JP2006152332A - マルテンサイト系ステンレス鋼管及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】C:0.18〜0.22%、Si:0.1〜0.5%、Mn:0.40〜1.00%、P:0.011〜0.018%、S≦0.003%、Cr:11.50〜13.50%、Ni≦0.5%、Al:0.0005〜0.003%、N:0.012〜0.040%、Cu:≦0.25%、Ti:≦0.05%、V:0.02〜0.18、Mo:0〜0.05%、Nb:0〜0.009%、B≦0.0010%及びCa≦0.0010%を含み、残部はFeと不純物からなり、650MPa以上の降伏強度及びVノッチ試験片を用いた0℃でのシャルピー衝撃値で70J/cm2を超える靱性を有する高強度マルテンサイト系ステンレス鋼管。
【選択図】なし
Description
fn=50Mo+500(V−0.04)+5000Nb・・・(A)。
但し、(A)式中の元素記号は、その元素の質量%での鋼中含有量を表す。
C:
Cは、熱処理後に所望の強度、つまり、YSで650MPa以上の強度を確保するのに必要な元素であるが、製管ままの状態で固溶強化をもたらすため、製管ままでの衝撃割れを防止するために、その含有量は0.22%以下とする必要がある。一方、Cはオーステナイト安定化元素であり、低減しすぎるとδ−フェライトが生成して製管後に内面欠陥を生じ、特にCの含有量が0.18%を下回るとδ−フェライトによる内面欠陥の発生が著しくなる。
Siは、鋼の脱酸剤として利用される。Siの含有量が0.1%未満では前記効果が得られず、一方、0.5%を超えると靱性が劣化する。したがって、Siの含有量を0.1〜0.5%とした。
Mnは、強度向上に効果的な元素である。また、Siと同様、脱酸作用を有し、更に、鋼中のSをMnSとして固定して熱間加工性を改善する作用も有する。しかし、Mnの含有量が0.40%未満ではこれらの効果が得られない。一方、Mnは熱処理後に粗大な炭化物を形成して靱性を低下させる。特に、Mnの含有量が1.00%を超えると靱性が大きく低下する。
Pは鋼の不純物の一つであり、その含有量が高いと熱処理後の鋼管(つまり、製品)の靱性が低下するため、含有量の上限は0.018%とする必要がある。なお、Pの含有量は低ければ低い程良いが、過剰な低P化処理は製造コストのを増大を招くこととなる。本発明においては、前述のC及びMn、並びに後述のAlやN等の他の元素の含有量を適正化することによって、通常の脱P処理で容易に達成できる0.011%の場合にも高い靱性の確保が実現できる。このため、Pの含有量を0.011〜0.018%とした。
Sは熱間加工性を低減させる不純物であり、しかも、過剰に含有すると靱性の低下をも招く。特に、その含有量が0.003%を超えると、熱間加工性及び靱性の低下が著しくなる。したがって、Sの含有量を0.003%以下とした。なお、Sの含有量は低ければ低い程良いが、製造コスト面から、その下限は0.0005%程度とすることが好ましい。
Crは、鋼の耐食性を向上させる基本成分である。特に、その含有量が11.50%以上でCO2環境下での耐食性を著しく高める作用を有する。一方、Crはフェライト形成元素であり、その含有量が13.50%を超えると高温での加工の際にδ−フェライトが生成し易くなって、熱間加工性が損なわれるし、原料コストも嵩む。したがって、Crの含有量を11.50〜13.50%とした。
Niは、オーステナイト安定化元素で鋼の熱間加工性を改善するが、高価な元素であり、原料コストの上昇をきたすので、その含有量を0.5%以下とした。なお、Ni含有量の下限は0.03%程度であっても構わない。
本発明者らの検討によって、Alの含有量を極めて微量の0.003%以下の領域まで低減させると、靱性を著しく改善できることが初めて明らかになった。この詳細な理由は不明であるものの、Alの含有量が0.003%を超える場合には粒界にM23C6型の粗大な炭化物が広範囲に生成しているのに対して、その含有量が0.003%以下の場合には粒界にM23C6型の粗大な炭化物が殆ど認められないことから、Alの含有量を極めて微量に抑えることで、sol.Al(酸可溶Al)又は、AlNとして存在する量が低減し、そのことが炭化物の生成抑制に効果を及ぼしていると考えられる。
Nは、オーステナイト安定化元素で鋼の熱間加工性を改善する作用を有する。しかし、その含有量が0.012%未満では前記効果が得難い。一方、0.040%を超えて多量に含有させると、製管ままの状態で靱性低下や加工硬化を引き起こし、熱処理後の鋼管の靱性の低下をも招く。
