JPWO2016052397A1 - 高強度油井用鋼材および油井管 - Google Patents
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Abstract
Description
C:0.70〜1.8%、
Si:0.05〜1.00%、
Mn:12.0〜25.0%、
Al:0.003〜0.06%、
P:0.03%以下、
S:0.03%以下、
N:0.10%以下、
V:0.5%を超えて2.0%以下、
Cr:0〜2.0%、
Mo:0〜3.0%、
Cu:0〜1.5%、
Ni:0〜1.5%、
Nb:0〜0.5%、
Ta:0〜0.5%、
Ti:0〜0.5%、
Zr:0〜0.5%、
Ca:0〜0.005%、
Mg:0〜0.005%、
B:0〜0.015%、
残部:Feおよび不純物であり、
下記(i)式を満足し、
金属組織が、実質的にオーステナイト単相からなり、
円相当直径が5〜100nmのV炭化物が20個/μm2以上の個数密度で存在し、
降伏強度が654MPa以上である、高強度油井用鋼材。
0.6≦C−0.18V−0.06Cr<1.44 ・・・(i)
但し、式中の各元素記号は、鋼材中に含まれる各元素の含有量(質量%)を表し、含有されない場合はゼロとする。
Cr:0.1〜2.0%および
Mo:0.1〜3.0%
から選択される1種または2種を含有する、上記(1)に記載の高強度油井用鋼材。
Cu:0.1〜1.5%および
Ni:0.1〜1.5%
から選択される1種または2種を含有する、上記(1)または(2)に記載の高強度油井用鋼材。
Nb:0.005〜0.5%、
Ta:0.005〜0.5%、
Ti:0.005〜0.5%および
Zr:0.005〜0.5%
から選択される1種以上を含有する、上記(1)から(3)までのいずれかに記載の高強度油井用鋼材。
Ca:0.0003〜0.005%および
Mg:0.0003〜0.005%
から選択される1種または2種を含有する、上記(1)から(4)までのいずれかに記載の高強度油井用鋼材。
B:0.0001〜0.015%
を含有する、上記(1)から(5)までのいずれかに記載の高強度油井用鋼材。
各元素の限定理由は下記のとおりである。なお、以下の説明において含有量についての「%」は、「質量%」を意味する。
炭素(C)は、MnまたはNiの含有量を低減しても、安価にオーステナイト相を安定化させる効果を有するとともに、双晶変形を促進し加工硬化特性と均一伸びとを向上させることができるため、本発明において極めて重要な元素である。本発明においては、時効処理を施し炭化物を析出させることによる強化を意図している。その際、炭化物の析出によって母材中のCが消費されるため、その分を考慮してC含有量を調整する必要がある。そのため、Cを0.70%以上含有させる必要がある。一方、Cの含有量が多すぎると、セメンタイトが析出し粒界強度を低下させて応力腐食割れ感受性を増大させるだけでなく、材料の融点が顕著に低下し熱間加工性が悪化する。そのため、炭化物の析出によるCの消費を考慮しても、C含有量は1.8%以下とする必要がある。強度および伸びのバランスにより優れた高強度油井用鋼材を得るためには、C含有量は0.80%超であるのが好ましく、0.85%以上であるのがより好ましい。また、C含有量は1.6%以下であるのが好ましく、1.3%以下であるのがより好ましい。
シリコン(Si)は、鋼の脱酸に必要な元素であり、その含有量が0.05%未満であると、脱酸が不十分となって非金属介在物が多く残存し、所望の耐SSC性が得られない。一方、その含有量が1.00%を超えると、粒界強度を弱め、耐SSC性が低下する。したがって、Si含有量は、0.05〜1.00%とする。Si含有量は0.10%以上であるのが好ましく、0.20%以上であるのがより好ましい。また、Si含有量は0.80%以下であるのが好ましく、0.60%以下であるのがより好ましい。
マンガン(Mn)は、安価にオーステナイト相を安定化させることのできる元素である。本発明においては、その効果を十分に発揮させるために、Mnを12.0%以上含有させる必要がある。一方、湿潤硫化水素環境中ではMnは優先的に溶解し、材料表面に安定な腐食生成物は形成されない。その結果、Mn含有量が増加するに伴い、耐全面腐食性が低下する。25.0%を超える量のMnを含有させると低合金油井管の標準的な腐食速度を上回るため、Mn含有量は25.0%以下とする必要がある。Mn含有量は13.5%以上であるのが好ましく、16.0%以上であるのがより好ましい。また、Mn含有量は22.5%以下であるのが好ましい。
