026311A1 WO 2019026311 A1 WO2019026311 A1 WO 2019026311A1 JP 2018002034 W JP2018002034 W JP 2018002034W WO 2019026311 A1 WO2019026311 A1 WO 2019026311A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
pipe
tube
reduction
warm
reduction processing
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2018/002034
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
勉 森川
雄一郎 土田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Maruyoshi Kogyo Co Ltd
Original Assignee
Maruyoshi Kogyo Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Maruyoshi Kogyo Co Ltd filed Critical Maruyoshi Kogyo Co Ltd
Publication of WO2019026311A1 publication Critical patent/WO2019026311A1/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21B—ROLLING OF METAL
    • B21B21/00—Pilgrim-step tube-rolling, i.e. pilger mills
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D8/00—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment
    • C21D8/10—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of tubular bodies
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/04—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing manganese
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/14—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing titanium or zirconium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
    • C22C38/50—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with titanium or zirconium

Definitions

  • the present invention relates to a technology for manufacturing a high strength steel pipe.
  • the tube material used for forming the component is cold in a thick tube (element tube) having a larger tube diameter than the tube material.
  • Manufactured by drawing it is not always easy to sufficiently increase the strength of the pipe obtained by cold drawing.
  • heat treatment such as quenching and tempering, is performed on the tube material whose composition is appropriately adjusted and formed in a desired shape in advance by cold drawing to increase the strength.
  • Patent Document 1 in order to manufacture a pipe material for an air bag, a steel pipe to which chromium (Cr), molybdenum (Mo) or the like is added is subjected to cold drawing, and thereafter, quenching and hardening are performed under predetermined temperature conditions. It has been proposed to temper.
  • Cr chromium
  • Mo molybdenum
  • the present invention has been made to solve the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to provide a technology for reducing the amount of energy consumption when manufacturing a high strength steel pipe.
  • the pipe material of the present invention is 0.05 to 0.25 wt% C, 0.15 to 0.35 wt% Si, 0.3 to 1.5 wt%.
  • a ferrite structure which is an equiaxed crystal having an average crystal grain size of 1.5 ⁇ m or less is obtained by subjecting a raw material (element pipe) made of the steel material to warm reduction processing.
  • the strength of the tube material can be made sufficiently high by making the ferrite structure an equiaxed crystal having an average crystal grain size of 1.5 ⁇ m or less. Therefore, according to this configuration, since the heat treatment can be omitted in the production of the tubular material, the heat treatment which consumes a large amount of energy, acid washing / neutralization and baking can be omitted. As a result, although the energy required for warm diameter reduction processing increases, the energy consumption in the entire manufacturing process of the pipe material can be further reduced, and the energy consumption when manufacturing the pipe material which is a high strength steel pipe Can be reduced.
  • the steel material may further contain at least one of 0.005 to 0.05% by weight of Nb and 0.01 to 0.08% by weight of Ti.
  • Nb and Ti are elements promoting the refinement of the ferrite structure. Therefore, by adding at least one of Nb and Ti, the average grain size of the ferrite structure can be further reduced, and the strength of the tube material can be further increased.
  • the steel material may further contain 0.040 to 0.10% by weight of V.
  • V is an element that improves the proof stress. Therefore, by adding V, the yield strength of the pipe material can be made higher.
  • the tube is manufactured by warm reduction with a reduction of area of 85% or more on an element tube having a larger inner diameter and outer diameter than the tube and a thicker wall thickness than the tube. As well. By setting the reduction of area in warm reduction processing to 85%, the average crystal grain size of the ferrite structure of the tubular material can be made 1.5 ⁇ m or less more reliably.
  • the warm reduction may be performed by high-pressure rolling.
  • high-pressure rolling it is easy to increase the reduction in area in one process. Therefore, the reduction of area can be made 85% or more with a smaller number of times of processing, so that the manufacturing process of the pipe material can be shortened.
  • the pipe member may be manufactured by further subjecting the pipe material subjected to the warm reduction processing to cold reduction processing.
  • the ferrite structure which is a reduced equiaxed crystal by warm reduction, can be further refined by cold reduction while maintaining the state of the equiaxed crystal. Elongation, squeezing and low temperature brittleness are well maintained.
  • cold reduction processing work hardening occurs, and the strength and hardness of the pipe material increase. Therefore, it is possible to further increase the strength and hardness of the pipe material while maintaining the ease of post-processing.
  • the present invention can be realized in various aspects.
  • the present invention can be realized in the form of a pipe, a pipe manufacturing method and a pipe manufactured by the manufacturing method, and various parts using the pipe and the manufacturing method thereof.
  • the flowchart which shows the pipe material manufacturing process for manufacturing a high strength pipe material.
  • Explanatory drawing heating of a raw pipe
  • Explanatory drawing which shows the specific example of warm diameter diameter-reduction process.
  • Explanatory drawing which shows the specific example of warm diameter reduction process (Pilger rolling).
  • the flowchart which shows an example of a conventional process.
  • the crystal structure photograph of a small diameter pipe (comparative example 2).
  • the crystal structure photograph of a small diameter pipe (example 3).
  • the graph which shows the result of a tension test.
  • the graph which shows the result of a Charpy impact test.
  • FIG. 1 is a flow chart showing a pipe manufacturing process for manufacturing a high strength pipe according to an embodiment of the present invention.
  • the numerical values shown on the right side, CO 2 emissions per unit in each step, i.e., CO 2 emitted during the tubing (product tubing) a ton (t) processed as a product The figure shows the weight of the unit in kilograms (kg) and represents the amount of energy consumed.
  • the numerical values shown in the lower part represents the total emissions of CO 2 emitted in tubing manufacturing process of this embodiment CO 2 in emission intensity.
  • a steel pipe (element pipe) which is a raw material of the pipe material is prepared.
  • the seamless steel pipe etc. which were manufactured by hot rolling of the Mannesman method etc. are used. Since such a seamless steel pipe is usually provided in a long state, the long seamless steel pipe is cut into an appropriate length in preparation of the blank.
  • step S110 the prepared tube was dipped in an acidic solution to remove acid scale and the like attached to the tube, and the tube after pickling was dipped in an alkaline solution and used for pickling. And neutralizing the acidic solution.
  • step S120 diameter reduction processing (warm diameter reduction processing) is performed in a state where the temperature of the blank is maintained in the recrystallization temperature range (600 to 650 ° C.).
  • the diameter reducing process refers to a process of reducing the inner diameter and the outer diameter (hereinafter, collectively referred to as “the tube diameter”) of the pipe material.
  • warm diameter reduction processing is performed by heating an element tube and subjecting the heated element tube to pilger rolling. By performing the warm diameter reduction processing, a pipe material (small diameter pipe) whose pipe diameter is reduced from the raw pipe can be obtained. The specific content of warm reduction processing will be described later.
  • step S130 the bend of the small diameter pipe generated by the warm reduction process in step S120 is corrected.
  • the length of the small diameter pipe is sufficiently short and bending hardly occurs due to warm reduction processing, or when the bending of the small diameter pipe obtained by warm reduction processing is within an allowable range, etc. It is also possible to omit the correction of bending in step S130.
  • step S140 the small diameter tube is subjected to cold rolling (finishing cold rolling) for finishing in order to adjust the dimensions in accordance with the shape of the product tube, and in step S150, the bending caused by the finishing cold rolling is corrected Do.
  • the finish cold rolling can be performed, for example, by a rolling device of a 3-roll die system.
  • step S160 the small diameter tube is cut according to the length of the product tube. Thereby, a high-strength pipe processed into a desired shape is obtained as a product pipe.
  • Warm reduction processing 2A and 2B are explanatory views showing a specific example of warm reduction processing.
  • the raw tube 10 is heated.
  • heating of the raw tube 10 is performed by induction heating using the high frequency heating device 100.
  • the base tube 10 is heated by supplying high frequency power from the high frequency power supply 120 to the coil 110.
  • the heating temperature is set so that the temperature of the tube material is maintained in the recrystallization temperature range when warm reduction processing is finished.
  • the heating temperature is preferably set to 710 ° C. or less in order to suppress decarburization and coarsening of the ferrite structure (crystal grains).
