JPS63161118A

JPS63161118A - 耐硫化物応力腐食割れ性の優れた鋼材の製造方法

Info

Publication number: JPS63161118A
Application number: JP31047686A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Fujiwara; 藤原　和雄; Yasushi Torii; 康司鳥井; Takenori Nakayama; 武典中山; Kojiro Kitahata; 北畑　浩二郎
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1986-12-24
Filing date: 1986-12-24
Publication date: 1988-07-04

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】皮呈上生■凪分亘本発明は、耐硫化物応力腐食割れ性に優れた高強度鋼材
の製造方法に関する。

従米旦茨地湿潤硫化水素環境下において、応力負荷条件下で使用さ
れる鋼材には、腐食反応の進行によって生成した水素が
鋼中に侵入し、応力集中部に集積して、応力との相乗作
用によって硫化物応力腐食割れを生じる。

この硫化物応力腐食割れは、特に、高強度又は高硬度材
において顕著に起ることから、従来、この割れに対する
対策として、鋼材の強度又は硬度を一定値以下に抑えた
り、完全焼戻しマルテンサイト組織とすることが推奨さ
れている。また、不純物元素、例えば、Ｐの偏析を低減
したり、比較的大きい介在物を減少させることも行われ
ている。

しかし、本発明者らは、上記とは異なる観点から、耐硫
化物応力腐食割れ性に優れる鋼材を得るべく鋭意研究し
、既に、特開昭５８−１９９８１２号公報において、鋼
に適量のＴｉ及びＮｂを複合添加し、微細な炭窒化物を
分散析出させることによって、耐硫化物応力腐食割れ性
を改善し得ることを見出した。即ち、鋼中に微細に且つ
多数析出した炭窒化物は、腐食反応によって生じた水素
に対するトラップサイトとして作用し、見かけ上の水素
の拡散速度を遅くすることによって、鋼表面で水素の侵
入を抑制し、この結果、鋼の耐応力腐食割れ性を改善す
る。

■が”′　しようとするｐ　占他方、最近において、開発される油井や天然ガス井は、
資源の枯渇化に伴い、次第に高深度化する傾向にあるの
で、使用される鋼材も高強度化、即ち、降伏強度或いは
０．２％耐力の一層の向上を図り、又は厚肉化すること
が必要であるとされているが、前記したように、割れは
、一般に、高強度材はど著るしい。この傾向は、前記公
報に記載されているＴｉ及びＮｂ複合添加鋼についても
同様に認められる。また、厚肉化した場合、前記公報に
記載されている鋼においては、Ｃ当量が小さいため、十
分な焼入れ性が確保できず、鋼材の表面と内部でその性
質が異なる。即ち、鋼材の内部では、目標の強度より低
目になることが考えられ、目標強度を得るためには、表
面側の強度を高目にする必要が生じる。そのために鋼材
の割れ感受性が更に高まり、十分な耐硫化物応力腐食割
れ性を得ることが困難である。

従って、本発明は、従来の方法にて製造された鋼材がも
つ上記のような問題点を解決し、高強度且つ十分な耐硫
化物応力腐食割れ性を有する鋼材の製造方法を提供する
ことを目的とする。

ロ　声を”するための手本発明による耐硫化物応力腐食割れ性の優れた鋼材の製
造方法の第１は、重量％でＣ０．２０〜０．４０％、Ｓｉ０．１０〜０．４０％、Ｍｎ　　　０．５０〜１．２％、Ｐ　　　０．０１０％以下、Ｓ　　　０．００３％以下、Ｃｒ　　　０．８０〜１．５０％、Ｍｏ０．１０〜０．６０％、Ｔｉ　　　０．００５〜０．０　３０％、Ｎｂ　　　０
．００５〜０．１０％、Ａｘｏ、０１〜０．０６％、Ｃａ　　　０．００１〜０．００５％、Ｎ　　　０．０
０１０〜０．００９０％を含有すると共に、式％式％（）を満足し、残部鉄及び不可避的不純物よりなる鋼片を粗圧延に付し
、その後、仕上圧延を開始するまでを冷却速度１．２℃
／秒以上にて冷却して、鋼中に微細な炭窒化物を析出さ
せた後、Ａ１変態点以上で最終圧延を終了し、その後、
Ａ、変態点〜（Ａ３変態点＋１５０℃）の温度に加熱し
て焼入れし、次いで、Ａ１変態点より２０〜１００℃低
い温度から焼戻して、０．２％耐力を６６．８〜７７．
３　ｋｇｆ／ｍｍ”の範囲に調質したことを特徴とする
。

