JPS63149320A - 低温靭性の優れたマルテンサイト系ステンレス鋼管の製造方法 - 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】 （産業上の利用分野） この発明は低温靭性の優れたマルテンサイト系ステンレ
ス鋼管の製造方法に関する。

（従来の技術及び問題点） 従来、石油および天然ガス井用の鋼管としては、一般に
炭素鋼、低合金鋼が用いられているが、近年Ｈ２Ｓ＋Ｃ
Ｏ２など腐食性の強い成分を含む石油および天然がス井
の開発も盛んに行なわれるようになるに至り、耐食性の
優れた高合金油井管の必要性が大幅に高まって＠た。マ
ルテンサイト系ステンレス鋼はＨ２Ｓに対しては十分で
ないものの００２腐食に対しては優れた耐食性を有する
ので、高合金油井管としては比較的早くから用いられる
ようになり、現在も多くの井戸で使用実績を蓄積しつつ
ある。

ところで石油や天然ガスは、一方で水海地区など寒冷地
区での開発も盛んになりつつあるので、耐食性に特徴の
ある高合金鋼油井管も低温靭性保証が付は加えられるケ
ースが多くなっておシ、特開昭５８−１４７５４５号公
報、特開昭５９−１７３２４５号公報など多くのマルテ
ンサイト系ステンレス鋼管がある。中でもマルテンサイ
ト系の代表鋼種はＡｌ５Ｉ　４２０の１３　Ｃｒ鋼であ
るが、この鋼は高強度の確保が容易に可能な利点をもつ
反面、成分や製造プロセス条件によって低温靭性が変動
する欠点を有する。

そこで本発明者らは寒冷地におけるＣＯ２腐食に耐えら
れる１３Ｃｒを中心とするマルテンサイト系ステンレス
鋼油井管の安定した農遣方法確立を目的として成分およ
び製造プロセス条件について詳細な検討を行った。

（問題を解決するための手段） 本発明は上述の目的を達する製造方法でありその要旨と
するところは、 Ｃ，、ｑ　＝　Ｃｒ　＋Ｍｏ　＋２８１　−Ｍｎ　−２
Ｎｉ　　−１５Ｎ　−３０Ｇ　　（１）ΔＮ＝Ｎ−ｏ、
５２ｈｔ　　　　　　　　　　　　（２）である。

即ち本発明者らは永年の研究によシ、鋼自身の化学成分
および熱処理方法を特定の範囲内に規定することによっ
て鋼組織を良好な状態に安定して造りこむ技術を確立し
て本発明を完成し九ものである。以下本発明の技術的な
狙いと請求範囲の限定理由について順を追って説明する
。

実験によってまずマルテンサイト系ステンレス鋼で優れ
た低温靭性を確保するには２つの重要なポイントがある
ことがわかった。第一に。

焼入れ処理においてマルテンサイト単一の均一かつ微細
組織にすることが必要である。ところがマルテンサイト
系ステンレス鋼では、圧延中もしくは焼入れ処理のため
の加熱中にδ−フェライトを生成する傾向があう、結果
としてマルテンサイトとδ−フェライトの混合組織にな
ることが少なくない。

δ−フェライトは、圧延中に存在すると、周辺のオース
テナイト相との変形能の違いによって與管疵が生じやす
くなる。また圧延時に存在したδ−フェライトが圧延後
の焼入れ処理の加熱で消失せずに残るか、あるいはその
加熱中に新しく生成することによって焼入れ時にδ−フ
ェライトが存在している場合には、焼入れ組織がマルテ
ンサイトとδ−フェライトの混合組織となって、これが
焼戻し後の低温靭性確保に有害な作用を及ぼすものであ
る。

低温靭性を向上させる第二のポイントは、焼戻し過程に
おいて析出する炭化物、とくにＭ２３Ｃ６の粗大化を防
止することである。マルテンサイト系ステンレス鋼の焼
戻し過程では、炭化物はまずＭ３Ｃの形で析出し、Ｍ７
Ｃ３を経てＭ２ｓ　ｅ　ｔ、へ変化していく。最終段階
で形成されるＭ２３Ｃ６の析出状態がオーステナイト粒
界への粗大粒子になると靭性は著しく劣下し、一方粒内
に均一に微細析出すれば優れた靭性の得られることが確
認された。

