JP4348567B2 - 拡管性に優れた鋼管及びその製造方法 - Google Patents
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Description
この発明は、例えば、油井およびガス井の掘削に使用され、井戸中で拡管される鋼管及びその製造方法に関する。
油田、ガス田から原油、天然ガスを採取する井戸において、掘削した井戸の側壁の崩落を防止するケーシングは通常入れ子構造になっており、地表に近い部位では何重ものケーシングが設置される。その場合、何重ものケーシングに対応する径の井戸を掘削する必要があり、掘削費用が高価となる。近年、上記問題を解決するため、井戸中で拡管する、エキスパンダブルケーシング技術が開発されつつある。この技術によれば、従来に比べて小径坑の掘削で井戸を完成させることが可能となり、大幅なコストダウンが期待されている。
しかし、井戸上部から下部まで全く同じ径の掘削坑で井戸を完成させようとすると、拡管率がかなり大きくなるので、従来の油井管を用いた場合には、拡管時に一部が薄肉化して穴開きが生じる、大きな曲がりが発生する等の問題があり、実用化のハードルが高かった。拡管性に優れる鋼管については、下記の発明が開示されている。
特許文献１には、所定の化学組成を有し、組織中に相分率５体積％以上の残留γ相を有することを特徴とする拡管性に優れる油井用継目無鋼管に関する発明が開示されている。
特許文献２には、所定の化学組成を有し、Mn、CrおよびMoの含有量の関係ならびにC、Si、Mn、CrおよびMoの含有量の関係を規定した拡管用継目無油井鋼管に関する発明が開示されている。
特許文献１および２には、いずれも拡管性を考慮した鋼管に関する技術が開示されている。しかしながら、これらの文献の実施例を見ると、引張強度が７００〜８００ＭＰａの材料において、均一伸びが高々２１％であり、十分な拡管性能が得られているとは言い難い。
そこで、本発明者らは、拡管性をいっそう向上させるためには、均一伸びの値を大きくすることが重要であるという知見のもと、均一伸びの大きな材料の創出を検討した。その結果、従来油井用継目無鋼管の主流とされてきた焼戻しマルテンサイト鋼の均一伸びが全般的に劣っていることが判明した。本発明者らの更なる研究により、その原因は、焼戻しマルテンサイトの組織が極めて均一な、フェライト系の単一相からなることによるものであることが分かった。そこで、均一伸びに及ぼす金属組織の影響を調査した結果、下記の知見を得た。
(a)油井用継目無鋼管の熱処理方法の主流である焼入れ処理によれば、均一なマルテンサイト組織が得られ、焼戻しを実施してもフェライト系の単一組織となるので、均一伸びの観点からは不適切な熱処理である。
(b)油井用継目無鋼管を焼入れ温度に加熱した後、放冷した場合、金属組織は、フェライトとパーライトの混合組織となって、同じ強度レベルで比較すると、均一伸びが大きく向上した。この結果は、単一相からなる金属組織ではなく、軟質のフェライト相と、硬質のパーライトの混合組織とすれば、良好な均一伸びが得られることを示している。
(c)しかし、フェライトとパーライトの混合組織では、油井管に必要な強度と靱性が十分でない。
本発明は、６００ＭＰａ以上の引張強度を有する鋼管であって、大きな拡管率で拡管加工しても、一部が薄肉化して穴開きが生じたり、大きな曲がりが発生したりすることのない、即ち、拡管性に優れた鋼管を提供することを目的とする。本発明は、また、そのような鋼管の製造方法を提供することを目的とする。
本発明者らは、合金組成の観点、熱処理の温度、冷却速度、冷却パターン等の観点で鋭意研究を行い、本発明を完成させた。
本発明は、下記の（１）〜（８）に示す拡管性に優れた鋼管及び下記の（９）〜（１１）に示す拡管性に優れた鋼管の製造方法を要旨とする。