  • Pirger rolling is applied to the heated raw tube 10 as shown in FIG. 2B.
  • the pilger rolling apparatus 200, the raw pipe 10, the small diameter pipe 20, and the pipe (intermediate pipe) 90 in the process of diameter reduction are cut at a plane perpendicular to the roll axis 214 (described later) including the axis c. It shows the situation.
  • the pilger rolling apparatus 200 includes a pair of roll dies 210, a mandrel 220, and a rod 230.
  • the roll die 210 has a roll main body 212 and a roll axis 214, and the roll main body 212 is rotatable around the roll axis 214.
  • the roll body 212 is provided in the direction of the roll axis 214 from the outer peripheral side, and is provided with a substantially semicircular groove (caliber) 219.
  • the caliper 219 is formed so that its inner diameter gradually changes in the circumferential direction of the roll body 212.
  • the mandrel 220 is a frusto-conical member formed such that the outer diameter decreases from the raw pipe 10 side (upstream side) to the small diameter pipe 20 side (downstream side).
  • the mandrel 220 is attached to the rod 230 on its upstream side, and rotating the rod 230 about the axis c also rotates the mandrel 220.
  • the roll main body 212 is disposed on the outer peripheral side of the intermediate pipe member 90, and the mandrel 220 is disposed on the inner peripheral side of the intermediate pipe member 90. Then, with the inner surface of the caliber 219 pressed against the outer peripheral surface of the intermediate pipe member 90, the pair of roll dies 210 are simultaneously reciprocated in both directions of the upstream side and the downstream side. The intermediate tube 90 is thereby deformed until its inner surface contacts the mandrel 220. As described above, the roll die 210 is reciprocated, and the mandrel 220 is rotated to rotate the raw pipe 10, the intermediate pipe member 90, and the small diameter pipe 20 (work material). The small diameter tube 20 is obtained by repeating the reciprocation of the roll die 210 and the rotation of the workpiece.
  • the intermediate pipe member 90 At a position (contact position) p where the inner surface of the caliber 219 and the outer peripheral surface of the intermediate pipe member 90 are in contact during Pilger rolling, the intermediate pipe member 90 has an outer peripheral side and an inner side as shown by the outlined arrows in FIG. A strong compressive stress is applied on both the circumferential side. As described above, by applying a strong compressive stress to the intermediate pipe member 90, the crystal grains of the intermediate pipe member 90 are refined, and the crystal grains of the small diameter pipe 20 whose diameter reduction processing is completed are reduced.
  • the crystal grain becomes an equiaxed crystal and the diameter-reduced small diameter pipe
  • the strength etc. of 20 can be made isotropic.
  • the average grain size (grain size) of the ferrite structure in the small diameter tube 20 after pilger rolling is sufficiently small (1.5 ⁇ m or less) by setting the reduction rate in pilger rolling to 85% or more.
  • the strength (tensile strength and proof stress) and hardness can be sufficiently increased without heat treatment or the like.
  • the toughness can be increased, and in particular, the brittleness at a very low temperature ( ⁇ 100 ° C.) can be improved.
  • the crystal grain becomes an equiaxed crystal and the strength and the like become isotropic, when the manufactured product tube is further processed to form a part as a final product, the difference in the strength and the like depending on the direction is considered. The formation of the part as a final product can be made easier since it is not necessary.
  • step S140 finish cold rolling
  • step S120 warm pipe diameter reduction processing
  • step S120 warm pipe diameter reduction processing
  • step S130 and S150 are performed.
  • the shape of the crystal grains is maintained in the state of equiaxed crystal. Therefore, even in the tube material as a product, that is, in the product tube material, the ferrite structure is maintained in equiaxed crystal having a grain size of 1.5 ⁇ m or less.
  • the deformation resistance of the intermediate pipe material 90 at the time of pilger rolling is small. Therefore, even if the surface reduction rate in pilger rolling is increased, the occurrence of cracking or the like is suppressed. Therefore, as shown in FIG. 1, by performing warm reduction processing (Pilger rolling) once, the raw pipe is processed so as to obtain a desired reduction in area, and a high strength product tube is manufactured. Can. In addition, it is good also as what reduces an area reduction rate in one warm diameter reduction process, performs two warm reduction diameter processing more than twice, and processes an element pipe so that it may become a desired area reduction ratio. However, since the process can be shortened and the amount of CO 2 emission can be further reduced, it is preferable to form a small diameter pipe from a raw pipe by a smaller number of warm reduction processing.
  • step S140 in FIG. 1 work hardening in pilger rolling is much less than cold working. Therefore, when the finish cold rolling (step S140 in FIG. 1) and the subsequent correction of bending (step S150) are omitted, the elongation and ductility (drawing) of the product tube material become high, and the post-processing becomes easier.
  • finish cold rolling is also diameter reduction processing in cold, it can also be called cold diameter reduction processing.
  • heating of the raw pipe 10 is performed by the high-frequency heating device 100
  • heating of the raw pipe 10 can also be performed using another kind of heating device such as a tunnel coil heating device is there.
  • the heating device used to heat the raw tube 10 is preferably disposed near the pilger rolling device 200 in order to suppress the temperature drop of the raw tube 10 after heating.
  • the temperature of the mold (the roll main body 212 or the mandrel 220) in contact with the intermediate pipe 90 in the pilger rolling apparatus 200 may be appropriately adjusted. Furthermore, it is more preferable to supply lubricating oil in the vicinity of the contact position p in order to make the surface skin of the small diameter pipe 20 and the product tube material in a good state and to protect the roll main body 212. In this case, in order to suppress the temperature decrease of the intermediate pipe member 90, the temperature of the lubricating oil may be appropriately adjusted.
  • the composition of the steel material used for the pipe material is determined so that the processability, weldability and machinability are sufficiently high. Further, in the determination of the composition, depending on the type of the contained element, it is also considered that the refinement of the ferrite structure by Pilger rolling is promoted.
  • the steel material contains the contained elements as shown below, and the balance is iron (Fe) and unavoidable impurities. In addition, below, content of each containing element is represented by weight%.
  • Carbon (C) is an element that increases the tensile strength, but when the content is increased, work hardening tends to occur.
  • the content of C since the diameter reduction processing is performed warmly, the content of C can be made relatively high. Therefore, the content of C is set to 0.05 to 0.25%.
  • the upper limit of the content of C is preferably 0.20%.
  • the upper limit of the content of C is more preferably 0.15%.
  • the lower limit of the content of Mn is preferably 0.40%.
  • the upper limit of the content of Mn is preferably 1.0%.
  • Silicon (Si) is an element that promotes ferrite transformation, and by addition, processing deformability can be secured. Therefore, the lower limit of the content of Si is 0.15%. On the other hand, when the content of Si increases, the ductility decreases. Therefore, the upper limit of the content of Si is 0.35%.
  • Phosphorus (P) and sulfur (S) are elements effective to improve the machinability.
  • P and S may lower the toughness and ductility, and may cause processing limit cracking or the like during post-processing, the content of P is 0.030% or less, and the content of S is 0. 0. It is preferable to make it 035% or less.
  • Titanium (Ti) and niobium (Nb) are elements in which nitride suppresses the growth of crystals in the ferrite structure, and addition of at least one of Ti and Nb promotes the refinement of the ferrite structure and also the ferrite The variation in grain size of the tissue can be reduced (homogenized).
  • Ti and Nb it is preferable to add Ti from the viewpoint of easy availability and low cost of steel materials.
  • the content is 0.01 to 0.08% when Ti is added, and the content is 0 when Nb is added. .005 to 0.05%.
  • Vanadium (V) is an element that improves yield stress (yield strength). V also suppresses the growth of ferrite structure crystals by carbides. Therefore, by adding V, it is possible to refine the ferrite structure and to homogenize the ferrite structure. When V is added, the content of V is set to 0.040 to 0.10% in order to exert these effects.
  • Nb, Ti and V do not necessarily need to be added. However, as described above, Nb, Ti and V promote grain refinement. Therefore, when none of Nb, Ti, and V is added, the grain size is slightly (0.2 to 0) as compared with the case where warm reduction processing is performed under the same conditions by adding any of these. .5 ⁇ m)). In addition, the strength (tensile strength and proof stress) is reduced by 20 to 50 MPa, the elongation is reduced by 2 to 3%, and the hardness (Vickers hardness HV) is reduced by 8 to 12 HV as the grain size is slightly coarsened.