また、本発明による耐硫化物応力腐食割れ性の優れた鋼
材の製造方法の第２は、第１の方法において、鋼片に上
記以外の元素に加えて、更に、Ｎｉ０．０５〜０．３０
％、Ｖ　　　０．０１〜０．１０％、及びＣｕ　　０．０５〜０．３０％よりなる群から選ばれる少な（とも１種の元素を添加し
たものである。

先ず、前記式（１１について説明する。

第１図に示すように、二重片持梁（ＤｏｕｂｌｅＣａｎ
ｔｉｌｅｖｅｒ　Ｂｅａｍ、　ＤＣＢ）試験片に疲労ク
ラックを導入した後、くさびを打ち込んで一定変位を付
与し、次いで、この試験片を腐食環境下に浸漬すること
によって、硫化物応力腐食割れを発生させ、進行させる
。しかし、試験片は、開口変位を一定としているので、
割れの伸展に伴い、割れ先端の応力が低下し、やがて割
れは進展しなくなる。このときの割れ先端の応力状態、
即ち、破壊靭性（Ｋ＋５ｓｃ）値を求め、他方、同様に
求めたこの種の環境にて一般に広く用いられているＡｌ
５Ｉ　４１３０鋼の同一強度水準での破壊靭性（Ｋ＋ｓ
ｓｃ　４１１゜）値を上記値から差し引いたものをΔに
＋ｓｓｃ値とする。

本発明においては、このΔに、、、ｃ値が１０ｋｇｆ・
ｍ　ｍ−３／　ｔ、好ましくは２０　ｋｇｆ−ｍｓ−”
”以上であるとき、許容割れ長さが約１５％或いは３０
％長くなり、耐硫化物応力腐食割れ性に優れるとする。

即ち・ΔＫＩＳＳＣ”ＫＩＳＳＣ−ＫＩＳＳＣ４Ｉ２６
　≧１０　　（２１一方、Δに、、、ｃ値と鋼組成との
関係を研究した結果、ｃ、ｓｔ、Ｐ、Ｓ及びＡｌ量の影
響が大きいことが見出され、本発明者らによれば、ΔＫ
　＋５ｓｃ＝−１４０＋４００ＸＣ（χ）＋２３Ｏ３！
（χ）＋８１０ｘＡ１（χ）−４８０ＸＰ（χ）−１２
０００ｘＳ（χ）（３）で表わされる。

従って、以上の（２）式及び（３）式に基づいて、耐硫
化物応力腐食割れ性にすぐれる条件として、前述したよ
うに、４００ＸＣ（％）＋２３０Ｘ　Ｓ　ｉ（％）＋８１０ｘ
Ａ１％）−４８０ＸＰ（％）−１２０００Ｘ　Ｓ　（％
）≧１５０　　　　　（１１を得ることができる。

次に、本発明における鋼片の化学成分の限定理由につい
て、以下に述べる。

Ｃは鋼の強度上昇元素として最も安価且つ効果的な元素
であり、本発明においては鋼材に所要の強度を与えるた
めに少なくとも０．２０％の添加を必要とする。しかし
、過度に多量に添加するときは、炭窒化物の析出温度を
高めて、巨大な炭窒化物を生成させ、耐硫化物応力腐食
割れ性を劣化させるので、Ｃ添加量の上限は０．４０％
とする。

Ｓｔは鋼の脱酸剤として少なくとも０．１０％の添加が
必要であるが、過多に添加するときは、靭性の低下を招
くので、添加量の上限を０．４０％とする。

Ｍｎは脱酸剤として必要であると共に、強度向上に有効
であり、かかる効果を有効に発現させるために少なくと
も０．５０％の添加を必要とする。

しかし、過多に添加するときは、鋼塊中でＭｎ偏析を生
じ、耐硫化物応力腐食割れ性を劣化させるので、その添
加量の上限を１．２０％とする。

Ｐは鋼中に不可避的に含まれる不純物の一つであるが、
０．０１０％を越えて含有されるときは、層状の偏析部
を生成しやすくなり、強度の不均一化を招いて、鋼の耐
硫化物応力腐食割れ性を劣化させるので、含有量の上限
を０．０１０％とする。