（１）質量％で、Ｃ：０．１〜０．４５％、Ｓｉ：０．３〜３．５％、Ｍｎ：０．５〜５％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０１％以下、sol.Ａｌ：０．０１〜０．８％（Ｓｉ含有量が１．５％未満の場合、０．１％以上）、Ｎ：０．０５％以下およびＯ：０．０１％以下を含有し、残部はＦｅおよび不純物からなり、金属組織がフェライトと、微細なパーライト、ベイナイトおよびマルテンサイトの一種以上との混合組織であり、６００ＭＰａ以上の引張強度および下記（１）式を満足する均一伸びを有することを特徴とする拡管性に優れた鋼管。
ｕ−ｅｌ≧２８−０．００７５ＴＳ ・・・（１）
但し、ｕ−ｅｌは均一伸び（％）、ＴＳは引張強度（ＭＰａ）である。
ｕ−ｅｌ≧２８−０．００７５ＴＳ ・・・（１）
但し、ｕ−ｅｌは均一伸び（％）、ＴＳは引張強度（ＭＰａ）である。
（２）さらに、質量％で、Ｃｒ：１．５％以下およびＣｕ：３．０％以下の１種または２種を含有することを特徴とする上記（１）の拡管性に優れた鋼管。
（３）さらに、質量％で、Ｍｏ：１％以下を含有することを特徴とする上記（１）または（２）の拡管性に優れた鋼管。
（４）さらに、質量％で、Ｎｉ：２％以下を含有することを特徴とする上記（１）から（３）までのいずれかの拡管性に優れた鋼管。
（５）さらに、質量％で、Ｔｉ：０．３％以下、Ｎｂ：０．３％以下、Ｖ：０．３％以下、Ｚｒ：０．３％以下およびＢ：０．０１％以下から選択される１種以上の元素を含有することを特徴とする上記（１）から（４）までのいずれかの拡管性に優れた鋼管。
（６）さらに、質量％で、Ｃａ：０．０１％以下、Ｍｇ：０．０１％以下およびＲＥＭ：１．０％以下から選択される１種以上を含有することを特徴とする上記（１）から（５）までのいずれかの拡管性に優れた鋼管。
（７）さらに、下記（２）式を満足する均一伸びを有することを特徴とする上記（１）から（６）までのいずれかの拡管性に優れた鋼管。
ｕ−ｅｌ≧２９．５−０．００７５ＴＳ ・・・（２）
但し、ｕ−ｅｌは均一伸び（％）、ＴＳは引張強度（ＭＰａ）である。
（８）金属組織が、更に、残留オーステナイトを有する混合組織であることを特徴とする上記（１）から（７）までのいずれかの拡管性に優れた鋼管。
ｕ−ｅｌ≧２９．５−０．００７５ＴＳ ・・・（２）
但し、ｕ−ｅｌは均一伸び（％）、ＴＳは引張強度（ＭＰａ）である。
（８）金属組織が、更に、残留オーステナイトを有する混合組織であることを特徴とする上記（１）から（７）までのいずれかの拡管性に優れた鋼管。
（９）上記（１）から（６）までのいずれかの化学組成を有する鋼管を７００〜７９０℃に加熱した後、７００〜５００℃の平均冷却速度を１００℃／分以上として、１００℃以下の温度域まで強制冷却することを特徴とする拡管性に優れた鋼管の製造方法。
（１０）上記（１）から（６）までのいずれかの化学組成を有する鋼管を７００〜７９０℃に加熱した後、７００〜５００℃の平均冷却速度を１００℃／分以上として、２５０〜４５０℃の温度域まで強制冷却し、２５０〜４５０℃の温度域で１０分以上均熱した後、室温まで冷却することを特徴とする拡管性に優れた鋼管の製造方法。
（１１）上記（１）から（６）までのいずれかの化学組成を有する鋼管を７００〜７９０℃に加熱した後、７００〜５００℃の平均冷却速度を１００℃／分以上として、２５０超〜４５０℃の温度域まで強制冷却した後、この強制冷却終了温度以下２５０℃以上の温度域における平均冷却速度が１０℃／分以下となる条件で冷却し、その後、室温まで冷却することを特徴とする拡管性に優れた鋼管の製造方法。
本発明の製造方法によって得た鋼管は、６００ＭＰａ以上の引張強度を有しながら、大きな拡管率で拡管加工しても、一部が薄肉化して穴開きが生じたり、大きな曲がりが発生したりすることはない。
