JPH05255749A - 耐ssc性の優れた高強度高靭性シームレス鋼管の製造法 - Google Patents

耐ssc性の優れた高強度高靭性シームレス鋼管の製造法

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JPH05255749A
JPH05255749A JP4005876A JP587692A JPH05255749A JP H05255749 A JPH05255749 A JP H05255749A JP 4005876 A JP4005876 A JP 4005876A JP 587692 A JP587692 A JP 587692A JP H05255749 A JPH05255749 A JP H05255749A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、熱延シームレス材のオーステナイ
ト結晶粒コントロール技術により、直接焼入処理で耐S
SC性の優れた高強度高靭性シームレス鋼管を提供す
る。 【構成】 直接焼入処理の障害となっていた圧延中のオ
ーステナイト粒の粗大化を抑制する製造法を考案した。
0.005〜0.1%Tiを添加し熱間圧延途中に11
00〜900℃まで強制冷却し、その後肉厚断面減少率
で15%以上の熱間連続圧延を行い再結晶オーステナイ
ト粒の粗大化を防止する。さらに、0.005〜0.1
%Nb添加により圧延後段の再加熱炉で起こるオーステ
ナイト粒の異常粗大化を防止し直接焼入・焼戻処理を行
う。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、耐SSC性の優れた高
強度高靭性シームレス鋼管の製造法に関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】近年、エネルギー資源としてのガス井、
油井開発はH2 S濃度の高い環境で且つ極北、高深度化
する傾向にあり、開発機材として使用されるシームレス
鋼管に対しては、耐水素割れ性、高靭性(−60℃保
証)、高強度(X65以上、C95グレード以上)を兼
ね備えた性質が要求される。従来より、このような諸特
性を同時に満足するにはASTM No.6以下の結晶粒
度では困難であることが本発明者等によって確かめられ
ている。
【0003】一方、熱間シームレスの圧延工程は、鋳造
鋼片の穿孔、延伸、サイジング工程に大きく分けられる
が、成形性および表面品位の確保のため通常1100℃
以上の高温域で大部分の加工を行なわれる。よって、再
結晶後の粒成長は著しく、結晶粒度はASTM No.6
以下の粗粒となり、又ばらつきも大きくなる。すなわ
ち、近年の油井開発用機材として要求される特性を満足
するには、ASTM No.6以上の微細化組織を安定し
て得る必要があるが、ASTM No.6以上の耐SSC
性の優れた高強度高靭性鋼管を得るには熱間圧延ままの
状態では不十分であるため、例えば特開昭52−778
13号公報では熱間粗圧延した中空素管を強制的に一旦
鋼の温度をAr1 点以下に下げて再度オーステナイト化
し引続き行う仕上圧延後に焼入−焼戻するか、或いは通
常の仕上圧延後に再加熱焼入−焼戻処理する必要があっ
た。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような方法はいずれにおいても熱効率上の問題のほかに
製造工程が煩雑となる欠点があった。一方、従来の熱間
シームレスでは、圧延ままで近年の油井開発に要求され
る特性を満足できる性質を付与できる必要条件である結
晶粒度ASTM No.6以上が得られないため、直接焼
入処理等の省工程で耐SSC性の優れた高強度高靭性シ
ームレス鋼管が得られない問題があった。
【0005】本発明は、このような問題を解消する高強
度高靭性シームレス鋼管の提供を目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、多くの実
験を行い検討した結果、鋼成分、熱間圧延条件を制御す
ることによって耐SSC性の優れた高強度高靭性鋼管が
製造されることを知見した。本発明は、この知見に基づ
いて構成したもので、その要旨は、重量%として C :0.03〜0.35%、 Si:0.01
〜0.5%、 Mn:0.15〜2.5%、 S :0.01
%以下、 P :0.02%以下、 Al:0.00
5〜0.1%、 Ti:0.005〜0.1%、 Nb:0.00
5〜0.1%、 N :0.01%以下を含有し、 さらに必要によっては Cr:0.1〜1.5%、 Mo:0.05
〜0.4%、 Ni:0.1〜2.0%、 V :0.01
