WO2020090478A1 - 鋼材、及び、鋼材の製造方法 - Google Patents

鋼材、及び、鋼材の製造方法 Download PDF

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Abstract

758MPa以上(110ksi以上)の降伏強度と、サワー環境における優れた耐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:0.15~0.45%、Si:0.05~1.00%、Mn:0.01~1.00%、P:0.030%以下、S:0.0050%以下、Al:0.005~0.100%、Cr:0.60~1.80%、Mo:0.80~2.30%、Ti:0.002~0.020%、V:0.05~0.30%、Nb:0.002~0.100%、B:0.0005~0.0040%、Cu:0.01~0.50%、Ni:0.01~0.50%、N:0.0020~0.0100%、及び、O:0.0020%以下を含有し、残部がFe及び不純物からなる化学組成を有する。鋼材中においてBNの個数密度は10~100個/100μm2である。鋼材の降伏強度は758MPa以上である。

Description

鋼材、及び、鋼材の製造方法
 本発明は、鋼材、及び、鋼材の製造方法に関し、さらに詳しくは、サワー環境での使用に適した鋼材、及び、鋼材の製造方法に関する。
 油井やガス井(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、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)、及び、125ksi以上(降伏強度が862MPa以上)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あるいは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
 しかしながら、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、降伏強度が110ksi以上(758MPa以上)であり、優れた耐SSC性を有する鋼材(たとえば油井用鋼管)が得られてもよい。
 本開示の目的は、758MPa以上(110ksi以上)の降伏強度を有し、かつ、優れた耐SSC性を有する鋼材、及び、その鋼材の製造方法を提供することである。
 本開示による鋼材は、質量%で、C:0.15~0.45%、Si:0.05~1.00%、Mn:0.01~1.00%、P:0.030%以下、S:0.0050%以下、Al:0.005~0.100%、Cr:0.60~1.80%、Mo:0.80~2.30%、Ti:0.002~0.020%、V:0.05~0.30%、Nb:0.002~0.100%、B:0.0005~0.0040%、Cu:0.01~0.50%、Ni:0.01~0.50%、N:0.0020~0.0100%、O:0.0020%以下、Ca:0~0.0100%、Mg:0~0.0100%、Zr:0~0.0100%、希土類元素:0~0.0100%、Co:0~0.50%、及び、W:0~0.50%を含有し、残部がFe及び不純物からなる化学組成を有する。鋼材中において、BNの個数密度は10~100個/100μm2である。鋼材の降伏強度は758MPa以上である。
 本開示による鋼材の製造方法は、準備工程と、焼入れ工程と、焼戻し工程とを備える。準備工程では、上記化学組成を有する中間鋼材を準備する。焼入れ工程では、準備工程後、中間鋼材を880~1000℃の焼入れ温度に加熱した後、焼入れ温度から、鋼材のAr3点~鋼材のAc3点-10℃の急冷開始温度まで、60~300秒間冷却した後、急冷開始温度から50℃/分以上の冷却速度で冷却する。焼戻し工程では、焼入れ工程後、中間鋼材を、620~720℃で10~180分保持する。
 本開示による鋼材は、758MPa以上(110ksi以上)の降伏強度を有し、かつ、優れた耐SSC性を有する。本開示による鋼材の製造方法は、上述の鋼材を製造することができる。
図1Aは、110ksi級の降伏強度を有する鋼材における、BNの個数密度と耐SSC性との関係を示す図である。 図1Bは、125ksi以上の降伏強度を有する鋼材における、BNの個数密度と耐SSC性との関係を示す図である。 図2A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2Bは、実施形態のDCB試験で用いるクサビの斜視図である。 図3は、実施形態の焼入れ焼戻し処理におけるヒートパターンを示す模式図である。
 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、758MPa以上(110ksi以上)の降伏強度を維持しながら、優れた耐SSC性を得る方法について調査検討し、次の知見を得た。
