JPWO2013133076A1 - 耐硫化物応力割れ性に優れた高強度鋼材の製造方法 - Google Patents
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Abstract
C:0.15〜0.65%、Si:0.05〜0.5%、Mn:0.1〜1.5%、Cr:0.2〜1.5%、Mo:0.1〜2.5%、Ti:0.005〜0.50%およびAl:0.001〜0.50%と、必要に応じて、Nb:≰0.4%、V:≰0.5%、B:≰0.01%、Ca:≰0.005%、Mg:≰0.005%およびREM:≰0.005%から選択される1種以上と、残部Feおよび不純物とからなり、不純物中のNi≰0.1%、P≰0.04%、S≰0.01%、N≰0.01%およびO≰0.01%である化学組成を有し、熱間で所要の形状に加工された鋼に、〔Ac1点を超えてAc3点未満の温度に加熱後冷却する工程〕、〔Ac3点以上の温度に再加熱し、急冷して焼入れる工程〕および〔Ac1点以下の温度で焼戻す工程〕の工程を順次施す。
Description
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する。詳しくは、本発明は、油井およびガス井用のケーシング、チュービング等の油井用鋼管等として特に好適な、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する。さらに詳しくは、本発明は、強度および耐硫化物応力割れ性に優れるとともに、旧オーステナイト粒の微細化による靱性の向上が期待できる、低合金高強度鋼材の安価な製造方法に関する。
油井およびガス井(以下、油井およびガス井を総称して、単に「油井」という。)の深井戸化により、油井用鋼管(以下、「油井管」という。)の高強度化が要求されている。
こうした要求に対して、従来、80ksi級、つまり、降伏応力(以下、「YS」という。)が551〜655MPa(80〜95ksi)の油井管または、95ksi級、つまり、YSが655〜758MPa(95〜110ksi)の油井管が広く利用されてきた。さらに、最近では、110ksi級、つまり、YSが758〜862MPa(110〜125ksi)、さらには125ksi級、つまり、YSが862〜965MPa(125〜140ksi)の油井管が利用され始めている。
さらに、最近開発される深井戸の多くは、腐食性を有する硫化水素を含有する。このような環境では硫化物応力割れ(以下、「SSC」ともいう。)と称される水素脆化を起こして、油井管が破壊に至ることがあり、鋼の高強度化に伴い、SSCに対する感受性が高まることが広く知られている。
このため、高強度油井管の開発に当たっては、単に高強度鋼の材料設計に留まらず、同時に、耐SSC性を具備することが要求される。そこで、特に高強度油井管の開発においては、SSCの克服が最大の課題になっている。なお、硫化物応力割れは硫化物腐食割れ(「SSCC」)と称されることもある。
低合金油井管のSSCを防止する方法としては、〈1〉鋼の高清浄化、〈2〉炭化物の形態制御、〈3〉結晶粒の細粒化等の方法が知られている。
鋼の高清浄化に関しては、例えば、特許文献1および2に、非金属介在物を特定サイズに制限することにより、耐SSC性を向上させる方法が提案されている。
炭化物の形態制御に関しては、例えば、特許文献3に、炭化物の総量を2〜5質量%に制限した上で、総炭化物中に占めるMC型炭化物の割合を8〜40質量%にすることで、耐SSC性が飛躍的に向上することが開示されている。
結晶粒の微細化に関しては、例えば、特許文献4に、低合金鋼に対して焼入れ処理を2回以上施すことによって結晶粒を微細化し、耐SSCC性を改善する技術が開示されている。また、特許文献5にも、同様の処理によって結晶粒を微細化し、靱性を改善する技術が開示されている。
従来、油井用継目無鋼管等の分野の低合金鋼鋼材の製造においては、強度特性および/または靱性を確保する目的で、熱間製管等の熱間圧延の終了後、焼入れ・焼戻しの熱処理が行われる場合が多い。なお、油井用継目無鋼管の焼入れ・焼戻しの熱処理の手法としては、従来、熱間製管完了後の鋼管をオフラインの熱処理炉でAc3変態点以上に再加熱して焼入れし、さらに、Ac1変態点以下の温度で焼戻す、いわゆる「再加熱焼入れ法」が一般的であった。
しかしながら、近年では、省プロセス、省エネルギーの観点から、熱間製管された鋼管の保有熱を利用して、熱間製管後の鋼管をAr3変態点以上の温度から直接焼入れし、その後焼戻しを行うプロセス(いわゆる「直接焼入れ法」)、さらには、熱間製管後の鋼管を引き続きAr3点以上の温度で均熱(以下、特に、「補熱」ともいう。)し、その後Ar3点以上の温度から焼入れし、その後焼戻しを行うプロセス(いわゆる「インライン熱処理法」または「インライン焼入れ法」)も行われるようになっている。
上記特許文献4および5に開示されているように、低合金鋼の旧オーステナイト粒と、耐SSC性および靱性とは、密接な関係があり、粗粒化により、耐SSC性および靱性が著しく低下することは広く知られている。
ところで、省プロセス、省エネルギーを目的に「直接焼入れ法」を採用した場合は、旧オーステナイト粒が粗大化し、高靱性で耐SSC性の優れた継目無鋼管の製造が困難となる場合があった。上述の「インライン熱処理法」によれば、この問題は幾分改善されるが、「再加熱焼入れ法」には必ずしも及ばない。
この理由は、単純な「直接焼入れ法」および「インライン熱処理法」において、後工程熱処理として焼戻しのみが行われる場合には、体心立方構造のフェライトから面心立方構造のオーステナイトへの逆変態の過程が存在しないためと考えられている。
このような結晶粒の粗大化の問題を解決するため、特許文献6および7にそれぞれ、直接焼入れされた鋼管およびインライン熱処理により焼入れされた鋼管に対して、最終の焼戻し前に再加熱して、Ar3点以上の温度から焼入れを行う方法が提案されている。
なお、特許文献4および5においては、複数回の再加熱焼入れ処理の中間に、そして、特許文献6および7においてはそれぞれ、直接焼入れおよびインライン熱処理による焼入れ処理と再加熱焼入れ処理の中間に、いずれも、Ac1点以下の温度で焼戻しを行うことが開示されている。
前述の特許文献1および2で提案された非金属介在物を特定サイズに制限する技術によって、良好な耐SSC性が確保できる。しかしながら、鋼を清浄化する必要があるため、製造コストが嵩む場合がある。
また、特許文献3で提案された炭化物の形態を制御する技術によって、極めて良好な耐SSC性が確保できる。しかしながら、M23C6型の炭化物を抑制するために、Cr、Moの含有量の制約があり、焼入れ性が制限されるため、厚肉材においては焼入れ性が不足する懸念がある。
直接焼入れまたはインライン熱処理に続けて最終の焼戻しを行った場合に比べて、あるいは熱間製管後に空冷して一旦室温近くまで降温させてから再加熱焼入れと焼戻しを行った場合に比べて、直接焼入れ後またはインライン熱処理後、最終の焼戻し前に再加熱して、Ar3点以上の温度から焼入れを行うことにより、旧オーステナイト粒を微細化することが可能になり、耐SSC性が改善する。
しかしながら、上述の直接焼入れ後またはインライン熱処理後、最終の焼戻し前に再加熱して、Ar3点以上の温度から焼入れを行う場合でさえ、特許文献4および5で提案されたような、2回の再加熱焼入れを行った場合に比較すると、まだまだ旧オーステナイト粒の微細化は不十分である。
このため、特許文献6に開示されている、直接焼入れされた鋼管に対して、最終の焼戻し前に再加熱して、Ar3点以上の温度から焼入れを行うだけの技術では、必ずしも十分な耐SSC性を確保することができない。
