JPS5996217A - 耐硫化物割れ性に優れた鋼の製造方法 - Google Patents

耐硫化物割れ性に優れた鋼の製造方法

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JPS5996217A
JPS5996217A JP20578782A JP20578782A JPS5996217A JP S5996217 A JPS5996217 A JP S5996217A JP 20578782 A JP20578782 A JP 20578782A JP 20578782 A JP20578782 A JP 20578782A JP S5996217 A JPS5996217 A JP S5996217A
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less
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quenching
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JP20578782A
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Terutaka Tsumura
津村 輝隆
Yasuo Otani
大谷 泰夫
Teruo Kaneko
金子 輝雄
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Nippon Steel Corp
Original Assignee
Sumitomo Metal Industries Ltd
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C21METALLURGY OF IRON
    • C21DMODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/78Combined heat-treatments not provided for above
    • C21D1/785Thermocycling

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Heat Treatment Of Steel (AREA)

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、降伏強度: 65 K7f /mrd以上
の高強度を有するとともに、湿潤硫化水素環境において
優れたll1t硫化物割れ件全発揮し、特に油井やガス
井で使用される機械構造部材、例えば油井管やラインパ
イプ、さらには油井・ガス井の周囲に使用される装置用
部材として用いるのに好適な油井用鋼の製造方法に関す
るものである。
近年、エネルギー事情の2℃化に対処するため、1iだ
な油田やガス田の開発が盛んに行われるようになってき
ており、従来放置されていたところの、深層にして、し
かも油やガスが体化水素(H2S)で汚染されたいわゆ
るサワーと呼ばれる環境下にある油田やガス田に才で開
発の目が向けられるようになってきた。従って、近年の
石油や天然ガスの生y6分野においては、深井戸におけ
る原?出やガスの圧力、或いは6角材の自車による引張
り荷重に耐え、さらにサワー環境で採用しても十分に所
望性能全発揮する、高強度でしかも硫化物割れに対して
強い抵抗力を有した鋼製品に関する要望が益々強くなっ
てきている。
ところで、銀の耐硫化物割れ注全高める手段については
、1950年頃から社々の研究が進めらn”cおp、現
在テハ1例えばN A CE  S tandardM
R−01−75(1977Revision )に示さ
れた硬度(強度)の上限以下に鋤の強度を抑えることが
、硫化物割れの防止に最も有効であるとの認識の下に。
これに基づ([、−80J L降伏強さの下限が800
00ps i (5662K7f /mn? ) Jが
APIM格に加えられてユーザーの要望に応えてきた。
ところが、上述のように世界のエネルギー事情は酸性深
井戸の開発を活発化させており、沫井戸用の油井管に低
強yL品を用いるとその必要肉ノ早が必然的に14.i
 <なり、経済性成いは作業性の点で著しい不利を招く
ことから、rL−SC4よりも一層強度が高く、かつ耐
位も化物割れ性に例肛た鋼材が要求されるようになり、
特に最近においては。
降伏強さの下限が9 (+ 000 psi (63,
3に9f/mm”) k越す高強度油井管に対する要望
も大きくなっている。
従って、前記API規格のrL −80J  よりも硬
度の高いケーシング管用f+!’4についても種々の研
究がなされ、当初、高強度を比較的容易に実現するマル
テンサイト針1が注目されたが、ケーシングとして使用
する場合には比較的厚肉材とすることが多く、その製造
にあたってはンームレス製管法が採用されるので、管内
面からの貌入れが極めて困廁(であって、製品の全肉厚
にわたって均一なマルテンサイト組織をイぜることかで
きず5ベイナイト絹織が管内面側に生じてしまうこと全
