JP7078106B2 - サワー環境での使用に適した鋼材 - Google Patents
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Description
本発明者らは、まず、95ksi級(655~758MPa未満)の降伏強度を有する鋼材の、固溶C量と耐SSC性との関係について、詳細に検討した。具体的に、図を用いて、上述の化学組成と、95ksi級の降伏強度とを有する鋼材における、固溶C量と耐SSC性との関係を説明する。
<Mo>c=(<Fe>a+<Cr>a+<Mn>a)×<Mo>b/(<Fe>b+<Cr>b+<Mn>b) (1)
<Mo>d=<Mo>a-<Mo>c (2)
<C>a=(<Fe>a/55.85+<Cr>a/52+<Mn>a/53.94+<Mo>c/95.9)/3×12 (3)
<C>b=(<V>a/50.94+<Mo>d/95.9+<Nb>a/92.9)×12 (4)
(固溶C量)=<C>-(<C>a+<C>b) (5)
なお、本明細書において、セメンタイトとは、Fe含有量が50質量%以上の炭化物を意味する。
本実施形態による鋼材は、サワー環境での使用に適する。本実施形態による鋼材の化学組成は、次の元素を含有する。
炭素(C)は、鋼材の焼入れ性を高め、鋼材の強度を高める。Cはさらに、製造工程中の焼戻し時において、炭化物の球状化を促進し、鋼材の耐SSC性を高める。炭化物が分散されればさらに、鋼材の強度が高まる。C含有量が低すぎれば、これらの効果が得られない。一方、C含有量が高すぎれば、鋼材の靭性が低下し、焼割れが発生しやすくなる。したがって、C含有量は0.20~0.50%である。C含有量の好ましい下限は0.23%であり、より好ましくは0.25%である。C含有量の好ましい上限は0.45%であり、より好ましくは0.40%である。
シリコン(Si)は、鋼を脱酸する。Si含有量が低すぎれば、この効果が得られない。一方、Si含有量が高すぎれば、鋼材の耐SSC性が低下する。したがって、Si含有量は0.05~0.50%である。Si含有量の好ましい下限は0.15%であり、より好ましくは0.20%である。Si含有量の好ましい上限は0.45%であり、より好ましくは0.40%である。
マンガン(Mn)は、鋼を脱酸する。Mnはさらに、鋼材の焼入れ性を高める。Mn含有量が低すぎれば、これらの効果が得られない。一方、Mn含有量が高すぎれば、Mnは、P及びS等の不純物とともに、粒界に偏析する。この場合、鋼材の耐SSC性が低下する。したがって、Mn含有量は0.05~1.00%である。Mn含有量の好ましい下限は0.25%であり、より好ましくは0.30%である。Mn含有量の好ましい上限は0.90%であり、より好ましくは0.80%である。
燐(P)は不純物である。すなわち、P含有量は0%超である。Pは、粒界に偏析して鋼材の耐SSC性を低下する。したがって、P含有量は0.030%以下である。P含有量の好ましい上限は0.020%であり、より好ましくは0.015%である。P含有量はなるべく低い方が好ましい。ただし、P含有量の極端な低減は、製造コストを大幅に高める。したがって、工業生産を考慮した場合、P含有量の好ましい下限は0.0001%であり、より好ましくは0.0002%であり、さらに好ましくは0.003%である。
硫黄(S)は不純物である。すなわち、S含有量は0%超である。Sは、粒界に偏析して鋼材の耐SSC性を低下する。したがって、S含有量は0.0100%以下である。S含有量の好ましい上限は0.0050%であり、より好ましくは0.0030%である。S含有量はなるべく低い方が好ましい。ただし、S含有量の極端な低減は、製造コストを大幅に高める。したがって、工業生産を考慮した場合、S含有量の好ましい下限は0.0001%であり、より好ましくは0.0002%であり、さらに好ましくは0.0003%である。
アルミニウム(Al)は、鋼を脱酸する。Al含有量が低すぎれば、この効果が得られず、鋼材の耐SSC性が低下する。一方、Al含有量が高すぎれば、粗大な酸化物系介在物が生成して、鋼材の耐SSC性が低下する。したがって、Al含有量は0.005~0.100%である。Al含有量の好ましい下限は0.015%であり、より好ましくは0.020%である。Al含有量の好ましい上限は0.080%であり、より好ましくは0.060%である。本明細書にいう「Al」含有量は「酸可溶Al」、つまり、「sol.Al」の含有量を意味する。
