JP2002348610A - マルテンサイト系ステンレス鋼管の製造方法 - Google Patents

マルテンサイト系ステンレス鋼管の製造方法

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JP2002348610A JP2001152992A JP2001152992A JP2002348610A JP 2002348610 A JP2002348610 A JP 2002348610A JP 2001152992 A JP2001152992 A JP 2001152992A JP 2001152992 A JP2001152992 A JP 2001152992A JP 2002348610 A JP2002348610 A JP 2002348610A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】応力除去熱処理を施さなくても割れが発生しな
いマルテンサイト系ステンレス鋼管の製造方法の提供。 【解決手段】質量%で、C:0.05%以下、N:0.07%以
下、Cr:10.5〜14.0%、H:0.00001〜0.0008%を含有
し、C、Nの含有量をそれぞれ[C]、[N]としたと
き、2×[C]+[N]<0.11を満足する鋼材をAc3
点以上で製管し、下記式を満足する仕上温度で仕上製管
を行い、空冷以上の冷却速度で冷却してマルテンサイト
系ステンレス鋼管を製造する。 940 < T − 2.7 × Rd < 1210 ただし、T:仕上温度(K)、Rd:外径加工度(%)=
(加工前の外径−加工後の外径)/加工前の外径×100

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、割れが発生しない
マルテンサイト系ステンレス鋼管の製造方法に係り、よ
り詳しくは、製管したままの状態の製管にスウェージ等
の冷間加工を施した後、応力除去熱処理を施さなくても
割れが発生しないマルテンサイト系ステンレス鋼管の製
造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】マルテンサイト系ステンレス鋼は、強
度、靱性といった機械的特性に加え、耐食性、耐熱性に
も優れているため、油井管の材料として使用されること
が多い。マルテンサイト系ステンレス鋼の中でも、AISI
(全米鉄鋼協会)420鋼に代表されるCr含有量が約13%
のマルテンサイト系ステンレス鋼、いわゆる13%Cr鋼
は、炭酸ガス、硫化水素、塩素イオンに曝される厳しい
環境下でも十分に耐えうる耐食性を有するため、特に油
井管の鋼材として多用される。
【0003】マルテンサイト系ステンレス鋼を油井管、
特に小径チュービングとして使用する場合、油井管同士
を接合するため、その管端部をスウェージ、エキスパン
ド等の冷間加工し、特殊なネジ切り加工を施す必要があ
る。熱処理した油井管にスウェージを施し、最終製品と
した場合、管端部には残留応力が発生し、硬度が上昇す
るため、SSC(硫化物応力割れ)が発生する。SSC
の発生は応力除去熱処理により応力を緩和させ、硬度を
低下させることで防止することができる。
【0004】応力除去熱処理を行えば、製造工数が増
え、製造コストが上昇する。この応力除去熱処理を省略
するには、焼入れ、焼戻しが必要とされる熱処理品であ
れば、熱処理を施す前に製管したままの状態の油井管に
スウェージを施せばよい。しかし、熱処理品以外の製品
では、加工後、短時間で応力除去熱処理または焼入れ・
焼戻しなどの熱処理を実施しないと硬度の上昇と残留応
力に起因する割れが生じる。スウェージ直後に応力除去
熱処理と同様の熱処理を行えば、この割れの発生を防止
することができるが、この場合も、最終工程として熱処
理工程を加えるため、製造工数および製造コストの上昇
は避けられない。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】油井管を効率よく製造
する観点から、応力除去熱処理を行わないでマルテンサ