 鋼材中の転位密度を高めれば、鋼材の降伏強度(Yield Strength)が高まる。しかしながら、転位は水素を吸蔵する可能性がある。そのため、鋼材の転位密度が増加すれば、鋼材が吸蔵する水素量も増加する可能性がある。転位密度を高めた結果、鋼材中の水素濃度が高まれば、高強度は得られても、鋼材の耐SSC性が低下する。したがって、110ksi以上の降伏強度と、優れた耐SSC性とを両立するためには、転位密度を利用した高強度化は、好ましくない。
 そこで本発明者らは、鋼材の転位密度を高めるのではなく、異なる手法で鋼材の降伏強度を高めれば、鋼材の降伏強度を110ksi以上まで高めても、優れた耐SSC性が得られるのではないかと考えた。そこで本発明者らは、焼戻し軟化抵抗を高める元素に着目し、それらの元素の含有量を高めることで、焼戻し後の鋼材の降伏強度が高められるのではないかと考えた。具体的に、鋼材の化学組成のうち、Cr含有量を0.60%以上、Mo含有量を0.80%以上、及び、V含有量を0.05%以上にすることで、鋼材の降伏強度を高めることについて検討した。
 すなわち、本発明者らは、鋼材の化学組成を、質量%で、C:0.15~0.45%、Si:0.05~1.00%、Mn:0.01~1.00%、P:0.030%以下、S:0.0050%以下、Al:0.005~0.100%、Cr:0.60~1.80%、Mo:0.80~2.30%、Ti:0.002~0.020%、V:0.05~0.30%、Nb:0.002~0.100%、B:0.0005~0.0040%、Cu:0.01~0.50%、Ni:0.01~0.50%、N:0.0020~0.0100%、O:0.0020%以下、Ca:0~0.0100%、Mg:0~0.0100%、Zr:0~0.0100%、希土類元素:0~0.0100%、Co:0~0.50%、及び、W:0~0.50%を含有し、残部がFe及び不純物にすれば、鋼材の焼戻し軟化抵抗が高まり、焼戻し後の鋼材の降伏強度が高まるため、110ksi以上の降伏強度を有する鋼材であっても、サワー環境において優れた耐SSC性を得られる可能性があることを見出した。
 しかしながら、上述の化学組成を有する鋼材では、鋼材中に粗大な析出物が多数析出する場合がある。本発明者らのさらなる検討の結果、上述の化学組成の鋼材において、鋼材中に粗大な析出物が多数析出した場合、サワー環境において優れた耐SSC性が得られないことが判明した。
 すなわち、上述の化学組成を有する鋼材において、粗大な析出物を低減させれば、降伏強度758MPa以上(110ksi以上)と、サワー環境における優れた耐SSC性とを両立できる可能性がある。そこで、本発明者らは、上述の化学組成を有する鋼材において、粗大な析出物を低減する方法について、検討を行った。
 まず、本発明者らは、粗大な析出物のほとんどが、旧オーステナイト粒の粒界(以下、旧オーステナイト粒を「旧γ粒」、旧オーステナイト粒の粒界を「旧γ粒界」ともいう)に析出すること、及び、後述する焼戻し処理時に析出することを知見した。すなわち、焼戻し処理を実施する前に、旧γ粒界に、耐SSC性に影響の少ない微細な析出物を析出させれば、粗大な析出物の生成サイトが低減され、焼戻し処理後の鋼材中において、粗大な析出物を低減でき、サワー環境における鋼材の耐SSC性を高められる可能性がある。
 そこで本発明者らは、旧γ粒界に偏析しやすく、かつ、微細な析出物を高温で形成しやすい元素について検討した。その結果、本発明者らは、ホウ素(B)が形成する窒化ホウ素(BN)であれば、これらの条件を満たす可能性があることを見出した。そこで本発明者らは、上述の化学組成のうちBに着目し、BNを積極的に析出させることで、粗大な析出物の析出を低減し、鋼材の耐SSC性を高めることについて、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する鋼材を用いて、BNの個数密度と、降伏強度と、耐SSC性の指標である破壊靱性値K1SSCとの関係を調査した。
 [BNの個数密度と耐SSC性との関係]
 本発明者らは、まず、110ksi級(758~862MPa未満)の降伏強度を有する鋼材における、BNの個数密度と耐SSC性との関係について、詳細に検討した。具体的に図を用いて、上述の化学組成と、110ksi級の降伏強度とを有する鋼材における、BNの個数密度と耐SSC性との関係を説明する。
 図1Aは、110ksi級の降伏強度を有する鋼材における、BNの個数密度と耐SSC性との関係を示す図である。図1Aは、後述する実施例のうち、上述の化学組成と、110ksi級の降伏強度とを有する鋼材について、後述する方法によって得られたBNの個数密度(個/100μm2)と、後述するDCB試験によって得られた破壊靭性値K1SSC(MPa√m)とを用いて作成した。なお、耐SSC性について、破壊靭性値K1SSCが29.0MPa√m以上である場合、耐SSC性が良好であると判断した。
 図1Aを参照して、上述の化学組成と、110ksi級の降伏強度とを有する鋼材において、BNの個数密度が10個/100μm2以上であれば、破壊靭性値K1SSCが29.0MPa√m以上となり、鋼材は優れた耐SSC性を示した。一方、上述の化学組成と、110ksi級の降伏強度とを有する鋼材において、BNの個数密度が100個/100μm2を超えれば、破壊靭性値K1SSCが29.0MPa√m未満となった。すなわち、BNの個数密度が高すぎる場合、かえって、耐SSC性が低下した。
