JP4380487B2

JP4380487B2 - マルテンサイト系ステンレス鋼管の製造方法

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Publication number: JP4380487B2
Application number: JP2004281711A
Authority: JP
Inventors: 伸行森
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Priority date: 2004-09-28
Filing date: 2004-09-28
Publication date: 2009-12-09
Anticipated expiration: 2024-09-28
Also published as: CN101031663B; US20070246136A1; EP1813687A4; US8366843B2; JP2006097051A; EP1813687A1; EP1813687B1; CN101031663A; WO2006035735A1

Description

本発明は、マルテンサイト系ステンレス鋼管、特に高降伏比のマルテンサイト系継ぎ目無しステンレス鋼管の製造方法に関する。

従来にあっても、よく知られているように、Ｃを約0.2 ％、Crを約13％含む13Cr鋼（以下、単に「13Cr鋼」と言うときは、これを指す）は、耐浸潤炭酸ガス腐食性に優れており、Ｃ含有量の少ないスーパ13Cr鋼や二相ステンレス鋼に比べて安価なため、油井管として多く用いられている。この13Cr鋼の継目無し鋼管は、熱間加工によりビレットから素菅にした後、焼き入れ・焼きなましを行って製品とする。

一方、13Cr鋼を熱間加工で素管にした後、そのまま焼き入れを行う直接焼入れ法（DQT ）により、靱性を向上させる方法が特許文献１に開示されている。この方法は冷却した素管を再度加熱して焼入れをすることをしないので、生産性とコストの面で優れている。
特開平２−277720号公報

しかし、特許文献１に開示された方法では機械的特性としての靱性にのみ着目しており、耐食性については一切述べられていない。よって、靱性のみをコントロールするこの方法では、近年要求されている高強度高降伏比かつ高耐食性の指標である米国石油協会（API)規格13CrL80 グレードの硬度（HRC)22以下を満足する13Cr鋼管を製造することは困難である。

ここに、本発明の課題は、高強度、高降伏比の耐食性マルテンサイト系継ぎ目無鋼管の生産性の高い安価な製造方法を提供することである。具体的には、例えば降伏強さ（YP）は552 〜656MPa、引張り強さ(TS)は657MPa以上、靱性はシャルピー衝撃試験での破面率遷移温度（vTrs）が0 ℃以下、HRC 硬度は22以下を満足するマルテンサイト系継ぎ目無しステンレス鋼管の製造方法を提供することである。

かかる課題を解決すべく、発明者らは、直接焼入れ法によれば高強度高降伏比であってかつ高耐食性を有する13Cr鋼を低コストかつ生産性良く製造することができるとの予想のもとに、直接焼入れ法における種々の条件を検討した。

その結果、鋼の成分の調整、特にAl量を特定の範囲に限定すると同時に熱間加工の仕上げ温度を特定の範囲に制限することにより、上述の高強度高降伏比、および高耐食性の各特性が同時に得られることが判明した。つまり、高強度高降伏比と高耐食性を同時に満足するにはその機構は明らかではないが、Al量および仕上げ温度を最適な範囲に制限することが必要であることを知り、本発明を完成した。

ここに、本発明は次の通りである。
(1)質量％で、Ｃ：0.15〜0.21％、Si：0.16〜1.0 ％、Mn：0.35〜1.0 ％、Cr：10.5〜14.0％、Ｐ：0.020 ％以下、Ｓ：0.0050％以下、Al：0.025 〜0.050 ％、残部がFeおよび添加元素および不純物からなる化学組成を有する鋼片を、最終圧延の仕上げ温度を800 〜960 ℃で熱間加工により所定の外径・肉厚を持つ鋼管である素管とした後、直ちに空冷以上の冷却速度で焼き入れを行い、その後、加熱して、所定の機械特性となるように焼き戻しを行うことを特徴とするマルテンサイト系継ぎ目無しステンレス鋼管の製造方法。

(2)前記化学組成が、Mo:2.0％以下、V: 0.50 ％以下、Nb: 0.50％以下の少なくとも１種をさらに含む上記(1) 記載のマルテンサイト系継ぎ目無しステンレス鋼管の製造方法。
(3)前記化学組成におけるAl含有量を、Al：0.005 〜0.050 ％とし、仕上げ温度を850 〜960 ℃とする上記(1) または(2) 記載のマルテンサイト系継ぎ目無しステンレス鋼管の製造方法。