本発明の鋼管は、６００ＭＰａ以上の引張強度を有しながら、優れた拡管性を有している。また、本発明の鋼管の製造方法は、所定の化学組成を有する鋼管を製造した後、所定の熱処理を実施して鋼管の拡管性を向上させることとしている。まず、本発明の鋼管の化学組成について説明し、その後、熱処理条件及びその限定理由について説明する。
１．化学組成
Ｃ：０．１〜０．４５％
Ｃは、強度を決める基本的な元素である。より具体的には、Ｃは、後段で説明する熱処理を施した場合に鋼管の硬質相と軟質相の強度差を大きくして、均一伸びを向上させる効果がある。この効果を得るためには０．１％以上含有させる必要がある。しかし、０．４５％を超えてＣを含有させると、硬質相の強度が高くなりすぎて、靱性が低下する。従って、Ｃの含有量は、０．１〜０．４５％とした。Ｃの下限は０．１５％とするのが好ましい。より好ましい下限は０．２５％であり、更に好ましい下限は０．３５％である。
Ｃ：０．１〜０．４５％
Ｃは、強度を決める基本的な元素である。より具体的には、Ｃは、後段で説明する熱処理を施した場合に鋼管の硬質相と軟質相の強度差を大きくして、均一伸びを向上させる効果がある。この効果を得るためには０．１％以上含有させる必要がある。しかし、０．４５％を超えてＣを含有させると、硬質相の強度が高くなりすぎて、靱性が低下する。従って、Ｃの含有量は、０．１〜０．４５％とした。Ｃの下限は０．１５％とするのが好ましい。より好ましい下限は０．２５％であり、更に好ましい下限は０．３５％である。
Ｓｉ：０．３〜３．５％
Ｓｉは、軟質相の安定性を高めるので、鋼管に確実に軟質相を存在させて、大きな均一伸びを確保するのに重要な元素である。この効果を得るためには０．３％以上含有させる必要がある。しかし、Ｓｉの含有量が過剰な場合、熱間加工性を低下させる。従って、Ｓｉの含有量は０．３〜３．５％とした。より大きな均一伸びを確保するためには、Ｓｉの下限を１．５％とするのが好ましい。より好ましい下限は２．１％である。なお、sol.Ａｌが０．１％未満の場合は、Ｓｉを１．５％以上とする。
Ｓｉは、軟質相の安定性を高めるので、鋼管に確実に軟質相を存在させて、大きな均一伸びを確保するのに重要な元素である。この効果を得るためには０．３％以上含有させる必要がある。しかし、Ｓｉの含有量が過剰な場合、熱間加工性を低下させる。従って、Ｓｉの含有量は０．３〜３．５％とした。より大きな均一伸びを確保するためには、Ｓｉの下限を１．５％とするのが好ましい。より好ましい下限は２．１％である。なお、sol.Ａｌが０．１％未満の場合は、Ｓｉを１．５％以上とする。
Ｍｎ：０．５〜５％
Ｍｎは、焼き入れ性を高めて、強化に寄与すると共に、軟質相の安定性を高めて、大きな均一伸びを確保するのに重要な元素である。これらの効果を得るためには、０．５％以上含有させる必要がある。しかし、Ｍｎ含有量が５％を超えると、靱性が低下する。従って、Ｍｎ含有量は０．５〜５％とした。Ｍｎの下限は、１．０％とするのが望ましく、２．５％とするのがより好ましい。さらに好ましい下限は３．５％である。
Ｍｎは、焼き入れ性を高めて、強化に寄与すると共に、軟質相の安定性を高めて、大きな均一伸びを確保するのに重要な元素である。これらの効果を得るためには、０．５％以上含有させる必要がある。しかし、Ｍｎ含有量が５％を超えると、靱性が低下する。従って、Ｍｎ含有量は０．５〜５％とした。Ｍｎの下限は、１．０％とするのが望ましく、２．５％とするのがより好ましい。さらに好ましい下限は３．５％である。
Ｐ：０．０３％以下
Ｐは、粒界の結合力を小さくして、靱性を低下させる元素であり、可及的に少ないことが好ましい。しかし、あまりに低位に制限すると、製鋼コストが上昇する。従って、実用上十分な靭性および経済性を考慮して、０．０３％を許容上限とした。靭性の更なる向上のためには、Ｐの含有量は０．０２％以下に制限するのが好ましく、より好ましいのは０．０１５％以下である。
