JP4949541B2 - 二相組織油井鋼管及びその製造方法 - Google Patents

二相組織油井鋼管及びその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、成分組成を最適化した熱延鋼板を鋼管に成形し、この鋼管をオーステナイトとフェライトとの二相が共存する温度（二相域）に加熱し、そして、焼入れ処理することで金属組織を制御した、拡管性に優れる二相組織油井鋼管とその製造方法とに関する。
本願は、２０１０年７月１３日に、日本に出願された特願２０１０−１５９０１３号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
近年、油井用鋼管を井戸内で１０％〜３０％拡管して使用する技術が開発され、その技術は油井やガス井の開発コストの低減に大きく寄与している。一般に、鋼管を周方向に拡管すると、バウシンガー効果によって圧潰強度が低下する。バウシンガー効果とは、塑性変形により塑性ひずみを加えた後、塑性歪みを加えた方向と反対方向に応力を加えると、塑性変形前に比べてその方向の降伏応力が低下する現象である。
このような問題に対して、特許文献１と２とでは、拡管後の圧潰特性に優れた鋼管を提案している。特許文献１に開示の鋼管は、組織をベイナイトやベイナイティックフェライトとし、拡管後、固溶Ｃを転位に固着させて圧潰強度を高めたものである。また、特許文献２に開示の鋼管は、組織を、バウシンガー効果の発現が抑制される、フェライトと微細分散したマルテンサイトからなる二相組織としたものである。
また、拡管率が高くなると、拡管時に局所的に鋼管肉厚が減肉され、場合によっては局所的に亀裂が生じることがある。この問題に対して、特許文献３では、加工硬化指数（ｎ値）を高めることが有効であり、そのために、組織を軟質相と硬質相との二相組織に制御する鋼管を提案している。
特許文献３に開示の鋼管の金属組織は、軟質相がフェライト、焼戻しマルテンサイト、焼戻しベイナイトであり、硬質相がマルテンサイトとオーステナイトとの混成物（Martensite-Austenite Constituent : ＭＡ）である。鋼管を二相域に加熱し、空冷して、硬質相をＭＡとしている。
国際公開第２００４／００１０７６号 国際公開第２００５／０８０６２１号 国際公開第２００９／０１４２３６号
鋼管自体をフェライト及びオーステナイトの二相域温度に加熱し、そして、焼入れ処理（以後、二相域焼入れ処理と呼ぶ。）することで製造される二相組織油井鋼管は、ｎ値が高くなるが、降伏強度（Yield Stress : ＹＳ）が低下するという問題を有する。ＹＳは圧潰強度に関係する重要な因子であり、ＹＳが低下すると圧潰強度も低下する傾向がある。本発明は、二相域焼入れ処理によって製造される、ＹＳ及びｎ値の両方の特性が優れる二相組織油井鋼管を提供するものである。
上記目的を達成するために、本発明の各態様は、以下の構成を有する。
（１） 本発明の一態様にかかる二相組織油井鋼管は：その化学組成が、質量％で、
Ｃ ：０．０７％〜０．１５％、
Ｓｉ：０．１％〜０．５％、
Ｍｎ：０．８％〜１．９％、
Ｎｂ：０．０２０％〜０．１０％、
を含有し、
Ｐ ：０．０５％以下、
Ｓ ：０．０１％以下、
Ａｌ：０．１％以下、
に制限し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、（式１）によって求められる炭素等量Ｃｅｑが０．２５〜０．４０であり、［Ｘ］を、質量％で表した元素Ｘの含有量としたとき、［Ｎｂ］×［Ｃ］≧０．００２が満足され、前記二相組織鋼管の金属組織組成が、面積率で、８０％〜９８％のフェライトと、合計２％〜２０％のマルテンサイト、残留オーステナイト、またはこれらの混合相と、を含み、前記フェライトの平均粒径が１μｍ以上８μｍ未満であり、前記マルテンサイト、前記残留オーステナイト、または前記混合相の平均粒径が０．１μｍ以上２μｍ以下である。
Ｃｅｑ＝［Ｃ］＋［Ｍｎ］／６ ・・・ （式１）
ここで、［Ｘ］は、質量％で表した元素Ｘの含有量を表す。
（２） 上記（１）の二相組織油井鋼管は、化学組成が、質量％で、
Ｖ ：０．０００１％〜０．０２％、
Ｔｉ：０．００５％〜０．０３％、
Ｃａ：０．００１％〜０．０１０％、