 すなわち、図1Aを参照して、上述の化学組成と、110ksi級の降伏強度とを有する鋼材では、BNの個数密度が10~100個/100μm2であれば、破壊靭性値K1SSCが29.0MPa√m以上となり、鋼材は優れた耐SSC性を示すことが明らかになった。
 本発明者らはさらに、125ksi以上(862MPa以上)の降伏強度を有する鋼材における、BNの個数密度と耐SSC性との関係についても、詳細に検討した。具体的に図を用いて、上述の化学組成と、125ksi以上の降伏強度とを有する鋼材における、BNの個数密度と耐SSC性との関係を説明する。
 図1Bは、125ksi以上の降伏強度を有する鋼材における、BNの個数密度と耐SSC性との関係を示す図である。図1Bは、後述する実施例のうち、上述の化学組成と、125ksi以上の降伏強度とを有する鋼材について、後述する方法によって得られたBNの個数密度(個/100μm2)と、後述するDCB試験によって得られた破壊靭性値K1SSC(MPa√m)とを用いて作成した。なお、耐SSC性について、破壊靭性値K1SSCが27.0MPa√m以上である場合、耐SSC性が良好であると判断した。
 図1Bを参照して、上述の化学組成と、125ksi以上の降伏強度とを有する鋼材において、BNの個数密度が10個/100μm2以上であれば、破壊靭性値K1SSCが27.0MPa√m以上となり、鋼材は優れた耐SSC性を示した。一方、上述の化学組成と、125ksi以上の降伏強度とを有する鋼材において、BNの個数密度が100個/100μm2を超えれば、破壊靭性値K1SSCが27.0MPa√m未満となった。すなわち、BNの個数密度が高すぎる場合、かえって、耐SSC性が低下した。
 すなわち、図1Bを参照して、上述の化学組成と、125ksi以上の降伏強度とを有する鋼材では、BNの個数密度が10~100個/100μm2であれば、破壊靭性値K1SSCが27.0MPa√m以上となり、鋼材は優れた耐SSC性を示すことが明らかになった。
 なお、BNの個数密度と鋼材の耐SSC性との関係について、本発明者らは、次のとおりに考えている。従来、Bは鋼材中に固溶させて、鋼材の焼入れ性を高める目的で、鋼材に含有させる。一方、Bは旧γ粒界に偏析しやすく、かつ、本実施形態による鋼材のAr3点~Ac3点未満の温度範囲において、Nと結合してBNを形成する。そのため、本実施形態においては、従来鋼材に固溶させるBを、あえてBNとして析出させることにより、粗大な析出物の生成サイトを、焼戻し処理よりも前に、予め低減することができる。その結果、鋼材中の粗大な析出物が低減され、鋼材の耐SSC性が高まるのではないかと、本発明者らは考えている。
 以上より、上述の化学組成を有する鋼材において、BNの個数密度が10~100個/100μm2であれば、降伏強度が758MPa以上(110ksi以上)であっても、優れた耐SSC性を得ることができる。したがって、本実施形態による鋼材において、BNの個数密度は10~100個/100μm2とする。
 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:0.15~0.45%、Si:0.05~1.00%、Mn:0.01~1.00%、P:0.030%以下、S:0.0050%以下、Al:0.005~0.100%、Cr:0.60~1.80%、Mo:0.80~2.30%、Ti:0.002~0.020%、V:0.05~0.30%、Nb:0.002~0.100%、B:0.0005~0.0040%、Cu:0.01~0.50%、Ni:0.01~0.50%、N:0.0020~0.0100%、O:0.0020%以下、Ca:0~0.0100%、Mg:0~0.0100%、Zr:0~0.0100%、希土類元素:0~0.0100%、Co:0~0.50%、及び、W:0~0.50%を含有し、残部がFe及び不純物からなる化学組成を有する。鋼材中において、BNの個数密度は10~100個/100μm2である。鋼材の降伏強度は758MPa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。
 本実施形態による鋼材は、758MPa以上(110ksi以上)の降伏強度と、サワー環境における優れた耐SSC性とを示す。
 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:0.02~0.50%、及び、W: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、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。油井用鋼管の形状は限定されず、たとえば、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。
 本実施形態による油井用鋼管は、好ましくは継目無鋼管である。本実施形態による油井用鋼管が継目無鋼管であれば、旧γ粒の粒径(以下、「旧γ粒径」ともいう)が15~30μmであっても、758MPa以上(110ksi以上)の降伏強度と、優れた耐SSC性とを両立することができる。
