JPS58174557A - 石油井の非磁性ドリルカラ−用高Ｍｎ鋼とその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、石油井の非磁性ドリルカラー用ｉＩ６Ｍｎ
鋼とその製造方法に関するものである。

近年鼻三にわたる石油危機を契機として新たな油田開発
が活斃化している。この際、よりすぐれた油田管より効
率よく尭見するため、深井戸の掘削に当っては磁気セン
サーが使用、される。したがって、この磁気センサーが
セットされるドリルカラーは非磁性である必要があり、
もしそうでない場合にはセンサーの探索精度が低下して
作業上重大な支障をきたすこととなる。

従来、非磁性ドリルカラー用材料としてはステンレス鋼
が使用されている。もちろん非磁性でなければならない
のでフェライト系やマルテンサイト系は不可であや、一
方通常強大な耐力（７０＃／Ｍ以上）が必要なのでオー
ステナイト系のうちＮｉ　−Ｏｒ系ではやはり不可で、
Ｍｎ系ステンレス鋼にＴａなどの特殊元素を添加したも
のが使われている。しかし、これにもなお次のような問
題点・欠点がある。

■　ステンレス鋼でしかも高価な元素が添加されている
ので価格が高い。

■　製造性（とくに熱間加工性）が愚く、一層のコスト
アップ壷内となっている。

■　最重要の因子である「非磁性」と「高耐力」は温良
せても、同時に延性及び靭性を満足させるのがきわめて
因−である。

■　穴あけ加工性（トレパニング）がよくない。

そこでこの発明は上記した従来鋼のもつ問題点・欠点を
改善することを目的とし、そのために非磁性鋼の一種で
あるハトフィールド鋼（高Ｍｎ鋼）の成分系を全面的に
見なおし、かつ工程プロセスとの結合によって上記目的
を有利に達成したものである。

この発明は、高Ｍｎ鋼の材質に及ぼす諸成分の影響に関
する基礎研究のＡ根において、とくに針入靭性と成分の
関係および熱間加工性とＢの関係などに閥する知見を得
たことに関連している。

さて非磁性ドリルカラー用材料に要求されるおもな特性
は大路次のようである。

透磁率Ｃｆ１）　（１，（１（Ｈａ　、耐力（ＰＳ）　
＞フｏ　ｋｇ／ｍ”　。

引張強さくＴＳ）　＞８−１　ｊＣＩ／−＋伸Ｕ　（Ｅ
ｔ）　＞　ａ　Ｏ％　。

絞り（ｊｌ）＞５５％′、硬さくＨＲＯ）　−２５〜８
６゜シャルピー僑撃１［（ｖ罵ＲＴ）＞マ匈・ｍ７ｃｍ
”を具備して、この他にトレパニング性（穴あけ加工性
）がよいこと、またコスト低減の観点から熱間加工性の
良否も重畳である。

これらの要求を満たす九めには大きく分けて成分組成の
適切な選択と熱間圧延後の硬化熱処理の二つが重畳であ
り、この発明の条件に依拠するときはじめて所要の特性
を実現しつると同時に、良好な製造性・歩留と相俟って
従来材より低コストで経済的に製品をつくりうることを
見いだ１＝ｆＣものである。

すなわち、強度と延靭性の調和とコストの点から従来の
Ｉｎ系のオーステナイト系に替わって、ハトフィールド
鋼（１％０−１８％）（ｎからなる高Ｍｎ鋼）からスタ
ートした調査、検討の結果まず主成分たるＯ：　Ｕ、１
５−１．（１０重量％（以下、率に％で示す）　Ｓｉ　
：　０．５〜１．！ｉ％＊　Ｋｎ　：　ｓｏ＊ｕ　〜８
５．０％でなければならないことの基礎的認識に立脚し
、これに加えて延、靭性の耐食性を有利に確保する丸め
、Ｏｒ　、　Ｎｉを添加すること、とくに強Ｗ（主とし
て耐力）アップ０＋めにＮ　、　Ａｔ、　Ｖ。