同様に、特許文献7で提案された、インライン熱処理により焼入れされた鋼管に対して、最終の焼戻し前に再加熱して、Ar3点以上の温度から焼入れを行っても、上手くいかない場合もある。
したがって、高強度油井用鋼管として、十分な結晶粒の微細化を実現させようとすると、特許文献4および5に開示されているように、再加熱焼入れを2回以上行う意義が大きい。しかしながら、再加熱焼入れを2回以上行うことは、製造コストの上昇に繋がってしまう。
なお、特許文献4および7には、再加熱焼入れの際の昇温速度を大きくすることで、結晶粒を超微細化することが提案されているが、加熱手段が誘導加熱等になるため、大幅な設備改造が必要となる。
本発明は、上記現状に鑑みてなされたもので、その目的は、耐SSC性に優れた高強度鋼材の安価な製造方法を提供することである。具体的には、本発明は、経済性の高い手段で、旧オーステナイト粒の微細化を実現し、これによって耐SSC性に優れ、さらに、靱性の向上も期待できる、高強度鋼材を製造する方法を提供することである。なお、本発明でいう「高強度」とは、YSが655MPa(95ksi)以上、好ましくは758MPa(110ksi)以上、さらに好ましくは862MPa(125ksi)以上であることを意味する。
前述のように、直接焼入れおよびインライン熱処理による焼入れを含めて、その焼入れ後さらにAc3点以上の温度に再加熱して焼入れを行うことにより、旧オーステナイト粒を微細化することができる。そして、焼入れした鋼に対してさらに焼入れを繰り返す場合には、先行する焼入れ処理の後に、Ac1点以下の温度で中間焼戻しを行うことがしばしば行われている。この中間焼戻しは、焼入れされた鋼に生じるいわゆる「置き割れ」等の遅れ破壊を防止する効果がある。
しかしながら、上記の中間焼戻しは適正な条件で行う必要があり、中間焼戻しの温度が低すぎたり、加熱時間が短すぎる場合には、十分な置き割れ抑制効果が得られない場合がある。また逆に、たとえAc1点以下の温度であっても、中間焼戻しの温度が高すぎたり、加熱時間が過剰な場合には、中間焼戻し後に再加熱焼入れしても結晶粒の微細化効果が失われ、耐SSC性の向上効果が消失することもある。
そこで本発明者らは、高強度鋼材に対して、十分な置き割れ抑制効果を付与できると同時に、旧オーステナイト粒の微細化実現による良好な耐SSC性も具備させることができる安価な製造方法について種々検討を行った。
その結果、従来、焼入れした鋼材の特性を向上させるためにAc1点以下の温度で行う必要があるとされていた中間焼戻しを、Ac1点を超えるフェライトとオーステナイトの2相域温度で行えば、次に再加熱焼入れした際の旧オーステナイト粒が顕著に微細化するという知見を得た。
しかも、上記のフェライトとオーステナイトの2相域温度で熱処理すれば、焼入れを施していない鋼、例えば、熱間で所要の形状に加工した後、空冷のような冷却速度で冷却した鋼であっても、次に、適正なオーステナイト域の温度に加熱して焼入れすれば、旧オーステナイト粒が顕著に微細化するという全く新しい知見を得た。
本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、その要旨は、以下に示す耐硫化物応力割れ性に優れた高強度鋼材の製造方法にある。以下、それぞれ、単に「本発明(1)」〜「本発明(7)」ということがある。また、本発明(1)〜本発明(7)を総称して、「本発明」ということがある。
(1)質量%で、C:0.15〜0.65%、Si:0.05〜0.5%、Mn:0.1〜1.5%、Cr:0.2〜1.5%、Mo:0.1〜2.5%、Ti:0.005〜0.50%およびAl:0.001〜0.50%と、残部Feおよび不純物とからなり、不純物中のNiは0.1%以下、Pは0.04%以下、Sは0.01%以下、Nは0.01%以下およびOは0.01%以下である化学組成を有し、熱間で所要の形状に加工された鋼に、以下の〔1〕〜〔3〕の工程を順次施すことを特徴とする、耐硫化物応力割れ性に優れた高強度鋼材の製造方法。
〔1〕Ac1点を超えてAc3点未満の温度に加熱後冷却する工程、
〔2〕Ac3点以上の温度に再加熱し、急冷して焼入れる工程、
〔3〕Ac1点以下の温度で焼戻す工程。
〔1〕Ac1点を超えてAc3点未満の温度に加熱後冷却する工程、
〔2〕Ac3点以上の温度に再加熱し、急冷して焼入れる工程、
〔3〕Ac1点以下の温度で焼戻す工程。
(2)質量%で、C:0.15〜0.65%、Si:0.05〜0.5%、Mn:0.1〜1.5%、Cr:0.2〜1.5%、Mo:0.1〜2.5%、Ti:0.005〜0.50%およびAl:0.001〜0.50%と、下記の(a)および(b)から選択される1種以上の元素と、残部Feおよび不純物とからなり、不純物中のNiは0.1%以下、Pは0.04%以下、Sは0.01%以下、Nは0.01%以下およびOは0.01%以下である化学組成を有し、熱間で所要の形状に加工された鋼に、以下の〔1〕〜〔3〕の工程を順次施すことを特徴とする、耐硫化物応力割れ性に優れた高強度鋼材の製造方法。
〔1〕Ac1点を超えてAc3点未満の温度に加熱後冷却する工程、
〔2〕Ac3点以上の温度に再加熱し、急冷して焼入れる工程、
〔3〕Ac1点以下の温度で焼戻す工程、
(a)Nb:0.4%以下、V:0.5%以下およびB:0.01%以下
(b)Ca:0.005%以下、Mg:0.005%以下およびREM:0.005%以下
〔1〕Ac1点を超えてAc3点未満の温度に加熱後冷却する工程、
〔2〕Ac3点以上の温度に再加熱し、急冷して焼入れる工程、
〔3〕Ac1点以下の温度で焼戻す工程、
(a)Nb:0.4%以下、V:0.5%以下およびB:0.01%以下
(b)Ca:0.005%以下、Mg:0.005%以下およびREM:0.005%以下
(3)上記(1)または(2)に記載の化学組成を有する鋼を継目無鋼管に熱間仕上加工して空冷した後、前記の〔1〕〜〔3〕の工程を順次施すことを特徴とする、上記(1)または(2)に記載の耐硫化物応力割れ性に優れた高強度鋼材の製造方法。
(4)上記(1)または(2)に記載の化学組成を有する鋼を継目無鋼管に熱間仕上加工後、インラインでAr3点以上1050℃以下の温度で補熱し、Ar3点以上の温度から焼入れした後、前記の〔1〕〜〔3〕の工程を順次施すことを特徴とする、上記(1)または(2)に記載の耐硫化物応力割れ性に優れた高強度鋼材の製造方法。
(5)上記(1)または(2)に記載の化学組成を有する鋼を継目無鋼管に熱間仕上加工後、Ar3点以上の温度から直接焼入れし、その後前記の〔1〕〜〔3〕の工程を順次施すことを特徴とする、上記(1)または(2)に記載の耐硫化物応力割れ性に優れた高強度鋼材の製造方法。
(6)前記の工程〔1〕における加熱を、インライン熱処理の焼入れ装置に連接された加熱装置で行うことを特徴とする、上記(4)に記載の耐硫化物応力割れ性に優れた高強度鋼材の製造方法。
(7)前記の工程〔1〕における加熱を、直接焼入れを施す焼入れ装置に連接された加熱装置で行うことを特徴とする、上記(5)に記載の耐硫化物応力割れ性に優れた高強度鋼材の製造方法。
本発明によれば、経済性の高い手段で旧オーステナイト粒の微細化を実現することが可能なため、耐SSC性に優れた高強度鋼材を安価に得ることができる。また、本発明により、比較的低い製造コストで、耐SSC性に優れた高強度低合金鋼継目無油井管を製造することができる。さらに、本発明によれば、旧オーステナイト粒の微細化による靱性の向上も期待できる。
以下、本発明の各要件について詳しく説明する。
(A)化学組成
