JP4094388B2 - 高強度高靭性高クロム継目無鋼管の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、油井やガス井に用いられる高クロム鋼管の製造方法に関し、特に、湿潤炭酸ガス環境下で用いられる降伏強度７５８ＭＰａ以上で且つ靭性に優れたものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、探鉱、掘削技術の進歩により油井・ガス井開発の成功率が大幅に上昇し、従来、開発が困難とされていた高深度の井戸、高温高圧のガス田および寒冷地での開発が増加し、これら厳しい環境での使用に耐える油井管が種々検討されている。
【０００３】
そして、近年の石油・ガス価格の低迷により生産性コストを低減し生産井のライフサイクルコストを最小化する要望も強まり、湿潤炭酸ガス環境での耐食性とともに高強度高靭性な油井用鋼管の開発が強く要望されるようになっている。
【０００４】
従来、油井用材料としてＡＩＳＩ（米国鉄鋼協会）４２０鋼が、比較的安価で且つ高強度（深層用の油井管に必要な５５１ＭＰａ以上の降伏強度）が熱処理により容易に得られるため用いられてきたが、上述したニーズに適合させるため降伏強度を７５８ＭＰａ以上とした場合、十分な靭性を確保することが困難であった。
【０００５】
そこで、マルテンサイト系ステンレス鋼が高強度でかつ高靭性な油井管用鋼材として開発され、例えば、特許２９９５４２号公報、特許２８６１０２４号公報、特許２６０２３１９号公報に開示されている。
【０００６】
特許２９９５４２号公報には、Ｃｒ：１１〜１７％、Ｎｉ：３．５〜７．０％を含有し、特許２８６１０２４号公報にはＣｒ：９．０〜１５％、Ｎｉ：５．２〜８％、Ｍｏ：０．１〜７．０％を含有するマルテンサイト系ステンレス鋼が記載されているが、３．５％以上の高Ｎｉ系で高価なため生産コスト低減の観点からは適当でない。
【０００７】
特許２６０２３１９号公報はＣｒ：８〜１４％を含有するマルテンサイト系ステンレス鋼に関するものであるが、Ｃｕ：１．２〜４．５％を含有する特殊な成分組成であり、熱間加工性の低下が懸念される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、既存のマルテンサイト系ステンレス鋼は経済性や生産性の観点から必ずしも十分な特性を有しているとは言い難かった。
【０００９】
そこで、本発明は、湿潤炭酸ガス環境下で優れた耐食性を有し、安価で且つ生産性に優れる高強度、高靭性マルテンサイト系ステンレス鋼の製造方法を提供することを課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、高クロム鋼の強度・靭性、炭酸ガス環境下での耐食性および熱間加工性におよぼす成分組成、熱処理条件の影響について鋭意検討を行い、成分組成をＮｉ−Ｎｂ系で鋼中Ｎ量を２００ｐｐｍ以下とし、特定の条件で焼入れ焼戻しをした場合、優れた特性の得られることを見出した。
【００１１】
本発明は、得られた知見を基に更に検討を加えてなされたものであり、すなわち、本発明は、
１．質量％で、Ｃ：０．０２〜０．０５％、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．００５％以下、Ｃｒ：１０〜１２％、Ｎｉ：１．５〜３．０％、Ｎｂ：０．００５〜０．１０％、Ｎ：２００ｐｐｍ以下、Ａｌ：０．０１〜０．１０％、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる鋼を熱間成形後冷却し、７８０〜８６０℃に再加熱後焼入れし、５５０〜６５０℃で焼戻すことを特徴とする降伏強度７５８ＭＰａ以上の高強度高靭性高クロム継目無鋼管の製造方法を提供する。