イト系ステンレス鋼管の管端部に生じる割れを防止する
ための発明がされている。特開平9−111345号公
報には、鋼管中のH含有量を規制あるいは、さらに加工
温度を制限することにより割れの防止を試みた発明が開
示されている。
【0006】上記公報に開示された発明では、鋳造直前
におけるH含有量が0.00025重量%以下である鋼材を、
パイプ形状に熱間加工してマルテンサイト組織の素管を
作製し、冷間加工してマルテンサイト系ステンレス鋼管
を製造する。しかし、この発明では、鋼中のH含有量を
0.00025重量%と極めて低濃度まで下げなければなら
ず、脱水素のために軟化、徐冷等の特別な処理を行え
ば、製造工数の増加および製造コストの上昇は避けられ
ない。
【0007】また、上記公報に開示された別の発明で
は、鋳造直前におけるH含有量が0.00055重量%以下で
ある鋼材を、パイプ形状に熱間加工してマルテンサイト
組織の素管を作製し、この素管を550℃以上の温度領域
に再加熱し、熱間加工してマルテンサイト系ステンレス
鋼管を製造する。しかし、この発明では、H含有量を極
低濃度にする必要はないものの、この場合にも、素管の
製造後、550℃以上に再加熱する必要があるので、製造
工数の増加および製造コストの上昇は避けられない。
【0008】
【課題を解決するための手段】マルテンサイト系ステン
レス鋼管を、製管したままの状態で冷間加工することに
より発生する割れは、遅れ破壊(静的疲れ破壊ともい
う)が原因である。遅れ破壊とは、マルテンサイト系ス
テンレス鋼を引張強さよりも低い負荷状態にした場合、
引張応力の集中箇所にHが集中して起こる脆性破壊のこ
とであり、冷間加工によりマルテンサイト系ステンレス
鋼に導入される残留応力、硬度上昇および鋼中に残留す
るHの相乗効果により生じる。冷間加工した直後、応力
除去熱処理を行えば、遅れ破壊は防止することができる
が、応力除去熱処理によって製造コストの上昇を招くこ
とになる。また、製管し、熱処理した後に冷間加工を行
えば、最終製品に加工の影響が残り、性能が低下する。
このため、応力除去熱処理が必要となり、製造工数、製
造コストの上昇を招く。
【0009】本発明者は、冷間加工により最終製品の性
能を低下させず、かつ応力除去熱処理を行うことなく、
遅れ破壊による割れを防止するために、マルテンサイト
系ステンレス鋼管の組成と加工方法を規定することによ
りマルテンサイト系ステンレス鋼管に割れが生じない製
造方法を検討した。
【0010】まず、鋼管中に侵入型に存在するCとNに
着目した。CとNは冷間加工により発生した転位を固着
し硬度を上昇させる効果を有する。硬度の上昇は割れを
誘発するため、CとNの含有量は一定以下であることが
必要である。そこで、CとNの含有量を規定すること
で、割れを防止することができる。
【0011】また、鋼管を製造する際の加工方法につい
ても着目した。鋼管を製造する場合、通常、ビレットに
熱間で穿孔・圧延等を施し鋼管状に形状を整える。その
際、最終加工における仕上圧延の圧延温度が低いと再結
晶が不十分となり、鋼管の結晶粒は圧延方向に伸長され
た扁平粒となる。この結晶粒の長短比(圧延方向の結晶
粒の長さ/縮径方向の結晶粒の長さ)が大きいと割れが
発生しやすくなる傾向があり、長短比は5未満にすれ
ば、割れを防止でき、この長短比は仕上温度と加工度が
一定の値を満たせば、長短比は5未満となり、割れが防
止できる。
【0012】本発明は、以上の知見に基づいて完成した
発明であって、下記のマルテンサイト系ステンレス鋼管
の製造方法を要旨としている。
【0013】質量%で、C:0.05%以下、N:0.07%以
下、Cr:10.5〜14.0%、H:0.00001〜0.0008%を含有
し、C、Nの含有量(%)をそれぞれ[C]、[N]と
したとき、2×[C]+[N]<0.11を満足する鋼材を
c3点以上で製管し、下記式を満足する仕上温度で仕
上圧延を行い、空冷以上の冷却速度で冷却する。
【0014】940 < T − 2.7 × Rd < 1210 ただし、T:仕上温度(K)、Rd:外径加工度(%)=
