JPWO2019198468A1 - サワー環境での使用に適した鋼材 - Google Patents

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Abstract

655〜1069MPa(95〜140ksi級)の降伏強度と、優れた耐SSC性とを有する、鋼材を提供する。本開示による鋼材は、質量%で、C:0.20〜0.50%、Si:0.05〜0.50%、Mn:0.05〜1.00%、P:0.030%以下、S:0.0050%未満、Al:0.005〜0.050%、Cr:0.10〜1.50%、Mo:0.25〜1.80%、Ti:0.002〜0.050%、Nb:0.002〜0.100%、B:0.0001〜0.0050%、N:0.0070%以下、O:0.0050%未満、及び、残部がFe及び不純物からなる化学組成を有する。降伏強度が655〜1069MPaであり、降伏比が85%以上である。KAM値が1°以下の割合が30面積%以上である。

Description

本発明は、鋼材に関し、さらに詳しくは、サワー環境での使用に適した鋼材に関する。
油井及びガス井(以下、油井及びガス井を総称して、単に「油井」という)の深井戸化により、油井用鋼管に代表される油井用の鋼材の高強度化が要求されている。具体的には、たとえば、80ksi級(降伏強度が80〜95ksi未満、つまり、552〜655MPa未満)や、95ksi級(降伏強度が95〜110ksi未満、つまり、655〜758MPa未満)の油井用鋼管が広く利用されており、最近ではさらに、110ksi級(降伏強度が110〜125ksi未満、つまり、758〜862MPa未満)、125ksi級(降伏強度が125〜140ksi未満、つまり862〜965MPa未満)、及び、140ksi級(降伏強度が140〜155ksi、つまり965〜1069MPa)の油井用鋼管が求められ始めている。
深井戸の多くは、腐食性を有する硫化水素を含有するサワー環境である。本明細書において、サワー環境とは、硫化水素を含み、酸性化した環境を意味する。なお、サワー環境では、二酸化炭素を含む場合もある。このようなサワー環境で使用される油井用鋼管は、高強度だけでなく、耐硫化物応力割れ性(耐Sulfide Stress Cracking性:以下、耐SSC性という)も要求される。
油井用鋼管に代表される油井用の鋼材の耐SSC性を高める技術が、特開昭62−253720号公報(特許文献1)、特開昭59−232220号公報(特許文献2)、特開平6−322478号公報(特許文献3)、特開平8−311551号公報(特許文献4)、特開2000−256783号公報(特許文献5)、特開2000−297344号公報(特許文献6)、特開2005−350754号公報(特許文献7)、特表2012−519238号公報(特許文献8)及び特開2012−26030号公報(特許文献9)に開示されている。
特許文献1は、Mn、P等の不純物を低減して、油井用鋼の耐SSC性を高める方法を提案する。特許文献2は、焼入れを2回実施して結晶粒を微細化し、鋼の耐SSC性を高める方法を提案する。
特許文献3は、誘導加熱熱処理により鋼組織を微細化して、125ksi級の鋼材の耐SSC性を高める方法を提案する。特許文献4は、直接焼入れ法を利用して鋼の焼入れ性を高め、さらに、焼戻し温度を高めることにより、110〜140ksi級の鋼管の耐SSC性を高める方法を提案する。
特許文献5及び特許文献6は、炭化物の形態を制御して110〜140ksi級の低合金油井管用鋼の耐SSC性を高める方法を提案する。特許文献7は、転位密度と水素拡散係数とを所望の値に制御して、125ksi級以上の鋼材の耐SSC性を高める方法を提案する。特許文献8は、0.3〜0.5%のCを含有する低合金鋼に対して、複数回の焼入れを実施することにより、125ksi級の鋼の耐SSC性を高める方法を提案する。特許文献9は、2段熱処理の焼戻し工程を採用して、炭化物の形態や個数を制御する方法を提案する。より具体的には、特許文献9では、大型のM3C及びM2Cの個数密度を抑制して、125ksi級の鋼の耐SSC性を高める。
特開昭62−253720号公報 特開昭59−232220号公報 特開平6−322478号公報 特開平8−311551号公報 特開2000−256783号公報 特開2000−297344号公報 特開2005−350754号公報 特表2012−519238号公報 特開2012−26030号公報
上述のとおり、近年、油井環境の過酷化に伴い、油井用鋼管は従来よりも優れた耐SSC性を要求されつつある。そのため、上記特許文献1〜9に開示された技術以外の技術によって、95〜140ksi級(655〜1069MPa)の降伏強度と、優れた耐SSC性とを有する鋼材(たとえば油井用鋼管)が得られてもよい。
本開示の目的は、655〜1069MPa(95〜155ksi、95〜140ksi級)の降伏強度と、優れた耐SSC性とを有する鋼材を提供することである。
本開示による鋼材は、質量%で、C:0.20〜0.50%、Si:0.05〜0.50%、Mn:0.05〜1.00%、P:0.030%以下、S:0.0050%未満、Al:0.005〜0.050%、Cr:0.10〜1.50%、Mo:0.25〜1.80%、Ti:0.002〜0.050%、Nb:0.002〜0.100%、B:0.0001〜0.0050%、N:0.0070%以下、O:0.0050%未満、V:0〜0.30%、Ca:0〜0.0100%、Mg:0〜0.0100%、Zr:0〜0.0100%、希土類元素:0〜0.0100%、Co:0〜1.50%、W:0〜1.50%、Ni:0〜0.50%、Cu:0〜0.50%、及び、残部がFe及び不純物からなる化学組成を有する。降伏強度が655〜1069MPaであり、降伏比が85%以上である。KAM値が1°以下の割合が30面積%以上である。
降伏強度が655〜862MPa未満の場合、KAM値が1°以下の割合が40面積%以上である。
降伏強度が862〜965MPa未満の場合、KAM値が1°以下の割合が35面積%以上である。
降伏強度が965〜1069MPaの場合、KAM値が1°以下の割合が30面積%以上である。
本開示による鋼材は、655〜1069MPa(95〜155ksi、95〜140ksi級)の降伏強度と、優れた耐SSC性とを有する。
図1Aは、実施形態のDCB試験で用いるDCB試験片の側面図及び断面図である。 図1Bは、実施形態のDCB試験で用いるクサビの斜視図である。
本発明者らは、サワー環境での使用が想定された鋼材において、655〜1069MPa(95〜155ksi、95〜140ksi級)の降伏強度と、優れた耐SSC性とを両立させる方法について調査検討し、次の知見を得た。
従来、サワー環境での使用が想定された鋼材においては、転位密度と耐SSC性との関係について、多くの検討がなされてきた。具体的に、鋼材中の転位密度を高めれば、鋼材の降伏強度が高まる。一方、転位は水素を吸蔵する可能性がある。そのため、鋼材の降伏強度を高める目的で、鋼材の転位密度を高めた場合、鋼材の耐SSC性が低下する可能性がある。
転位密度を高めた結果、鋼材の耐SSC性が低下するメカニズムは、従来、次のように考えられてきた。転位は、鋼材のミクロ組織の結晶格子に生じた格子欠陥の一種である。転位には、水素が吸蔵されやすいと考えられている。そのため、転位密度が高い鋼材は、水素が吸蔵されやすくなり、耐SSC性が低下するものと考えられてきた。
一方、鋼材のミクロ組織においては、転位以外の要因によっても、結晶に微視的な歪みが生じる場合がある。たとえば、固溶元素によっても、鋼材のミクロ組織において結晶に微視的な歪みが生じる可能性がある。たとえばさらに、鋼材のミクロ組織中に析出物や介在物が存在する場合、析出物等と母材との界面において、結晶に微視的な歪みが生じる可能性がある。
このように、鋼材のミクロ組織において、結晶に微視的な歪みが生じる要因は、転位だけではない。転位、固溶元素、析出物、及び、介在物等、さらには、それらの個数や分散度合い等、複数の要因が複合的に作用することにより、鋼材のミクロ組織では結晶に微視的な歪みが生じるものと考えられる。さらに、鋼材のミクロ組織における、結晶の微視的な歪みは、鋼材の耐SSC性に影響を与える可能性がある。
そこで本発明者らは、鋼材のミクロ組織における結晶の微視的な歪みを観察する手法を種々検討した。詳細な検討の結果、本発明者らは、鋼材のミクロ組織における結晶方位に着目した。結晶方位であれば、上述の複合的な要因の重ね合わせによって生じた、結晶の微視的な歪みを定量できる可能性がある。
そこで本発明者らは、サワー環境での使用が想定された鋼材において、質量%で、C:0.20〜0.50%、Si:0.05〜0.50%、Mn:0.05〜1.00%、P:0.030%以下、S:0.0050%未満、Al:0.005〜0.050%、Cr:0.10〜1.50%、Mo:0.25〜1.80%、Ti:0.002〜0.050%、Nb:0.002〜0.100%、B:0.0001〜0.0050%、N:0.0070%以下、O:0.0050%未満、V:0〜0.30%、Ca:0〜0.0100%、Mg:0〜0.0100%、Zr:0〜0.0100%、希土類元素:0〜0.0100%、Co:0〜1.50%、W:0〜1.50%、Ni:0〜0.50%、Cu:0〜0.50%、及び、残部がFe及び不純物からなる化学組成を有する鋼材について、結晶方位と耐SSC性との関係を、詳細に調査検討した。
具体的に本発明者らは、まず、上述の化学組成を有し、降伏強度が965〜1069MPa(140ksi級)の鋼材に着目し、その結晶方位と耐SSC性との関係を、詳細に調査検討した。なお、上述の化学組成を有し、140ksi級の降伏強度を有する鋼材の結晶方位は、後述する電子後方散乱回折像(EBSD:Electron BackScatter Diffraction pattern)によって求めた。
続いて本発明者らは、求めた結晶方位と結晶の微視的歪みとの関係を、さらに詳細に検討した。その結果、任意の点における、結晶方位の周囲からのずれを算出することにより、ミクロ組織における結晶の微視的な歪みを定量できることを、本発明者らは見出した。すなわち、上述の転位密度に代表される、鋼材中の歪みの平均値ではなく、歪みの分布を算出する。その結果、上述の化学組成を有し、140ksi級の降伏強度を有する鋼材においては、ミクロ組織における結晶の微視的な歪みを定量することができる。
以上の知見に基づいて、本発明者らは、求めた結晶方位から、KAM(Kernel Average Misorientation)値を求めた。なお、KAM値は、次のように定義した。
視野範囲を正六角形のピクセル単位に区切り、視野範囲のうちの任意の1つの正六角形のピクセルを中心ピクセルとして選定した。選定された中心ピクセルと、中心ピクセルの外側に隣接して配置された6つのピクセルにおいて、各ピクセル間の方位差を求めた。得られた方位差の平均値を求め、その平均値を中心ピクセルのKAM値と定義した。
すなわち、上記のとおりに定義されたKAM値とは、鋼材のミクロ組織における、結晶方位の周囲からのずれを示す指標である。具体的に、KAM値が大きい測定点では、その測定点の周囲との結晶方位の差が大きい。この場合、その測定点では、結晶の微視的な歪みが局所的に大きい。一方、KAM値が小さい測定点では、その測定点の周囲との結晶方位の差が小さい。この場合、その測定点では、結晶の微視的な歪みが低減されている。
次に本発明者らは、求めたKAM値を用いて、結晶の微視的な歪みの分布を定量化することについて検討した。具体的に、本発明者らは、上記任意のピクセルで得られたKAM値を、粒界を越えないように計算することで、粒内の結晶方位の変化を表現するマップ(KAMマップ)を作成した。KAMマップによれば、鋼材中のミクロ組織における、結晶の微視的な歪みの分布を可視化することができる。
作成したKAMマップに基づいて、本発明者らは、上述の化学組成を有し、140ksi級の降伏強度を有する鋼材において、結晶の微視的な歪みの分布と耐SSC性との関係について、詳細に検討した。具体的に、本発明者らは、上述の化学組成を有し、降伏強度が965〜1069MPa(140ksi級)の鋼材に対して、上記KAMマップを作成し、後述する方法で作成したKAMマップから得られたヒストグラムを作成した。
その結果、本発明者らは、KAM値が1°以下の面積の割合と、耐SSC性とに相関関係があることを見出した。より具体的に、本実施形態による化学組成を有し、降伏強度が140ksi級の鋼材においては、KAM値が1°以下の割合を30面積%以上にまで高めることで、鋼材の耐SSC性が高まることを見出した。
すなわち、KAM値が1°以下の割合を30面積%以上とすることで、降伏強度を140ksi級に維持したまま、鋼材の耐SSC性を高めることができる。そのため、上述の化学組成を有する本実施形態による鋼材は、降伏強度が140ksi級の場合、KAM値が1°以下の割合を30面積%以上とする。その結果、140ksi級の降伏強度と、優れた耐SSC性とを両立することができる。
本発明者らはさらに、降伏強度が異なる場合についても、同様に検討を行った。具体的に本発明者らは、862〜965MPa未満(125ksi級)の場合について、上記KAMマップを作成し、微視的な歪みと鋼材の耐SSC性とを調査した。
その結果、本実施形態による化学組成を有し、降伏強度が125ksi級の鋼材においては、KAM値が1°以下の割合を35面積%以上にまで高めることで、鋼材の耐SSC性が高まることを見出した。
すなわち、KAM値が1°以下の割合を35面積%以上とすることで、降伏強度を125ksi級に維持したまま、鋼材の耐SSC性を高めることができる。そのため、上述の化学組成を有する、本実施形態による鋼材は、降伏強度が125ksi級の場合、KAM値が1°以下の割合を35面積%以上とする。その結果、125ksi級の降伏強度と、優れた耐SSC性とを両立することができる。