Ｎｂを添加すること、熱間加工性改善のためＢ’ｉ添加
すること、および加工性改善の丸めａａを添加すること
などについて注目し、これら各成分を配合するに当って
は、磁気的安定性すなわち透磁率μを低値に保つことを
、その根底として研究を進め、さらに、このような成分
調整だけでは磁性、強度、延、靭性などをすべてクリア
することは難かしいが、熱間圧延後所定の条件で硬化熱
処理を行うことによってはじめて所期の目的が達成され
ることを究明した。

すなわち上記成分調整である程度の強度と嬌、靭性を有
する母相組織内に、■及びＮｂの炭窒化物を磁性と靭性
を損わぬように微細に析出分散させることの１用性がそ
れである。

この発明は、Ｏ：　０．１５〜１．００％、　８ｉ　：
　ＯＪ〜１．５％、Ｍｎ：２０〜８５％、　ｏｒ　：　
Ｌ（１”ｗＩｇ、０％、　Ｎｉ　：　１．０〜８．０％
、ムｔ　：　０．０１〜８．００　％　　、Ｎ　　：　
　０．ｔｌｇ　〜０．５０　％　、ｖ’　：　　ｕ４〜
２．０％、　Ｎｂ　：　０．０５〜０．６０％、　Ｂ　
：　０．００６〜０．０２％およびａａ　：　（１，０
（１１〜ａ、ｏｇｏ％を含み、残部実質的にｙｅの組成
になり、母相組織中に■およびＮｋ）の炭窒化物が微細
に析出分散した硬化組織を有することを特徴とする石油
井の非磁性ドリルカラー用高Ｉｎ鋼であり、また鋼中成
分としてＯ：　０．１５〜１．００％、　Ｓ：Ｌ　：　
ＯＪ　〜１．５％、ｘｎ：ｇｏ〜ａｓ％、　Ｏｒ　：　
６．０〜ＩＬＯ％＊　Ｎｉ　：　１．０〜ａ、ｏ　％　
。

ムＬ　　：　　　０．０１　〜８．００％　　、　　Ｈ
：　　　０．Ｏｊｌ　　〜　０４０％　　、　　Ｖ二０
．５〜２．０　％　、　Ｗｂ　：　ｔｌ、０＋＄　〜０
．５０％＊　Ｂ　：　（１，００５〜０．０１％および
Ｏａ　：　０．００１〜０．０１０％を含む素材の熱関
圧嬌に先立って１１マ０℃以上の温度で少くともＩｓｗ
Ｐ間にわた９均熱処理すること、熱間圧延工程の後半に
も、その終了後に熱蝿歪を残存させる圧下金かけて熱間
仕上は圧延を９０υ℃以上で終了したのち空冷相当以上
の冷却速健で急冷し熱嬌歪を凍結させることおよび、こ
の熱間圧延後！１５０〜）！ｉ０℃で３０〜１００時間
にわたる加熱により、凍結熱嬌歪を析出サイトとするＶ
およびＮｋ）Ｉ：Ｄ炭窒化物を析出させる硬化熱処理を
施すこと、の結合になる石油井ｏ１１＝□゛磁性トリル
カラー用高Ｍｎ鋼の製造方法である。

この発明による新規な合金設計を基盤する各成分の限定
理由は次のとおりである。

０　　：　　Ｕ、１５　〜１．００　％０．１５％未満
の場合強度低下をきたし、かつ磁気的に不安定化する恐
れがあり、他方１．００％を越えると延、靭性に支障を
生ずるとともに製造性が害されるので、０．１５〜１．
００％の間に限定する。

