JPH11286720A

JPH11286720A - 耐硫化物応力割れ性に優れた高強度鋼材の製造方法

Info

Publication number: JPH11286720A
Application number: JP9108498A
Authority: JP
Inventors: Tomohiko Omura; 朋彦大村; Takahiro Kushida; 隆弘櫛田
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1998-04-03
Filing date: 1998-04-03
Publication date: 1999-10-19

Abstract

(57)【要約】【課題】降伏応力110〜155ksiの高強度でも耐SSC性に優
れる鋼材の製造方法を提供する。【解決手段】C：0.2〜0.35％、Si：0.05〜0.5％、Mn：
0.1〜1.0％、P≦0.025％、S≦0.01％、Cr：0.3〜1.2
％、Mo：0.2〜1.0％、Al：0.005〜0.50％、Ti≦0.50
％、Zr≦0.5％で、Ti＋0.5Zr：0.005〜0.75％、B：0.00
01〜0.01％、Nb：0.05〜0.5％、V：0〜0.5％、W：0〜1.
0％、Ca：0〜0.01％、Ni≦ 0.1％、N≦0.01％、O≦0.01
％、残部はFe及び不純物の鋼材を、1050℃超〜 1250℃
の温度域の温度であるＴ1 ℃に、700〜Ｔ1℃の温度域を
20〜50℃／秒の加熱速度で昇温した後、Ｔ1 〜1050℃の
温度域での保持時間を 3分以内として温度Ｔ2 ℃から焼
入れし、その後、焼戻しを行う。但し、Ｔ2 ℃≦Ｔ1 ℃
である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、耐硫化物応力割れ
性に優れた高強度鋼材の製造方法に関し、より詳しく
は、油井やガス井用のケーシングやチュービング、掘削
用のドリルパイプ、輸送用のラインパイプ、更には化学
プラント用配管などに用いられる強度及び耐硫化物応力
割れ性に優れた鋼材の製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年のエネルギー事情の逼迫に伴い、こ
れまで敬遠されてきた硫化水素を多く含む原油や天然ガ
スが活用される情勢になってきており、それらの掘削、
輸送、貯蔵等が必要となってきた。その上、油井やガス
井の深井戸化、輸送効率の向上、更には低コスト化のた
めに、この分野で用いられる鋼材、特に鋼管について
は、これまで以上に高強度化が要求されている。すなわ
ち、従来広く用いられていた８０ｋｓｉ級［降伏応力
（ＹＳ）が８０〜９０ｋｓｉ（５５２〜６２１ＭＰ
ａ）］や９０ｋｓｉ級［ＹＳが９０〜１００ｋｓｉ（６
２１〜６８６ＭＰａ）］の耐硫化物応力割れ性に優れた
鋼管に代わって、最近では１１０ｋｓｉ級［ＹＳが１１
０〜１２５ｋｓｉ（７５８〜８６２ＭＰａ）］や１２５
ｋｓｉ級［ＹＳが１２５〜１４０ｋｓｉ（８６２〜９６
５ＭＰａ）］級の耐硫化物応力割れ性に優れた高強度鋼
管が使用されるようになり、更にはＹＳが１４０ｋｓｉ
（９６５ＭＰａ）以上の耐硫化物応力割れ性に優れた超
高強度鋼管に対する要求も高まりつつある。

【０００３】一般に、鋼材はその強度が増すほど硫化物
応力割れ性（以下、「硫化物応力割れ」を「ＳＳＣ」と
いう）が大きくなる。したがって、硫化水素を多く含む
環境下で使用される鋼材の高強度化に対し、最も大きな
課題となるのは耐ＳＳＣ性の改善である。

【０００４】上記の耐ＳＳＣ性の改善に関しては、例え
ば、鋼材の組織をマルテンサイトが約８０％以上の組
織とする、高温焼戻し処理する、鋼を高清浄度化す
る、鋼材の組織を細粒組織とする、などの対策が講じ
られてきた。

【０００５】鋼を焼入れ焼戻しして同じ強度レベルに調
質処理する場合の靭性は、不完全焼入れ組織を低温で焼
き戻し処理した場合よりも、充分な焼入れを行った組織
を高温で焼き戻し処理した方が遥かに優れているのはよ
く知られたことである。上記のとは、ＳＳＣに対す
る抵抗性（耐ＳＳＣ性）についても同じ傾向のあること
を示している。

【０００６】ＳＳＣは、遅れ破壊と同様に水素脆化の一
種と考えられている。このため、割れの起点となる非金
属介在物をできるだけ少なくし、又、オーステナイト粒
界の強化、換言すればオーステナイト粒界の脆化の防止
を行うことが耐ＳＳＣ性の向上に有効である。したがっ
て、不純物元素としてのＰやＳはできるだけ少なくし
て、の鋼の高清浄度化を達成させる。

【０００７】の鋼材組織の細粒化については、鋼材の
強度が高くなるとその脆性割れは結晶粒単位あるいは所
謂「破面単位」で進展するので、組織を細粒化すると割
れに対する抑止力が増す。その上、細粒化そのものも強
度上昇に寄与し、更に、細粒化すれば単位体積当たりの
粒界面積が増加するので間接的に不純物元素の粒界偏析
が軽減され粒界脆化が防止されることから、耐ＳＳＣ性
に優れた高強度材については組織の細粒化に特に力点が
置かれてきた。

【０００８】鋼材組織の細粒化の手法として一般に利用
されるのは、変態、加工変形、加工変形後の再結晶時の
粒成長抑止などである。鋳造後の鋼塊を熱間で鋼管など
所定の形状の鋼材に成形する際は、必然的に加工変形が
加えられ、加工と再結晶の繰り返しにより細粒化され
る。

