JP7264596B2 - 鋼材 - Google Patents
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Description
本実施形態による鋼材は、以下に説明する化学組成を有する。以下の説明において、元素の含有量の「%」は、質量%を意味する。
炭素(C)は、焼戻し時にCr炭化物を生成する。Cr炭化物は、高温の炭酸ガスに対する鋼の耐食性を低下させる。そのため、C含有量は少ない方が好ましい。したがって、C含有量は0.050%以下である。C含有量は、好ましくは0.050%未満であり、より好ましくは0.030%以下であり、さらに好ましくは0.015%以下であり、最も好ましくは0.010%以下である。
シリコン(Si)は、鋼を脱酸する。しかし、Si含有量が多すぎると、鋼の熱間加工性が低下する。また、Si含有量が多すぎると、フェライトが増加し、鋼の強度が低下する。したがって、Si含有量は0.50%以下である。Si含有量は、好ましくは0.50%未満であり、より好ましくは0.40%以下であり、さらに好ましくは0.30%以下である。Si含有量の下限は、好ましくは0.05%である。
マンガン(Mn)は、鋼を脱酸及び脱硫し、熱間加工性を向上させる。しかし、Mn含有量が多すぎると、鋼中に偏析が生じやすくなり、靭性及び高温塩化物水溶液中での耐応力腐食割れ性(以下「耐SCC性」と呼ぶ。)が低下する。また、Mn含有量が多すぎると、残留オーステナイトが増加し、鋼の強度が低下する。したがって、Mn含有量は0.50%以下である。Mn含有量は、好ましくは0.50%未満であり、より好ましくは0.40%以下であり、さらに好ましくは0.30%以下である。Mn含有量の下限は、好ましくは0.03%であり、より好ましくは0.05%である。
燐(P)は、不純物である。Pは、鋼の耐硫化物応力割れ性(以下「耐SSC性」と呼ぶ。)及び高温塩化物水溶液環境中での耐SCC性を低下させる。したがって、P含有量はなるべく少ない方が好ましい。P含有量は0.050%以下である。P含有量は、好ましくは0.050%未満であり、より好ましくは0.030%以下であり、さらに好ましくは0.020%以下である。
硫黄(S)は、不純物である。Sは、鋼の熱間加工性を低下させる。さらに、SはMn等と結合し介在物を形成する。形成された介在物は孔食やSCCの起点となり、鋼の耐食性を低下させる。したがって、S含有量はなるべく少ない方が好ましい。S含有量は0.0050%以下である。S含有量は、好ましくは0.0050%未満であり、より好ましくは0.0025%以下であり、さらに好ましくは0.0020%以下である。
クロム(Cr)は、高温塩化物水溶液環境における耐SCC性を高める。しかし、Cr含有量が多すぎると、フェライトが増加し、鋼の強度が低下する。したがって、Cr含有量は16.00%以上18.00%以下である。Cr含有量は、下限に関しては、好ましくは16.00%よりも高く、より好ましくは16.30%以上であり、さらに好ましくは16.50%以上である。Cr含有量は、上限に関しては、好ましくは18.00%未満であり、より好ましくは17.80%以下であり、さらに好ましくは17.50%以下である。
モリブデン(Mo)は、鋼の耐SSC性を向上させる。さらに、MoはCrとの共存下において鋼の耐SCC性を高める。しかし、Mo含有量が多すぎると、フェライトが増加し、鋼の強度が低下する。また、靱性を低下させる。したがって、Mo含有量は1.80%以上3.00%以下である。Mo含有量は、下限に関しては、好ましくは1.80%よりも高く、より好ましくは2.00%以上であり、さらに好ましくは2.20%以上である。Mo含有量は、上限に関しては、好ましくは3.00%未満であり、より好ましくは2.80%以下であり、さらに好ましくは2.70%以下である。