先ず、本(A)項において、本発明の製造方法に供される鋼の化学成分とその組成範囲の限定理由に関して説明する。以下の説明において、各元素の含有量の「%」は「質量%」を意味する。
先ず、本(A)項において、本発明の製造方法に供される鋼の化学成分とその組成範囲の限定理由に関して説明する。以下の説明において、各元素の含有量の「%」は「質量%」を意味する。
C:0.15〜0.65%
Cは、焼入れ性を高めて強度を向上するために必要な元素である。しかし、Cの含有量が0.15%未満では、焼入れ性を高める効果が乏しく十分な強度が得られない。一方、Cを0.65%を超えて含有すると、焼入れ時の焼割れ発生傾向が顕著になる。したがって、Cの含有量を0.15〜0.65%とした。なお、C含有量の下限は、0.20%とすることが好ましく、0.23%とすればさらに好ましい。また、C含有量の上限は、0.45%とすることが好ましく、0.30%とすればさらに好ましい。
Cは、焼入れ性を高めて強度を向上するために必要な元素である。しかし、Cの含有量が0.15%未満では、焼入れ性を高める効果が乏しく十分な強度が得られない。一方、Cを0.65%を超えて含有すると、焼入れ時の焼割れ発生傾向が顕著になる。したがって、Cの含有量を0.15〜0.65%とした。なお、C含有量の下限は、0.20%とすることが好ましく、0.23%とすればさらに好ましい。また、C含有量の上限は、0.45%とすることが好ましく、0.30%とすればさらに好ましい。
Si:0.05〜0.5%
Siは、鋼の脱酸に必要であり、焼戻し軟化抵抗を高めて耐SSC性を向上する作用も有する。脱酸と耐SSC性向上の目的からは、Siを0.05%以上含有させることが必要である。しかしながら、Siを過剰に含有すると、鋼が脆化することに加えて耐SSC性も却って低下し、特にSiの含有量が0.5%を超えると、靱性と耐SSC性の低下が著しくなる。したがって、Siの含有量を0.05〜0.5%とした。なお、Siの含有量は、下限を0.15%、上限を0.35%とすることが好ましい。
Siは、鋼の脱酸に必要であり、焼戻し軟化抵抗を高めて耐SSC性を向上する作用も有する。脱酸と耐SSC性向上の目的からは、Siを0.05%以上含有させることが必要である。しかしながら、Siを過剰に含有すると、鋼が脆化することに加えて耐SSC性も却って低下し、特にSiの含有量が0.5%を超えると、靱性と耐SSC性の低下が著しくなる。したがって、Siの含有量を0.05〜0.5%とした。なお、Siの含有量は、下限を0.15%、上限を0.35%とすることが好ましい。
Mn:0.1〜1.5%
Mnは、鋼の脱酸と脱硫のために含有させる。しかし、Mnの含有量が0.1%未満では上記の効果に乏しい。一方、1.5%を超えてMnを含有させると、靱性と耐SSC性が低下する。したがって、Mnの含有量を0.1〜1.5%とした。なお、Mn含有量の下限は、0.15%とすることが好ましく、0.20%とすればさらに好ましい。また、Mn含有量の上限は、0.85%とすることが好ましく、0.55%とすればさらに好ましい。
Mnは、鋼の脱酸と脱硫のために含有させる。しかし、Mnの含有量が0.1%未満では上記の効果に乏しい。一方、1.5%を超えてMnを含有させると、靱性と耐SSC性が低下する。したがって、Mnの含有量を0.1〜1.5%とした。なお、Mn含有量の下限は、0.15%とすることが好ましく、0.20%とすればさらに好ましい。また、Mn含有量の上限は、0.85%とすることが好ましく、0.55%とすればさらに好ましい。
Cr:0.2〜1.5%
Crは、焼入れ性を確保し、強度とともに耐SSC性を向上する元素である。しかし、Crの含有量が0.2%未満では十分な効果が得られない。一方、Crの含有量が1.5%を超えると、耐SSC性が却って低下し、さらに靱性の低下も生じる。したがって、Cr含有量を0.2〜1.5%とした。なお、Crの含有量は、下限を0.35%とすることが好ましく、0.45%とすることがより好ましい。また、上限を1.28%とすることが好ましく、1.2%とすることがより好ましい。
Crは、焼入れ性を確保し、強度とともに耐SSC性を向上する元素である。しかし、Crの含有量が0.2%未満では十分な効果が得られない。一方、Crの含有量が1.5%を超えると、耐SSC性が却って低下し、さらに靱性の低下も生じる。したがって、Cr含有量を0.2〜1.5%とした。なお、Crの含有量は、下限を0.35%とすることが好ましく、0.45%とすることがより好ましい。また、上限を1.28%とすることが好ましく、1.2%とすることがより好ましい。
Mo:0.1〜2.5%
Moは、焼入れ性を高めて高強度を確保するとともに、焼戻し軟化抵抗を向上させるので、高温での焼戻しが可能となり、その結果、炭化物形状が球状化し、耐SSC性が向上する。しかし、Mo含有量が0.1%未満ではこれらの効果に乏しい。一方、Moを2.5%を超えて含有すると、原料コストが嵩むにもかかわらず、上記の効果は飽和気味になる。したがって、Moの含有量を0.1〜2.5%とした。なお、Mo含有量の下限は、0.3%とすることが好ましく、0.4%とすればさらに好ましい。また、Mo含有量の上限は、1.5%とすることが好ましく、1.0%とすればさらに好ましい。
Moは、焼入れ性を高めて高強度を確保するとともに、焼戻し軟化抵抗を向上させるので、高温での焼戻しが可能となり、その結果、炭化物形状が球状化し、耐SSC性が向上する。しかし、Mo含有量が0.1%未満ではこれらの効果に乏しい。一方、Moを2.5%を超えて含有すると、原料コストが嵩むにもかかわらず、上記の効果は飽和気味になる。したがって、Moの含有量を0.1〜2.5%とした。なお、Mo含有量の下限は、0.3%とすることが好ましく、0.4%とすればさらに好ましい。また、Mo含有量の上限は、1.5%とすることが好ましく、1.0%とすればさらに好ましい。
Ti:0.005〜0.50%
Tiは、鋼中の不純物であるNを固定して、焼入れ時にBを鋼中に固溶状態で存在させて焼入れ性を向上する作用がある。また、再加熱焼入れのための昇温過程で微細な炭窒化物として析出して、結晶粒の粗大化および再加熱焼入れ時の異常粒成長を防止する効果がある。しかし、Tiの含有量が0.005%未満ではこれらの効果が小さい。一方、0.50%を超えてTiを含有すると、靱性の低下を招くこととなる。したがって、Tiの含有量を0.005〜0.50%とした。なお、Ti含有量の下限は、0.010%とすることが好ましく、0.012%とすればさらに好ましい。また、Ti含有量の上限は、0.10%とすることが好ましく、0.030%とすればさらに好ましい。
Tiは、鋼中の不純物であるNを固定して、焼入れ時にBを鋼中に固溶状態で存在させて焼入れ性を向上する作用がある。また、再加熱焼入れのための昇温過程で微細な炭窒化物として析出して、結晶粒の粗大化および再加熱焼入れ時の異常粒成長を防止する効果がある。しかし、Tiの含有量が0.005%未満ではこれらの効果が小さい。一方、0.50%を超えてTiを含有すると、靱性の低下を招くこととなる。したがって、Tiの含有量を0.005〜0.50%とした。なお、Ti含有量の下限は、0.010%とすることが好ましく、0.012%とすればさらに好ましい。また、Ti含有量の上限は、0.10%とすることが好ましく、0.030%とすればさらに好ましい。
Al:0.001〜0.50%
Alは、鋼の脱酸に有効な元素である。しかし、Alの含有量が0.001%未満では所望の効果が得られず、0.50%を超えると介在物が多くなって靱性が低下するとともに、介在物の粗大化により耐SSC性が低下する。したがって、Alの含有量を0.001〜0.50%とした。Alの含有量は、下限を0.005%、上限を0.05%とすることが好ましい。なお、上記Alの含有量は、sol.Al(酸可溶Al)の量を意味する。
