CN110234777A - 连续管用热轧钢板 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种热轧钢板，其适于在不实施电阻焊接后的全管淬火处理和再加热回火处理的情况下制造具有辊轧成型所需要的加工性且具有高屈服强度的连续管用电阻焊钢管。以质量％计，以特定的含量含有C、Si、Mn、P、S、Al、Cr、Cu、Ni、Mo、Nb、V、Ti、N，以体积分率计，具有由3％～20％的马氏体、10％以下的残余奥氏体和余量的贝氏体构成的组织，屈服强度为600MPa以上，拉伸强度为950MPa以上，均匀伸长率为7.0％以上。

Description

连续管用热轧钢板
技术领域
本发明涉及连续管(coiled tubing)用热轧钢板。
背景技术
连续管是将外径20～100mm左右的小直径长条钢管卷绕于卷轴而成的管。连续管广泛用于各种坑井内作业，作业时从卷轴抽出而插入到坑井内，作业后从坑井拉起并卷回卷轴。特别是近年来，在页岩气开采中用于页岩层的水力压裂。与以往的坑井内回收、钻井设备进行比较，连续管的装置较为小型，因此能够节约场地面积、作业人员，不需要将管连接就能够连续升降，由此具有作业效率高的优点。
连续管是将成为材料的热轧钢板沿着长度方向纵切而形成具有适当宽度的钢带，将其辊轧成型为管状进行电阻焊接而制造出的钢管。之后，为了提高焊接部的品质、得到所希望的机械特性，实施全管热处理。
从防止坑井内断裂的观点出发，连续管需要特别是在长度方向具有高强度。近年来为了应对更长、更深的坑井而进行连续管的高强度化，特别是要求屈服强度为130ksi(896MPa)以上。
专利文献1中提出了一种连续管用热轧钢板及其制造方法，其特征在于，成为主体的组织是铁素体、珠光体、贝氏体中的任一种。在该技术中，在热轧中形成成为连续管用钢管的主体的贝氏体等组织。即，不需要通过热轧后的热处理形成成为主体的组织。但是，该技术是涉及屈服强度50ksi(345MPa)以上的连续管用电阻焊钢管的技术，不适于屈服强度130ksi以上的连续管用电阻焊钢管的制造。
专利文献2中提出了一种钢组织的主体为回火马氏体的、屈服强度为140ksi(965MPa)以上的连续管用电阻焊钢管及其制造方法。但是，该技术在将热轧钢板电阻焊接后需要全管淬火处理和再加热回火处理，因此生产率和制造成本存在问题。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本再公表2013-108861号公报
专利文献2：日本特开2014-208888号公报
发明内容
如上述的专利文献2所述的技术，在使连续管用钢管的组织的主体为回火马氏体的情况下，需要通过电阻焊接后的热处理来形成回火马氏体。这是由于以下的原因。
(i)若使热轧后的组织的主体为马氏体，则辊轧成型所需的加工性不足。
(ii)若通过辊轧成型前的热处理使组织的主体为回火马氏体，则可以进行辊轧成型，但为了提高电阻焊接部的品质，需要再次进行全管热处理。
根据上述的原因，使组织的主体为回火马氏体的连续管用钢管如在专利文献2等中提出的那样除了电阻焊接后的全管淬火处理，还实施再加热回火处理而制造，因此生产率和制造成本存在问题。
如此，尚未建立提供如下的连续管用电焊钢管的技术，即考虑生产率的提高和制造成本的控制，在实施电阻焊接和全管热处理后不实施全管淬火处理和再加热回火处理而具有高屈服强度的连续管用电焊钢管。
本发明是鉴于上述课题而进行的，目的在于提供一种热轧钢板，该热轧钢板适于在实施电阻焊接和全管热处理后不实施全管淬火处理和再加热回火处理的情况下制造具有辊轧成型所需的加工性、且具有高屈服强度的连续管用电阻焊钢管。