Ｐは、粒界の結合力を小さくして、靱性を低下させる元素であり、可及的に少ないことが好ましい。しかし、あまりに低位に制限すると、製鋼コストが上昇する。従って、実用上十分な靭性および経済性を考慮して、０．０３％を許容上限とした。靭性の更なる向上のためには、Ｐの含有量は０．０２％以下に制限するのが好ましく、より好ましいのは０．０１５％以下である。
Ｓ：０．０１％以下
Ｓは、粒界の結合力を小さくして、靱性を低下させる元素であり、可及的に少ないことが好ましい。しかし、あまりに低位に制限すると、製鋼コストが上昇する。従って、実用上十分な靭性および経済性を考慮して、０．０１％を許容上限とした。靭性を更に向上させるためには、Ｓの含有量は０．００５％以下に制限するのが好ましく、より好ましいのは０．００２％以下である。
Ｓは、粒界の結合力を小さくして、靱性を低下させる元素であり、可及的に少ないことが好ましい。しかし、あまりに低位に制限すると、製鋼コストが上昇する。従って、実用上十分な靭性および経済性を考慮して、０．０１％を許容上限とした。靭性を更に向上させるためには、Ｓの含有量は０．００５％以下に制限するのが好ましく、より好ましいのは０．００２％以下である。
sol.Ａｌ：０．０１〜０．８％（Ｓｉ含有量が１．５％未満の場合、０．１％以上）
Ａｌは、脱酸に必要な元素であると同時に、軟質相の安定性を高め、均一伸びを向上させる作用がある。軟質相の安定性および均一伸びは、sol.Ａｌが０．０１％以上の場合に改善されるが、その含有量が少ないと、あまり大きな改善効果が得られない。特に、この改善効果は、sol.Ａｌが０．１％以上の場合に顕著となる。但し、sol.Ａｌが０．０１〜０．１％未満であっても、Ｓｉを１．５％以上含有させた場合には、上記の改善効果が十分に得られる。一方、sol.Ａｌが０．８％を超えると、クラスター状の非金属介在物が生成して、靱性が低下する。従って、sol.Ａｌは、０．０１〜０．８％としたが、Ｓｉ含有量が１．５％未満の場合には、０．１％以上とする必要がある。均一伸びを確保する観点から、sol.Ａｌの下限は０．２％とするのが好ましく、より好ましい下限は、０．３％である。
Ａｌは、脱酸に必要な元素であると同時に、軟質相の安定性を高め、均一伸びを向上させる作用がある。軟質相の安定性および均一伸びは、sol.Ａｌが０．０１％以上の場合に改善されるが、その含有量が少ないと、あまり大きな改善効果が得られない。特に、この改善効果は、sol.Ａｌが０．１％以上の場合に顕著となる。但し、sol.Ａｌが０．０１〜０．１％未満であっても、Ｓｉを１．５％以上含有させた場合には、上記の改善効果が十分に得られる。一方、sol.Ａｌが０．８％を超えると、クラスター状の非金属介在物が生成して、靱性が低下する。従って、sol.Ａｌは、０．０１〜０．８％としたが、Ｓｉ含有量が１．５％未満の場合には、０．１％以上とする必要がある。均一伸びを確保する観点から、sol.Ａｌの下限は０．２％とするのが好ましく、より好ましい下限は、０．３％である。
Ｎ：０．０５％以下
Ｎは、不純物として鋼中に存在し、靭性を低下させるので、その許容上限を０．０５％とした。
Ｎは、不純物として鋼中に存在し、靭性を低下させるので、その許容上限を０．０５％とした。
Ｏ：０．０１％以下
Ｏも不純物として鋼中に存在し、靭性を低下させるので、その許容上限値を０．０１％とした。
Ｏも不純物として鋼中に存在し、靭性を低下させるので、その許容上限値を０．０１％とした。
本発明の鋼管は、上記の化学組成を有し、残部はＦｅおよび的不純物からなるものである。ただし、各種性能を向上させることを目的として、Ｆｅの一部に代えて、下記の元素を含有させてもよい。
Ｃｒ：１．５％以下