クロム(Cr)は、鋼材の焼入れ性を高める。Crはさらに、鋼材の焼戻し軟化抵抗を高め、高温焼戻しを可能にする。その結果、鋼材の耐SSC性を高める。Cr含有量が低すぎれば、これらの効果が得られない。一方、Cr含有量が高すぎれば、鋼材の靭性及び耐SSC性が低下する。したがって、Cr含有量は0.10~1.50%である。Cr含有量の好ましい下限は0.25%であり、より好ましくは0.30%である。Cr含有量の好ましい上限は1.30%である。
モリブデン(Mo)は、鋼材の焼入れ性を高める。Moはさらに、微細な炭化物を生成し、鋼材の焼戻し軟化抵抗を高める。その結果、Moは、高温焼戻しにより鋼材の耐SSC性を高める。Mo含有量が低すぎれば、これらの効果が得られない。一方、Mo含有量が高すぎれば、上記効果が飽和する。したがって、Mo含有量は0.25~1.50%である。Mo含有量の好ましい下限は0.50%であり、より好ましくは0.65%である。Mo含有量の好ましい上限は1.30%であり、より好ましくは1.25%である。
チタン(Ti)は窒化物を形成し、ピンニング効果により、結晶粒を微細化する。その結果、鋼材の強度を高める。Ti含有量が低すぎれば、この効果が得られない。一方、Ti含有量が高すぎれば、Ti窒化物が粗大化して、鋼材の耐SSC性が低下する。したがって、Ti含有量は0.002~0.050%である。Ti含有量の好ましい下限は0.003%であり、より好ましくは0.005%である。Ti含有量の好ましい上限は0.030%であり、より好ましくは0.020%である。
窒素(N)は不可避に含有される。すなわち、N含有量は0%超である。NはTiと結合して窒化物を形成し、ピンニング効果により、鋼材の結晶粒を微細化する。しかしながら、N含有量が高すぎれば、Nは粗大な窒化物を形成して、鋼材の耐SSC性を低下する。したがって、N含有量は0.0100%以下である。N含有量の好ましい上限は0.0050%であり、より好ましくは0.0040%である。上記効果をより有効に得るためのN含有量の好ましい下限は0.0005%であり、より好ましくは0.0010%であり、さらに好ましくは0.0020%である。
酸素(O)は不純物である。すなわち、O含有量は0%超である。Oは粗大な酸化物を形成し、鋼材の耐食性を低下する。したがって、O含有量は0.0100%以下である。O含有量の好ましい上限は0.0030%であり、より好ましくは0.0020%である。O含有量はなるべく低い方が好ましい。ただし、O含有量の極端な低減は、製造コストを大幅に高める。したがって、工業生産を考慮した場合、O含有量の好ましい下限は0.0001%であり、より好ましくは0.0002%であり、さらに好ましくは0.0003%である。
上述の鋼材の化学組成はさらに、Feの一部に代えて、Bを含有してもよい。
ホウ素(B)は任意元素であり、含有されなくてもよい。すなわち、B含有量は0%であってもよい。含有される場合、Bは鋼に固溶して、鋼材の焼入れ性を高め、鋼材の強度を高める。Bが少しでも含有されれば、この効果がある程度得られる。しかしながら、B含有量が高すぎれば、鋼材中に粗大な窒化物が生成して、鋼材の耐SSC性が低下する。したがって、B含有量は0~0.0050%である。B含有量の好ましい下限は0%超であり、より好ましくは0.0001%であり、さらに好ましくは0.0003%であり、さらに好ましくは0.0007%である。なお、758MPa以上の降伏強度を得ようとする場合、鋼材はBを0.0001%以上含有することが好ましい。Bが0.0001%以上含有されれば、鋼材の降伏強度を安定して758MPa以上にすることができる。したがって、降伏強度が758~862MPa未満である場合、B含有量の好ましい下限は0.0001%であり、より好ましくは0.0003%であり、さらに好ましくは0.0007%である。B含有量の好ましい上限は0.0035%であり、より好ましくは0.0025%である。
バナジウム(V)は任意元素であり、含有されなくてもよい。すなわち、V含有量は0%であってもよい。含有される場合、VはC又はNと結合して炭化物、窒化物、又は、炭窒化物(以下、「炭窒化物等」という)を形成する。炭窒化物等は、ピンニング効果により鋼材のサブ組織を微細化し、鋼材の耐SSC性を高める。Vはさらに、焼戻し時に微細な炭化物を形成する。微細な炭化物は鋼材の焼戻し軟化抵抗を高め、鋼材の強度を高める。Vはさらに、球状のMC型炭化物となるため、針状のM2C型炭化物の生成を抑制して、鋼材の耐SSC性を高める。Vが少しでも含有されれば、これらの効果がある程度得られる。しかしながら、V含有量が高すぎれば、鋼材の靭性が低下する。したがって、V含有量は0~0.30%である。V含有量の好ましい下限は0%超であり、より好ましくは0.01%であり、さらに好ましくは0.02%である。V含有量の好ましい上限は0.20%であり、より好ましくは0.15%であり、さらに好ましくは0.12%である。