 本実施形態による鋼材の製造方法は、準備工程と、焼入れ工程と、焼戻し工程とを備える。準備工程では、上記化学組成を有する中間鋼材を準備する。焼入れ工程では、準備工程後、中間鋼材を880~1000℃の焼入れ温度に加熱した後、焼入れ温度から、鋼材のAr3点~鋼材のAc3点-10℃の急冷開始温度まで、60~300秒間冷却した後、急冷開始温度から50℃/分以上の冷却速度で冷却する。焼戻し工程では、焼入れ工程後、中間鋼材を、620~720℃で10~180分保持する。
 上記製造方法の準備工程は、上記化学組成を有する素材を準備する素材準備工程と、素材を熱間加工して中間鋼材を製造する熱間加工工程とを含んでもよい。
 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:0.15~0.45%
 炭素(C)は、鋼材の焼入れ性を高め、鋼材の降伏強度を高める。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、鋼材の降伏強度が高まる。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0.15~0.45%である。C含有量の好ましい下限は0.18%であり、より好ましくは0.20%であり、さらに好ましくは0.25%である。C含有量の好ましい上限は0.40%であり、より好ましくは0.38%であり、さらに好ましくは0.35%である。
 Si:0.05~1.00%
 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0.05~1.00%である。好ましいSi含有量の下限は0.10%であり、より好ましくは0.15%である。Si含有量の好ましい上限は0.85%であり、より好ましくは0.70%であり、さらに好ましくは0.60%である。
 Mn:0.01~1.00%
 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、鋼材の降伏強度を高める。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0.01~1.00%である。Mn含有量の好ましい下限は0.02%であり、より好ましくは0.03%であり、さらに好ましくは0.10%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性を低下する。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0.025%であり、より好ましくは0.020%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0.0003%であり、さらに好ましくは0.001%であり、さらに好ましくは0.002%である。
 S:0.0050%以下
 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性を低下する。したがって、S含有量は0.0050%以下である。S含有量の好ましい上限は0.0040%であり、より好ましくは0.0030%であり、さらに好ましくは0.0020%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0.0003%である。
 Al:0.005~0.100%
 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0.005~0.100%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0.080%であり、より好ましくは0.060%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:0.60~1.80%
 クロム(Cr)は、焼戻し軟化抵抗を高め、鋼材の降伏強度を高める。Crにより鋼材の焼戻し軟化抵抗が高まればさらに、高温焼戻しが可能となる。この場合、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、鋼材中に粗大な炭化物が生成し、鋼材の耐SSC性が低下する。したがって、Cr含有量は0.60~1.80%である。Cr含有量の好ましい下限は0.65%であり、より好ましくは0.70%であり、さらに好ましくは0.75%である。Cr含有量の好ましい上限は1.60%であり、より好ましくは1.55%であり、さらに好ましくは1.50%である。
 Mo:0.80~2.30%
 モリブデン(Mo)は、焼戻し軟化抵抗を高め、鋼材の降伏強度を高める。Moにより鋼材の焼戻し軟化抵抗が高まればさらに、高温焼戻しが可能となる。この場合、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、Mo6C型の炭化物が焼入れ前の加熱によって溶解せず、鋼材中に残存する。その結果、鋼材の焼入れ性が低下し、鋼材の耐SSC性が低下する。したがって、Mo含有量は0.80~2.30%である。Mo含有量の好ましい下限は0.85%であり、より好ましくは0.90%である。Mo含有量の好ましい上限は2.10%であり、より好ましくは1.80%である。