Cuはオーステナイト安定化元素であり、熱間加工性を改善する。この効果を確実に得るには、Cuの含有量は0.01%以上とすることが好ましい。しかし、Cuは低融点材料であるため、過剰に含有させると却って熱間加工性の低下をきたす。特に、その含有量が0.25%を超えると、熱間加工性の低下が著しくなる。したがって、Cuの含有量を0.25%以下とした。
Tiは、Nとともに窒化物を形成して固溶N量を減少させ、製管ままの状態での靱性を高める作用を有する。この効果を確実に得るには、Tiの含有量は0.01%以上とすることが好ましい。しかし、Tiを多量に含有させると熱処理後に炭化物及び/又は窒化物を形成して硬度上昇をきたし、これによって、靱性の低下を招く。特に、その含有量が0.05%を超えると、熱処理後の鋼管の靱性低下が著しくなる。したがって、Tiの含有量を0.05%以下とした。
Vは、Nとともに窒化物を形成して固溶N量を減少させ、製管ままの状態での靱性を高める作用を有する。また、熱処理後に微細な炭化物を形成して「YS/硬度」比を上昇させるため、同じ強度グレードの鋼管でも硬度を低く抑えることができ、靱性の向上にも有効な元素である。更に、微量の添加で焼戻し温度を高め、610℃以上の高温での焼戻しを可能として、焼戻しに引き続いてストレートナーによる矯正処理を行う場合であっても、510℃を超えるような高い温度の確保が可能となり、ストレートナーでの矯正処理で生じる加工の影響を抑えることができる。こうした効果を得るには、Vの含有量は0.02%以上とする必要がある。一方、Vの多量添加は、熱処理後に炭化物及び/又は窒化物を形成して硬度上昇をきたし、これによって、靱性の低下を招く。特に、その含有量が0.18%を超えると、熱処理後の鋼管の靱性低下が著しくなるし、原料コストの上昇を招くことにもなる。
Moの添加は任意である。添加すれば、Cとともに炭化物を形成し、鋼の強度を高める作用を有し、また、Pの粒界偏析を抑制して靱性を改善する作用もある。更に、微量の添加で焼戻し温度を高め、610℃以上の高温での焼戻しを可能とするので、焼戻しに引き続いてストレートナーによる矯正処理を行う場合であっても、510℃を超えるような高い温度の確保が可能となり、ストレートナーでの矯正処理で生じる加工の影響を抑えることができる。こうした効果を確実に得るには、Moの含有量は0.01%以上とすることが好ましい。しかし、Moを0.05%を超えて含有すると、所定の強度を得るための焼戻し温度が高くなりすぎて燃料コストが嵩むことに加えて、Mo自体が高価な元素であるため原料コストの増加を招く。したがって、Moの含有量を0〜0.05%とした。なお、(2)の発明において、Moの含有量は前記(A)式で表されるfnの値が0〜80を満たすものでなければならない。このことについては後述する。
Nbの添加は任意である。添加すれば、CとともにNbCを形成し、鋼の強度を高めるとともに結晶粒を微細化して靱性を高める作用を有する。更に、微量の添加で焼戻し温度を高め、610℃以上の高温での焼戻しを可能とするので、焼戻しに引き続いてストレートナーによる矯正処理を行う場合であっても、510℃を超えるような高い温度の確保が可能となり、ストレートナーでの矯正処理で生じる加工の影響を抑えることができる。こうした効果を確実に得るには、Nbの含有量は0.001%以上とすることが好ましい。しかし、Nbを多量に添加して、特に、その含有量が0.009%を超えると、硬度上昇により靱性が低下することに加えて所定の強度を得るための焼戻し温度が高温になりすぎて燃料コストが嵩む上、オーステナイトが形成され強度低下を招く恐れがある。
Bは、結晶粒の微細化及びPの粒界偏析を抑えることによる熱間加工性の改善と靱性改善の作用を有する。こうした効果を確実に得るには、Bの含有量は0.0001%以上とすることが好ましい。しかし、Bを過剰に添加すると却って靱性が低下し、特に、Bの含有量が0.0010%を超えると靱性の低下が大きくなる。したがって、Bの含有量を0.0010%以下とした。
Caは、Sと結合してSの粒界偏析による熱間加工性の低下を防止する作用を有する。こうした効果を確実に得るには、Caの含有量は0.0002%以上とすることが好ましい。しかし、Caを過剰に添加すると地疵が発生し、特に、Caの含有量が0.0010%を超えると地疵の発生が顕著になる。したがって、Caの含有量を0.0010%以下とした。
本発明の化学組成を有する鋼管の焼戻し温度は、特に、Nb、V及びMoの添加によって大幅に変化する。鋼管の焼戻しを610℃以上の高温で行うことができれば、その焼戻しに引き続いてストレートナーによる矯正処理を行う場合であっても、510℃を超えるような高い温度の確保が可能となり、ストレートナーでの矯正処理で生じる加工の影響を抑えることができる。そして、610℃以上の高温焼戻しによって、YSで750MPa以上の高強度を安定、且つ確実に確保するためには、前記(A)式で表されるfnの値を0〜80の範囲に制御する必要がある。