このように、本発明によれば、直接焼入れ法により13Cr鋼のマルテンサイト系ステンレス鋼管が生産性よく低コストで製造できるのであって、今日的要請を満足できる。

次に、本発明において鋼の化学組成および熱処理条件を上述のように規定した理由について説明する。なお、本明細書において鋼の化学組成を示す「％」は、特に断りがなり限り、「質量％」である。

本発明の鋼の成分は以下の通りである。
Ｃ：0.15〜0.21％
本発明にかかる製造方法においてＣの範囲は適切な強度・降伏比・硬度を得るために限定する必要がある。0.15％未満では所定の強度が出ず、一方、0.21％超では強度が高くなりすぎて降伏比・硬度の調整が困難となる。よって、0.15〜0.21％とする。

Si：0.16〜1.0 ％
Siは、鋼の脱酸剤として添加される。その効果を得るために0.16％以上添加する。しかし、靱性の劣化を防ぐためその上限は1.0 ％とする。好ましくは0.16〜0.50％である。

Mn：0.35〜1.0 ％
MnもSiと同様、脱酸剤として添加される。その効果を得るために0.35％以上添加する。しかし添加しすぎると靱性を劣化させることから、その上限を1.0 ％以下とする。

Cr：10.5〜14.0％
本発明鋼においてCrは、必要な耐食性を得るための基本成分である。10.5％以上添加することにより、孔食、隙間性腐食に対する耐食性を改善するとともに、CO₂環境下での耐食性を著しく向上させる。一方、Crはフェライト形成元素であるから、その含有量が14％を越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、また、熱処理後の強度が低下するため、14.0％以下に制限する。

Ｐ：0.020 ％以下
Ｐが多いと靱性が劣化することから、0.020 ％以下とする。
Ｓ：0.0050％以下
Ｓが多いと靱性が劣化すること、および、偏析を発生させるため鋼管の内面品質を悪化させることから、その上限を0.0050％とする。

Al：0.025 〜0.050 ％
本発明においては、Al量の制限が重要である。Alが0.025 ％未満であれば、所定の強度および降伏比が得られない。一方、Al量が0.050 ％を超えると、鋼中のAl₂O₃介在物が増大し、靱性および耐食性が劣化する。そのため、Al量を0.025 〜0.050 ％とした。しかし、熱間加工の仕上げ温度を850 ℃以上とするときは、Alの下限を0.005 ％にまで下げることが可能である。最終圧延の仕上げ温度が高温であれば、圧延の影響が圧延後の材料に残り難いため、降伏比が高くなるためである。この場合にも好ましい下限は、0.025 ％である。好ましい上限はいずれの態様でも0.050 ％である。

本発明の鋼は、上記以外はFeおよび不純物からなる。不純物としてのＮ量は特に制限しないが、Ｎ量が0.100 ％を超えると靱性が低下するため、0.100 ％以下とすることが好ましい。また、不純物としてNiを0.15％以下、Tiを0.08％以下含んでいても良い。

また、Feの一部に代えて次の元素を少なくとも１種含んでいても良い。
Mo：2.0 ％以下
Moは添加はしてもしなくても良い。添加すれば強度上昇効果、耐食性向上効果がある。そのためには0.02％以上を添加することが好ましい。しかし、Mo量が2.0 ％を超えるとマルテンサイト変態が困難となることから、上限を2.0 ％とする。

Ｖ：0.50％以下
Ｖは添加しなくても良い。添加すれば、強度上昇効果、特に高YR（降伏比＝降伏強さ／引張り強さ）化の効果が得られる。そのためには0.04％以上を添加することが好ましい。しかし、Ｖ量が0.50％を超えると靱性を低下させることから、上限を0.50％とする。さらに、Ｖは高価な合金元素であり経済的に非効率となってしまうため、上限を0.30％とすることが望ましい。

Nb：0.50％以下
Nbは添加しなくても良い。添加すれば、強度上昇の効果がある。そのためには、0.002 ％以上を添加することが好ましい。しかし、Nb量が0.50％を超えると靱性を低下させることから、上限を0.50％とする。

本発明では、鋼の化学組成を上記のように制限すると同時に、熱間加工の最終圧延の仕上げ温度を所定の範囲にする。このときの熱間加工としては通常の製管法では熱間圧延であるので、以下、熱間加工を熱間圧延を例にとって説明する。

