WO2016052271A1 - 鋼材および拡管用油井鋼管 - Google Patents
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- C21D2211/00—Microstructure comprising significant phases
- C21D2211/001—Austenite
Abstract
Description
C:0.6~1.8%、
Si:0.05~1.00%、
Mn:25.0%を超えて45.0%以下、
Al:0.003~0.06%、
P:0.03%以下、
S:0.03%以下、
Cu:0.5~3.0%、
N:0.10%以下、
V:0~2.0%、
Cr:0~3.0%、
Mo:0~3.0%、
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%、
REM:0~0.01%、
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、オーステナイト単相からなり、
降伏強度が241MPa以上であり、均一伸びが40%以上である、鋼材。
0.6<C-0.18V<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。
V:0.03~2.0%
を含有する、上記(1)に記載の鋼材。
Cr:0.1~3.0%、
Mo:0.1~3.0%および
Ni:0.1~1.5%
から選択される1種以上を含有する、上記(1)または(2)に記載の鋼材。
Nb:0.005~0.5%、
Ta:0.005~0.5%、
Ti:0.005~0.5%、
Zr:0.005~0.5%、
Ca:0.0003~0.005%、
Mg:0.0003~0.005%、
REM:0.001~0.01%および
B:0.0001~0.015%
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。そのため、Cを0.6%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ため、C含有量は1.8%以下とする。C含有量は0.65%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、C含有量は1.6%以下であるのが好ましく、1.4%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ができる元素であるとともに、高い均一伸びを確保するために重要な元素である。それらの効果を十分に発揮させるためには、25.0%を超える量のMnを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含有量が増加するのに伴い、耐全面腐食性が低下する。本発明においては、45.0%を超える量のMnを含有させると、Cuを一定量以上含有させたとしても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45.0%以下とする必要がある。Mn含有量は40.0%以下とするのが好ましい。
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。
銅(Cu)は、Mn含有量が低い鋼材の場合に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。しかし、Cuは鋼材中の母相の腐食速度が大きい場合には、湿潤硫化水素環境中で材料表面に硫化物を形成し、その後の腐食を抑制する効果を有する。本発明においては、Mn含有量が高く母相の腐食速度の増加を招きやすいため、Cuを0.5%以上含有させる必要がある。一方、Cu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、局部腐食を促進し鋼材表面に応力集中部を形成するおそれがある。そのため、Cu含有量は3.0%以下とする。Cu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、Cu含有量は2.5%以下であるのが好ましく、2.0%以下であるのがより好ましく、1.5%以下であるのがさらに好ましい。
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、必要に応じて含有させても良い。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2.0%以下とする。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。なお、本発明においては、高い均一伸びを確保するために顕著な強度上昇は控えるべきであり、また、V含有量の増加に伴い製造性の低下が懸念されるため、V含有量は0.5%未満であるのがさらに好ましい。上記の効果を得るためには、V含有量は0.03%以上であるのが好ましい。
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。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。
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。しかしながら、その含有量が3.0%を超えると、粒界に偏析し耐SSC性の低下を招くおそれもあるので、含有させる場合のCr含有量は3.0%以下とする。また、上述のように、本発明においては、Mn含有量を高めることにより腐食を促進させるとともに、Cu硫化物を生成させることによって、その後の腐食を抑制する。そのため、Cr含有量は積極的に含有させる必要はなく、1.0%未満であるのが好ましい。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、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、Cuと同様に、鋼材中の母相の腐食速度が大きい場合には、湿潤硫化水素環境中で材料表面に硫化物を形成し、その後の腐食を抑制する効果を有する元素であるため、必要に応じて含有させても良い。ただし、その効果はCuと比較して小さく、また極めて高価な元素であるため過剰に含有させることは好ましくない。Mo含有量が3.0%を超えると上記の効果が飽和するだけでなく、経済性が悪化するため、含有させる場合の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。
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り、さらに、Cu含有鋼に生じることのある熱間圧延時のひび割れを抑制する効果があるので必要に応じて含有させることができる。しかしながら、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性を低下させるおそれがある。したがって、含有させる場合のNi含有量は1.5%以下とする。上記のひび割れを抑制する効果は少量の含有量でも認められるが、0.1%以上含有させるのが好ましく、0.2%以上含有させ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。加えて、これら炭化物、炭窒化物形成能を有する元素を含有させておけば、時効熱処理を行うことにより、時効熱処理による析出強化を図ることができる。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、0.1%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。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。