【０００９】しかし、焼入れは一般にオーステナイト領
域、つまり、Ａｃ₃ 点以上に加熱しなければならないの
で、結晶粒成長が起きやすく、結晶を細粒にしておくに
は、焼入れ時の加熱温度を低くすることが望ましい。と
ころが、細粒であることも、焼入れ時の加熱温度を低く
することも、焼入れ性を大きく低下させる要因であり、
通常の冷却手段では焼入れ時に８０％以上がマルテンサ
イトである組織を確保することが難しくなってくる。
又、細粒化のために焼入れ時の加熱温度を低くすると、
焼入れ時に合金元素が基地に固溶し難くなって、鋼材を
高強度化するためには低温焼戻しが必要となる。低温で
の焼戻しは後述するように耐ＳＳＣ性を著しく低下させ
てしまう。一方、焼入れ性確保のために合金元素を多量
に添加すれば、鋼の加工性を悪くし、更にコストアップ
の要因にもなる。

【００１０】そこで、主としてＮｂやＶなど微細な炭化
物や炭窒化物などの析出物を形成する元素を添加し、再
結晶時の粒成長抑止ばかりでなく、焼入れのための加熱
過程での粒成長を抑止する方法が採られることが多い。

【００１１】焼入れ焼戻しの調質処理においても、低温
加熱焼入れ、２回焼入れ、あるいは誘導加熱などによる
急速加熱焼入れなど、細粒組織を得るための対策が以前
から行われてきた。例えば、特開昭６１−９５１９号公
報には、急速加熱法を適用する「耐硫化物腐食割れ性に
優れた高強度鋼の製法」が開示されている。特開昭５９
−２３２２２０号公報には、鋼を２回焼入れする「耐硫
化物腐食割れ性に優れた高強度鋼の製法」が開示されて
いる。

【００１２】最近では、省エネルギー及び工程簡略によ
る低コスト化の観点から、熱間の圧延加工終了時点の高
温から直ちに焼入れを行う所謂「直接焼入れ法」が検討
されている。しかし、「直接焼入れ法」は、鋼材を一旦
冷却した後に再加熱して焼入れる通常の焼入れ方法に比
べて、焼入れ後の結晶粒が大きくなりがちである。その
対策として、例えば特開平５−２５５７４９号公報に
は、細粒組織を得るために圧延途中で強制冷却し、さら
に圧下してから直接焼入れする「耐ＳＳＣ性の優れた高
強度高靭性シームレス鋼管の製造法」が開示されてい
る。特開平５−２７１７７２号公報には、熱間の穿孔後
の圧延途中で一旦Ａｒ₃ 点以下に冷却して変態させた
後、再度加熱して圧延を行い直接焼入れする「耐硫化物
応力割れ性に優れた油井用鋼管の製造法」が開示されて
いる。

【００１３】しかしながら、上記の各公報で提案された
技術はいずれも降伏応力（ＹＳ）が９０ｋｓｉ級［ＹＳ
が９０〜１００ｋｓｉ（６２１〜６８６ＭＰａ）］や１
００ｋｓｉ級［ＹＳが１００〜１１０ｋｓｉ（６８６〜
７５８ＭＰａ）］の耐ＳＳＣ性に優れた高強度鋼に対す
るものであった。このため、上記の各公報で提案された
技術を用いてもＹＳが１１０ｋｓｉ（７５８ＭＰａ）以
上になると、特にＹＳが１２０ｋｓｉ（８２３ＭＰａ）
を超えるようになると、必ずしも所望の耐ＳＳＣ性が得
られるものではなかった。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記現状に
鑑みなされたもので、油井やガス井及びそれらに関連し
た諸設備や化学プラント設備などに用いられる強度及び
耐ＳＳＣ性に優れた鋼材の製造方法を提供することを目
的とする。具体的な目標は、ＹＳが１１０〜１５５ｋｓ
ｉ（７５８〜１０６８ＭＰａ）の高強度でも耐ＳＳＣ性
に優れる鋼材の製造方法を提供することにある。

【００１５】なお、耐ＳＳＣ性の目標は、NACE TM 0177
A法（「NACE」は「National Association of Corrosio
n Engineers 」の略）に規定された浴中、つまり、「１
気圧の硫化水素で飽和した２５℃の０．５％酢酸＋５％
食塩水」中で定荷重試験を行った時の割れ発生限界応力
（σ_th）が鋼材のＹＳの８０％以上であることである。
前記の条件を満たせば、その鋼材は昨今の厳しい腐食環
境下での使用に充分耐え得ることが知られている。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、下記の
耐ＳＳＣ性に優れた高強度鋼材の製造方法にある。