Alは、鋼の脱酸に有効な元素である。しかし、Alの含有量が0.001%未満では所望の効果が得られず、0.50%を超えると介在物が多くなって靱性が低下するとともに、介在物の粗大化により耐SSC性が低下する。したがって、Alの含有量を0.001〜0.50%とした。Alの含有量は、下限を0.005%、上限を0.05%とすることが好ましい。なお、上記Alの含有量は、sol.Al(酸可溶Al)の量を意味する。
本発明の製造方法に供される鋼の化学組成の一つ(具体的には、本発明(1)に係る鋼の化学組成)は、上記元素のほか、残部がFeと不純物からなり、不純物中のNiは0.1%以下、Pは0.04%以下、Sは0.01%以下、Nは0.01%以下およびOは0.01%以下のものである。
ここで、「不純物」とは、鋼を工業的に製造する際に、鉱石、スクラップ等のような原料を始めとして、製造工程の種々の要因によって混入する元素であって、本発明に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。
以下、不純物中のNi、P、S、NおよびO(酸素)について説明する。
Ni:0.1%以下
Niは、耐SSC性を低下させてしまう。特に、Niの含有量が0.1%を超えると、耐SSC性の低下が著しくなる。したがって、不純物中のNiの含有量を0.1%以下とした。Niの含有量は、0.05%以下であることが好ましく、0.03%以下であることがより好ましい。
Niは、耐SSC性を低下させてしまう。特に、Niの含有量が0.1%を超えると、耐SSC性の低下が著しくなる。したがって、不純物中のNiの含有量を0.1%以下とした。Niの含有量は、0.05%以下であることが好ましく、0.03%以下であることがより好ましい。
P:0.04%以下
Pは、粒界に偏析して靱性と耐SSC性を低下させてしまう。特に、Pの含有量が0.04%を超えると、靱性と耐SSC性の低下が著しくなる。したがって、不純物中のPの含有量を0.04%以下とした。不純物中のP含有量の上限は、0.025%とすることが好ましく、0.015%とすればさらに好ましい。
Pは、粒界に偏析して靱性と耐SSC性を低下させてしまう。特に、Pの含有量が0.04%を超えると、靱性と耐SSC性の低下が著しくなる。したがって、不純物中のPの含有量を0.04%以下とした。不純物中のP含有量の上限は、0.025%とすることが好ましく、0.015%とすればさらに好ましい。
S:0.01%以下
Sは、粗大な介在物を生成して靱性と耐SSC性を低下させてしまう。特に、Sの含有量が0.01%を超えると、靱性と耐SSC性の低下が著しくなる。したがって、不純物中のSの含有量を0.01%以下とした。不純物中のS含有量の上限は、0.005%とすることが好ましく、0.002%とすればさらに好ましい。
Sは、粗大な介在物を生成して靱性と耐SSC性を低下させてしまう。特に、Sの含有量が0.01%を超えると、靱性と耐SSC性の低下が著しくなる。したがって、不純物中のSの含有量を0.01%以下とした。不純物中のS含有量の上限は、0.005%とすることが好ましく、0.002%とすればさらに好ましい。
N:0.01%以下
Nは、Bと結合して、Bの焼入れ性向上効果を妨げ、また過剰に存在すると、Al、Ti、Nb等とともに粗大な介在物を生成して靱性と耐SSC性を低下させる傾向がある。特に、Nの含有量が0.01%を超えると、靱性と耐SSC性の低下が著しくなる。したがって、不純物中のNの含有量を0.01%以下とした。不純物中のN含有量の上限は、0.005%とすることが好ましい。
Nは、Bと結合して、Bの焼入れ性向上効果を妨げ、また過剰に存在すると、Al、Ti、Nb等とともに粗大な介在物を生成して靱性と耐SSC性を低下させる傾向がある。特に、Nの含有量が0.01%を超えると、靱性と耐SSC性の低下が著しくなる。したがって、不純物中のNの含有量を0.01%以下とした。不純物中のN含有量の上限は、0.005%とすることが好ましい。
O(酸素):0.01%以下
OはAl、Si等とともに介在物を生成し、その粗大化により、靱性と耐SSC性を低下させてしまう。特に、Oの含有量が0.01%を超えると、靱性と耐SSC性の低下が著しくなる。したがって、不純物中のOの含有量を0.01%以下とした。不純物中のO含有量の上限は、0.005%とすることが好ましい。
OはAl、Si等とともに介在物を生成し、その粗大化により、靱性と耐SSC性を低下させてしまう。特に、Oの含有量が0.01%を超えると、靱性と耐SSC性の低下が著しくなる。したがって、不純物中のOの含有量を0.01%以下とした。不純物中のO含有量の上限は、0.005%とすることが好ましい。
本発明の製造方法に供される鋼の化学組成の他の一つ(具体的には、本発明(2)に係る鋼の化学組成)は、Nb、V、B、Ca、MgおよびREM(希土類元素)のうちの1種以上の元素を含有するものである。
ここで、「REM」とは、Sc、Yおよびランタノイドの合計17元素の総称であり、REMの含有量はREMのうちの1種または2種以上の元素の合計含有量を意味する。
以下、任意元素である上記Nb、V、B、Ca、MgおよびREMの作用効果と、含有量の限定理由について説明する。
(a)Nb:0.4%以下、V:0.5%以下およびB:0.01%以下
Nb、VおよびBは、いずれも、耐SSC性を向上させる作用を有する。このため、より優れた耐SSC性を得たい場合には、これらの元素を含有させてもよい。以下、上記のNb、VおよびBについて説明する。
Nb、VおよびBは、いずれも、耐SSC性を向上させる作用を有する。このため、より優れた耐SSC性を得たい場合には、これらの元素を含有させてもよい。以下、上記のNb、VおよびBについて説明する。
Nb:0.4%以下
Nbは、微細な炭窒化物として析出して旧オーステナイト粒を微細化し、耐SSC性を向上する効果を有する元素であるので、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Nbの含有量が0.4%を超えると、靱性が劣化する。したがって、含有させる場合のNbの含有量を0.4%以下とした。なお、含有させる場合のNbの含有量は0.1%以下とすることが好ましい。
Nbは、微細な炭窒化物として析出して旧オーステナイト粒を微細化し、耐SSC性を向上する効果を有する元素であるので、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Nbの含有量が0.4%を超えると、靱性が劣化する。したがって、含有させる場合のNbの含有量を0.4%以下とした。なお、含有させる場合のNbの含有量は0.1%以下とすることが好ましい。
一方、前記したNbの効果を安定して得るためには、含有させる場合のNbの含有量は、0.005%以上とすることが好ましく、0.01%以上とすれば一層好ましい。
V:0.5%以下
Vは、焼戻し時に微細な炭化物(VC)として析出して、焼戻し軟化抵抗を高めるので、高温での焼戻しが可能となり、その結果、耐SSC性を向上させる効果がある。また、Vは、Mo含有量が多い場合に、SSCの発生起点となる針状のMo2Cの生成を抑制する効果を有する。さらに、VをNbと複合して含有させることで、一層大きな耐SSC性が得られる。このため、必要に応じてVを含有させてもよい。しかし、Vの含有量が0.5%を超えると、靱性が低下する。したがって、含有させる場合のVの含有量を0.5%以下とした。なお、含有させる場合のVの含有量は0.2%以下とすることが好ましい。