Ｎ ：０．００１％〜０．０１％、
の１種又は２種以上を更に含有し、［Ｘ］を、元素Ｘの含有量［質量％］としたとき、［Ｖ］／［Ｎｂ］≦１／３が満足され、前記炭素等量Ｃｅｑが前記（式１）に代わって、（式２）と定義されてもよい。
Ｃｅｑ＝［Ｃ］＋［Ｍｎ］／６＋［Ｖ］／５ ・・・ （式２）
ここで、［Ｘ］は、質量％で表した元素Ｘの含有量を表す。
（３） 上記（１）または（２）の二相組織油井鋼管は、Ｎｂ含有量が０．０４０％〜０．１０％であり、［Ｘ］を、質量％で表した元素Ｘの含有量としたとき、［Ｎｂ］×［Ｃ］≧０．００３を満足してもよい。
（４） 上記（１）または（２）の二相組織油井鋼管は、板厚が５ｍｍ〜１５ｍｍであってもよい。
（５） 本発明の別の一態様にかかる二相組織油井鋼管の製造方法は、化学組成が、質量％で、
Ｃ ：０．０７％〜０．１５％、
Ｓｉ：０．１％〜０．５％、
Ｍｎ：０．８％〜１．９％、
Ｎｂ：０．０２０％〜０．１０％、
を含有し、
Ｐ ：０．０５％以下、
Ｓ ：０．０１％以下、
Ａｌ：０．１％以下、
に制限し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、（式３）によって求められる炭素等量Ｃｅｑが０．２５〜０．４０であり、［Ｘ］を、質量％で表した元素Ｘの含有量としたとき、［Ｎｂ］×［Ｃ］≧０．００２が満足される鋼材を用いて、フェライトの平均粒径が１μｍ以上１０μｍ未満となる条件で熱間圧延して、熱間圧延鋼板を製造する工程と、前記熱間圧延鋼板から鋼管を造管する工程と、前記鋼管を、オーステナイト変態の開始温度Ａｃ１超、オーステナイト変態終了温度Ａｃ３未満に加熱し、焼入れ処理する工程と、を有する。
Ｃｅｑ＝［Ｃ］＋［Ｍｎ］／６ ・・・ （式３）
ここで、［Ｘ］は、質量％で表した元素Ｘの含有量を表す。
（６） 上記（５）に記載の製造方法は、前記鋼材の化学組成が、質量％で、
Ｖ ：０．０００１％〜０．０２％、
Ｔｉ：０．００５％〜０．０３％、
Ｃａ：０．００１％〜０．０１０％、
Ｎ ：０．００１％〜０．０１％、
の１種又は２種以上を更に含有し、［Ｘ］を、元素Ｘの含有量［質量％］としたとき、［Ｖ］／［Ｎｂ］≦１／３が満足され、前記炭素等量Ｃｅｑが前記（式３）に代わって、（式４）と定義されてもよい。
Ｃｅｑ＝［Ｃ］＋［Ｍｎ］／６＋［Ｖ］／５ ・・・ （式４）
ここで、［Ｘ］は、質量％で表した元素Ｘの含有量を表す。
本発明によれば、ＹＳ及びｎ値の両方の特性が高まり、拡管性に優れた油井鋼管を提供することが可能になり、産業上の貢献が極めて顕著である。
鋼管のＹＳとｎ値との関係を示す図である。
まず初めに、本実施形態に係る二相組織油井鋼管の基礎物性であるｎ値とＹＳの関係について説明する。
成分組成と金属組織とが異なる熱延鋼板から、鋼管Ａ、Ｄ、およびＧを造管した。これらの鋼管を、金属組織がオーステナイト及びフェライトとなる二相域温度に加熱して二相域焼入れ処理を行い二相組織油井鋼管とした。この二相域焼入れ処理を行う際に、熱処理条件を二相域温度範囲内で種々変化させることで、これらの二相組織油井鋼管のＹＳ及びｎ値を変化させた。図１に、鋼管Ａ、Ｄ、およびＧの、ＹＳとｎ値との関係を示す。この図より、いずれの鋼管でも、ＹＳの増加とともに、ｎ値が低下することが示される。また、いずれの鋼管でも、その傾きの絶対値が５．５〜５．６×１０−４ＭＰａ−１となることが示される。
本発明の課題は、二相組織鋼管のＹＳ及びｎ値の両方の特性を高めることである。図１では、鋼管Ｇよりも鋼管Ｄで、さらに鋼管Ｄよりも鋼管Ａで、ＹＳ及びｎ値の両方の特性が高められていることが示される。よって、本実施形態に係る二相組織油井鋼管では、ＹＳとｎ値との直線関係が、図１の斜線でハッチングされた領域に存在することを、上記課題の達成の判断基準とした。これは、ＹＳが３８０ＭＰａである場合のｎ値を０．２以上とするものである。つまり、本実施形態に係る二相組織油井鋼管は、下記（式Ａ）を満足することを目標とする。
ＹＳが３８０ＭＰａである場合に、ｎ値が０．２以上であることを表す下式、
［ｎ］≧０．２０−５．５５×１０−４（［ＹＳ］−３８０）
を変形して、下記（式Ａ）が得られる。
［ｎ］≧−５．５５×１０−４［ＹＳ］＋０．４１１ ・・・ （式Ａ）