〜0.1%、 B :0.0003〜0.0033%の1種または2種
以上と、 希土類元素:0.001〜0.05%、Ca:0.00
1〜0.02%、 Co:0.05〜0.5%、 Cu:0.1〜
0.5%、 Cr:0.1〜1.5%、 Ni:0.1〜
2.0%の1種または2種以上 を含有して残部が実質的にFeからなる鋼片を1200
℃以上に加熱した後、熱間穿孔連続圧延し、その途中で
1100℃〜900℃まで強制冷却し、その後肉厚断面
減少率で15%以上の熱間連続圧延を行ない、850℃
〜Ar1 点の温度まで降下した中空素管を該温度より高
い900〜1000℃に加熱後、仕上温度がAr3 点+
50℃以上の熱間仕上圧延を施して得られた仕上鋼管
を、Ar3 点以上の温度から急冷する焼入処理を施し、
続いてAc1 点以下の温度に加熱して冷却する焼戻処理
を施す耐SSC性の優れた高強度高靭性シームレス鋼管
の製造法である。
【0007】
【作用】以下本発明の製造法について詳細に説明する。
先ず、本発明において上記のような鋼成分に限定した理
由について説明する。Cは、焼入効果を増して強度を高
め降伏点30〜80kgf/mm2 の高張力鋼を安定して得る
ためおよび細粒化を図るため重要である。少な過ぎると
その効果がなく、多過ぎると焼割れの誘発および溶接性
を低下する原因となるためそれぞれ0.03〜0.35
%とした。
【0008】Mnは、焼入効果を増して強度を高め高張
力鋼を安定して得るためおよび細粒化を図るため重要で
ある。少な過ぎるとその効果がなく、多過ぎると特に降
伏点60kgf/mm2 以上の高張力鋼の耐SSC性の低下を
来すため0.15〜2.5%とした。Siは、脱酸剤が
残存したもので強度を高める有効な成分である。少な過
ぎるとその効果がなく、多過ぎると介在物を増加して鋼
の性質を脆化するため0.01〜0.5%とした。
【0009】Pは、粒界偏析を起こして加工の際き裂を
生じ易く有害な成分としてその含有量を0.02%以下
とした。SはMnS系介在物を形成して熱間圧延で延伸
し低温靭性に有害な成分としてその含有量を0.02%
以下とした。
【0010】Alは、Siと同様脱酸剤が残存したもの
で、鋼中の不純物成分として含まれるNと結合して結晶
粒の成長を抑えて鋼の遷移温度を低下させて低温靭性を
改善する。少な過ぎるとその効果がなく、多過ぎると介
在物を増加して鋼の性質を脆化するため0.005〜
0.1%とした。
【0011】Ti,Nbは、何れもシームレス圧延中の
結晶粒径の制御元素として本発明の成分の中で最も重要
な元素である。Tiは、鋼中の不純物成分として含まれ
るNと結合して、熱間穿孔圧延中の結晶粒抑制および熱
間連続圧延途中に1100℃〜900℃まで強制冷却し
その後行う熱間圧延中の結晶粒の成長を抑え耐SSC
性、低温靭性を高めると共に、脱酸、脱窒の作用からB
による焼入性を発揮させ強度を高める。少な過ぎるとそ
の効果がなく、多過ぎるとTiCを析出して鋼を脆化
し、また介在物を増加し鋼の性質を脆化するため0.0
05〜0.1%とした。一方、Nbは熱間穿孔連続圧延
終了後の結晶粒径を制御する。熱間穿孔連続圧延終了後
850℃〜Ar1 点の温度まで降下した該素管を該温度
より高い900〜1000℃に加熱した場合のγ粒は、
再結晶によりγ粒粗大化温度が著しく低下し通常の再加
熱温度(最終仕上圧延後に焼入処理を行うために必要と
される再加熱温度)では異常粗大化する。Nbは、この
ような圧延履歴を持ったγ粒の異常粗大化を抑制する重
要な元素である。少な過ぎるとその効果がなく、多過ぎ
てもその効果が飽和し、しかも非常に高価であるため
0.005〜0.1%とした。
【0012】上記の成分組成の鋼でさらに鋼の強度を高
める場合Cr,Mo,Ni,V等の成分を必要に応じて
選択的に添加する。Cr,Mo,Ni,Vは、鋼の焼入
性を増して、強度を高めるために添加するものである。
少な過ぎるとその効果がなく、多過ぎてもその効果が飽
和し、しかも非常に高価であるためそれぞれ0.01〜
1.5%,0.05〜0.4%,0.1〜2.0%,
0.01〜0.1%とした。Bは、焼入性を著しく向上
せしめて強度を高める。少な過ぎるとその効果がなく、
多過ぎても効果は変わらず、靭性や熱間加工性を劣化さ
せるので0.0003〜0.003%とした。
【0013】さらに本発明は、近年のシームレス鋼管の
使用環境を鑑み上記の成分組成で構成される鋼のSSC
を改善するために希土類元素やCa,Co,Cu等の成
分を必要に応じて選択的に添加する。希土類元素,Ca
は、介在物の形態を球状化させて無害化する有効な成分
である。少な過ぎるとその効果がなく、多過ぎると介在
物を増加して耐SSC性を低下させるのでそれぞれ0.