  • Nb, Ti and V in that the strength, elongation and hardness can be made higher.
  • the steel material price can be reduced.
  • FIG. 3 is a flow chart showing an example of a pipe material manufacturing process (conventional process) for manufacturing a high strength pipe material using a conventional technique. Also in FIG. 3, as in FIG. 1, the CO 2 emission base unit in the step is shown on the right side of each step, and the total amount of CO 2 emitted in the conventional process is shown in the lower end of the end.
  • the diameter reduction process is performed cold (steps S222 and S224), the point that quenching and tempering are performed (step S232), and quenching and tempering
  • step S234 the point that acid washing / neutralization is performed along with implementation
  • step S262 the point that baking is performed along with acid washing / neutralization
  • step S140 finishing cold rolling
  • a small diameter pipe is obtained by subjecting a blank pipe to cold drawing (also referred to as "drawing") (steps S222 and S224).
  • cold drawing also referred to as "drawing”
  • the dimensional accuracy can be increased, and thus the finish cold rolling (step S140) can be omitted.
  • the small diameter tube obtained by cold drawing has a low strength (600 MPa or less in tensile strength) and is hardened to the small diameter tube in order to obtain a high strength (1000 MPa or more in tensile strength) tube material -It is necessary to perform the process of tempering (step S232).
  • step S234 by performing quenching and tempering, acid washing and neutralization (step S234) for removing the scale generated by quenching and tempering are performed, and hydrogen embrittlement caused by acid washing and neutralization is further suppressed. , And baking (step S262).
  • the CO 2 emission base unit in the diameter reduction processing itself is 87.8 kg / t, which is 340 kg / t of this embodiment (see FIG. 1) Less than.
  • the total CO 2 emission amount is 1331.1 kg / t. It becomes more than 477.6 kg / t of this embodiment.
  • the grain size is increased to 10 to 20 ⁇ m. Even if induction hardening is performed in place of the quenching and tempering treatment (step S232) in order to reduce the grain size, the grain size is about 6 to 12 ⁇ m.
  • the crystal grain size is 1.5 ⁇ m or less, the strength and toughness of the small diameter tube can be sufficiently increased without heat treatment.
  • the cold drawing process has a low process limit, and if the surface reduction rate in one process is increased, breakage or cracking may occur. Therefore, generally, when performing diameter reduction processing by cold drawing, as shown in FIG. 3, cold drawing is performed a plurality of times (twice in the example of FIG. 3). Therefore, when manufacturing a pipe material by a conventional process, a manufacturing process becomes longer than this embodiment.
  • the composition of five types of steel materials used for the prepared raw pipe is as Table 1 below.
  • the steels (Steels A to D, X) used for preparation of the samples are SAE 1005, SAE 1010, SAE 1015 and Nb, Ti and V were added based on SAE 1025.
  • the sample prepared by the conventional process of performing the quenching and tempering after the cold reduction process has a high C content (0.35%) SCM 435. used.
  • Example 1 Of the raw tubes made of these five types of steel materials (steel materials A to D, X), warm reduction processing is performed on the raw tubes made of steel materials A to D by Pilger rolling, and four samples (Example 1) I made ⁇ 4). In Examples 1 and 2, the reduction in area was 90.9%, and in Examples 3 and 4, the reduction in area was 85.2%. In addition, as a comparative example, a sample (comparative example 1) obtained by warm reduction processing of a raw tube made of steel material C also used in Example 3 at a reduction ratio of 70.2% and a raw tube made of steel material C were reduced.
  • the obtained sample was evaluated for grain size, mechanical properties and low temperature brittleness.
  • the grain size was determined by cutting a small diameter tube as a sample in the axial direction (longitudinal direction) and the radial direction (lateral direction), and observing the cut surface (longitudinal section and cross section) which appeared by the cutting with a microscope.
  • the mechanical properties were evaluated by a tensile test, and the low temperature brittleness was evaluated by a Charpy impact test.
  • FIG. 4A and FIG. 4B are crystal structure photographs of a sample (small diameter tube) showing the evaluation results of crystal grain size.
  • FIG. 4A shows a crystal structure of a cross section of a sample subjected to cold reduction processing (Comparative Example 2) as a comparative example
  • FIG. 4B is a sample subjected to warm reduction processing as an example (Example 3) The crystal structure of the cross section of) is shown.
  • steel material C based on SAE 1015 is used.
  • FIG. 5 is a graph showing the results of a tensile test as mechanical property evaluation.
  • the horizontal axis of FIG. 5 represents strain (elongation), and the vertical axis represents stress.
  • the circular marker shows the tensile test result of the sample (Example 3) subjected to warm reduction processing as an example, and the triangular marker performs cold reduction processing as a comparative example.
  • the tensile test result of the sample (comparative example 2) is shown.
  • a steel material C based on SAE 1015 is used.
  • the square marker has shown the tensile test result of the sample (comparative example 3) which used SCM435 (steel material X) as a comparative example, and carried out quenching and tempering after cold diameter reduction processing.
  • Example 3 the tensile strength is 1100 MPa, and it can be confirmed that the strength can be sufficiently increased by performing warm reduction processing.
  • Example 3 while the elongation reached 11%, breakage did not occur until the strain exceeds 20%. From this, it was found that it is possible to sufficiently secure processing deformability while sufficiently increasing strength by performing warm reduction processing and refining crystal grains.
  • FIG. 6 is a graph showing the results of Charpy impact test as a low temperature brittleness evaluation.
  • the horizontal axis of FIG. 6 represents the temperature at which the Charpy impact test was performed (Charpy test temperature), and the vertical axis represents the brittle fracture rate.
  • a circular marker shows the result of Charpy impact test of a sample (Example 3) subjected to warm reduction processing as an example, and a triangular marker performs cold reduction processing as a comparative example.
  • the Charpy impact test result of the sample (comparative example 2) performed is shown.
  • a steel material C based on SAE 1015 is used.
  • FIG. 4A, FIG. 4B, FIG. 5 and FIG. 6 about the evaluation result of the crystal grain size, mechanical characteristics (tensile strength * elongation), and low temperature brittleness about the sample created as Example 3 and Comparative Example 2. explained. Moreover, in FIG. 5, the evaluation result of tensile strength and elongation was shown about the sample created as comparative example 3.
  • FIG. 5 The evaluation results of the mechanical properties and the evaluation results of the crystal grain size for these Examples and Comparative Examples (Example 3, Comparative Examples 2 and 3) and other Examples and Comparative Examples are shown in Table 3 below. Shown in.
  • the crystal grain size could be made 1.5 ⁇ m or less by setting the reduction of area at 85% or more in warm reduction processing.
  • a strength class of 10.9 JIS Standard B 1051, tensile strength: 1040 MPa or more, proof stress: 940 MPa or more
  • the elongation was 10% or more in all cases, and exceeded 9%, which is an indication of the processing deformability.
  • the Vickers hardness HV was all 330 HV or more, and the hardness (320 HV or more) defined in the strength category 10.9 was obtained.
  • the grain size is 2 in the sample (Comparative Example 1) subjected to warm reduction processing with a reduction of area of 70.2%. It became ⁇ 3 ⁇ m.
  • the tensile strength is 900 MPa
  • the proof stress is 840 MPa
  • a sufficient strength can not be obtained.
  • warm reduction processing is performed by Pilger rolling, but warm reduction processing may generally be performed by a rolling method (strong reduction rolling) in which a strong compressive stress is applied to the intermediate pipe material during processing. . Even in this case, a strong compressive stress is applied to the intermediate tubular material being processed on both the outer peripheral side and the inner peripheral side, and the refinement of the ferrite structure is promoted. Therefore, even in a small diameter tube subjected to high-pressure rolling, the crystal grain size can be made 1.5 ⁇ m or less, and a sufficiently high diameter small diameter tube can be obtained.
  • 3-roll die rolling or the like may be employed as the method of high-pressure rolling. However, it is preferable to adopt Pilger rolling as a method of high-pressure rolling in that production of small diameter tubes having different tube diameters is easier and mass production of small diameter tubes is easier.