本発明者らはさらに、655〜862MPa未満(95ksi級及び110ksi級)の場合について、上記KAMマップを作成し、微視的な歪みと鋼材の耐SSC性とを調査した。
その結果、本実施形態による化学組成を有し、降伏強度が95ksi級及び110ksi級の鋼材においては、KAM値が1°以下の割合を40面積%以上にまで高めることで、鋼材の耐SSC性が高まることを見出した。
すなわち、KAM値が1°以下の割合を40面積%以上とすることで、降伏強度を95ksi級及び110ksi級に維持したまま、鋼材の耐SSC性を高めることができる。そのため、上述の化学組成を有する、本実施形態による鋼材は、降伏強度が95ksi級及び110ksi級の場合、KAM値が1°以下の割合を40面積%以上とする。その結果、95ksi級及び110ksi級の降伏強度と、優れた耐SSC性とを両立することができる。
したがって、本実施形態による鋼材は、上述の化学組成を有し、得ようとする降伏強度(95ksi級、110ksi級、125ksi級、及び、140ksi級)に応じて、KAM値が1°以下の割合を高める。その結果、本実施形態による鋼材は、所望の降伏強度(95ksi級、110ksi級、125ksi級、及び、140ksi級)と、優れた耐SSC性とを両立することができる。
なお、鋼材のミクロ組織は、焼戻しマルテンサイト及び焼戻しベイナイト主体の組織とする。焼戻しマルテンサイト及び焼戻しベイナイト主体とは、焼戻しマルテンサイト及び焼戻しベイナイトの体積率の合計が95%以上であることを意味する。鋼材のミクロ組織が焼戻しマルテンサイト及び焼戻しベイナイト主体であれば、本実施形態による鋼材において、降伏強度(Yield Strength)は655〜1069MPa(95〜140ksi級)、降伏比(引張強度(Tensile Strength)に対する降伏強度の比、すなわち、降伏比(YR)=降伏強度(YS)/引張強度(TS))は85%以上となる。
以上の知見に基づいて完成した本実施形態による鋼材は、質量%で、C:0.20〜0.50%、Si:0.05〜0.50%、Mn:0.05〜1.00%、P:0.030%以下、S:0.0050%未満、Al:0.005〜0.050%、Cr:0.10〜1.50%、Mo:0.25〜1.80%、Ti:0.002〜0.050%、Nb:0.002〜0.100%、B:0.0001〜0.0050%、N:0.0070%以下、O:0.0050%未満、V:0〜0.30%、Ca:0〜0.0100%、Mg:0〜0.0100%、Zr:0〜0.0100%、希土類元素:0〜0.0100%、Co:0〜1.50%、W:0〜1.50%、Ni:0〜0.50%、Cu:0〜0.50%、及び、残部がFe及び不純物からなる化学組成を有する。降伏強度が655〜1069MPaであり、降伏比が85%以上である。KAM値が1°以下の割合が30面積%以上である。
降伏強度が655〜862MPa未満の場合、KAM値が1°以下の割合が40面積%以上である。
降伏強度が862〜965MPa未満の場合、KAM値が1°以下の割合が35面積%以上である。
降伏強度が965〜1069MPaの場合、KAM値が1°以下の割合が30面積%以上である。
本明細書において、鋼材とは、特に限定されないが、たとえば、鋼管、鋼板である。好ましくは、鋼材は油井に用いられる油井用鋼材であり、さらに好ましくは油井用鋼管である。本明細書において、油井は、上述のとおり、油井及びガス井を含む総称である。
上記化学組成は、V:0.01〜0.30%を含有してもよい。
上記化学組成は、Ca:0.0001〜0.0100%、Mg:0.0001〜0.0100%、Zr:0.0001〜0.0100%、及び、希土類元素:0.0001〜0.0100%からなる群から選択される1種又は2種以上を含有してもよい。
上記化学組成は、Co:0.02〜1.50%、及び、W:0.02〜1.50%からなる群から選択される1種以上を含有してもよい。
上記化学組成は、Ni:0.02〜0.50%、及び、Cu:0.02〜0.50%からなる群から選択される1種以上を含有してもよい。
上記鋼材は、降伏強度が655〜758MPa未満であり、KAM値が1°以下の割合が40面積%以上であってもよい。
上記鋼材は、降伏強度が758〜862MPa未満であり、KAM値が1°以下の割合が40面積%以上であってもよい。
上記鋼材は、降伏強度が862〜965MPa未満であり、KAM値が1°以下の割合が35面積%以上であってもよい。
上記鋼材は、降伏強度が965〜1069MPaであり、KAM値が1°以下の割合が30面積%以上であってもよい。
上記鋼材は、油井用鋼管であってもよい。
本明細書において、油井用鋼管とは、ラインパイプ用鋼管であってもよく、油井管であってもよい。油井用鋼管は、継目無鋼管であってもよく、溶接鋼管であってもよい。油井管は、たとえば、ケーシングやチュービング用途で用いられる鋼管である。
上記鋼材は、継目無鋼管であってもよい。
本実施形態による鋼材が継目無鋼管の場合、肉厚が15mm以上であっても、655〜1069MPa(95〜140ksi級)の降伏強度と、優れた耐SSC性とを有する。
以下、本実施形態による鋼材について詳述する。元素に関する「%」は、特に断りがない限り、質量%を意味する。
[化学組成]
本実施形態による鋼材の化学組成は、次の元素を含有する。
C:0.20〜0.50%
炭素(C)は、鋼材の焼入れ性を高め、鋼材の強度を高める。Cはさらに、製造工程中の焼戻し時において、炭化物の球状化を促進し、鋼材の耐SSC性を高める。炭化物が分散されればさらに、鋼材の強度が高まる。C含有量が低すぎれば、これらの効果が得られない。一方、C含有量が高すぎれば、鋼材の靭性が低下し、焼割れが発生しやすくなる。したがって、C含有量は0.20〜0.50%である。C含有量の好ましい下限は0.22%であり、より好ましくは0.26%である。C含有量の好ましい上限は0.45%であり、より好ましくは0.43%であり、さらに好ましくは0.40%である。
Si:0.05〜0.50%
シリコン(Si)は、鋼を脱酸する。Si含有量が低すぎれば、この効果が得られない。一方、Si含有量が高すぎれば、鋼材の耐SSC性が低下する。したがって、Si含有量は0.05〜0.50%である。Si含有量の好ましい下限は0.15%であり、より好ましくは0.20%である。Si含有量の好ましい上限は0.45%であり、より好ましくは0.40%である。
Mn:0.05〜1.00%
マンガン(Mn)は、鋼を脱酸する。Mnはさらに、鋼材の焼入れ性を高める。Mn含有量が低すぎれば、これらの効果が得られない。一方、Mn含有量が高すぎれば、Mnは、P及びS等の不純物とともに、粒界に偏析する。この場合、鋼材の耐SSC性が低下する。したがって、Mn含有量は0.05〜1.00%である。Mn含有量の好ましい下限は0.25%であり、より好ましくは0.30%である。Mn含有量の好ましい上限は0.90%であり、より好ましくは0.80%である。
P:0.030%以下
燐(P)は不純物である。すなわち、P含有量は0%超である。Pは粒界に偏析して、鋼材の耐SSC性を低下させる。したがって、P含有量は0.030%以下である。P含有量の好ましい上限は0.020%であり、より好ましくは0.015%である。P含有量はなるべく低い方が好ましい。ただし、P含有量の極端な低減は、製造コストを大幅に高める。したがって、工業生産を考慮した場合、P含有量の好ましい下限は0.0001%であり、より好ましくは0.0002%であり、さらに好ましくは0.0003%である。
S:0.0050%未満
硫黄(S)は不純物である。すなわち、S含有量は0%超である。Sは粒界に偏析して、鋼材の耐SSC性を低下させる。したがって、S含有量は0.0050%未満である。S含有量の好ましい上限は0.0045%であり、より好ましくは0.0040%であり、さらに好ましくは0.0030%である。S含有量はなるべく低い方が好ましい。ただし、S含有量の極端な低減は、製造コストを大幅に高める。したがって、工業生産を考慮した場合、S含有量の好ましい下限は0.0001%であり、より好ましくは0.0002%であり、さらに好ましくは0.0003%である。
Al:0.005〜0.050%
アルミニウム(Al)は、鋼を脱酸する。Al含有量が低すぎれば、この効果が得られず、鋼材の耐SSC性が低下する。一方、Al含有量が高すぎれば、粗大な酸化物系介在物が生成して、鋼材の耐SSC性が低下する。したがって、Al含有量は0.005〜0.050%である。Al含有量の好ましい下限は0.015%であり、より好ましくは0.020%である。Al含有量の好ましい上限は0.040%であり、より好ましくは0.030%である。本明細書にいう「Al」含有量は「酸可溶Al」、つまり、「sol.Al」の含有量を意味する。
Cr:0.10〜1.50%
クロム(Cr)は、鋼材の焼入れ性を高める。Crはさらに、鋼材の焼戻し軟化抵抗を高め、高温焼戻しを可能にする。その結果、鋼材の耐SSC性が高まる。Cr含有量が低すぎれば、これらの効果が得られない。一方、Cr含有量が高すぎれば、鋼材の靭性及び耐SSC性が低下する。したがって、Cr含有量は0.10〜1.50%である。Cr含有量の好ましい下限は0.25%であり、より好ましくは0.30%である。Cr含有量の好ましい上限は1.30%であり、より好ましくは1.20%である。
Mo:0.25〜1.80%
モリブデン(Mo)は、鋼材の焼入れ性を高める。Moはさらに、微細な炭化物を生成し、鋼材の焼戻し軟化抵抗を高める。その結果、鋼材の耐SSC性が高まる。Mo含有量が低すぎれば、これらの効果が得られない。一方、Mo含有量が高すぎれば、上記効果が飽和する。したがって、Mo含有量は0.25〜1.80%である。Mo含有量の好ましい下限は0.30%であり、より好ましくは0.35%であり、さらに好ましくは0.40%であり、さらに好ましくは0.50%である。Mo含有量の好ましい上限は1.50%であり、より好ましくは1.30%であり、さらに好ましくは1.25%であり、さらに好ましくは1.10%である。
Ti:0.002〜0.050%
チタン(Ti)は窒化物を形成し、ピンニング効果により、結晶粒を微細化する。その結果、鋼材の強度を高める。Ti含有量が低すぎれば、この効果が得られない。一方、Ti含有量が高すぎれば、Ti窒化物が粗大化して、鋼材の耐SSC性が低下する。したがって、Ti含有量は0.002〜0.050%である。Ti含有量の好ましい下限は0.003%であり、より好ましくは0.005%である。Ti含有量の好ましい上限は0.030%であり、より好ましくは0.020%である。
Nb:0.002〜0.100%
ニオブ(Nb)はC又はNと結合して炭化物、窒化物、又は、炭窒化物(以下、「炭窒化物等」という)を形成する。炭窒化物等はピンニング効果により鋼材のサブ組織を微細化し、鋼材の耐SSC性を高める。Nbはさらに、球状のMC型炭化物となるため、針状のM2C型炭化物の生成を抑制して、鋼材の耐SSC性を高める。Nb含有量が低すぎれば、これらの効果が得られない。一方、Nb含有量が高すぎれば、炭窒化物等が過剰に生成して、鋼材の耐SSC性が低下する。したがって、Nb含有量は0.002〜0.100%である。Nb含有量の好ましい下限は0.003%であり、より好ましくは0.007%である。Nb含有量の好ましい上限は0.050%未満であり、より好ましくは0.035%であり、より好ましくは0.030%である。
B:0.0001〜0.0050%
ホウ素(B)は鋼に固溶して、鋼材の焼入れ性を高め、鋼材の強度を高める。B含有量が低すぎれば、この効果が得られない。一方、B含有量が高すぎれば、鋼材中に粗大な窒化物が生成して、鋼材の耐SSC性が低下する。したがって、B含有量は0.0001〜0.0050%である。B含有量の好ましい下限は0.0003%であり、より好ましくは0.0007%である。B含有量の好ましい上限は0.0035%であり、より好ましくは0.0025%である。
N:0.0070%以下
窒素(N)は不可避に含有される。すなわち、N含有量は0%超である。NはTiと結合して窒化物を形成し、ピンニング効果により、鋼材の結晶粒を微細化する。しかしながら、N含有量が高すぎれば、Nは粗大な窒化物を形成して、鋼材の耐SSC性を低下する。したがって、N含有量は0.0070%以下である。N含有量の好ましい上限は0.0050%であり、より好ましくは0.0040%である。上記効果をより有効に得るためのN含有量の好ましい下限は0.0005%であり、より好ましくは0.0010%であり、さらに好ましくは0.0020%である。
O:0.0050%未満
酸素(O)は不純物である。すなわち、O含有量は0%超である。Oは粗大な酸化物を形成し、鋼材の耐食性を低下する。したがって、O含有量は0.0050%未満である。O含有量の好ましい上限は0.0030%であり、より好ましくは0.0020%である。O含有量はなるべく低い方が好ましい。ただし、O含有量の極端な低減は、製造コストを大幅に高める。したがって、工業生産を考慮した場合、O含有量の好ましい下限は0.0001%であり、より好ましくは0.0002%であり、さらに好ましくは0.0003%である。
本実施形態による鋼材の化学組成の残部は、Fe及び不純物からなる。ここで、不純物とは、鋼材を工業的に製造する際に、原料としての鉱石、スクラップ、又は、製造環境などから混入されるものであって、本実施形態による鋼材に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。
[任意元素について]
上述の鋼材の化学組成はさらに、Feの一部に代えて、Vを含有してもよい。