ニオブ(Nb)は任意元素であり、含有されなくてもよい。すなわち、Nb含有量は0%であってもよい。含有される場合、Nbは炭窒化物等を形成する。炭窒化物等はピンニング効果により鋼材のサブ組織を微細化し、鋼材の耐SSC性を高める。Nbはさらに、球状のMC型炭化物となるため、針状のM2C型炭化物の生成を抑制して、鋼材の耐SSC性を高める。Nbが少しでも含有されれば、これらの効果がある程度得られる。しかしながら、Nb含有量が高すぎれば、炭窒化物等が過剰に生成して、鋼材の耐SSC性が低下する。したがって、Nb含有量は0~0.100%である。Nb含有量の好ましい下限は0%超であり、より好ましくは0.002%であり、さらに好ましくは0.003%であり、さらに好ましくは0.007%である。なお、758MPa以上の降伏強度を得ようとする場合、鋼材はNbを0.002%以上含有することが好ましい。Nbが0.002%以上含有されれば、鋼材の降伏強度を安定して758MPa以上にすることができる。したがって、降伏強度が758~862MPa未満である場合、Nb含有量の好ましい下限は0.002%であり、より好ましくは0.003%であり、さらに好ましくは0.007%である。Nb含有量の好ましい上限は0.050%未満であり、より好ましくは0.035%であり、より好ましくは0.030%である。
カルシウム(Ca)は任意元素であり、含有されなくてもよい。すなわち、Ca含有量は0%であってもよい。含有される場合、Caは鋼材中のSを硫化物として無害化し、鋼材の耐SSC性を高める。Caが少しでも含有されれば、この効果がある程度得られる。しかしながら、Ca含有量が高すぎれば、鋼材中の酸化物が粗大化して、鋼材の耐SSC性が低下する。したがって、Ca含有量は0~0.0100%である。Ca含有量の好ましい下限は0%超であり、より好ましくは0.0001%であり、さらに好ましくは0.0003%であり、さらに好ましくは0.0006%であり、さらに好ましくは0.0010%である。Ca含有量の好ましい上限は0.0025%であり、より好ましくは0.0020%である。
マグネシウム(Mg)は任意元素であり、含有されなくてもよい。すなわち、Mg含有量は0%であってもよい。含有される場合、Mgは鋼材中のSを硫化物として無害化し、鋼材の耐SSC性を高める。Mgが少しでも含有されれば、この効果がある程度得られる。しかしながら、Mg含有量が高すぎれば、鋼材中の酸化物が粗大化して、鋼材の耐SSC性が低下する。したがって、Mg含有量は0~0.0100%である。Mg含有量の好ましい下限は0%超であり、より好ましくは0.0001%であり、さらに好ましくは0.0003%であり、さらに好ましくは0.0006%であり、さらに好ましくは0.0010%である。Mg含有量の好ましい上限は0.0025%であり、より好ましくは0.0020%である。
ジルコニウム(Zr)は任意元素であり、含有されなくてもよい。すなわち、Zr含有量は0%であってもよい。含有される場合、Zrは鋼材中のSを硫化物として無害化し、鋼材の耐SSC性を高める。Zrが少しでも含有されれば、この効果がある程度得られる。しかしながら、Zr含有量が高すぎれば、鋼材中の酸化物が粗大化して、鋼材の耐SSC性が低下する。したがって、Zr含有量は0~0.0100%である。Zr含有量の好ましい下限は0%超であり、より好ましくは0.0001%であり、さらに好ましくは0.0003%であり、さらに好ましくは0.0006%であり、さらに好ましくは0.0010%である。Zr含有量の好ましい上限は0.0025%であり、より好ましくは0.0020%である。
希土類元素(REM)は任意元素であり、含有されなくてもよい。すなわち、REM含有量は0%であってもよい。含有される場合、REMは鋼材中のSを硫化物として無害化し、鋼材の耐SSC性を高める。REMはさらに、鋼材中のPと結合して、結晶粒界におけるPの偏析を抑制する。そのため、Pの偏析に起因した鋼材の耐SSC性の低下が抑制される。REMが少しでも含有されれば、これらの効果がある程度得られる。しかしながら、REM含有量が高すぎれば、鋼材中の酸化物が粗大化して、鋼材の耐SSC性が低下する。したがって、REM含有量は0~0.0100%である。REM含有量の好ましい下限は0%超であり、より好ましくは0.0001%であり、さらに好ましくは0.0003%であり、さらに好ましくは0.0006%である。REM含有量の好ましい上限は0.0025%であり、より好ましくは0.0020%である。