  • warm reduction processing is performed by Pilger rolling, which is high reduction rolling, but warm reduction processing can also be performed by a method other than high reduction rolling.
  • the ferrite structure can be an equiaxed crystal with a grain size of 1.5 ⁇ m or less, so a sufficiently small diameter tube can be obtained. it can.
  • the drawing process is performed a plurality of times, and the manufacturing process of the small diameter pipe becomes long.
  • high-pressure rolling it is easy to increase the surface area reduction rate in one processing, and the manufacturing process of a small diameter pipe can be shortened.
  • warm reduction processing is preferably performed by high-pressure rolling.
  • the present invention is applicable to the manufacture of various steel pipes requiring high strength, such as steel pipes used for parts for moving bodies such as automobiles, railway vehicles, and aircraft, and steel pipes used for parts of various mechanical devices. is there.

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Abstract

本発明は、強度が高い鋼管を製造する際のエネルギー消費量を低減することを目的とする。本発明の管材は、０．０５～０．２５重量％のＣ、０．１５～０．３５重量％のＳｉ、０．３～１．５重量％のＭｎ、０．０３５重量％以下のＳ、０．０３０重量％以下のＰを含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物である鋼材により形成されている。この管材において、フェライト組織は、平均結晶粒径が１．５μｍ以下の等軸結晶となっている。

Description

管材および管材の製造方法
　この発明は、強度が高い鋼管を製造する技術に関する。
　近年、自動車に対しては、燃費改善に対する要求がますます高まり、自動車の更なる軽量化が強く要請されるようになってきている。そのため、自動車に使用される部品においては、鋼製の線材や棒材から成形されていた従来の部品を、鋼製の管材（以下、「鋼管」、あるいは、単に「管材」とも呼ぶ）から成形された部品に置き換えることが進められている。また、従来から管材を成形して製造されていた部品についても、軽量化のために薄肉化が求められる一方、十分な強度を維持することが求められている。このような要請は、自動車用部品の製造に使用される管材に限らず、鉄道車両や航空機等の移動体用の部品や各種機械装置に使用される部品等の製造に使用される管材に共通している。
　一般的に、部品の成形に使用される管材は、外径および内径（管径）を部品の大きさに合わせるため、管径が当該管材よりも大きい厚肉の管材（素管）に冷間引抜加工を施すことにより製造される。しかしながら、冷間引抜加工によって得られる管材の強度を十分に高くすることは、必ずしも容易ではない。そこで、組成が適宜調整され、冷間引抜加工により予め所望の形状に形成された管材に、焼入や焼戻し等の熱処理を施して、強度を高くすることが行われている。例えば、特許文献１においては、エアバッグ用の管材を製造するため、クロム（Ｃｒ）やモリブデン（Ｍｏ）等を添加した鋼管に冷間引抜加工を施し、その後、所定の温度条件で焼入および焼戻しを行うことが提案されている。
特開２００４－７６０３４号公報
　しかしながら、焼入や焼戻し等の熱処理を行う場合、熱処理を行うのに伴って酸洗および中和が必要となり、また、酸洗を行うのに伴ってベーキングが必要となる。そのため、管径を縮小する冷間引抜加工においては、エネルギーの消費量を低減することができるものの、熱処理と、ベーキングとにおいて多くのエネルギーが消費されるため、管材の製造工程全体としてのエネルギーの消費量は多くなる。
　本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、強度が高い鋼管を製造する際のエネルギー消費量を低減する技術を提供することを目的とする。
　上記課題の少なくとも一部を達成するために、本発明の管材は、０．０５～０．２５重量％のＣ、０．１５～０．３５重量％のＳｉ、０．３～１．５重量％のＭｎ、０．０３５重量％以下のＳ、０．０３０重量％以下のＰを含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物である鋼材からなり、フェライト組織が、平均結晶粒径が１．５μｍ以下の等軸結晶となっていることを特徴とする。
　上記鋼材において、平均結晶粒径が１．５μｍ以下の等軸結晶となったフェライト組織は、当該鋼材からなる原料材（素管）に温間縮径加工を施すことにより得られる。このように、フェライト組織を平均結晶粒径が１．５μｍ以下の等軸結晶とすることにより、管材の強度を十分に高くすることができる。そのため、この構成によれば、管材の製造にあたって、熱処理を省略することができるので、エネルギーを大量に消費する熱処理、酸洗・中和およびベーキングが省略できる。その結果、温間縮径加工に要するエネルギーは多くなるものの、管材の製造工程全体としてのエネルギーの消費量をより少なくすることができ、強度が高い鋼管である管材を製造する際のエネルギー消費量を低減することができる。
　前記鋼材は、さらに、０．００５～０．０５重量％のＮｂおよび０．０１～０．０８重量％のＴｉのうちの少なくとも一方を含むものとしても良い。ＮｂとＴｉとは、フェライト組織の微細化を促進する元素である。そのため、ＮｂとＴｉとの少なくとも一方を添加することにより、フェライト組織の平均結晶粒径をより小さくし、管材の強度をより高くすることができる。
　前記鋼材は、さらに、０．０４０～０．１０重量％のＶを含むものとしても良い。Ｖは、耐力を向上させる元素である。そのため、Ｖを添加することにより、管材の耐力をより高くすることができる。
　前記管材は、前記管材よりも内径および外径が大きく、かつ、前記管材よりも肉厚の素管に、減面率が８５％以上の温間縮径加工を施すことにより製造されているものとしても良い。温間縮径加工における減面率を８５％とすることにより、管材のフェライト組織の平均結晶粒径をより確実に１．５μｍ以下とすることができる。
　前記温間縮径加工は、強圧下圧延により行われるものとしても良い。強圧下圧延では、一回の加工における減面率を高くすることが容易である。そのため、より少ない加工回数で減面率を８５％以上とすることができるので、管材の製造工程を短縮することができる。
　前記管材は、前記温間縮径加工が施された管材に、さらに、冷間縮径加工を施すことにより製造されているものとしても良い。温間縮径加工により、微細化された等軸結晶となっているフェライト組織は、冷間縮径加工を行うことで、等軸結晶の状態が維持されたままさらに微細化されるので、管材の伸び、絞りおよび低温脆性が良好に維持される。一方、冷間縮径加工を行うことにより、加工硬化が発生し、管材の強度や硬度が高くなる。そのため、後加工の容易性を維持しつつ、管材の強度や硬度をさらに高くすることが可能となる。
　なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、管材、管材の製造方法およびその製造方法で製造された管材、それらの管材および製造方法を利用した各種部品等の態様で実現することができる。
高強度の管材を製造するための管材製造工程を示すフローチャート。 温間縮径加工の具体例を示す説明図（素管の加熱）。 温間縮径加工の具体例を示す説明図（ピルガー圧延）。 従来工程の一例を示すフローチャート。 小径管の結晶組織写真（比較例２）。 小径管の結晶組織写真（実施例３）。 引張試験の結果を示すグラフ。 シャルピー衝撃試験の結果を示すグラフ。
　以下、本発明を実施するための形態を以下の順序で説明する。
Ａ．実施形態：
　Ａ１．管材の製造工程：
　Ａ２．温間縮径加工：
　Ａ３．鋼材の組成：
　Ａ４．従来の管材製造工程：
Ｂ．実施例：
　Ｂ１．評価の概要：
　Ｂ２．評価結果：
Ｃ．変形例：
Ａ．実施形態：
Ａ１．管材の製造工程：
　図１は、本発明の一実施形態として高強度の管材を製造する管材製造工程を示すフローチャートである。なお、図１の各ステップにおいて、右側に示した数値は、各ステップにおけるＣＯ２排出原単位、すなわち、製品としての管材（製品管材）を１トン（ｔ）加工する際に排出されるＣＯ２の重量をキログラム（ｋｇ）で表した数値であり、エネルギーの消費量を表している。また、図１に示す製造工程の終端において、下段に示した数値は、本実施形態の管材製造工程で排出されるＣＯ２の総排出量をＣＯ２排出原単位で表している。
　図１に示す本実施形態の管材製造工程では、まず、ステップＳ１００において、管材の原材料である鋼管（素管）を準備する。素管としては、マンネスマン法等の熱間圧延により製造されたシームレス鋼管等が使用される。このようなシームレス鋼管は、通常、長尺の状態で提供されるので、素管の準備にあたっては、長尺のシームレス鋼管が適宜の長さに切断される。
　次いで、ステップＳ１１０において、準備された素管を酸性溶液に浸漬して素管に付着したスケール等を除去する酸洗と、酸洗後の素管をアルカリ性溶液に浸漬して酸洗に用いた酸性溶液を中和することとが行われる。なお、酸洗に換えて、ショットブラスト等の物理的手法によりスケール等の除去を行うものとしても良い。また、スケールの除去に併せて、防錆皮膜を形成する防錆皮膜処理を行うことも可能である。なお、素管の状態によっては、ステップＳ１１０の酸洗・中和、あるいは、その他の方法によるスケールの除去を省略することも可能である。
　ステップＳ１２０では、素管の温度を再結晶温度域（６００～６５０℃）に維持した状態で縮径加工（温間縮径加工）を行う。ここで、縮径加工とは、管材の内径および外径（以下、「管径」と総称する）を小さくする加工を謂う。本実施形態においては、温間縮径加工は、素管を加熱し、加熱された素管にピルガー圧延を施すことにより行われる。この温間縮径加工を行うことにより、素管から管径が縮小された管材（小径管）が得られる。なお、温間縮径加工の具体的な内容については、後述する。
　ステップＳ１３０では、ステップＳ１２０の温間縮径加工によって生じた小径管の曲がりを矯正する。なお、小径管の長さが十分に短く、温間縮径加工により曲がりがほとんど発生していない場合や、温間縮径加工で得られる小径管の曲がりが許容範囲である場合等には、ステップＳ１３０の曲がりの矯正を省略することも可能である。
　ステップＳ１４０では、製品管材の形状に合わせて寸法を調整するため、小径管に仕上げのための冷間圧延（仕上冷間圧延）を施し、ステップＳ１５０では、仕上冷間圧延で生じた曲がりを矯正する。仕上冷間圧延は、例えば、３ロールダイス方式の圧延装置によって行うことができる。なお、寸法調整が不要である場合、ステップＳ１４０，Ｓ１５０を省略することも可能である。仕上冷間圧延の後、ステップＳ１６０では、製品管材の長さに合わせて小径管を切断する。これにより、製品管材として、所望の形状に加工された高強度の管材が得られる。
Ａ２．温間縮径加工：
　図２Ａおよび図２Ｂは、温間縮径加工の具体例を示す説明図である。温間縮径加工は、まず、図２Ａに示すように、素管１０を加熱する。図２Ａの例では、素管１０の加熱は、高周波加熱装置１００を用いた誘導加熱によって行われる。具体的には、素管１０をコイル１１０に挿入した後、高周波電源１２０からコイル１１０に高周波電力を供給することにより、素管１０が加熱される。加熱温度は、温間縮径加工が終了する時点において、管材の温度が再結晶温度域に維持されるように設定される。但し、加熱温度は、脱炭や、フェライト組織（結晶粒）の粗大化を抑制するため、７１０℃以下とするのが好ましい。
　次いで、加熱された素管１０には、図２Ｂに示すように、ピルガー圧延が施される。図２Ｂは、ピルガー圧延装置２００と、素管１０、小径管２０および縮径加工途中の管材（中間管材）９０とを、軸線ｃを含みロール軸２１４（後述する）に垂直な面で切断した様子を示している。
　図２Ｂに示すように、ピルガー圧延装置２００は、一対のロールダイス２１０と、マンドレル２２０と、ロッド２３０とを備えている。ロールダイス２１０は、ロール本体２１２と、ロール軸２１４とを有しており、ロール本体２１２はロール軸２１４の周りで回転可能となっている。ロール本体２１２には、外周側からロール軸２１４方向に向かって設けられ、ほぼ半円形の溝（カリバー）２１９が設けられている。カリバー２１９は、その内径がロール本体２１２の周方向に徐々に変化するように形成されている。
　マンドレル２２０は、素管１０側（上流側）から小径管２０側（下流側）に向かって外径が小さくなるように形成された円錐台状の部材である。マンドレル２２０は、その上流側のロッド２３０に取り付けられており、軸線ｃを中心にロッド２３０を回転させることにより、マンドレル２２０も回転する。
　図２Ｂに示すように、ロール本体２１２は、中間管材９０の外周側に配置され、マンドレル２２０は、中間管材９０の内周側に配置される。そして、カリバー２１９の内面を中間管材９０の外周面に押し当てた状態で、一対のロールダイス２１０を、上流側と下流側との双方向に、同時に往復移動させる。これにより、中間管材９０は、その内面がマンドレル２２０に接触するまで変形する。このようにロールダイス２１０を往復移動させるとともに、マンドレル２２０を回転させて、素管１０、中間管材９０および小径管２０（被加工材）を回転させる。このロールダイス２１０の往復移動と、被加工材の回転とを繰り返すことにより、小径管２０が得られる。
　ピルガー圧延時、カリバー２１９の内面と中間管材９０の外周面が接触している位置（接触位置）ｐにおいて、中間管材９０には、図２Ｂの白抜き矢印で示すように、その外周側と内周側との双方において、強い圧縮応力が加わる。このように中間管材９０に強い圧縮応力が加わることにより、中間管材９０の結晶粒が微細化され、縮径加工が完了した小径管２０の結晶粒が小さくなる。また、本実施形態では、温間で、すなわち中間管材９０の温度を再結晶温度域に維持した状態でピルガー圧延を行っているため、結晶粒が等軸結晶となり、縮径加工された小径管２０の強度等を等方的にすることができる。
　また、このような結晶粒の微細化は、ピルガー圧延における減面率を高くすることにより促進される。そのため、本実施形態では、ピルガー圧延における減面率を８５％以上とすることにより、ピルガー圧延後の小径管２０におけるフェライト組織の平均結晶粒径（結晶粒度）を十分に小さく（１．５μｍ以下に）している。なお、減面率とは、加工前の管材の断面積に対する断面積の減少率を謂い、加工前の管材の断面積Ｓ０と、加工後の管材の断面積Ｓ１とを用いて、以下の式によって与えられる。
　減面率＝（Ｓ０－Ｓ１）／Ｓ０
　本実施形態では、このように、結晶粒度を十分に小さくすることにより、熱処理等を施すことなく、強度（引張強さおよび耐力）や硬度を十分に高くすることができる。また、結晶粒度を十分に小さくすることにより、靱性を高くし、特に極低温（－１００℃）における脆性を改善することができる。さらに、結晶粒が等軸結晶となり、強度等が等方的となるため、製造された製品管材をさらに加工して最終製品としての部品を形成した際に、方向による強度等の違いを考慮する必要がなくなるので、最終製品としての部品の形成をより容易にすることができる。
