JP7328605B1 - マルテンサイト系ステンレス丸鋼 - Google Patents
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- Y02P10/00—Technologies related to metal processing
- Y02P10/20—Recycling
Abstract
Description
化学組成が、質量%で、
C:0.030%以下、
Si:1.00%以下、
Mn:1.00%以下、
P:0.030%以下、
S:0.0100%以下、
Cr:10.00~14.00%、
Ni:5.00~7.50%、
Mo:1.50~4.00%、
Cu:1.00~3.50%、
W:0.01~2.00%、
Co:0.010~0.500%、
Ti:0.050~0.300%、
V:0.01~0.10%、
Ca:0.0005~0.0100%、
Al:0.001~0.100%、
N:0.0500%以下、
O:0.050%以下、
Nb:0~0.05%、
Sn:0~0.010%、
As:0~0.010%、
Sb:0~0.010%、
B:0~0.0050%、
Mg:0~0.0100%、
希土類元素:0~0.010%、及び、
残部:Fe及び不純物、からなり、
降伏強度が862MPa以上であり、
前記マルテンサイト系ステンレス丸鋼の軸方向に垂直な断面の中心位置において、
質量%での固溶Mo濃度を[Mo]Cと定義し、
質量%での固溶W濃度を[W]Cと定義し、
定電流電解で得られた残渣中の質量%でのMo濃度を[Mo]Rと定義し、
前記残渣中の質量%でのW濃度を[W]Rと定義したとき、
式(1)及び式(2)を満たす。
F1=[Mo]C+0.5[W]C≧2.45 (1)
F2=F1/([Mo]R+[W]R)≧13.0 (2)
F1=[Mo]C+0.5[W]C≧2.45 (1)
F2=F1/([Mo]R+[W]R)≧13.0 (2)
マルテンサイト系ステンレス丸鋼であって、
化学組成が、質量%で、
C:0.030%以下、
Si:1.00%以下、
Mn:1.00%以下、
P:0.030%以下、
S:0.0100%以下、
Cr:10.00~14.00%、
Ni:5.00~7.50%、
Mo:1.50~4.00%、
Cu:1.00~3.50%、
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O:0.050%以下、
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As:0~0.010%、
Sb:0~0.010%、
B:0~0.0050%、
Mg:0~0.0100%、
希土類元素:0~0.010%、及び、
残部:Fe及び不純物、からなり、
降伏強度が862MPa以上であり、
前記マルテンサイト系ステンレス丸鋼の軸方向に垂直な断面の中心位置において、
質量%での固溶Mo濃度を[Mo]Cと定義し、
質量%での固溶W濃度を[W]Cと定義し、
定電流電解で得られた残渣中の質量%でのMo濃度を[Mo]Rと定義し、
前記残渣中の質量%でのW濃度を[W]Rと定義したとき、
式(1)及び式(2)を満たす、
マルテンサイト系ステンレス丸鋼。
F1=[Mo]C+0.5[W]C≧2.45 (1)
F2=F1/([Mo]R+[W]R)≧13.0 (2)
[1]に記載のマルテンサイト系ステンレス丸鋼であって、
前記化学組成は、
Nb:0.01~0.05%、
Sn:0.001~0.010%、
As:0.001~0.010%、
Sb:0.001~0.010%、
B:0.0001~0.0050%、
Mg:0.0001~0.0100%、
希土類元素:0.001~0.010%、からなる群から選択される1元素以上を含有する、
マルテンサイト系ステンレス丸鋼。
本実施形態のマルテンサイト系ステンレス丸鋼は、次の特徴1~4を有する。
(特徴1)
化学組成が、質量%で、C:0.030%以下、Si:1.00%以下、Mn:1.00%以下、P:0.030%以下、S:0.0100%以下、Cr:10.00~14.00%、Ni:5.00~7.50%、Mo:1.50~4.00%、Cu:1.00~3.50%、W:0.01~2.00%、Co:0.010~0.500%、Ti:0.050~0.300%、V:0.01~0.10%、Ca:0.0005~0.0100%、Al:0.001~0.100%、N:0.0500%以下、O:0.050%以下、Nb:0~0.05%、Sn:0~0.010%、As:0~0.010%、Sb:0~0.010%、B:0~0.0050%、Mg:0~0.0100%、希土類元素:0~0.010%、及び、残部:Fe及び不純物、からなる。
(特徴2)
降伏強度が862MPa(125ksi)以上である。
(特徴3)
丸鋼の軸方向に垂直な断面の中心位置において、F1(=[Mo]C+0.5[W]C)が2.45以上である。
(特徴4)
丸鋼の軸方向に垂直な断面の中心位置において、F2(=F1/([Mo]R+[W]R))が13.0以上である。
以下、特徴1~特徴4について説明する。
本実施形態のマルテンサイト系ステンレス丸鋼の化学組成は、次の元素を含有する。
炭素(C)は不可避に含有される。つまり、C含有量は0%超である。
Cは鋼材の焼入れ性を高めて、鋼材の強度を高める。しかしながら、C含有量が0.030%を超えれば、CはCrと結合してCr炭化物を生成する。この場合、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の耐SSCが低下しやすくなる。
したがって、C含有量は0.030%以下である。
C含有量の好ましい下限は0.001%であり、さらに好ましくは0.003%であり、さらに好ましくは0.005%である。
C含有量の好ましい上限は0.025%であり、さらに好ましくは0.020%であり、さらに好ましくは0.015%である。
シリコン(Si)は不可避に含有される。つまり、Si含有量は0%超である。
Siは鋼を脱酸する。しかしながら、Si含有量が1.00%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の熱間加工性が低下する。
したがって、Si含有量は1.00%以下である。