ここで、加工硬化指数であるｎ値の算出には、引張試験により得た応力−歪み曲線を用いる。ｎ値は、真応力−真歪み曲線を両対数表示した場合の傾きから求める。なお、ｎ値を求める範囲は公称歪みで２％から一様伸びまでの範囲とする。
以下、本実施形態に係る二相組織油井鋼管の製造方法について説明する。
本実施形態に係る二相組織油井鋼管は、以下の工程により製造される。（１）後述する成分組成の鋼材を用いて、フェライトの平均粒径が１μｍ以上１０μｍ未満となる条件で熱間圧延して、熱間圧延鋼板を製造する工程。（２）この熱間圧延鋼板から鋼管を造管する工程。（３）この鋼管を、オーステナイト変態の開始温度Ａｃ１超、オーステナイト変態終了温度Ａｃ３未満に加熱し、焼入れ処理（二相域焼入れ処理）する工程。このように、後述の成分組成の鋼材を用いて、上記工程により製造することで、本実施形態に係る二相組織油井鋼管を得ることができる。
熱間圧延鋼板を製造する工程では、熱延鋼板の金属組織のフェライトの平均粒径を１μｍ以上１０μｍ未満とする必要がある。これは二相域焼入れ処理後の二相組織油井鋼管のフェライト平均粒径を上述した１μｍ以上８μｍ未満に制御するためである。熱延鋼板のフェライト平均粒径を１μｍ未満とすることは、実質的に製造上で達成が困難である。熱延鋼板のフェライト平均粒径が１０μｍ以上では、二相域焼入れ処理後の二相組織油井鋼管のフェライト平均粒径を上記範囲内とすることができない。この熱延鋼板のフェライト平均粒径は１μｍ以上８μｍ未満であることがより好ましい。なお、フェライト相の平均粒径は、ＪＩＳ Ｇ ０５５２に則って切断法により求める。
この熱延鋼板の金属組織には、主相であるフェライトの他、パーライトやベイナイト、析出物として炭化物や窒化物などが含まれる。しかし、この鋼鈑は造管後に、二相域焼入れ処理を施すので、この工程ではフェライトの平均粒径のみが重要な制御因子となる。フェライト平均粒径を１μｍ以上１０μｍ未満とするためには、後述のＮｂ炭化物の析出に加えて、熱間圧延の仕上げ圧延での累積圧下率と、熱間圧延の最終ｐａｓｓ温度を制御することが重要である。油井鋼管用の熱間圧延鋼板は、仕上がり板厚が５ｍｍ〜１５ｍｍであることが好ましい。板厚が５ｍｍ未満では鋼管の圧潰荷重が低下し、１５ｍｍ超では鋼管拡管時の負荷が大きくなるためである。このため、油井鋼管用の熱間圧延鋼板は、一般的な薄板材よりも組織を制御することが難しい。よって、上記の熱間圧延では、上記の圧下率を可能な範囲で大きくとり、上記の圧延最終ｐａｓｓ温度を９００℃以下とすることが好ましい。
板厚が５ｍｍ〜１５ｍｍである熱間圧延鋼板の金属組織のフェライト平均粒径が１μｍ以上１０μｍ未満となるならば、その熱間圧延方法は特に限定されない。以下に、熱間圧延条件の一例を示す。鋼材の加熱温度は、１０００℃〜１３００℃が好ましく、更に好ましい範囲は１１５０℃〜１２５０℃である。熱間圧延の最終ｐａｓｓ温度は、再結晶が生じにくい温度（未再結晶温度領域）が好ましく、７５０℃〜９００℃の範囲が好ましい。そして、熱間圧延の仕上げ圧延での累積圧下率を３０％以上とすることが好ましく、４０％以上とすることが更に好ましい。また、鋼板から鋼管を造管する工程で電縫鋼管を製造する場合は、熱間圧延後、熱延鋼板を水冷して巻き取る。この巻取温度は、５００℃〜７００℃が好ましい。同様に、ＵＯＥ鋼管を製造する場合は、熱間圧延後、熱延鋼板を加速冷却し、その後、放冷する。
上記鋼板から鋼管を造管する工程では、電縫鋼管やＵＯＥ鋼管等に造管を行うが、電縫鋼管が好ましい。電縫鋼管が好ましい理由は、生産性に優れ、比較的に肉厚が均一であり、拡管性や圧潰強度に優れるという特徴を有するためである。
電縫鋼管は、熱延鋼板を筒状にロール成形し、シーム部を電縫溶接して製造される。ＵＯＥ鋼管は、熱延後の厚鋼板をＵＯＥ工程でＣプレス、Ｕプレス、Ｏプレスして造管し、シーム部をサブマージドアーク溶接して製造される。