避は得なかった。そして、このベイナイト組織は、銅の
耐食性に好結果全もたらさないので、結局は良好な耐食
性を確保できないと百う問題が依然として残るものであ
った。
そこで、焼入れ性同上元累たる3分添加し、さらにBを
有効に活用するためにTiをも添加したe岡を急速加熱
乞望入れし、高強度と耐食性とを兼ね備えた材料全イJ
ることも試みられたか、このような−高強度鋼において
は、依然とし7て十分に満足できる耐食性全実現するこ
とができなかった。即ち、面1食性の確認のためには、
第1乃至2図に示したようなシェルタイブの試験方法が
、多数の現場における実れとの対比による研究の積み沖
ねの結果開発されておハこの試験によって測定される割
れ限界値(Sc飴)が、式、 SC2(σy10゜75)XIO−’ 全溝足すれば割れの発生がないとされているけれども、
高強度ψR4においてはこのような厳しい基準音にδ足
するものはなかったのである。
なお、シェルタイブ試験法とは、絹、1図に示されるよ
うな、長さ方間の中央6Isにキリ孔を設けた試験片1
に、第2図Vこ示す如く、3点支持曲りでその中央部に
応力全°付カ1し、鳥貴ず夜中に反びtして割れ率が5
096となる見掛けの応力を測定し、これを硫化物割れ
限界応力値(以下 Sc 値と言う)とするものであり
、第2図において、2は直径4Uのガラス丸棒、3は荷
Mr (応力)全付加するためのボルトである。
また、これらの材料自身の改良の他に、鋼材をコーティ
ングしたり、腐食@境にインヒビターを注入する等の方
法も請じられているが、いずれも十分な成果を期待する
ことはできなかった。
本発明者等+ま、上述のような観点から、Sc値が式、
S C≧(σy10−75))<l O−’kVkだす
とともに。
降伏強度が65に9f/yitイ以上の高強度を備え、
サワー環境下で使用される油井管としても十分に満足で
きる性能を持つ釦材全得るべく研究を行った結果+ b
・;材にこのような特性を付与するには、(at  t
Aの化学成分組成としては1通電の高強度材組成全ベー
スとし、さらに、現状の量産可能な範囲にてS’i′l
j中のSを悼力低めて訃き、しかも残存する8分をCa
処理による介在物の球状化にて無吾比し、牙)の清浄性
を冒めることが必要であること、 (bl  このような6;・jの清tP化とともに、鋼
の組織全均一化することも・ヒレ−めてj!th安であ
り、従って、19分もQ、”力低減する心裏があること
tel  さらに、前記均一組織としては、ASTM&
10以上の卸1粒焼入れ・焼戻し組織である必要がある
こと。
以上(al〜(ciに示す如き知見を初るに至り、捷た
砦に、焼入れ11もオーステナイトの硅1粒化を図るた
めには急辷〃11熱全必要とし5 しかも桧厚肉品など
で所望の結晶粒を得るためには2回以上の焼入れ処35
を繰返す必要があることをも見よしたのである。
この発明は、上記知見に基づいてなされたものであって
、C: 0.15〜O,,45% (以下%は1餘9゜
とする)、  St: 0.05〜0.80’33 M
n:0.30〜1.709b、 P : 0.008ダ
b未満、S二0.003%以下、Cr:0.20〜1.
50%、 Mo : Os05〜0.809= 、 A
g: o、o 1〜0.10ダbs Ca:Ca/S 
 比で1〜lOの量、全含有するか、或いはさらに、N
b:0゜01〜0.1υ%。
V : 0.01〜0.109=、 Cu: 0.10
〜0.50%、 W :0.20〜1.00%、のうち
の1種以上をも含有し。
Fe 及び不可避不純物:残りから成る成分ijk D
)−の鋼に、  (Ac3点+30C〕 以上の温度域
までZl、運短時間加熱後焼入れるという処Jlt1回
以上施してオーステナイト結晶粒度をASTM A10
以上fc微測化し、その後、Ac1点以下の温度に焼戻
しすることによって、耐6i1化物割れ性に優れ、しか
も降伏強度: 65に9.f/nyr?以上を冷する銅
を鮫造することに特徴を有するものである。
つぎに、この発明において、@の組成成分量、焼入れの
に;々の加熱速度、及び・オーステナイト結晶粒度全そ
れぞれ上記のように限定した理由を説明する。
A 組成成分 a)  C C成分は、鋼の焼入れ注増加1強度増加、セして紹1粒
化に有効な元素であるが、その含有量が0.1590を
下回ると強度低下及び焼入れ外方化を来ノこし、従って
所望強度に対して低温での焼戻し全余に犯なくされる」
二5繰返しの急速加熱焼入五感FitこよってもA S
 1ivi  A10以上の門粒組織を得ることが困難
となって硫化物割れ感受性が犬となり、一方帆4596
を越えて含有させると、焼入れ時の焼割れ感受性を増大
させ、また急速加熱する1県にオーステナイト中への均
一な固溶が困難となることから、その宮有9を・0.1
5〜0.4596と定めた。
b)  5i Sl  はfillの脱C’に成分として有効な元素で
あるほか強度及び焼入れ性を増大させる作用があるが、
その宮有す^が0005ダδ未満では前記作用に所望の
効果を得ることができず、一方0.80 %を越えて含
有させると、硫化物割れ感受性を増太し、さらに靭性劣
化が著しくなることから、その含有量を0.05〜0.