アルミニウム(Al)は、鋼の脱酸に必要な元素であるため、0.003%以上含有させる必要がある。しかしながら、Alの含有量が0.06%を超えると、酸化物が介在物として混入しやすくなり、靭性および耐食性に悪影響を与えるおそれがある。したがって、Al含有量は0.003〜0.06%とする。Al含有量は0.008%以上であるのが好ましく、0.012%以上であるのがより好ましい。また、Al含有量は0.05%以下であるのが好ましく、0.04%以下であるのがより好ましい。本発明では、Alは酸可溶Al(sol.Al)を意味する。
リン(P)は、不純物として鋼中に不可避的に存在する元素である。しかし、その含有量が0.03%を超えると、粒界に偏析して耐SSC性を劣化させる。したがって、P含有量は、0.03%以下とする必要がある。なお、Pの含有量は、低ければ低いほど望ましく、0.02%以下とするのが好ましく、0.012%以下とするのがより好ましい。しかし、過度の低下は、鋼材の製造コスト上昇を招くため、その下限は、0.001%とするのが好ましく、0.005%とするのがより好ましい。
硫黄(S)は、Pと同様に不純物として鋼中に不可避的に存在するが、0.03%を超えると粒界に偏析するとともに、硫化物系の介在物を生成して耐SSC性を低下させる。したがって、S含有量は、0.03%以下とする必要がある。なお、Sの含有量は、低ければ低いほど望ましく、0.015%以下とするのが好ましく、0.01%以下とするのがより好ましい。しかし、過度の低下は、鋼材の製造コスト上昇を招くため、その下限は、0.001%とするのが好ましく、0.002%とするのがより好ましい。
窒素(N)は、鉄鋼材料においては、通常は不純物元素として扱われ、脱窒により低減させる。しかし、Nはオーステナイト相を安定化させる元素であるため、オーステナイト安定化のためにNが多く含有されていても良い。しかし、本発明ではCおよびMnによりオーステナイトの安定化を意図しているため、積極的にNを含有させる必要はない。また、Nを過剰に含有させると、高温強度を上昇させて高温での加工応力を増大させ、熱間加工性の低下を招く。したがって、N含有量は0.10%以下とする必要がある。N含有量は0.07%以下であるのが好ましく、0.04%以下であるのがより好ましい。なお、精錬コストの観点から不必要に脱窒する必要はなく、N含有量の下限は0.0015%とするのが好ましい。
バナジウム(V)は、適切な温度および時間で熱処理を行うことにより、鋼中に微細な炭化物(V4C3)を析出させ、鋼材を高強度化させることのできる元素であるため、0.5%を超える量のVを含有させる必要がある。しかしながら、V含有量が過剰であると上記の効果が飽和するだけでなく、オーステナイト相を安定化させるCを多量に消費してしまう。そのため、V含有量は0.5%を超えて2.0%以下とする。十分な強度を確保するためには、V含有量は0.6%以上であるのが好ましく、0.7%以上であるのがより好ましい。また、V含有量は1.8%以下であるのが好ましく、1.6%以下であるのがより好ましい。
クロム(Cr)は、耐全面腐食性を向上させる元素であるので、必要に応じて含有させても良い。ただし、その含有量が過剰であると、耐SSC性を低下させ、さらには耐応力腐食割れ性(耐SCC性)の低下を招くと共に、時効熱処理中に炭化物を析出して母材中のCを消費し、オーステナイトの安定化を妨げるおそれがある。そのため、Cr含有量は2.0%以下とする。また、Cr含有量が高いと固溶化熱処理温度をより高温に設定する必要があり、経済的に不利になる。したがって、Cr含有量は0.8%以下であるのが好ましく、0.4%以下であるのがより好ましい。なお、上記の効果を得たい場合は、Cr含有量を0.1%以上とするのが好ましく、Cr含有量を0.2%以上とするのがより好ましく、0.5%以上とするのがさらに好ましい。
モリブデン(Mo)は、湿潤硫化水素環境中における腐食生成物を安定化させ、耐全面腐食性を向上させる元素であるので、必要に応じて含有させても良い。ただし、Mo含有量が3.0%を超えると、耐SSC性および耐SCC性の低下を招くおそれがある。また、Moは極めて高価な元素であるため、Mo含有量は3.0%以下とする。なお、上記の効果を得たい場合は、Mo含有量を0.1%以上とするのが好ましく、0.2%以上とするのがより好ましく、0.5%以上とするのがさらに好ましい。
銅(Cu)は、オーステナイト相を安定化させることのできる元素であるため、少量であれば必要に応じて含有させても良い。しかしながら、耐食性への影響を考えた場合、Cuは局部腐食を促進し、鋼材表面に応力集中部を形成しやすい元素であるため、過剰に含有させると耐SSC性および耐SCC性を低下させるおそれがある。したがって、Cu含有量は1.5%以下とする。Cu含有量は1.0%以下であるのが好ましい。なお、オーステナイト安定化の効果を得たい場合は、Cu含有量を0.1%以上とするのが好ましく、0.2%以上とするのがより好ましい。