Vは、焼戻し時に微細な炭化物(VC)として析出して、焼戻し軟化抵抗を高めるので、高温での焼戻しが可能となり、その結果、耐SSC性を向上させる効果がある。また、Vは、Mo含有量が多い場合に、SSCの発生起点となる針状のMo2Cの生成を抑制する効果を有する。さらに、VをNbと複合して含有させることで、一層大きな耐SSC性が得られる。このため、必要に応じてVを含有させてもよい。しかし、Vの含有量が0.5%を超えると、靱性が低下する。したがって、含有させる場合のVの含有量を0.5%以下とした。なお、含有させる場合のVの含有量は0.2%以下とすることが好ましい。
一方、前記したVの効果を安定して得るためには、含有させる場合のVの含有量は、0.02%以上とすることが好ましい。特に、鋼に0.68%以上のMoが含まれている場合には、針状のMo2Cの生成を抑制するために、上記の量のVを複合して含有させることが好ましい。
B:0.01%以下
Bは、焼入れ性を向上させ、耐SSC性を改善する効果を有する元素であるので、必要に応じて含有させてもよい。しかし、Bの含有量が0.01%を超えると、耐SSC性が却って低下し、さらに靱性の低下も生じる。したがって、含有させる場合のBの含有量を0.01%以下とした。なお、含有させる場合のBの含有量は0.005%以下とすることが好ましく、0.0025%以下とすることがさらに好ましい。
Bは、焼入れ性を向上させ、耐SSC性を改善する効果を有する元素であるので、必要に応じて含有させてもよい。しかし、Bの含有量が0.01%を超えると、耐SSC性が却って低下し、さらに靱性の低下も生じる。したがって、含有させる場合のBの含有量を0.01%以下とした。なお、含有させる場合のBの含有量は0.005%以下とすることが好ましく、0.0025%以下とすることがさらに好ましい。
一方、前記したBの効果を安定して得るためには、含有させる場合のBの含有量は、0.0001%以上とすることが好ましく、0.0005%以上とすれば一層好ましい。
ただし、上記Bの効果は、鋼中にBを固溶状態で存在させた場合に発現される。このため、Bを含有させる場合には、例えば、Bとの親和力の大きいNを窒化物として固定できる量のTiを含むように、化学組成を調整することが好ましい。
(b)Ca:0.005%以下、Mg:0.005%以下およびREM:0.005%以下
Ca、MgおよびREMは、いずれも、鋼中に不純物として存在するSと反応して硫化物を形成して介在物の形状を改善し、耐SSC性を向上させる作用を有するので、必要に応じて含有させてもよい。しかし、いずれの元素も0.005%を超えて含有させると、耐SSC性が却って低下することに加えて、靱性の低下を招き、さらに鋼表面に欠陥が多発しやすくなる。したがって、含有させる場合のCa、MgおよびREMの含有量をいずれも0.005%以下とした。なお、含有させる場合のこれらの元素の含有量は、いずれも0.003%以下とすることが好ましい。
Ca、MgおよびREMは、いずれも、鋼中に不純物として存在するSと反応して硫化物を形成して介在物の形状を改善し、耐SSC性を向上させる作用を有するので、必要に応じて含有させてもよい。しかし、いずれの元素も0.005%を超えて含有させると、耐SSC性が却って低下することに加えて、靱性の低下を招き、さらに鋼表面に欠陥が多発しやすくなる。したがって、含有させる場合のCa、MgおよびREMの含有量をいずれも0.005%以下とした。なお、含有させる場合のこれらの元素の含有量は、いずれも0.003%以下とすることが好ましい。
一方、前記したCa、MgおよびREMの効果を安定して得るためには、含有させる場合のこれらの元素の含有量は、いずれも0.001%以上とすることが好ましい。
既に述べたように、「REM」とは、Sc、Yおよびランタノイドの合計17元素の総称であり、REMの含有量はREMのうちの1種または2種以上の元素の合計含有量を指す。
なお、REMについては、一般的にミッシュメタルに含有される。このため、例えば、ミッシュメタルの形で添加して、REMの量が上記の範囲となるように含有させてもよい。
上記のCa、MgおよびREMは、そのうちのいずれか1種のみ、または、2種以上の複合で含有させることができる。なお、これらの元素の合計含有量は0.006%以下とすることが好ましく、0.004%以下とすればさらに好ましい。
(B)製造方法
次に、本(B)項において、本発明の耐硫化物応力割れ性に優れた高強度鋼材の製造方法について詳しく説明する。
次に、本(B)項において、本発明の耐硫化物応力割れ性に優れた高強度鋼材の製造方法について詳しく説明する。
本発明に係る耐硫化物応力割れ性に優れた高強度鋼材の製造方法は、前記(A)項に記載の化学組成を有し、熱間で所要の形状に加工された鋼に対して、
〔1〕Ac1点を超えてAc3点未満の温度に加熱後冷却する工程、
〔2〕Ac3点以上の温度に再加熱し、急冷して焼入れる工程、
〔3〕Ac1点以下の温度で焼戻す工程、
を順次施すものである。
〔1〕Ac1点を超えてAc3点未満の温度に加熱後冷却する工程、
〔2〕Ac3点以上の温度に再加熱し、急冷して焼入れる工程、
〔3〕Ac1点以下の温度で焼戻す工程、
を順次施すものである。
上記〔1〕〜〔3〕の工程を順次施すことによって、旧オーステナイト粒の微細化を実現することが可能になって、耐SSC性に優れた高強度鋼材を安価に得ることができ、さらに、旧オーステナイト粒の微細化による靱性の向上も期待できる。
なお、前記(A)項に記載の化学組成を有し、熱間で所要の形状に加工された鋼であれば、上記〔1〕の工程が施されるまでの製造履歴は、特に制限されるものではない。例えば、通常の方法によって、溶製後インゴットまたは鋳片とし、熱間での圧延、鍛造等各種の方法で所要の形状に加工された鋼であれば、所要の形状への熱間加工後に、空冷のような冷却速度で冷却された鋼であってもよいし、また、水冷のような速い冷却速度で冷却された鋼であってもよい。
所要の形状に熱間加工した後、どのような処理を施しても、その後〔1〕〜〔3〕の工程を順次施すことによって、上記〔3〕のAc1点以下の温度での焼戻しを終えた後は、微細な焼戻マルテンサイトを主体とした組織になるからである。
上記〔1〕の工程の加熱は、Ac1点を超えてAc3点未満の温度で行わねばならない。加熱温度が上記温度範囲を外れる場合には、次の〔2〕の工程で再加熱焼入れしても、十分な旧オーステナイト粒の微細化が実現できないことがある。
上記〔1〕の工程は、Ac1点を超えてAc3点未満の温度、つまり、フェライトとオーステナイトの2相域温度で加熱することを除いて、必ずしも特別な限定を設ける必要はない。
なお、Tを加熱温度(℃)、tを加熱時間(h)として、
PL=(T+273)×(20+log10t)
で表されるPLの値が23500を超える条件で加熱処理を行っても、次に〔2〕の工程で焼入れしたオーステナイト粒の微細化は飽和する傾向があって、コストが嵩むだけである。したがって、PLの値が23500以下となる条件で加熱処理することが好ましい。なお、加熱時間に関しては、加熱に使用する炉形式にもよるが、少なくとも10s以上とすることが望ましい。また、加熱処理後の冷却は、空冷とすることが望ましい。
PL=(T+273)×(20+log10t)
で表されるPLの値が23500を超える条件で加熱処理を行っても、次に〔2〕の工程で焼入れしたオーステナイト粒の微細化は飽和する傾向があって、コストが嵩むだけである。したがって、PLの値が23500以下となる条件で加熱処理することが好ましい。なお、加熱時間に関しては、加熱に使用する炉形式にもよるが、少なくとも10s以上とすることが望ましい。また、加熱処理後の冷却は、空冷とすることが望ましい。