Ｓも網中に不可避的に含まれる不純物であり、耐硫化物
応力腐食割れ性の向上には、少ないほど望ましい、しか
し、鋼製造の経済性を考慮して、含有量の上限を０．０
０３％とする。

Ｃｒは鋼の強度及び耐硫化物応力腐食割れ性を高めるた
めに、本発明鋼において少なくとも０．８０％の添加を
必要とする。しかし、過多に添加すれば、一般に耐食性
が劣化するので、その添加量の上限は１．５０％とする
。

Ｍｏは鋼の強度向上に有効であり、本発明において少な
くとも０．１０％を添加する。しかし、余りに多量に添
加するときは、硫化水素環境において耐食性を著しく損
なうので、上限を０．６０％とする。

Ｔｉは後述するＮｂと共に本発明において必須の元素で
あり、Ｎｂとの共存によって鋼中に微細な炭窒化物を形
成して、鋼の耐硫化物応力腐食割れ性を向上させる。こ
のような効果を有効に発現させるために、本発明におい
ては少な（とも０．００５％の添加を必要とする。しか
し、余りに多量に添加するときは、炭窒化物の析出開始
温度を高め、１μｍ以上の炭窒化物を析出させて、耐硫
化物応力腐食割れ性を劣化させるので、その添加量の上
限は０．０３０％とする。

Ｎｂは綱の強度及び靭性を向上させるのに有効な元素で
あり、更に、Ｔｉとの共存下に微細な炭窒化物を形成し
て、耐硫化物応力腐食割れ性を改善する。このような効
果を有効に発現させるために、本発明においては、少な
くとも０．００５％の添加が必要であるが７反面、過度
に添加すれば、Ｔｉの場合と同様に炭窒化物の巨大化を
招き、耐硫化物応力腐食割れ性を劣化させるので、その
添加量の上限を０．１０％とする。

Ａｌは、通常、脱酸剤として添加されるが、結晶粒の微
細化にも有効である。本発明においては、かかる観点か
ら少なくとも０．０１％の添加を必要とする。しかし、
過多に添加するときは、鋼中のＮと反応してＡＩＮを生
成し、微細炭窒化物の形成を妨害するので、その添加量
の上限を０．０６％とする。

Ｃａは鋼中の伸延した硫化物系介在物の生成を抑制し、
耐硫化物応力腐食割れ性を向上させるが、過度の添加は
鋼品質の低下を招くため、添加量は０．００１〜０．０
０５％の範囲とする。

ＮはＣと共にＮｂ及びＴｉの微細な炭窒化物を形成して
、鋼の耐硫化物応力腐食割れ性を向上させる。従って、
本発明においては、少なくとも０゜００１０％以上の含
有を必要とするが、過多に含有させるときは、炭窒化物
の析出開始温度を上昇させ、巨大な炭窒化物の生成を招
来するので、含有量の上限を０．００９０％とする。

Ｎｉは靭性の改善に顕著な効果を有し、この効果を有効
に得るには０．０５％以上の添加を必要とするが、Ｎｉ
は反面、割れ感受性の高いマルテンサイト組織を生じや
すくするので、添加量の上限を０．３０％とする。

Ｃｕは比較的ゆるやかな腐食環境において、鋼材の耐食
性を改善させる効果を有する。この効果を有効に得るに
は、０．０５％以上の添加を必要とするが、しかし、過
多に添加するときは、熱間加工性を劣化させるので、０
．３０％を添加量の上限とする。

■は強度を高めるために有効な元素であり、０゜０１％
以上の添加を必要とするが、過多量の添加は溶接部の靭
性を低下させるので、上限を０．１０％とする。

本発明の方法は、上記のような化学成分を有する鋼片を
所定の条件下に熱間圧延し、熱処理することによって、
耐硫化物応力腐食割れ性に優れた高強度鋼材を得るもの
である。