Si含有量の好ましい下限は0.01%であり、さらに好ましくは0.05%であり、さらに好ましくは0.10%であり、さらに好ましくは0.15%である。
Si含有量の好ましい上限は0.90%であり、さらに好ましくは0.80%であり、さらに好ましくは0.70%であり、さらに好ましくは0.50%であり、さらに好ましくは0.45%であり、さらに好ましくは0.40%であり、さらに好ましくは0.30%である。
マンガン(Mn)は不可避に含有される。つまり、Mn含有量は0%超である。
Mnは鋼材の焼入れ性を高めて、鋼材の強度を高める。しかしながら、Mn含有量が1.00%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、Mnは粗大な介在物を形成して、鋼材の靭性を低下させる。
したがって、Mn含有量は1.00%以下である。
Mn含有量の好ましい下限は0.01%であり、さらに好ましくは0.05%であり、さらに好ましくは0.10%であり、さらに好ましくは0.20%であり、さらに好ましくは0.30%である。
Mn含有量の好ましい上限は0.90%であり、さらに好ましくは0.80%であり、さらに好ましくは0.70%であり、さらに好ましくは0.60%であり、さらに好ましくは0.50%であり、さらに好ましくは0.45%である。
燐(P)は不可避に含有される不純物である。つまり、P含有量は0%超である。
P含有量が0.030%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、Pが結晶粒界に偏析して、鋼材の靭性を顕著に低下させる。
したがって、P含有量は0.030%以下である。
P含有量はなるべく低い方が好ましい。しかしながら、P含有量の過剰な低減は、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0.001%であり、さらに好ましくは0.002%であり、さらに好ましくは0.005%である。
P含有量の好ましい上限は0.025%であり、さらに好ましくは0.020%である。
硫黄(S)は不可避に含有される不純物である。つまり、S含有量は0%超である。
S含有量が0.0100%を超えれば、Sが結晶粒界に過剰に偏析したり、MnSが過剰に多く生成したりする。この場合、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の靭性及び熱間加工性が顕著に低下する。
したがって、S含有量は0.0100%以下である。
S含有量はなるべく低い方が好ましい。しかしながら、S含有量の過剰な低減は、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、さらに好ましくは0.0002%であり、さらに好ましくは0.0004%である。
S含有量の好ましい上限は0.0080%であり、さらに好ましくは0.0060%であり、さらに好ましくは0.0040%であり、さらに好ましくは0.0030%であり、さらに好ましくは0.0020%である。
クロム(Cr)はサワー環境において、鋼材の表面に不働態皮膜を生成して鋼材の耐SSC性を高める。Cr含有量が10.00%未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。
一方、Cr含有量が14.00%を超えれば、Cr炭化物、Crを含有する金属間化合物、及び、Cr酸化物が過剰に生成する。この場合、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の耐SSC性が低下する。
したがって、Cr含有量は10.00~14.00%である。
Cr含有量の好ましい下限は10.50%であり、さらに好ましくは11.00%であり、さらに好ましくは11.40%であり、さらに好ましくは11.70%である。
Cr含有量の好ましい上限は13.70%であり、さらに好ましくは13.60%であり、さらに好ましくは13.50%であり、さらに好ましくは13.40%であり、さらに好ましくは13.30%である。
ニッケル(Ni)はサワー環境において、不働態皮膜上に硫化物を生成する。Ni硫化物は、塩化物イオン(Cl-)や硫化水素イオン(HS-)が不働態皮膜に接触するのを抑制する。そのため、不働態皮膜が塩化物イオンや硫化水素イオンにより破壊されにくくなる。その結果、Niはサワー環境での鋼材の耐SSC性を高める。Niはさらに、オーステナイト形成元素である。そのため、Niは、焼入れ後の鋼材のミクロ組織をマルテンサイト化する。Ni含有量が5.00%未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。
一方、Ni含有量が7.50%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材中の水素拡散係数が過剰に低減する。この場合、特に、125ksi級以上(862MPa以上)の鋼材において、耐SSC性がかえって低下する。
したがって、Ni含有量は5.00~7.50%である。
Ni含有量の好ましい下限は5.10%であり、さらに好ましくは5.20%であり、さらに好ましくは5.30%である。
Ni含有量の好ましい上限は7.20%であり、さらに好ましくは7.00%であり、さらに好ましくは6.80%であり、さらに好ましくは6.60%であり、さらに好ましくは6.50%である。
モリブデン(Mo)はサワー環境において、不働態皮膜上に硫化物を生成する。Mo硫化物は、塩化物イオン(Cl-)や硫化水素イオン(HS-)が不働態皮膜に接触するのを抑制する。そのため、不働態皮膜が塩化物イオンや硫化水素イオンにより破壊されにくくなる。その結果、Moはサワー環境での鋼材の耐SSC性を高める。Mo含有量が1.50%未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、この効果が十分に得られない。
一方、Mo含有量が4.00%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、オーステナイトが安定化しにくくなる。その結果、マルテンサイトを主体とするミクロ組織が安定的に得られにくくなる。
したがって、Mo含有量は1.50~4.00%である。