本发明人等为了实现上述目的，进行了如下的研究：对于钢组织，使能够在热轧中形成的贝氏体为主体，实施电阻焊接和全管热处理后，不进一步实施全管淬火处理和再加热回火处理的情况下，形成高屈服强度。其结果发现为了获得具有所希望的屈服强度的电阻焊钢管，需要使热轧钢板的屈服强度为600MPa以上，使拉伸强度为950MPa以上，进而为了确保辊轧成型时的加工性而使均匀伸长率为7.0％以上。
并且，为了在使贝氏体为主体组织的同时，实施辊轧成型、电阻焊接和全管热处理后，制成钢管而形成高屈服强度，作为热轧钢板，需要使钢的成分组成为规定的范围，并且使贝氏体、马氏体和残余奥氏体的体积分率为规定的范围。
本发明基于上述见解而完成，提供以下的[1]～[2]。
[1]一种连续管用热轧钢板，其中，以质量％计，具有如下的成分组成：含有C：超过0.10％且为0.16％以下、Si：0.1％～0.5％、Mn：1.6％～2.5％、P：0.02％以下、S：0.005％以下、Al：0.01％～0.07％、Cr：超过0.5％且为1.5％以下、Cu：0.1％～0.5％、Ni：0.1％～0.3％、Mo：0.1％～0.3％、Nb：0.01％～0.05％、V：0.01％～0.10％、Ti：0.005％～0.05％、N：0.005％以下，剩余部分由Fe和不可避免的杂质构成，
以体积分率计，具有由3％～20％的马氏体、10％以下的残余奥氏体和余量的贝氏体构成的组织，屈服强度为600MPa以上，拉伸强度为950MPa以上，均匀伸长率为7.0％以上。
[2]根据上述[1]所述的连续管用热轧钢板，其中，除上述成分组成以外，以质量％计，进一步含有Sn：0.001％～0.005％、Ca：0.001％～0.003％中的1种或者2种。
应予说明，上述的电阻焊接后的全管热处理是指在整个圆周总长度上将钢管加热到600℃左右后进行冷却。作为全管热处理方法的例子，可举出通过高频感应加热将钢管升温后进行空冷的方法等。本发明中不需要的电阻焊接后的全管淬火处理和再加热回火处理分别是指在整个圆周总长度上将钢管加热到Ac3点以上的温度并使其奥氏体化后，以30℃/s以上的冷却速度进行冷却，以及在全管淬火处理后将钢管在整个圆周总长度上加热到500℃～800℃的温度并进行空冷。
本发明中，均匀伸长率可以通过以十字头速度10mm/min进行拉伸试验，作为屈服后的最大负载下的标称应变而测定。
另外，本发明中，屈服强度可以通过以十字头速度10mm/min进行拉伸试验，作为基于API-5ST标准的0.2％耐力而测定。并且，拉伸强度可以作为在上述试验中屈服后的最大负载下的标称应力而测定。
发明效果
根据本发明，能够获得均匀伸长率为7.0％、屈服强度为600MPa以上、拉伸强度为950MPa以上的热轧钢板。即，根据本发明，能够提供一种适于生产率高且低成本地制造具有辊轧成型所需的加工性、且具有高屈服强度的连续管用电阻焊钢管的热轧钢板。
如果使用本发明的热轧钢板，能够获得例如屈服强度为130ksi(896MPa)以上的连续管用电阻焊钢管。
具体实施方式
本发明的连续管用热轧钢板具有如下的成分组成：以质量％计，含有C：超过0.10％且为0.16％以下、Si：0.1％～0.5％、Mn：1.6％～2.5％、P：0.02％以下、S：0.005％以下、Al：0.01％～0.07％、Cr：超过0.5％且为1.5％以下、Cu：0.1％～0.5％、Ni：0.1％～0.3％、Mo：0.1％～0.3％、Nb：0.01％～0.05％、V：0.01％～0.10％、Ti：0.005％～0.05％、N：0.005％以下，剩余部分由Fe和不可避免的杂质构成，以体积分率计，具有由3％～20％的马氏体、10％以下的残余奥氏体和余量的贝氏体构成的组织，屈服强度为600MPa以上，拉伸强度为950MPa以上，均匀伸长率为7.0％以上。