以上の結果をまとめると、低温靭性の優れたマルテンサ
イト系ステンレス鋼をつくるためには、δ−フェライト
が混じらず、炭化物を微細析出させた均一な焼戻しマル
テンサイト組織を得ることが必要であるとの結論に達す
る。本発明者らは次にこれらの条件を安定して実現する
ための具体的な方法について詳細に調査を進めた結果、
鋼の成分と熱処理条件に対して以下の規制を行なうこと
を手段とす名低温靭性の優れたマルテンサイト系ステン
レス鋼管の與遣方法を確立するに至った。すなわち重量
割合でＣ：０．１６〜０．２２壬　Ｓｉ：０．８０係以
下Ｍｎ　：　０．ｓ　０４以下　　Ｃｒ　：　１２．０
〜１４．Ｏ％Ａｔ：　０．１０係以下　　Ｎｉ：０．１
０〜０．５０係Ｃｕ：Ｏ，ｌＯ’１以下　　Ｍｏ　：　
０．１５　％以下を含み、残Ｗ　Ｆｅおよびその他の不
可避的不純物から成り、かつ不純物としてのＰおよびＳ
の含有量がそれぞれ Ｐ：０．０２０係以下　　Ｓ：０．０１０係以下でかつ
、下記の（１）式で与えられるＣ４゜、が７．５係以下
ならびに（２）式で与えられるΔＮが５０　ｐｐｍ以上
となる成分範囲の鋼を鋼管に製管後、９５０〜１０５０
℃の範囲内に加熱したのち空冷以上の冷却速度で焼入れ
、さらにＡｃ１変態点以下の温度で焼戻しする低温靭性
の優れ之マルテンサイト系ステンレス鋼管の製造方法で
ある。

Ｃｙｅｑ＝＝ｃｒ＋Ｍｏ＋２ｓｉ　　Ｍｎ　　２Ｎ１　
１５Ｎ　　３０Ｃ（１）ΔＮ＝Ｎ　−０，５２Ａｔ（２
） 以下各底分並びに熱処理条件についての限定理由を説明
する。

（ａ）Ｃ： Ｃは鋼の強度向上およびフェライトの生成防止に有効な
元素であるが、油井管として使用される場合に必要な強
度を得るためには、Ｃの下限を０．１６４とする必要が
あり、一方０．２２４を越えて含有させると溶体化時に
Ｍ２３Ｃ６型の粗大炭化物の残存量が多くなり靭性とと
もに耐食性が劣下する。

（ｂ）ｓｔ： Ｓｉは強度上昇に有効々成分である。しかし０．８１を
越えて含有させてもその効果は飽和してしまうため、上
限を０．８１とする。

（ｃ）　　Ｍｎ　： Ｍｎはオーステナイト域をひろげ、また強度、靭性の向
上にも有効であるが、０．８係を越える範囲で添加して
もその効果は飽和状、態になる。

（ｄ）Ｃｒ： ＣｒはＣＯ２腐食環境下で腐食速度を減少させるのに極
めて有効であるが、１２％未満ではその効果が不充分に
々る。一方１４係を越えるとフェライトが生成しやすく
なり靭性が劣下するとともに熱間加工性や耐ゴーリング
性にも悪影響を及ぼす。

（ｅ）Ａｔ： Ａｔは脱酸剤として添加されるが、０．１０％を越える
とその効果は飽和し、むしろ介在物の増大による疵が発
生しやすくなる。またＮとの関係で低温靭性に大きく影
響しており望ましくは０．０３０４以下にする方が良い
。

（ｒ）　　Ｎｌ Ｎ１はフェライト量を制御するのに最も有効な元素であ
るが、０．１４未満ではその効果が十分でない。一方０
．５優を越えるとＣＯ２腐食環境下でピンティングコロ
−ジョンが発生しやすくなる。