80%と定めた。
c)   IVln Mn 成分には、焼入れfi:、を増大し1強匹及び靭
法全も改善する作用があるが、−f:の含有量が0゜3
0%未満では前記作用にnr望の効果が得られず、一方
1.70 %を越えて貧有させると、偏析帯を形成して
靭性の劣化、硫化物割れ感受性の増大、及び焼割れ感受
性の増加をもたらすようになることから、その含有社全
0゜30〜1゜70%と足めた。
d)   P P分は、、tri中に不可避的に持ち込まれる不純物の
1つであるが、その含有量が0.008 %以上となる
と偏析層に偏析し易くなり、鋼の組織を不均一なものと
して位C化物割れ感受性を大きくすることから、その含
有計ヲ0゜008%未満と定めた。
e)   S S分も、鋼中に不可避的に導入される不純物であり、靭
性の向上、及び耐硫化物割れ性の向上のためには可及的
に少なくするのが望ましいが、鋼の量産性全考慮してそ
の含有量の上限を0.003%と定めた。
f)   Cr Cr 成分には、耐た5食性を向上させるとともに。
焼入れ性とちに戻しG(化抵抗惺を増大させる作用があ
るが、その含有量が0−、’209b未満では前記作用
に所忽の効果(を待ることがて゛きず、一方1.501
6を越えて貧イ1させると、急辻加熱する際にオーステ
ナイ[・中への均一な同じが困難となるほか、靭性の劣
化、及び焼割れ感受性の増大をも来たすことから、その
言イ〕i、■を0.2 U〜1゜509bと定めた。
g)  Ai。
Mo 成分には、el’14の焼入れ江及び強度を上昇
させ、丑だ焼戻しip、’\化抵−抗全増太させるとと
もに。
靭性の改芒全なす作用があるが、その含有量が0005
?a禾溝では前記作用に所望の効果を得ることができず
、一方0.80%を越えて含有させても。
それ以上の向上効果が得←れないばかりでなく。
会、速加熱の際にオーステナイト中への均一な固しが困
tTtとなることから、その含有[t k O,(15
〜0゜809aと定めた。
h)  A/J Al成分は、鋼の脱CW9を安定化するために添加され
るものであるが、その含有量が0.0196未満ではそ
の効果が小さく、一方帆1.0 ’?bを越えて含有さ
せても脱酸効果はそれ以上の向上をみせず、しかも介在
物による疵の発生や靭性の劣化を来たすようになること
から、その含有it ’k O−01〜0.1096と
定めた。
i)  Ca Ca成分には、鋼中の介在物全球状化するとともに釣を
清浄化し、硫化物割れ感受性を低減する作用があるが、
その最適添加量はS分の量と密接に関連しており、Ca
/S比にして1〜10の範囲とならねばならない。なぜ
なら、Ca/S比が1未満のときは化学量論的に介在物
の球状化が不十分であり、一方、 Ca/S比がlO金
越えるとCa  の酸化物等の非金属介在物が増して、
り:゛・Cの清浄性が低下するからである。
j)  Nb、及びV Nb及びV成分には、いずれもオーステナイト粒を微#
[(1化し、また焼戻し軟化抵抗全増大する作用がある
ので、特にこれらの特注全向上させる場合に必要に応じ
て含有させるものであるが、その含有量がいずれも0゜
01%未満では前記作用に所望の効果全相ることができ
ず、一方0.10%を越えて含有させると靭性劣化を招
くようになることから、それぞれの含有ij)盆0.0
1〜0−10’%と定めた。
k)  Cu Cu 成分には、銅の水素吸収を抑えてl硫化物割れ注
を向上させる作用があるので、耐硫化物割れ性をより同
上させたい場合に必要に応じて含有させるものであるが
、その富有量が0.10%未満では前記作用に7Jr望
の効果全相ることができず。
一方005096を越えて含有させると熱間加工性が劣
化するようになることから、その言有計i0.lO〜0
゜50 %と定めた。
1)  W W成分には、焼戻し軟化抵抗′(il−増すとともに。
耐食性を改善する作用がおるので、これらの特性音さら
に向」ニさせたい場合に必要に応じて含有させるもので
あるが、その官有量がO020%未満では前記作用に所
望の効果が倚ら7′Lず、一方1.oOqbを越えて含
有させてもそれ以上の向上効果が認められず、急速加熱
の原にオーステナイト中への均一し・j俗が困録となる