銅(Cu)は、時効析出によってフェライト相を強化し、鋼の強度を高める。Cuはオーステナイト形成元素であるものの、多量に含有させても金属組織のバランスを大きく変化させない。また、Cuは単体粒子析出するため、マトリクス中の他の元素の含有量を変化させず、この観点からも組織のバランスを大きく変化させない。しかし、Cu含有量が多すぎると、鋼の熱間加工性及び靭性が低下する。したがって、Cu含有量は3.50%を超えて5.00%以下である。Cu含有量は、下限に関しては、好ましくは3.60%以上であり、より好ましくは3.80%以上であり、さらに好ましくは4.00%以上であり、最も好ましくは4.20%以上である。Cu含有量は、上限に関しては、好ましくは5.00%未満であり、より好ましくは4.80%以下であり、さらに好ましくは4.50%以下である。
ニッケル(Ni)は、オーステナイト形成元素であり、高温でのオーステナイトを安定化し、常温でのマルテンサイトを増加させる。そのため、Niは鋼の強度を高める。Niはさらに、高温塩化物水溶液環境における耐食性を高める。しかし、Ni含有量が多すぎると、残留オーステナイトが増加しやすくなり、特に工業生産時において、高強度を安定的に得ることが困難になる。したがって、Ni含有量は3.00%以上5.50%以下である。Ni含有量は、下限に関しては、好ましくは3.00%よりも高く、より好ましくは3.50%以上であり、さらに好ましくは4.00%以上であり、最も好ましくは4.20%以上である。Ni含有量は、上限に関しては、好ましくは5.50%未満であり、より好ましくは5.30%以下であり、さらに好ましくは5.20%以下である。
コバルト(Co)は、鋼の焼入性を高め、特に工業生産時において、安定した高強度を確保する。より具体的には、Coは残留オーステナイトを抑制し、強度のばらつきを抑制する。しかし、Co含有量が多すぎると、鋼の靭性が低下する。したがって、Co含有量は、0.010%以上1.000%以下である。Co含有量は、下限に関しては、好ましくは0.010%よりも高く、より好ましくは0.020%以上であり、さらに好ましくは0.050%以上である。Co含有量は、上限に関しては、好ましくは1.000%未満であり、より好ましくは0.950%以下であり、さらに好ましくは0.750%以下である。
アルミニウム(Al)は、鋼を脱酸する。しかし、Al含有量が多すぎると、フェライトが増加して、鋼の強度が低下する。さらに、アルミナ系介在物が鋼中に多量に生成され、鋼の靭性が低下する。したがって、Al含有量は0.001%以上0.100%以下である。Al含有量は、下限に関しては、好ましくは0.001%よりも高く、より好ましくは0.010%以上である。Al含有量は、上限に関しては、好ましくは0.100%未満であり、より好ましくは0.060%以下である。本明細書において、Al含有量とは、酸可溶Al(sol.Al)の含有量を意味する。
酸素(O)は、不純物である。Oは、鋼の靭性及び耐食性を低下させる。したがって、O含有量は少ない方が好ましい。O含有量は0.0500%以下である。O含有量は、好ましくは0.0500%未満であり、より好ましくは0.0100%以下であり、さらに好ましくは0.0050%以下である。
窒素(N)は、鋼の強度を高める。Nはさらに、オーステナイトを安定化させ、耐孔食性を高める。Nが少しでも含有されれば、上記効果はある程度得られる。しかし、N含有量が多すぎると、鋼中に多量の窒化物が生成し、鋼の靭性が低下する。さらに、残留オーステナイトが増加しやすくなり、鋼の強度が低下しやすくなる。そのため、N含有量は0.0500%以下である。N含有量は、下限に関しては、好ましくは0.0020%以上であり、さらに好ましくは0.0050%以上である。N含有量は、上限に関しては、好ましくは0.0300%以下であり、より好ましくは0.0200%以下であり、さらに好ましくは0.0150%以下である。
Ti:0%以上0.300%以下
Nb:0%以上0.300%以下
Zr:0%以上0.350%以下