 Ti:0.002~0.020%
 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。これにより、鋼材の降伏強度が高まる。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窒化物が多量に形成し、BNの析出を低減する。その結果、鋼材の耐SSC性が低下する。したがって、Ti含有量は0.002~0.020%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0.004%である。Ti含有量の好ましい上限は0.018%であり、より好ましくは0.015%である。
 V:0.05~0.30%
 バナジウム(V)は、Cと結合して炭化物を形成し、析出物強化の効果により、焼戻し軟化抵抗を高める。その結果、鋼材の降伏強度が高まる。Vにより鋼材の焼戻し軟化抵抗が高まればさらに、高温焼戻しが可能となる。この場合、鋼材の耐SSC性が高まる。V含有量が低すぎれば、これらの効果が得られない。一方、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0.05~0.30%である。V含有量の好ましい下限は0.05%超であり、より好ましくは0.06%であり、さらに好ましくは0.07%である。V含有量の好ましい上限は0.25%であり、より好ましくは0.20%であり、さらに好ましくは0.15%である。
 Nb:0.002~0.100%
 ニオブ(Nb)は、C及び/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組織を微細化し、鋼材の耐SSC性を高める。Nbはさらに、Cと結合して微細な炭化物を形成する。その結果、鋼材の降伏強度が高まる。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0.005%であり、さらに好ましくは0.010%である。Nb含有量の好ましい上限は0.050%であり、より好ましくは0.030%である。
 B:0.0005~0.0040%
 ホウ素(B)は、Nと結合して、鋼材中にBNを形成する。その結果、旧γ粒界に析出する粗大な析出物の析出を低減する。Bはさらに、鋼材中に固溶して、鋼材の焼入れ性を高める。本実施形態における鋼材では、これらの効果のうち、BNを積極的に析出させることで、鋼材の耐SSC性を高める。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BNが多量に形成され、鋼材の耐SSC性が低下する場合がある。B含有量が高すぎればさらに、鋼材中に粗大なBNが形成され、鋼材の耐SSC性が低下する場合がある。したがって、B含有量は0.0005~0.0040%である。B含有量の好ましい下限は0.0007%であり、より好ましくは0.0010%であり、さらに好ましくは0.0012%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0.0030%であり、さらに好ましくは0.0025%である。
 Cu:0.01~0.50%
 銅(Cu)は、鋼材の焼入れ性を高め、鋼材の降伏強度を高める。Cu含有量が低すぎれば、この効果が得られない。一方、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0.01~0.50%である。Cu含有量の好ましい下限は0.02%である。Cu含有量の好ましい上限は0.40%であり、より好ましくは0.30%であり、さらに好ましくは0.20%であり、さらに好ましくは0.15%である。
 Ni:0.01~0.50%
 ニッケル(Ni)は、鋼材の焼入れ性を高め、鋼材の降伏強度を高める。Ni含有量が低すぎれば、この効果が得られない。一方、Ni含有量が高すぎれば、局部的な腐食を促進させ、鋼材の耐SSC性が低下する。したがって、Ni含有量は0.01~0.50%である。Ni含有量の好ましい下限は0.02%である。Ni含有量の好ましい上限は0.40%であり、より好ましくは0.30%であり、さらに好ましくは0.20%であり、さらに好ましくは0.15%である。
 N:0.0020~0.0100%
 窒素(N)は、Bと結合して、鋼材中にBNを形成する。その結果、旧γ粒界に析出する粗大な析出物を低減する。Nはさらに、Tiと結合して微細窒化物を形成し、結晶粒を微細化する。N含有量が低すぎれば、これらの効果が得られない。一方、N含有量が高すぎれば、鋼材中にBNが多量に形成され、鋼材の耐SSC性が低下する場合がある。N含有量が高すぎればさらに、鋼材中に粗大なBNが形成され、鋼材の耐SSC性が低下する場合がある。したがって、N含有量は0.0020~0.0100%である。N含有量の好ましい下限は0.0025%であり、より好ましくは0.0030%であり、さらに好ましくは0.0035%であり、さらに好ましくは0.0040%である。N含有量の好ましい上限は0.0080%であり、より好ましくは0.0070%である。