ことから、七の含有量を0゜20〜1.00%と定めた
B、加熱温度 加熱温度が(Ac3点+30℃J未満では、この発明の
方法における如き急速短時間加熱法によっては鋼材化@
’<k均−完全にオーステナイト化することが困難であ
ることから、焼入れの際の加熱ηAj変全(Ac3点+
30℃」以上と定めた。
急速加熱の方法は、誘導加熱法や直接通電加熱法等が採
用できるが、通常は高周波誘導加熱法を用いるのが一般
的である。この場合、薄肉品では高い周V数を用いた高
速加熱が可能であるが、厚肉品では加熱速度が低くなる
と共に温度勾配が犬きくなるため1周波数を低くする必
要があり、昇温速度はどうしても低くなる。いずれにし
ろ1通7’K 1〜b <jj・′l成分によっても異なるものの、1〜30C
/seeの比較的ゆっくりした昇温速度の場合には2度
、或いはそれ以上の繰返し焼入れをすることが望ましい
C,オーステナイト結晶粒度 オーステナイト結晶粒度がASTM  A 10 未’
$4の粗粒になると、高強度材の耐硫化物割れ性が極V
+f: &こ君、くなることから、該粒度をASTM 
 盃10以上と定めた。
即ち、第3図は本発明に使用する化学成分組成kl”r
qfるS(J、25 %C−0,29%Si −0,4
8%Mn−0,006%P−0.002%S−0.00
72%Ca−0,78%Cr −0,37りJ’lo 
−0,023%Nb−0,049%Al鋼(Ca/S比
:3.6、Ac1点: 755 C,ACII点: 8
60C)に、焼入れ条件(加熱速度、加熱回数、オース
テナイト化温度)、並びに焼戻し温度を変えた熱処理全
2/l!2丁ことによって、粒度調銑及び強度脚整を行
い、シェルタイブ試験法によって腐食性能を調食した図
表であるが、第3図からも、 A S TM A 10
以上の粒層のときに良好なSc値を達成できていること
が明白である。
このように、この発明の方法は、P及び8分をそれぞ扛
(1,008%未満及び0゜’J 03 Ii!b以下
に制限し、かつCa/S比が1〜10の範12I−1に
入る。Ca処理した清浄均一な所定成分の銅を浴製した
後。
通常の方法によって厚昏、@−鍋、鋼管等に加ニレ。
これ(Il−誘導加熱法や直接通電加熱法等の急速短時
間加熱法により、  [Acg点+30℃〕以上の温度
まで加熱して組織全完全にオーステナイト化した後。
適当な冷却媒体によって焼入れする処理を少なくとも一
回以上繰返し1合金元Gkオーステナイト中に均一に同
浴させて、かつオーステナイト結晶粒度をASTM  
Ifx 10以上の超細粒組織とし、続いて、焼入れに
よって生成したマルテンサイト’を十分に焼戻しするこ
とによってit硫化物割詐性を付与するものである。即
ち、Ac1点以下の温度に焼戻すことによって、それぞ
れの用途に適した65に7’f/mm’  以上の強度
と耐硫化物割れ性の優れた鋼k 、nlQ造するもので
、この高温焼戻し処理が、焼入れによって生成したマル
テンサイトの内部応力除去やセメンタイトの球状化をな
し、鋼に所望の性能を現出するのである。
この発明は、上述のように、Ca処理した低S・低P侭
1の清浄均−憔と、ASTM  扁】0以上の超前11
粒化とが相俟って、降伏強さが65 K9f /1pt
n?以上の強度と告わ、た耐モ41化物割れ注とを鋼に
具備せしめイυるということに基づいてなされたもので
あるが、以下、この発明全笑施例により比較例と対比し
ながらさらに兵体市に説明する。
実L111ンリ まず1通常の方法によって紀1表に示される如き成分d
ルンの(:・司A−P全市製した。銅A〜Hは。
この発明の侶1」内の組成ケ有しているものであり。
鍋■〜Pは第1表中のシ;ミ印を付しlこ点において本
発明の範四からは外れた組成のものである。
つ@′に、これら全第2表に示される条件にて焼入れし
、Ac+点−25Cの温度で焼戻しを行った。
このような処理音節した6鏑について、オーステナイト
粒度1f号(A S TM A ) 、強度、及び耐食
性を測足し、その結果を第2表に併せて示した。
なお、1ljt食性については、6鋼から第1図に示し
たような試験片を切り出し、第2図に示したような試験
片支持具にて該試験片を支持し、反共液組成: 0.5