V:0〜0.30%
バナジウム(V)は任意元素であり、含有されなくてもよい。すなわち、V含有量は0%であってもよい。含有される場合、Vは炭窒化物等を形成する。炭窒化物等は、ピンニング効果により鋼材のサブ組織を微細化し、鋼材の耐SSC性を高める。Vはさらに、焼戻し時に微細な炭化物を形成する。微細な炭化物は鋼材の焼戻し軟化抵抗を高め、鋼材の強度を高める。Vはさらに、球状のMC型炭化物となるため、針状のMC型炭化物の生成を抑制して、鋼材の耐SSC性を高める。Vが少しでも含有されれば、これらの効果がある程度得られる。しかしながら、V含有量が高すぎれば、鋼材の靭性が低下する。したがって、V含有量は0〜0.30%である。V含有量の好ましい下限は0%超であり、より好ましくは0.01%であり、さらに好ましくは0.02%である。なお、965MPa以上の降伏強度を得ようとする場合、鋼材はVを0.01%以上含有することが好ましい。Vが0.01%以上含有されれば、鋼材の降伏強度を安定して965MPa以上にすることができる。したがって、降伏強度が965〜1069MPaである場合、V含有量の好ましい下限は0.01%であり、より好ましくは0.02%であり、さらに好ましくは0.04%であり、さらに好ましくは0.05%である。V含有量の好ましい上限は0.20%であり、より好ましくは0.15%であり、さらに好ましくは0.12%である。
上述の鋼材の化学組成はさらに、Feの一部に代えて、Ca、Mg、Zr、及び、希土類元素(REM)からなる群から選択される1種又は2種以上を含有してもよい。これらの元素はいずれも任意元素であり、鋼材の耐SSC性を高める。
Ca:0〜0.0100%
カルシウム(Ca)は任意元素であり、含有されなくてもよい。すなわち、Ca含有量は0%であってもよい。含有される場合、Caは鋼材中のSを硫化物として無害化し、鋼材の耐SSC性を高める。Caが少しでも含有されれば、この効果がある程度得られる。しかしながら、Ca含有量が高すぎれば、鋼材中の酸化物が粗大化して、鋼材の耐SSC性が低下する。したがって、Ca含有量は0〜0.0100%である。Ca含有量の好ましい下限は0%超であり、より好ましくは0.0001%であり、さらに好ましくは0.0003%であり、さらに好ましくは0.0006%であり、さらに好ましくは0.0010%である。Ca含有量の好ましい上限は0.0025%であり、より好ましくは0.0020%である。
Mg:0〜0.0100%
マグネシウム(Mg)は任意元素であり、含有されなくてもよい。すなわち、Mg含有量は0%であってもよい。含有される場合、Mgは鋼材中のSを硫化物として無害化し、鋼材の耐SSC性を高める。Mgが少しでも含有されれば、この効果がある程度得られる。しかしながら、Mg含有量が高すぎれば、鋼材中の酸化物が粗大化して、鋼材の耐SSC性が低下する。したがって、Mg含有量は0〜0.0100%である。Mg含有量の好ましい下限は0%超であり、より好ましくは0.0001%であり、さらに好ましくは0.0003%であり、さらに好ましくは0.0006%であり、さらに好ましくは0.0010%である。Mg含有量の好ましい上限は0.0025%であり、より好ましくは0.0020%である。
Zr:0〜0.0100%
ジルコニウム(Zr)は任意元素であり、含有されなくてもよい。すなわち、Zr含有量は0%であってもよい。含有される場合、Zrは鋼材中のSを硫化物として無害化し、鋼材の耐SSC性を高める。Zrが少しでも含有されれば、この効果がある程度得られる。しかしながら、Zr含有量が高すぎれば、鋼材中の酸化物が粗大化して、鋼材の耐SSC性が低下する。したがって、Zr含有量は0〜0.0100%である。Zr含有量の好ましい下限は0%超であり、より好ましくは0.0001%であり、さらに好ましくは0.0003%であり、さらに好ましくは0.0006%であり、さらに好ましくは0.0010%である。Zr含有量の好ましい上限は0.0025%であり、より好ましくは0.0020%である。
希土類元素(REM):0〜0.0100%
希土類元素(REM)は任意元素であり、含有されなくてもよい。すなわち、REM含有量は0%であってもよい。含有される場合、REMは鋼材中のSを硫化物として無害化し、鋼材の耐SSC性を高める。REMはさらに、鋼材中のPと結合して、結晶粒界におけるPの偏析を抑制する。そのため、Pの偏析に起因した鋼材の耐SSC性の低下が抑制される。REMが少しでも含有されれば、これらの効果がある程度得られる。しかしながら、REM含有量が高すぎれば、鋼材中の酸化物が粗大化して、鋼材の耐SSC性が低下する。したがって、REM含有量は0〜0.0100%である。REM含有量の好ましい下限は0%超であり、より好ましくは0.0001%であり、さらに好ましくは0.0003%であり、さらに好ましくは0.0006%であり、さらに好ましくは0.0010%である。REM含有量の好ましい上限は0.0025%であり、より好ましくは0.0020%である。
なお、本明細書におけるREMとは、原子番号21番のスカンジウム(Sc)、原子番号39番のイットリウム(Y)、及び、ランタノイドである原子番号57番のランタン(La)〜原子番号71番のルテチウム(Lu)からなる群から選択される1種以上の元素である。また、本明細書におけるREM含有量とは、これら元素の合計含有量である。
上記のCa、Mg、Zr、及び、REMからなる群から選択される2種以上を複合して含有する場合の合計量は、0.0100%以下であることが好ましく、0.0050%以下であることがさらに好ましい。
上述の鋼材の化学組成はさらに、Feの一部に代えて、Co及びWからなる群から選択される1種以上を含有してもよい。これらの元素はいずれも任意元素であり、サワー環境において、保護性の腐食被膜を形成し、鋼材への水素の侵入を抑制する。これにより、これらの元素は鋼材の耐SSC性を高める。
Co:0〜1.50%
コバルト(Co)は任意元素であり、含有されなくてもよい。すなわち、Co含有量は0%であってもよい。含有される場合、Coはサワー環境において、保護性の腐食被膜を形成し、鋼材への水素の侵入を抑制する。これにより、鋼材の耐SSC性を高める。Coが少しでも含有されれば、この効果がある程度得られる。しかしながら、Co含有量が高すぎれば、鋼材の焼入れ性が低下して、鋼材の強度が低下する。したがって、Co含有量は0〜1.50%である。Co含有量の好ましい下限は0%超であり、より好ましくは0.02%であり、さらに好ましくは0.05%である。Co含有量の好ましい上限は1.25%であり、より好ましくは1.00%であり、さらに好ましくは0.80%であり、さらに好ましくは0.60%であり、さらに好ましくは0.50%である。
W:0〜1.50%
タングステン(W)は任意元素であり、含有されなくてもよい。すなわち、W含有量は0%であってもよい。含有される場合、Wはサワー環境において、保護性の腐食被膜を形成し、鋼材への水素の侵入を抑制する。これにより、鋼材の耐SSC性を高める。Wが少しでも含有されれば、この効果がある程度得られる。しかしながら、W含有量が高すぎれば、鋼材中に粗大な炭化物が生成して、鋼材の耐SSC性が低下する。したがって、W含有量は0〜1.50%である。W含有量の好ましい下限は0%超であり、より好ましくは0.02%であり、さらに好ましくは0.05%である。W含有量の好ましい上限は1.25%であり、より好ましくは1.00%であり、さらに好ましくは0.80%であり、さらに好ましくは0.60%であり、さらに好ましくは0.50%である。
上述の鋼材の化学組成はさらに、Feの一部に代えて、Ni及びCuからなる群から選択される1種以上を含有してもよい。これらの元素はいずれも任意元素であり、鋼材の焼入れ性を高める。
Ni:0〜0.50%
ニッケル(Ni)は任意元素であり、含有されなくてもよい。すなわち、Ni含有量は0%であってもよい。含有される場合、Niは鋼材の焼入れ性を高め、鋼材の強度を高める。Niが少しでも含有されれば、この効果がある程度得られる。しかしながら、Ni含有量が高すぎれば、局部的な腐食が促進され、鋼材の耐SSC性が低下する。したがって、Ni含有量は0〜0.50%である。Ni含有量の好ましい下限は0%超であり、より好ましくは0.02%である。Ni含有量の好ましい上限は0.35%であり、より好ましくは0.25%である。
Cu:0〜0.50%
銅(Cu)は任意元素であり、含有されなくてもよい。すなわち、Cu含有量は0%であってもよい。含有される場合、Cuは鋼材の焼入れ性を高め、鋼材の強度を高める。Cuが少しでも含有されれば、この効果がある程度得られる。しかしながら、Cu含有量が高すぎれば、鋼材の焼入れ性が高くなりすぎ、鋼材の耐SSC性が低下する。したがって、Cu含有量は0〜0.50%である。Cu含有量の好ましい下限は0%超であり、より好ましくは0.02%である。Cu含有量の好ましい上限は0.35%であり、より好ましくは0.25%である。
[KAM値]
本実施形態による鋼材は、降伏強度が655〜862MPa未満(95ksi級及び110ksi級)の場合、KAM値が1°以下の割合が40面積%以上である。本実施形態による鋼材はさらに、降伏強度が862〜965MPa未満(125ksi級)の場合、KAM値が1°以下の割合が35面積%以上である。本実施形態による鋼材はさらに、降伏強度が965〜1069MPa(140ksi級)の場合、KAM値が1°以下の割合が30面積%以上である。
上述のとおり、KAM値とは、鋼材のミクロ組織における、結晶方位の周囲からのずれを示す指標である。KAM値が大きい測定点では、その測定点の周囲との結晶方位の差が大きい。この場合、その測定点では、結晶の微視的な歪みが局所的に大きい。一方、KAM値が小さい測定点では、その測定点の周囲との結晶方位の差が小さい。この場合、その測定点では、結晶の微視的な歪みが低減されている。
そのため、KAM値に基づいて作成したKAMマップによれば、鋼材中のミクロ組織における、結晶の微視的な歪みの分布を可視化することができる。そこで、本実施形態による鋼材は、KAMマップによって可視化された、KAM値が1°以下の面積の割合を高める。その結果、本実施形態による鋼材は、耐SSC性を高めることができる。
すなわち、本実施形態では、従前から用いられてきた、転位密度に代表される結晶の微視的な歪みの平均値ではなく、結晶の微視的な歪みの分布を指標とする。結晶の微視的な歪みの分布の指標である、KAM値が1°以下の面積の割合を求めるためのKAMマップを作成する範囲は特に限定されないが、たとえば、100μm×100μmである。この程度の範囲で作成されたKAMマップは、結晶の微視的な歪みの分布と精度良く相関する。
要するに、本実施形態による鋼材のKAM値が1°以下の面積の割合は、単純に転位密度と比較できるものではない。たとえば、転位密度が高い場合であっても、KAM値が1°以下の面積の割合は低い場合があり得る。一方、転位密度が低い場合であっても、KAM値が1°以下の面積の割合は高い場合があり得る。
以上のとおり、KAM値が1°以下の割合は、鋼材のミクロ組織における、微視的な歪みを示す指標である。KAM値が1°以下の割合が小さすぎれば、鋼材のミクロ組織において、微視的な歪みが十分に低減できていない。その結果、鋼材は優れた耐SSC性を示さない。そこで、本実施形態による鋼材は、得ようとする降伏強度ごとに、KAM値が1°以下の割合を高める。
降伏強度が655〜862MPa未満(95ksi級及び110ksi級)の場合、KAM値が1°以下の割合が40面積%以上である。この場合、KAM値が1°以下の割合の好ましい下限は45面積%であり、より好ましくは47面積%であり、さらに好ましくは50面積%であり、さらに好ましくは53面積%である。
降伏強度が862〜965MPa未満(125ksi級)の場合、KAM値が1°以下の割合が35面積%以上である。この場合、KAM値が1°以下の割合の好ましい下限は37面積%であり、より好ましくは40面積%であり、さらに好ましくは42面積%であり、さらに好ましくは45面積%である。
降伏強度が965〜1069MPa(140ksi級)の場合、KAM値が1°以下の割合が30面積%以上である。この場合、KAM値が1°以下の割合の好ましい下限は32面積%であり、より好ましくは35面積%であり、さらに好ましくは37面積%であり、さらに好ましくは40面積%である。
なお、KAM値が1°以下の割合は、なるべく高い方が好ましい。すなわち、KAM値が1°以下の割合の上限は特に限定しない。要するに、KAM値が1°以下の割合は、100面積%であってもよい。
しかしながら、本実施形態によるEBSD法においては、隣接する結晶との方位差が5°以上で囲まれる領域を結晶粒と認定する。そのため、結晶粒界近傍におけるKAM値は、大きくなりやすい。なお、サワー環境での使用が想定される、本実施形態による鋼材においては、後述する測定方法における観察視野面積では、観察視野中に結晶粒界が観察される。したがって、本実施形態による鋼材は、実質的に、KAM値が1°以下の割合の上限が100面積%未満である。
本実施形態による鋼材のKAM値は、以下の方法で求めることができる。本実施形態による鋼材から、KAM値測定用の試験片を採取する。鋼材が鋼板である場合、板厚中央部から試験片を採取する。鋼材が鋼管である場合、肉厚中央部から試験片を採取する。なお、試験片の大きさは、板厚中央部又は肉厚中央部を中心とした、100μm×100μmの観察面を有していれば足り、特に限定されない。
上述の観察面に対して鏡面研磨を行い、表面を仕上げる。表面を仕上げた試験片に対して、100μm×100μmの視野を0.3μmピッチでEBSD測定を行う。EBSD測定では、加速電圧を20kVとする。求めたEBSD測定値から、KAM値を求める。