首先，在本发明中，如下对限定了热轧钢板的钢坯材的成分组成的原因进行说明。在本说明书中，只要没有特别说明，表示钢组成的“％”为“质量％”。
C：超过0.10％且为0.16％以下
C是提高钢的强度的元素，而且是使淬火性提高的元素，因此为了确保所希望的强度和组织而需要以超过0.10％的方式含有C。然而，若C含量超过0.16％则焊接性恶化，导致马氏体和残余奥氏体分率变高，得不到所希望的屈服强度。因此，C含量设为超过0.10％且为0.16％以下。C含量优选为0.11％以上，优选为0.13％以下。
Si：0.1％～0.5％
Si是作为脱氧剂起作用，并且抑制热轧时的氧化皮形成，有助于减少氧化皮脱落量的元素。为了获得这样的效果，需要含有0.1％以上的Si。另一方面，如果Si含量超过0.5％则焊接性恶化。因此，Si含量设为0.1％～0.5％。Si含量优选为0.2％以上，优选为0.4％以下。
Mn：1.6％～2.5％
Mn是使淬火性提高的元素，另外是在精轧后的冷却中延迟铁素体转变，有助于形成贝氏体主体组织的元素。为了确保所希望的强度和组织而需要含有1.6％以上。然而，若Mn含量超过2.5％则焊接性恶化，导致马氏体和残余奥氏体分率变高，得不到所希望的屈服强度。因此，Mn含量设为1.6％～2.5％。Mn含量优选为1.8％以上，优选为2.1％以下。
P：0.02％以下
P在晶界偏析而导致材料的不均质，因此其作为不可避免的杂质优选尽可能地减少，但能够允许到0.02％左右的含量。因此，P含量设为0.02％以下的范围内。优选P含量为0.01％以下。
S：0.005％以下
S在钢中通常以MnS的形式存在，但MnS在热轧工序中拉伸得较薄，对延展性产生负面影响。因此，本发明中优选尽可能地减少，但能够允许0.005％左右的S含量。因此，S含量设为0.005％以下。优选S含量为0.003％以下。
Al：0.01％～0.07％
Al是作为强力的脱氧剂起作用的元素，为了获得这样的效果，需要含有0.01％以上的Al。但是，若Al含量超过0.07％则氧化铝系夹杂物变多，表面性状恶化。因此，Al含量设为0.01％～0.07％。Al含量优选为0.02％以上，优选为0.05％以下。
Cr：超过0.5％且为1.5％以下
Cr是为了赋予耐腐蚀性而添加的元素。另外，由于提高回火软化电阻，所以抑制制管后的全管热处理时的软化。进而，Cr是通过提高淬火性而有助于确保所希望的强度和马氏体分率的元素。为了获得这样的效果，需要以超过0.5％的方式含有Cr。然而，若Cr含量超过1.5％则焊接性恶化。因此，Cr含量设为超过0.5％且1.5％以下。Cr含量优选为超过0.5％且为1.0％以下。更优选Cr含量为0.8％以下。
Cu：0.1％～0.5％
Cu与Cr同样是为了赋予耐腐蚀性而添加的元素。为了获得这样的效果，需要含有0.1％以上的Cu。然而，若Cu含量超过0.5％则焊接性恶化。因此，Cu含量设为0.1％～0.5％。Cu含量优选为0.2％以上，优选为0.4％以下。
Ni：0.1％～0.3％
Ni与Cr、Cu同样是为了赋予耐腐蚀性而添加的元素。为了获得这样的效果，需要含有0.1％以上的Ni。然而，若Ni含量超过0.3％则焊接性恶化。因此，Ni含量设为0.1％～0.3％。优选Ni含量为0.1％～0.2％。
Mo：0.1％～0.3％
Mo是使淬火性提高的元素，因此在本发明中为了确保所希望的强度和马氏体分率而需要含有0.1％以上。然而，若Mo含量超过0.3％则焊接性恶化，导致马氏体分率变高，得不到所希望的屈服强度。因此，Mo含量设为0.1％～0.3％。优选Mo含量为0.2％～0.3％。
Nb：0.01％～0.05％