既に述べたように、強度グレードが高い場合、通常のAPI−13Cr油井管の靱性は低い。そこで、(1)の発明は、YSで650MPa以上の高い強度とVノッチ試験片を用いた0℃でのシャルピー衝撃試験における衝撃値で70J/cm2を超える靱性とを兼備するマルテンサイト系ステンレス鋼管と規定した。また、(2)の発明は、YSで750MPa以上の高い強度とVノッチ試験片を用いた0℃でのシャルピー衝撃試験における衝撃値で50J/cm2を超える靱性を有する兼備する高強度マルテンサイト系ステンレス鋼管と規定した。
(C−1)造管後常温まで放冷又は空冷した鋼管の加熱
前記(1)の発明又は(2)の発明の化学組成を有するマルテンサイト系ステンレス鋼を素材として造管し、常温まで放冷又は空冷した鋼管は、930〜980℃の温度域の温度T1で5〜30分加熱処理してから焼入れし、その組織をマルテンサイトとすることが好ましい。
前記(C−1)項で述べた条件でオーステナイト化した鋼管を焼入れしてマルテンサイト組織とする場合、粗大な炭化物析出による靱性低下を抑えるためには急冷することが好ましいが、マルテンサイト系ステンレス鋼管は焼割れを生じやすい。
前記(C−2)項で述べた冷却を施した鋼管は、610〜750℃で焼戻しを行うのがよい。
焼戻し後、鋼管に対して、ストレートナー出側温度を510℃以上として曲がり矯正処理を行うのがよい。
なお、ストレートナーによる加工の影響を抑えるためには、ストレートナーの出側温度は750℃未満であれば高い方がよい。
Claims (4)
- 質量%で、C:0.18〜0.22%、Si:0.1〜0.5%、Mn:0.40〜1.00%、P:0.011〜0.018%、S:0.003%以下、Cr:11.50〜13.50%、Ni:0.5%以下、Al:0.0005〜0.003%、N:0.012〜0.040%、Cu:0.25%以下、Ti:0.05%以下、V:0.02〜0.18、Mo:0〜0.05%、Nb:0〜0.009%、B:0.0010%以下及びCa:0.0010%以下を含み、残部はFe及び不純物からなり、650MPa以上の降伏強度及びVノッチ試験片を用いた0℃でのシャルピー衝撃試験における衝撃値で70J/cm2を超える靱性を有することを特徴とする靱性及び熱間加工性に優れた高強度マルテンサイト系ステンレス鋼管。
- 質量%で、C:0.18〜0.21%、Si:0.1〜0.5%、Mn:0.40〜0.70%、P:0.011〜0.018%、S:0.003%以下、Cr:11.50〜13.50%、Ni:0.5%以下、Al:0.0005〜0.003%、N:0.012〜0.032%、Cu:0.25%以下、Ti:0.05%以下、V:0.04〜0.18%、Mo:0〜0.05%、Nb:0.002〜0.009%、B:0.0010%以下及びCa:0.0010%以下を含み、残部はFe及び不純物からなり、且つ、下記(A)式で表されるfnの値が0〜80を満たし、750MPa以上の降伏強度及びVノッチ試験片を用いた0℃でのシャルピー衝撃試験における衝撃値で50J/cm2を超える靱性を有することを特徴とする靱性及び熱間加工性に優れた高強度マルテンサイト系ステンレス鋼管。
fn=50Mo+500(V−0.04)+5000Nb・・・(A)
但し、(A)式中の元素記号は、その元素の質量%での鋼中含有量を表す。 - 請求項1に記載の化学組成を有するマルテンサイト系ステンレス鋼を素材として造管し、常温まで放冷又は空冷した鋼管を930〜980℃の温度域の温度T1で5〜30分加熱した後、温度T1から600〜350℃の温度域の温度T2までを1〜40℃/秒の冷却速度で冷却し、次いで、温度T2から300〜150℃の温度域の温度T3まで及び温度T3未満の温度域を常温まで、それぞれ、1℃/秒未満及び5〜40℃/秒の冷却速度で冷却し、更に、610〜750℃での焼戻しに続けて、ストレートナー出側温度を510℃以上として曲がり矯正処理を行うことを特徴とする請求項1に記載の高強度マルテンサイト系ステンレス鋼管の製造方法。
- 請求項2に記載の化学組成を有するマルテンサイト系ステンレス鋼を素材として造管し、常温まで放冷又は空冷した鋼管を930〜980℃の温度域の温度T1で5〜30分加熱した後、温度T1から600〜350℃の温度域の温度T2までを1〜40℃/秒の冷却速度で冷却し、次いで、温度T2から300〜150℃の温度域の温度T3まで及び温度T3未満の温度域を常温まで、それぞれ、1℃/秒未満及び5〜40℃/秒の冷却速度で冷却し、更に、610〜750℃での焼戻しに続けて、ストレートナー出側温度を510℃以上として曲がり矯正処理を行うことを特徴とする請求項2に記載の高強度マルテンサイト系ステンレス鋼管の製造方法。
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