バナジウム(V)、チタン(Ti)、ニオブ(Nb)、及びジルコニウム(Nb)はいずれも、炭化物を形成して鋼の強度及び靭性を高める。これらの元素はさらに、Cを固定することにより、Cr炭化物の生成を抑制する。そのため、鋼の耐孔食性及び耐SCC性を向上させる。これらの元素が少しでも含有されていれば、上記効果がある程度得られる。しかし、これらの元素の含有量が多すぎると、炭化物が粗大化し、鋼の靭性及び耐食性が低下する。したがって、V、Ti、及びNbの含有量は、いずれも0%以上0.300%以下である。Zrの含有量は0%以上0.350%以下である。V、Ti、Nb、及びZrの含有量はいずれも、下限に関しては、好ましくは0.005%以上である。この場合、上記の効果が顕著に得られる。V、Ti、Nb、及びZrの含有量はいずれも、上限に関しては、好ましくは0.300%未満である。なお、V、Ti、Nb、及びZrを2種類以上含有させる場合、合計の含有量は0.800%以下とすることが好ましい。より好ましくは0.600%以下である。
希土類元素:0%以上0.300%以下
タングステン(W)及び希土類元素は、高温環境における耐SCC性を高める。これらの元素が少しでも含有されていれば、上記効果がある程度得られる。しかし、これらの元素の含有量が多すぎると、その効果が飽和する。したがって、W含有量は0%以上1.00%以下であり、希土類元素の含有量は0%以上0.300%以下である。W含有量は、下限に関しては、好ましくは0.01%以上である。W含有量は、上限に関しては、好ましくは0.60%以下である。希土類元素の含有量は、下限に関しては、好ましくは0.001%以上である。この場合、上記の効果が顕著に得られる。
B :0%以上0.0100%以下
カルシウム(Ca)及び硼素(B)はいずれも、熱間加工時におけるキズや欠陥の生成を抑制する。これらの元素が少しでも含有されていれば、上記効果がある程度得られる。しかし、Ca含有量が多すぎると、鋼中の介在物が増加して、鋼の靭性及び耐食性が低下する。また、B含有量が多すぎると、結晶粒界にCrの炭硼化物が析出し、鋼の靭性が低下する。したがって、Ca含有量は0%以上0.010%以下であり、B含有量は0%以上0.0100%以下である。Ca含有量は、下限の観点では、好ましくは0.002%以上である。B含有量は、下限の観点では、好ましくは0.0003%以上であり、より好ましくは0.0007%以上である。この場合、上記の効果が顕著に得られる。Ca含有量は、上限の観点では、好ましくは0.010%未満であり、さらに好ましくは0.005%以下である。B含有量は、上限の観点では、好ましくは0.0100%未満であり、さらに好ましくは0.0050%以下である。
本実施形態による鋼材の金属組織は、好ましくは、体積%で、25%以上40%以下のフェライト相と、50%以上75%以下のマルテンサイトと、2%以上10%以下の残留オーステナイトとを含む。
フェライト相は、高温でのSCCの進展を防止する。そのため、フェライト相は、鋼材の耐SCC性を高める。しかし、フェライト相の体積率が高すぎると、鋼材の強度が低下する。したがって、フェライト相の体積率は、好ましくは25%以上40%以下である。フェライト相の体積率は、下限に関しては、より好ましくは28%以上であり、さらに好ましくは30%以上である。フェライト相の体積率は、上限に関しては、より好ましくは38%以下であり、さらに好ましくは35%以下である。
マルテンサイトは、鋼材の強度向上に寄与する。「マルテンサイト」の用語は、マルテンサイト及び焼戻しマルテンサイトを含むものとする。マルテンサイトの体積率は、好ましくは50%以上75%以下である。マルテンサイトの体積率は、下限に関しては、より好ましくは55%以上であり、さらに好ましくは60%以上である。マルテンサイトの体積率は、上限に関しては、より好ましくは72%以下であり、さらに好ましくは70%以下である。マルテンサイトの体積率は、上述したフェライト相の体積率と以下に述べる残留オーステナイトの体積率とを100%から差し引いて求める。
少量の残留オーステナイトは、鋼材の靭性を顕著に向上させる。しかし、残留オーステナイトの体積率が高すぎると、鋼材の強度が低下する。したがって、残留オーステナイトの体積率は、好ましくは2%以上10%以下である。残留オーステナイトの体積率は、下限に関しては、より好ましくは3%以上である。残留オーステナイトの体積率は、上限に関しては、より好ましくは8%以下であり、さらに好ましくは6%以下であり、最も好ましくは5%以下である。