Nb是在热轧中以微细的NbC的形式析出且有助于高强度化的元素，因此为了确保所希望的强度而需要含有0.01％以上的Nb。但是若Nb含量超过0.05％，则在热轧加热温度下难以固溶，实现不了与含量对应的高强度化。因此，Nb含量设为0.01％～0.05％。优选Nb含量为0.03％～0.05％。
V：0.01％～0.10％
V是在热轧中以微细的碳氮化物的方式析出且有助于高强度化的元素，因此为了确保所希望的强度而需要含有0.01％以上的V。但是若V含量超过0.10％则形成粗大的析出物，焊接性降低。因此，V含量设为0.01％～0.10％。V含量优选为0.04％以上，优选为0.08％以下。
Ti：0.005％～0.05％
Ti以TiN的形式析出，通过抑制Nb和N的结合而使微细的NbC析出。如前所述，从钢的高强度化的观点出发，Nb是重要的元素，但若Nb与N结合则使Nb(CN)作为核而析出NbC，难以获得高强度。为了获得这样的效果，需要含有0.005％以上的Ti。另一方面，若Ti含量超过0.05％，则TiC的量变多，微细的NbC变少。因此，Ti含量设为0.005％～0.05％。Ti含量优选为0.010％以上，优选为0.03％以下。
N：0.005％以下
N是不可避免的杂质，但若形成Nb氮化物则微细的NbC变少。因此，N的含量设为0.005％以下的范围内。更优选为0.003％以下。
除上述的成分以外的剩余部分由Fe和不可避免的杂质构成。作为不可避免的杂质，能够允许Co：0.1％以下、B：0.0005％以下。
上述的成分是本发明的热轧钢板的钢坯材的基本的成分组成，但除了这些还可以含有选自Sn：0.001％～0.005％、Ca：0.001％～0.003％中的1种或2种。
Sn：0.001％～0.005％
Sn为了耐腐蚀性而根据需要添加。为了获得这样的效果，含有0.001％以上的Sn。但是，若Sn含量超过0.005％，则存在偏析而导致强度偏差的情况。因此，在含有Sn的情况下，优选Sn含量设为0.001％～0.005％。
Ca：0.001％～0.003％
Ca是通过使在热轧工序中拉伸得较薄的MnS等硫化物发生球状化而有助于提高钢的韧性的元素，根据需要进行添加。为了获得这样的效果，含有0.001％以上的Ca。但是，若Ca含量超过0.003％，则存在钢中形成Ca氧化物簇、韧性恶化的情况。因此，在含有Ca的情况下，Ca含量设为0.001％～0.003％。
接下来，对限定了本发明的热轧钢板的组织的原因进行说明。
本发明的热轧钢板具有以体积分率计由3％～20％的马氏体、10％以下的残余奥氏体和余量的贝氏体构成的组织。
使组织的主体为贝氏体(70％以上)是为了获得所希望的屈服强度。
马氏体由于与贝氏体相比更为硬质，因生成时在周边的贝氏体导入可动位错而使屈服强度降低，提高均匀伸长率，提高成型为钢管的成型加工性。因此，需要体积分率为3％以上。另外，若体积分率超过20％则得不到所希望的屈服强度。应予说明，体积分率优选为5％～15％。
残余奥氏体由于在向钢管的成型中转变为硬质的马氏体，所以使屈服强度降低，提高均匀伸长率，提高成型为钢管的成型加工性。但是，若体积分率超过10％则在成型为钢管后得不到所希望的屈服强度。应予说明，由于包含3％以上的硬质的马氏体就能够确保向钢管的成型加工性，所以对于残余奥氏体的下限而言，体积分率也可以为0％。另外，体积分率优选为7％以下。
这里，残余奥氏体的体积分率通过X射线衍射而测定。另外，马氏体和贝氏体的体积分率通过使用扫描式电子显微镜(SEM，倍率：2000～5000倍)，根据获得的SEM图像来测定。应予说明，由于在SEM图像中难以区分马氏体与残余奥氏体，所以根据获得的SEM图像测定作为马氏体或残余奥氏体观察到的组织的面积率，将其作为马氏体或残余奥氏体的体积分率，将从其中减去残余奥氏体的体积分率而得到的值作为马氏体的体积分率。另外，贝氏体的体积分率作为除马氏体和残余奥氏体以外的余量而计算。