{(加工前の外径−加工後の外径)/加工前の外径}×
100を表す。
【0015】この際、前記鋼材が、さらに、質量%で、
Ni:0.5〜7.0%を含まれていることが好ましい。また、
前記鋼材が、質量%で、Si:0.05〜1%、Mn:0.2〜1.5
%、Mo:0.05〜3.0%、Al:0.001〜0.05%、Ti:0.0005
〜0.3%、Cu:0.005〜3%、V:0.01〜0.08%、Nb:0.0
005〜0.028%、Ca:0.0002〜0.005%のうちいずれか1
つまたは2以上を含有し、残部は実質的にFeからなり、
不純物として、P:0.020%以下、S:0.01%以下であ
ることが好ましい。
【0016】
【発明の実施の形態】本発明は、マルテンサイト系ステ
ンレス鋼管の製造方法に関する発明である。ここで、マ
ルテンサイト系ステンレス鋼管とは、13%程度のCrを含
有させた鋼、すなわち、いわゆる13%Cr鋼と呼ばれる鋼
からなる鋼管のことをいい、マルテンサイト組織を有す
るため、耐食性とともに耐熱性も有する。以下では、本
発明に係るマルテンサイト系ステンレス鋼管の製造方法
に関し、(1)製管用の鋼材の成分組成と(2)鋼管の
製造条件についてそれぞれ詳細に述べる。
【0017】(1)製管用の鋼材の成分組成 以下では、鋼材の成分組成、および含有することが好ま
しい成分元素について詳述する。
【0018】C:0.05%以下 Cは発生した転位を固着させて硬度を大きくする効果を
有し、遅れ破壊感受性を高める。C含有量は低いほどよ
いが、低くするためには、製鋼工程で精錬に必要な時間
が長くなるので、C含有量の過剰な低減は製鋼コストの
上昇を招く。C含有量は、0.004%以上が好ましい。ま
た、C含有量が0.05%超であると、硬度を大きくなるの
に加え、CとCrが結合し、固溶Cr量が低下し、耐食性が
悪くなる。
【0019】N:0.07%以下 NもCと同様に、発生した転位を固着させて硬度を大き
くする効果を有し、遅れ破壊感受性を高める。一方で、
オーステナイトを安定化させる元素として高価なNiの代
わりに含有させることもできる。割れを生じさせないた
めには、N含有量も低いほどよいが、低くするためには
製鋼工程で精錬に必要な時間が長くなるので、N含有量
の過剰な低減は製鋼コストの上昇を招く。N含有量は、
0.003%以上が好ましい。また、N含有量が0.07%超で
あると、硬度を大きくなり、割れやすくなる。
【0020】以上のようにC、Nの含有量を規定した
が、マルテンサイト系ステンレス鋼管に割れが生じない
ようにするには、前記鋼材のC、Nの含有量をそれぞれ
[C]、[N]としたとき、2×[C]+[N]<0.11
を満足することが必要である。この条件は種々の実験に
より得られた条件であり、そのメカニズムは明確になっ
ていないが、前述のように、CとNはともに鋼管中に侵
入型に存在し、転位を固着させて硬度を大きくする効果
を有する。このため、マルテンサイト系ステンレス鋼管
中にCとNが同時に存在した場合、その相乗効果により
CとNがその最大含有量に達しなくても十分硬度が大き
くなり、割れが生じるため、上記のような[C]、
[N]で規定される式を満足する必要がある。
【0021】Cr:10.5〜14.0% Crは耐食性を向上させる元素、特に耐CO腐食特性に
優れる元素である。孔食や隙間腐食を防ぐためには、Cr
含有量を10.5%以上にすることが必要である。一方、Cr
はフェライト形成元素であり、Cr含有量が14.0%超で
は、高温加熱するとδフェライトが生成し、熱間加工性
が低下する上に、フェライトの量が多くなり耐応力腐食
割れ性を損なわないために焼戻しを行っても所定の強度
が得られない。
【0022】H(水素):0.00001〜0.0008% Hは遅れ破壊を引き起こす元素である。そのため、H含
有量は低いほど好ましい。しかし、H含有量を0.00001
%未満にするには、長時間の脱水素処理が必要となり、
製鋼コストの上昇を招く。また、0.0008%超であると、