001〜0.05%,0.001〜0.02%とした。
Co,Cuは、鋼中への水素侵入抑制効果があり耐SS
C性に有効に働く。少な過ぎるとその効果がなく、多過
ぎるとその効果が飽和するためそれぞれ0.05〜0.
5%,0.1〜0.5%とした。
【0014】次に熱間押込連続圧延の最終過程の圧延条
件を上記のように限定した理由について説明する。上記
のような成分組成の鋼は転炉、電気炉等の溶解炉である
いはさらに真空脱ガス処理を経て溶製され、連続鋳造法
または造塊分塊法で鋼片を製造する。鋼片は、直ちにあ
るいは一旦冷却された後1200℃以上の温度に加熱す
る。加熱温度は、熱間穿孔連続圧延の前にほとんどの
C,Cr,V,Ti等を固溶させておくために十分高く
しておかねばならない。この温度は本発明の成分範囲内
であれば1200℃以上の温度で全て固溶し、また熱間
成形加工能率上なんら支障を生じないのでその加熱温度
は1200℃以上とした。
【0015】高温度に加熱された鋼片は熱間穿孔圧延機
に搬送される。穿孔圧延が行なわれた素管は、その後熱
間連続圧延途中に強制冷却し、目標の外径、肉厚に圧延
されて中空素管に粗成形するがこの間の圧延温度が11
00〜900℃以上では圧延後の再結晶粒は著しく成長
するため目的とする微細粒は得られない。図1は熱間連
続圧延後の再結晶γ粒度に及ぼす強制冷却後の圧延温度
の影響を示したものである。図から明らかなように熱間
連続圧延後の再結晶γ粒度は、圧延温度が1100℃以
上では再結晶粒の著しい成長が起こりASTM No.1
〜2程度となる。したがって、強制冷却後の温度は11
00℃以下が必要である。また、圧延温度が900℃以
下になると圧延負荷の増大により鋼管の成形性が著しく
低下し目標の外径、肉厚が得られにくくなる。よって、
熱間連続圧延途中1100〜900℃間に強制冷却する
必要がある。強制冷却後の圧下量は小さいと細粒化効果
がなくなるため15%以上とした。
【0016】熱間穿孔連続圧延終了後850℃〜Ar1
点の温度まで降下した該素管は、該温度より高い900
〜1000℃に再加熱して仕上温度がAr3 点+50℃
以上の熱間仕上圧延を施し、このようにして得られた仕
上鋼管を、Ar3 点以上の温度から急冷する焼入処理を
施す。
【0017】このような処理においてNbは重要な役割
を果たす。図2はこの圧延で製造された鋼管の直接焼入
処理後のオーステナイト(以下、γと記す。)粒度に及
ぼすNbの影響を示したものであり、Nb添加量により
γ粒が著しく細粒になることがわかる。すなわち結晶粒
制御元素としてTiを添加し1100℃〜900℃間で
の圧延で微細γ粒を得ても、直接焼入処理後のγ粒度
は、Nbが添加されないか添加量0.005%以下では
著しく粗粒化しASTM No.1程度のγ粒度となる。
Nbを0.005〜0.1%添加すると粒成長は抑制さ
れる。このようなNbの影響については、本発明者らの
推測によると、Nbが添加されないか添加量0.005
%以下では現状の熱間穿孔連続圧延工程でやむをえず該
素管の温度が850℃〜Ar1 点に降温し、その後該温
度より高い900〜1000℃に再加熱されると、熱間
穿孔連続圧延工程での最終過程が比較的低い温度で小圧
下の条件の下では特定のγ粒が周辺のγ粒へ粒界移動を
起こし更に優先成長し粗大化組織となることが考えられ
る。Nb0.005%以上の添加は、このような圧延履
歴を持ったγ粒の成長粗大化を抑制する重要な働きをす
る。すなわち、Nbは熱間穿孔連続圧延後の冷却時およ
びその後の再加熱時にNbCとして析出しγ粒の粗大化
を抑制し細粒γが得るための重要な効果を発揮すること
を知見した。なお850℃〜Ar1 点の温度に降下した