即ち、本発明の・方法によれば、先ず、上記所定の化学
組成を有する鋼片を粗圧延に付し、粗圧延の終了後、仕
上圧延の開始までを冷却速度１．２℃／秒以上、好まし
くは１．５℃／秒以上にて冷却することにより、仕上圧
延に至るまでの炭窒化物の析出を少なくし、また、その
成長を抑制する。但し、冷却速度が１０℃／秒を越える
ときは異常組織が生成することがあるので、冷却速度は
１０℃／秒以下とすることが好ましい。

仕上圧延においては、上記したように仕上圧延に至るま
で、炭窒化物は鋼中に過飽和に固溶しているから、仕上
圧延によってこの炭窒化物が０．１μｍ以下の微細状態
で多数析出する。ここに仕上圧延温度はＡＩ変態点以上
とする。Ａ、変態点以下の温度の場合には、フェライト
がつぶれた加工組織となるからである。本発明において
は、特に、仕上圧延において鋼中に０．１μｍ以下の微
細な炭窒化物を存在させ、これを以下に説明する条件に
て焼入れ焼戻し処理をすることによって、鋼の耐硫化物
応力割れ性を改善すると共に、鋼の一層の高強度化を実
現したのである。

焼入れ開始温度は、Ａ、変態点以上の温度であり、鋼の
組織をオーステナイト化するためには、鋼をＡ、変態点
以上に加熱することが必要である。

しかし、加熱温度が高すぎる場合は、微細炭窒化物の溶
解を招き、耐硫化物応力腐食割れ性を劣化させる。従っ
て、好ましくは焼入れ開始温度は、Ａ３変態点よりも３
０〜１５０℃高い温度とする。

次に、Ａ、変態点より２０〜１００℃低い温度から焼戻
しすることによって、降伏強さ或いは０゜２％耐力を６
６．８〜７７．３　ｋｇｆ／ｍｍ”に調質し、高強度化
を図ると共に、湿潤硫化水素環境下において優れた耐硫
化物応力腐食割れ性を付与することができる。

３遭しリ九果以上のように、本発明の方法によればＣ，Ｓｉ及びＡｎ
ｖｉｌを最適化し、合金元素としてＴｉ及びＮｂと共に
、特にＣｒ及びＭｏを複合添加し、更に、不純物元素量
を厳しく規制した鋼を所定の条件に従って熱間圧延し、
焼入れ焼戻しすることによって、高強度化すると同時に
、一般に高強度化に相反する湿潤硫化水素環境下におけ
る優れた耐硫化物応力割れ性を付与することができる。

実施斑以下に実施例を挙げて本発明を説明するが、本発明はこ
れら実施例により何ら限定されるものではない。

第１表に示す化学組成を有する鋼を第２表に示す条件に
よって熱間圧延した後、焼入れ焼戻し処理を施して鋼板
を製造した。ここに、比較鋼１１は粗圧延終了後、仕上
圧延を開始するまでの冷却速度が１．０℃／秒であって
、本発明で規定する圧延条件を満たしていない。比較ａ
１２はＴｉを含まず、比較鋼１３はＳ量が本発明で規定
する範囲外にある。

以上のようにして得たそれぞれの鋼板から第１図に示す
ようなりＣＢ試験片を採取し、くさびにて所定の変位を
与えた後、硫化物応力腐食割れ試験に供した。即ち、硫
化水素を飽和させた０、　５％酢酸及び５％塩化ナトリ
ウムを含有する水溶液（ＮＡＣＥ溶液）中に７２０時間
浸漬した後、前記くさびを除去し、そのときの荷重及び
変位から破壊靭性値（Ｋ＋５ｓｃ）を求めた。この値か
らＡｌ５Ｉ　４１３０鋼の破壊靭性値（Ｋ＋５ｓｃａ。。）を差し引き、ΔＫＩｓｓｃ値を求
めた。

結果を第２表及び第２図に示す０図中、本発明鋼は○に
て、比較鋼は×にて示す。また、参考のために、この種
の環境においてよく用いられるＡｌ５Ｉ　４１３０鋼の
場合についても示す。