Ｓｉ　：　０．５〜Ｌ５％ 鋼の脱駿および強度確保のため最低０．１ｓ％は必要で
、他方１．５％を越えると圧延時に割れを生ずるのでこ
の範囲とする。

Ｋｎ　：　２ＬＪ　〜ａ５／％ Ｍｎはオーステナイト相を安定にして非磁性−とするの
に欠かせない元素であり、同時に靭性・加工性に寄与す
る。２０ノ％未満では非磁性鋼としての安定性に欠ける
とともに加工性力。

撓われ、８５，７％を越えると靭性の劣化をき九すので
ｌｔＬ＃〜８慇％の範囲とする。

Ｏｒ　　二　　ＬＯ〜　Ｉｇ、Ｕ　　％Ｑｒは６．０％
以上で延性および靭性を改善し、伸びの増大にも効果が
ある。しかし非磁性相が安定に得られる範囲は１３％以
下であり、それを越すと透磁率の増大をまねくので１８
％以下とする。

Ｎｉ　：　１，０〜８．０　％ Ｎｉは、靭性および熱間加工性の改善に寄与する丸めに
添加するのであるが、１．０％未満ではその効果がうす
く、８．０％を越えて添加してもさらなる著効は期待で
きずかえってコスト７ツグｔ−ｔね〈Ｏで１．０〜８．
０％の間に＠足する。

ムｔ　：　　０．（１１〜６８０％ ムｔは、耐＃注改善ならびに硬化熱処理前の材料の耐力
増加のために０．０１％以上の添加が有効であり、一方
磁性の劣化を生じさせないためＫ　８．０％以下にとど
める。

Ｎ　：　−０，０１〜０．５０％ ＭＦｉおもに硬化熱処理前の材料の耐力増加と硬化熱処
理中の窒化物析出により強度増加を計るために最低０．
０２％抹必畳で、Ｏ，ＳＯ％を越えると延靭性の低下１
ｋまねくこととなるのでｏ、ｏｇ〜０．５０％の範囲と
する。

Ｖ　　：　　０．５〜ＬＬ１％　、Ｍｂ　：　　０．０
５〜０．！ｉ０％ｖ　、　ｉｂは、いずれも組織の細粒
化と元素の■溶硬化による強度アップと硬化熱処ｍＫよ
るＣ及び夏との化合物祈出による硬化の目的に適合し、
そのための最低限がｖ−ｏ、ｓ、Ｈｂ−０，０５％であ
り、−万延靭性を損なわぬ上限がＶ−ｚ、ｏ％、　Ｗｂ
　−０，５０％である。

Ｂ　　：　　ｕ、ｏｏｓ　〜ｏ、ｏｇ　％％　ｆ＊　；
１６Ｍｎ鋼でしかもＯ，Ｍ量が多く種々の元素が添加さ
れるとき、製造性（熱間加工性）は良好とは云えないと
ころ、ζ＼にコストを低値に押え、さらに歩留會あける
九めの圧延プロセスが、Ｂ添加によって実現され、るが
、熱間加工性の改善のための最低限は（１，００５％で
あり、また靭性に悪影響をもたらさぬ上限が０．０２％
である−０ Ｏａ　：　　ｏ、Ｏｏｌ　〜０．０１０％Ｏａは、機械
加工性（被剛性）の改善を意図して添加し、この発明に
従う鋼が大きな強ＷＩＬを有するにもか＼わらず、曳好
な被削性を示すためには、０．００１％以上を必要とし
、これに反しｏ、ｏｇｏ％を越えると材料組織が汚れて
延性が低下する。

上記した成分調整の下に、ＶおよびＮｂの炭窒化物が、
母相組織中に微細に析出分散した硬化組織を有すること
によってこの発明に従う高ｋｎ鋼が、非磁性ドリルカラ
ーＫｌ！請される上述特性を有利に満たすことができる
。

着九上述硬化組織ｔ−具備させる丸めには、上記の成分
調整になる素材を、所定寸＠Ｏ製品形状に加工する熱間
圧延中に、その後の硬化熱処理を有効ならしめる適切な
条件を制御する必要がある。

