JPWO2020110597A1 - 二相ステンレス継目無鋼管およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
0.150>N-(1.58Ti+2.70Al+1.58V+1.44Nb)・・・(1)
ここで、N、Ti、Al、V、Nbは各元素の含有量(質量%)である。(但し、含有しない場合は0(零)%とする。)
本発明は以上の知見に基づきなされたものであり、その要旨は次のとおりである。
[1]質量%で、C:0.005〜0.08%、Si:0.01〜1.0%、Mn:0.01〜10.0%、Cr:20〜35%、Ni:1〜15%、Mo:0.5〜6.0%、N: 0.150〜0.400%未満を含有し、さらにTi:0.0001〜0.3%、Al:0.0001〜0.3%、V:0.005〜1.5%、Nb:0.005〜1.5%未満のうちから選ばれた1種または2種以上を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる成分組成であり、かつN、Ti、Al、V、Nbが、下記式(1)を満たすように含有し、管軸方向引張降伏強度が757MPa以上であり、管軸方向圧縮降伏強度/管軸方向引張降伏強度が0.85〜1.15である二相ステンレス継目無鋼管。
0.150>N-(1.58Ti+2.70Al+1.58V+1.44Nb)・・・(1)
ここで、N、Ti、Al、V、Nbは各元素の含有量(質量%)である。(但し、含有しない場合は0(零)%とする。)
[2]管周方向圧縮降伏強度/管軸方向引張降伏強度が0.85以上である[1]に記載の二相ステンレス継目無鋼管。
[3]さらに質量%で、W:0.1〜6.0%、Cu:0.1〜4.0%のうちから選ばれた1種または2種を含有する[1]または[2]に記載の二相ステンレス継目無鋼管。
[4]さらに質量%で、B:0.0001〜0.010%、Zr:0.0001〜0.010%、Ca:0.0001〜0.010%、Ta:0.0001〜0.3%、REM:0.0001〜0.010%のうちから選ばれた1種または2種以上を含有する[1]〜[3]のいずれかに記載の二相ステンレス継目無鋼管。
[5][1]〜[4]のいずれかに記載の二相ステンレス継目無鋼管の製造方法であって、管軸方向への延伸加工を行い、その後、460〜480℃を除く150〜600℃の加熱温度で熱処理する二相ステンレス継目無鋼管の製造方法。
[6][1]〜[4]のいずれかに記載の二相ステンレス継目無鋼管の製造方法であって、460〜480℃を除く150〜600℃の加工温度で管軸方向への延伸加工を行う二相ステンレス継目無鋼管の製造方法。
[7]前記延伸加工後、さらに、460〜480℃を除く150〜600℃の加熱温度で熱処理する[6]に記載の二相ステンレス継目無鋼管の製造方法。
[8][1]〜[4]のいずれかに記載の二相ステンレス継目無鋼管の製造方法であって、管周方向の曲げ曲げ戻し加工を行う二相ステンレス継目無鋼管の製造方法。
[9]前記管周方向の曲げ曲げ戻し加工の加工温度は、460〜480℃を除く600℃以下である[8]に記載の二相ステンレス継目無鋼管の製造方法。
[10]前記曲げ曲げ戻し加工後、さらに、460〜480℃を除く150〜600℃の加熱温度で熱処理する[8]または[9]に記載の二相ステンレス継目無鋼管の製造方法。
Cはオーステナイト相形成元素であり、適量の含有で相分率の適正化に役立つ。しかし、過剰な含有は炭化物の形成により耐食性の低下を招く。そのため、Cの上限は0.08%とする。下限については、C量低下に伴うオーステナイト相の低下を、その他オーステナイト相形成元素で賄うことができるため特に設ける必要はないが、C量が低すぎると溶解時の脱炭コストが上昇するため、0.005%以上とする。
Siは鋼の脱酸作用があるため、溶鋼中への適量の含有が有効である。しかし、多量のSi含有に伴う鋼中への残存は、加工性と低温靱性を損なう。そのため、Siの上限は1.0%とする。下限については、脱酸後のSiを過剰に低減することは製造コスト上昇につながるため、0.01%以上とする。なお、十分に脱酸作用を得つつ、過剰に鋼中に残存することによる副作用抑制を両立する観点から、Siは0.2〜0.8%とすることが好ましい。