上記〔1〕の工程の後、〔2〕のAc3点以上の温度、つまり、オーステナイト温度域に再加熱し、急冷して焼入れる工程を施すことによって、オーステナイト粒の微細化が達成される。
なお、〔2〕の工程の再加熱温度が(Ac3点+100℃)を超えると、旧オーステナイト粒が粗大化することがある。このため、〔2〕の工程の再加熱温度は(Ac3点+100℃)以下とすることが望ましい。
焼入れ法は、特に限定する必要はない。水焼入れが一般的であるが、マルテンサイト変態が生ずる処理であれば、ミスト焼入れ等の適宜の手段で急冷してもよい。
上記〔2〕の工程の後、〔3〕のAc1点以下の温度、つまり、オーステナイトへの逆変態が生じない温度域で焼戻す工程を施すことによって、耐硫化物応力割れ性に優れた高強度鋼材を得ることができる。焼戻し温度の下限は、鋼の化学組成および鋼材に要求される強度によって、適宜決定すればよい。例えば、強度を低くするにはこの焼戻し温度を高くし、一方、強度を高くするには低い温度で焼戻しすればよい。なお、焼戻しを行った後の冷却は、空冷とすることが望ましい。
以下、本発明に係る鋼材の製造方法に関して、継目無鋼管の製造の場合を例にして、より詳しく説明する。
耐硫化物応力割れ性に優れた高強度鋼材が継目無鋼管である場合、前記(A)項に記載の化学組成を有するビレットが準備される。
前記ビレットは、ブルームあるいはスラブ等の鋼塊から分塊圧延されてもよく、ラウンドCCにより鋳造されたものであってもよい。勿論インゴットから成形したものであってもよい。
ビレットは、熱間で製管される。具体的には、先ず穿孔可能な温度範囲に加熱され、熱間穿孔に供される。穿孔前のビレット加熱温度は、通常、1100〜1300℃の範囲である。
熱間穿孔の手段は必ずしも限定されるものではない。例えば、マンネスマン穿孔等により、中空素管を得ることができる。
得られた中空素管には、延伸加工と仕上加工が施される。
延伸加工は、穿孔機で穿孔された中空素管を延伸および寸法調整して所望の形状・寸法の継目無鋼管を製造する工程であって、例えばマンドレルミルまたはプラグミル等により行うことができる。また、仕上加工は、サイザー等により行うことができる。
延伸加工および仕上加工の加工度は、必ずしも限定されない。なお、仕上加工における仕上がり温度は1100℃以下であることが望ましい。ただし、上記の仕上がり温度が1050℃を超えると結晶粒の粗大化傾向が生じることがある。このため、仕上加工におけるより好ましい仕上がり温度は1050℃以下である。なお、900℃以下の温度では、変形抵抗の増大により、加工が困難になることがあるので、900℃を超える温度で製管することが望ましい。
熱間仕上加工された継目無鋼管は、本発明(3)に示すように、そのまま空冷されてもよい。なお、上記の「空冷」にはいわゆる「自然冷却」または「放冷」を含む。
また、上記熱間仕上加工された継目無鋼管は、本発明(4)に示すように、インラインでAr3点以上1050℃以下の温度で補熱され、Ar3点以上の温度、つまりオーステナイト温度域から焼入れされてもよい。この場合、後の工程〔2〕で行う再加熱焼入れを含めて2回の焼入れを行うこととなるため、結晶粒微細化を実現することができる。
なお、1050℃を超える温度で補熱すると、オーステナイトの粗粒化が顕著になり、後の工程〔2〕で再加熱焼入れを行っても、旧オーステナイト粒径の微細化が困難となる場合がある。補熱温度の上限は、1000℃とすることが好ましい。上記のAr3点以上の温度からの焼入れ方法として、一般的な水焼入れが経済的であるが、マルテンサイト変態が生ずる焼入れ法であれば足り、例えばミスト焼入れであってもよい。
さらに、上記熱間仕上加工された継目無鋼管は、本発明(5)に示すように、Ar3点以上の温度、つまりオーステナイト温度域から直接焼入れされてもよい。この場合も、後の工程〔2〕で行う再加熱焼入れを含めて2回の焼入れを行うこととなるため、結晶粒微細化を実現することができる。Ar3点以上の温度からの焼入れ方法としては、一般的な水焼入れが経済的であるが、マルテンサイト変態が生ずる焼入れ法であれば足り、例えばミスト焼入れであってもよい。
上述の方法で、熱間加工とその後の冷却を終えた継目無鋼管は、本発明の特徴的な工程である前記〔1〕の「Ac1点を超えてAc3点未満の温度に加熱後冷却する工程」を施される。
なお、以下の説明において、〔2〕の工程の前に行う加熱、つまり工程〔1〕における加熱を「中間熱処理」ということがある。
上記熱間仕上加工された継目無鋼管を、インラインでAr3点以上1050℃以下の温度で補熱し、Ar3点以上の温度から焼入れした後、中間熱処理をする場合、本発明(6)に示すように、上記の中間熱処理は、インライン熱処理の焼入れ装置に連接された加熱装置で行うのが好ましい。また、上記熱間仕上加工された継目無鋼管を、Ar3点以上の温度から直接焼入れし、その後、中間熱処理をする場合、本発明(7)に示すように、上記の中間熱処理は、インライン熱処理の焼入れ装置に連接された加熱装置で行うのが好ましい。上記の加熱設備を用いることで、十分な置き割れ抑制効果が得られる。
既に述べたように、工程〔1〕における加熱条件は、Ac1点を超えてAc3点未満の温度、つまり、フェライトとオーステナイトの2相域温度で加熱することを除いて、必ずしも特別な限定を設ける必要はない。
〔1〕の工程を施された継目無鋼管は、〔2〕の工程の再加熱と焼入れを施され、さらに〔3〕の工程の焼戻しを施される。
上記の方法によって、耐SSC性に優れ、さらに、靱性の向上も期待できる、高強度継目無鋼管を得ることができる。
以下、実施例によって本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
(実施例1)
表1に示す化学組成を有する鋼A〜Lを転炉で成分調整した後、連続鋳造を行って、直径310mmのビレットを作製した。表1には、下記の[1]および[2]に示すAndrewsの式(K.W.Andrews:JISI、203(1965)、pp.721〜727)を用いて算出したAc1点およびAc3点を併せて示した。なお、各鋼とも不純物中にCu、WおよびAsは、計算値に影響する程度の濃度では、検出されなかった。
表1に示す化学組成を有する鋼A〜Lを転炉で成分調整した後、連続鋳造を行って、直径310mmのビレットを作製した。表1には、下記の[1]および[2]に示すAndrewsの式(K.W.Andrews:JISI、203(1965)、pp.721〜727)を用いて算出したAc1点およびAc3点を併せて示した。なお、各鋼とも不純物中にCu、WおよびAsは、計算値に影響する程度の濃度では、検出されなかった。
Ac1点(℃)=723+29.1×Si−10.7×Mn−16.9×Ni+16.9×Cr+6.38×W+290×As・・・[1]、
Ac3点(℃)=910−203×C0.5+44.7×Si−15.2×Ni+31.5×Mo+104×V+13.1×W−(30×Mn+11×Cr+20×Cu−700×P−400×Al−120×As−400×Ti)・・・[2]。
ただし、上記の式におけるC、Si、Mn、Cu、Ni、Cr、Mo、V、Ti、Al、W、AsおよびPは、その元素の質量%での含有量を意味する。
Ac3点(℃)=910−203×C0.5+44.7×Si−15.2×Ni+31.5×Mo+104×V+13.1×W−(30×Mn+11×Cr+20×Cu−700×P−400×Al−120×As−400×Ti)・・・[2]。