　なお、本実施形態では、図１に示すように、温間縮径加工（ステップＳ１２０）を行った後、製品管材の製造が終了するまでの間に、仕上冷間圧延（ステップＳ１４０）や曲がりの矯正（ステップＳ１３０，Ｓ１５０）が行われる。しかしながら、これらの加工を行っても、結晶粒の微細化は進行するものの、結晶粒の形状は、等軸結晶の状態に維持される。従って、製品としての管材、すなわち、製品管材においても、フェライト組織は、結晶粒度が１．５μｍ以下の等軸結晶に維持される。
　さらに、製品管材を加工して最終製品となる部品を作成する場合、絞り加工、扁平加工、およびセレーション加工等の冷間加工や、溶接等の接合加工、切削加工等（以下、総称して「後加工」とも呼ぶ）が行われる。しかしながら、これらの加工を行っても、結晶粒が微細化された状態が維持されるため、温間縮径加工により達成された強度や靱性等の機械的特性は、最終製品の部品においても維持される。
　また、本実施形態では、ピルガー圧延を温間で行っているため、ピルガー圧延時の中間管材９０の変形抵抗が小さい。そのため、ピルガー圧延における減面率を高くしても、割れ等の発生が抑制される。そのため、図１に示すように、１回の温間縮径加工（ピルガー圧延）を行うことで、所望の減面率となるように素管を加工し、高強度の製品管材を製造することができる。なお、１回の温間縮径加工における減面率を低くし、２回以上の温間縮径加工を行って、所望の減面率となるように素管を加工するものとしても良い。但し、工程を短縮し、ＣＯ２の排出量をより少なくすることができるので、より少ない回数の温間縮径加工で素管から小径管を形成するのが好ましい。
　さらに、本実施形態では、ピルガー圧延を温間で行っているため、ピルガー圧延における加工硬化は、冷間加工に比べて非常に少ない。そのため、仕上冷間圧延（図１のステップＳ１４０）やその後の曲がりの矯正（ステップＳ１５０）を省略した場合、製品管材の伸びや延性（絞り）が高くなり、後加工がより容易となる。
　また、上述のように、仕上冷間圧延や曲がりの矯正を行った場合においても、結晶粒が微細化された等軸結晶の状態に維持されるので、製品管材の伸び、絞りおよび低温脆性は良好に維持される。一方、仕上冷間圧延を行うことにより、加工硬化が発生し、製品管材の強度や硬度が高くなる。そのため、仕上冷間圧延を行うことにより、後加工の容易性を維持しつつ、製品管材の強度や硬度をさらに高くすることが可能となる。なお、仕上冷間圧延は、冷間における縮径加工でもあるので、冷間縮径加工とも呼ぶことができる。
　なお、図２Ａの例では、素管１０の加熱を高周波加熱装置１００により行っているが、素管１０の加熱は、トンネル型コイル加熱装置等の別種の加熱装置を用いて行うことも可能である。素管１０の加熱に使用される加熱装置は、加熱後の素管１０の温度低下を抑制するため、ピルガー圧延装置２００の近くに配置するのが好ましい。
　また、中間管材９０の温度低下を抑制するため、ピルガー圧延装置２００において中間管材９０と接触する金型（ロール本体２１２やマンドレル２２０）の温度を適宜調整するものとしても良い。さらに、小径管２０や製品管材の表面肌を良好な状態とし、また、ロール本体２１２を保護するため、接触位置ｐの付近に潤滑油を供給するのがより好ましい。この場合、中間管材９０の温度低下を抑制するため、潤滑油の温度を適宜調整するものとしても良い。
Ａ３．鋼材の組成：
　上述のように、製品としての管材には、最終製品の部品を形成するため、冷間加工や、接合加工、切削加工等の後加工が行われる。そのため、管材に用いられる鋼材の組成は、加工変形性、溶接性および切削性が十分に高くなるように決定される。また、組成の決定に際しては、含有元素の種類によっては、ピルガー圧延によるフェライト組織の微細化が促進されることも考慮される。具体的には、鋼材は、以下に示すように含有元素を含み、残部が鉄（Ｆｅ）および不可避的不純物であるものとした。なお、以下では、各含有元素の含有量を、重量％で表している。
　炭素（Ｃ）は、引張強さを高くする元素であるが、含有量が高くなると加工硬化を生じやすい。しかしながら、本実施形態においては、縮径加工を温間で行うため、Ｃの含有量を比較的高くすることができる。そのため、Ｃの含有量は、０．０５～０．２５％とする。但し、Ｃの含有量が高くなると、溶接性が低下するため、Ｃの含有量の上限は、０．２０％とするのが好ましい。また、Ｃの含有量が高くなると、後加工時の加工硬化による延性の低下が顕著となるため、Ｃの含有量の上限は、０．１５％とするのがより好ましい。
　マンガン（Ｍｎ）は、Ｃと同様に引張強さを高くする元素であり、Ｃの効果を補完する。そこで、引張強さを十分に高くするため、Ｍｎの含有量を０．３～１．５％とする。なお、本実施形態においては、Ｃの含有量を低く設定しているので、Ｍｎの含有量の下限は、０．４０％とするのが好ましい。また、Ｍｎの含有量が高くなると、加工硬化が促進されるので、Ｍｎの含有量の上限は、１．０％とするのが好ましい。
　シリコン（Ｓｉ）は、フェライト変態を促進する元素であり、添加により加工変形性を確保することができる。そのため、Ｓｉの含有量の下限は、０．１５％とする。一方、Ｓｉの含有量が多くなると、延性が低下する。そのため、Ｓｉの含有量の上限は、０．３５％とする。
　リン（Ｐ）および硫黄（Ｓ）は、被削性を改善させるために有効な元素である。しかしながら、ＰおよびＳは、靱性および延性を低下させ、後加工時に加工限界割れ等を生じさせる虞があるため、Ｐの含有量は、０．０３０％以下とし、Ｓの含有量は、０．０３５％以下とするのが好ましい。
　チタン（Ｔｉ）およびニオブ（Ｎｂ）は、窒化物がフェライト組織の結晶の成長を抑制する元素であり、ＴｉおよびＮｂの少なくとも一方を添加することにより、フェライト組織の微細化を促進するとともに、フェライト組織の結晶粒度のばらつきを小さく（均質化）することができる。ＴｉとＮｂとのうちいずれか一方を添加する場合、入手の容易性および鋼材価格の低廉化の観点から、Ｔｉを添加するのが好ましい。フェライト組織を微細化および均質化する効果を発現させるため、Ｔｉを添加する場合には、その含有量を０．０１～０．０８％とし、Ｎｂを添加する場合には、その含有量を０．００５～０．０５％とする。
　バナジウム（Ｖ）は、降伏応力（耐力）を向上させる元素である。Ｖは、また、炭化物がフェライト組織の結晶の成長を抑制する。そのため、Ｖを添加することにより、フェライト組織を微細化するとともに、フェライト組織を均質化することができる。Ｖを添加する場合には、これらの効果を発現させるため、Ｖの含有量は、０．０４０～０．１０％とする。
　なお、Ｎｂ、ＴｉおよびＶは、必ずしも添加する必要はない。但し、Ｎｂ、ＴｉおよびＶは、上述のように、結晶粒の微細化を促進する。そのため、Ｎｂ、ＴｉおよびＶのいずれをも添加しない場合、これらのいずれかを添加して同条件で温間縮径加工を行った場合と比較して、結晶粒度が若干（０．２～０．５μｍ程度）大きくなる。また、結晶粒度の若干の粗大化に伴って、強度（引張強さおよび耐力）が２０～５０ＭＰａ、伸びが２～３％、硬度（ビッカース硬さＨＶ）が８～１２ＨＶ低下する。そのため、強度、伸びおよび硬度をより高くすることができる点で、Ｎｂ、ＴｉおよびＶの少なくとも１つを添加するのが好ましい。一方、目標とする製品管材の強度等によっては、鋼材価格を低減できる点で、これらの添加を省略するのが好ましい。
　銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）およびモリブデン（Ｍｏ）を添加すると、鋼材の価格が高くなり、また、鋼材のリサイクル性が低下する。そのため、Ｃｕ、Ｎｉ、ＣｒおよびＭｏは、添加しないことが好ましい。従って、Ｃｕ、Ｎｉ、ＣｒおよびＭｏは、不可避的含有量以上に含有されていないことが好ましく、含有量の上限は、いずれも０．３０％以下とする。
Ａ４．従来の管材製造工程：
　図３は、従来の技術を用いて高強度の管材を製造する管材製造工程（従来工程）の一例を示すフローチャートである。なお、図３においても、図１と同様に、各ステップの右側に当該ステップにおけるＣＯ２排出原単位を示し、終端の下段に従来工程で排出されるＣＯ２の総排出量を示している。