Mnは強力なオーステナイト相形成元素であり、かつその他のオーステナイト相形成元素に比べ安価である。さらに低温熱処理を実施してもCやNのように耐食性元素を消費することがない。そのため、CやNを低減した際に二相ステンレス継目無鋼管のオーステナイト相分率を適切な2相状態とするために、0.01%以上含有する必要がある。一方で、Mnの過剰な含有は低温靱性を低下させる。そのため、10.0%以下とする。低温靭性を損なわないためには1.0%未満であることが好ましい。一方で、低温靱性に注意しつつ、コスト低減を両立させる観点でMnをオーステナイト相形成元素として十分に活用したい場合は2.0〜8.0%が好適である。下限については、溶鋼中に混入する不純物元素であるSの無害化にMnが有効であり、微量添加で鋼の耐食性、靭性を大きく劣化させるSをMnSとして固定する効果があるため、Mnは0.01%以上含有する。
Crは鋼の不動態被膜を強固にし、耐食性能を高めるもっとも重要な元素である。過酷な腐食環境で利用される二相ステンレス継目無鋼管には20%以上のCr量が必要となる。Cr量が増加するほど耐食性向上に寄与するが、35%超えの含有は溶解から凝固する過程で脆化相が析出し全体に割れが発生してしまい、その後の成形加工が困難になる。そのため上限は35%とする。なお、耐食性の確保と製造性の両立の観点から好ましい範囲は22〜28%である。
Niは強力なオーステナイト相形成元素であり、かつ鋼の低温靱性を向上させる。そのため安価なオーステナイト相形成元素であるMnの利用では低温靱性が問題になる場合に積極的に活用すべきであり、下限は1%とする。一方で、Niはその他オーステナイト相形成元素中で最も高価な元素であり、含有量の増加は製造コスト上昇につながる。そのため、不要に多く含有することは好ましくない。そのため、上限は15%とする。なお、低温靱性が問題にならない用途の場合は1〜5%の範囲で、その他元素と複合添加することが好ましい。一方で、高い低温靱性が必要な場合はNiの積極的な添加が有効であり、5〜13%の範囲とすることが好ましい。
Moは含有量に応じて鋼の耐孔食性を高める。そのため腐食環境に応じて適量添加される。一方で過剰なMoの含有は溶鋼〜凝固時に脆化相が析出し、凝固組織中に多量の割れを発生させ、その後の成形安定性を大きく損なう。そのため、上限は6.0%とする。Moの含有は含有量に応じて耐孔食性を向上させるが、硫化物環境で安定した耐食性を維持するためには0.5%以上が必要である。なお、二相ステンレス継目無鋼管に必要とされる耐食性と製造安定性両立の観点から1.0〜5.0%が好適な範囲となる。
Nは強力なオーステナイト相形成元素であり、かつ安価である。また、鋼中に固溶していれば耐食性能と強度向上に有用な元素であるため積極的に利用される。しかし、N自体は安価であるが、過大なN添加は特殊な設備と添加時間が必要となり、製造コストの増加につながるため、上限は0.400%未満とする。一方でNの下限は0.150%以上とするべきである。本発明ではTi、Al、V、Nbのいずれか、または複合添加することを必須とし、凝固後の冷却の過程でこれらの添加物を微細に窒化物として形成させることで強度向上効果を得る。N量が少なすぎると安定した強度向上効果が得られにくくなるため、下限を0.150%以上とすることが必要となる。さらに、十分な強度向上効果を得るためのより好ましい範囲は0.155〜0.320%の範囲である。
Ti、Al、V、Nbは適量の含有で溶解からの冷却中に微細な窒化物を生成し強度を向上させるとともに、鋼中の固溶するN量を適切に制御することが可能になる。これにより、CrやMoなどの耐食性元素が窒化物として消費、かつ粗大に析出することで、耐食性能と強度が低下する現象を抑制することができる。この効果を得るための含有量の下限は、Ti:0.0001%、Al:0.0001%、V:0.005%、Nb:0.005%以上である。また、過剰な添加はコストの上昇や熱間での成形性の悪化につながるため、それぞれTi:0.3%以下、Al:0.3%以下、V:1.5%以下、Nb:1.5%未満とする。