Mo含有量の好ましい下限は1.60%であり、さらに好ましくは1.70%であり、さらに好ましくは1.80%である。
Mo含有量の好ましい上限は3.80%であり、さらに好ましくは3.60%であり、さらに好ましくは3.40%であり、さらに好ましくは3.20%であり、さらに好ましくは3.10%である。
銅(Cu)は175℃の環境での鋼材の耐SCC性を高める。Cu含有量が1.00%未満であれば、上記効果が十分に得られない。
一方、Cu含有量が3.50%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の熱間加工性が低下する。
したがって、Cu含有量は1.00~3.50%である。
Cu含有量の好ましい下限は1.20%であり、さらに好ましくは1.40%であり、さらに好ましくは1.60%であり、さらに好ましくは1.80%である。
Cu含有量の好ましい上限は3.30%であり、さらに好ましくは3.00%であり、さらに好ましくは2.70%であり、さらに好ましくは2.40%である。
タングステン(W)は、サワー環境において不働態皮膜を安定化する。そのため、不働態皮膜が塩化物イオンや硫化水素イオンにより破壊されにくくなる。その結果、鋼材の耐SSC性が高まる。W含有量が0.01%未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。
一方、W含有量が2.00%を超えれば、WはCと結合して、粗大なW炭化物が生成する。この場合、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の靱性が低下する。
したがって、W含有量は0.01~2.00%である。
W含有量の好ましい下限は0.05%であり、さらに好ましくは0.10%であり、さらに好ましくは0.15%であり、さらに好ましくは0.20%である。
W含有量の好ましい上限は1.90%であり、さらに好ましくは1.80%であり、さらに好ましくは1.70%であり、さらに好ましくは1.60%である。
コバルト(Co)は、サワー環境において、不働態皮膜上に硫化物を生成する。Co硫化物は、塩化物イオン(Cl-)及び/又は硫化水素イオン(HS-)が不働態皮膜に接触するのを抑制する。そのため、不働態皮膜が塩化物イオンや硫化水素イオンにより破壊されにくくなる。その結果、Coは、鋼材の耐SSC性を高める。Coはさらに、残留オーステナイトの生成を抑制し、鋼材の強度のばらつきを抑制する。Co含有量が0.010%未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。
一方、Co含有量が0.500%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の靱性が低下する。
したがって、Co含有量は0.010~0.500%である。
Co含有量の好ましい下限は0.030%であり、さらに好ましくは0.060%であり、さらに好ましくは0.080%であり、さらに好ましくは0.100%であり、さらに好ましくは0.110%である。
Co含有量の好ましい上限は0.450%であり、さらに好ましくは0.400%であり、さらに好ましくは0.350%であり、さらに好ましくは0.300%であり、さらに好ましくは0.250%である。
チタン(Ti)は、C又はNと結合して、炭化物又は窒化物であるTi析出物を形成する。Ti析出物は、ピンニング効果により結晶粒の粗大化を抑制する。その結果、鋼材の強度が高まる。さらに、Ti析出物の生成により、炭化物、窒化物、又は、炭窒化物であるV析出物の過剰な生成を抑制する。そのため、強度の過剰な上昇が抑制される。その結果、鋼材の耐SSC性が高まる。Ti含有量が0.050%未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。
一方、Ti含有量が0.300%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、Ti析出物が過剰に生成する。この場合、鋼材の靭性が低下する。
したがって、Ti含有量は0.050~0.300%である。
Ti含有量の好ましい下限は0.060%であり、さらに好ましくは0.070%であり、さらに好ましくは0.080%であり、さらに好ましくは0.090%である。
Ti含有量の好ましい上限は0.270%であり、さらに好ましくは0.240%であり、さらに好ましくは0.210%であり、さらに好ましくは0.180%であり、さらに好ましくは0.150%であり、さらに好ましくは0.120%である。
バナジウム(V)は鋼材中で炭化物、窒化物、又は炭窒化物であるV析出物を形成する。V析出物は、鋼材の強度を高める。V含有量が0.01%未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。
一方、V含有量が0.10%を超えれば、V析出物が過剰に生成する。そのため、鋼材の強度が過剰に高くなる。その結果、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の耐SSC性が低下する。
したがって、V含有量は0.01~0.10%である。
V含有量の好ましい下限は0.02%であり、さらに好ましくは0.03%であり、さらに好ましくは0.04%である。
V含有量の好ましい上限は0.09%であり、さらに好ましくは0.08%であり、さらに好ましくは0.07%である。
カルシウム(Ca)は介在物を球状化及び/又は微細化する。そのため、鋼材の熱間加工性が高まる。Ca含有量が0.0005%未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。
一方、Ca含有量が0.0100%を超えれば、粗大な酸化物が生成する。この場合、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の靱性が低下する。
したがって、Ca含有量は0.0005~0.0100%である。
Ca含有量の好ましい下限は0.0008%であり、さらに好ましくは0.0010%であり、さらに好ましくは0.0015%であり、さらに好ましくは0.0020%である。