上記鋼管を二相域焼入れ処理する工程では、二相域、即ち、Ａｃ１点超、Ａｃ３点未満の温度範囲に上記鋼管を加熱し、そして、焼入れ処理が施される。上記のＡｃ１及びＡｃ３の値は、二相域焼入れ処理前の鋼管から試験片を採取して測定するか、または実験室で同様の組成を有する鋼材を製造して測定するかによって得られる。例えば鋼の加熱時の変態温度は、定速度で試験片を加熱し膨張量を測定する、いわゆるフォーマスタ試験によって求めることができる。フォーマスタ試験で得られた温度と膨張量の関係から屈曲の開始点及び終了点の温度を求めることによってオーステナイト変態の開始温度Ａｃ１及びオーステナイト変態終了温度Ａｃ３を決定することができる。上記焼入れの方法は、水焼入れ、油焼入れ、液体窒素焼入れなどから、鋼管に応じて適した方法を選択すればよい。
以上、本実施形態に係る二相組織油井鋼管の製造方法について説明した。次に、本実施形態に係る二相組織油井鋼管について記述する。
本実施形態に係る二相組織油井鋼管が、上記（式Ａ）を満足するためには、以下に記す金属組織と成分組成とを備える必要がある。（１）面積率で、８０％〜９８％のフェライトと、合計２％〜２０％のマルテンサイト、残留オーステナイト、またはこれらの混合相と、を含み、このフェライトの平均粒径が１μｍ以上８μｍ未満であり、このマルテンサイト、残留オーステナイト、またはこれらの混合相の平均粒径が０．１μｍ以上２μｍ以下である金属組織。（２）質量％で、Ｃ ：０．０７％〜０．１５％、Ｓｉ：０．１％〜０．５％、Ｍｎ：０．８％〜１．９％、Ｎｂ：０．０２０％〜０．１０％、を含有し、Ｐ ：０．０５％以下、Ｓ ：０．０１％以下、Ａｌ：０．１％以下、に制限し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、［Ｘ］を、質量％で表した元素Ｘの含有量とし、
Ｃｅｑ＝［Ｃ］＋［Ｍｎ］／６ ・・・ （式１）
と定義したとき、（式１）によって求められる炭素等量Ｃｅｑが０．２５〜０．４０であり、［Ｎｂ］×［Ｃ］≧０．００２が満足される成分組成。
以下、本実施形態に係る二相組織油井鋼管の金属組織について説明する。
本実施形態に係る二相組織油井鋼管の金属組織は、フェライト相と硬質第二相との二相組織となる。ここで、炭化物や硬質第二相が粒内部に見られるようないわゆるベイナイティックフェライトは、ここでのフェライト相には含めない。また、硬質第二相はマルテンサイト、残留オーステナイト、またはこれらの混合相であり、一般にレペラーエッチにより確認されるものを指す。この金属組織は、鋼管の外表面から肉厚の１／４の部分で試験片を採取し、研磨とエッチングを行って光学顕微鏡により観察する。光学顕微鏡による組織観察では、マルテンサイトと残留オーステナイトとを判別することはできないが、Ｘ線回折法によって残留オーステナイトの生成量を測定することができる。上記の金属組織には、僅かながら、パーライトやベイナイト、炭化物や窒化物などの析出物も含まれる。しかし、フェライト相及び硬質第二相と比較して、その面積率が低いので、上記の金属組織組成には考慮しない。
フェライトの面積率：８０％〜９８％
フェライトは金属組織中での主相である。フェライトの面積率を８０％〜９８％とする。８０％未満では、硬質第二相、またはパーライトやベイナイトの相対的な割合が増え、上記（式Ａ）を満足できなくなる。９８％超でも、上記（式Ａ）を満足できなくなる。
フェライトの平均粒径：１μｍ以上８μｍ未満
フェライトの平均粒径は、１μｍ以上８μｍ未満とする。１μｍ未満へは、実質的に製造上で達成が困難である。８μｍ以上では、粗大すぎてＹＳとｎ値との向上に寄与せず、靱性も低下する。最適に効果を発現させるには、フェライトの平均粒径が、１μｍ以上５μｍ未満であることが好ましい。なお、フェライト相の平均粒径は、ＪＩＳ Ｇ ０５５２に則って切断法により求める。
マルテンサイト、残留オーステナイト、またはこれらの混合相の面積率：合計２％〜２０％
マルテンサイト、残留オーステナイト、またはこれらの混合相は、硬質第二相であり、金属組織内で微細に分散することによって、塑性変形時にフェライト相の変形を拘束して、ＹＳとｎ値とを向上させる。マルテンサイト、残留オーステナイト、またはこれらの混合相の面積率は、合計２％〜２０％とする。合計２％未満だと、ＹＳとｎ値との向上に寄与しない。合計２０％超だと、硬化しすぎるため、油井鋼管として強度―延性のバランスが不適となる。なお、硬質第二相であるマルテンサイト、残留オーステナイト、またはこれらの混合相の面積率は、画像処理によって求める。硬質第二相は、レペラーエッチによって、フェライトとの判別が可能になる。画像処理によって、硬質第二相の平均面積を求め、面積率に換算する。