Ｃｒは、添加しなくてもよいが、添加すれば、焼き入れ性を高めて、Ｃとの相互作用により、硬質相を安定化して鋼管の強度を高める作用を発揮する。従って、油井管としてより高強度が要求される場合には添加することができる。その効果が顕著となるのはＣｒが０．１％以上含まれる場合である。しかし、Ｃｒ含有量が過剰な場合、靱性を低下させる。従って、Ｃｒを含有させる場合には、その含有量を１．５％以下とするのが望ましい。
Ｃｒは、添加しなくてもよいが、添加すれば、焼き入れ性を高めて、Ｃとの相互作用により、硬質相を安定化して鋼管の強度を高める作用を発揮する。従って、油井管としてより高強度が要求される場合には添加することができる。その効果が顕著となるのはＣｒが０．１％以上含まれる場合である。しかし、Ｃｒ含有量が過剰な場合、靱性を低下させる。従って、Ｃｒを含有させる場合には、その含有量を１．５％以下とするのが望ましい。
Ｃｕ：３．０％以下
Ｃｕは、添加しなくてもよいが、添加すれば、冷却途中での、均熱保持時に析出強化作用が働き、強度を向上させる作用を有する。この作用が顕著となるのは、Ｃｕを０．３％以上含有させた場合である。しかし、その含有量が過剰な場合、靱性、熱間加工性を低下させる。従って、Ｃｕを含有させる場合には、その含有量を３．０％以下とするのが望ましい。良好な熱間加工性を確保するためには、ＣｕとともにＮｉも添加するのが好ましい。
Ｃｕは、添加しなくてもよいが、添加すれば、冷却途中での、均熱保持時に析出強化作用が働き、強度を向上させる作用を有する。この作用が顕著となるのは、Ｃｕを０．３％以上含有させた場合である。しかし、その含有量が過剰な場合、靱性、熱間加工性を低下させる。従って、Ｃｕを含有させる場合には、その含有量を３．０％以下とするのが望ましい。良好な熱間加工性を確保するためには、ＣｕとともにＮｉも添加するのが好ましい。
Ｍｏ：１％以下
Ｍｏは、添加しなくてもよいが、添加すれば、油井環境における耐食性を向上させる効果を有する。従って、油井管としてより高い耐食性が要求される場合には添加することができる。その効果が顕著となるのは０．０５％以上含有させた場合である。しかし、その含有量が過剰な場合には、靱性を低下させる。従って、Ｍｏを含有させる場合には、その含有量を１％以下とするのが望ましい。
Ｍｏは、添加しなくてもよいが、添加すれば、油井環境における耐食性を向上させる効果を有する。従って、油井管としてより高い耐食性が要求される場合には添加することができる。その効果が顕著となるのは０．０５％以上含有させた場合である。しかし、その含有量が過剰な場合には、靱性を低下させる。従って、Ｍｏを含有させる場合には、その含有量を１％以下とするのが望ましい。
Ｎｉ：２％以下
Ｎｉは、添加しなくてもよいが、添加すれば、軟質相の安定性を高め、大きな均一伸びを確保するのに貢献する。その効果が顕著となるのは０．１％以上含有させた場合である。しかし、高価な元素であるので、経済性から過剰な添加は避けたい。従って、Ｎｉを含
有させる場合には、その含有量を２％以下とするのが望ましい。好ましい上限は１．５％であり、より好ましい上限は１．０％である。
Ｎｉは、添加しなくてもよいが、添加すれば、軟質相の安定性を高め、大きな均一伸びを確保するのに貢献する。その効果が顕著となるのは０．１％以上含有させた場合である。しかし、高価な元素であるので、経済性から過剰な添加は避けたい。従って、Ｎｉを含
有させる場合には、その含有量を２％以下とするのが望ましい。好ましい上限は１．５％であり、より好ましい上限は１．０％である。
Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、ＺｒおよびＢの１種以上：それぞれ０．３％以下、０．３％以下、０．３％以下、０．３％以下および０．０１％以下