ただし、上記の式におけるC、Si、Mn、Cu、Ni、Cr、Mo、V、Ti、Al、W、AsおよびPは、その元素の質量%での含有量を意味する。
これらのビレットを1250℃に加熱した後、熱間加工して所要形状の継目無鋼管に仕上げた。具体的には、1250℃に加熱したビレットを、先ずマンネスマン・ピアサーによって穿孔して中空素管を得た。次いで、上記の中空素管に、マンドレルミルによる延伸加工および仕上加工としてレデューサーによる縮径加工を施して、外径が244.48mm、肉厚が13.84mmで長さが12mの継目無鋼管に仕上げた。なお、上記レデューサーによる縮径加工の仕上がり温度は、いずれもほぼ950℃であった。
上記寸法に仕上げた継目無鋼管は、表2に示す条件で冷却した。
表2における「ILQ」は、継目無鋼管に仕上げた後、インラインで、950℃×10minの補熱を行い、水冷による焼入れを行ったことを示す。「DQ」は、継目無鋼管に仕上げた後、補熱せずにAr3点以上の温度である900℃以上の温度から水冷し、直接焼入れしたことを示す。「AR」は、継目無鋼管に仕上げた後、室温まで空冷したことを示す。
このようにして得た各継目無鋼管を分断し、実験室的に、表2に示す条件で中間熱処理を施した。中間熱処理後の冷却は空冷とした。なお、表2において中間熱処理欄の「−」は、中間熱処理を行わなかったことを示す。
中間熱処理後空冷した鋼管から、硬さ測定用試験片を切り出し、ロックウェルC硬さ(以下、「HRC」という。)を測定した。なお、上記のHRC測定は、耐置き割れ性の評価の観点から行ったものであって、HRCで41以下、特に、HRCで40以下であれば、置き割れの発生が抑制できると判断できる。ただし、継目無鋼管に仕上げた後、室温まで空冷した「AR」のものは、焼入れを行っていないので置き割れの懸念がない。このため、中間熱処理を行ったものに対しても、上記のHRC測定は割愛した。
次いで、上記の中間熱処理後空冷した鋼管に、実験室的に、920℃で20min加熱して焼入れする工程〔2〕の再加熱焼入れを施した。なお、上記の再加熱焼入れは、鋼A〜FおよびLを用いた鋼管では、水槽浸漬焼入れまたはジェット水による強急冷とし、鋼G〜Kを用いた鋼管では、ミスト水噴霧による冷却にて行った。
再加熱焼入れ後、旧オーステナイト粒度番号を調査した。すなわち、再加熱焼入れを施した鋼管の長さ方向(製管方向)に垂直な断面が被検面になるように、各鋼管から試験片を切り出して樹脂に埋め込み、ピクリン酸飽和水溶液で腐食するBechet−Beaujard法によって旧オーステナイト粒界を現出させ、ASTM E112−10に準じて旧オーステナイト粒度番号を調査した。
表2に、中間熱処理後に空冷した場合のHRCおよび再加熱焼入れ後の旧オーステナイト粒度番号測定結果を併せて示す。なお、表2においては上記のHRCを簡単のために、「中間熱処理後のHRC」と表示した。
表2から、継目無鋼管の冷却条件に拘わらず、本発明で規定するAc1点を超えてAc3点未満の温度、つまり、フェライトとオーステナイトの2相域温度で加熱後冷却した本発明例の試験番号については、再加熱焼入れ後の旧オーステナイト粒度番号は、最も粗粒の場合でも、試験番号47の9.5であり、多くの場合、10以上の細粒であることが明らかである。
なお、本発明例の試験番号9、34および40〜47の旧オーステナイト粒度番号が9.5〜11.2であるのに対して、比較例の試験番号6および12の旧オーステナイト粒度番号は、8.4と8.3であり、仕上加工後、継目無鋼管を空冷して焼入れを施さなかった場合にも、本発明の方法で製造すれば、優れた細粒化効果が得られることが明らかである。
しかも、本発明例の場合、中間熱処理後に空冷した場合のHRCは30.3以下であって、置き割れの懸念も払拭されている。
これに対して、本発明で規定する条件から外れたAc1点以下の温度で加熱後冷却した比較例の試験番号については、再加熱焼入れ後の旧オーステナイト粒度番号は高々9.1(試験番号11)であって、本発明例に比較して粗粒である。
上記のように、本発明で規定する化学組成を有し、熱間で所要の形状に加工された鋼に、本発明で規定する〔1〕および〔2〕の工程を順次施すことによって、つまり、Ac1点を超えてAc3点未満の温度で加熱後冷却し、次いで、Ac3点以上の温度に再加熱し、急冷して焼入れすることによって、旧オーステナイト結晶粒を微細化できることが明らかである。そして、旧オーステナイト結晶粒の微細化によって、耐SSC性および靱性の向上が期待できる。
(実施例2)
本発明の方法で達成された旧オーステナイト結晶粒の微細化による耐SSC性の向上を確認するために、前記(実施例1)の再加熱焼入れを施した鋼管の一部に対して、工程〔3〕の焼戻しを施した。なお、焼戻しは、YSがほぼ655〜862MPa(95〜125ksi)となるように、650〜710℃で30〜60min加熱することで行い、焼戻し後の冷却は空冷とした。
本発明の方法で達成された旧オーステナイト結晶粒の微細化による耐SSC性の向上を確認するために、前記(実施例1)の再加熱焼入れを施した鋼管の一部に対して、工程〔3〕の焼戻しを施した。なお、焼戻しは、YSがほぼ655〜862MPa(95〜125ksi)となるように、650〜710℃で30〜60min加熱することで行い、焼戻し後の冷却は空冷とした。
表3に、継目無鋼管の仕上加工後の冷却条件および再加熱焼入れ後の旧オーステナイト粒度番号とともに、具体的な焼戻し条件を示す。なお、表3中の試験番号は前記(実施例1)の表2の試験番号に対応するものである。また、試験番号7および8に付記したa〜dは、焼戻し条件を変化させたことを意味するマークである。
上記焼戻しを行った各鋼管から、硬さ測定用試験片を切り出し、HRCを測定した。
また、上記の各鋼管から、長手方向が鋼管の長さ方向(製管方向)で、平行部の寸法が外径6.35mm、長さ25.4mmのNACE TM0177 Method A に規定される丸棒引張試験片を切り出し、室温での引張特性を調査し、その結果に基づいて、上記のNACE TM0177 Method Aに規定される定荷重試験を行って耐SSC性を調査した。
耐SSC性調査の試験溶液には、0.5%酢酸+5%食塩水溶液を用い、この溶液に0.1MPaの硫化水素ガスを通気しながら、実測YSの90%の応力(以下、「90%AYS」という。)または公称下限YSの85%の応力(以下、「85%SMYS」という。)を負荷して、定荷重試験を行った。
具体的には、表3に示す試験番号1〜5、14、21、23、26、38、42および44〜47については、90%AYSを負荷して、定荷重試験を行った。また、試験番号7a〜12および33〜35については、引張特性結果から、強度レベルをYSが758〜862MPa(110〜125ksi)の110ksi級と見做し、85%SMYSとして645MPaを負荷して、定荷重試験を行った。なお、各試験番号について、試験数は2または3とし、最短の破断時間で耐SSC性を評価した。ただし、720hの試験で破断しない場合、その時点で定荷重試験を打ち切った。
表3に、上記のHRC、引張特性および耐SSC性の調査結果を併せて示す。なお、表3の耐SSC性欄における最短破断時間「>720」は、720hの試験でいずれの試験片も破断しなかったことを示す。上記の場合に耐SSC性に優れるとして表3では判定欄を「○」とした。一方、720h以下の破断時間の場合には、耐SSC性に劣るとして判定欄を「×」とした。
表3から、本発明で規定する〔1〕および〔2〕の工程を順次施して、旧オーステナイト結晶粒の微細化が達成された鋼に、〔3〕の工程の焼戻しを施すことによって、優れた耐SSC性が得られることが明らかである。