KAM値は、上述のとおりに定義される。具体的には、100μm×100μmの範囲を正六角形のピクセル単位に区切る。ピクセルの一辺は0.15μmである。任意の1つの正六角形のピクセルを中心ピクセルとして選定する。選定された中心ピクセルと、中心ピクセルの外側に隣接して配置された6つのピクセルにおいて、各ピクセル間の方位差を求める。得られた方位差の平均値を求め、その平均値を中心ピクセルのKAM値と定義する。100μm×100μmの範囲全てのピクセルについて、同様の方法を用いて、KAM値を求める。
観察視野中の各ピクセルのKAM値を算出した後、各ピクセルのKAM値を示すKAMマップを作成する。得られたKAMマップにおいて、全ピクセルのKAM値を集計する。全ピクセルのKAM値のうち、KAM値が1°以下の割合を求める。求めた割合を、KAM値が1°以下の割合(面積%)と定義する。
なお、KAM値を求めるためのEBSD解析プログラムは、周知のプログラムを用いればよい。たとえば、(株)TSLソリューションズ製のOIM Data Collection/Analysis 6.2.0を用いてもよい。
[ミクロ組織]
本実施形態による鋼材のミクロ組織は、主として焼戻しマルテンサイト及び焼戻しベイナイトからなる。より具体的には、ミクロ組織は体積率で95%以上の焼戻しマルテンサイト及び/又は焼戻しベイナイトからなる。すなわち、ミクロ組織は、焼戻しマルテンサイト及び焼戻しベイナイトの体積率の合計が95%以上である。ミクロ組織の残部はたとえば、フェライト、又は、パーライトである。
上述の化学組成を有する鋼材のミクロ組織が、焼戻しマルテンサイト及び焼戻しベイナイトの体積率の合計が95%以上を含有すれば、降伏強度が655〜1069MPa(95〜140ksi級)、及び、降伏比が85%以上となる。
本実施形態においては、降伏強度が655〜1069MPa(95〜140ksi級)、及び、降伏比が85%以上であれば、ミクロ組織は、焼戻しマルテンサイト及び焼戻しベイナイトの体積率の合計が95%以上であるものとする。好ましくは、ミクロ組織は焼戻しマルテンサイト及び/又は焼戻しベイナイトのみからなる。すなわち、ミクロ組織は焼戻しマルテンサイト及び焼戻しベイナイトの体積率が100%であってもよい。
なお、焼戻しマルテンサイト及び焼戻しベイナイトの体積率の合計を観察により求める場合、以下の方法で求めることができる。鋼材が鋼板である場合、板厚中央部から圧延方向10mm、板厚方向10mmの観察面を有する試験片を切り出す。鋼材が鋼管である場合、肉厚中央部から管軸方向10mm、肉厚方向10mmの観察面を有する試験片を切り出す。
観察面を鏡面に研磨した後、ナイタール腐食液に10秒程度浸漬して、エッチングによる組織現出を行う。エッチングした観察面を、走査電子顕微鏡(SEM:Scanning Electron Microscope)を用いて、二次電子像にて10視野観察する。視野面積は、たとえば、400μm2(倍率5000倍)である。
各視野において、コントラストから焼戻しマルテンサイト及び焼戻しベイナイトを特定する。特定した焼戻しマルテンサイト及び焼戻しベイナイトの面積分率の合計を求める。本実施形態において、全ての視野で求めた、焼戻しマルテンサイト及び焼戻しベイナイトの面積分率の合計の算術平均値を、焼戻しマルテンサイト及び焼戻しベイナイトの体積率(%)と定義する。
[鋼材の形状]
本実施形態による鋼材の形状は、特に限定されない。鋼材はたとえば鋼管、鋼板である。鋼材が油井用鋼管である場合、好ましくは、鋼材は継目無鋼管である。本実施形態による鋼材が継目無鋼管である場合、肉厚は特に限定されず、たとえば、9〜60mmである。本実施形態による鋼材は特に、厚肉の継目無鋼管としての使用に適する。より具体的には、本実施形態による鋼材が15mm以上、さらに、20mm以上の厚肉の継目無鋼管であっても、95〜140ksi級の降伏強度と、優れた耐SSC性とを両立することができる。
[鋼材の降伏強度及び降伏比]
本実施形態による鋼材の降伏強度は655〜1069MPa(95〜140ksi級)であり、降伏比は85%以上である。要するに、本実施形態による鋼材は、95ksi級、110ksi級、125ksi級、又は、140ksi級のいずれかの降伏強度と、85%以上の降伏比とを有する。
本実施形態による鋼材の降伏強度は、API 5CT(2011)に準拠して定義する。具体的に、本実施形態による鋼材の降伏強度は、降伏強度の範囲ごとに、それぞれ定義する。より具体的に、本実施形態による鋼材の降伏強度が655〜758MPa未満(95ksi級)の場合、降伏強度とは、引張試験で得られた0.5%伸び時の応力(0.5%耐力)を意味する。本実施形態による鋼材の降伏強度が758〜862MPa未満(110ksi級)の場合、降伏強度とは、引張試験で得られた0.7%伸び時の応力(0.7%耐力)を意味する。
本実施形態による鋼材の降伏強度が862〜965MPa未満(125ksi級)の場合、降伏強度とは、引張試験で得られた0.65%伸び時の応力(0.65%耐力)を意味する。本実施形態による鋼材の降伏強度が965〜1069MPa(140ksi級)の場合、降伏強度とは、引張試験で得られた0.65%伸び時の応力(0.65%耐力)を意味する。
本実施形態による鋼材は、655〜1069MPa(95〜140ksi級)の降伏強度に調整しても、上述の化学組成、KAM値が1°以下の割合、及び、ミクロ組織を満たすことで、優れた耐SSC性を有する。なお、降伏比(YR)は引張強度(TS)に対する降伏強度(YS)の比(YR=YS/TS)である。
本実施形態による鋼材の降伏強度及び降伏比は、次の方法で求めることができる。具体的に、ASTM E8(2013)に準拠した方法で、引張試験を行う。本実施形態による鋼材から、丸棒試験片を採取する。鋼材が鋼板である場合、板厚中央部から丸棒試験片を採取する。鋼材が鋼管である場合、肉厚中央部から丸棒試験片を採取する。
丸棒試験片の大きさは、たとえば、平行部の直径8.9mm、平行部の長さ35.6mmである。なお、丸棒試験片の軸方向は、鋼材の圧延方向と平行である。丸棒試験片を用いて、常温(25℃)、大気中で引張試験を実施する。
得られた0.5%伸び時の応力(0.5%耐力)が655〜758MPa未満(95ksi級)の場合、0.5%耐力を降伏強度と定義する。得られた0.7%伸び時の応力(0.7%耐力)が758〜862MPa未満(110ksi級)の場合、0.7%耐力を降伏強度と定義する。得られた0.65%伸び時の応力(0.65%耐力)が862〜1069MPa(125ksi級又は140ksi級)の場合、0.65%耐力を降伏強度と定義する。
また、一様伸び中の最大応力を引張強度(MPa)と定義する。降伏比(YR)(%)は、引張強度(TS)に対する降伏強度(YS)の比(YR=YS/TS)として求めることができる。
[鋼材の耐SSC性]
上述のとおり、鋼材中の転位には、水素が吸蔵される可能性がある。そのため、鋼材の降伏強度が高いほど、鋼材の耐SSC性が低下すると考えられてきた。そこで、本実施形態においても、降伏強度ごとに、優れた耐SSC性を定義する。具体的に、優れた耐SSC性とは、以下のとおりに定義される。
[降伏強度が95ksi級の場合の耐SSC性]
鋼材の降伏強度が95ksi級の場合、鋼材の耐SSC性は4点曲げ試験によって評価できる。以下、鋼材の降伏強度が95ksi級の場合の、優れた耐SSC性について詳述する。
本実施形態による鋼材から、試験片を採取する。鋼材が鋼板である場合、板厚中央部から試験片を採取する。鋼材が鋼管である場合、肉厚中央部から試験片を採取する。試験片の大きさは、たとえば、厚さ2mm、幅10mm、長さ75mmである。なお、試験片の長手方向は、鋼材の圧延方向と平行である。
試験溶液は、5.0質量%塩化ナトリウム水溶液とする。試験片に対して、ASTM G39−99(2011)に準拠して、各試験片に与えられる応力が、実降伏応力の95%になるように、4点曲げによって応力を負荷する。
応力を負荷した試験片を、試験治具ごとオートクレーブに封入する。オートクレーブに試験溶液を、気相部を残して注入し、試験浴とする。試験浴を脱気した後、オートクレーブに15atmのH2Sガスを加圧封入し、試験浴を撹拌してH2Sガスを飽和させる。オートクレーブを封じた後、試験浴を24℃で撹拌する。
本実施形態による鋼材は、降伏強度が95ksi級の場合、以上の4点曲げ試験において、720時間(30日間)経過後に割れが確認されなければ、優れた耐SSC性を有すると判断する。なお、本明細書において、「割れが確認されない」とは、試験後の試験片を肉眼によって観察した場合、試験片に割れが確認されないことを意味する。
[降伏強度が110ksi級の場合の耐SSC性]
鋼材の降伏強度が110ksi級の場合、鋼材の耐SSC性は4点曲げ試験によって評価できる。以下、鋼材の降伏強度が110ksi級の場合の、優れた耐SSC性について詳述する。
本実施形態による鋼材から、試験片を採取する。鋼材が鋼板である場合、板厚中央部から試験片を採取する。鋼材が鋼管である場合、肉厚中央部から試験片を採取する。試験片の大きさは、たとえば、厚さ2mm、幅10mm、長さ75mmである。なお、試験片の長手方向は、鋼材の圧延方向と平行である。
試験溶液は、5.0質量%塩化ナトリウム水溶液とする。試験片に対して、ASTM G39−99(2011)に準拠して、各試験片に与えられる応力が、実降伏応力の90%になるように、4点曲げによって応力を負荷する。
応力を負荷した試験片を、試験治具ごとオートクレーブに封入する。オートクレーブに試験溶液を、気相部を残して注入し、試験浴とする。試験浴を脱気した後、オートクレーブに15atmのH2Sガスを加圧封入し、試験浴を撹拌してH2Sガスを飽和させる。オートクレーブを封じた後、試験浴を24℃で撹拌する。
本実施形態による鋼材は、降伏強度が110ksi級の場合、以上の4点曲げ試験において、720時間(30日間)経過後に割れが確認されなければ、優れた耐SSC性を有すると判断する。なお、本明細書において、「割れが確認されない」とは、試験後の試験片を肉眼によって観察した場合、試験片に割れが確認されないことを意味する。
[降伏強度が125ksi級の場合の耐SSC性]
鋼材の降伏強度が125ksi級の場合、鋼材の耐SSC性は、NACE TM0177−2005 Method Dに準拠したDCB試験によって評価できる。以下、鋼材の降伏強度が125ksi級の場合の、優れた耐SSC性について詳述する。
本実施形態による鋼材から、図1Aに示すDCB試験片を採取する。鋼材が鋼板である場合、板厚中央部からDCB試験片を採取する。鋼材が鋼管である場合、肉厚中央部からDCB試験片を採取する。DCB試験片の長手方向は、鋼材の圧延方向と平行である。
本実施形態による鋼材からさらに、図1Bに示すクサビを採取する。クサビの厚さtは2.82(mm)とする。図1Aを参照して、DCB試験片のアームの間に、上記クサビを打ち込む。クサビが打ち込まれたDCB試験片を、試験容器に封入する。
試験溶液は、酢酸でpH3.5に調整した、5.0質量%塩化ナトリウムと0.4質量%酢酸ナトリウムとの混合水溶液(NACE solution B)とする。DCB試験片が封入された試験容器に、上記試験溶液を、気相部を残して注入して、試験浴とする。
試験浴を脱気した後、0.03atmのH2Sと0.97atmのCO2との混合ガスを試験容器に吹き込み、試験浴を腐食環境とする。試験浴を撹拌しながら、試験容器内を4℃で408時間(17日間)保持する。保持後の試験容器からDCB試験片を取り出す。
取り出したDCB試験片のアーム先端に形成された孔にピンを差し込み、引張試験機で切欠部を開口して、クサビ解放応力Pを測定する。さらに、DCB試験片の切欠きを液体窒素中で解放させて、試験浴に浸漬中の割れ進展長さaを測定する。割れ進展長さaは、ノギスを用いて目視で測定できる。測定したクサビ解放応力Pと、割れ進展長さaとに基づいて、式(1)を用いて破壊靭性値K1SSC(MPa√m)を求める。
Figure 2019198468
なお、式(1)において、h(mm)はDCB試験片の各アームの高さであり、B(mm)はDCB試験片の厚さであり、Bn(mm)はDCB試験片のウェブ厚さである。これらは、NACE TM0177−2005 Method Dに規定されている。
本実施形態による鋼材は、降伏強度が125ksi級の場合、以上のDCB試験で求めた破壊靭性値K1SSCが15MPa√m以上であれば、優れた耐SSC性を有すると判断する。
[降伏強度が140ksi級の場合の耐SSC性]
鋼材の降伏強度が140ksi級の場合、鋼材の耐SSC性は、NACE TM0177−2005 Method Dに準拠したDCB試験によって評価できる。以下、鋼材の降伏強度が140ksi級の場合の、優れた耐SSC性について詳述する。
本実施形態による鋼材から、図1Aに示すDCB試験片を採取する。鋼材が鋼板である場合、板厚中央部からDCB試験片を採取する。鋼材が鋼管である場合、肉厚中央部からDCB試験片を採取する。DCB試験片の長手方向は、鋼材の圧延方向と平行である。
本実施形態による鋼材からさらに、図1Bに示すクサビを採取する。クサビの厚さtは3.13(mm)とする。図1Aを参照して、DCB試験片のアームの間に、上記クサビを打ち込む。クサビが打ち込まれたDCB試験片を、試験容器に封入する。
試験溶液は、酢酸でpH4.0に調整した、5.0質量%塩化ナトリウムと0.4質量%酢酸ナトリウムとの混合水溶液とする。DCB試験片が封入された試験容器に、上記試験溶液を、気相部を残して注入して、試験浴とする。
試験浴を脱気した後、0.003atmのH2Sと0.997atmのCO2との混合ガスを吹き込み、試験浴を腐食環境とする。試験浴を撹拌しながら、試験容器内を4℃で408時間(17日間)保持する。保持後の試験容器からDCB試験片を取り出す。