コバルト(Co)は任意元素であり、含有されなくてもよい。すなわち、Co含有量は0%であってもよい。含有される場合、Coはサワー環境において、保護性の腐食被膜を形成し、鋼材への水素の侵入を抑制する。これにより、鋼材の耐SSC性を高める。Coが少しでも含有されれば、この効果がある程度得られる。しかしながら、Co含有量が高すぎれば、鋼材の焼入れ性が低下して、鋼材の強度が低下する。したがって、Co含有量は0~0.50%である。Co含有量の好ましい下限は0%超であり、より好ましくは0.02%であり、さらに好ましくは0.05%である。Co含有量の好ましい上限は0.45%であり、より好ましくは0.40%である。
タングステン(W)は任意元素であり、含有されなくてもよい。すなわち、W含有量は0%であってもよい。含有される場合、Wはサワー環境において、保護性の腐食被膜を形成し、鋼材への水素の侵入を抑制する。これにより、鋼材の耐SSC性を高める。Wが少しでも含有されれば、この効果がある程度得られる。しかしながら、W含有量が高すぎれば、鋼材中に粗大な炭化物が生成して、鋼材の耐SSC性が低下する。したがって、W含有量は0~0.50%である。W含有量の好ましい下限は0%超であり、より好ましくは0.02%であり、さらに好ましくは0.05%である。W含有量の好ましい上限は0.45%であり、より好ましくは0.40%である。
ニッケル(Ni)は任意元素であり、含有されなくてもよい。すなわち、Ni含有量は0%であってもよい。含有される場合、Niは鋼材の焼入れ性を高め、鋼材の強度を高める。Niが少しでも含有されれば、この効果がある程度得られる。しかしながら、Ni含有量が高すぎれば、局部的な腐食が促進され、鋼材の耐SSC性が低下する。したがって、Ni含有量は0~0.50%である。Ni含有量の好ましい下限は0%超であり、より好ましくは0.02%である。Ni含有量の好ましい上限は0.35%であり、より好ましくは0.25%である。
銅(Cu)は任意元素であり、含有されなくてもよい。すなわち、Cu含有量は0%であってもよい。含有される場合、Cuは鋼材の焼入れ性を高め、鋼材の強度を高める。Cuが少しでも含有されれば、この効果がある程度得られる。しかしながら、Cu含有量が高すぎれば、鋼材の焼入れ性が高くなりすぎ、鋼材の耐SSC性が低下する。したがって、Cu含有量は0~0.50%である。Cu含有量の好ましい下限は0%超であり、より好ましくは0.02%である。Cu含有量の好ましい上限は0.35%であり、より好ましくは0.25%である。
本実施形態による鋼材は、固溶Cを0.010~0.050質量%含有する。固溶C量が0.010質量%未満であれば、鋼材中の転位の固定が十分でなく、優れた耐SSC性が得られない。一方、固溶C量が0.050質量%を超えれば、かえって鋼材の耐SSC性が低下する。したがって、固溶C量は0.010~0.050質量%である。固溶C量の好ましい下限は0.020質量%であり、より好ましくは0.030質量%である。
固溶C量は、鋼材中の炭化物中のC量(質量%)の、鋼材の化学組成のC含有量からの差分を意味する。鋼材中の炭化物中のC量は、鋼材に対して抽出残渣分析を実施して残渣として得られた炭化物(セメンタイト及びMC型炭化物)中のFe濃度<Fe>a、Cr濃度<Cr>a、Mn濃度<Mn>a、Mo濃度<Mo>a、V濃度<V>a、Nb濃度<Nb>aと、抽出レプリカ法により得られたレプリカ膜をTEM観察することにより特定されたセメンタイトに対してEDSによる点分析を実施して得られたセメンタイト中のFe濃度<Fe>b、Cr濃度<Cr>b、Mn濃度<Mn>b、Mo濃度<Mo>bとを用いて、式(1)~式(5)により求める。
<Mo>c=(<Fe>a+<Cr>a+<Mn>a)×<Mo>b/(<Fe>b+<Cr>b+<Mn>b) (1)
<Mo>d=<Mo>a-<Mo>c (2)
<C>a=(<Fe>a/55.85+<Cr>a/52+<Mn>a/53.94+<Mo>c/95.9)/3×12 (3)
<C>b=(<V>a/50.94+<Mo>d/95.9+<Nb>a/92.9)×12 (4)
(固溶C量)=<C>-(<C>a+<C>b) (5)
なお、本明細書において、セメンタイトとは、Fe含有量が50質量%以上の炭化物を意味する。以下、固溶C量の算出方法を詳しく示す。
鋼材から切粉状の分析サンプルを採取する。鋼材が鋼板である場合、板厚中央部から分析サンプルを採取する。鋼材が鋼管である場合、肉厚中央部から分析サンプルを採取する。酸素気流中燃焼-赤外線吸収法により、C含有量(質量%)を分析する。これを鋼材のC含有量(<C>)とする。
析出C量は、次の手順1~手順4により算出する。具体的には、手順1で抽出残渣分析を実施する。手順2でTEMを用いた抽出レプリカ法、及び、EDSによりセメンタイト中の元素濃度分析(以下「EDS分析」という)を実施する。手順3でMo含有量を調整する。手順4で析出C量を算出する。