【００１７】すなわち、「重量％で、Ｃ：０．２〜０．
３５％、Ｓｉ：０．０５〜０．５％、Ｍｎ：０．１〜
１．０％、Ｐ：０．０２５％以下、Ｓ：０．０１％以
下、Ｃｒ：０．３〜１．２％、Ｍｏ：０．２〜１．０
％、Ａｌ：０．００５〜０．５０％、Ｔｉ：０．５０％
以下、Ｚｒ：０．５０％以下で、且つＴｉ（％）＋０．
５Ｚｒ（％）：０．００５〜０．７５％、Ｂ：０．００
０１〜０．０１％、Ｎｂ：０．０５〜０．５％、Ｖ：０
〜０．５％、Ｗ：０〜１．０％、Ｃａ：０〜０．０１
％、Ｎｉ：０．１％以下、Ｎ：０．０１％以下、Ｏ（酸
素）：０．０１％以下、残部はＦｅ及び不可避不純物の
化学組成の鋼材を、１０５０℃を超え１２５０℃以下の
温度域の温度であるＴ1 ℃に、７００〜Ｔ1 ℃の温度域
を２０〜５０℃／秒の加熱速度で昇温した後、Ｔ1 〜１
０５０℃の温度域での保持時間を３分以内として温度Ｔ
2 ℃から焼入れし、その後、焼戻しを行うことを特徴と
する１１０〜１５５ｋｓｉの降伏応力を有する耐硫化物
応力割れ性に優れた高強度鋼材の製造方法。但し、Ｔ2
℃≦Ｔ1 ℃」である。

【００１８】なお、上記の「加熱速度」は、「被加熱材
である鋼材の中心部の７００℃から所定の温度Ｔ1 ℃ま
での平均加熱速度」のことを指す。

【００１９】本発明者らは、ＹＳが１１０ｋｓｉ（７５
８ＭＰａ）以上で、しかも耐ＳＳＣ性に優れた高強度鋼
材を製造するための方法に関し、種々の検討を行った。

【００２０】結晶粒の微細化は、ＹＳが１００ｋｓｉ級
［ＹＳが１００〜１１０ｋｓｉ］までの鋼材、なかで
も、ＹＳが８０ｋｓｉ級［ＹＳが８０〜９０ｋｓｉ］や
９０ｋｓｉ級［ＹＳが９０〜１００ｋｓｉ］の鋼材の耐
ＳＳＣ性を高めるのには有効であるが、ＹＳが１１０ｋ
ｓｉ（７５８ＭＰａ）以上の鋼材に対しては耐ＳＳＣ性
を向上させる作用が不安定になり、特にＹＳが１２０ｋ
ｓｉを超える鋼材に対しては、耐ＳＳＣ性の向上効果が
認められない。つまり、低温焼戻しによって鋼材の強度
を高める限り、結晶粒の微細化による耐ＳＳＣ性の向上
には限界がある。

【００２１】ＳＳＣは水素脆化の一種であり、硫化水素
環境での腐食により生じた水素原子が、鋼中に侵入する
ことによって生じる。この水素脆化に関与する水素は、
常温程度の温度で鋼中を拡散しうる所謂「拡散性水素」
であり、割れ発生の起点となる危険性の大きい応力集中
部に、この水素が拡散してきて水素濃度が高くなると割
れ発生の限界応力が低下し、ＳＳＣに対する感受性が高
くなる。

【００２２】鋼中の転位や、炭化物、窒化物などの微細
析出物や粒界における偏析物は、「拡散性水素」のトラ
ップサイトとして作用する。ここでいうトラップサイト
とは、拡散ができないほど強力に水素を固定するのでは
なく、鋼中に固溶している水素が、その部分に存在する
方がより安定であり、鋼の素地（基地）の水素濃度レベ
ルよりは相対的に濃度が高くなる局所的部分のことをい
う。

【００２３】鋼はその化学組成が同じであれば、硫化水
素環境での表面における腐食の進行はほぼ同じである。
したがって、腐食によって発生する水素量も同じであ
り、その内で鋼中に侵入する水素の比率も同じである。
このため、前記のトラップサイトが多ければ、鋼中の水
素濃度は高くなり、耐ＳＳＣ性は低下してしまう。

【００２４】焼戻し温度を高くすれば、焼入れ時のマル
テンサイト変態によって導入された大量の転位が次第に
消失していく。高温での焼戻しが鋼材の耐ＳＳＣ性を向
上させる理由の１つは、前記の「拡散性水素」のトラッ
プサイトになる転位の減少によるものであると推測され
る。なぜなら、鋼材の強度が高くなるほどＳＳＣに対す
る感受性が増すのは、強化に寄与する転位が主として
「拡散性水素」のトラップサイトとして作用し、鋼中の
「拡散性水素」濃度を高めるからである。

【００２５】一般に、焼戻し温度を高くすると鋼材強度
は低下してしまう。高温で焼戻ししても鋼材に充分な強
度を確保させるには、焼入れ性を高めるとともに焼戻し
軟化抵抗を増大させる元素であるＣｒ、Ｍｏ、Ｖを多量
添加することが効果的である。しかし、Ｃｒを多量に添
加した鋼は、硫化水素を含む酸性の水溶液中ではＣｒが
活性溶解して腐食速度が大きくなり、それに伴って鋼中
の「拡散性水素」濃度が高くなって、耐ＳＳＣ性が劣化
することがある。同様に、Ｍｏ及びＶに関してもその添
加量には限界がある。つまり、Ｍｏを多量添加した鋼で
は、焼戻しで針状のＭｏ炭化物が析出し、これがＳＳＣ
の起点となるので耐ＳＳＣ性が低下することがある。
又、Ｖを多量に添加した鋼では、Ｖの粗大な炭化物が多
量に析出し、この炭化物周辺にトラップされる水素濃度
が増すので耐ＳＳＣ性が低下することがある。

【００２６】そこで、前記の各元素に代わる強化元素と
細粒化手段を検討した。その結果、０．０５重量％以上
のＮｂを含有させた鋼を用い、誘導加熱などの急速加熱
手段によって高温に加熱し、短時間の保持を行った後で
焼入れし、更に焼き戻しする熱処理を行えば、耐ＳＳＣ
性の改善に効果的であることを知見した。