Ca含有量の好ましい上限は0.0080%であり、さらに好ましくは0.0060%であり、さらに好ましくは0.0050%であり、さらに好ましくは0.0040%であり、さらに好ましくは0.0035%である。
アルミニウム(Al)は鋼を脱酸する。Al含有量が0.001%未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。
一方、Al含有量が0.100%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、粗大なAl酸化物が生成する。この場合、鋼材の靭性が低下する。
したがって、Al含有量は0.001~0.100%である。
Al含有量の好ましい下限は0.003%であり、さらに好ましくは0.005%であり、さらに好ましくは0.010%である。
Al含有量の好ましい上限は0.080%であり、さらに好ましくは0.060%であり、さらに好ましくは0.050%であり、さらに好ましくは0.040%である。
本明細書におけるAl含有量は、sol.Al(酸可溶Al)の含有量を意味する。
窒素(N)は不可避に含有される不純物である。つまり、N含有量は0%超である。
N含有量が0.0500%を超えれば、粗大なTiNが生成する。この場合、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の耐SSC性が低下する。
したがって、N含有量は0.0500%以下である。
N含有量はなるべく低い方が好ましい。しかしながら、N含有量の過剰な低減は、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、N含有量の好ましい下限は0.0001%であり、さらに好ましくは0.0005%であり、さらに好ましくは0.0010%であり、さらに好ましくは0.0020%であり、さらに好ましくは0.0030%である。
N含有量の好ましい上限は0.0400%であり、さらに好ましくは0.0300%であり、さらに好ましくは0.0250%であり、さらに好ましくは0.0200%であり、さらに好ましくは0.0150%である。
酸素(O)は不可避に含有される不純物である。つまり、O含有量は0%超である。
O含有量が0.050%を超えれば、粗大な酸化物が生成する。この場合、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、丸鋼の耐SSC性が低下する。
したがって、O含有量は0.050%以下である。
O含有量はなるべく低い方が好ましい。しかしながら、O含有量の過剰な低減は、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0.001%であり、さらに好ましくは0.002%である。
O含有量の好ましい上限は0.040%であり、さらに好ましくは0.030%であり、さらに好ましくは0.025%であり、さらに好ましくは0.020%であり、さらに好ましくは0.010%である。
本実施形態のマルテンサイト系ステンレス丸鋼の化学組成はさらに、Feの一部に代えて、次の群から選択される1元素以上の任意元素を含有してもよい。
Nb:0~0.05%、
Sn:0~0.010%、
As:0~0.010%、
Sb:0~0.010%、
B:0~0.0050%、
Mg:0~0.0100%、及び、
希土類元素:0~0.010%
以下、これらの任意元素について説明する。
本実施形態のマルテンサイト系ステンレス丸鋼の化学組成はさらに、Feの一部に代えて、Nb、Sn、As及びSbからなる群から選択される1元素以上を含有してもよい。これらの元素は任意元素であり、いずれも、鋼材の耐SSC性を高める。
ニオブ(Nb)は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Nb含有量は0%であってもよい。
含有される場合、つまり、Nb含有量が0%超である場合、Nbは、炭化物、窒化物、又は炭窒化物であるNb析出物を形成する。Nb析出物はピンニング効果により、鋼材のサブ組織を微細化する。その結果、鋼材の耐SSC性が高まる。Nbが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。
しかしながら、Nb含有量が0.05%を超えれば、Nb析出物が過剰に生成する。この場合、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の耐SSC性が低下する。
したがって、Nb含有量は0~0.05%である。Nbが含有される場合、Nb含有量は0.05%以下である。
Nb含有量の好ましい下限は0.01%である。
Nb含有量の好ましい上限は0.04%であり、さらに好ましくは0.03%である。
スズ(Sn)は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Sn含有量は0%であってもよい。
含有される場合、つまり、Sn含有量が0%超である場合、Snは、鋼材の耐SSC性を高める。Sn含有量が少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。
しかしながら、Sn含有量が0.010%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、Snが粒界に偏析する。この場合、鋼材の耐SSC性が低下する。
したがって、Sn含有量は0~0.010%である。Snが含有される場合、Sn含有量は0.010%以下である。
Sn含有量の好ましい下限は0.001%であり、さらに好ましくは0.002%である。
Sn含有量の好ましい上限は0.009%であり、さらに好ましくは0.008%であり、さらに好ましくは0.007%である。
ヒ素(As)は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、As含有量は0%であってもよい。
含有される場合、つまり、As含有量が0%超である場合、Asは、鋼材の耐SSC性を高める。Asが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。
しかしながら、As含有量が0.010%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、Asが粒界に偏析する。この場合、鋼材の耐SSC性が低下する。