手順1では、鋼材中の炭化物を残渣として捕捉し、残渣中のFe、Cr、Mn、Mo、V、及び、Nb含有量を決定する。ここで、「炭化物」とは、セメンタイト(M3C型炭化物)及びMC型炭化物の総称である。具体的な手順は以下のとおりである。鋼材から6mm径で長さ50mmの円柱状試験片を採取する。鋼材が鋼板である場合板厚中央部から、板厚中心が横断面の中心になるように円柱状試験片を採取する。鋼材が鋼管である場合肉厚中央部から、肉厚中心が横断面の中心になるように円柱状試験片を採取する。採取した円柱状試験片の表面を、予備の電解研磨にて50μm程度研磨して新生面を得る。電解研磨した試験片を、電解液(10%アセチルアセトン+1%テトラアンモニウム+メタノール)で電解する。電解後の電解液を0.2μmのフィルターを通して残渣を捕捉する。得られた残渣を酸分解し、ICP(誘導結合プラズマ)発光分析にてFe、Cr、Mn、Mo、V、及び、Nb濃度を質量%単位で定量する。この濃度をそれぞれ<Fe>a、<Cr>a、<Mn>a、<Mo>a、<V>a、及び、<Nb>aと定義する。
手順2では、セメンタイト中のFe、Cr、Mn、及び、Mo含有量を決定する。具体的な手順は以下のとおりである。鋼材からミクロ試験片を切り出す。鋼材が鋼板である場合、板厚中央部からミクロ試験片を切り出す。鋼材が鋼管である場合、肉厚中央部からミクロ試験片を切り出す。切り出したミクロ試験片に対して鏡面研磨を行い、表面を仕上げる。試験片を3%ナイタール腐食液に10分浸漬し、表面を腐食する。腐食した表面をカーボン蒸着膜で覆う。蒸着膜で表面を覆った試験片を5%ナイタール腐食液に浸漬し、20分保持し、蒸着膜を剥離させる。剥離した蒸着膜をエタノールで洗浄した後、シートメッシュですくい取り、乾燥させる。この蒸着膜(レプリカ膜)を、TEMで観察し、20個のセメンタイトについてEDSによる点分析を行う。セメンタイト中の炭素を除く合金元素の合計を100%とした場合の、Fe、Cr、Mn、及び、Mo濃度を質量%単位で定量する。20個のセメンタイトについて濃度を定量し、それぞれの元素の算術平均値を<Fe>b、<Cr>b、<Mn>b、及び、<Mo>bと定義する。
続いて、炭化物中のMo濃度を求める。ここで、Fe、Cr、Mn、及び、Moはセメンタイトに濃化する。一方、V、Nb、及び、MoはMC型炭化物に濃化する。すなわち、Moは、焼戻しによりセメンタイト及びMC型炭化物の両方に濃化する。したがって、Mo量については、セメンタイト及びMC型炭化物について個別に算出する。なお、Vはセメンタイトにもその一部が濃化する場合がある。しかしながら、Vのセメンタイトへの濃化量は、MC型炭化物への濃化量と比較して無視できるほど小さい。したがって、固溶C量を求める上で、VはMC型炭化物のみに濃化するとみなす。
<Mo>c=(<Fe>a+<Cr>a+<Mn>a)×<Mo>b/(<Fe>b+<Cr>b+<Mn>b) (1)
<Mo>d=<Mo>a-<Mo>c (2)
析出C量は、セメンタイトとして析出するC量(<C>a)とMC型炭化物として析出するC量(<C>b)の合計として、算出される。<C>a及び<C>bはそれぞれ、式(3)及び式(4)により、質量%単位で算出される。なお、式(3)は、セメンタイトの構造がM3C型(MはFe、Cr、Mn、及び、Moを含む)であることから導かれた式である。
<C>a=(<Fe>a/55.85+<Cr>a/52+<Mn>a/53.94+<Mo>c/95.9)/3×12 (3)
<C>b=(<V>a/50.94+<Mo>d/95.9+<Nb>a/92.9)×12 (4)
固溶C量(以下、<C>cともいう)は、鋼材のC含有量(<C>)と、析出C量との差として、式(5)により質量%単位で算出する。
<C>c=<C>-(<C>a+<C>b) (5)
本実施形態による鋼材のミクロ組織は、主として焼戻しマルテンサイト及び焼戻しベイナイトからなる。より具体的には、ミクロ組織は体積率で90%以上の焼戻しマルテンサイト及び/又は焼戻しベイナイトからなる。すなわち、ミクロ組織は、焼戻しマルテンサイト及び焼戻しベイナイトの体積率が90%以上である。ミクロ組織の残部はたとえば、フェライト、又は、パーライトである。上述の化学組成を有する鋼材のミクロ組織が、焼戻しマルテンサイト及び焼戻しベイナイトの体積率が90%以上であれば、降伏強度が655~862MPa未満(95ksi級又は110ksi級)、及び、降伏比が85%以上となる。