【００２７】Ｎｂの炭化物は、通常の９００℃近傍の焼
入れのための加熱温度ではほとんど基地に固溶しない。
このため従来Ｎｂは、未固溶炭化物の所謂「ピンニング
作用」を利用して焼入れ加熱時の結晶粒の粗大化を防止
し、細粒組織を得る目的で添加されてきた。この目的の
ためには、０．０５重量％未満のＮｂを含有させるだけ
で充分であり、それ以上の量のＮｂを含有させても未固
溶の粗大炭化物が増すだけで効果は飽和し、コストが嵩
むばかりで経済的に不利である。一方、加熱温度を高め
てＮｂの炭化物を基地に充分固溶させてから焼入れすれ
ば、焼戻し時の軟化抵抗を大きくすることができるので
高温で焼戻ししても鋼材に大きな強度を付与することが
可能である。但し、焼入れのための加熱温度を高めてＮ
ｂの炭化物を固溶させることは、結晶粒の著しい粗大化
を招くことになるので、従来は敬遠されてきた。

【００２８】これに関して、本発明者らは、適正量のＮ
ｂを含有する鋼を誘導加熱などの急速加熱手段によって
高温に加熱し、短時間の保持を行った後で焼入れすれ
ば、Ｎｂの炭化物を基地に充分固溶させることができる
ので焼戻し軟化抵抗が大きくなり、しかも結晶粒の粗大
化も防止できることを見いだした。つまり、細粒組織
と、Ｎｂが焼戻し軟化抵抗に寄与した高温焼戻しが可能
となり、鋼の耐ＳＳＣ性が大きく高まることが判明した
のである。更に、適正量のＮｂとＶとを含有する鋼の場
合には、より一層の高温焼戻しが可能となることも明ら
かになった。

【００２９】上記のＮｂを含有させた鋼の高温焼戻しが
耐ＳＳＣ性の改善に有効である理由は以下のように考え
られる。

【００３０】焼戻し時に析出した微細なＮｂの炭化物は
粗大化しにくいので、同じ量のＭｏやＶを含有させた場
合に比べて強化への寄与が大きく、高温焼戻しを可能と
する。このため、「拡散性水素」のトラップサイトとな
る転位をより低減することができる。又、Ｎｂの炭化物
は微細であるため、その周囲にトラップされる「拡散性
水素」がＭｏ炭化物やＶ炭化物に比べて少なく、吸蔵さ
れる「拡散性水素」の総量が少ないため耐ＳＳＣ性に優
れる。

【００３１】熱処理条件については、焼入れのための加
熱でＮｂの炭化物を基地に充分固溶させるために高温加
熱することが重要であり、一方、高温加熱による結晶粒
の粗大化を防止するためは、急速加熱短時間保持して焼
入れすることが重要である。

【００３２】本発明は、上記の知見に基づいて完成され
たものである。

【００３３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の各要件について詳
しく説明する。なお、化学成分の含有量の「％」は「重
量％」を意味する。

【００３４】（Ａ）鋼材の化学組成Ｃ：Ｃは焼入れ性を高め、強度を向上させるのに有効な
元素である。しかし、その含有量が０．２％未満では、
焼入れ硬さが不足し、高温での焼戻しでは目標とするＹ
Ｓで１１０〜１５５ｋｓｉ（７５８〜１０６８ＭＰａ）
の高強度が得られない。一方、０．３５％を超えると、
炭化物が増加し、「拡散性水素」のトラップサイトが多
くなって水素吸蔵量が増えるので耐ＳＳＣ性が低下す
る。更に、焼割れ感受性も増大する。したがって、Ｃの
含有量を０．２〜０．３５％とした。Ｃ含有量の上限は
０．３％とすることが好ましい。

【００３５】Ｓｉ：Ｓｉは、鋼の脱酸に有効な元素であ
り、焼戻し軟化抵抗を高めて耐ＳＳＣ性を向上させる元
素でもある。脱酸の目的からは０．０５％以上の含有量
とする必要がある。しかし、その含有量が０．５％を超
えると靭性が低下するし、粒界強度が低くなるので耐Ｓ
ＳＣ性も却って低下してしまう。したがって、Ｓｉの含
有量を０．０５〜０．５％とした。なお、Ｓｉ含有量の
上限は０．３％とすることが好ましい。

【００３６】Ｍｎ：Ｍｎは、鋼の焼入れ性を確保するの
に有効な元素である。この目的からは０．１％以上の含
有量が必要である。しかし、１．０％を超えて含有させ
ると粒界に偏析して耐ＳＳＣ性及び靭性の低下を招く。
したがって、Ｍｎの含有量を０．１〜１．０％とした。
なお、Ｍｎ含有量の上限は望ましくは０．５％である。

【００３７】Ｐ：Ｐは不純物として鋼中に不可避的に存
在するが、粒界に偏析して耐ＳＳＣ性を劣化させてしま
う。特に、その含有量が０．０２５％を超えると耐ＳＳ
Ｃ性の劣化が著しくなる。このため、不純物として混入
するとしてもその含有量は０．０２５％以下にする必要
がある。なお、耐ＳＳＣ性を高めるためにＰの含有量は
できるだけ低くすることが望ましい。

【００３８】Ｓ：ＳはＰと同様に不純物として鋼中に不
可避的に存在するが、粒界に偏析することと、硫化物系
の介在物を多量に生成することによって耐ＳＳＣ性を低
下させてしまう。特に、その含有量が０．０１％を超え
ると耐ＳＳＣ性の低下が著しくなる。したがって、不純
物として混入するとしてもその含有量は０．０１％以下
にする必要がある。なお、耐ＳＳＣ性を高めるためにＳ
の含有量はできるだけ低くすることが望ましい。