中空素管を900〜1000℃に加熱するのは900℃
以下では熱間最終仕上圧延後の焼入温度が確保できずま
た1000℃以上では鋼表面に多量の酸化スケールが生
じ鋼管の形状精度の確保に悪影響を及ぼすためである。
また、熱間最終仕上温度についてもあまり低くなると高
強度を得るために必要とされる焼入時の完全γの状態が
確保できないためAr3 点+50℃とした。焼入処理開
始温度は、十分な焼入組織を確保し必要とする強度を得
るためAr3 点以上とした。焼入時の冷却速度は特に限
定しないが空冷より速い速度とする。焼戻温度は、強度
および靭性の安定化を確保する必要からAc1 点以下と
した。その加熱方法については特に限定しない。
【0018】以上のような製造条件により、粗大γ粒を
含むことなく耐SSC性の優れた高強度高靭性シームレ
ス鋼管を得ることができる。
【0019】
【実施例】次に本発明の実施例について説明する。転炉
で溶製し連続鋳造を経て製造された鋼片を熱間穿孔圧延
した後、熱間連続圧延し、その途中に強制冷却し、圧延
後再加熱してから熱間最終仕上圧延を行い、直接焼入−
焼戻した鋼管を製造した。表1にこの鋼管の強度、靭
性、γ粒度および耐SSC性を示す。尚、耐SSC性は
NACE TM01−77に従って定荷重方式によりσ
th(Threshold Stress)を求めて評価した。
【0020】
【表1】
【0021】
【表2】
【0022】本発明によって製造された鋼管は、高強度
を有しかつ従来法に比しγ粒度は微細であり高靭性が得
られ耐SSC性はσthで0.2σy以上向上すること
がわかる。
【0023】
【発明の効果】上記のような本発明法によって製造され
た鋼管は、高強度を有しさらに細粒であるため低温靭性
および耐SSC性が優れ、極北の寒冷地や硫化物応力腐
食環境において使用するのに極めて好適である。
【図面の簡単な説明】
【図1】熱間穿孔連続圧延後のγ粒度に及ぼす強制冷却
後の圧延温度の影響を示す。
【図2】直接焼入処理後のγ粒度に及ぼすNb量の影響
を示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐藤 久美 福岡県北九州市戸畑区飛幡町1番1号 新 日本製鐵株式会社八幡製鐵所内

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 重量%として、 C :0.03〜0.35%、 Si:0.01〜0.5%、 Mn:0.15〜2.5%、 S :0.01%以下、 P :0.02%以下、 Al:0.005〜0.1%、 Ti:0.005〜0.1%、 Nb:0.005〜0.1%、 N :0.01%以下 を含有して残部が実質的にFeからなる鋼片を1200
    ℃以上に加熱した後熱間穿孔連続圧延し、その途中で1
    100℃〜900℃まで強制冷却し、その後肉厚断面減
    少率で15%以上の熱間連続圧延を行ない、850℃〜
    Ar1 点の温度まで降下した中空素管を該温度より高い
    900〜1000℃に加熱後、仕上温度がAr3 点+5
    0℃以上の熱間仕上圧延を施して得られた仕上鋼管を、
    Ar3 点以上の温度から急冷する焼入処理を施し、続い
    てAc1 点以下の温度に加熱して冷却する焼戻処理を施
    すことを特徴とする耐SSC性の優れた高強度高靭性シ
    ームレス鋼管の製造法。
  2. 【請求項2】 重量%として、 C :0.03〜0.35%、 Si:0.01〜0.5%、 Mn:0.15〜2.5%、 S :0.01%以下、 P :0.02%以下、 Al:0.005〜0.1%、 Ti:0.005〜0.1%、 Nb:0.005〜0.1%、 N :0.01%以下を含有し、 さらに Cr:0.1〜1.5%、 Mo:0.05〜0.4%、 Ni:0.1〜2.0%、 V :0.01〜0.1%、 B :0.0003〜0.0033%の1種または2種