CとNの含有量を上記のように規定したとしても、冷間
加工により割れが生じる。
【0023】なお、本発明に用いるようなマルテンサイ
ト系ステンレス鋼では、通常、精錬による脱ガス処理に
より、H含有量が2.5ppm(0.00025%)まで脱H化でき
る。これ以上H含有量を低くするには脱H熱処理を行え
ばよいが、脱H熱処理には、作業コスト、製造コストの
増大を招く。本発明では、H含有量が2.5ppm以上でも割
れを防止できることから、本発明の工業的な意義は大き
い。
【0024】Ni:0.5〜7.0% Niはオーステナイトを安定化させる元素であり、本発明
のようなC含有量が低いマルテンサイト系ステンレス鋼
管では、Niを含有させることで熱間加工性が著しく改善
する。そのため、0.5%以上含有させることが好まし
い。一方、過剰に添加すると、高温から冷却してマルテ
ンサイト相に変化させようとしても、オーステナイト相
が残留し、強度の不安定化および耐食性が低下するた
め、Ni含有量は7.0%以下とすることが好ましい。
【0025】なお、Niが0.5〜7.0%含有する、いわゆる
スーパー13%Cr鋼からなる鋼材を用いた場合、Niを含有
させたことによりAC1変態点が低下するので、強度の
調整上、AC1変態点付近で焼戻し処理が必要になる。
そして、焼戻しの際に生成した逆変態オーステナイトが
空冷の際、再度マルテンサイト組織となるため、この後
に行う応力除去熱処理によりVC等の炭化物が析出し、
強度が不安定になるといった問題も生じる。しかし、本
発明のようにC、N、Hの含有量を調整し、製管、仕上
圧延すれば、応力除去熱処理を行わなくてよいので、ス
ーパー13%Cr鋼を使用した際に生じる強度の安定性の問
題も解決する。
【0026】Si:0.05〜1% Siは製鋼段階で、脱酸剤として必要な元素である。しか
し、含有量が多いと、靱性および延性が劣化するので、
Siの含有量は0.05〜1%とするのが好ましい。
【0027】Mn:0.2〜1.5% MnもSiと同様に脱酸剤として必要な元素である。また、
Mnにはオーステナイト安定化元素として熱間加工の際に
フェライトの析出を抑制することにより熱間加工性を改
善させる効果も有する。熱間加工性を改善させるには0.
2%以上含有させることが必要である。しかし、含有量
が多いと、靱性および延性が劣化するので、Mnの含有量
は0.2〜1.5%とするのが好ましい。
【0028】Mo:0.05〜3.0% MoはCrと同様に耐食性を向上させる効果を有する。耐食
性を向上させるには0.05%以上含有させることが必要で
ある。しかし、含有量が多いと、熱間加工性が低下する
ので、Moの含有量は0.05〜3.0%とするのが好ましい。
【0029】Al:0.001〜0.05% Alは脱酸剤として有効であり、またNと結合してAlNを
形成し、転位の固着の原因となるNを捕らえて硬度の上
昇を防ぐとともに、結晶粒の微細化を促進する効果を有
する。その効果を得るには、0.001%以上含有させるこ
とが必要である。しかし、含有量が多いと、鋼の清浄度
を劣化させるとともに、連続鋳造時のノズル詰まりの原
因となることから、Alの含有量は0.001〜0.05%とする
のが好ましい。
【0030】Ti:0.0005〜0.3% Tiは焼戻しの際に固溶しているCと結合してTiCを生成
し、CとVが結合して強度が大きくなることを抑制し、
V含有量のバラツキに起因する強度のバラツキを低減す
る。その効果を得るには、0.0005%以上含有させること
が必要である。しかし、含有量が多いと、過剰添加とな
りコスト高となるので、Tiの含有量は0.0005〜0.3%と
するのが好ましい。
【0031】Cu:0.005〜3% CuはCr、Moと同様に耐食性を向上させる効果を有すると
ともに、オーステナイト安定化元素として熱間加工性を
向上させる。耐食性および熱間加工性を向上させるには
0.005%以上含有させることが必要である。しかし、含
有量が多いと、低融点元素であることから、著しく熱間
加工性が低下するので、Cuの含有量は0.005〜3%とする
のが好ましい。