【００３９】Ｃｒ：Ｃｒは、焼入れ性を上げるとともに
焼戻し軟化抵抗を高めて高温焼戻しを可能にし、耐ＳＳ
Ｃ性を向上させる作用がある。前記の効果を確実に得る
ためにはＣｒの含有量は０．３％以上とする必要があ
る。しかし、Ｃｒを１．２％を超えて含有させると、硫
化水素を含む酸性の湿潤環境ではＣｒが活性溶解して腐
食速度が大きくなり、鋼中の「拡散性水素」濃度が高く
なって、却って耐ＳＳＣ性の低下を招く。したがって、
Ｃｒの含有量を０．３〜１．２％とした。なお、Ｃｒ含
有量の上限は０．５％とすることが好ましい。

【００４０】Ｍｏ：Ｍｏは、Ｃｒと同様に焼入れ性を向
上させるとともに、焼戻し軟化抵抗を高めて高温焼戻し
を可能にし、耐ＳＳＣ性を向上させる作用を有する。し
かし、その含有量が０．２％未満では前記の効果が得ら
れない。一方、１．０％を超えて含有させると、焼戻し
で針状のＭｏ炭化物が析出してその周辺の応力集中によ
り耐ＳＳＣ性が却って低下してしまう。したがって、Ｍ
ｏの含有量を０．２〜１．０％とした。なお、Ｍｏ含有
量は０．３〜０．８％とすることが好ましい。

【００４１】Ａｌ：Ａｌは、鋼の脱酸に必要な元素であ
る。しかし、その含有量が０．００５％未満ではその効
果が得難い。一方、０．５０％を超えて含有させると粗
大なＡｌ系介在物が多くなって靭性及び耐ＳＳＣ性が低
下する。したがって、Ａｌの含有量を０．００５〜０．
５０％とした。Ａｌ含有量の望ましい範囲は０．０１〜
０．１０％である。なお、本明細書でいうＡｌとは所謂
「ｓｏｌ．Ａｌ（酸可溶Ａｌ）」のことである。

【００４２】Ｔｉ、Ｚｒ：ＴｉとＺｒは、それぞれ鋼中
の不純物であるＮをＴｉＮやＺｒＮとして固定する目的
で添加する。又、Ｎ固定に必要とするよりも過剰なＴｉ
やＺｒは、炭化物となって微細に析出し、焼戻し軟化抵
抗を高める効果を有する。Ｎの固定は、焼入れ性向上の
ために添加するＢがＢＮとなるのを抑制し、Ｂを固溶状
態に維持して充分な焼入れ性を確保するためである。こ
うした効果は、ＴｉとＺｒの含有量に関し、Ｔｉ（％）
＋０．５Ｚｒ（％）の値が０．００５％以上の場合に確
実に得られる。しかし、Ｔｉ（％）＋０．５Ｚｒ（％）
の値で０．７５％を超えるＴｉとＺｒを含有させても前
記の効果は飽和するのでコストが嵩んでしまうし、粗大
な炭化物が増加して靭性及び耐ＳＳＣ性が低下すること
がある。

【００４３】なお、Ｔｉ（％）＋０．５Ｚｒ（％）の値
が０．００５〜０．７５％でありさえすれば良いので、
必ずしもＴｉとＺｒを複合して含有させる必要はない。
Ｚｒを添加しない、つまりＴｉを単独で添加する場合、
その含有量が０．５０％を超えると炭化物が増加し靭性
及び耐ＳＳＣ性が低下する。逆にＴｉを添加しない、つ
まりＺｒを単独で添加する場合に、Ｚｒを０．５０％を
超えて含有させると炭化物が増加し靭性及び耐ＳＳＣ性
が低下する。

【００４４】したがって本発明においては、ＴｉとＺｒ
の含有量をいずれも０．５０％以下で、且つＴｉ（％）
＋０．５Ｚｒ（％）の値を０．００５〜０．７５％とし
た。

【００４５】なお、Ｔｉ含有量は０．０１〜０．１０％
とすることが好ましい。又、Ｚｒには、引張試験時の降
伏点伸びを高め、結果として耐ＳＳＣ性を向上させる作
用もあるので、特に、高い強度が要求される場合には、
Ｚｒを含有させることが好ましい。Ｚｒの好ましい含有
量は０．１〜０．４５％である。

【００４６】Ｂ：Ｂは、微量で鋼の焼入れ性を向上させ
る作用を有する。しかし、その含有量が０．０００１％
未満ではその効果が充分でなく、０．０１％を超えると
靭性及び耐ＳＳＣ性が低下するため、Ｂの含有量を０．
０００１〜０．０１％とした。なお、Ｂ含有量の望まし
い範囲は、０．０００２〜０．００２％である。

【００４７】Ｎｂ：Ｎｂは、本発明において最も重要な
役割を果たす元素である。すなわち、１０５０℃を超え
るような高温に加熱してＮｂの炭化物を基地に充分固溶
させてから焼入れすれば、その後の焼戻し時に微細炭化
物として析出して強化に大きく寄与し、高温焼戻しを可
能とし耐ＳＳＣ性を大きく向上させる。この効果を得る
ためにはＮｂを０．０５％以上含有させる必要がある。
一方、０．５％を超えて含有させると、高温焼入れして
もＮｂの炭化物を基地に充分固溶させることができなく
なり、この溶け残った粗大なＮｂ炭化物が「拡散性水
素」のトラップサイトとなって水素吸蔵量が増えるので
耐ＳＳＣ性が低下する。したがって、Ｎｂの含有量を
０．０５〜０．５％とした。なお、Ｎｂ含有量の上限は
０．１％とすることが好ましい。