【００１２】
２．１の鋼成分に更に、質量％で、Ｃｕ：０．５％以下、Ｖ：０．１０％以下、Ｃａ：５０ｐｐｍ以下の少なくとも一種又は二種以上を添加することを特徴とする請求項１記載の降伏強度７５８ＭＰａ以上の高強度高靭性高クロム継目無鋼管の製造方法を提供する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明では、鋼の成分組成、製造条件を規定する。
１．成分組成
Ｃ
Ｃは、鋼中に固溶しマルテンサイトの強度を向上するとともにＮｂ炭化物を生成し、強度・靭性を向上させるため添加する。０．０２％未満ではその効果が十分得られず、一方０．０５％を超えると多量のＣｒ炭化物が生成し、靭性、耐食性が劣化するため０．０２〜０．０５％（０．０２％以上、０．０５％以下）とする。
【００１４】
Ｓｉ
Ｓｉは、脱酸のため添加するが０．５％を超えると靭性が劣化するため、０．５％以下とする。
【００１５】
Ｍｎ
Ｍｎは、脱酸や焼入れ性を増加させ強度を向上させるため添加する。２．０％を超えると靭性が劣化するため、２．０％以下とする。
【００１６】
Ｐ
Ｐは、不純物元素で靭性を劣化させるため、その影響が許容できる０．０３％以下に低減するが、少ないほど好ましい。
【００１７】
Ｓ
Ｓは、不純物元素で靭性を劣化させるため、その影響が許容できる０．００５％以下に低減するが、少ないほど好ましい。
【００１８】
Ｃｒ
Ｃｒは、耐食性を向上させるため添加する。１０％未満ではその効果が十分でなく１２％を超えるとその効果が飽和し経済性が損なわれるため１０〜１２％とする。
【００１９】
Ｎｉ
Ｎｉは、耐食性、靭性を向上させるため添加する。１．５％未満ではその効果が十分でなく、一方、２．０％を超えるとその効果が飽和し経済性が損なわれるため１．５〜２．０％とする。
【００２０】
Ｎｂ
Ｎｂは、焼戻し時に微細な炭化物を析出し強度を向上させるとともに焼入れ時のＮｂ炭化物の溶け残りによりオーステナイト粒の粗大化を抑制し靭性を向上させるため添加する。０．００５％未満ではその効果が十分でなく、０．１０％を超えるとその効果が飽和し、粗大な炭化物の析出により靭性が低下するようになるため０．００５〜０．１０％とする。
【００２１】
Ｎ
Ｎは、耐食性、強度上昇に有効であるが２００ｐｐｍを超えると熱間加工性が著しく劣化するため２００ｐｐｍ以下とする。
【００２２】
Ａｌ
Ａｌは、脱酸および組織を微細化し靭性を向上させるため添加する。０．０１％未満では十分な効果が得られず、０．１０％を超えるとその効果が飽和し、フェライトの生成介在物の増加により、疵の発生ならびに靭性の低下が生じるようになるため、０．０１〜０．１０％とする。
【００２３】
以上が本発明の基本成分組成であるが、更に特性を向上させる場合、Ｃｕ，Ｖ，Ｃａの一種または二種以上を添加する。
【００２４】
Ｃｕ
Ｃｕは強度、耐食性を更に向上させる場合添加するが、０．５％を超えると熱間加工性が低下するため０．５％以下とする。
【００２５】
Ｖ
Ｖは更に強度を向上させる場合、添加するが、０．１０％を超えるとその効果が飽和し、粗大な析出物により靭性が低下するようになるため０．１０％以下とする。
【００２６】
Ｃａ
Ｃａは硫化物の形態を制御し、耐食性ならびに靭性を向上させるため、これらの特性を更に向上させる場合添加する。５０ｐｐｍを超えるとＣａ系介在物の増加で耐食性、靭性が劣化するようになるため５０ｐｐｍを上限とする。
【００２７】
２．製造条件
本発明では上述した成分組成の鋼を溶製後、ビレット等の形状に鋳造し、その後押出型穿孔機もしくは傾斜ロール型穿孔圧延機による穿孔、熱間圧延、場合によりさらに縮径圧延により継目無鋼管を製造し、特定の条件で加熱処理を行なう。
【００２８】
焼入れ