したがって、As含有量は0~0.010%である。Asが含有される場合、As含有量は0.010%以下である。
As含有量の好ましい下限は0.001%であり、さらに好ましくは0.002%である。
As含有量の好ましい上限は0.009%であり、さらに好ましくは0.008%である。
アンチモン(Sb)は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Sb含有量は0%であってもよい。
含有される場合、つまり、Sb含有量が0%超である場合、Sbは、鋼材の耐SSC性を高める。Sbが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。
しかしながら、Sb含有量が0.010%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、Sbが粒界に偏析する。この場合、鋼材の耐SSC性が低下する。
したがって、Sb含有量は0~0.010%である。Sbが含有される場合、Sb含有量は0.010%以下である。
Sb含有量の好ましい下限は0.001%であり、さらに好ましくは0.002%である。
Sb含有量の好ましい上限は0.009%であり、さらに好ましくは0.008%である。
本実施形態のマルテンサイト系ステンレス丸鋼の化学組成はさらに、Feの一部に代えて、B、Mg及び希土類元素(REM)からなる群から選択される1元素以上を含有してもよい。これらの元素は任意元素であり、いずれも、鋼材の熱間加工性を高める。
ボロン(B)は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、B含有量は0%であってもよい。
含有される場合、つまり、B含有量が0%超である場合、Bはオーステナイト粒界に偏析して粒界を強化する。その結果、鋼材の熱間加工性が高まる。Bが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。
しかしながら、B含有量が0.0050%を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、Cr炭硼化物が生成する。この場合、鋼材の靭性が低下する。
したがって、B含有量は0~0.0050%である。Bが含有される場合、B含有量は0.0050%以下である。
B含有量の好ましい下限は0.0001%であり、さらに好ましくは0.0002%であり、さらに好ましくは0.0003%である。
B含有量の好ましい上限は0.0040%であり、さらに好ましくは0.0030%であり、さらに好ましくは0.0020%であり、さらに好ましくは0.0010%であり、さらに好ましくは0.0008%であり、さらに好ましくは0.0007%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。つまり、Mg含有量は0%であってもよい。
含有される場合、つまり、Mg含有量が0%超である場合、MgはCaと同様に、介在物を球状化及び/又は微細化する。その結果、鋼材の熱間加工性が高まる。Mgが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。
しかしながら、Mg含有量が0.0100%を超えれば、粗大な酸化物が生成する。この場合、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の靱性が低下する。
したがって、Mg含有量は0~0.0100%である。Mgが含有される場合、Mg含有量は0.0100%以下である。
Mg含有量の好ましい下限は0.0001%であり、さらに好ましくは0.0005%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0.0080%であり、さらに好ましくは0.0060%であり、さらに好ましくは0.0040%であり、さらに好ましくは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。つまり、REM含有量は0%であってもよい。
含有される場合、つまり、REM含有量が0%超である場合、REMはCaと同様に、介在物を球状化及び/又は微細化する。その結果、鋼材の熱間加工性を高める。REMが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。
しかしながら、REM含有量が0.010%を超えれば、粗大な酸化物が生成する。この場合、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、鋼材の靱性が低下する。
したがって、REM含有量は0~0.010%である。REMが含有される場合、REM含有量は0.010%以下である。
REM含有量の好ましい下限は0.001%であり、さらに好ましくは0.002%である。
REM含有量の好ましい上限は0.008%であり、さらに好ましくは0.006%であり、さらに好ましくは0.004%であり、さらに好ましくは0.003%である。
本実施形態のマルテンサイト系ステンレス丸鋼の降伏強度は、125ksi以上、つまり、862MPa以上である。
本明細書において、降伏強度は、ASTM E8/E8M(2013)に準拠した常温での引張試験により得られた、0.2%オフセット耐力(MPa)を意味する。具体的には、降伏強度は次の方法で求める。
本実施形態のマルテンサイト系ステンレス丸鋼の軸方向に垂直な断面の中心位置において、次のとおり定義する。
(A)質量%での固溶Mo濃度を[Mo]Cと定義する。
(B)質量%での固溶W濃度を[W]Cと定義する。
(C)定電流電解で得られた残渣中の質量%でのMo濃度を[Mo]Rと定義する。
(D)前記残渣中の質量%でのW濃度を[W]Rと定義する。
この場合、本実施形態の丸鋼では、次の式(1)及び式(2)を満たす。
F1=[Mo]C+0.5[W]C≧2.45 (1)
F2=F1/([Mo]R+[W]R)≧13.0 (2)
以下、F1及びF2について説明する。
F1(=[Mo]C+0.5[W]C)は、マルテンサイト系ステンレス丸鋼の横断面中心位置での固溶Mo濃度及び固溶W濃度に起因した耐SSC性の指標である。