【００４８】Ｖ：Ｖは添加しなくても良い。添加すれ
ば、焼戻し時に微細な炭化物として析出して焼戻し軟化
抵抗を高め、高温焼戻しを可能とすることにより耐ＳＳ
Ｃ性を改善する作用を有する。特に、Ｎｂと複合して含
有させることにより、一層の高温焼戻しが可能となるの
で、耐ＳＳＣ性が大きく向上する。したがって、前記の
効果を確保したい場合には、Ｖを添加含有させても良
い。なお、前記の効果を確実に得るには、Ｖは０．００
５％以上の含有量とすることが好ましい。一方、Ｖ含有
量が０．５％を超えるとＶ炭化物が粗大化して強化に寄
与しなくなることに加え、その粗大炭化物が「拡散性水
素」のトラップサイトとなって水素吸蔵量が増えるので
却って耐ＳＳＣ性が低下する。このため、Ｖの含有量を
０〜０．５％とした。なお、Ｖ含有量の上限は０．３％
とすることが好ましい。

【００４９】Ｗ：Ｗは添加しなくても良いが、Ｍｏと同
様焼入れ性を高めるとともに、焼戻し軟化抵抗を高めて
高温焼戻しを可能にし、耐ＳＳＣ性を向上させる作用を
有するので、必要により含有させる。添加により前記の
効果を確実に発揮させるには、Ｗの含有量は０．３％以
上とすることが好ましい。しかし、１．０％を超えて含
有させると析出炭化物の粗大化が起こって前記の効果が
飽和あるいは低下するのに加え、粗大化した炭化物が
「拡散性水素」のトラップサイトとなって水素吸蔵量が
増えるので却って耐ＳＳＣ性が低下する。したがって、
Ｗの含有量を０〜１．０％とした。なお、Ｗ含有量の上
限は０．７％とすることが好ましい。

【００５０】Ｃａ：Ｃａは添加しなくても良い。添加す
れば、鋼中のＳと結合して硫化物を形成し、介在物の形
状を改善して耐ＳＳＣ性を向上させる。したがって、前
記の効果を確保したい場合には、Ｃａを添加含有させて
も良い。なお、前記の効果を確実に得るには、Ｃａは
０．０００１％以上の含有量とすることが好ましい。し
かし、その含有量が０．０１％を超えると、却って耐Ｓ
ＳＣ性が低下するばかりか靭性も低下するし、鋼材表面
に地疵などの欠陥が発生し易くなる。したがって、Ｃａ
の含有量を０〜０．０１％とした。

【００５１】Ｎｉ：Ｎｉは不純物として鋼中に存在し、
本発明の化学組成範囲の鋼においては耐ＳＳＣ性を低下
させる。特に、Ｎｉの含有量が０．１％を超えると耐Ｓ
ＳＣ性の低下が著しくなる。したがって、Ｎｉの含有量
０．１％以下とした。なお、Ｎｉは、Ｃｒ原料中に不可
避的に含まれており、Ｃｒを添加含有させる場合、Ｎｉ
の含有量を０（ゼロ）にすることは工業的に極めて難し
いが、できるだけ少なくすることが望ましい。

【００５２】Ｎ：Ｎは不純物として鋼中に存在し、粒界
に偏析して靭性及び耐ＳＳＣ性を低下させる。しかし、
その含有量が０．０１％以下であれば許容できることか
ら、Ｎの含有量を０．０１％以下とした。なお、Ｎは大
気中などから鋼中に侵入し、その含有量を０（ゼロ）に
することは工業的に極めて難しいが、できるだけ少なく
することが望ましい。

【００５３】Ｏ（酸素）：Ｏは不純物として鋼中に存在
し、粒界に偏析して靭性及び耐ＳＳＣ性を低下させる。
しかし、その含有量が０．０１％以下であれば許容でき
ることから、Ｏの含有量を０．０１％以下とした。な
お、Ｏは大気中などから鋼中に侵入し、その含有量を０
（ゼロ）にすることは工業的に極めて難しいが、できる
だけ少なくすることが望ましい。

【００５４】上記の化学組成を有する鋼は通常の方法で
溶製された後、例えば、通常の方法による熱間での鍛
造、穿孔や圧延などの熱間加工によって鋼管や鋼板など
所定の形状の鋼材に成形された後に一旦冷却され、次い
で、所望の強度や耐ＳＳＣ性を確保するために、急速加
熱焼入れされ、更に、焼戻しされる。

【００５５】なお、鍛造、穿孔、圧延などの熱間加工は
通常の条件で行えば良いが、例えば、鋼塊、ビレットや
スラブといった鋼片を１０００〜１２５０℃の温度域の
温度に加熱し、表面疵などの発生防止の点から９００〜
１１００℃の温度で鋼管や鋼板など所定の形状の鋼材に
仕上げることが望ましい。

【００５６】（Ｂ）熱処理条件（Ｂ−１）焼入れ熱間加工によって所定の形状に成形した鋼材に、所望の
高強度と耐ＳＳＣ性とを具備させるためには、焼入れの
ための加熱速度、加熱温度及び加熱の保持時間を制御し
て、オーステナイト粒を粗大化させない範囲でＮｂの炭
化物を基地に充分固溶させ、しかも、充分な焼入れ組織
とすることが必要である。