　図３に示すように、従来工程は、主として、縮径加工を冷間で行っている点（ステップＳ２２２，Ｓ２２４）、焼入・焼戻しを行っている点（ステップＳ２３２）、焼入・焼戻しの実施に伴い酸洗・中和を行っている点（ステップＳ２３４）、酸洗・中和に伴いベーキングを行っている点（ステップＳ２６２）、および、仕上冷間圧延（ステップＳ１４０）が省略されている点で、図１に示す本実施形態の管材の製造工程と異なっている。他の点は、本実施形態の管材の製造工程と同様である。
　図３に示すように、従来工程においては、素管に冷間引抜（「抽伸」とも呼ばれる）加工を施すことにより（ステップＳ２２２，Ｓ２２４）、小径管を得ている。この冷間引抜加工では、寸法精度を高くすることができるため、仕上冷間圧延（ステップＳ１４０）を省略することができる。しかしながら、冷間引抜加工で得られた小径管は、その強度が低く（引張強さで６００ＭＰａ以下）、高強度（引張強さで１０００ＭＰａ以上）の管材を得るためには、小径管に焼入・焼戻しの処理（ステップＳ２３２）を施す必要がある。また、焼入・焼戻しを行うことにより、焼入・焼戻しで生じたスケールを除去する酸洗・中和（ステップＳ２３４）を行い、さらに、酸洗・中和により生じる水素脆化を抑制するため、ベーキング（ステップＳ２６２）を行うことが必要となる。
　このように、従来工程では、縮径加工を冷間引抜加工で行うため、縮径加工そのものにおけるＣＯ２排出原単位は８７．８ｋｇ／ｔとなり、本実施形態の３４０ｋｇ／ｔ（図１参照）よりも少なくなる。しかしながら、従来工程では、上述のように、焼入・焼戻しの処理（ステップＳ２３２）と、ベーキング（ステップＳ２６２）とが必要となるため、ＣＯ２の総排出量は、１３３１．１ｋｇ／ｔとなり、本実施形態の４７７．６ｋｇ／ｔよりも多くなる。このように、温間で縮径加工を行う本実施形態によれば、高強度の管材の製造工程としては、従来工程よりもＣＯ２の総排出量を低減することが可能である。
　さらに、従来工程で行われる冷間引抜加工では、結晶粒度が１０～２０μｍと大きくなる。また、結晶粒度を小さくするために、焼入・焼戻しの処理（ステップＳ２３２）に換えて、高周波焼入処理を行っても、結晶粒度は、６～１２μｍ程度となる。一方、本実施形態によれば、結晶粒度を１．５μｍ以下とすることで、熱処理を行うことなく小径管の強度および靱性を十分に高くすることができる。
　加えて、冷間引抜加工は加工限界が低く、１回の加工における減面率を大きくすると、破断や割れが発生する虞がある。そこで、一般的には、冷間引抜加工で縮径加工を行う場合、図３に示すように、冷間引抜加工が複数回（図３の例では２回）行われる。そのため、従来工程で管材の製造した場合、本実施形態よりも、製造工程が長くなる。
　また、冷間引抜加工を複数回行った場合、冷間引抜加工を繰り返し行うことにより加工硬化が生じ、硬度や引張強さが高くなるものの、伸びや延性（絞り）が低下する。この加工硬化は、複数回の引抜加工による全体としての減面率が大きいほど顕著となり、加工硬化が進行すると引抜加工そのものが困難となる。特に、冷間引抜加工では、硬度が２９０ＨＶを超えると破断や割れが発生する可能性が高くなるため、硬度が２９０ＨＶ以上の管材を製造することは極めて困難である。一方、本実施形態によれば、結晶粒度を１．５μｍ以下とすることで、熱処理を行うことなく硬度を十分に高くすることができる。
Ｂ．実施例：
Ｂ１．評価の概要：
　本発明の効果を確認するため、実施例および比較例として、組成が異なる５種の鋼材（鋼材Ａ～Ｄ，Ｘ）からなる素管を準備し、準備した素管に縮径加工を行って試料となる小径管を作成した。なお、準備した素管に使用した５種の鋼材の組成は、次の表１の通りである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１に示すように、試料の作成に使用した鋼材（鋼材Ａ～Ｄ，Ｘ）のうち、実施例としての試料に使用した鋼材（鋼材Ａ～Ｄ）は、それぞれ、ＳＡＥ１００５、ＳＡＥ１０１０、ＳＡＥ１０１５およびＳＡＥ１０２５をベースに、Ｎｂ、ＴｉおよびＶを添加した。また、比較例の一つとして、後述するように、冷間縮径加工の後、焼入・焼戻しを行う従来工程で作成した試料には、Ｃ含有量が高い（０．３５％）ＳＣＭ４３５を使用した。
　これらの５種の鋼材（鋼材Ａ～Ｄ，Ｘ）からなる素管のうち、鋼材Ａ～Ｄからなる素管については、ピルガー圧延により温間縮径加工を行い、４つの試料（実施例１～４）を作成した。なお、実施例１，２については、減面率を９０．９％とし、実施例３，４については、減面率を８５．２％とした。また、比較例として、実施例３にも用いた鋼材Ｃからなる素管を減面率７０．２％で温間縮径加工した試料（比較例１）と、鋼材Ｃからなる素管を減面率２０．２％で冷間縮径加工した試料（比較例２）と、鋼材Ｘ（ＳＣＭ４３５）からなる素管を減面率２０．２％で冷間縮径加工した後、焼入・焼戻しを行った試料（比較例３）とを作成した。これら各試料について、使用した鋼材と、素管および縮径加工後の小径管の管径と、縮径加工における減面率と、縮径加工の際の温度条件と、熱処理（焼入・焼戻し）の有無とは、次の表２の通りである。なお、表２から分かるように、縮径加工後の小径管の管径は、いずれの試料においても同一とした。そのため、縮径加工の減面率は、管径が適宜設定された素管を準備することにより、調整した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　このようにして試料を作成した後、得られた試料について、結晶粒度、機械特性および低温脆性の評価を行った。結晶粒度は、試料である小径管を軸方向（縦方向）および径方向（横方向）に切断し、切断により現れた切断面（縦断面および横断面）を顕微鏡により観察することにより行った。機械特性の評価は引張試験により行い、低温脆性の評価はシャルピー衝撃試験により行った。
Ｂ２．評価結果：
　図４Ａおよび図４Ｂは、結晶粒度の評価結果を示す試料（小径管）の結晶組織写真である。図４Ａは、比較例として冷間縮径加工を行った試料（比較例２）の横断面の結晶組織を示し、図４Ｂは、実施例として温間縮径加工を行った試料（実施例３）の横断面の結晶組織を示している。なお、図４Ａに結晶組織を示す比較例２と、図４Ｂに結晶組織を示す実施例３とでは、いずれも、ＳＡＥ１０１５をベースとした鋼材Ｃを使用している。
　図４Ａに示すように、冷間縮径加工を行った試料（比較例２）では、結晶粒の微細化が進んでおらず、結晶粒度は約２０μｍであった。一方、温間縮径加工を行った試料（実施例３）では、図４Ｂに示すように、結晶粒の微細化が進み、結晶粒度は１．５μｍ以下となっていた。また、結晶組織写真は示していないが、実施例３では、縦断面においても結晶粒の形状は等方的であり、結晶粒が等軸結晶となっていることが確認できた。さらに、図４Ｂに示すように、結晶粒（フェライト組織）の間には、パーライトが存在することが確認できた。この結果から、温間縮径加工を行い、結晶粒を微細化することにより、切削時の切粉の寸断性を良好にし、切削性を高くすることが可能であることが分かった。
　図５は、機械特性評価としての引張試験の結果を示すグラフである。図５の横軸は歪（伸び）を表し、縦軸は、応力を表している。図５のグラフにおいて、円形のマーカーは、実施例として温間縮径加工を行った試料（実施例３）の引張試験結果を示し、三角形のマーカーは、比較例として冷間縮径加工を行った試料（比較例２）の引張試験結果を示している。これらの比較例２と実施例３とでは、いずれも、ＳＡＥ１０１５をベースとした鋼材Ｃを使用している。また、四角形のマーカーは、比較例として、ＳＣＭ４３５（鋼材Ｘ）を使用し、冷間縮径加工の後、焼入・焼戻しを行った試料（比較例３）の引張試験結果を示している。
　図５に示すように、冷間縮径加工のみを行い、焼入・焼戻しを行っていない試料（比較例２）は、伸びが３５％に到達しているものの、引張強さが５５０ＭＰａに止まった。また、Ｃ含有量が高い鋼材Ｘ（ＳＣＭ４３５）を用い、冷間縮径加工の後に焼入・焼戻しを行った試料（比較例３）では、引張強さが１１００ＭＰａに到達し、硬度が３４０ＨＶを超えた。また、伸びが１０％となり、加工変形性の良否の目安である９％を超えたものの、歪が１２％を超えると破断が発生した。このことから、冷間縮径加工で製造される小径管において、強度を高くするために、Ｃ含有量を高くし、焼入・焼戻しを行うと、加工変形性を高くすることが困難であることが確認できた。一方、温間縮径加工を行った試料（実施例３）では、引張強さが１１００ＭＰａとなり、温間縮径加工を行うことにより、強度を十分に高くすることが可能であることが確認できた。また、実施例３では、伸びが１１％に到達するとともに、歪が２０％を超えるまで破断が発生しなかった。このことから、温間縮径加工を行い、結晶粒を微細化することにより、強度を十分に高くしつつ、加工変形性を十分に確保することが可能であることが分かった。