本発明に従って、Ｔｉｓ　Ｎｂ、Ｃｒ及びＭｏを所定量
含有し、所定の条件に従って熱処理して得られた鋼板は
いずれもΔＫＩＤｊＪＣ値が大きく、前記式（１１を満
足し、高強度であると共に、耐硫化物応力腐食割れ性に
優れることが明らかである。これに対して、比較鋼はい
ずれも前記式（１１を満足せず、ΔＫＩＳＳＣ値が小さ
く、耐硫化物応力腐食割れ性に劣る。

【図面の簡単な説明】

第１図は鋼材のＫＩ３．ｃ値を求めるために用いたＤＣ
Ｂ試験片を示す図、第２図は鋼材のＫｔｓｓｃ値と強度
との関係を示すグラフである。第２図Ｙ５　　（ｋｑＪ　／−−ｔす

Claims

【特許請求の範囲】

（１）重量％でＣ　０．２０〜０．４０％、Ｓｉ　０．１０〜０．４０％、Ｍｎ　０．５０〜１．２％、Ｐ　０．０１０％以下、Ｓ　０．００３％以下、Ｃｒ　０．８０〜１．５０％、Ｍｏ　０．１０〜０．６０％、Ｔｉ　０．００５〜０．０３０％、Ｎｂ　０．００５〜０．１０％、Ａｌ　０．０１〜０．０６％、Ｃａ　０．００１〜０．００５％、Ｎ　０．００１０〜０．００９０％を含有すると共に、
式４００×Ｃ（％）＋２３０×Ｓｉ（％）＋８７０×Ａｌ
（％）−４８０×Ｐ（％）−１２０００×Ｓ（％）≧１
５０を満足し、残部鉄及び不可避的不純物よりなる鋼片を粗圧延に付し
、その後、仕上圧延を開始するまでを冷却速度１．２℃
／秒以上にて冷却して、鋼中に微細な炭窒化物を析出さ
せた後、Ａ＿１変態点以上で最終圧延を終了し、その後
、Ａ＿３変態点〜（Ａ＿３変態点＋１５０℃）の温度に
加熱して焼入れし、次いで、Ａ＿１変態点より２０〜１
００℃低い温度から焼戻して、０．２％耐力を６６．８
〜７７．３ｋｇｆ／ｍｍ＾２の範囲に調質したことを特
徴とする耐硫化物応力腐食割れ性の優れた鋼材の製造方
法。
（２）重量％で（ａ）Ｃ　０．２０〜０．４０％、Ｓｉ　０．１０〜０．４０％、Ｍｎ　０．５０〜１．２％、Ｐ　０．０１０％以下、Ｓ　０．００３％以下、Ｃｒ　０．８０〜１．５０％、Ｍｏ　０．１０〜０．６０％、Ｔｉ　０．００５〜０．０３０％、Ｎｂ　０．００５〜０．１０％、Ａｌ　０．０１〜０．０６％、Ｃａ　０．００１〜０．００５％、Ｎ　０．００１０〜０．００９０％を含有し、更に、（ｂ）Ｎｉ　０．０５〜０．３０％、Ｖ　０．０１〜０．１０％、及びＣｕ　０．０５〜０．３０％よりなる群から選ばれる少なくとも１種の元素を含有す
ると共に、式４００×Ｃ（％）＋２３０×Ｓｉ（％）＋８７０×Ａｌ
（％）−４８０×Ｐ（％）−１２０００×Ｓ（％）≧１
５０を満足し、残部鉄及び不可避的不純物よりなる鋼片を粗圧延に付し
、その後、仕上圧延を開始するまでを冷却速度１．２℃
／秒以上にて冷却して、鋼中に微細な炭窒化物を析出さ
せた後、Ａ＿１変態点以上で最終圧延を終了し、その後
、Ａ＿３変態点〜（Ａ＿３変態点＋１５０℃）の温度に
加熱して焼入れし、次いで、Ａ＿１変態点より２０〜１
００℃低い温度から焼戻して、０．２％耐力を６６．８
〜７７．３ｋｇｆ／ｍｍ＾２の範囲に調質したことを特
徴とする耐硫化物応力腐食割れ性の優れた鋼材の製造方
法。