【００５７】このためには、先ず、７００℃以上の温度
域での加熱速度を２０〜５０℃／秒とする必要がある。
これは、焼入れのための加熱に際して、７００℃以上の
温度域の加熱速度がオーステナイト粒の成長に大きな影
響を及ぼすためで、加熱速度が２０℃／秒未満では、１
０５０℃を超え１２５０℃以下の温度域の温度であるＴ
1 ℃に加熱昇温すると結晶粒が粗大化してしまう。一
方、５０℃／秒を超えると混粒を生じて耐ＳＳＣ性が低
下する。なお、７００℃未満の温度域の加熱速度は特に
規定しなくて良いが、生産性の面から、例えば１０℃／
分以上とすることが好ましい。２０〜５０℃／秒の加熱
速度を得るための加熱方法（加熱手段）については、特
に制限しなくても良い。例えば、高周波加熱法など通常
の急速加熱方法で行えば良い。ここで、「加熱速度」と
は、既に述べたように、「被加熱材である鋼材の中心部
の７００℃から所定の温度Ｔ1 ℃までの平均加熱速度」
のことを指す。

【００５８】次に、上記の加熱速度での加熱は前記の温
度Ｔ1 ℃まで行う必要がある。温度Ｔ1 が１０５０℃以
下の場合には、Ｎｂの炭化物が基地に充分固溶しない。
このため、焼入れ後の焼戻しでＮｂの微細炭化物が析出
せず、所望の高強度（ＹＳで１１０〜１５５ｋｓｉ）を
得るためには低い温度で焼戻しする必要があり、耐ＳＳ
Ｃ性が低下してしまう。一方、温度Ｔ1 が１２５０℃を
超える場合には、前記した加熱速度で加熱しても結晶粒
が粗大化してしまう。

【００５９】更に、前記の加熱速度で温度Ｔ1 ℃まで昇
温した後は、Ｔ1 〜１０５０ ℃の温度域での保持時間
を３分以内として温度Ｔ2 ℃（但し、Ｔ2 ℃≦Ｔ1 ℃）
から焼入れする必要がある。前記のＴ1 〜１０５０ ℃
の温度域での保持時間が３分を超えると、結晶粒が粗大
化してしまうからである。なお、前記温度域での保持時
間の下限は特に規定されるものではない。しかし、オー
ステナイト化を均一にするために３０秒以上の保持時間
とすることが望ましい。焼入れの温度Ｔ2 ℃はオーステ
ナイト単相領域であれば特に問題はないが、充分な焼入
れ性を確保するために９５０℃以上の温度とすることが
好ましい。

【００６０】なお、「Ｔ1 〜１０５０℃の温度域での保
持時間を３分以内とする」とは、「温度Ｔ1 に昇温した
後、温度Ｔ2 から焼入れするまでにＴ1 〜１０５０℃の
温度域での保持時間が合計で３分以内である」ことを意
味し、Ｔ1 〜１０５０℃の温度域での温度パターンはど
のようなものであっても良い。

【００６１】温度Ｔ2 からの焼入れ方法についても、特
に制限しなくても良い。鋼材の化学組成に応じて適宜油
焼入れや水焼入れなど通常の焼入れ方法を用いれば良
い。すなわち、例えば、予め鋼材の化学組成に応じて予
備調査した結果に基づいて充分な焼入れ組織（例えば、
マルテンサイトが約８０％以上であるような組織）とな
るように焼入れ方法を決定すれば良い。

【００６２】（Ｂ−２）焼戻し焼戻しはＡｃ₁ 点以下の温度で行えば良く、その温度は
特に規定されるものではない。しかし、ＹＳが１１０ｋ
ｓｉ（７５８ＭＰａ）以上の高強度鋼材において目標と
する耐ＳＳＣ性を確保するためには、６８０℃以上の温
度で焼戻し処理を施すのが望ましい。焼戻し後の冷却方
法も特に規定されるものではなく、放冷、風冷、ミスト
水冷や水冷など通常の冷却方法で行えば良い。

【００６３】

【実施例】表１〜３に示す化学組成を有する鋼を通常の
方法によって１５０ｋｇ真空溶解炉を用いて溶製した。
表１における鋼Ａ〜Ｅ及び鋼７〜９は化学組成が本発明
で規定する範囲内にある本発明例の鋼、表２〜４におけ
る鋼Ｆ〜６は成分のいずれかが本発明で規定する含有量
の範囲から外れた比較例の鋼である。

【００６４】

【表１】

【００６５】

【表２】

【００６６】

【表３】

【００６７】次いで、これらの本発明例の鋼及び比較例
の鋼の鋼塊を通常の方法によって１２５０℃に加熱して
から熱間鍛造して４０ｍｍ厚さ×８０ｍｍ幅×２５０ｍ
ｍ長さの鋼片とし、この鋼片を１２５０℃に１時間加熱
してから圧延仕上げ温度９５０℃で厚さ１４ｍｍに熱間
圧延し、更に、平面研削により厚さ１２ｍｍに仕上げ
た。

【００６８】このようにして得られた厚さ１２ｍｍの鋼
板に表４〜７に示す種々の条件で焼入れ焼戻し処理を行
った。なお、焼入れは水焼入れとし、各供試鋼の化学組
成と焼入れ条件に応じて焼戻し条件を変え、所要の強度
が得られるようにした。