焼入れは組織をマルテンサイト単相とし、また炭化物を十分固溶させ焼入れ時のマルテンサイトの強度を確保し、焼戻し時に微細Ｎｂ炭窒化物を析出させ所望の強度が得られるように焼入れ時の加熱温度を７８０℃以上とする。
【００２９】
一方、８６０℃を超えるとオーステナイト粒が粗大化し靭性が低下するため、７８０〜８６０℃とする。
【００３０】
焼戻し
焼戻しは、微細Ｎｂ炭窒化物の析出による強度確保と焼入れままマルテンサイトマトリックスの軟化による靭性向上のために行う。焼戻し温度が５５０℃未満ではその効果が十分でなく、６５０℃を超えると所望の強度が得られなくなるため、５５０〜６５０℃とする。
【００３１】
尚、本発明で鋼の溶製は、目的とする成分組成が得られるものであれば良く、転炉、電気炉等に規定しない。
【００３２】
【実施例】
表１に示す種々の化学成分の鋼を溶製し、熱間圧延により板厚１２ｍｍの鋼板とし、熱処理後、強度、靭性、耐食性および熱間加工性を調査した。
【００３３】
強度は板厚中央部からＪＩＳ１４Ｂ号丸棒試験片（６ｍｍΦ）を採取し、引張試験により降伏強度を求めた。
【００３４】
靭性は板厚中央部からフルサイズのＶノッチシャルピー試験片を採取し、試験温度−４０℃での衝撃吸収エネルギーを求めた。
【００３５】
耐食性は炭酸ガス飽和の人工海水中（１０％ＮａＣｌ＋飽和ＣＯ2溶液、ｐＨ：５．０）に１５０℃×９６ｈｒで浸漬し、腐食減量により評価した。
【００３６】
熱間加工性は、鋳造ままのインゴットから捩り試験片を採取し、熱間捩り試験（試験温度１０００〜１３００℃）により評価した。
【００３７】
表２に熱処理条件とともにこれらの試験結果を示す。本願発明は降伏強度７５８ＭＰａ（１１０ｋｓｉ）以上、−４０℃での吸収エネルギー１００Ｊ以上を目標とし、耐食性は腐食速度が０．２ｍｍ／ｙｅａｒ以下、熱間加工性は熱間捩り試験での破断までの回転数がいずれの試験温度においても１０回転以上を目標とする。
【００３８】
表２から明らかなように本発明鋼はいずれも試験においても優れた特性が得られている。
【００３９】
一方、比較鋼Ａ２，Ａ３、Ａ４，Ｄ２，Ｄ３，Ｈ２は化学成分は本発明範囲内であるが製造条件が本発明範囲外となっているもので、強度、靭性の何れかが目標値より劣っている。
【００４０】
比較鋼Ｋ１〜Ｖ１は、製造条件は本発明範囲内であるが化学成分が本発明範囲外となっているもので、強度、靭性、耐食性、熱間加工性の何れかが本発明範囲外となっている。
【００４１】
【表１】

【００４２】
【表２】

【００４３】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、湿潤炭酸ガス雰囲気での耐食性に優れ、７５８ＭＰａ以上の降伏強度と靭性に優れた継目無鋼管が、安価に生産性良く得られ、産業上極めて有用である。

Claims (2)

1. 質量％で、Ｃ：０．０２〜０．０５％、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．００５％以下、Ｃｒ：１０〜１２％、Ｎｉ：１．５〜３．０％、Ｎｂ：０．００５〜０．１０％、Ｎ：２００ｐｐｍ以下、Ａｌ：０．０１〜０．１０％、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる鋼を熱間成形後冷却し、７８０〜８６０℃に再加熱後焼入れし、５５０〜６５０℃で焼戻すことを特徴とする降伏強度７５８ＭＰａ以上の高強度高靭性高クロム継目無鋼管の製造方法。
2. 請求項１の鋼成分に更に、質量％で、Ｃｕ：０．５％以下、Ｖ：０．１０％以下、Ｃａ：５０ｐｐｍ以下の少なくとも一種又は二種以上を添加することを特徴とする請求項１記載の降伏強度７５８ＭＰａ以上の高強度高靭性高クロム継目無鋼管の製造方法。