Ｔｉ、Ｎｂ、ＶおよびＺｒは、添加しなくてもよいが、添加すれば、炭窒化物を形成して、結晶粒の粗粒化を抑制する作用があり、靱性を向上させる。その効果が顕著となるのは、これらの元素の１種以上を０．００３％以上含有させた場合である。一方、これらの元素の含有量が過剰な場合には、かえって靱性が低下する。従って、Ｔｉ、Ｎｂ、ＶおよびＺｒから選択される１種以上を含有させる場合には、それぞれの元素の含有量を０．３％以下とするのが望ましい。
Ｔｉ、Ｎｂ、ＶおよびＺｒは、添加しなくてもよいが、添加すれば、炭窒化物を形成して、結晶粒の粗粒化を抑制する作用があり、靱性を向上させる。その効果が顕著となるのは、これらの元素の１種以上を０．００３％以上含有させた場合である。一方、これらの元素の含有量が過剰な場合には、かえって靱性が低下する。従って、Ｔｉ、Ｎｂ、ＶおよびＺｒから選択される１種以上を含有させる場合には、それぞれの元素の含有量を０．３％以下とするのが望ましい。
Ｂは、添加しなくてもよいが、添加すれば、添加すると粒界の結合を強化して、靱性を向上させる。この効果が顕著となるのは、Ｂを０．０００５％以上含有させた場合である。一方、その含有量が過剰な場合、粒界に硼炭化物が析出して、かえって靱性を低下させる。従って、Ｂを含有させる場合には、その含有量を０．０１％以下とするのが望ましい。
Ｃａ、ＭｇおよびＲＥＭの１種以上：それぞれ０．０１％以下、０．０１％以下および１．０％以下
Ｃａ、ＭｇおよびＲＥＭはいずれも、添加しなくてもよいが、添加すれば、熱間加工性を改善するので、過酷な熱間加工が必要な場合は添加しても良い。いずれの元素も、０．０００５％以上含有させた場合に、熱間加工性の改善の効果が顕著となる。しかし、いずれの元素も、その含有量が過剰な場合、ねじ切り部の表面精度が低下する。従って、Ｃａ、ＭｇおよびＲＥＭの１種以上を含有させる場合には、それぞれの含有量を０．０１％以下、０．０１％以下、１．０％以下とするのが望ましい。Ｃａ、ＭｇおよびＲＥＭの二種以上を添加すると、更に熱間加工性が向上する。
Ｃａ、ＭｇおよびＲＥＭはいずれも、添加しなくてもよいが、添加すれば、熱間加工性を改善するので、過酷な熱間加工が必要な場合は添加しても良い。いずれの元素も、０．０００５％以上含有させた場合に、熱間加工性の改善の効果が顕著となる。しかし、いずれの元素も、その含有量が過剰な場合、ねじ切り部の表面精度が低下する。従って、Ｃａ、ＭｇおよびＲＥＭの１種以上を含有させる場合には、それぞれの含有量を０．０１％以下、０．０１％以下、１．０％以下とするのが望ましい。Ｃａ、ＭｇおよびＲＥＭの二種以上を添加すると、更に熱間加工性が向上する。
なお、ＲＥＭは、Ｓｃ、Ｙおよびランタノイドの合計１７元素の総称であり、ＲＥＭの含有量は上記元素の合計量を意味する。
２．製造方法
（１）溶製〜造管
鋼の溶製方法および鋼管の形状に形造る方法は、特に制限はなく、通常の製造方法を採用すればよい。製管方法としては、例えば、継目無鋼管、薄鋼板を円筒状に加工して継ぎ目を溶接した溶接鋼管等、通常のプロセスで造管された鋼管を用いればよい。
（１）溶製〜造管
鋼の溶製方法および鋼管の形状に形造る方法は、特に制限はなく、通常の製造方法を採用すればよい。製管方法としては、例えば、継目無鋼管、薄鋼板を円筒状に加工して継ぎ目を溶接した溶接鋼管等、通常のプロセスで造管された鋼管を用いればよい。
（２）熱処理
本発明は、前記の化学組成を有する鋼管に所定の熱処理を適用することによって、大きな均一伸びを与え、大きな拡管加工に耐えうる拡管性に優れた鋼管を得るものである。以下に熱処理の手順を記述する。
本発明は、前記の化学組成を有する鋼管に所定の熱処理を適用することによって、大きな均一伸びを与え、大きな拡管加工に耐えうる拡管性に優れた鋼管を得るものである。以下に熱処理の手順を記述する。
加熱：７００〜７９０℃
加熱温度は、低すぎると焼入れ効果が得られないので、７００℃以上とする必要がある。一方、加熱温度が高すぎると、フェライト相が消失して軟質相が少なくなるので、７９０℃以下とする必要がある。均熱時間については、特に限定しないが、５分以上６０分以下とするのが好ましい。