本実施形態による鋼材の形状は、特に限定されない。鋼材はたとえば鋼管、鋼板である。鋼材が油井用鋼管である場合、好ましくは、鋼材は継目無鋼管である。本実施形態による鋼材が継目無鋼管である場合、肉厚は特に限定されず、たとえば、9~60mmである。本実施形態による鋼材は特に、厚肉の継目無鋼管としての使用に適する。より具体的には、本実施形態による鋼材が15mm以上、さらに、20mm以上の厚肉の継目無鋼管であっても、優れた強度及び耐SSC性を示す。
本実施形態による鋼材の降伏強度は655~862MPa未満(95ksi級又は110ksi級)であり、降伏比は85%以上である。要するに、本実施形態による鋼材は、95ksi級又は110ksi級のいずれかの降伏強度と、85%以上の降伏比とを有する。
ΔK×cosθ/λ=0.9/D+2ε×sinθ/λ (6)
ここで、式(6)中において、θ:回折角度、λ:X線の波長、D:結晶子径、を意味する。
ρ=14.4×ε2/b2 (7)
ここで、式(7)中において、bは体心立方構造(鉄)のバーガースベクトル(b=0.248(nm))である。
上述のとおり、鋼材中の転位には、水素が吸蔵される可能性がある。そのため、鋼材の降伏強度が高いほど、鋼材の耐SSC性が低下すると考えられてきた。そこで、本実施形態においても、降伏強度ごとに、優れた耐SSC性を定義する。具体的に、優れた耐SSC性とは、以下のとおりに定義される。
鋼材の降伏強度が95ksi級の場合、鋼材の耐SSC性は、NACE TM0177-2005 Method Dに準拠したDCB試験、及び、NACE TM0177-2005 Method Aに準拠した低温耐SSC性試験によって評価できる。
鋼材の降伏強度が110ksi級の場合、鋼材の耐SSC性は、NACE TM0177-2005 Method Dに準拠したDCB試験によって評価できる。DCB試験では、図2Bに示すクサビの厚さtを2.92(mm)とすること以外、上述の降伏強度が95ksi級の場合に実施したDCB試験と同様に実施する。
本実施形態による鋼材の製造方法を説明する。以下、本実施形態による鋼材の一例として、継目無鋼管の製造方法を説明する。継目無鋼管の製造方法は、素管を準備する工程(準備工程)と、素管に対して焼入れ及び焼戻しを実施して、継目無鋼管とする工程(焼入れ工程及び焼戻し工程)とを備える。なお、本実施形態による製造方法は、以下に説明する製造方法に限定されない。以下、各工程について詳述する。
準備工程では、上述の化学組成を有する中間鋼材を準備する。中間鋼材が上記化学組成を有していれば、中間鋼材の製造方法は特に限定されない。ここでいう中間鋼材は、最終製品が鋼板の場合は、板状の鋼材であり、最終製品が鋼管の場合は素管である。
素材準備工程では、上述の化学組成を有する溶鋼を用いて素材を製造する。素材の製造方法は特に限定されず、周知の方法でよい。具体的には、溶鋼を用いて連続鋳造法により鋳片(スラブ、ブルーム、又は、ビレット)を製造してもよい。溶鋼を用いて造塊法によりインゴットを製造してもよい。必要に応じて、スラブ、ブルーム又はインゴットを分塊圧延して、ビレットを製造してもよい。以上の工程により素材(スラブ、ブルーム、又は、ビレット)を製造する。
熱間加工工程では、準備された素材を熱間加工して中間鋼材を製造する。鋼材が継目無鋼管である場合、中間鋼材は素管に相当する。始めに、ビレットを加熱炉で加熱する。加熱温度は特に限定されないが、たとえば、1100~1300℃である。加熱炉から抽出されたビレットに対して熱間加工を実施して、素管(継目無鋼管)を製造する。熱間加工の方法は、特に限定されず、周知の方法でよい。
焼入れ工程では、準備された中間鋼材(素管)に対して、焼入れを実施する。本明細書において、「焼入れ」とは、A3点以上の中間鋼材を急冷することを意味する。好ましい焼入れ温度は850~1000℃である。焼入れ温度とは、熱間加工後に直接焼入れを実施する場合、最終の熱間加工を実施する装置の出側に設置された温度計で測定された、中間鋼材の表面温度に相当する。焼入れ温度とはさらに、熱間加工後に補熱した後、焼入れを実施する場合、補熱を実施する炉の温度に相当する。
焼戻し工程では、上述の焼入れを実施した後、焼戻しを実施する。本明細書において、「焼戻し」とは、焼入れ後の中間鋼材をAc1点未満の温度で再加熱して、保持することを意味する。焼戻し温度は、鋼材の化学組成、及び、得ようとする降伏強度に応じて適宜調整する。ここで、焼戻し温度とは、焼入れ後の中間鋼材を加熱して、保持する際の炉の温度に相当する。
95ksi級(655~758MPa未満)の降伏強度を得ようとする場合、好ましい焼戻し温度は650~740℃である。焼戻し温度が高すぎれば、転位密度が低減されすぎ、95ksi級の降伏強度が得られない場合がある。一方、焼戻し温度が低すぎれば、転位密度を十分に低減することができない場合がある。この場合、鋼材の降伏強度が高くなりすぎ、及び/又は、鋼材の耐SSC性が低下する。