【００６９】

【表４】

【００７０】

【表５】

【００７１】

【表６】

【００７２】

【表７】

【００７３】焼戻し後の厚さ１２ｍｍの鋼板から圧延方
向に平行にJIS Z 2201に規定される１４Ｂ号の引張試験
片を採取し、常温（室温）で引張試験を行って、降伏応
力（ＹＳ）と引張強さ（ＴＳ）を測定した。

【００７４】焼戻し後の厚さ１２ｍｍの鋼板の厚み中央
部からは圧延方向に平行に、平行部の直径が６．３５ｍ
ｍで長さが２５．４ｍｍの丸棒引張試験片も採取し、NA
CE TM 0177 A法に準拠した方法で耐ＳＳＣ性の評価も行
った。すなわち、１気圧の硫化水素で飽和した２５℃の
０．５％酢酸＋５％食塩水中で定荷重試験を行い、耐Ｓ
ＳＣ性を評価した。定荷重試験における負荷応力は、前
記の常温引張試験で得られたＹＳの８０％、試験時間は
７２０時間とし、この試験中に破断が生じなかった場合
に耐ＳＳＣ性が良好と判定した。

【００７５】上記の各種試験結果を、表４〜７に併せて
示す。

【００７６】表４、表６及び表７から明らかなように、
鋼の化学組成が本発明で規定する範囲にあり、しかも熱
処理条件が本発明で規定する範囲にある場合（試験番号
１〜１５及び８０〜１１０）は、いずれも定荷重試験で
破断を生ずることがなく、耐ＳＳＣ性は良好である。

【００７７】これに対し、鋼の化学組成と熱処理条件の
いずれかが本発明で規定する範囲から外れた場合には、
表４〜６から明らかなように、すべて定荷重試験で破断
を生じ、耐ＳＳＣ性に劣っている。

【００７８】すなわち、鋼の化学組成は本発明で規定す
る範囲にあるが、熱処理条件が本発明で規定する範囲か
ら外れる場合（試験番号１６〜２５）は、いずれも定荷
重試験で破断を生じ、耐ＳＳＣ性に劣っている。なお、
ＹＳが１１０ｋｓｉ級（ＹＳが１１０〜１２５ｋｓｉ）
及び１２５ｋｓｉ級（ＹＳが１２５〜１４０ｋｓｉ）に
強度を調整して試験した結果を示しているが、このＹＳ
レベルで定荷重試験中に破断を生じれば、更に低温で焼
戻しして１４０ｋｓｉ級（ＹＳが１４０〜１５５ｋｓ
ｉ）に強度調整すれば、一層短時間で破断してしまうこ
とは言うまでもない。

【００７９】表４における試験番号１６及び１７は加熱
速度が小さいので細粒化が充分でなく、耐ＳＳＣ性が悪
い。一方、試験番号１８及び１９は加熱速度が大きすぎ
るので混粒組織となり、耐ＳＳＣ性が低い。試験番号２
０及び２１は加熱温度Ｔ1 が低いため焼入れのための加
熱時にＮｂの炭化物が基地に充分固溶せず、焼戻し温度
が低いことから耐ＳＳＣ性は劣る。試験番号２２及び２
３は、逆に、加熱温度Ｔ1 が高すぎるために粗粒化を起
こし、耐ＳＳＣ性が低い。試験番号２４及び２５は保持
時間が長すぎるため粗粒化を起こし、耐ＳＳＣ性が低下
する。

【００８０】一方、熱処理条件はいずれも本発明で規定
する範囲にあるが、鋼の化学組成が本発明で規定する範
囲から外れる場合にも（試験番号２６〜７９）、定荷重
試験で破断を生じ、耐ＳＳＣ性が劣っている。

【００８１】

【発明の効果】本発明によれば、ＹＳが１１０〜１５５
ｋｓｉ（７５８〜１０６８ＭＰａ）の高強度でも耐ＳＳ
Ｃ性に優れる鋼材が得られるので、油井やガス井用のケ
ーシングやチュービング、掘削用のドリルパイプ、輸送
用のラインパイプ、更には化学プラント用配管などに用
いることが可能で産業上の効果は極めて大きい。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、Ｃ：０．２〜０．３５％、Ｓ
ｉ：０．０５〜０．５％、Ｍｎ：０．１〜１．０％、
Ｐ：０．０２５％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｃｒ：
０．３〜１．２％、Ｍｏ：０．２〜１．０％、Ａｌ：
０．００５〜０．５０％、Ｔｉ：０．５０％以下、Ｚ
ｒ：０．５０％以下で、且つＴｉ（％）＋０．５Ｚｒ
（％）：０．００５〜０．７５％、Ｂ：０．０００１〜
０．０１％、Ｎｂ：０．０５〜０．５％、Ｖ：０〜０．
５％、Ｗ：０〜１．０％、Ｃａ：０〜０．０１％、Ｎ
ｉ：０．１％以下、Ｎ：０．０１％以下、Ｏ（酸素）：
０．０１％以下、残部はＦｅ及び不可避不純物の化学組
成の鋼材を、１０５０℃を超え１２５０℃以下の温度域
の温度であるＴ1 ℃に、７００〜Ｔ1 ℃の温度域を２０
〜５０℃／秒の加熱速度で昇温した後、Ｔ1 〜１０５０
℃の温度域での保持時間を３分以内として温度Ｔ2 ℃か
ら焼入れし、その後、焼戻しを行うことを特徴とする１
１０〜１５５ｋｓｉの降伏応力を有する耐硫化物応力割
れ性に優れた高強度鋼材の製造方法。但し、Ｔ2 ℃≦Ｔ
1 ℃である。