F0=Mo+0.5W≧2.55 (0)
ここで、式(0)中の各元素記号には、対応する元素の質量%での含有量が代入される。
F0の好ましい下限は2.60であり、さらに好ましくは2.65であり、さらに好ましくは2.68であり、さらに好ましくは2.70である。F0の上限は特に限定されないが、マルテンサイト系ステンレス丸鋼が特徴1を満たす場合、F0の上限は5.00である。
F2は、固溶Mo濃度及び固溶W濃度による耐SSC性向上作用と、マルテンサイト系ステンレス丸鋼中のLaves相の生成量による耐SSC性低下作用との関係を示す指標である。F1が式(1)を満たす程度に十分な固溶Mo及び固溶Wが存在していても、Laves相の生成量が多ければ、Laves相の生成量に起因して、耐SSC性が低下する。つまり、固溶Mo濃度及び固溶W濃度に起因する耐SSC性の向上作用が、Laves相の生成量に起因する耐SSC性の低下作用に相殺されてしまう。図1に示すとおり、Wを含有する場合、Wを含有しない場合と比較して、Laves相が生成しやすくなる。そのため、本実施形態では、固溶Mo濃度及び固溶W濃度と、Laves相の生成量とを適切な関係に調整する。
F2の上限は特に限定されない。しかしながら、F2の上限は例えば50.0であり、好ましい上限は45.0であり、さらに好ましくは40.0である。
固溶Mo濃度[Mo]C、固溶W濃度[W]C、残渣中のMo濃度[Mo]R及び残渣中のW濃度[W]Rは、次の方法で求めることができる。
マルテンサイト系ステンレス丸鋼の軸方向に垂直な断面の中心位置を含む、直径10mm、長さ50mmの円柱状試験片を、丸鋼から採取する。このとき、円柱状試験片の中心軸が、丸鋼の中心軸と一致するように、円柱状試験片を採取する。
本実施形態によるマルテンサイト系ステンレス丸鋼のミクロ組織は、マルテンサイトを主体とする。本明細書において、マルテンサイトとは、フレッシュマルテンサイトだけでなく、焼戻しマルテンサイトも含む。また、本明細書において、マルテンサイトが主体とは、ミクロ組織において、マルテンサイトの体積率が80.0%以上であることを意味する。
本実施形態のマルテンサイト系ステンレス丸鋼のミクロ組織におけるマルテンサイトの体積率(%)は、以下に示す方法で求めた残留オーステナイトの体積率(%)を、100.0%から差し引いて求める。
Vγ=100/{1+(Iα×Rγ)/(Iγ×Rα)} (I)
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。なお、本明細書において、α相の(200)面でのRαを15.9、α相の(211)面でのRαを29.2、γ相の(200)面でのRγを35.5、γ相の(220)面でのRγを20.8、γ相の(311)面でのRγを21.8とする。なお、残留オーステナイトの体積率は、得られた数値の小数第二位を四捨五入する。
マルテンサイトの体積率=100.0-残留オーステナイトの体積率(%)
上述のとおり、本実施形態のマルテンサイト系ステンレス丸鋼は、次の特徴1~4を有する。
(特徴1)化学組成中の各元素含有量が本実施形態の範囲である。
(特徴2)降伏強度が862MPa(125ksi)以上である。
(特徴3)F1(=[Mo]C+0.5[W]C)が2.45以上である。
(特徴4)F2(=F1/([Mo]R+[W]R))が13.0以上である。
これらの特徴を有することにより、本実施形態の丸鋼では、降伏強度が125ksi(862MPa)以上と高いにもかかわらず、優れた耐SSC性を有し、さらに、175℃の環境での優れた耐SCC性を有する。
本実施形態のマルテンサイト系ステンレス丸鋼の耐SSC性は、NACE TM0177-2016 Method Aに準拠した耐SSC性評価試験により評価できる。
本実施形態のマルテンサイト系ステンレス丸鋼の耐SCC性は、ASTM G39-2016に準拠した4点曲げ試験により評価する。具体的には、マルテンサイト系ステンレス丸鋼の軸方向に垂直な断面における中心位置から、矩形試験片を採取する。矩形試験片は厚さ2mm、幅10mm、長さ75mmとする。矩形試験片の軸方向は、丸鋼の軸方向と平行とする。矩形試験片の軸方向に平行な中心軸は、マルテンサイト系ステンレス丸鋼の中心軸と一致する。
本実施形態のマルテンサイト系ステンレス丸鋼は、ダウンホールツールの素材として適する。例えば、ダウンホールツールは、油井探索及び油井掘削用途のツールである。ダウンホールツールは例えば、プラグ、パッカー、ドリルピット等である。プラグ又はパッカーは、フラクチャリングを実施するために油井孔内の所定区域を塞ぐのに用いられる。ドリルピットは、油井孔の掘削に用いられる。
なお、本実施形態のマルテンサイト系ステンレス丸鋼は、ダウンホールツール用途以外の他の用途に用いてもよい。
本実施形態のマルテンサイト系ステンレス丸鋼の製造方法の一例を説明する。なお、以下に説明する製造方法は一例であって、本実施形態のマルテンサイト系ステンレス丸鋼の製造方法はこれに限定されない。つまり、上述の構成を有する本実施形態のマルテンサイト系ステンレス丸鋼が製造できれば、以下に説明する製造方法に限定されない。ただし、以下に説明する製造方法は、本実施形態のマルテンサイト系ステンレス丸鋼を製造する好適な製造方法である。
(工程1)素材準備工程
(工程2)粗熱間加工工程
(工程3)仕上げ熱間加工工程
(工程4)熱処理工程(焼入れ工程及び焼戻し工程)
(焼戻し工程での条件)
条件1:焼戻し温度Tを550~650℃とする。
条件2:焼戻し時間tを240~600分とする。
条件3:FA(={(T+273)×(t/60)0.8}/(Mo+W))を1800以下とする。
条件4:焼戻し時間t経過後の丸鋼を冷却し、焼戻し温度T~200℃までの平均冷却速度を5.0℃/秒以上とする。
以下、各工程について詳述する。
素材準備工程では、化学組成中の各元素含有量が本実施形態の範囲内である溶鋼を周知の製鋼方法により製造する。製造された溶鋼を用いて、連続鋳造法により鋳片を製造する。ここで、鋳片とは、例えば、ブルームである。鋳片に代えて、上記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。以上の製造工程により、素材(鋳片又はインゴット)を製造する。