まず熱間圧延のための均熱温度は、完全同浴体組織をう
る友め、１１７０℃以上としなければならない。

次に熱間圧延は後の硬化熱処ｍを効果的圧する友め、そ
の工程の後手でも熱砥終了後に熱延歪を残存させるｌＯ
〜８０％糧１の圧下をかけ、そして熱間仕上げ圧延を、
セメンタイト及びパーライト変態抑制の丸め９００℃で
終了し、ついで空冷相当以上たとえば水冷により急冷す
ることにより熱延歪を凍結させることが必要である。

次に硬化熱処理としてＦ１ａ　６０〜７５０”０　。

２０〜１００時間の条件とすることがとくに重要である
。

熱間圧延加工ま喪は溶体化処理を経た状態での耐力をマ
０＃／−以上の高い値にすることは、この発明の成分範
囲において不可能というわけではないが、成分組成的に
熱間加工性がかなりに損なわれ、また同時に延、靭性の
低下を免れることはできない。

これを回避するために、この発明では熱間圧延後硬化熱
処理を行うのであり、上記のように加熱−温［６５０〜
７５０℃、加熱特開２０〜１００時間であって、こ＼に
上述した熱間圧延条件の適切な制御によってＯ、Ｎ　、
　Ｖ　、　Ｗｂを固溶させ、かつ着干の熱嬌歪を残、存
させたことによって、■およびＮｋ）の炭窒化物の析出
サイトが確保され、硬化熱処理が効果的に行われる。

この場合、硬化熱処理は５５０　’Ｑ未満または２０時
間未満では何れも析出反応・装置が遅すぎて硬化が満足
に生ぜず、またフｂＯ″Ｏを越えまたは１００時間を越
えると、もはや熱延歪が消失してしまう丸めに、析出物
の数が減小し同時に寸法が過大となって過時効状態を呈
し、かえって強１の低下と靭性の劣化′ｆｒまねくよう
になる。

この関係については第１図および第２図に図示したとお
りであり、両図はそれぞれ硬化熱処理の温度および時間
が硬さＫおよほず影響を示しである。

以上のべたこの発明に従う供試鋼１０樵触について従来
の高Ｍｎステンレス鋼および比較鋼と対比し％宍ＩＫ％
それらの化学成分を示した。

比較鋼のうち（イ）はＯが上＠全はずれ、（ロ）はＭｎ
が下＠をはずれ、また（ハ）はムｔが上限をはずれ、（
ニ）はＶが下限をはずれ、そして（ホ）Ｆｉｏａが上限
をはずれている。

これら試料は、電気炉にて溶解・精錬を経て得られた素
材１１ｍ００ｔｌＫて８時間にわたり加熱して熱間圧延
（ただし、　　（ａ）　、　（ｂ）　、　（イ）および
（ホ）は熱間加工性不爽の丸め鍛造）Ｌ、９５０℃にお
いて熱間仕上げ圧嬌を終了し九のち水冷により慈冷し、
その後６５０℃で６４時間の硬化熱処理を行った。その
後材質試験を行った結果は、表２に示すとおりである。

３３１− 従来４１１（ａ）は伸び、絞り、衝撃値が劣り非磁性ド
リルカラー用材料として問題がある。同じ＜（ｂ）は伸
び、絞りは改畳されているが衝撃値はいまひとつであり
、成分コスト、鍛造コストが大なるためトータルコスト
が大である。

これらに比べＮｏ、　（１）〜（１０）の発明鋼は、成
分コストが比較的安く熱間加工性が良好なところから圧
延による製品化が可能だから、トータルコストも低い上
、もちろん透磁率はいずれも低く、熱膨張係数も従来鋼
より小さく、強匿並びに延、靭性がともにすぐれ、また
被剛性（機械加工性）も良好である。