    以上 を含有して残部が実質的にFeからなる鋼片を1200
    ℃以上に加熱した後、熱間穿孔連続圧延し、その途中で
    1100℃〜900℃まで強制冷却し、その後肉厚断面
    減少率で15%以上の熱間連続圧延を行ない、850℃
    〜Ar1 点の温度まで降下した中空素管を該温度より高
    い900〜1000℃に加熱後、仕上温度がAr3 点+
    50℃以上の熱間仕上圧延を施して得られた仕上鋼管
    を、Ar3 点以上の温度から急冷する焼入処理を施し、
    続いてAc1 点以下の温度に加熱して冷却する焼戻処理
    を施すことを特徴とする耐SSC性の優れた高強度高靭
    性シームレス鋼管の製造法。
  3. 【請求項3】 重量%として、 C :0.03〜0.35%、 Si:0.01〜0.5%、 Mn:0.15〜2.5%、 S :0.01%以下、 P :0.02%以下、 Al:0.005〜0.1%、 Ti:0.005〜0.1%、 Nb:0.005〜0.1%、 N :0.01%以下を含有し、 さらに 希土類元素:0.001〜0.05%、 Ca:0.001〜0.02%、 Co:0.05〜0.5%、 Cu:0.1〜0.5%の1種または2種以上 を含有して残部が実質的にFeからなる鋼片を1200
    ℃以上に加熱した後、熱間穿孔連続圧延し、その途中で
    1100℃〜900℃まで強制冷却し、その後肉厚断面
    減少率で15%以上の熱間連続圧延を行ない、850℃
    〜Ar1 点の温度まで降下した中空素管を該温度より高
    い900〜1000℃に加熱後、仕上温度がAr3 点+
    50℃以上の熱間仕上圧延を施して得られた仕上鋼管
    を、Ar3 点以上の温度から急冷する焼入処理を施し、
    続いてAc1 点以下の温度に加熱して冷却する焼戻処理
    を施すことを特徴とする耐SSC性の優れた高強度高靭
    性シームレス鋼管の製造法。
  4. 【請求項4】 重量%として、 C :0.03〜0.35%、 Si:0.01〜0.5%、 Mn:0.15〜2.5%、 S :0.01%以下、 P :0.02%以下、 Al:0.005〜0.1%、 Ti:0.005〜0.1%、 Nb:0.005〜0.1%、 N :0.01%以下を含有し、 さらに Cr:0.1〜1.5%、 Mo:0.05〜0.4%、 Ni:0.1〜2.0%、 V :0.01〜0.1%、 B :0.0003〜0.0033%の1種または2種
    以上と、 希土類元素:0.001〜0.05%、 Ca:0.001〜0.02%、 Co:0.05〜0.5%、 Cu:0.1〜0.5%の1種または2種以上 を含有して残部が実質的にFeからなる鋼片を1200
    ℃以上に加熱した後、熱間穿孔連続圧延し、その途中で
    1100℃〜900℃まで強制冷却し、その後肉厚断面
    減少率で15%以上の熱間連続圧延を行ない、850℃
    〜Ar1 点の温度まで降下した中空素管を該温度より高
    い900〜1000℃に加熱後、仕上温度がAr3 点+
    50℃以上の熱間仕上圧延を施して得られた仕上鋼管
    を、Ar3 点以上の温度から急冷する焼入処理を施し、
    続いてAc1 点以下の温度に加熱して冷却する焼戻処理
    を施すことを特徴とする耐SSC性の優れた高強度高靭
    性シームレス鋼管の製造法。
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