粗熱間加工工程では、素材(鋳片又はインゴット)を加熱した後、熱間加工して、ビレットを製造する。熱間加工は、熱間鍛造でもよいし、熱間圧延でもよい。
仕上げ熱間加工工程では、粗熱間加工工程で製造されたビレットを加熱した後、熱間加工して、丸鋼を製造する。
熱処理工程は、次の工程を含む。
(工程41)焼入れ工程
(工程42)焼戻し工程
以下、各工程について説明する。
焼入れ工程では、粗熱間加工工程又は仕上げ熱間加工工程で製造された中間丸鋼に対して、焼入れを実施する。焼入れは公知の方法で実施する。
焼入れ後の中間丸鋼に対してさらに、焼戻し工程を実施する。焼戻し工程では、中間丸鋼の降伏強度を調整する。焼戻し工程ではさらに、中間丸鋼中の固溶Mo濃度、固溶W濃度、Laves相の生成量を調整して、中間丸鋼の横断面中心位置において、F1が式(1)を満たし、かつ、F2が式(2)を満たすように調整する。
条件1:焼戻し温度Tを550~650℃とする。
条件2:焼戻し時間tを240~600分とする。
条件3:FA(={(T+273)×(t/60)0.8}/(Mo+W))を1800以下とする。
条件4:焼戻し時間t経過後の丸鋼を冷却し、焼戻し温度T~200℃までの平均冷却速度を5.0℃/秒以上とする。
以下、各条件について説明する。
焼戻し工程では、焼戻し温度Tを550~650℃とする。また、焼戻し時間tを240~600分とする。ここで、焼戻し時間tとは、焼戻し温度Tでの保持時間(分)を意味する。
焼戻し工程では、焼戻し温度Tが条件1を満たし、焼戻し時間tが条件2を満たすことを前提としてさらに、次の式(A)で定義されるFAが1800以下である。
FA={(T+273)×(t/60)0.8}/(Mo+W)) (A)
ここで、FA中の「T」には焼戻し温度T(℃)が代入される。「t」には焼戻し時間t(分)が代入される。「Mo」にはマルテンサイト系ステンレス丸鋼中の質量%でのMo含有量が代入される。「W」にはマルテンサイト系ステンレス丸鋼中の質量%でのW含有量が代入される。
焼戻し工程ではさらに、焼戻し時間t経過後の中間丸鋼を冷却し、焼戻し温度T~200℃までの平均冷却速度を5.0℃/秒以上とする。
表1-1及び表1-2に示す化学組成を有するマルテンサイト系ステンレス丸鋼を製造した。
具体的には、溶鋼を用いて連続鋳造によりブルームを製造した。続いて、粗熱間加工工程においてブルームを熱間圧延して、円柱状のビレット(丸ビレット)を製造した。粗熱間加工工程でのブルームの加熱温度は1100~1300℃であった。
各試験番号の丸ビレットに対して、仕上げ熱間加工工程を実施した。具体的には、各試験番号の丸ビレットを1100~1300℃に加熱した。加熱後の丸ビレットに対して熱間圧延を実施して、直径が152.4~228.6mmの中間丸鋼を製造した。粗熱間加工工程及び仕上げ熱間加工工程での累積減面率は20~70%であった。
製造された中間丸鋼に対して、焼入れ工程を実施した。焼入れ温度(℃)は表2に示すとおりであり、焼入れ温度での保持時間は30分であった。保持時間経過後の中間丸鋼を水冷した。
焼入れ工程後の中間丸鋼に対して、焼戻しを実施した。焼戻し温度T(℃)、焼戻し時間t(分)、FA、及び、焼戻し時間t経過後の中間丸鋼の焼戻し温度T~200℃までの平均冷却速度(℃/秒)は、表2に示すとおりであった。表2中の「平均冷却速度(℃/秒)」欄の「≧5.0」は冷却速度が5.0℃/秒以上であったことを意味する。「<5.0」は冷却速度が5.0℃/秒未満であったことを意味する。焼入れ工程及び焼戻し工程において、丸鋼の降伏強度が862MPa以上となるように調整した。
各試験番号のマルテンサイト系ステンレス丸鋼に対して、次の評価試験を実施した。
(試験1)降伏強度決定試験
(試験2)[Mo]C、[W]C、[Mo]R及び[W]R決定試験
(試験3)ミクロ組織決定試験
(試験4)耐SSC性評価試験
(試験5)耐SCC性評価試験
以下、各評価試験について説明する。
各試験番号のマルテンサイト系ステンレス丸鋼の降伏強度を、上述の[降伏強度の測定方法]に基づいて求めた。なお、引張試験片は、平行部の直径が6.0mm、標点距離が30.0mmの丸棒引張試験片とした。丸棒引張試験片の平行部の軸方向は、マルテンサイト系ステンレス丸鋼の軸方向と平行とした。得られた降伏強度(MPa)を、表3中の「YS(MPa)」欄に示す。
各試験番号のマルテンサイト系ステンレス丸鋼の固溶Mo濃度[Mo]C、固溶W濃度[W]C、残渣中のMo濃度[Mo]R、及び、残渣中のW濃度[W]Rを、上述の[[Mo]C、[W]C、[Mo]R及び[W]Rの決定方法]に基づいて求めた。
得られた固溶Mo濃度[Mo]C、固溶W濃度[W]C、残渣中のMo濃度[Mo]R、及び、残渣中のW濃度[W]Rを、表3の「[Mo]C(質量%)」欄、「[W]C(質量%)」欄、「[Mo]R(質量%)」欄及び「[W]R(質量%)」欄に示す。
F1=[Mo]C+0.5[W]C
F2=F1/([Mo]R+[W]R)
求めたF1及びF2を、表3中の「F1」欄及び「F2」欄に示す。
各試験番号のマルテンサイト系ステンレス丸鋼のマルテンサイト体積率を、上述の[マルテンサイトの体積率の測定方法]に基づいて求めた。なお、X線回折法に供した試験片の大きさは、15mm×15mm×厚さ2mmとした。試験片の厚さ方向は、丸鋼の径方向とした。その結果、全ての試験番号の丸鋼では、マルテンサイト体積率が80.0%以上であり、残部は残留オーステナイトであった。
各試験番号のマルテンサイト系ステンレス丸鋼の耐SSC性を、上述の[耐SSC性評価方法]に基づいて評価した。なお、丸棒試験片の平行部の直径は6.35mmとし、平行部の長さは25.4mmとした。丸棒試験片の軸方向は、丸鋼の軸方向と平行とした。評価結果を表3中の「耐SSC性」欄に示す。「耐SSC性」欄中の「P」(Pass)は、耐SSC性評価試験において、720時間経過後に、割れが確認されなかったことを示す。「F」(Fail)は、耐SSC性評価試験において、720時間経過後に、割れが確認されたことを示す。
各試験番号のマルテンサイト系ステンレス丸鋼に対して、次の2つの耐SCC性評価試験を実施した。
(試験51)150℃での耐SCC性評価試験
(試験52)175℃での耐SCC性評価試験
以下、各耐SCC性評価試験について説明する。