マルテンサイト、残留オーステナイト、またはこれらの混合相の平均粒径：０．１μｍ以上２μｍ以下
マルテンサイト、残留オーステナイト、またはこれらの混合相の平均粒径は、０．１μｍ以上２μｍ以下とする。０．１μｍ未満へは、実質的に製造上で達成が困難である。２μｍ超では、粗大すぎてＹＳとｎ値との向上に寄与せず、また、破壊の起点にもなる。最適に効果を発現させるには、マルテンサイト又は残留オーステナイトの平均粒径が、０．１μｍ以上１μｍ以下であることが好ましい。なお、硬質第二相であるマルテンサイト、残留オーステナイト、またはこれらの混合相の平均粒径は、画像処理によって求める。硬質第二相は、レペラーエッチによって、フェライトとの判別が可能になる。画像処理によって、硬質第二相の平均面積と個数とを求め、平均粒径を円相当径として算出する。
以下、本実施形態に係る二相組織油井鋼管の成分組成について説明する。
本実施形態では、Ｎｂ及びＣを添加し、微細なＮｂ炭化物を析出させた鋼材を使用する。この鋼材を熱間圧延する際、このＮｂ炭化物は、ピン止め効果を発揮して熱間圧延中のオーステナイトの粒成長を抑制する。そして、熱間圧延後の冷却の際にも、このＮｂ炭化物は、ピン止め効果を発揮して、オーステナイト粒界から生成するフェライトの粒成長を抑制する。このため、熱延鋼板の金属組織は、微細な組織となる。この鋼鈑から造管した鋼管を、二相域に加熱すると、フェライト粒界からオーステナイトが生成する。つまり、Ｎｂを添加することで、二相域焼入れ処理前の鋼管のフェライト粒径を微細に制御しておくと、二相域への加熱中に生成するオーステナイトも金属組織内で微細に分散させることが可能となる。その結果、二相域焼入れ処理後に硬質第二相であるマルテンサイト、残留オーステナイト、またはこれらの混合相が金属組織内で微細に分散するので、二相組織油井鋼管のＹＳ及びｎ値が高くなる。また、上記のＮｂ炭化物は、フェライト粒内で微細に分散し、塑性変形時に転位の活動を抑制するので、二相組織油井鋼管のＹＳとｎ値とを向上させる効果も有する。
以下に、上記二相組織油井鋼管の基本成分について説明する。なお、含有量の単位は質量％である。
Ｃ：０．０７％〜０．１５％
Ｃは、鋼の強度を向上させる元素であり、二相組織鋼管のｎ値の向上にも寄与する。Ｃ量は、０．０７％〜０．１５％とする。０．０７％未満では、ＹＳを３８０ＭＰａとした際のｎ値を０．２０以上にすることが困難である。０．１５％超では、炭化物の生成が促進されてＹＳが高くなり、ｎ値が低下する。
Ｓｉ：０．１％〜０．５％
Ｓｉは、脱酸元素である。Ｓｉ量は、０．１％〜０．５％とする。０．１％未満では、脱酸効果が得られない。０．５％超では、不均一なスケールが発生し、表面形状に悪影響を及ぼす。電縫鋼管などは衝合部靱性の観点から最適に効果を発現させるには、Ｓｉ量が、０．２％〜０．４％であることが好ましい。
Ｍｎ：０．８％〜１．９％
Ｍｎは、焼入れ性に寄与し、強度を向上させる元素である。Ｍｎ量は、０．８％〜１．９％とする。０．８％未満では、強度が不足となる。１．９％超では、偏析を助長してマルテンサイトが層状に形成され、ｎ値が低下する。最適に効果を発現させるには、Ｍｎ量が、１．０％〜１．５％であることが好ましい。
Ｎｂ：０．０２０％〜０．１０％
Ｎｂは、未再結晶温度域を拡大して結晶粒径を微細化し、炭化物、窒化物を形成し、強度の向上に寄与する元素である。また、Ｎｂは、ｎ値の向上に寄与する元素である。Ｎｂ量は、０．０２０％〜０．１０％とする。０．０２０％未満では、ＹＳを３８０ＭＰａとした際のｎ値を０．２０以上にすることが困難である。０．１０％超では、ＹＳが高くなり、ｎ値が低下する。最適に効果を発現させるには、Ｎｂ量が、０．０４０％〜０．１０％であることが好ましい。
［Ｎｂ］×［Ｃ］≧０．００２
Ｎｂ及びＣの添加量を増加させることによって、硬質第二相が金属組織中で微細に分散し、二相組織鋼管のＹＳとｎ値とを同時に高めることが可能になる。［Ｘ］を質量％で表した元素Ｘの含有量として、［Ｎｂ］×［Ｃ］は、０．００２以上とする。０．００２％未満では、ＹＳを３８０ＭＰａとした際のｎ値を０．２０以上にすることが困難である。最適に効果を発現させるには、［Ｎｂ］×［Ｃ］を０．００３以上にすることが好ましい。