鴨方、比較鋼（イ）Ｆｉ、Ｏが過大なため熱膨張係数が
やや大きく、熱間加工性、被剛性ともに不良でるる。

また（口）はＫｎが過少の友め透磁率が大きくなり、（
ハ）はＡｔが過大なためやはり透磁率が高すぎ通１に非
磁性ドリルカラーの透磁率は前述のように１．ＵＵｇｍ
ｍより小さくなければならないから不適合である。

（ニ）ではＶが過小のため透磁率かや＼筒く、強健が小
さい。

（ホ）は、Ｏａが過大なため、熱間加工性が不良である
。

なおこの発明に従う供試鋼および比較鋼とも、Ｎが高い
場合は、ムを含有量を低くしであるが、これは、ムｌ化
合吻の析出による靭性の劣化を抑制する之めである。

以上のべたようにして、この発明によれば非磁性ドリル
カラーの用途で、その材料に責請される特性を、そのす
べてにわたって、有利に充足することができ、また第２
発明はかような用途に適合するｉ！％Ｍｎ鋼の特性を有
利に引出すことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、熱処塩時間ｔ−６４時間に一定した硬化熱処
Ｓ温１と硬さの関係グ５７、 第２図は、＠明鋼の熱処場温１［ｔ６ｓｏ℃に一定とし
た硬化熱処理時間と硬さの関係グラフである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ＬＯ：０．１６〜１．００重量−％、　＄ｉ　：　０．
   ５〜ＩＪ重量％、）ｔｎ：ｇｏ〜δ５重量％、　Ｑｒ　
   ：　６．０〜ＩＬＯ重量％、　Ｎｉ　：　１．０〜δ、
   Ｏ重量％、ムｔ：０．０１〜δ、ｏｏ重量％、　Ｎ　：
   　０．０１〜（１，５Ｇ電量％、　ｖ　：　Ｉ）、５〜
   ｉ、ｏ重量％、　Ｗｂ　：　０．（１Ｓ　〜０」０重量
   ％、　Ｂ　Ｓ　（１，００６〜０Ａ３Ｎ重重％およびＯ
   ａ：　０．００１〜０．（１１０重量％を含み、残部実
   質的にＦ６の組成になり、母相組織中にＶよびＮｂの縦
   窒化物が微細に析出分散した鹸化組織を有することｔ特
   徴とする石油井の非磁性ドリルカラー用高Ｍｎ鋼。 ｉ　鋼中成分としてＯ：　０．１１ｉ〜１．００重量％
   。 ８１２０．６〜ＩＪ重量％、％、：２０〜２１５重量％
   、　％、　：　６．（１〜ＩＬＯ重量％、Ｎｉ：１．ｔ
   ｌ　〜ｓ、ｏ重童％、ムｔ　：　０．０１〜８．００重
   量％、ＮＳＵ、０ｊｉｌ　〜０．６０　重量％　、　Ｖ
   　：　０．５〜２．０　ｌｉ％。 Ｎｂ　：　０．ＯＩ〜ｏ、ｓｏ　重量％、　Ｂ　：　（
   １，００５〜ｕ、ｏｎ重量％および０４１　：　０．０
   ０１〜ｏ、ｏｇｏ重量％を含む素材の熱関圧嬌に先立っ
   て１１７０℃以上Ｏ温覆で少くとも６時間にわ九り均熱
   すること、熱間正弧工程の後半にも、その終了後に熱砥
   歪ｔ−残存させる圧下をかけて熱間仕上げ圧嬌を９００
   ℃以上で終了したのち空冷相当以上の冷却速健で急冷し
   熱抵歪を凍結させることおよび、この熱量比ｍｏｌｓ　
   ５０〜７５０’０で３０〜１００時間にわたる加熱によ
   り、凍結熱延歪を析出サイトとするＶおよびＮｂの縦窒
   化物を析出させる硬化熱処理を施すこと、の結合になる
   石油井の非ａ性ドリルカラー用ｉ４Ｍｎ鋼の製造方法。