取り出したDCB試験片のアーム先端に形成された孔にピンを差し込み、引張試験機で切欠部を開口して、クサビ解放応力Pを測定する。さらに、DCB試験片の切欠きを液体窒素中で解放させて、試験浴に浸漬中のDCB試験片の割れ進展長さaを測定する。割れ進展長さaは、ノギスを用いて目視で測定できる。測定したクサビ解放応力Pと、割れ進展長さaとに基づいて、式(1)を用いて破壊靭性値K1SSC(MPa√m)を求める。
Figure 2019198468
なお、式(1)において、h(mm)はDCB試験片の各アームの高さであり、B(mm)はDCB試験片の厚さであり、Bn(mm)はDCB試験片のウェブ厚さである。これらは、NACE TM0177−2005 Method Dに規定されている。
本実施形態による鋼材は、降伏強度が140ksi級の場合、以上のDCB試験で求めた破壊靭性値K1SSCが24MPa√m以上であれば、優れた耐SSC性を有すると判断する。
[製造方法]
本実施形態による鋼材の製造方法を説明する。以下、本実施形態による鋼材の一例として、継目無鋼管の製造方法を説明する。継目無鋼管の製造方法は、素管を準備する工程(準備工程)と、素管に対して焼入れ及び焼戻しを実施して、継目無鋼管とする工程(焼入れ工程及び焼戻し工程)とを備える。なお、本実施形態による製造方法は、以下に説明する製造方法に限定されない。
[準備工程]
準備工程では、上述の化学組成を有する中間鋼材を準備する。中間鋼材が上記化学組成を有していれば、中間鋼材の製造方法は特に限定されない。ここでいう中間鋼材は、最終製品が鋼板の場合は板状の鋼材であり、最終製品が鋼管の場合は素管である。
準備工程は、素材を準備する工程(素材準備工程)と、素材を熱間加工して中間鋼材を製造する工程(熱間加工工程)とを含んでもよい。以下、素材準備工程と、熱間加工工程とを含む場合について、詳述する。
[素材準備工程]
素材準備工程では、上述の化学組成を有する溶鋼を用いて素材を製造する。素材の製造方法は特に限定されず、周知の方法でよい。具体的には、溶鋼を用いて連続鋳造法により鋳片(スラブ、ブルーム、又は、ビレット)を製造してもよい。溶鋼を用いて造塊法によりインゴットを製造してもよい。必要に応じて、スラブ、ブルーム又はインゴットを分塊圧延して、ビレットを製造してもよい。以上の工程により素材(スラブ、ブルーム、又は、ビレット)を製造する。
[熱間加工工程]
熱間加工工程では、準備された素材を熱間加工して中間鋼材を製造する。鋼材が継目無鋼管である場合、中間鋼材は素管に相当する。始めに、ビレットを加熱炉で加熱する。加熱温度は特に限定されないが、たとえば、1100〜1300℃である。加熱炉から抽出されたビレットに対して熱間加工を実施して、素管(継目無鋼管)を製造する。熱間加工の方法は、特に限定されず、周知の方法でよい。
たとえば、熱間加工としてマンネスマン法を実施して、素管を製造してもよい。この場合、穿孔機により丸ビレットを穿孔圧延する。穿孔圧延する場合、穿孔比は特に限定されないが、たとえば、1.0〜4.0である。穿孔圧延された丸ビレットをさらに、マンドレルミル、レデューサー、サイジングミル等により熱間圧延して素管にする。熱間加工工程での累積の減面率はたとえば、20〜70%である。
他の熱間加工方法により、ビレットから素管を製造してもよい。たとえば、カップリングのように短尺の厚肉鋼材である場合、エルハルト法等の鍛造により素管を製造してもよい。以上の工程により素管が製造される。素管の肉厚は特に限定されないが、たとえば、9〜60mmである。
熱間加工により製造された素管は空冷されてもよい(As−Rolled)。熱間加工により製造された素管は、常温まで冷却せずに、熱間加工後に直接焼入れを実施してもよく、熱間加工後に補熱(再加熱)した後、焼入れを実施してもよい。
熱間加工後に直接焼入れ、又は、補熱した後焼入れを実施する場合、焼入れ途中に冷却の停止、又は、緩冷却を実施してもよい。この場合、素管に焼割れが発生するのを抑制できる。熱間加工後に直接焼入れ、又は、補熱した後焼入れを実施する場合さらに、焼入れ後であって次工程の熱処理前に、応力除去焼鈍処理(SR処理)を実施してもよい。この場合、素管の残留応力が除去される。
以上のとおり、準備工程では中間鋼材を準備する。中間鋼材は、上述の好ましい工程により製造されてもよいし、第三者により製造された中間鋼材、又は、後述の焼入れ工程及び焼戻し工程が実施される工場以外の他の工場、他の事業所にて製造された中間鋼材を準備してもよい。以下、焼入れ工程について詳述する。
[焼入れ工程]
焼入れ工程では、準備された中間鋼材(素管)に対して、焼入れを実施する。本明細書において、「焼入れ」とは、A3点以上の中間鋼材を急冷することを意味する。好ましい焼入れ温度は850〜1000℃である。焼入れ温度が高すぎれば、旧γ粒の結晶粒が粗大になり、鋼材の耐SSC性が低下する場合がある。したがって、焼入れ温度は850〜1000℃であるのが好ましい。
ここで、焼入れ温度とは、熱間加工後に直接焼入れを実施する場合、最終の熱間加工を実施する装置の出側に設置された温度計で測定された、中間鋼材の表面温度に相当する。焼入れ温度とはさらに、熱間加工後に加熱又は補熱した後、焼入れを実施する場合、補熱を実施する炉の温度に相当する。
焼入れ方法はたとえば、焼入れ開始温度から中間鋼材(素管)を連続的に冷却し、素管の表面温度を連続的に低下させる。連続冷却処理の方法は特に限定されず、周知の方法でよい。連続冷却処理の方法はたとえば、水槽に素管を浸漬して冷却する方法や、シャワー水冷又はミスト冷却により素管を加速冷却する方法である。
焼入れ時の冷却速度が遅すぎれば、マルテンサイト及びベイナイト主体のミクロ組織とならない場合がある。この場合、後述する焼戻し工程後の鋼材は、本実施形態で規定する機械的特性(すなわち、95〜140ksi級の降伏強度、及び、85%以上の降伏比)が得られない。
したがって、本実施形態による鋼材の製造方法では、焼入れ時に中間鋼材(素管)を急冷する。具体的には、焼入れ工程において、中間鋼材(素管)の温度が800〜500℃の範囲における平均冷却速度を、焼入れ時冷却速度CR800-500と定義する。
本実施形態の焼入れ工程において、好ましい焼入れ時冷却速度CR800-500は300℃/分以上である。焼入れ時冷却速度CR800-500のより好ましい下限は450℃/分であり、さらに好ましくは600℃/分である。焼入れ時冷却速度CR800-500の上限は特に規定しないが、たとえば、60000℃/分である。
なお、焼入れ時冷却速度CR800-500は、焼入れされる中間鋼材の断面内で最も遅く冷却される部位(たとえば、両表面を強制冷却する場合、中間鋼材厚さの中心部)において測定された温度から決定することができる。
好ましくは、素管に対してオーステナイト域での加熱を複数回実施した後、焼入れを実施する。この場合、焼入れ前のオーステナイト粒が微細化されるため、鋼材の耐SSC性が高まる。複数回焼入れを実施することにより、オーステナイト域での加熱を複数回繰り返してもよいし、焼準及び焼入れを実施することにより、オーステナイト域での加熱を複数回繰り返してもよい。また、焼入れと後述する焼戻しとを組合せて、複数回実施してもよい。すなわち、複数回の焼入れ焼戻しを実施してもよい。この場合、鋼材の耐SSC性がさらに高まる。以下、焼戻し工程について詳述する。
[焼戻し工程]
焼戻し工程では、上述の焼入れを実施した後、焼戻しを実施する。本明細書において、「焼戻し」とは、焼入れ後の中間鋼材をAc1点未満の温度で再加熱して、保持することを意味する。焼戻し温度は、鋼材の化学組成、及び、得ようとする降伏強度に応じて適宜調整する。ここで、焼戻し温度とは、焼入れ後の中間鋼材を加熱して、保持する際の炉の温度に相当する。
すなわち、本実施形態による焼戻し工程では、上述の化学組成を有する中間鋼材(素管)に対して、焼戻し温度を調整して、鋼材の降伏強度を655〜1069MPa(95〜140ksi級)に調整する。以下、95ksi級、110ksi級、125ksi級、及び、140ksi級の降伏強度を得ようとする場合について、焼戻し温度を詳述する。
[降伏強度が95ksi級の場合の焼戻し温度]
95ksi級(655〜758MPa未満)の降伏強度を得ようとする場合、好ましい焼戻し温度は650〜740℃である。焼戻し温度が高すぎれば、転位密度が低減されすぎ、95ksi級の降伏強度が得られない場合がある。一方、焼戻し温度が低すぎれば、転位密度を十分に低減することができない場合がある。この場合、鋼材の降伏強度が高くなりすぎ、及び/又は、鋼材の耐SSC性が低下する。
したがって、95ksi級の降伏強度を得ようとする場合、焼戻し温度を650〜740℃とするのが好ましい。95ksi級の降伏強度を得ようとする場合、焼戻し温度のより好ましい下限は670℃であり、さらに好ましくは680℃である。95ksi級の降伏強度を得ようとする場合、焼戻し温度のより好ましい上限は730℃であり、さらに好ましくは720℃である。
[降伏強度が110ksi級の場合の焼戻し温度]
110ksi級(758〜862MPa未満)の降伏強度を得ようとする場合、好ましい焼戻し温度は650〜720℃である。焼戻し温度が高すぎれば、転位密度が低減されすぎ、110ksi級の降伏強度が得られない場合がある。一方、焼戻し温度が低すぎれば、転位密度を十分に低減することができない場合がある。この場合、鋼材の降伏強度が高くなりすぎ、及び/又は、鋼材の耐SSC性が低下する。
したがって、110ksi級の降伏強度を得ようとする場合、焼戻し温度を650〜720℃とするのが好ましい。110ksi級の降伏強度を得ようとする場合、焼戻し温度のより好ましい下限は660℃であり、さらに好ましくは670℃である。110ksi級の降伏強度を得ようとする場合、焼戻し温度のより好ましい上限は715℃であり、さらに好ましくは710℃である。
[降伏強度が125ksi級の場合の焼戻し温度]
125ksi級(862〜965MPa未満)の降伏強度を得ようとする場合、好ましい焼戻し温度は650〜720℃である。焼戻し温度が高すぎれば、転位密度が低減されすぎ、125ksi級の降伏強度が得られない場合がある。一方、焼戻し温度が低すぎれば、転位密度を十分に低減することができない場合がある。この場合、鋼材の降伏強度が高くなりすぎ、及び/又は、鋼材の耐SSC性が低下する。
したがって、125ksi級の降伏強度を得ようとする場合、焼戻し温度を650〜720℃とするのが好ましい。125ksi級の降伏強度を得ようとする場合、焼戻し温度のより好ましい下限は660℃であり、さらに好ましくは670℃である。125ksi級の降伏強度を得ようとする場合、焼戻し温度のより好ましい上限は715℃であり、さらに好ましくは710℃である。
[降伏強度が140ksi級の場合の焼戻し温度]
140ksi級(965〜1069MPa)の降伏強度を得ようとする場合、好ましい焼戻し温度は620〜720℃である。焼戻し温度が高すぎれば、転位密度が低減されすぎ、140ksi級の降伏強度が得られない場合がある。一方、焼戻し温度が低すぎれば、転位密度を十分に低減することができない場合がある。この場合、鋼材の降伏強度が高くなりすぎ、及び/又は、鋼材の耐SSC性が低下する。
したがって、140ksi級の降伏強度を得ようとする場合、焼戻し温度を620〜720℃とするのが好ましい。140ksi級の降伏強度を得ようとする場合、焼戻し温度のより好ましい下限は640℃であり、さらに好ましくは650℃である。140ksi級の降伏強度を得ようとする場合、焼戻し温度のより好ましい上限は700℃であり、さらに好ましくは690℃である。
以上のとおり、本実施形態による焼戻し工程では、得ようとする降伏強度(95ksi級、110ksi級、125ksi級、及び、140ksi級)に応じて、焼戻し温度を調整する。なお、上記化学組成を有する中間鋼材(素管)に対して、上記焼戻し温度で後述する焼戻し時間保持することにより、降伏強度を所望の範囲にすることは、当業者であれば十分に可能である。
本実施形態による焼戻し工程では、好ましい焼戻しの保持時間(焼戻し時間)は10〜180分である。ここで、焼戻し時間とは、中間鋼材を熱処理炉へ装入してから、抽出するまでの時間を意味する。
焼戻し時間が短すぎれば、焼戻しマルテンサイト及び焼戻しベイナイト主体のミクロ組織が得られない場合がある。一方、焼戻し時間が長すぎれば、上記効果は飽和する。焼戻し時間が長すぎればさらに、所望の降伏強度が得られない場合がある。したがって、本実施形態の焼戻し工程において、焼戻し時間は10〜180分とするのが好ましい。
焼戻し時間のより好ましい下限は15分である。焼戻し時間のより好ましい上限は120分であり、さらに好ましくは90分である。なお、鋼材が鋼管である場合、他の形状と比較して、焼戻しの均熱保持中に鋼管の温度ばらつきが発生しやすい。したがって、鋼材が鋼管である場合、焼戻し時間は15〜180分とするのが好ましい。
[焼戻し時の昇温速度と焼戻し後の冷却速度とについて]
従前の焼戻し工程では、焼戻し温度及び焼戻し時間のみを制御して、所望の機械的特性を得ていた。しかしながら、焼戻し温度及び焼戻し時間のみを制御すると、焼戻し後の冷却時に、炭化物が多量に析出する場合がある。析出した炭化物の周囲は、結晶方位に歪みが生じる。
すなわち、焼戻し温度及び焼戻し時間のみの制御では、多量の析出物の周囲に歪みが生じ、鋼材のKAM値が1°以下の割合が低下する場合がある。この場合、鋼材の耐SSC性が低下する。一方、焼戻し後の冷却速度を速くすれば、焼戻し後の鋼材のミクロ組織における炭化物の析出量を低減することができる。この場合、鋼材のミクロ組織において、KAM値が1°以下の割合が高まり、鋼材の耐SSC性を高めることができる。