ニッケル(Ni)もCuと同様に、オーステナイト相を安定化させることのできる元素であるため、少量であれば必要に応じて含有させても良い。しかしながら、耐食性への影響を考えた場合、Niは局部腐食を促進し、鋼材表面に応力集中部を形成しやすい元素であるため、過剰に含有させると耐SSC性および耐SCC性を低下させるおそれがある。したがって、Ni含有量は1.5%以下とする。Ni含有量は1.0%以下であるのが好ましい。なお、オーステナイト安定化の効果を得たい場合は、Ni含有量を0.1%以上とするのが好ましく、0.2%以上とするのがより好ましい。
Ta:0〜0.5%
Ti:0〜0.5%
Zr:0〜0.5%
ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、チタン(Ti)およびジルコニウム(Zr)は、CまたはNと結びつき微小な炭化物または炭窒化物を形成することで、鋼の強化に寄与する元素であり、必要に応じて含有させても良い。ただし、これらの元素の炭化物、炭窒化物の形成による強化の効果は、Vと比較して限定的である。また、これらの元素を多量に含有させても効果が飽和する上、靭性の低下およびオーステナイト相の不安定化を引き起こすことがあるため、各元素ともその含有量を0.5%以下とする必要があり、0.35%以下とするのが好ましい。上記の効果を得るためには、これらの元素から選択される1種以上を0.005%以上含有させることが好ましく、0.05%以上含有させることがより好ましい。
Mg:0〜0.005%
カルシウム(Ca)およびマグネシウム(Mg)は、介在物の形態を制御することで靭性および耐食性を改善する効果があり、さらに、鋳込み時のノズル詰まりを抑制して鋳込み特性を改善する効果もあるため、必要に応じて含有させても良い。しかしながら、これらの元素を多量に含有させても効果が飽和するだけでなく、介在物がクラスター化し易くなり、かえって靱性および耐食性が低下する。したがって、各元素ともその含有量を0.005%以下とする。各元素の含有量は0.003%以下であるのが好ましい。また、CaおよびMgの両方を含有させる場合、その含有量の合計を0.005%以下とすることが好ましい。上記の効果を得るためには、CaおよびMgの1種または2種を0.0003%以上含有させることが好ましく、0.0005%以上含有させることがより好ましい。
ホウ素(B)は、析出物を微細化する作用とオーステナイト結晶粒径を微細化する作用とを有するので必要に応じて含有させても良い。しかしながら、Bを多量に含有させると低融点の化合物を形成して熱間加工性が低下することがあり、特にBの含有量が0.015%を超えると熱間加工性の低下が著しくなる場合がある。したがって、Bの含有量は、0.015%以下とする。上記の効果を得るためには、Bは0.0001%以上含有させることが好ましい。
但し、式中の各元素記号は、鋼材中に含まれる各元素の含有量(質量%)を表し、含有されない場合はゼロとする。
本発明においては、オーステナイト相を安定化させるため、C含有量を上記の範囲に規定しているが、Vの炭化物、炭窒化物を析出させることによって鋼材を強化するため、Cの一部が消費され、オーステナイト安定性が低下するおそれがある。Cが最も消費されるのはVが全て炭化物として析出した場合である。加えて、母材中にCrが含有される場合、Cr炭化物の析出によってもCは消費される。
但し、式中の各元素記号は、鋼材中に含まれる各元素の含有量(質量%)を表す。
上述のように、本発明においては、時効処理を施し炭化物を析出させることによる強化を意図している。しかし、時効処理時にパーライト変態が生じると、耐食性が顕著に低下するおそれがある。MnおよびCはパーライト生成温度に影響を及ぼす元素であり、両元素の含有量の関係において、上記(ii)式を満たさないと時効処理条件によっては、パーライト変態が生じるおそれがある。そのため、上記(ii)式を満足することが望ましい。
上述のように、金属組織中にBCC構造であるα’マルテンサイトおよびフェライトが混在すると、耐SSC性の低下を招く。そのため、本発明では、実質的にオーステナイト単相からなる金属組織とする。
654MPa未満の強度レベルであれば、一般的な低合金鋼であっても十分な耐SSC性を確保することができる。しかしながら、上述のように、耐SSC性は、鋼の強度上昇に伴い急激に低下するため、低合金鋼では高い強度と優れた耐SSC性との両立は困難である。そこで、本発明では降伏強度を654MPa以上に限定している。本発明に係る鋼材は654MPa以上という高い降伏強度と優れたDCB試験における耐SSC性とを両立し得るものである。上記の効果をより発揮するためには、本発明に係る高強度油井用鋼材の降伏強度は、689MPa以上であることが好ましく、758MPa以上であることがより好ましい。