炭素等量Ｃｅｑ：０．２５〜０．４０
Ｃｅｑは焼入れ性の指標である。一般に、Ｃｅｑは、［Ｘ］を質量％で表した元素Ｘの含有量として、下式で定義される。
Ｃｅｑ＝［Ｃ］＋［Ｍｎ］／６＋（［Ｎｉ］＋［Ｃｕ］）／１５＋（［Ｃｒ］＋［Ｍｏ］＋［Ｖ］）／５
しかし、上記二相組織油井鋼管の基本成分には、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖが含有されないので、ＣとＭｎとの含有量から、Ｃｅｑを下式（式１）に定義する。
Ｃｅｑ＝［Ｃ］＋［Ｍｎ］／６ ・・・ （式１）
上記（式１）での炭素等量Ｃｅｑが、０．２５〜０．４０である必要がある。０．２５未満では、硬質第二相を確保し、ｎ値を高めることが困難である。０．４０％超では、強度が高くなりすぎて、ｎ値が低下する。
以下に、不可避的不純物のうち、特に低減する必要がある不純物について説明する。なお、以下の不純物の量の下限は、０％であってもよい。含有量の単位は質量％である。
Ｐ：０．０５％以下
Ｐは不純物であり、過剰に含有すると拡管性を損なう。Ｐ量は、０．０５％以下に制限する。Ｐ量の好ましい上限は、０．０２％以下である。
Ｓ：０．０１％以下
Ｓは不純物であり、過剰に含有すると熱間加工性や拡管性を損なう。Ｓ量は、０．０１％以下に制限する。Ｓ量の好ましい上限は、０．００５％以下である。
Ａｌ：０．１％以下
Ａｌは、脱酸元素であるが、添加量が多くなると、介在物が増加して延性が低下し、拡管性を損なう。Ａｌ量は、０．１％以下に制限する。Ａｌ量の好ましい上限は、０．０３％以下である。脱酸剤としてＳｉやＴｉを使用する場合にはＡｌを添加する必要はないが、溶鋼中の酸素量を低減させるために、Ａｌを０．０００５％以上添加することが好ましい。
以下に、選択元素について説明する。選択元素の添加は必須ではなく、選択元素の量は０％であってもよい。なお、含有量の単位は質量％である。
Ｖ：０．０００１％〜０．０２％
Ｖは、炭化物、窒化物を形成する選択元素であり、強度の向上や組織の微細化のために添加してもよい。しかし、Ｖを添加するとｎ値が低下する。よって、Ｖ量は、０．０００１％〜０．０２％とすることが好ましい。０．０００１％未満は、成分分析での検出限界以下であり、そのレベルでの制御は困難である。０．０２％超では、ｎ値が低下する。ｎ値の低下を防止するためには、Ｖ量が、０．０００１％〜０．０１％であることが更に好ましい。
［Ｖ］／［Ｎｂ］≦１／３
強度向上のためにＶを添加する必要がある場合には、相対的にＮｂ量を高めることが好ましい。これにより、ｎ値の低下を抑制することができる。ｎ値の低下を抑制するためには、［Ｖ］／［Ｎｂ］を１／３以下とすることが好ましい。最適に効果を発現させるには、［Ｖ］／［Ｎｂ］を１／４以下とすることが更に好ましい。Ｖは選択的に含有される元素であり、意図的に添加しない場合は、［Ｖ］が０となる。したがって、 ［Ｖ］／［Ｎｂ］の下限値は特に規定しないが、０でもよい。
炭素等量Ｃｅｑ：０．２５〜０．４０
選択元素であるＶが含有される場合には、上記炭素当量Ｃｅｑの上記（式１）に代わって、
Ｃｅｑ＝［Ｃ］＋［Ｍｎ］／６＋［Ｖ］／５ ・・・ （式２）
と定義する。選択元素であるＶが含有される場合には、上記（式２）での炭素等量Ｃｅｑが、０．２５〜０．４０であることが好ましい。０．２５未満では、硬質第二相を確保し、ｎ値を高めることが困難である。０．４０％超では、強度が高くなりすぎて、ｎ値が低下する。
Ｔｉ：０．００５％〜０．０３０％
Ｔｉは、炭化物、窒化物を形成し、強度の向上や組織を微細化する選択元素である。Ｔｉ量は、０．００５％〜０．０３０％とすることが好ましい。０．００５％未満では、強度の向上や、組織の微細化の効果がない。０．０３０％超では、粗大な炭化物や窒化物が形成され、強度の向上や組織の微細化に寄与しなくなり、ｎ値を低下させる。最適に効果を発現させるには、Ｎ量に応じて原子比以上のＴｉ量が更に好ましい。
Ｃａ：０．００１％〜０．０１０％
Ｃａは、酸化物の粗大化を防止し、拡管特性を向上する選択元素である。Ｃａ量は、０．００１％〜０．０１０％とすることが好ましい。０．００１％未満では、酸化物の粗大化を防止する効果がない。０．０１０％超では、粗大なＣａ酸化物が生成し拡管特性が低下することがある。最適に効果を発現させるには、Ｃａ量が、０．００１％〜０．００４％であることが更に好ましい。