さらに、粗大な炭化物の周囲は、微視的な歪みが大きくなりやすい。なお、析出した炭化物のうち、粒界に析出した炭化物は粗大になりやすい。この理由について、本発明者らは次のとおりに考えている。
焼入れ後の鋼材のミクロ組織において、炭素(C)はそのほとんどが固溶している。続いて、焼戻しを実施する際、焼戻し温度に至るまでの間に、微細な炭化物が粒界から析出する。粒界から析出した炭化物は、その後の焼戻し温度での保持、及び、その後の放冷の間に成長して、徐々に大きくなる。その結果、結晶粒界に粗大な炭化物が多数析出する。
以上の機構により、焼戻し工程における昇温速度を速くすれば、粒界からの炭化物の析出が低減され、鋼材のミクロ組織における炭化物の粗大化を抑制することができる。その結果、鋼材のKAM値が1°以下の割合が高まり、鋼材の耐SSC性を高めることができる。
そこで、本実施形態による鋼材の製造方法では、焼戻し工程において、焼戻しの昇温速度と、焼戻し後の冷却速度との両方を制御する。すなわち、本実施形態の焼戻し工程においては、焼戻し時の昇温速度と焼戻し後の冷却速度とを制御することで、鋼材のミクロ組織において、KAM値が1°以下の領域を高める。
具体的には、焼戻し時の昇温速度について、以下のとおりに制御する。焼戻し工程において、焼戻し時の中間鋼材(素管)の温度が100〜600℃の範囲における平均昇温速度を、焼戻し時昇温速度HR100-600と定義する。
焼戻し時の昇温速度HR100-600が遅すぎれば、上述のとおり、焼戻し後の炭化物が粗大になる場合がある。この場合、鋼材のミクロ組織において、KAM値が1°以下の割合が低下し、鋼材の耐SSC性が低下する。一方、焼戻し時昇温速度HR100-600が速すぎても、上記効果は飽和する。
したがって、本実施形態の焼戻し工程において、焼戻し時昇温速度HR100-600は10超〜50℃/分とするのが好ましい。なお、焼戻し時昇温速度HR100-600は、焼戻しされる中間鋼材の断面内で最も遅く昇温される部位(たとえば両表面を加熱する場合は、中間鋼材厚さの中心部)において測定する。
焼戻し時昇温速度HR100-600のより好ましい下限は13℃/分であり、さらに好ましくは15℃/分である。焼戻し時昇温速度HR100-600のより好ましい上限は40℃/分であり、さらに好ましくは30℃/分である。
焼戻し後の冷却速度については、以下のとおりに制御する。焼戻し工程において、焼戻し後の中間鋼材(素管)の温度が600〜200℃の範囲における平均冷却速度を、焼戻し後冷却速度CR600-200と定義する。
上述のとおり、焼戻し後の冷却速度CR600-200が遅すぎれば、鋼材のミクロ組織に炭化物が多数析出する場合がある。この場合、鋼材のミクロ組織において、KAM値が1°以下の領域が低下し、鋼材の耐SSC性が低下する。
したがって、本実施形態の焼戻し工程において、焼戻し後冷却速度CR600-200は5〜100℃/秒とするのが好ましい。なお、焼戻し後冷却速度CR600-200は、焼戻しされた中間鋼材の断面内で最も遅く冷却される部位(たとえば両表面を強制冷却する場合は、中間鋼材厚さの中心部)において測定する。
焼戻し後冷却速度CR600-200のより好ましい下限は10℃/秒であり、さらに好ましくは15℃/秒である。焼戻し後冷却速度CR600-200のより好ましい上限は100℃/秒未満であり、さらに好ましくは70℃/秒である。
焼戻し時昇温速度HR100-600を10超〜50℃/分とする昇温方法は、特に限定されず、周知の方法でよい。焼戻し後冷却速度CR600-200を5〜100℃/秒とする冷却方法は、特に限定されず、周知の方法でよい。冷却方法は、たとえば、焼戻し温度から素管を連続的に強制冷却し、素管の表面温度を連続的に低下する。このような連続冷却処理としてたとえば、水槽に素管を浸漬して冷却する方法や、シャワー水冷、ミスト冷却あるいは強制風冷により素管を加速冷却する方法がある。
なお、焼戻しを複数回実施する場合、最終の焼戻しについて、焼戻し時の昇温と、焼戻し後の冷却とを制御すればよい。すなわち、最終の焼戻し以外の焼戻しにおける、焼戻し時の昇温と、焼戻し後の冷却とは従来と同様に実施してもよい。
以上の製造方法によれば、本実施形態による鋼材を製造することができる。上述の製造方法では、一例として継目無鋼管の製造方法を説明した。しかしながら、本実施形態による鋼材は、鋼板や他の形状であってもよい。鋼板や他の形状の製造方法も、上述の製造方法と同様に、たとえば、準備工程と、焼入れ工程と、焼戻し工程とを備える。しかしながら、上述の製造方法は一例であり、他の製造方法によって製造されてもよい。
以下、実施例によって本発明をより具体的に説明する。
実施例1では、95ksi級(655〜758MPa未満)の降伏強度を有する鋼材における耐SSC性について調査した。具体的に、表1に示す化学組成を有する、溶鋼を製造した。
Figure 2019198468
上記溶鋼を用いて外径310mmのビレットを製造した。製造したビレットを1250℃に加熱した後、熱間圧延し、外径244.48mm、肉厚13.84mmの継目無鋼管を製造した。製造した継目無鋼管から、後述する評価試験に用いる試験片が採取できる大きさで、かつ、厚さ13.84mmの板状の供試材を採取した。
各試験番号の供試材について、焼入れ及び焼戻しを2回繰り返して実施した。なお、本実施例における焼入れ温度(℃)は、焼入れ前の加熱を実施した炉の温度とした。本実施例における均熱時間(分)は、各試験番号の供試材を、焼入れ前の加熱を実施した炉に装入してから、取り出すまでの時間とした。本実施例における焼戻し温度(℃)は、焼戻しを実施した炉の温度とした。本実施例における焼戻し時間(分)は、各試験番号の供試材を、焼戻しを実施した炉に装入してから、取り出すまでの時間とした。
具体的に、各試験番号の供試材について、焼入れ温度920℃で10分均熱した。均熱後の各試験番号の供試材を、水槽に浸漬して水冷した。このとき、各試験番号の供試材について、1回目の焼入れ時冷却速度CR800-500は、いずれも300℃/分であった。焼入れ時冷却速度CR800-500は、あらかじめ供試材の厚さ中央部に装入したシース型のK熱電対により測定した温度から決定した。
1回目の焼入れ後の各試験番号の供試材に対して、1回目の焼戻しを実施した。1回目の焼戻しでは、各試験番号の供試材を、焼戻し温度700℃、焼戻し時間30分で保持した後、常温まで放冷した。
1回目の焼入れ及び焼戻しが実施された、各試験番号の供試材に対して、2回目の焼入れを実施した。具体的に、各試験番号の供試材に対して実施した2回目の焼入れでは、焼入れ温度(℃)、及び、均熱時間(分)は表2に示すとおりであった。均熱後の各試験番号の供試材を、水槽に浸漬して水冷した。このとき、2回目の焼入れ時冷却速度CR800-500は300℃/分であった。
Figure 2019198468
続いて、2回目の焼入れが実施された各試験番号の供試材に対して、2回目の焼戻しを実施した。具体的に、各試験番号の供試材に対して実施した2回目の焼戻しでは、焼戻し時昇温速度HR100-600(℃/分)、焼戻し温度(℃)、及び、焼戻し時間(分)は表2に示すとおりであった。
各焼戻し温度で熱処理を実施した後、各試験番号の供試材を冷却した。冷却は、供試材の両面からミスト水冷の制御冷却を実施した。各試験番号の供試材に対して実施した焼戻しでは、焼戻し後冷却速度CR600-200(℃/秒)は表2に示すとおりであった。焼戻し時昇温速度HR100-600(℃/分)、及び、焼戻し後冷却速度CR600-200は、あらかじめ供試材の厚さ中央部に装入したシース型のK熱電対により測定した温度から決定した。
[評価試験]
上記の焼戻し後の各試験番号の供試材に対して、以下に説明する引張試験、ミクロ組織判定試験、KAM値測定試験、及び、耐SSC性試験を実施した。
[引張試験]
引張試験はASTM E8(2013)に準拠して行った。各試験番号の供試材の厚さ中央部から、平行部の直径8.9mm、平行部の長さ35.6mmの丸棒試験片を作製した。丸棒試験片の軸方向は、供試材の圧延方向(すなわち、継目無鋼管の軸方向)と平行であった。各試験番号の丸棒試験片を用いて、常温(25℃)、大気中にて引張試験を実施して、降伏強度(MPa)及び引張強度(MPa)を得た。
なお、実施例1では、引張試験で得られた0.5%耐力を、各試験番号の降伏強度とした。一様伸び中の最大応力を、引張強度とした。求めた降伏強度(YS)と引張強度(TS)との比(YS/TS)を、降伏比YR(%)とした。求めた降伏強度(YS)、引張強度(TS)、及び、降伏比(YR)を、表2に示す。
[ミクロ組織判定試験]
各試験番号の供試材は、いずれも降伏強度が655〜758MPa未満(95ksi級)、及び、降伏比が85%以上であった。そのため、各試験番号の供試材のミクロ組織は、いずれも焼戻しマルテンサイト及び焼戻しベイナイトの体積率の合計が95%以上であると判断した。
[KAM値測定試験]
各試験番号の供試材における、KAM値が1°以下の割合を求めた。KAM値が1°以下の割合は、上述の方法を用いて求めた。求めたKAM値が1°以下の割合を、「KAM≦1°割合(面積%)」として表2に示す。
[耐SSC性試験]
各試験番号の供試材を用いて、4点曲げ試験を実施して、耐SSC性を評価した。各試験番号の供試材の厚さ中央部から、厚さ2mm、幅10mm、長さ75mmの試験片を3本作製した。試験片の長手方向は、供試材の圧延方向(すなわち、継目無鋼管の軸方向)と平行であった。
各試験番号の試験片に対して、ASTM G39−99(2011)に準拠して、試験片に与えられる応力が、各試験番号の鋼板の実降伏応力の95%になるように、4点曲げによって応力を負荷した。応力を負荷した2本の試験片を、試験治具ごとオートクレーブに封入した。
試験溶液は、5.0質量%塩化ナトリウム水溶液を用いた。オートクレーブに24℃の試験溶液を、気相部を残して注入し、試験浴とした。試験浴を脱気した後、15atmのH2Sガスを加圧封入し、試験浴を撹拌してH2Sガスを試験浴に飽和させた。オートクレーブを封じた後、試験浴を24℃で720時間(30日間)撹拌した。
720時間(30日間)保持後の各試験番号の試験片に対して、硫化物応力割れ(SSC)の発生の有無を観察した。具体的には、720時間(30日間)保持後の試験片を肉眼で観察した。観察の結果、いずれの試験片にも割れが確認されなかったものを、「E」(Excellent)と判断した。一方、少なくとも1本の試験片に割れが確認されたものを、「NA」(Not Acceptable)と判断した。
[試験結果]
表2に試験結果を示す。
表1及び表2を参照して、試験番号1−1、1−4〜1−15、1−21、及び、1−22の供試材の化学組成は適切であり、降伏強度が655〜758MPa未満(95ksi級)であり、降伏比が85%以上であった。さらにKAM≦1°割合が40面積%以上であった。その結果、4点曲げ試験において、優れた耐SSC性を示した。
一方、試験番号1−2及び1−3の供試材では、焼戻し時昇温速度HR100-600が遅すぎた。さらに、焼戻し後冷却速度CR600-200が遅すぎた。そのため、KAM≦1°割合が40面積%未満となった。その結果、4点曲げ試験において、優れた耐SSC性を示さなかった。
試験番号1−16の供試材では、焼戻し時昇温速度HR100-600が遅すぎた。そのため、KAM≦1°割合が40面積%未満となった。その結果、4点曲げ試験において、優れた耐SSC性を示さなかった。
試験番号1−17の供試材では、焼戻し後冷却速度CR600-200が遅すぎた。そのため、KAM≦1°割合が40面積%未満となった。その結果、4点曲げ試験において、優れた耐SSC性を示さなかった。
試験番号1−18の供試材では、Mo含有量が低すぎた。その結果、4点曲げ試験において、優れた耐SSC性を示さなかった。
試験番号1−19の供試材では、S含有量が高すぎた。その結果、4点曲げ試験において、優れた耐SSC性を示さなかった。
試験番号1−20の供試材では、O含有量が高すぎた。その結果、4点曲げ試験において、優れた耐SSC性を示さなかった。
実施例2では、110ksi級(758〜862MPa未満)の降伏強度を有する鋼材における耐SSC性について調査した。具体的に、表3に示す化学組成を有する、溶鋼を製造した。
Figure 2019198468
上記溶鋼を用いて外径310〜360mmのビレットを製造した。製造したビレットを1250℃に加熱した後、熱間圧延し、外径244.48〜346.08mm、肉厚13.84〜15.88mmの継目無鋼管を製造した。製造した継目無鋼管から、後述する評価試験に用いる試験片が採取できる大きさで、かつ、厚さ13.84〜15.88mmの板状の供試材を採取した。
各試験番号の供試材について、焼入れ及び焼戻しを2回繰り返して実施した。なお、本実施例における焼入れ温度(℃)は、焼入れ前の加熱を実施した炉の温度とした。実施例1と同様に、本実施例における均熱時間(分)は、各試験番号の供試材を、焼入れ前の加熱を実施した炉に装入してから、取り出すまでの時間とした。本実施例における焼戻し温度(℃)は、焼戻しを実施した炉の温度とした。本実施例における焼戻し時間(分)は、各試験番号の供試材を、焼戻しを実施した炉に装入してから、取り出すまでの時間とした。
具体的に、各試験番号の供試材について、焼入れ温度920℃で10分均熱した。均熱後の各試験番号の供試材を、水槽に浸漬して水冷した。このとき、各試験番号の供試材について、1回目の焼入れ時冷却速度CR800-500は、いずれも300℃/分であった。焼入れ時冷却速度CR800-500は、あらかじめ供試材の厚さ中央部に装入したシース型のK熱電対により測定した温度から決定した。
1回目の焼入れ後の各試験番号の供試材に対して、1回目の焼戻しを実施した。1回目の焼戻しでは、各試験番号の供試材を、焼戻し温度700℃、焼戻し時間30分で保持した後、常温まで放冷した。