本発明に係る鋼材は、例えば、以下の方法により製造することができるが、この方法には限定されない。
溶解および鋳造については一般的なオーステナイト系鋼材の製造方法で行われる方法を用いることができ、鋳造はインゴット鋳造でも連続鋳造でも良い。継目無鋼管を製造する場合には、ラウンドCCにより、製管用ラウンドビレットの形状に鋳造しても良い。
鋳造後は、鍛造、穿孔、圧延等の熱間加工が施される。なお、継目無鋼管の製造では、上述のラウンドCCによって円形ビレットを鋳造した場合、円形ビレットに成形するための鍛造、分塊圧延等の工程は必要ない。鋼材が継目無鋼管の場合は、上記の穿孔工程の後、マンドレルミルまたはプラグミルを使用して圧延が行われる。また、鋼材が板材の場合は、スラブを粗圧延した後、仕上げ圧延するという工程になる。穿孔、圧延等の熱間加工の望ましい条件は、以下の通りである。
熱間加工後の鋼材は、炭化物等を完全に固溶させるのに十分な温度に加熱してから急冷する。この場合、1000〜1200℃の温度範囲に10min以上保持した後、急冷する。固溶化熱処理温度が1000℃未満であると、V炭化物を完全固溶させることができず、析出強化が不十分となり、654MPa以上の降伏強度を得ることが困難になるおそれがある。一方、固溶化熱処理温度が1200℃を超えると、SSCを発生しやすいフェライト等の異相が析出することがある。また、保持時間が10min未満であると、固溶化熱処理の効果が不十分となり、目標とする高強度、すなわち、654MPa以上の降伏強度が得られなくなる場合がある。
溶体化熱処理を施した後の鋼材には、V炭化物を微細に析出させて強度を上げるための時効処理を施す。時効処理の効果(時効硬化)は、温度とその温度での保持時間とに依存する。基本的には、温度を高くすれば短時間で良く、低い温度では長時間を要する。したがって、所定の目標強度が得られるように温度と時間とを適正に選べば良く、熱処理条件としては、600〜800℃の温度範囲で30min以上加熱保持するのが好ましい。
Claims (8)
- 化学組成が、質量%で、
C:0.70〜1.8%、
Si:0.05〜1.00%、
Mn:12.0〜25.0%、
Al:0.003〜0.06%、
P:0.03%以下、
S:0.03%以下、
N:0.10%以下、
V:0.5%を超えて2.0%以下、
Cr:0〜2.0%、
Mo:0〜3.0%、
Cu:0〜1.5%、
Ni:0〜1.5%、
Nb:0〜0.5%、
Ta:0〜0.5%、
Ti:0〜0.5%、
Zr:0〜0.5%、
Ca:0〜0.005%、
Mg:0〜0.005%、
B:0〜0.015%、
残部:Feおよび不純物であり、
下記(i)式を満足し、
金属組織が、実質的にオーステナイト単相からなり、
円相当直径が5〜100nmのV炭化物が20個/μm2以上の個数密度で存在し、
降伏強度が654MPa以上である、高強度油井用鋼材。
0.6≦C−0.18V−0.06Cr<1.44 ・・・(i)
但し、式中の各元素記号は、鋼材中に含まれる各元素の含有量(質量%)を表し、含有されない場合はゼロとする。 - 前記化学組成が、質量%で、
Cr:0.1〜2.0%および
Mo:0.1〜3.0%
から選択される1種または2種を含有する、請求項1に記載の高強度油井用鋼材。 - 前記化学組成が、質量%で、
Cu:0.1〜1.5%および
Ni:0.1〜1.5%
から選択される1種または2種を含有する、請求項1または請求項2に記載の高強度油井用鋼材。 - 前記化学組成が、質量%で、
Nb:0.005〜0.5%、
Ta:0.005〜0.5%、
Ti:0.005〜0.5%および
Zr:0.005〜0.5%
から選択される1種以上を含有する、請求項1から請求項3までのいずれかに記載の高強度油井用鋼材。 - 前記化学組成が、質量%で、
Ca:0.0003〜0.005%および
Mg:0.0003〜0.005%
から選択される1種または2種を含有する、請求項1から請求項4までのいずれかに記載の高強度油井用鋼材。 - 前記化学組成が、質量%で、
B:0.0001〜0.015%
を含有する、請求項1から請求項5までのいずれかに記載の高強度油井用鋼材。 - 前記降伏強度が758MPa以上である、請求項1から請求項6までのいずれかに記載の高強度油井用鋼材。
- 請求項1から請求項7までのいずれかに記載の高強度油井用鋼材からなる、油井管。
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