110ksi級(758~862MPa未満)の降伏強度を得ようとする場合、好ましい焼戻し温度は650~720℃である。焼戻し温度が高すぎれば、転位密度が低減されすぎ、110ksi級の降伏強度が得られない場合がある。一方、焼戻し温度が低すぎれば、転位密度を十分に低減することができない場合がある。この場合、鋼材の降伏強度が高くなりすぎ、及び/又は、鋼材の耐SSC性が低下する。
焼戻し後の冷却は、従来は制御されていなかった。しかしながら、600℃から200℃の間は、炭素(C)の拡散が比較的早い温度域である。そのため、焼戻し後(つまり、上記焼戻し温度で上記保持時間保持した後)の鋼材の冷却速度が遅ければ、固溶していたCのほとんどが、温度低下中に再析出してくる。つまり固溶C量が、ほぼ0質量%になる。そこで本実施形態においては、焼戻し後の中間鋼材(素管)を急冷する。
上記の焼戻し後の各試験番号の供試材に対して、以下に説明する引張試験、ミクロ組織判定試験、固溶C量測定試験、転位密度測定試験、DCB試験、及び、低温耐SSC性試験を実施した。
引張試験はASTM E8(2013)に準拠して行った。各試験番号の供試材の厚さ中央部から、直径6.35mm、平行部長さ35mmの丸棒試験片を採取した。丸棒試験片の軸方向は、供試材の圧延方向(継目無鋼管の軸方向)と平行であった。各試験番号の丸棒試験片を用いて、常温(25℃)、大気中にて引張試験を実施して、降伏強度(MPa)及び引張強度(MPa)を得た。なお、本実施例では、引張試験で得られた0.5%伸び時の応力(0.5%耐力)を、各試験番号の降伏強度(MPa)と定義した。また一様伸び中の最大応力を引張強度(MPa)とした。引張強度に対する降伏強度の比(YS/TS)を降伏比(%)とした。求めた降伏強度(YS)、引張強度(TS)、及び、降伏比(YR)を、表2に示す。
本実施例による供試材のミクロ組織において、降伏強度が655~758MPa未満(95ksi級)、及び、降伏比が85%以上であった場合、焼戻しマルテンサイト及び焼戻しベイナイトの体積率は90%以上であると判断した。試験番号1-27以外の供試材のミクロ組織は、いずれも焼戻しマルテンサイト及び焼戻しベイナイトの体積率が90%以上であった。
各試験番号の供試材について、上述の測定方法により、固溶C量(質量%)を測定及び算出した。なお、TEMは日本電子(株)製JEM-2010で、加速電圧は200kVとした。EDS点分析は、照射電流を2.56nAとし、各点で60秒の計測を行った。TEMによる観察領域は8μm×8μmとし、任意の10視野で観察した。固溶C量の計算において用いる、各元素の残渣量及びセメンタイト中の濃度は表3のとおりであった。
各試験番号の供試材から、上述の方法で転位密度測定用の試験片を採取した。採取した各試験番号の試験片を用いて、上述の方法で転位密度(m-2)を求めた。求めた転位密度(×1014m-2)を表2に示す。
各試験番号の供試材について、NACE TM0177-2005 Method Dに準拠したDCB試験を実施して、耐SSC性を評価した。具体的には、各試験番号の供試材の厚さ中央部から、図2Aに示すDCB試験片を3本ずつ採取した。DCB試験片の長手方向は、供試材の圧延方向(継目無鋼管の軸方向)と平行であった。各試験番号の供試材からさらに、図2Bに示すクサビを採取した。クサビの厚さtは3.12mmであった。DCB試験片のアームの間に、上記クサビを打ち込んだ。
各試験番号の供試材を用いて、NACE TM0177-2005 Method Aに準拠した方法によって、低温耐SSC性を評価した。具体的には、各試験番号の供試材の厚さ中央部から、径6.35mm、平行部の長さ25.4mmの丸棒試験片を3本採取した。丸棒試験片の軸方向は、供試材の圧延方向(継目無鋼管の軸方向)に平行であった。各試験番号の丸棒試験片の軸方向に引張応力を負荷した。このとき、NACE TM0177-2005 Method Aに準拠して、各丸棒試験片に与えられる応力が、各試験番号の供試材の実降伏応力の95%になるように、調整した。
表2に試験結果を示す。
上記の焼戻し後の各試験番号の供試材に対して、以下に説明する引張試験、ミクロ組織判定試験、固溶C量測定試験、転位密度測定試験、及び、DCB試験を実施した。