Ｎ：０．００１％〜０．０１％
Ｎは、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｖ等と窒化物を形成する選択元素であり、スラブ再加熱時のオーステナイト粒の粗粒化を抑制して母材の組織を微細化し、ＹＳ及びｎ値の向上に寄与する。Ｎ量は、０．００１％〜０．０１％とすることが好ましい。０．００１％未満では、ＹＳとｎ値とを向上させる効果がない。０．００４％超では、窒化物が粗大になり、析出強化や組織の微細化の効果が得られなくなる。
本発明を実施例に基づきさらに説明するが、実施例での条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限り、種々の条件を採用し得る。
表１に示した化学成分を有する板厚が９．５ｍｍの熱延鋼板を使用し、直径１９７ｍｍの電縫鋼管を製造した。熱延鋼板は、加熱温度が１２００℃ 、熱間圧延の最終ｐａｓｓ温度が８００℃、ランアウトテーブルでの水冷後の巻き取り温度が５５０℃である加工条件の熱間圧延から得た。この熱延鋼板から造管した電縫鋼管を、表２に示す温度に加熱し、水焼入れを施し二相組織へと制御した。
熱延鋼板は、圧延方向と平行方向の断面を観察面として試料を採取し、研磨とエッチングとを行って、金属組織を光学顕微鏡で観察した。二相組織鋼管は、外表面から肉厚の１／４の部位の周方向の断面を観察面として試料を採取し、レペラーエッチ後、組織を光学顕微鏡で観察した。撮影した組織写真を用いて、ＪＩＳ Ｇ ０５５２の切断法によりフェライト相の平均粒径を、また、画像処理によって硬質第二相であるマルテンサイト、残留オーステナイト、またはこれらの混合相の平均粒径を求めた。
鋼管の軸方向を長手方向として平行部の径が６ｍｍφである丸棒引張試験材を採取し、ＪＩＳ Ｚ ２２４１に準拠して引張試験を実施し、ＹＳを求めた。ｎ値は、２％から一様伸びまでの範囲の真応力−真歪み曲線を両対数表示し、傾きから求めた。
結果を表２に示す。表２には、実測のＹＳから、次式（（式Ａ）の右辺）
−５．５５×１０−４［ＹＳ］＋０．４１１
を用いて求めた判定基準ｎ値も示した。実測のｎ値が、この判定基準ｎ値よりも大きい場合、ＹＳとｎ値との両方の値が高まっていると判断できる。実施例の二相組織鋼管である製造Ｎｏ．１〜６は、実測のｎ値が判定基準ｎ値よりも高く、高ｎ値及び高ＹＳが両立されている。一方、比較例である製造Ｎｏ．７〜１３は、実測のｎ値が判定基準ｎ値よりも低くなっている。
Ｎｏ．７は、［Ｎｂ］×［Ｃ］の値が小さく、そのため、二相組織鋼管のフェライト平均粒径と硬質第二相の平均粒径が大きくなり、ｎ値が低下した例である。Ｎｏ．８は、［Ｖ］／［Ｎｂ］の値が高いために、ｎ値が低下した例である。Ｎｏ．９は、Ｎｂの含有量が少ないために、ｎ値が低下した例である。Ｎｏ．１０は、Ｖの含有量が多く、なおかつ、二相組織鋼管のフェライト平均粒径が大きいために、ｎ値が低下した例である。Ｎｏ．１１は、ＣとＭｎの含有量が多く、Ｃｅｑの値が高いために、ｎ値が低下した例である。Ｎｏ．１２は、硬質第二相の面積率が大きいため、ＹＳが大きくなり、ｎ値が満足されない例である。Ｎｏ．１３は、焼入れの加熱温度が高く、組織がオーステナイトとなる温度域から焼入れを行ったため、硬質第二相が生成しなかった例であり、ｎ値が低下している。
Figure 0004949541
Figure 0004949541
本発明によれば、成分組成を最適化した熱延鋼板を鋼管に成形し、この鋼管をオーステナイトとフェライトとの二相が共存する温度（二相域）に加熱し、そして、焼入れ処理することで金属組織を制御するので、ＹＳ及びｎ値の両方の特性を同時に高めて、拡管性に優れる二相組織油井鋼管を得ることが可能であり、産業上有用である。

Claims (6)

  1. 二相組織鋼管であって、その化学組成が、質量％で、
    Ｃ ：０．０７％〜０．１５％、
    Ｓｉ：０．１％〜０．５％、
    Ｍｎ：０．８％〜１．９％、
    Ｎｂ：０．０２０％〜０．１０％、
    を含有し、
    Ｐ ：０．０５％以下、
    Ｓ ：０．０１％以下、