0.150>N-(1.58Ti+2.70Al+1.58V+1.44Nb)・・・(1)
ここで、N、Ti、Al、V、Nbは各元素の含有量(質量%)である。(但し、含有しない場合は0(零)%とする。)
安定した耐食性能と高強度は下記式(1)を満たすことで達成できる。すなわち、本発明によるTi、Al、V、Nbの含有量は鋼中に添加したN量に対して最適な量であるべきであり、N量に対し含有量が少ない場合はNの固定と微細析出を十分にできずに耐食性能や強度が安定しない。式(1)はTi、Al、V、Nbを単独、複合含有する場合について、含有されるN量に対して最適化を行える式になっており、安定した耐食性能と強度を得ることが可能になる。
W:0.1〜6.0%
WはMoと同様に含有量に応じて耐孔食性を高めるが、過剰に含有すると熱間加工時の加工性を損ない製造安定性を損なう。そのため、Wを含有する場合は、上限は6.0%とする。Wの含有は含有量に応じて耐孔食性を向上させるため、特に下限を設ける必要はないが、二相ステンレス継目無鋼管の耐食性能を安定させる理由で0.1%以上の含有が好適である。なお、二相ステンレス継目無鋼管に必要とされる耐食性と製造安定性の観点から1.0〜5.0%がより好適な範囲となる。
Cuは強力なオーステナイト相形成元素であり、かつ鋼の耐食性を向上させる。そのためその他オーステナイト相形成元素であるMnやNiでは耐食性が不足する場合に積極的に活用すべきである。一方で、Cuは含有量が多くなりすぎると熱間加工性の低下を招き、成形が困難になる。そのため、含有する場合、Cuは4.0%以下とする。含有量の下限は特に規定する必要はないが、0.1%以上の含有で耐食性効果が得られる。なお、耐食性の向上と熱間加工性の両立の観点から1.0〜3.0%の添加量がより好適な範囲である。
B、Zr、Ca、REMは、ごく微量を添加すると粒界の結合力向上や、表面の酸化物の形態を変化させ熱間の加工性、成形性を向上する。二相ステンレス継目無鋼管は一般的に難加工材料であるため、加工量や加工形態に起因した圧延疵や形状不良が発生しやすいが、そのような問題が発生するような成形条件の場合にこれらの元素は有効である。添加量は下限を特に設ける必要はないが、含有する場合は0.0001%以上により加工性や成形性向上の効果が得られる。一方で、添加量が多くなりすぎると逆に熱間加工性を悪化させることに加え、希少元素のため合金コストが増大する。そのため添加量の上限は、B、Zr、Ca、REMについてはそれぞれ0.010%とする。Taは少量添加すると脆化相への変態を抑制し、熱間加工性と耐食性を同時に向上する。したがって、Taを含有する場合は0.0001%以上とする。熱間加工やその後の冷却で脆化相が安定な温度域で長時間滞留する場合にこれらの元素は有効である。一方で添加量が多くなりすぎると合金コストが増大するため、Taを含有する場合は上限を0.3%とする。
管の冷間圧延法で油井・ガス井採掘に関して規格化されているのは冷間引抜圧延、冷間ピルガー圧延の2種類であり、いずれの手法も管軸方向への高強度化が可能であり、適宜利用できる。これらの手法では、主に圧下率と外径変化率を変化させて必要な強度グレードまで高強度化を行う。一方で、冷間引抜圧延や冷間ピルガー圧延加工は管の外径と肉厚を減じ、その分を管軸長手方向に大きく延伸する圧延形態であるため、管軸長手方向へは高強度化が容易に起こる。その反面、管軸圧縮方向へ大きなバウシンガー効果が発生し、管軸方向圧縮降伏強度が管軸引張降伏強度に対し最大20%程度低下することが問題として知られている。