【0032】V:0.01〜0.08% Vはオーステナイト結晶粒の微細化による延性改善を促
進し、かつ延性を低下させるC、Nを固定するととも
に、固溶Crの増加による耐食性を向上させる。延性およ
び耐食性を向上させるには0.01%以上含有させることが
必要である。しかし、含有量が多いと、VCが析出し、
著しく焼戻し後の硬度が大きくなるので、Vの含有量は
0.01〜0.08%とするのが好ましい。
【0033】Nb:0.0005〜0.028% NbはNbCを形成し、高強度化が図れ、かつ結晶粒が細粒
化することによる高靱性化を達成できる。高強度化およ
び高靱性化を達成するには、0.0005%以上含有させるこ
とが必要である。しかし、含有量が多いと、靱性が劣化
するため、Nbの含有量は0.0005〜0.028%とするのが好
ましい。
【0034】Ca:0.0002〜0.005% CaはSによる熱間加工性が劣化することを防止するのに
効果がある。この効果を得るには、0.0002%以上含有さ
せることが必要である。しかし、含有量が多いと、粗大
な介在物が生じ、靱性、耐食性が劣化し、製管が困難に
なるため、Caの含有量は0.0002〜0.005%とするのが好
ましい。
【0035】P:Pは、鋼中に含有される不純物元素で
あるが、鋼中に大量に含まれると製管キズの発生が顕著
になり、靱性も著しく低下するので、0.020%以下とす
ることが好ましい。
【0036】S:Sは、Pと同様に、鋼中に含有される
不純物元素であるが、鋼中に大量に含まれると熱間加工
性および靱性が著しく劣化するので、0.01%以下とする
ことが好ましい。
【0037】(2)鋼管の製造条件 本発明では、まず、上記(1)のような成分組成を含有
する鋼材をAc3点以上に加熱して製管する。通常、製
管はビレット状の鋼材を加熱炉にてAc3点以上に加熱
し、穿孔機で穿孔し、マンドレルミルにて圧延後、スト
レッチレデューサー等で所定の外径、肉厚の鋼管に形状
を整えることによって行う。穿孔および圧延時の温度を
c3点以上とすることで、鋼材の組織をオーステナイ
ト化し、空冷以上の冷却速度で冷却することにより、造
管後の組織をマルテンサイト組織とする。
【0038】続いて、下記式を満足する仕上温度Tで仕
上圧延を行い、空冷以上の冷却速度で冷却してマルテン
サイト系ステンレス鋼管を製造する。ここで、Tは仕上
温度(K)、Rdは外径加工度(%)(={(加工前の外
径−加工後の外径)/加工前の外径}×100)を表し、
加工前の外径とは、鋼材を穿孔し、マンドレル圧延等を
行った後、仕上圧延をする前の外径、加工後の外径と
は、仕上圧延を行った後の鋼管の外径を意味する。ま
た、本発明で、空冷以上の冷却速度で冷却するとは、空
冷の他に、噴霧冷却、水冷却等が該当し、冷却速度 0.5
℃/min以上を意図する。
【0039】940 < T − 2.7 × Rd < 1210 図1は、マルテンサイト系ステンレス鋼管にスウェージ
加工を施した後の割れ発生率を示したものである。割れ
の発生を防止するためには、940<T−2.7×Rdを満足す
る仕上温度で仕上圧延を行うことが必要である。これ
は、前述したように、製造された鋼管の結晶粒の長短比
を適正化できたためであり、940<T−2.7×Rdとなる鋼
管の結晶粒の長短比はいずれも5未満である。
【0040】図2は、鋼管表面に発生したあばた(表面
欠陥の一種)の深さを示したものである。940<T−2.7
×Rdを満たしても、外径加工度に対して仕上温度が高す
ぎると結晶粒が粗大化し、靱性が低下し、鋼管表面の表
面性状が悪化する。あばた欠陥をなくし、表面性状をよ
くするためには、T−2.7×Rd<1210を満足する仕上温
度で仕上圧延を行うことが必要である。
【0041】仕上製管の後は、空冷以上の冷却速度で冷
却することが必要である。この冷却により、マルテンサ
イト組織を誘起し、マルテンサイト系ステンレス鋼管と
することができる。
【0042】
【実施例】本発明の効果を確認するため、さまざまな成
分組成を有する鋼材を用いてマルテンサイト系ステンレ