Vγ=100/(1+(Iα×Rγ)/(Iγ×Rα)) (1)
ここで、「Iα」はα相の積分強度である。「Rα」はα相の結晶学的理論計算値である。「Iγ」はγ相の積分強度である。「Rγ」はγ相の結晶学的理論計算値である。
本実施形態による鋼材は、好ましくは、降伏強度が965MPa以上である。本実施形態による鋼材は、より好ましくは降伏強度が980MPa以上であり、さらに好ましくは1000MPa以上である。
以下、鋼材の製造方法の一例として、継目無鋼管の製造方法を説明する。
表1に示す化学組成の鋼を、50kg真空誘導溶解炉(VIM)で溶解し、外径140mm、長さ310mmのインゴットを製造した。なお、表1の「-」は、該当する元素が不純物レベルであったことを示す。
焼き戻し後の鋼板から、API規定に準拠した丸棒試験片(φ6.35mm×GL25.4mm)を採取し、常温(25℃)で引張試験を実施した。
焼き戻し後の鋼板からサンプルを採取し、実施形態で説明した方法によって、フェライト相、マルテンサイト、及び残留オーステナイトの体積率を求めた。
焼き戻し後の鋼板から、ASTM E23に準拠したフルサイズ試験片を採取し、-10℃でシャルピー衝撃試験を実施して吸収エネルギーを求めた。
熱間鍛造後の鋼板から外径3mm、長さ10mmの試験片を採取し、フォーマスタ試験を実施した。具体的には、950℃まで3分間で加熱し、950℃に5分間保持した後、ヘリウムガスで室温付近まで冷却した。冷却速度は約80~100℃/秒であった。冷却中の試験片の変位を観測し、変位が熱収縮から変態膨張へ切り替わったときの温度をマルテンサイト変態開始温度(Ms点)とした。
Claims (5)
- 質量%で、
C :0.050%以下、
Si:0.50%以下、
Mn:0.50%以下、
P :0.050%以下、
S :0.0050%以下、
Cr:16.00%以上18.00%以下、
Mo:1.80%以上3.00%以下、
Cu:3.50%を超えて5.00%以下、
Ni:3.50%以上5.50%以下、
Co:0.010%以上1.000%以下、
Al:0.001%以上0.100%以下、
O :0.0500%以下、
N :0.0500%以下、
V :0%以上0.300%以下、
Ti:0%以上0.300%以下、
Nb:0%以上0.300%以下、
Zr:0%以上0.350%以下、
W :0%以上1.00%以下、
希土類元素:0%以上0.300%以下、
Ca:0%以上0.010%以下、
B :0%以上0.0100%以下、
を含有し、残部がFe及び不純物である化学組成を有し、
金属組織が、体積%で、
25%以上40%以下のフェライト相と、
50%以上75%以下のマルテンサイトと、
2%以上10%以下の残留オーステナイトと、
を含み、
降伏強度が965MPa以上、
である、鋼材。 - 請求項1に記載の鋼材であって、
前記化学組成は、質量%で、
V :0.005%以上0.300%以下、
Ti:0.005%以上0.300%以下、
Nb:0.005%以上0.300%以下、及び
Zr:0.005%以上0.350%以下、
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又は請求項2に記載の鋼材であって、
前記化学組成は、質量%で、
W:0.01%以上1.00%以下、及び、
希土類元素:0.001%以上0.300%以下、
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、質量%で、
Ca:0.002%以上0.010%以下、及び、
B :0.0020%以上0.0100%以下、
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4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。
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