引張試験はASTM E8(2013)に準拠して行った。各試験番号の供試材の厚さ中央部から、直径6.35mm、平行部長さ35mmの丸棒試験片を採取した。丸棒試験片の軸方向は、供試材の圧延方向(継目無鋼管の軸方向)と平行であった。各試験番号の丸棒試験片を用いて、常温(25℃)、大気中にて引張試験を実施して、降伏強度(MPa)及び引張強度(MPa)を得た。なお、本実施例では、引張試験で得られた0.7%伸び時の応力(0.7%耐力)を、各試験番号の降伏強度(MPa)と定義した。また一様伸び中の最大応力を引張強度(MPa)とした。引張強度に対する降伏強度の比(YS/TS)を降伏比(%)とした。求めた降伏強度(YS)、引張強度(TS)、及び、降伏比(YR)を、表5に示す。
本実施例による供試材のミクロ組織において、降伏強度が758~862MPa未満(110ksi級)、及び、降伏比が85%以上であったため、焼戻しマルテンサイト及び焼戻しベイナイトの体積率は90%以上であると判断した。各試験番号の供試材のミクロ組織は、全て焼戻しマルテンサイト及び焼戻しベイナイトの体積率が90%以上であった。
各試験番号の供試材について、上述の測定方法により、固溶C量(質量%)を測定及び算出した。なお、TEMは日本電子(株)製JEM-2010で、加速電圧は200kVとした。EDS点分析は、照射電流を2.56nAとし、各点で60秒の計測を行った。TEMによる観察領域は8μm×8μmとし、任意の10視野で観察した。固溶C量の計算において用いる、各元素の残渣量及びセメンタイト中の濃度は表6のとおりであった。
各試験番号の供試材から、上述の方法で転位密度測定用の試験片を採取した。採取した各試験番号の試験片を用いて、上述の方法で転位密度(m-2)を求めた。求めた転位密度(×1014m-2)を表5に示す。
各試験番号の供試材について、NACE TM0177-2005 Method Dに準拠したDCB試験を実施して、耐SSC性を評価した。具体的には、図2Bに示すクサビの厚さtを2.92mmにしたこと以外、実施例1と同様にDCB試験を実施した。求めた3つの破壊靭性値K1SSC(MPa√m)の算術平均値を求め、その試験番号の供試材の破壊靭性値K1SSC(MPa√m)と定義した。
表5に試験結果を示す。
Claims (10)
- 質量%で、
C:0.20~0.50%、
Si:0.05~0.50%、
Mn:0.05~1.00%、
P:0.030%以下、
S:0.0100%以下、
Al:0.005~0.100%、
Cr:0.10~1.50%、
Mo:0.25~1.50%、
Ti:0.002~0.050%、
N:0.0100%以下、
O:0.0100%以下、
B:0~0.0050%、
V:0~0.30%、
Nb:0~0.100%、
Ca:0~0.0100%、
Mg:0~0.0100%、
Zr:0~0.0100%、
希土類元素:0~0.0100%、
Co:0~0.50%、
W:0~0.50%、
Ni:0~0.50%、
Cu:0~0.50%、及び、
残部がFe及び不純物からなる化学組成と、
0.010~0.050質量%の固溶C量と、
655~862MPa未満の降伏強度と、85%以上の降伏比とを備える、鋼材。 - 請求項1に記載の鋼材であって、
前記化学組成は、
B:0.0001~0.0050%を含有する、鋼材。 - 請求項1又は請求項2に記載の鋼材であって、
前記化学組成は、
V:0.01~0.30%、及び、
Nb:0.002~0.100%からなる群から選択される1種以上を含有する、鋼材。 - 請求項1~請求項3のいずれか1項に記載の鋼材であって、
前記化学組成は、
Ca:0.0001~0.0100%、
Mg:0.0001~0.0100%、
Zr:0.0001~0.0100%、及び、
希土類元素:0.0001~0.0100%からなる群から選択される1種又は2種以上を含有する、鋼材。 - 請求項1~請求項4のいずれか1項に記載の鋼材であって、
前記化学組成は、
Co:0.02~0.50%、及び、
W:0.02~0.50%からなる群から選択される1種以上を含有する、鋼材。 - 請求項1~請求項5のいずれか1項に記載の鋼材であって、
前記化学組成は、
Ni:0.02~0.50%、及び、
Cu:0.02~0.50%からなる群から選択される1種以上を含有する、鋼材。 - 請求項1~請求項6のいずれか1項に記載の鋼材であって、
前記降伏強度は、655~758MPa未満である、鋼材。 - 請求項1~請求項6のいずれか1項に記載の鋼材であって、
前記降伏強度は、758~862MPa未満である、鋼材。 - 請求項1~請求項8のいずれか1項に記載の鋼材であって、
前記鋼材は、油井用鋼管である、鋼材。 - 請求項1~請求項9のいずれか1項に記載の鋼材であって、
前記鋼材は、継目無鋼管である、鋼材。
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