1回目の焼入れ及び焼戻しが実施された、各試験番号の供試材に対して、2回目の焼入れを実施した。具体的に、各試験番号の供試材に対して実施した2回目の焼入れでは、焼入れ温度(℃)、及び、均熱時間(分)は表2に示すとおりであった。均熱後の各試験番号の供試材を、水槽に浸漬して水冷した。このとき、2回目の焼入れ時冷却速度CR800-500は300℃/分であった。
Figure 2019198468
続いて、2回目の焼入れが実施された各試験番号の供試材に対して、2回目の焼戻しを実施した。具体的に、各試験番号の供試材に対して実施した2回目の焼戻しでは、焼戻し時昇温速度HR100-600(℃/分)、焼戻し温度(℃)、及び、焼戻し時間(分)は表4に示すとおりであった。
各焼戻し温度で熱処理を実施した後、各試験番号の供試材を冷却した。冷却は、供試材の両面からミスト水冷の制御冷却を実施した。各試験番号の供試材に対して実施した焼戻しでは、焼戻し後冷却速度CR600-200(℃/秒)は表4に示すとおりであった。なお、焼戻し時昇温速度HR100-600(℃/分)、及び、焼戻し後冷却速度CR600-200は、あらかじめ供試材の厚さ中央部に装入したシース型のK熱電対により測定した温度から決定した。
[評価試験]
上記の焼戻し後の各試験番号の供試材に対して、以下に説明する引張試験、ミクロ組織判定試験、KAM値測定試験、及び、耐SSC性試験を実施した。
[引張試験]
引張試験は実施例1と同様に、ASTM E8(2013)に準拠して行った。実施例1と同様に作製した、各試験番号の丸棒試験片を用いて、常温(25℃)、大気中にて引張試験を実施して、降伏強度(MPa)及び引張強度(MPa)を得た。
なお、実施例2では、引張試験で得られた0.7%耐力を、各試験番号の降伏強度とした。一様伸び中の最大応力を、引張強度とした。求めた降伏強度(YS)と引張強度(TS)との比(YS/TS)を、降伏比YR(%)とした。求めた降伏強度(YS)、引張強度(TS)、及び、降伏比(YR)を、表4に示す。
[ミクロ組織判定試験]
各試験番号の供試材は、いずれも降伏強度が758〜862MPa未満(110ksi級)、及び、降伏比が85%以上であった。そのため、各試験番号の供試材のミクロ組織は、いずれも焼戻しマルテンサイト及び焼戻しベイナイトの体積率の合計が95%以上であると判断した。
[KAM値測定試験]
各試験番号の供試材における、KAM値が1°以下の割合を求めた。KAM値が1°以下の割合は、上述の方法を用いて求めた。求めたKAM値が1°以下の割合を、「KAM≦1°割合(面積%)」として表4に示す。
[耐SSC性試験]
各試験番号の供試材を用いて、4点曲げ試験を実施して、耐SSC性を評価した。実施例1と同様に、各試験番号の試験片を作製した。各試験番号の試験片に対して、ASTM G39−99(2011)に準拠して、試験片に与えられる応力が、各試験番号の鋼板の実降伏応力の90%になるように、4点曲げによって応力を負荷した。応力を負荷した2本の試験片を、試験治具ごとオートクレーブに封入した。
試験溶液は、5.0質量%塩化ナトリウム水溶液を用いた。オートクレーブに24℃の試験溶液を、気相部を残して注入し、試験浴とした。試験浴を脱気した後、15atmのH2Sを加圧封入し、試験浴を撹拌してH2Sガスを試験浴に飽和させた。オートクレーブを封じた後、試験浴を24℃で720時間(30日間)撹拌した。
720時間(30日間)保持後の各試験番号の試験片に対して、硫化物応力割れ(SSC)の発生の有無を観察した。具体的には、720時間(30日間)保持後の試験片を肉眼で観察した。観察の結果、いずれの試験片にも割れが確認されなかったものを、「E」(Excellent)と判断した。一方、少なくとも1本の試験片に割れが確認されたものを、「NA」(Not Acceptable)と判断した。
[試験結果]
表4に試験結果を示す。
表3及び表4を参照して、試験番号2−1、2−3、及び、2−5〜2−27の供試材の化学組成は適切であり、降伏強度が758〜862MPa未満(110ksi級)であり、降伏比が85%以上であった。さらにKAM≦1°割合が40面積%以上であった。その結果、4点曲げ試験において、優れた耐SSC性を示した。
一方、試験番号2−2の供試材では、焼戻し時昇温速度HR100-600が遅すぎた。さらに、焼戻し後冷却速度CR600-200が遅すぎた。そのため、KAM≦1°割合が40面積%未満となった。その結果、4点曲げ試験において、優れた耐SSC性を示さなかった。
試験番号2−4の供試材では、焼戻し時間が長すぎた。その結果、降伏強度が758MPa未満となった。すなわち、110ksi級の降伏強度が得られなかった。
試験番号2−28の供試材では、O含有量が高すぎた。その結果、4点曲げ試験において、優れた耐SSC性を示さなかった。
試験番号2−29の供試材では、Mo含有量が低すぎた。その結果、4点曲げ試験において、優れた耐SSC性を示さなかった。
試験番号2−30の供試材では、S含有量が高すぎた。その結果、4点曲げ試験において、優れた耐SSC性を示さなかった。
試験番号2−31の供試材では、焼戻し時昇温速度HR100-600が遅すぎた。そのため、KAM≦1°割合が40面積%未満となった。その結果、4点曲げ試験において、優れた耐SSC性を示さなかった。
試験番号2−32の供試材では、焼戻し後冷却速度CR600-200が遅すぎた。そのため、KAM≦1°割合が40面積%未満となった。その結果、4点曲げ試験において、優れた耐SSC性を示さなかった。
実施例3では、125ksi級(862〜965MPa未満)の降伏強度を有する鋼材における耐SSC性について調査した。具体的に、表5に示す化学組成を有する、溶鋼を製造した。
Figure 2019198468
上記溶鋼を用いて外径310mmのビレットを製造した。製造したビレットを1250℃に加熱した後、熱間圧延し、外径244.48mm、肉厚13.84mmの継目無鋼管を製造した。製造した継目無鋼管から、後述する評価試験に用いる試験片が採取できる大きさで、かつ、厚さ13.84mmの板状の供試材を採取した。
各試験番号の供試材について、焼入れ及び焼戻しを2回繰り返して実施した。なお、本実施例における焼入れ温度(℃)は、焼入れ前の加熱を実施した炉の温度とした。実施例1と同様に、本実施例における均熱時間(分)は、各試験番号の供試材を、焼入れ前の加熱を実施した炉に装入してから、取り出すまでの時間とした。本実施例における焼戻し温度(℃)は、焼戻しを実施した炉の温度とした。本実施例における焼戻し時間(分)は、各試験番号の供試材を、焼戻しを実施した炉に装入してから、取り出すまでの時間とした。
具体的に、各試験番号の供試材について、焼入れ温度920℃で10分均熱した。均熱後の各試験番号の供試材を、水槽に浸漬して水冷した。このとき、各試験番号の供試材について、1回目の焼入れ時冷却速度CR800-500は、いずれも300℃/分であった。焼入れ時冷却速度CR800-500は、あらかじめ供試材の厚さ中央部に装入したシース型のK熱電対により測定した温度から決定した。
1回目の焼入れ後の各試験番号の供試材に対して、1回目の焼戻しを実施した。1回目の焼戻しでは、各試験番号の供試材を、焼戻し温度670℃、焼戻し時間30分で保持した後、常温まで放冷した。
1回目の焼入れ及び焼戻しが実施された、各試験番号の供試材に対して、2回目の焼入れを実施した。具体的に、各試験番号の供試材に対して実施した2回目の焼入れでは、焼入れ温度(℃)、及び、均熱時間(分)は表2に示すとおりであった。均熱後の各試験番号の供試材を、水槽に浸漬して水冷した。このとき、2回目の焼入れ時冷却速度CR800-500は300℃/分であった。
Figure 2019198468
続いて、2回目の焼入れが実施された各試験番号の供試材に対して、2回目の焼戻しを実施した。具体的に、各試験番号の供試材に対して実施した2回目の焼戻しでは、焼戻し時昇温速度HR100-600(℃/分)、焼戻し温度(℃)、及び、焼戻し時間(分)は表6に示すとおりであった。
各焼戻し温度で熱処理を実施した後、各試験番号の供試材を冷却した。冷却は、供試材の両面からミスト水冷の制御冷却を実施した。各試験番号の供試材に対して実施した焼戻しでは、焼戻し後冷却速度CR600-200(℃/秒)は表6に示すとおりであった。なお、焼戻し時昇温速度HR100-600(℃/分)、及び、焼戻し後冷却速度CR600-200は、あらかじめ供試材の厚さ中央部に装入したシース型のK熱電対により測定した温度から決定した。
[評価試験]
上記の焼戻し後の各試験番号の供試材に対して、以下に説明する引張試験、ミクロ組織判定試験、KAM値測定試験、及び、耐SSC性試験を実施した。
[引張試験]
引張試験は実施例1と同様に、ASTM E8(2013)に準拠して行った。実施例1と同様に作製した、各試験番号の丸棒試験片を用いて、常温(25℃)、大気中にて引張試験を実施して、降伏強度(MPa)及び引張強度(MPa)を得た。
なお、実施例3では、引張試験で得られた0.65%耐力を、各試験番号の降伏強度とした。一様伸び中の最大応力を、引張強度とした。求めた降伏強度(YS)と引張強度(TS)との比(YS/TS)を、降伏比YR(%)とした。求めた降伏強度(YS)、引張強度(TS)、及び、降伏比(YR)を、表6に示す。
[ミクロ組織判定試験]
各試験番号の供試材は、いずれも降伏強度が862〜965MPa未満(125ksi級)、及び、降伏比が85%以上であった。そのため、各試験番号の供試材のミクロ組織は、いずれも焼戻しマルテンサイト及び焼戻しベイナイトの体積率の合計が95%以上であると判断した。
[KAM値測定試験]
各試験番号の供試材における、KAM値が1°以下の割合を求めた。KAM値が1°以下の割合は、上述の方法を用いて求めた。求めたKAM値が1°以下の割合を、「KAM≦1°割合(面積%)」として表6に示す。
[耐SSC性試験]
各試験番号の供試材を用いて、NACE TM0177−2005 Method Dに準拠したDCB試験を実施して、耐SSC性を評価した。各試験番号の供試材の厚さ中央部から、図1Aに示すDCB試験片を3本ずつ作製した。DCB試験片の長手方向は、供試材の圧延方向(すなわち、継目無鋼管の軸方向)と平行であった。各試験番号の供試材からさらに、図1Bに示すクサビを作製した。クサビの厚さtは2.82mmであった。DCB試験片のアームの間に、上記クサビを打ち込んだ。
試験溶液は、酢酸でpH3.5に調整した、5.0質量%塩化ナトリウムと0.4質量%酢酸ナトリウムとの混合水溶液(NACE solution B)を用いた。クサビが打ち込まれたDCB試験片を封入した試験容器に、気相部を残して試験溶液を注入し、試験浴とした。続いて、試験浴を脱気した後、0.03atmのH2Sと0.97atmのCO2との混合ガスを吹き込み、試験浴を腐食環境とした。試験浴を撹拌しながら、試験容器内を4℃で408時間(17日間)保持した。保持後の試験容器からDCB試験片を取り出した。
取り出したDCB試験片のアーム先端に形成された孔にピンを差し込み、引張試験機で切欠部を開口して、クサビ解放応力Pを測定した。さらに、DCB試験片の切欠きを液体窒素中で解放させて、試験浴に浸漬中のDCB試験片の割れ進展長さaを測定した。割れ進展長さaは、ノギスを用いて目視で測定した。測定したクサビ解放応力Pと、割れ進展長さaとに基づいて、式(1)を用いて破壊靭性値K1SSC(MPa√m)を求めた。求めた3つの破壊靭性値K1SSC(MPa√m)の算術平均値を求め、その試験番号の鋼管の破壊靭性値K1SSC(MPa√m)と定義した。
Figure 2019198468
なお、式(1)において、h(mm)はDCB試験片の各アームの高さであり、B(mm)はDCB試験片の厚さであり、Bn(mm)はDCB試験片のウェブ厚さである。これらは、NACE TM0177−2005 Method Dに規定されている。
各試験番号の供試材について、得られた破壊靭性値K1SSCを表6に示す。上記定義された破壊靭性値K1SSCが15MPa√m以上である場合、DCB試験の結果が良好であると判断した。なお、DCB試験片にクサビを打ち込んだ際のアームの間隔は、K1SSC値に影響を与える。したがって、試験浴に浸漬する前に、DCB試験片のアームの間隔をマイクロメーターで実測しておき、API規格の範囲内であることを確認した。
[試験結果]
表6に試験結果を示す。
表5及び表6を参照して、試験番号3−1〜3−10の供試材の化学組成は適切であり、降伏強度が862〜965MPa未満(125ksi級)であり、降伏比が85%以上であった。さらにKAM≦1°割合が35面積%以上であった。その結果、破壊靭性値K1SSCが15MPa√m以上となり、優れた耐SSC性を示した。
一方、試験番号3−11の供試材では、焼戻し時昇温速度HR100-600が遅すぎた。さらに、焼戻し後冷却速度CR600-200が遅すぎた。そのため、KAM≦1°割合が35面積%未満となった。その結果、破壊靭性値K1SSCが15MPa√m未満となり、優れた耐SSC性を示さなかった。
試験番号3−12の供試材では、焼戻し時昇温速度HR100-600が遅すぎた。そのため、KAM≦1°割合が35面積%未満となった。その結果、破壊靭性値K1SSCが15MPa√m未満となり、優れた耐SSC性を示さなかった。
試験番号3−13の供試材では、焼戻し時昇温速度HR100-600が遅すぎた。さらに、焼戻し後冷却速度CR600-200が遅すぎた。そのため、KAM≦1°割合が35面積%未満となった。その結果、破壊靭性値K1SSCが15MPa√m未満となり、優れた耐SSC性を示さなかった。
試験番号3−14の供試材では、O含有量が高すぎた。その結果、破壊靭性値K1SSCが15MPa√m未満となり、優れた耐SSC性を示さなかった。