（ｇ）　　Ｃｕ　＋　Ｍ。

これらの元素は、一般的に鋼の耐食性を向上させる作用
を発揮するものであるが、高Ｃｒ鋼ではピッティングを
高めることがらＣｕ含有量全０．１０％以下１Ｍｏ含有
量を０．０５％以下とそれぞれ定めた。゛ （ｈ）ｐ、ｓ この発明の対象鋼では、靭性の向上、並びに良好な耐食
性を得るためにはＰおよびＳを可及的に少なくすること
が望ましいけれども、梨鋼上のコスト面を考慮してこれ
らの含有量の上限ｆｚｒ、Ｐ　：　０．０２５％　、　
Ｓ　：　０．０１（ｌと定めた。

（１）　　（１）式 δ−フェライトの生成防止の念めにＮ１が有効であるこ
とは既にのべた。しかしδ−フェライトの生成を防止す
るためには当然Ｎ１以外の元素の影響も考慮すべき必要
がある。各成分元素のδ−フェライト生成傾向に対する
寄与率はＣｒａｑで表現されるから、本発明のδ−フェ
ライトを防止する成分限定もとのＣ２゜９によって行な
う方法を採用した。この場合Ｃ２８，はδ−フェライト
の生成傾向を定性的に表現する指標にすぎないから、本
発明で問題とする焼入れ時の加熱温度９５０〜１０５０
℃の範囲内で、少なくとも靭性に悪影響を与えない程度
のδ−フェライト生成量以下に抑制する之めのＣｒｅｑ
として、許容できる範囲をいかに設定するかは極めて重
要なポイントであった。のちに実施例中で根拠の補足説
明を行なうがｂ　ｃｒｅｑを７．５係以下に限定したの
は、９５０〜１０５０℃加熱後空冷以上の冷却速度で焼
入れした場合に有害な量のδ−フェライトを生成させな
い限界値であることの確認に基づく。第１図は種々のマ
ルテンサイト系ステンレス鋼を９５０〜１０５０℃に溶
体化した時に発生するδ−フェライト量をＣ２８，に対
して示したものである。併せてこれらを焼入した後、Ａ
ｃ１点以下の温度で降伏点が６０　ｋｇ／ｗｍ２になる
様に焼戻した鋼の衝撃破面遷移温度を示しである。

Ｃｒｅｑが７．５係以上の範囲では、δ−フェライトが
生成しており、これに呼応する様に、衝撃破面遷移温度
が上昇し、低温靭性が劣下している。つまりｃ　ｒｅｑ
を７．５係以下に限定することにより９５０〜１０５０
℃の溶体化時に生じるδ−フェライトの量を極力最小の
量に抑制し、低温靭性を良好な状態に保つことができる
のである。

（ｊ）（２）式： 先の靭性確保に対する第２のポイントとしてＭ２３Ｃ６
の粗大化防止をあげたが、（２）式の規制はこれの具体
的な手段を与えるものである。すなわち本発明者らはマ
ルテンサイト系ステンレス鋼の焼戻し過程を詳細に調べ
、Ｍ２３Ｃ６の析出成長挙動には、共存する固溶Ｎの量
が大きな影響を与えることを確認した。すなわち溶体化
時に固溶していたＮは焼戻しの初期段階で （Ｆｓ−Ｃｒ）５ＣとともにＣｒ　２Ｎの形で析出する
。焼戻しの進行とともに炭化物の形態はＭＣ→Ｍ７　Ｃ
３→Ｍ２３Ｃ６と変化するが、溶体化時に固溶Ｎが多い
場合はこの焼戻しの進行が大巾に抑制され、通常の焼戻
し温度・時間内ではＭ２３Ｃ６は粗大化せずに微細分散
状態が維持されることおよびこのような効果をもたらす
固溶Ｎの世はｓ　ｏ　ｐｐｍ以上あれば良いことを見出
した。固溶ＮがＭ２３”６の粗大化を抑制する機構につ
いては、Ｍ３Ｃと同じ時期に析出するＣｒ２Ｎの形でＣ
ｒがいったん固定されることによって、Ｍ２３Ｃ６中へ
のＣｒ′の移行がさまたげられることによると思われる
。したがってＣｒよりＮとの結合力の強いＡｔによりて
ＡｔＮの形で消費される分のＮｉは、この目的に対して
は無効となるので（２）式で算出した有効固溶Ｎ量を５
０　ｐｐｍ以上とすることがＭ２Ｓ”６の粗大化防止に
必要な下限条件となるわけである。