ス鋼管を製造した。
【0043】表1は、本発明の効果を確認するために使
用した鋼材の成分組成を示したものである。これらの鋼
材を分塊圧延により、ビレット化し、このビレットをA
c3点以上(1200〜1250℃)に加熱し、穿孔およびマン
ドレルミルにて圧延を施し、鋼管状に形状を整えた。最
後に、仕上製管として圧延を施した後、空冷し、最終的
に1の成分組成の鋼材につき、外径加工度を40%とした
鋼管(外径88.9mm、肉厚6.45mm)と外径加工度を20%と
した鋼管(外径114.3mm、肉厚6.88mm)の二種類のマル
テンサイト系ステンレス鋼管を得た。そして、この鋼管
について、割れの発生の有無を確かめるため、冷間にて
約8%のスウェージ加工を施し、72時間後の割れと表
面性状を目視で確認した。
【0044】
【表1】 表2は、外径加工度が40%の鋼管、表3は、外径加工度
が20%の鋼管の表面性状と割れの発生の有無を示したも
のである。なお、表2、3では、その備考欄に合わせて
本発明の実施に必要な条件について列記し、本発明の実
施に必要な条件を満たすものには○、満たさないものに
は×を付けた。
【0045】
【表2】
【表3】 表2、表3からも明らかなように、本発明の範囲内にあ
る鋼管については、割れの発生もなく、表面性状も問題
なかった。一方、本発明の範囲内にない鋼管について
は、割れが発生する(条件C1〜C10、C12〜C14、D1〜D1
0、D12〜D14)か、鋼管表面にあばた欠陥が発生(C11、
D11)した。
【0046】
【発明の効果】本発明に係るマルテンサイト系ステンレ
ス鋼管の製造方法を用いれば、製管したままの状態の鋼
管を冷間加工した後、従来行っていた応力除去熱処理を
施すことなく、遅れ破壊による割れを防止でき、表面性
状もよいマルテンサイト系ステンレス鋼管を得ることが
できる。さらに応力除去熱処理を施さないので、製造工
数が増加することなく、製造コストを抑制することがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、マルテンサイト系ステンレス鋼管にス
ウェージ加工を施した後の割れ発生率を示したものであ
る。
【図2】図2は、鋼管表面に発生したあばたの深さを示
したものである。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】質量%で、C:0.05%以下、N:0.07%以
    下、Cr:10.5〜14.0%、H:0.00001〜0.0008%を含有
    し、C、Nの含有量(%)をそれぞれ[C]、[N]と
    したとき、2×[C]+[N]<0.11を満足する鋼材を
    c3点以上の温度で製管し、下記式を満足する仕上温
    度で仕上圧延を行い、空冷以上の冷却速度で冷却するこ
    とを特徴とするマルテンサイト系ステンレス鋼管の製造
    方法。 940 < T − 2.7 × Rd < 1210 ただし、T:仕上温度(K) Rd:外径加工度(%)={(加工前の外径−加工後の外
    径)/加工前の外径}×100
  2. 【請求項2】前記鋼材が、さらに、質量%で、Ni:0.5
    〜7.0%を含むことを特徴とする請求項1に記載のマル
    テンサイト系ステンレス鋼管の製造方法。
  3. 【請求項3】前記鋼材が、質量%で、Si:0.05〜1%、M
    n:0.2〜1.5%、Mo:0.05〜3.0%、Al:0.001〜0.05
    %、Ti:0.0005〜0.3%、Cu:0.005〜3%、V:0.01〜
    0.08%、Nb:0.0005〜0.028%、Ca:0.0002〜0.005%の
    うちいずれか1つまたは2以上を含有し、残部は実質的
    にFeからなり、不純物として、P:0.020%以下、S:
    0.01%以下であることを特徴とする請求項1または2に
    記載のマルテンサイト系ステンレス鋼管の製造方法。
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