加熱温度は、低すぎると焼入れ効果が得られないので、７００℃以上とする必要がある。一方、加熱温度が高すぎると、フェライト相が消失して軟質相が少なくなるので、７９０℃以下とする必要がある。均熱時間については、特に限定しないが、５分以上６０分以下とするのが好ましい。
冷却：７００〜５００℃の平均冷却速度が１００℃／分以上
加熱後の鋼管を、７００〜５００℃の温度域における平均冷却速度を１００℃／分以上として、１００℃以下の温度域まで強制冷却することにより、鋼管の組織を軟質のフェライト組織と硬質の微細なパーライト、ベイナイトまたはマルテンサイトとの混合組織とすることができる。その結果、鋼管の組織が軟質相および硬質相の混合組織となるので、均一伸びを大幅に向上することができる。
加熱後の鋼管を、７００〜５００℃の温度域における平均冷却速度を１００℃／分以上として、１００℃以下の温度域まで強制冷却することにより、鋼管の組織を軟質のフェライト組織と硬質の微細なパーライト、ベイナイトまたはマルテンサイトとの混合組織とすることができる。その結果、鋼管の組織が軟質相および硬質相の混合組織となるので、均一伸びを大幅に向上することができる。
なお、冷却条件を変更することなく、加熱した鋼管を連続的に強制冷却する場合、低温になるほどに冷却速度が遅くなる傾向があるが、本発明においては、７００〜５００℃の温度域における平均冷却速度が１００℃／分以上となるような条件で１００℃の温度域まで強制冷却すれば良く、５００℃域未満の冷却速度は、１００℃／分未満となっても差し障りがない。
さらに、２５０〜４５０℃の温度域で強制冷却を終了し、均熱することにより、残留オーステナイトを生成させやすくなり、これによって鋼管の加工硬化作用を助長して、均一伸びを大幅に向上させることができる。この効果を得るためには、均熱時間は１０分以上とするのが望ましい。その後の冷却は強制冷却であっても放冷であってもかまわない。また、均熱をしなくても、２５０超〜４５０℃の温度域で強制冷却を終了した後、この強制冷却温度以下２５０℃以上の温度域における冷却速度を１０℃／分以下となる条件で徐冷することによっても、残留オーステナイトを生成させやすくなるので、同様の効果が得られる。その後の冷却は強制冷却であっても放冷であってもかまわない。
その他：
焼戻しは、基本的に必要ではないが、５００℃以下の低温焼戻しを実施しても良い。
焼戻しは、基本的に必要ではないが、５００℃以下の低温焼戻しを実施しても良い。
表１に示す化学組成の鋼材を溶製し、熱間鍛造、熱間圧延にて１０ｍｍ厚、１２０ｍｍ幅、３３０ｍｍ長の板材を作成した。表２に示す条件で熱処理を実施し、この素材から、平行部の直径が４ｍｍの引張試験片を、圧延長手方向に平行に、採取し、引張強度と均一伸びを測定した。
表２の試番１〜２６は本発明例であり、試番２７〜３６は比較例である。比較例のうち、試番２７から３０は、鋼の化学組成が本発明の規定を満足しない例であり、試番３１から３６は、鋼の化学組成は本発明の規定を満足するが、製造方法が本発明の規定を満足しない例である。また、試番３７は、本発明の規定を満足する化学組成を有する鋼に、通常の焼入れ焼戻しを実施した従来例である。
図１には、表２に示す本発明例、比較例および従来例の結果を示す。
表２および図１に示すように、本発明例では、引張強度ＴＳ（ＭＰａ）が６００ＭＰａ以上と高かった。また、本発明例では、均一伸びｕ−ｅｌ（％）が下記（１）式を満足し、しかも、より望ましい範囲である下記（２）式をも満足しており、均一伸びにおいても優れていた。
ｕ−ｅｌ≧２８−０．００７５ＴＳ ・・・（１）
ｕ−ｅｌ≧２９．５−０．００７５ＴＳ ・・・（２）
ｕ−ｅｌ≧２８−０．００７５ＴＳ ・・・（１）
ｕ−ｅｌ≧２９．５−０．００７５ＴＳ ・・・（２）