　図６は、低温脆性評価としてのシャルピー衝撃試験の結果を示すグラフである。図６の横軸はシャルピー衝撃試験を行った温度（シャルピー試験温度）を表し、縦軸は脆性破面率を表している。図６のグラフにおいて、円形のマーカーは、実施例として温間縮径加工を行った試料（実施例３）のシャルピー衝撃試験結果を示し、三角形のマーカーは、比較例として冷間縮径加工を行った試料（比較例２）のシャルピー衝撃試験結果を示している。これらの比較例２と実施例３とでは、いずれも、ＳＡＥ１０１５をベースとした鋼材Ｃを使用している。
　図６に示すように、冷間縮径加工を行った試料（比較例２）では、０℃以下になると脆性破面率が上昇しはじめ、－１００℃になると脆性破面率が９５％となった。このことから、冷間縮径加工を行った場合、極低温（－１００℃）における脆性を改善することが困難であることが分かった。一方、温間縮径加工を行った試料（実施例３）では、－１５０℃以下となって初めて脆性破面率が上昇し、－１５０℃以上では、脆性破壊が生じなかった。この結果から、温間縮径加工を行い、結晶粒を微細化することにより、極低温における脆性を改善することが可能であることが分かった。
　以上、図４Ａ、図４Ｂ、図５および図６においては、実施例３および比較例２として作成した試料について、それらの結晶粒度、機械特性（引張強さ・伸び）および低温脆性の評価結果について説明した。また、図５においては、比較例３として作成した試料について、引張強さおよび伸びの評価結果を示した。これらの実施例および比較例（実施例３、比較例２，３）と、他の実施例および比較例とについての、機械特性の評価結果と、結晶粒度の評価結果とを、以下の表３に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　表３に示すように、温間縮径加工の減面率８５％以上とすることにより、結晶粒度を１．５μｍ以下とすることができた。また、結晶粒度を１．５μｍ以下とすることにより、焼入・焼戻しを行った管材と同等の強度区分１０．９（ＪＩＳ規格Ｂ１０５１、引張強さ：１０４０ＭＰａ以上・耐力：９４０ＭＰａ以上）が達成できることが分かった。また、伸びは、いずれも１０％以上となり、加工変形性の良否の目安となる９％を上回った。さらに、ビッカース硬さＨＶも、いずれも３３０ＨＶ以上となり、強度区分１０．９で規定された硬度（３２０ＨＶ以上）が得られることが分かった。なお、表３には示していないが、実施例１～４のいずれも、－１００℃において脆性が見られなかった。
　一方、Ｎｂ、ＴｉおよびＶを添加した鋼材（鋼材Ｃ）を用いた場合においても、減面率７０．２％で温間縮径加工を行った試料（比較例１）では、結晶粒度が２～３μｍとなった。このように、結晶粒度が２～３μｍとなることにより、引張強さが９００ＭＰａ、耐力が８４０ＭＰａとなり、十分な強度（強度区分１０．９）が得られなかった。これらのことから、Ｎｂ、ＴｉおよびＶを添加した鋼材を用いる場合においても、十分な強度を得るためには、結晶粒度を１．５μｍ以下とすることが必要であると判断できる。
Ｃ．変形例：
　本発明は上記実施形態および実施例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
Ｃ１．変形例１：
　上記実施形態では、温間縮径加工をピルガー圧延によって行っているが、温間縮径加工は、一般に、加工中の中間管材に強い圧縮応力が加わる圧延方法（強圧下圧延）で行えばよい。このようにしても、加工中の中間管材には、外周側と内周側との双方において、強い圧縮応力が加わり、フェライト組織の微細化が促進される。そのため、強圧下圧延が施された小径管においても、結晶粒度を１．５μｍ以下とし、十分に強度の高い小径管を得ることができる。なお、強圧下圧延の方法としては、ピルガー圧延のほか、３ロールダイス方式の圧延等を採用することができる。但し、管径の異なる小径管の製造がより容易であり、また、小径管の量産がより容易となる点で、強圧下圧延方法としては、ピルガー圧延を採用するのが好ましい。
Ｃ２．変形例２：
　上記実施形態では、強圧下圧延であるピルガー圧延により温間縮径加工を行っているが、温間縮径加工は、強圧下圧延以外の方法で行うことも可能である。例えば、温間で素管に引抜加工を施し、小径管を製造することも可能である。なお、この場合においても、減面率を８５％以上にすれば、フェライト組織を結晶粒度が１．５μｍ以下の等軸結晶とすることができるので、十分に強度の高い小径管を得ることができる。但し、引抜加工では、温間であっても１回の加工における減面率を高くすることが困難である。そのため、引抜加工で減面率を８５％以上とするためには、通常、複数回の引抜加工を行うこととなり、小径管の製造工程が長くなる。一方、強圧下圧延では、１回の加工における減面率を高くすることが容易であり、小径管の製造工程を短縮することができる。この点において、温間縮径加工は、強圧下圧延で行うのが好ましい。
　この発明は、自動車、鉄道車両、航空機等の移動体用の部品に使用される鋼管、各種機械装置の部品に使用される鋼管等、高い強度が要求される種々の鋼管の製造に適用可能である。
　　１０…素管
　　２０…小径管
　　９０…中間管材
　１００…高周波加熱装置
　１１０…コイル
　１２０…高周波電源
　２００…ピルガー圧延装置
　２１０…ロールダイス
　２１２…ロール本体
　２１４…ロール軸
　２１９…カリバー
　２２０…マンドレル
　２３０…ロッド 

Claims (8)

  1. 　０．０５～０．２５重量％のＣ、０．１５～０．３５重量％のＳｉ、０．３～１．５重量％のＭｎ、０．０３５重量％以下のＳ、０．０３０重量％以下のＰを含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物である鋼材からなり、
    　フェライト組織が、平均結晶粒径が１．５μｍ以下の等軸結晶となっている、
    　管材。
  2. 　請求項１記載の管材であって、
    　前記鋼材は、さらに、０．００５～０．０５重量％のＮｂおよび０．０１～０．０８重量％のＴｉのうちの少なくとも一方を含む、
    　管材。
  3. 　請求項１または２記載の管材であって、
    　前記鋼材は、さらに、０．０４０～０．１０重量％のＶを含む、
    　管材。
  4. 　前記管材は、前記管材よりも内径および外径が大きく、かつ、前記管材よりも肉厚の素管に、減面率が８５％以上の温間縮径加工を施すことにより製造されている、請求項１ないし３のいずれか記載の管材。
  5. 　前記温間縮径加工は、強圧下圧延により行われる、請求項４記載の管材。
  6. 　請求項４または５記載の管材であって、
    　前記温間縮径加工が施された管材に、さらに、冷間縮径加工を施すことにより製造されている、
    　管材。
  7. 　管材の製造方法であって、
    　０．０５～０．２５重量％のＣ、０．１５～０．３５重量％のＳｉ、０．３～１．５重量％のＭｎ、０．０３５重量％以下のＳ、０．０３０重量％以下のＰを含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物である鋼材からなり、前記管材よりも内径および外径が大きく、かつ、前記管材よりも肉厚の素管を準備する工程と、
    　準備された前記素管に、減面率が８５％以上の温間縮径加工を施す工程と、
    　を備える、
    　管材の製造方法。
  8. 　請求項７記載の管材の製造方法であって、さらに、
    　前記温間縮径加工を施された管材に、冷間縮径加工を施す工程
    　を備える、
    　管材の製造方法。 
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