最終圧延の仕上げ温度が800 ℃未満であると、熱間加工の影響が鋼に残ってしまい、降伏比および靱性が劣化する。一方、最終圧延の仕上げ温度が960 ℃超であると、結晶粒が粗大化し、この場合も靱性および耐食性が劣化する。よって、最終圧延の仕上げ温度は800 ℃以上960 ℃以下とする。

また、熱間加工の最終圧延の仕上げ温度を850 ℃以上960 ℃以下に制限した場合、Alの量が前記範囲より少なくても、所要の強度・靱性・耐食性を確保することができる。具体的には、Alが0.005 〜0.05％の範囲で強度・靱性・耐食性を確保することができる。

本発明は鋼管の製造方法であることから、本発明に言う熱間圧延は、例えば、次のとおりである。
すなわち、まず、所定の成分となるように溶鋼を調整した後、連続鋳造等の方法でビレットを製造する。それを加熱後ピアサー等で穿孔し、次いでマンドレルミル・レデューサー等で圧延を行い所定の外径・内厚を持つ鋼管を製造する。

本発明にあっては、このように圧延終了時の素管の温度が、所定の範囲に入るように熱間圧延等の製造条件を調整する。熱間圧延終了後、素管を冷却する。通常は空冷で常温まで冷却すればよい。本発明で規定する化学組成の鋼管では空冷でも焼きが入り、マルテンサイト組織が得られる。

その後、所定の機械的特性となるように焼戻しを行う。たとえば700 〜750 ℃まで加熱し、冷却すればよい。この場合の冷却速度は特に制限されず、通常、空冷以上の冷却速度で冷却すればよい。

ここで、実施例によって本発明の作用効果を具体的に説明する。

表１に示す化学組成を有する鋼を溶製し、連続鋳造法によりビレットを製造した。そのビレットを1200℃以上に加熱してプラグミルで穿孔圧延を行った。このとき得られた素管を再加熱炉で所定の温度まで加熱し、次いで、マンドレルミル・レデューサーで最終圧延を行って所定の寸法（外径88.90mm 、肉厚6.45mm）の継ぎ目無し鋼管を製造した。

この最終圧延終了時の温度を種々変更するため、再加熱炉での加熱条件、圧延条件を調整した。その後、2 ℃／秒で素管を常温まで空冷し、次いで700 〜750 ℃で焼戻しを実施した。

このようにして製造した素管から、API 5CT 規格に基づいた試験片を切り出し、弧状試験片にて引張り強さおよび降伏強さ、HRC 硬度、シャルピー衝撃試験（形状：２mmV ノッチ10×５mm）による遷移温度を測定した。

評価方法は、引張り強度がAPI L80 グレード（YP：552 〜656MPa、TS：657MPa以上) 、HRC 硬度が22以下、シャルピー衝撃試験での破面率遷移温度（vTrs）が０℃以下であることを満足することを必要条件とした。

結果を表１に示す。本発明の範囲に入る実施例１から13はいずれも前記機械的強度を満足するばかりでなく、耐食性も十分に発揮することが分かる。

Claims

質量％で、Ｃ：0.15〜0.21％、Si：0.16〜1.0 ％、Mn：0.35〜1.0 ％、Cr：10.5〜14.0％、Ｐ：0.020 ％以下、Ｓ：0.0050％以下、Al：0.025 〜0.050 ％、残部がFeおよび不純物からなる化学組成を有する鋼片を、最終圧延の仕上温度を800〜960℃で熱間加工により所定の外径・肉厚を持つ鋼管である素管とした後、直ちに空冷以上の冷却速度で焼き入れを行い、その後加熱して、所定の機械特性となるように焼戻しを行うことを特徴とするマルテンサイト系継ぎ目無しステンレス鋼管の製造方法。
前記化学組成が、Mo:2.0％以下、V: 0.50 ％以下、Nb: 0.50％以下の少なくとも１種をさらに含む請求項１記載のマルテンサイト系継ぎ目無しステンレス鋼管の製造方法。
前記化学組成におけるAl含有量を、Al：0.005 〜0.050 ％とし、仕上げ温度を850 〜960 ℃とする請求項１または２記載のマルテンサイト系継ぎ目無しステンレス鋼管の製造方法。