本発明によれば、経済性の高い手段で旧オーステナイト粒の微細化を実現することが可能なため、耐SSC性に優れた高強度鋼材を安価に得ることができる。また、本発明により、比較的低い製造コストで、耐SSC性に優れた高強度低合金鋼継目無油井管を製造することができる。さらに、本発明によれば、旧オーステナイト粒の微細化による靱性の向上も期待できる。
(1)質量%で、C:0.15〜0.65%、Si:0.05〜0.5%、Mn:0.1〜1.5%、Cr:0.2〜1.5%、Mo:0.1〜2.5%、Ti:0.005〜0.50%およびAl:0.001〜0.50%と、残部Feおよび不純物とからなり、不純物中のNiは0.1%以下、Pは0.04%以下、Sは0.01%以下、Nは0.01%以下およびOは0.01%以下である化学組成を有し、熱間で所要の形状に加工された鋼に、以下の〔1〕〜〔3〕の工程を順次施すことを特徴とする、降伏強度が655MPa以上である耐硫化物応力割れ性に優れた高強度鋼材の製造方法。
〔1〕Ac1点を超えてAc3点未満の温度に加熱後冷却する工程、
〔2〕Ac3点以上の温度に再加熱し、急冷して焼入れる工程、
〔3〕Ac1点以下の温度で焼戻す工程。
〔1〕Ac1点を超えてAc3点未満の温度に加熱後冷却する工程、
〔2〕Ac3点以上の温度に再加熱し、急冷して焼入れる工程、
〔3〕Ac1点以下の温度で焼戻す工程。
(2)質量%で、C:0.15〜0.65%、Si:0.05〜0.5%、Mn:0.1〜1.5%、Cr:0.2〜1.5%、Mo:0.1〜2.5%、Ti:0.005〜0.50%およびAl:0.001〜0.50%と、下記の(a)および(b)から選択される1種以上の元素と、残部Feおよび不純物とからなり、不純物中のNiは0.1%以下、Pは0.04%以下、Sは0.01%以下、Nは0.01%以下およびOは0.01%以下である化学組成を有し、熱間で所要の形状に加工された鋼に、以下の〔1〕〜〔3〕の工程を順次施すことを特徴とする、降伏強度が655MPa以上である耐硫化物応力割れ性に優れた高強度鋼材の製造方法。
〔1〕Ac1点を超えてAc3点未満の温度に加熱後冷却する工程、
〔2〕Ac3点以上の温度に再加熱し、急冷して焼入れる工程、
〔3〕Ac1点以下の温度で焼戻す工程、
(a)Nb:0.4%以下、V:0.5%以下およびB:0.01%以下
(b)Ca:0.005%以下、Mg:0.005%以下およびREM:0.005%以下
〔1〕Ac1点を超えてAc3点未満の温度に加熱後冷却する工程、
〔2〕Ac3点以上の温度に再加熱し、急冷して焼入れる工程、
〔3〕Ac1点以下の温度で焼戻す工程、
(a)Nb:0.4%以下、V:0.5%以下およびB:0.01%以下
(b)Ca:0.005%以下、Mg:0.005%以下およびREM:0.005%以下
(3)上記(1)または(2)に記載の化学組成を有する鋼を継目無鋼管に熱間仕上加工して空冷した後、前記の〔1〕〜〔3〕の工程を順次施すことを特徴とする、上記(1)または(2)に記載の降伏強度が655MPa以上である耐硫化物応力割れ性に優れた高強度鋼材の製造方法。
(4)上記(1)または(2)に記載の化学組成を有する鋼を継目無鋼管に熱間仕上加工後、インラインでAr3点以上1050℃以下の温度で補熱し、Ar3点以上の温度から焼入れした後、前記の〔1〕〜〔3〕の工程を順次施すことを特徴とする、上記(1)または(2)に記載の降伏強度が655MPa以上である耐硫化物応力割れ性に優れた高強度鋼材の製造方法。
(5)上記(1)または(2)に記載の化学組成を有する鋼を継目無鋼管に熱間仕上加工後、Ar3点以上の温度から直接焼入れし、その後前記の〔1〕〜〔3〕の工程を順次施すことを特徴とする、上記(1)または(2)に記載の降伏強度が655MPa以上である耐硫化物応力割れ性に優れた高強度鋼材の製造方法。
(6)前記の工程〔1〕における加熱を、インライン熱処理の焼入れ装置に連接された加熱装置で行うことを特徴とする、上記(4)に記載の降伏強度が655MPa以上である耐硫化物応力割れ性に優れた高強度鋼材の製造方法。
(7)前記の工程〔1〕における加熱を、直接焼入れを施す焼入れ装置に連接された加熱装置で行うことを特徴とする、上記(5)に記載の降伏強度が655MPa以上である耐硫化物応力割れ性に優れた高強度鋼材の製造方法。
Claims (7)
- 質量%で、C:0.15〜0.65%、Si:0.05〜0.5%、Mn:0.1〜1.5%、Cr:0.2〜1.5%、Mo:0.1〜2.5%、Ti:0.005〜0.50%およびAl:0.001〜0.50%と、残部がFeおよび不純物とからなり、不純物中のNi、P、S、NおよびOは、Ni:0.1%以下、P:0.04%以下、S:0.01%以下、N:0.01%以下およびO:0.01%以下である化学組成を有し、熱間で所要の形状に加工された鋼に、以下の〔1〕〜〔3〕の工程を順次施すことを特徴とする、耐硫化物応力割れ性に優れた高強度鋼材の製造方法。
〔1〕Ac1点を超えてAc3点未満の温度に加熱後冷却する工程、
〔2〕Ac3点以上の温度に再加熱し、急冷して焼入れる工程、
〔3〕Ac1点以下の温度で焼戻す工程。 - 質量%で、C:0.15〜0.65%、Si:0.05〜0.5%、Mn:0.1〜1.5%、Cr:0.2〜1.5%、Mo:0.1〜2.5%、Ti:0.005〜0.50%およびAl:0.001〜0.50%と、下記の(a)および(b)に示される元素から選択される1種以上と、残部がFeおよび不純物とからなり、不純物中のNi、P、S、NおよびOは、Ni:0.1%以下、P:0.04%以下、S:0.01%以下、N:0.01%以下およびO:0.01%以下である化学組成を有し、熱間で所要の形状に加工された鋼に、以下の〔1〕〜〔3〕の工程を順次施すことを特徴とする、耐硫化物応力割れ性に優れた高強度鋼材の製造方法。
〔1〕Ac1点を超えてAc3点未満の温度に加熱後冷却する工程、
〔2〕Ac3点以上の温度に再加熱し、急冷して焼入れる工程、
〔3〕Ac1点以下の温度で焼戻す工程、
(a)Nb:0.4%以下、V:0.5%以下およびB:0.01%以下
(b)Ca:0.005%以下、Mg:0.005%以下およびREM:0.005%以下 - 請求項1または2に記載の化学組成を有する鋼を継目無鋼管に熱間仕上加工して空冷した後、前記の〔1〕〜〔3〕の工程を順次施すことを特徴とする、請求項1または2に記載の耐硫化物応力割れ性に優れた高強度鋼材の製造方法。
- 請求項1または2に記載の化学組成を有する鋼を継目無鋼管に熱間仕上加工後、インラインでAr3点以上1050℃以下の温度で補熱し、Ar3点以上の温度から焼入れした後、前記の〔1〕〜〔3〕の工程を順次施すことを特徴とする、請求項1または2に記載の耐硫化物応力割れ性に優れた高強度鋼材の製造方法。
- 請求項1または2に記載の化学組成を有する鋼を継目無鋼管に熱間仕上加工後、Ar3点以上の温度から直接焼入れし、その後前記の〔1〕〜〔3〕の工程を順次施すことを特徴とする、請求項1または2に記載の耐硫化物応力割れ性に優れた高強度鋼材の製造方法。
- 前記の工程〔1〕における加熱を、インライン熱処理の焼入れ装置に連接された加熱装置で行うことを特徴とする、請求項4に記載の耐硫化物応力割れ性に優れた高強度鋼材の製造方法。
- 前記の工程〔1〕における加熱を、直接焼入れを施す焼入れ装置に連接された加熱装置で行うことを特徴とする、請求項5に記載の耐硫化物応力割れ性に優れた高強度鋼材の製造方法。
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