一方、比較例、または、従来例では、高い均一伸びが得られても、引張強度が低い（試番２７）か、高強度であるが、均一伸び値が低く、拡管用油井管としては、十分な性能を有しなかった。
本発明の製造方法によれば、従来のものより安価に拡管性に優れる鋼管を製造することができる。従って、本発明の製造方法によって得た鋼管は、大きな拡管率で拡管加工しても、一部が薄肉化して穴開きが生じたり、大きな曲がりが発生したりしないので、特に油井またはガス井の安価な開発を可能とし、世界のエネルギーの安定供給に大きく貢献する。
Claims (11)
- 質量％で、Ｃ：０．１〜０．４５％、Ｓｉ：０．３〜３．５％、Ｍｎ：０．５〜５％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０１％以下、sol.Ａｌ：０．０１〜０．８％（Ｓｉ含有量が１．５％未満の場合、０．１％以上）、Ｎ：０．０５％以下およびＯ：０．０１％以下を含有し、残部はＦｅおよび不純物からなり、金属組織がフェライトと、微細なパーライト、ベイナイトおよびマルテンサイトの一種以上との混合組織であり、６００ＭＰａ以上の引張強度および下記（１）式を満足する均一伸びを有することを特徴とする拡管性に優れた鋼管。
ｕ−ｅｌ≧２８−０．００７５ＴＳ ・・・（１）
但し、ｕ−ｅｌは均一伸び（％）、ＴＳは引張強度（ＭＰａ）である。 - さらに、質量％で、Ｃｒ：１．５％以下およびＣｕ：３．０％以下の１種または２種を含有することを特徴とする請求項１に記載の拡管性に優れた鋼管。
- さらに、質量％で、Ｍｏ：１％以下を含有することを特徴とする請求項１または２に記載の拡管性に優れた鋼管。
- さらに、質量％で、Ｎｉ：２％以下を含有することを特徴とする請求項１から３までのいずれかに記載の拡管性に優れた鋼管。
- さらに、質量％で、Ｔｉ：０．３％以下、Ｎｂ：０．３％以下、Ｖ：０．３％以下、Ｚｒ：０．３％以下およびＢ：０．０１％以下から選択される１種以上の元素を含有することを特徴とする請求項１から４までのいずれかに記載の拡管性に優れた鋼管。
- さらに、質量％で、Ｃａ：０．０１％以下、Ｍｇ：０．０１％以下およびＲＥＭ：１．０％以下から選択される１種以上を含有することを特徴とする請求項１から５までのいずれかに記載の拡管性に優れた鋼管。
- さらに、下記（２）式を満足する均一伸びを有することを特徴とする請求項１から６までのいずれかに記載の拡管性に優れた鋼管。
ｕ−ｅｌ≧２９．５−０．００７５ＴＳ ・・・（２）
但し、ｕ−ｅｌは均一伸び（％）、ＴＳは引張強度（ＭＰａ）である。 - 金属組織が、更に、残留オーステナイトを有する混合組織であることを特徴とする請求項１から７までのいずれかに記載の拡管性に優れた鋼管。
- 請求項１から６までのいずれかに記載の化学組成を有する鋼管を７００〜７９０℃に加熱した後、７００〜５００℃の平均冷却速度を１００℃／分以上として、１００℃以下の温度域まで強制冷却することを特徴とする拡管性に優れた鋼管の製造方法。
- 請求項１から６までのいずれかに記載の化学組成を有する鋼管を７００〜７９０℃に加熱した後、７００〜５００℃の平均冷却速度を１００℃／分以上として、２５０〜４５０℃の温度域まで強制冷却し、２５０〜４５０℃の温度域で１０分以上均熱した後、室温まで冷却することを特徴とする拡管性に優れた鋼管の製造方法。
- 請求項１から６までのいずれかに記載の化学組成を有する鋼管を７００〜７９０℃に加熱した後、７００〜５００℃の平均冷却速度を１００℃／分以上として、２５０超〜４５０℃の温度域まで強制冷却した後、この強制冷却終了温度以下２５０℃以上の温度域における平均冷却速度が１０℃／分以下となる条件で冷却し、その後、室温まで冷却することを特徴とする拡管性に優れた鋼管の製造方法。
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