    Ａｌ：０．１％以下、
    に制限し、
    残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、
    （式１）によって求められる炭素等量Ｃｅｑが０．２５〜０．４０であり、［Ｘ］を、質量％で表した元素Ｘの含有量としたとき、
    ［Ｎｂ］×［Ｃ］≧０．００２が満足され、
    前記二相組織鋼管の金属組織組成が、面積率で、８０％〜９８％のフェライトと、合計２％〜２０％のマルテンサイト、残留オーステナイト、またはこれらの混合相と、を含み、
    前記フェライトの平均粒径が１μｍ以上８μｍ未満であり、前記マルテンサイト、前記残留オーステナイト、または前記混合相の平均粒径が０．１μｍ以上２μｍ以下であることを特徴とする二相組織鋼管。
    Ｃｅｑ＝［Ｃ］＋［Ｍｎ］／６ ・・・ （式１）
    ここで、［Ｘ］は、質量％で表した元素Ｘの含有量を表す。
  2. 前記二相組織鋼管の化学組成が、質量％で、
    Ｖ ：０．０００１％〜０．０２％、
    Ｔｉ：０．００５％〜０．０３％、
    Ｃａ：０．００１％〜０．０１０％、
    Ｎ ：０．００１％〜０．０１％、
    の１種又は２種以上を更に含有し、
    ［Ｘ］を、元素Ｘの含有量［質量％］としたとき、
    ［Ｖ］／［Ｎｂ］≦１／３
    が満足され、
    前記炭素等量Ｃｅｑが前記（式１）に代わって、（式２）と定義されることを特徴とする、請求項１に記載の二相組織鋼管。
    Ｃｅｑ＝［Ｃ］＋［Ｍｎ］／６＋［Ｖ］／５ ・・・ （式２）
    ここで、［Ｘ］は、質量％で表した元素Ｘの含有量を表す。
  3. 前記二相組織鋼管の化学組成のＮｂ含有量が０．０４０％〜０．１０％であり、
    ［Ｘ］を、質量％で表した元素Ｘの含有量としたとき、
    ［Ｎｂ］×［Ｃ］≧０．００３を満足することを特徴とする請求項１又は２に記載の二相組織鋼管。
  4. 前記二相組織鋼管の板厚が５ｍｍ〜１５ｍｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載の二相組織鋼管。
  5. 化学組成が、質量％で、
    Ｃ ：０．０７％〜０．１５％、
    Ｓｉ：０．１％〜０．５％、
    Ｍｎ：０．８％〜１．９％、
    Ｎｂ：０．０２０％〜０．１０％、
    を含有し、
    Ｐ ：０．０５％以下、
    Ｓ ：０．０１％以下、
    Ａｌ：０．１％以下、
    に制限し、
    残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、
    （式３）によって求められる炭素等量Ｃｅｑが０．２５〜０．４０であり、［Ｘ］を、質量％で表した元素Ｘの含有量としたとき、
    ［Ｎｂ］×［Ｃ］≧０．００２が満足される鋼材を用いて、
    フェライトの平均粒径が１μｍ以上１０μｍ未満となる条件で熱間圧延して、熱間圧延鋼板を製造する工程と、
    前記熱間圧延鋼板から鋼管を造管する工程と、
    前記鋼管を、オーステナイト変態の開始温度Ａｃ１超、オーステナイト変態終了温度Ａｃ３未満に加熱し、焼入れ処理する工程と、
    を有することを特徴とする二相組織鋼管の製造方法。
    Ｃｅｑ＝［Ｃ］＋［Ｍｎ］／６ ・・・ （式３）
    ここで、［Ｘ］は、質量％で表した元素Ｘの含有量を表す。
  6. 前記鋼材の化学組成が、質量％で、
    Ｖ ：０．０００１％〜０．０２％、
    Ｔｉ：０．００５％〜０．０３％、
    Ｃａ：０．００１％〜０．０１０％、
    Ｎ ：０．００１％〜０．０１％、
    の１種又は２種以上を更に含有し、
    ［Ｘ］を、元素Ｘの含有量［質量％］としたとき、
    ［Ｖ］／［Ｎｂ］≦１／３
    が満足され、
    前記炭素等量Ｃｅｑが前記（式３）に代わって、（式４）と定義されることを特徴とする、請求項７に記載の二相組織鋼管の製造方法。
    Ｃｅｑ＝［Ｃ］＋［Ｍｎ］／６＋［Ｖ］／５ ・・・ （式４）
    ここで、［Ｘ］は、質量％で表した元素Ｘの含有量を表す。
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