 % CH,5COOH+2200〜3200 ppm
R+S。
温庭:20℃5浸漬時間:20日間の条件での試験にて
Sc 値金側足し、その値で示した。そして。
第2表中の※印は、本発明の条件から外れた条件である
ことを示すものである。
第2表に示される結果からも、鋼の成分組成及び熱処理
条件が本発明の範囲内の試験番号1〜8のものは、AS
TM  A10以上の超K(II粒オーステナイト結晶
粒を生じ1強度並びに而」硫化物割れ性が極めて優れて
いるのに対して、成分組成、焼入れ時の加S温度、及び
加熱手段のいずれかが本発明の範囲から外れている試験
番号9〜23のものは1強度にそれほどの差がないとし
ても、耐竹化物割れ性が格段に劣っていることが明白で
ある。
なお、第2表からは、試験番号21の如き比較的低い加
熱速度のものでも、加熱速度が2゜QC/sec程度の
ものであれは、試験番号4で示したように2回の加熱処
理を行うことによって所望の特注をイぢられるととも明
白である。
上述のように、この発明によれば、降伏強度が65に7
f/mn?以上という極めて高い強度を有しているとと
もに5優れた耐饋化物割れ性をも兼ね備えた斧(材を、
比較的簡単容易に製造することができ。
サワー環境下の油田或いはガス田開発の大きな問題点k
 i’+’+決して、エネルギー資源開発等に対する多
大な貢献が可能となるなど、工業上有用な効果がもたら
されるのである。
【図面の簡単な説明】
第1図ii /エルタイプ耐食試験片の例を示すもので
、第1図(alはその正面図%第1図[blはその側面
図であり、第2図は試験片を試験片支持具に支殉した状
態を示す概略な4図、第3図は本発明対象価に熱処理を
加えて粒度及び強度全調整した材料のA S TM ’
Aと、降伏強度並ひにSc値との関係を示した図表で擾
7る。 図面において、 1・・・試験片、2・・ガラス丸棒、3−・・応力付加
ボルト。 出願人  住友金属工業株式会社 代理人  富 1)和 夫よ、ほか1名)鍍1履 (CL)                 (1))
≠2図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 ilI  C,: 0.15〜0.45%。 Si : 0.05〜0.80 e!θ、Mn : 0
    .30−1.70%、 P:0゜0OE1未満。 S二〇。QQ396以下。 Cr : 0−20〜]−50q6 。 Mo : 0.05〜.0.80%、 Ad : 0.01〜0.10 % 。 Ca : Ca/S比で1〜lOの量、全含有し。 Fe及び不可避不純物:残り、 から成る成分組成(以上正位%〕の鋼に、  CAca
    点+3 (I CJ以上の温度域まで急速短時間加熱後
    焼入れるという処珂全1回以上施してオーステナイト結
    晶粒度をASTM篇10以上に微細化し、その後、AC
    1点以下の温度に焼戻しすることを特徴とする。 1l
    jj硫化物割れ性に優f’したρj強度銅の製造方法。 (21C:0015〜0.45りす。 Si:0゜05〜0.809b。 Mn : 0−30〜1−70%。 P:0.008%未満、 S  : 0−0039b以下、 Cr : 0.20〜1.50ダ6、 MO: o。05〜0.80%。 Aa : o。01〜o、1oL3b。 Ca : Ca/S比で1〜10の量、を含有するとと
    もに、さらに、 Nb : o、oi〜0゜10%、 V:O,O1〜0.10ダb。 Cu : 0−10〜0−509o 。 W:0.20〜1.ooqb。 のうちの1種以上をも宮有し。 Fe及び不b」避不純物:残り から成る成分組成(以上重重よq= )の4?] fc
     、  (A C3点+30CJ以上の温度域丑で急速
    短時間加熱後焼入れるという処理全1回以上施してオー
    ステナイト結晶粒度をA S T Mjf6.10以上
    に微細化し、その後、Ac1点以下の温度に焼戻しする
    ことを特徴とする、朗硫化物割れ性に浸れた高強度鋼の
    製造方法。
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