（ト））焼入れ加熱温度（溶体化温度）焼入れの際の加
熱温度が９５０℃未満では、炭化物の固溶状態にばらつ
きが生じやすく、強度・靭性が安定しにくい。一方１０
５０℃を越えて加熱するとオーステナイト粒が粗大化し
てしまって靭性が劣下する。

＜１＞　　焼戻し温度 焼戻し温度がＡｃ１点を越えると、靭性が大幅に劣下す
るために、該温度をＡｃ１点以下と定めた。

（実施例） 次いで本発明の第２のポイントである固溶窒素の低温靭
性に及ぼす影響を示す実施例を用いて具体的に説明する
。

表１に示したような化学成分組成の鋼１〜５を２０ｋｌ
？真空溶解炉で溶製し、鋼片にした後、厚さ１０臨に板
圧延した。次いで９８０℃に焼入れ加熱、空冷した後、
降伏点が６０　’ｑ／ｍ２程度に焼戻す熱処理（温度７
１０℃）を施してから、それぞれについて低温靭性を調
査した。

表１に示される試験結果からも明白な様に。

本発明法によって得られた鋼材は、衝撃破面遷移温度が
一２５℃以下と極めて優れている。

これに対して番号３〜５によって得られた鋼材は固溶Ｎ
量が本発明条件の下限から外れて低いために、本発明の
方法によって得られた鋼材に比較して衝撃破面遷移温度
が高く低温靭性が劣下していることがわかる。この様子
をグラフにし念のが第２図である。

（発明の効果） 上述のように、本発明法によれば、耐炭酸ガス腐食性を
有しかつ低温靭性に優れたマルテンサイト系ステンレス
鋼管を安く製造することが可能となるのである。

【図面の簡単な説明】

第１図はマルテンサイト系ステンレス鋼の成分と９５０
〜１０５０℃に溶体化時に発生するδ−フェライト量及
び衝撃破面遷移温度との関係を示した図、 第２図は固溶Ｎ、ΔＮと衝撃破面遷移温度の関係を示す
図である。 代理人　　谷　山　輝　雄、“、諌 ・ｉ、’：’　ｆ−ｆｆｌ −゛−゛−： 本多小平

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 重量割合で Ｃ：０．１６〜０．２２％　Ｓｉ：０．８０％以下 Ｍｎ：０．８０％以下　Ｃｒ：１２．０〜１４．０％ Ａｌ：０．１０％以下　Ｎｉ：０．１０〜０．５０％ Ｃｕ：０．１０％以下　Ｍｏ：０．１５％以下 を含み残部Ｆｅおよびその他の不可避的不純物からなり
   、不純物としてのＰおよびＳの含有量がそれぞれ Ｐ：０．０２０％以下　Ｓ：０．０１０％以下 でかつ下記の（１）式で与えられるＣ＿ｒ＿ｅ＿ｑが７
   ．５％以下ならびに（２）式で与えられるΔＮが５０ｐ
   ｐｍ以上を満足する成分範囲の鋼を鋼管に製管後９５０
   〜１０５０℃の範囲内に加熱した後、空冷以上の冷却速
   度で焼入れ、さらにＡｃ＿１変態点以下の温度で焼戻し
   することを特徴とする低温靭性の優れたマルテンサイト
   系ステンレス鋼管の製造方法 Ｃ＿ｒ＿ｅ＿ｑ＝Ｃｒ＋Ｍｏ＋２Ｓｉ−Ｍｎ−２Ｎｉ−
   １５Ｎ−３０Ｃ（１） ΔＮ＝Ｎ−０．５２Ａｌ（２）