油井・ガス井採掘用二相ステンレス継目無鋼管の冷間加工手法として規格化されていないが、管周方向への曲げ曲げ戻し加工による転位強化を利用した管の高強度化も利用できる。図面に基づいて、本加工手法について説明する。この手法は、圧延によるひずみが管軸長手方向へ生じる冷間引抜圧延や冷間ピルガー圧延加工と異なり、図1に示すように、ひずみは管の扁平による曲げ加工後(1回目の扁平加工)、再び真円に戻す際の曲げ戻し加工(2回目の扁平加工)により与えられる。この手法では、曲げ曲げ戻しの繰り返しや曲げ量の変化を利用してひずみ量を調整するが、与えるひずみは加工前後の形状を変えることがない付加的せん断ひずみである。さらに、管軸方向へのひずみがほとんど発生せず管周方向と管肉厚方向へ与えられたひずみによる転位強化で高強度化するため、管軸方向へのバウシンガー効果を抑制できる。つまり、冷間引抜圧延や冷間ピルガー圧延のように管軸圧縮強度の低下がない、または少ないため、ネジ締結部の設計自由度が向上できる。さらに、管外周長が減ずるように加工を行えば、管周方向圧縮強度が向上し、高深度の油井・ガス井採掘時の外圧に対しても強い鋼管とすることができる。管周方向への曲げ曲げ戻し加工は、冷間引抜圧延や冷間ピルガー圧延のように大きな外径、肉厚変化を与えることはできないが、特に管軸方向と管軸引張に対する管周方向圧縮方向の強度異方性の低減が求められる場合に有効である。
Claims (10)
- 質量%で、C:0.005〜0.08%、
Si:0.01〜1.0%、
Mn:0.01〜10.0%、
Cr:20〜35%、
Ni:1〜15%、
Mo:0.5〜6.0%、
N: 0.150〜0.400%未満を含有し、さらに
Ti:0.0001〜0.3%、
Al:0.0001〜0.3%、
V:0.005〜1.5%、Nb:0.005〜1.5%未満のうちから選ばれた1種または2種以上を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる成分組成であり、かつN、Ti、Al、V、Nbが、下記式(1)を満たすように含有し、管軸方向引張降伏強度が757MPa以上であり、管軸方向圧縮降伏強度/管軸方向引張降伏強度が0.85〜1.15である二相ステンレス継目無鋼管。
0.150>N-(1.58Ti+2.70Al+1.58V+1.44Nb)・・・(1)
ここで、N、Ti、Al、V、Nbは各元素の含有量(質量%)である。(但し、含有しない場合は0(零)%とする。) - 管周方向圧縮降伏強度/管軸方向引張降伏強度が0.85以上である請求項1に記載の二相ステンレス継目無鋼管。
- さらに質量%で、W:0.1〜6.0%、
Cu:0.1〜4.0%のうちから選ばれた1種または2種を含有する請求項1または2に記載の二相ステンレス継目無鋼管。 - さらに質量%で、B:0.0001〜0.010%、
Zr:0.0001〜0.010%、
Ca:0.0001〜0.010%、
Ta:0.0001〜0.3%、
REM:0.0001〜0.010%のうちから選ばれた1種または2種以上を含有する請求項1〜3のいずれかに記載の二相ステンレス継目無鋼管。 - 請求項1〜4のいずれかに記載の二相ステンレス継目無鋼管の製造方法であって、管軸方向への延伸加工を行い、その後、460〜480℃を除く150〜600℃の加熱温度で熱処理する二相ステンレス継目無鋼管の製造方法。
- 請求項1〜4のいずれかに記載の二相ステンレス継目無鋼管の製造方法であって、460〜480℃を除く150〜600℃の加工温度で管軸方向への延伸加工を行う二相ステンレス継目無鋼管の製造方法。
- 前記延伸加工後、さらに、460〜480℃を除く150〜600℃の加熱温度で熱処理する請求項6に記載の二相ステンレス継目無鋼管の製造方法。
- 請求項1〜4のいずれかに記載の二相ステンレス継目無鋼管の製造方法であって、管周方向の曲げ曲げ戻し加工を行う二相ステンレス継目無鋼管の製造方法。
- 前記管周方向の曲げ曲げ戻し加工の加工温度は、460〜480℃を除く600℃以下である請求項8に記載の二相ステンレス継目無鋼管の製造方法。
- 前記曲げ曲げ戻し加工後、さらに、460〜480℃を除く150〜600℃の加熱温度で熱処理する請求項8または9に記載の二相ステンレス継目無鋼管の製造方法。
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