希土類元素(REM)も、CaおよびMgと同様に、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るため、必要に応じて含有させても良い。しかしながら、REM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、REMの含有量は、0.01%以下とする。REM含有量は0.005%以下であるのが好ましい。上記の効果を得るためには、REMは0.001%以上含有させることが好ましく、0.002%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炭化物を析出させることによって鋼材を強化した場合には、Cの一部が消費され、オーステナイト安定性が低下し、均一伸びが低下するおそれがある。V炭化物は全てV4C3であるとすると、オーステナイトの安定化に寄与する有効C量は上記(i)式に示すようにC-0.18Vで表され、該有効C量が0.6を超えるようにCおよびVの含有量を調整する必要がある。一方、有効C量が1.44以上となるとセメンタイトの生成に伴う組織の不均一化および熱間加工性の低下の問題が生じるため、有効C量が1.44未満となるようにCおよびVの含有量を調整する必要がある。有効C量は0.65以上であるのが好ましく、0.7以上であるのがより望ましい。また、有効C量は1.4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。
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、均一伸びが低下するだけでなく、耐SSC性の低下を招くおそれがある。そのため、本発明では、金属組織をFCC(面心立方)構造であるオーステナイト単相とする。
本発明に係る鋼材は、241MPa以上の降伏強度を有する。一方、拡管性を確保するためには、鋼材の降伏強度は862MPa未満であることが望ましい。特に、本発明に係る鋼材を拡管用油井鋼管として用いる場合には、鋼材の降伏強度は758MPa未満であることが望ましく、654MPa未満であることがより望ましい。
uEl(%)>70-0.06×YS(MPa) ・・・(ii)
但し、式中のuElは鋼材の均一伸び(%)、YSは降伏強度(MPa)を意味する。
上述のように本発明に係る鋼材は、拡管性に優れるだけでなく、拡管後に熱処理を施さなくても耐食性が悪化しないという特長を有する。そのため、本発明の鋼材は拡管用油井鋼管として用いるのに好適である。鋼管の種類については特に限定されず、継目無鋼管、電縫鋼管またはアーク溶接鋼管等を用いることができる。
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、急冷するのが望ましい。すなわち、加熱温度が1000℃未満であると、炭化物、特にCrおよびMoを含有させた場合にCr-Mo系の炭化物を完全固溶させることができず、このCr-Mo系炭化物周辺にCrおよびMoの欠乏層が形成され、孔食発生に伴う応力腐食割れを起こし、所望の耐SSC性が得られなくなる場合がある。一方、加熱温度が1200℃を超えると、フェライト等の異相が析出し、所望の耐SSC性が得られなくなる場合がある。また、保持時間が10min未満であると、固溶化の効果が不十分となって炭化物を完全に固溶させられないために、加熱温度が1000℃未満である場合と同様の理由により、所望の耐SSC性が得られなくなる場合がある。
本発明鋼材は、主に炭化物、炭窒化物の析出による析出強化を目的とした時効熱処理を行っても良い。特に、V、Nb、Ta、TiおよびZrの1種または2種以上を含有する場合に有効である。しかしながら、過度の時効熱処理は、過剰な炭化物の生成を招き、母相中のC濃度を低減させオーステナイトの不安定化を引き起こす。熱処理条件としては、600~800℃の温度範囲で数10min~数h程度の時間加熱するのが好ましい。
固溶化熱処理またはさらに時効熱処理を施した後の鋼材には、必要に応じて冷間加工を施しても良い。加工度(断面減少率)については特に制限は設けないが、特に400MPa以上862MPa未満の降伏強度を得たい場合は、10%程度の冷間加工を施すことが好ましい。一方、本発明に係る鋼材を拡管用油井鋼管として用いる場合は、高い拡管性を確保するため、過度に冷間加工を行うのは好ましくなく、加工度は25%以下とするのが望ましい。加工度が高すぎれば、その分均一伸びは低下するとともに、強度が上昇するため現場での均一な拡管が困難となる。
上記の冷間加工後、焼鈍を行っても良い。特に、冷間加工により狙い以上の強度が出た際に強度を低減させ、伸びを回復させる目的で適用することが可能である。焼鈍条件としては、300~500℃の温度範囲で数min~1h程度の時間加熱するのが好ましい。
uEl(%)>70-0.06×YS(MPa) ・・・(ii)
但し、式中のuElは鋼材の均一伸び(%)、YSは降伏強度(MPa)を意味する。
Claims (6)
- 化学組成が、質量%で、
C:0.6~1.8%、
Si:0.05~1.00%、
Mn:25.0%を超えて45.0%以下、
Al:0.003~0.06%、
P:0.03%以下、
S:0.03%以下、
Cu:0.5~3.0%、
N:0.10%以下、
V:0~2.0%、
Cr:0~3.0%、
Mo:0~3.0%、
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%、
REM:0~0.01%、
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、オーステナイト単相からなり、
降伏強度が241MPa以上であり、均一伸びが40%以上である、鋼材。
0.6<C-0.18V<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、
V:0.03~2.0%
を含有する、請求項1に記載の鋼材。 - 前記化学組成が、質量%で、
Cr:0.1~3.0%
Mo:0.1~3.0%および
Ni:0.1~1.5%
から選択される1種以上を含有する、請求項1または請求項2に記載の鋼材。 - 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%、
Zr:0.005~0.5%、
Ca:0.0003~0.005%、
Mg:0.0003~0.005%、
REM:0.001~0.01%および
B:0.0001~0.015%
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鋼材。 - 請求項1から請求項4までのいずれかに記載の鋼材からなる、拡管用油井鋼管。
- 前記鋼管が継目無鋼管である、請求項5に記載の拡管用油井鋼管。
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