試験番号3−15の供試材では、S含有量が高すぎた。その結果、破壊靭性値K1SSCが15MPa√m未満となり、優れた耐SSC性を示さなかった。
試験番号3−16の供試材では、Al含有量が高すぎた。その結果、破壊靭性値K1SSCが15MPa√m未満となり、優れた耐SSC性を示さなかった。
試験番号3−17の供試材では、N含有量が高すぎた。その結果、破壊靭性値K1SSCが15MPa√m未満となり、優れた耐SSC性を示さなかった。
試験番号3−18の供試材では、焼戻し時昇温速度HR100-600が遅すぎた。そのため、KAM≦1°割合が35面積%未満となった。その結果、破壊靭性値K1SSCが15MPa√m未満となり、優れた耐SSC性を示さなかった。
試験番号3−19の供試材では、焼戻し後冷却速度CR600-200が遅すぎた。そのため、KAM≦1°割合が35面積%未満となった。その結果、破壊靭性値K1SSCが15MPa√m未満となり、優れた耐SSC性を示さなかった。
実施例4では、140ksi級(965〜1069MPa)の降伏強度を有する鋼材における耐SSC性について調査した。具体的に、表7に示す化学組成を有する、溶鋼を製造した。
Figure 2019198468
上記溶鋼を用いて外径310〜360mmのビレットを製造した。製造したビレットを1250℃に加熱した後、熱間圧延し、外径244.48〜346.08mm、肉厚13.84〜15.88mmの継目無鋼管を製造した。製造した継目無鋼管から、後述する評価試験に用いる試験片が採取できる大きさで、かつ、厚さ13.84〜15.88mmの板状の供試材を採取した。
各試験番号の供試材について、焼入れ及び焼戻しを2回繰り返して実施した。なお、本実施例における焼入れ温度(℃)は、焼入れ前の加熱を実施した炉の温度とした。実施例1と同様に、本実施例における均熱時間(分)は、各試験番号の供試材を、焼入れ前の加熱を実施した炉に装入してから、取り出すまでの時間とした。本実施例における焼戻し温度(℃)は、焼戻しを実施した炉の温度とした。本実施例における焼戻し時間(分)は、各試験番号の供試材を、焼戻しを実施した炉に装入してから、取り出すまでの時間とした。
具体的に、各試験番号の供試材について、焼入れ温度920℃で10分均熱した。均熱後の各試験番号の供試材を、水槽に浸漬して水冷した。このとき、各試験番号の供試材について、1回目の焼入れ時冷却速度CR800-500は、いずれも300℃/分であった。焼入れ時冷却速度CR800-500は、あらかじめ供試材の厚さ中央部に装入したシース型のK熱電対により測定した温度から決定した。
1回目の焼入れ後の各試験番号の供試材に対して、1回目の焼戻しを実施した。1回目の焼戻しでは、各試験番号の供試材を、焼戻し温度700℃、焼戻し時間30分で保持した後、常温まで放冷した。
1回目の焼入れ及び焼戻しが実施された、各試験番号の供試材に対して、2回目の焼入れを実施した。具体的に、各試験番号の供試材に対して実施した2回目の焼入れでは、焼入れ温度(℃)、及び、均熱時間(分)は表8に示すとおりであった。均熱後の各試験番号の供試材を、水槽に浸漬して水冷した。このとき、2回目の焼入れ時冷却速度CR800-500は300℃/分であった。
Figure 2019198468
続いて、2回目の焼入れが実施された各試験番号の供試材に対して、2回目の焼戻しを実施した。具体的に、各試験番号の供試材に対して実施した2回目の焼戻しでは、焼戻し時昇温速度HR100-600(℃/分)、焼戻し温度(℃)、及び、焼戻し時間(分)は表8に示すとおりであった。
各焼戻し温度で熱処理を実施した後、各試験番号の供試材を冷却した。冷却は、供試材の両面からミスト水冷の制御冷却を実施した。各試験番号の供試材に対して実施した焼戻しでは、焼戻し後冷却速度CR600-200(℃/秒)は表8に示すとおりであった。なお、焼戻し時昇温速度HR100-600(℃/分)、及び、焼戻し後冷却速度CR600-200は、あらかじめ供試材の厚さ中央部に装入したシース型のK熱電対により測定した温度から決定した。
[評価試験]
上記の焼戻し後の各試験番号の供試材に対して、以下に説明する引張試験、ミクロ組織判定試験、KAM値測定試験、及び、耐SSC性試験を実施した。
[引張試験]
引張試験は実施例1と同様に、ASTM E8(2013)に準拠して行った。実施例1と同様に作製した、各試験番号の丸棒試験片を用いて、常温(25℃)、大気中にて引張試験を実施して、降伏強度(MPa)及び引張強度(MPa)を得た。
なお、実施例4では、引張試験で得られた0.65%耐力を、各試験番号の降伏強度とした。一様伸び中の最大応力を、引張強度とした。求めた降伏強度(YS)と引張強度(TS)との比(YS/TS)を、降伏比YR(%)とした。求めた降伏強度(YS)、引張強度(TS)、及び、降伏比(YR)を、表8に示す。
[ミクロ組織判定試験]
各試験番号の供試材は、いずれも降伏強度が965〜1069MPa(140ksi級)、及び、降伏比が85%以上であった。そのため、各試験番号の供試材のミクロ組織は、いずれも焼戻しマルテンサイト及び焼戻しベイナイトの体積率の合計が95%以上であると判断した。
[KAM値測定試験]
各試験番号の供試材における、KAM値が1°以下の割合を求めた。KAM値が1°以下の割合は、上述の方法を用いて求めた。求めたKAM値が1°以下の割合を、「KAM≦1°割合(面積%)」として表8に示す。
[耐SSC性試験]
各試験番号の供試材を用いて、NACE TM0177−2005 Method Dに準拠したDCB試験を実施して、耐SSC性を評価した。実施例3と同様に、各試験番号の供試材の厚さ中央部から、図1Aに示すDCB試験片を3本ずつ作製した。DCB試験片の長手方向は、供試材の圧延方向(すなわち、継目無鋼管の軸方向)と平行であった。各試験番号の供試材からさらに、図1Bに示すクサビを作製した。クサビの厚さtは3.13mmであった。DCB試験片のアームの間に、上記クサビを打ち込んだ。
試験溶液は、酢酸でpH4.0に調整した、5.0質量%塩化ナトリウムと0.4質量%酢酸ナトリウムとの混合水溶液(NACE solution B)を用いた。クサビが打ち込まれたDCB試験片を封入した試験容器に、気相部を残して試験溶液を注入し、試験浴とした。続いて、試験浴を脱気した後、0.003atmのH2Sと0.997atmのCO2との混合ガスを吹き込み、試験浴を腐食環境とした。試験浴を撹拌しながら、試験容器内を4℃で408時間(17日間)保持した。保持後の試験容器からDCB試験片を取り出した。
取り出したDCB試験片から破壊靭性値K1SSC(MPa√m)を求める方法は、実施例3と同様に実施した。求めた3つの破壊靭性値K1SSC(MPa√m)の算術平均値を求め、その試験番号の鋼管の破壊靭性値K1SSC(MPa√m)と定義した。各試験番号の供試材について、得られた破壊靭性値K1SSCを表8に示す。上記定義された破壊靭性値K1SSCが24MPa√m以上である場合、DCB試験の結果が良好であると判断した。
[試験結果]
表8に試験結果を示す。
表7及び表8を参照して、試験番号4−1〜4−8、4−10、及び、4−16の供試材の化学組成は適切であり、降伏強度が965〜1069MPa(140ksi級)であり、降伏比が85%以上であった。さらにKAM≦1°割合が30面積%以上であった。その結果、破壊靭性値K1SSCが24MPa√m以上となり、優れた耐SSC性を示した。
一方、試験番号4−9の供試材では、焼戻し時昇温速度HR100-600が遅すぎた。そのため、KAM≦1°割合が30面積%未満となった。その結果、破壊靭性値K1SSCが24MPa√m未満となり、優れた耐SSC性を示さなかった。
試験番号4−11の供試材では、O含有量が高すぎた。さらに、焼戻し時昇温速度HR100-600が遅すぎた。そのため、KAM≦1°割合が30面積%未満となった。その結果、破壊靭性値K1SSCが24MPa√m未満となり、優れた耐SSC性を示さなかった。
試験番号4−12の供試材では、Mo含有量が低すぎた。その結果、破壊靭性値K1SSCが24MPa√m未満となり、優れた耐SSC性を示さなかった。
試験番号4−13の供試材では、S含有量が高すぎた。その結果、破壊靭性値K1SSCが24MPa√m未満となり、優れた耐SSC性を示さなかった。
試験番号4−14の供試材では、焼戻し時昇温速度HR100-600が遅すぎた。そのため、KAM≦1°割合が30面積%未満となった。その結果、破壊靭性値K1SSCが24MPa√m未満となり、優れた耐SSC性を示さなかった。
試験番号4−15の供試材では、焼戻し後冷却速度CR600-200が遅すぎた。そのため、KAM≦1°割合が30面積%未満となった。その結果、破壊靭性値K1SSCが24MPa√m未満となり、優れた耐SSC性を示さなかった。
以上、本発明の実施の形態を説明した。しかしながら、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。したがって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変更して実施することができる。
本発明による鋼材は、サワー環境に利用される鋼材に広く適用可能であり、好ましくは、油井環境に利用される油井用鋼材として利用可能であり、さらに好ましくは、ケーシング、チュービング、ラインパイプ等の油井用鋼管として利用可能である。

Claims (11)

  1. 質量%で、
    C:0.20〜0.50%、
    Si:0.05〜0.50%、
    Mn:0.05〜1.00%、
    P:0.030%以下、
    S:0.0050%未満、
    Al:0.005〜0.050%、
    Cr:0.10〜1.50%、
    Mo:0.25〜1.80%、
    Ti:0.002〜0.050%、
    Nb:0.002〜0.100%、
    B:0.0001〜0.0050%、
    N:0.0070%以下、
    O:0.0050%未満、
    V:0〜0.30%、
    Ca:0〜0.0100%、
    Mg:0〜0.0100%、
    Zr:0〜0.0100%、
    希土類元素:0〜0.0100%、
    Co:0〜1.50%、
    W:0〜1.50%、
    Ni:0〜0.50%、
    Cu:0〜0.50%、及び、
    残部がFe及び不純物からなる化学組成を有し、
    降伏強度が655〜1069MPaであり、降伏比が85%以上であり、
    KAM値が1°以下の割合が30面積%以上であり、
    前記降伏強度が655〜862MPa未満の場合、前記KAM値が1°以下の割合が40面積%以上であり、
    前記降伏強度が862〜965MPa未満の場合、前記KAM値が1°以下の割合が35面積%以上であり、
    前記降伏強度が965〜1069MPaの場合、前記KAM値が1°以下の割合が30面積%以上である、鋼材。
  2. 請求項1に記載の鋼材であって、
    前記化学組成は、
    V:0.01〜0.30%を含有する、鋼材。
  3. 請求項1又は請求項2に記載の鋼材であって、
    前記化学組成は、
    Ca:0.0001〜0.0100%、
    Mg:0.0001〜0.0100%、
    Zr:0.0001〜0.0100%、及び、
    希土類元素:0.0001〜0.0100%からなる群から選択される1種又は2種以上を含有する、鋼材。
  4. 請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の鋼材であって、
    前記化学組成は、
    Co:0.02〜1.50%、及び、
    W:0.02〜1.50%からなる群から選択される1種以上を含有する、鋼材。
  5. 請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の鋼材であって、
    前記化学組成は、
    Ni:0.02〜0.50%、及び、
    Cu:0.02〜0.50%からなる群から選択される1種以上を含有する、鋼材。
  6. 請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の鋼材であって、
    前記降伏強度が655〜758MPa未満であり、
    前記KAM値が1°以下の割合が40面積%以上である、鋼材。
  7. 請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の鋼材であって、
    前記降伏強度が758〜862MPa未満であり、
    前記KAM値が1°以下の割合が40面積%以上である、鋼材。
  8. 請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の鋼材であって、
    前記降伏強度が862〜965MPa未満であり、
    前記KAM値が1°以下の割合が35面積%以上である、鋼材。
  9. 請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の鋼材であって、
    前記降伏強度が965〜1069MPaであり、
    前記KAM値が1°以下の割合が30面積%以上である、鋼材。
  10. 請求項1〜請求項9のいずれか1項に記載の鋼材であって、
    前記鋼材は、油井用鋼管である、鋼材。
  11. 請求項1〜請求項10のいずれか1項に記載の鋼材であって、
    前記鋼材は、継目無鋼管である、鋼材。

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