接下来，对本发明的热轧钢板的制造方法进行说明。
在本发明中，没有特别限定，例如将具有上述成分组成的板坯等钢坯材加热到1150℃～1280℃的温度后，在精轧结束温度为840℃～920℃、卷绕温度为500℃～600℃的条件下实施热轧。
在热轧工序中的加热温度小于1150℃的情况下，粗大的Nb、V碳氮化物的再溶解变得不充分，成为强度降低的原因。另一方面，若加热温度超过1280℃，则奥氏体晶粒粗大化，热轧时的析出物形成部位减少，因此导致强度降低。因此，热轧工序中的加热温度优选为1150℃～1280℃。
在精轧结束温度小于840℃的情况下，生成软质的铁素体，因此导致成为强度降低。另外，由残留应力导致的纵切后的形状恶化变得显著。另一方面，若精轧结束温度超过920℃，则奥氏体未再结晶区域的压下量不足，得不到微细的奥氏体晶粒，析出物形成部位减少，由此导致强度降低。因此，精轧结束温度优选为840℃～920℃。
在卷绕温度小于500℃的情况下，Nb、V析出物的生成受到抑制，成为强度降低的原因。另一方面，若卷绕温度超过600℃，则生成软质的铁素体，导致生成粗大的Nb、V析出物，因此导致强度降低。因此，优选卷绕温度为500℃～600℃。
上述的热轧钢板也可以以除去表层的氧化皮为目的，进行酸洗或者抛丸处理。
接着，对使用了本发明的热轧钢板的连续管用电阻焊钢管的制造方法进行说明。将上述的热轧钢板(钢带)辊轧成型为管状，进行电阻焊接而形成钢管，对其以600℃左右的温度例如550℃以上的温度实施全管热处理。通过该热处理，能够提高电阻焊接部的品质。在本发明中，在对热轧钢板进行电阻焊接而制造钢管时，不需要电阻焊接后的全管淬火处理和再加热回火处理，就能够实现生产率的提高和制造成本的抑制。
实施例
以下，基于实施例，进一步对本发明进行说明。
对具有表1所示的成分组成的钢水在转炉中进行熔炼，通过连续铸造法形成板坯(钢坯材)。将它们加热到1200℃后，通过表1所示的精轧结束温度和卷绕温度进行热轧，形成精轧板厚3.3mm的热轧钢板。从获得的热轧钢板，以轧制方向(以下为L方向)与拉伸方向成为平行的方式切出JIS5号拉伸试件(标距50mm，平行部宽度25mm)，通过拉伸试验机给予与L方向制管应变相当的6％拉伸应变，测定热轧后的机械特性(屈服强度、拉伸强度、均匀伸长率)。并且，对于通过拉伸试验机给予了6％拉伸应变的试件，在600℃下进行90秒钟的模拟了全管热处理的退火并进行了冷却后，实施拉伸试验，求得与制管退火后对应的屈服强度。另外，对在上述条件下实施了热处理的样品的组织进行观察，测定残余奥氏体的体积分率。
拉伸试验以十字头速度10mm/min进行，根据API-5ST标准，将0.2％耐力作为屈服强度。拉伸强度是屈服后的最大负载下的标称应力。均匀伸长率是屈服后的最大负载下的标称应变。
马氏体和贝氏体的体积分率通过使用扫描式电子显微镜(SEM，倍率：2000～5000倍)，根据得到的SEM图像测定。应予说明，由于在SEM图像中难以区分马氏体和残余奥氏体，所以根据得到的SEM图像测定作为马氏体或残余奥氏体观察到的组织的面积率，将其作为马氏体或残余奥氏体的体积分率，将从其中减去后述的残余奥氏体的体积分率而得到的值作为马氏体的体积分率。另外，贝氏体的体积分率作为除马氏体和残余奥氏体以外的余量而计算。另外，铁素体和珠光体的体积分率也同样根据SEM图像求出。对观察用试样以观察面成为热轧时的轧制方向截面的方式进行裁取、研磨后，进行硝酸乙醇腐蚀而制成。另外，对于组织的面积率，在板厚1/2位置处以5个视场以上进行观察，作为在各视场得到的值的平均值来计算。