次の方法により、150℃の環境での耐SCC性を評価した。上述の[耐SCC性評価方法]に記載の方法により、各試験番号のマルテンサイト系ステンレス丸鋼から、矩形試験片を採取した。ASTM G39-2016に準拠して、矩形試験片に対して4点曲げにより、丸鋼の実降伏応力(AYS)の100%に相当する応力を負荷した。
各試験番号のマルテンサイト系ステンレス丸鋼に対して、上述の[耐SCC性評価方法]に記載の方法により、175℃の環境での耐SCC性を評価した。
表1-1、表1-2、表2及び表3を参照して、試験番号1~11では、化学組成中の各元素含有量が本実施形態の範囲内であった。さらに、製造条件が適切であった。その結果、マルテンサイト系ステンレス丸鋼が上述の特徴1~特徴4を満たした。つまり、これらの試験番号のマルテンサイト系ステンレス丸鋼の化学組成中の各元素含有量は適切であり、降伏強度が862MPa(125ksi)以上であった。さらに、F1が2.45以上であり、F2が13.0以上であった。
マルテンサイト系ステンレス丸鋼であって、
化学組成が、質量%で、
C:0.030%以下、
Si:1.00%以下、
Mn:1.00%以下、
P:0.030%以下、
S:0.0100%以下、
Cr:10.00~14.00%、
Ni:5.00~7.50%、
Mo:1.50~4.00%、
Cu:1.00~3.50%、
W:0.01~2.00%、
Co:0.010~0.500%、
Ti:0.050~0.300%、
V:0.01~0.10%、
Ca:0.0005~0.0100%、
Al:0.001~0.100%、
N:0.0500%以下、及び、
O:0.050%以下、を含有し、
残部がFe及び不純物、からなり、
降伏強度が862MPa以上であり、
前記マルテンサイト系ステンレス丸鋼の軸方向に垂直な断面の中心位置において、
質量%での固溶Mo濃度を[Mo]Cと定義し、
質量%での固溶W濃度を[W]Cと定義し、
定電流電解で得られた残渣中の質量%でのMo濃度を[Mo]Rと定義し、
前記残渣中の質量%でのW濃度を[W]Rと定義したとき、
式(1)及び式(2)を満たす、
マルテンサイト系ステンレス丸鋼。
F1=[Mo]C+0.5[W]C≧2.45 (1)
F2=F1/([Mo]R+[W]R)≧13.0 (2)
マルテンサイト系ステンレス丸鋼であって、
化学組成が、質量%で、
C:0.030%以下、
Si:1.00%以下、
Mn:1.00%以下、
P:0.030%以下、
S:0.0100%以下、
Cr:10.00~14.00%、
Ni:5.00~7.50%、
Mo:1.50~4.00%、
Cu:1.00~3.50%、
W:0.01~2.00%、
Co:0.010~0.500%、
Ti:0.050~0.300%、
V:0.01~0.10%、
Ca:0.0005~0.0100%、
Al:0.001~0.100%、
N:0.0500%以下、及び、
O:0.050%以下、を含有し、
さらに、第1群及び第2群からなる群から選択される1種以上を含有し、
残部がFe及び不純物、からなり、
降伏強度が862MPa以上であり、
前記マルテンサイト系ステンレス丸鋼の軸方向に垂直な断面の中心位置において、
質量%での固溶Mo濃度を[Mo]Cと定義し、
質量%での固溶W濃度を[W]Cと定義し、
定電流電解で得られた残渣中の質量%でのMo濃度を[Mo]Rと定義し、
前記残渣中の質量%でのW濃度を[W]Rと定義したとき、
式(1)及び式(2)を満たす、
マルテンサイト系ステンレス丸鋼。
[第1群]
Nb:0.05%以下、
Sn:0.010%以下、
As:0.010%以下、及び、
Sb:0~0.010%、からなる群から選択される1種以上
[第2群]
B:0.0050%以下、
Mg:0.0100%以下、及び、
希土類元素:0~0.010%、からなる群から選択される1種以上
F1=[Mo]C+0.5[W]C≧2.45 (1)
F2=F1/([Mo]R+[W]R)≧13.0 (2)
[2]に記載のマルテンサイト系ステンレス丸鋼であって、
前記第1群を含有する、
マルテンサイト系ステンレス丸鋼。
[2]又は[3]に記載のマルテンサイト系ステンレス丸鋼であって、
前記第2群を含有する、
マルテンサイト系ステンレス丸鋼。
Claims (2)
- マルテンサイト系ステンレス丸鋼であって、
化学組成が、質量%で、
C:0.030%以下、
Si:1.00%以下、
Mn:1.00%以下、
P:0.030%以下、
S:0.0100%以下、
Cr:10.00~14.00%、
Ni:5.00~7.50%、
Mo:1.50~4.00%、
Cu:1.40~3.50%、
W:0.01~2.00%、
Co:0.010~0.500%、
Ti:0.050~0.300%、
V:0.01~0.10%、
Ca:0.0005~0.0100%、
Al:0.001~0.100%、
N:0.0500%以下、
O:0.050%以下、
Nb:0~0.05%、
Sn:0~0.010%、
As:0~0.010%、
Sb:0~0.010%、
B:0~0.0050%、
Mg:0~0.0100%、
希土類元素:0~0.010%、及び、
残部:Fe及び不純物、からなり、
降伏強度が862MPa以上であり、
前記マルテンサイト系ステンレス丸鋼の軸方向に垂直な断面の中心位置において、
質量%での固溶Mo濃度を[Mo]Cと定義し、
質量%での固溶W濃度を[W]Cと定義し、
定電流電解で得られた残渣中の質量%でのMo濃度を[Mo]Rと定義し、
前記残渣中の質量%でのW濃度を[W]Rと定義したとき、
式(1)及び式(2)を満たす、
マルテンサイト系ステンレス丸鋼。
F1=[Mo]C+0.5[W]C≧2.45 (1)
F2=F1/([Mo]R+[W]R)≧13.0 (2) - 請求項1に記載のマルテンサイト系ステンレス丸鋼であって、
前記化学組成は、
Nb:0.01~0.05%、
Sn:0.001~0.010%、
As:0.001~0.010%、
Sb:0.001~0.010%、
B:0.0001~0.0050%、
Mg:0.0001~0.0100%、
希土類元素:0.001~0.010%、からなる群から選択される1元素以上を含有する、
マルテンサイト系ステンレス丸鋼。
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