残余奥氏体的体积分率测定通过X射线衍射来进行。测定用试样通过在以衍射面成为板厚1/2位置的方式进行研削后，实施化学研磨并除去表面加工层而制成。测定使用Mo的Kα线，根据fcc铁的(200)、(220)、(311)面和bcc铁的(200)、(211)面的积分强度求出残余奥氏体的体积分率。
表2中分别示出了表1中的钢板No.1～21的机械特性。将热轧钢板的均匀伸长率为7.0％以上、且热轧钢板的屈服强度YS为600MPa以上、拉伸强度TS为950MPa以上的情况设为合格。
[表2]
·带下划线的字表示在本发明的范同外。
表1和表2中，No.1～3、7～9、18是本发明例，No.4～6、10～17、19～23是比较例。本发明例中，No.2是添加了Ca的例子，No.3是添加了Sn和Ca的例子。本发明例的组织均以贝氏体为主体，马氏体分率为3％～20％，残余奥氏体分率为10％以下。这些本发明例均是热轧钢板的屈服强度为600MPa以上，拉伸强度为950MPa以上，均匀伸长率为7.0％以上。并且，在这些本发明例中，能够使与制管退火后相当的屈服强度为130ksi(896MPa)以上。另外，在本发明例中，在不实施全管淬火处理和再加热回火处理的情况下，也能够实现生产率的提高和制造成本的抑制。
另一方面，比较例的No.4由于Nb、V的含量低于本发明的范围，热轧钢板的屈服强度和拉伸强度在本发明的范围外，与制管退火后相当的屈服强度没有达到130ksi。No.5、12中Mn或者Mo的含量低于本发明的范围，组织在本发明的范围外，因此热轧钢板的屈服强度和拉伸强度没有达到所希望的值。
No.6、14～17中C、Nb、V、Ti中的任一个元素的含量都低于本发明的范围，热轧钢板的屈服强度或者拉伸强度或者这两者没有达到所希望的值。No.10、11中Mn或者Mo的含量高于本发明的范围，组织在本发明的范围外，因此任一例中热轧钢板的屈服强度均没有达到所希望的值。
No.13中Mo的含量低于本发明的范围，组织在本发明的范围外，均匀伸长率没有达到7.0％。
No.19中Cr的含量低于本发明的范围，组织在本发明的范围外，因此热轧钢板的屈服强度以及拉伸强度没有达到所希望的值。
No.20、21、22中成分组成在本发明的范围内，但组织在本发明的范围外，因此热轧钢板的屈服强度和拉伸强度没有达到所希望的值。
No.23中热轧钢板的屈服强度和拉伸强度没有达到所希望的值。
根据以上，通过使热轧钢板的组织的主体为贝氏体而能够以高生产率且低成本制造连续管用电阻焊钢管，进而通过使该热轧钢板的组成和组织为本发明的范围内，能够具有辊轧成型所需的加工性，在制管退火后获得130ksi(896MPa)以上的屈服强度。

Claims (2)

1.一种连续管用热轧钢板，具有如下的成分组成，以质量％计，含有C：超过0.10％且为0.16％以下、Si：0.1％～0.5％、Mn：1.6％～2.5％、P：0.02％以下、S：0.005％以下、Al：0.01％～0.07％、Cr：超过0.5％且为1.5％以下、Cu：0.1％～0.5％、Ni：0.1％～0.3％、Mo：0.1％～0.3％、Nb：0.01％～0.05％、V：0.01％～0.10％、Ti：0.005％～0.05％、N：0.005％以下，剩余部分由Fe和不可避免的杂质构成，
以体积分率计，具有由3％～20％的马氏体、10％以下的残余奥氏体和余量的贝氏体构成的组织，屈服强度为600MPa以上，拉伸强度为950MPa以上，均匀伸长率为7.0％以上。
2.根据权利要求1所述的连续管用热轧钢板，其中，除上述成分组成以外，以质量％计，进一步含有选自Sn：0.001％～0.005％、Ca：0.001％～0.003％中的1种或2种。
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