 O:0.0020%以下
 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0.0020%以下である。O含有量の好ましい上限は0.0018%であり、より好ましくは0.0015%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0.0003%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、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、鋼材中の硫化物の形態を制御して、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%である。Ca含有量の好ましい上限は0.0040%であり、より好ましくは0.0030%であり、さらに好ましくは0.0025%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%である。Mg含有量の好ましい上限は0.0040%であり、より好ましくは0.0030%であり、さらに好ましくは0.0025%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%である。Zr含有量の好ましい上限は0.0040%であり、より好ましくは0.0030%であり、さらに好ましくは0.0025%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、鋼材の低温靭性及び耐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、酸化物が粗大化して、鋼材の低温靭性及び耐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%である。REM含有量の好ましい上限は0.0040%であり、より好ましくは0.0025%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、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種又は2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、サワー環境中で保護性の腐食被膜を形成し、水素侵入を抑制する。これにより、これらの元素は鋼材の耐SSC性を高める。
 Co:0~0.50%
 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はサワー環境中で保護性の腐食被膜を形成し、水素侵入を抑制する。その結果、鋼材の耐SSC性が高まる。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、鋼材の降伏強度が低下する。したがって、Co含有量は0~0.50%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0.03%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0.45%であり、より好ましくは0.40%である。
 W:0~0.50%
 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はサワー環境中で保護性の腐食被膜を形成し、水素侵入を抑制する。その結果、鋼材の耐SSC性が高まる。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0~0.50%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0.03%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0.45%であり、より好ましくは0.40%である。
 [BNについて]
 本実施形態による鋼材は、鋼材中において、BNの個数密度が10~100個/100μm2である。なお、本明細書において、BNとは、円相当径が10~100nmであり、本実施形態による鋼材の化学組成のうち、B、N、シートメッシュ由来の元素、及び、カーボン蒸着膜(レプリカ膜)由来の元素を除く元素が検出されない析出物を意味する。なお、本明細書において、円相当径とは、組織観察における視野面において、特定された析出物の面積を、同じ面積を有する円に換算した場合の円の直径を意味する。
 上述のとおり、本実施形態による鋼材は、Cr、Mo、及び、V含有量を調整して、鋼材の焼戻し軟化抵抗を高めている。すなわち、化学組成を上述のとおりに調整することで、焼戻し後の降伏強度を高めている。一方、上述の化学組成を有する鋼材では、旧オーステナイト粒界(旧γ粒界)に粗大な析出物が確認される場合がある。この場合、鋼材の耐SSC性が低下する。
 そこで、本実施形態による鋼材は、鋼材中において、BNを分散させる。上述のとおり、Bは旧γ粒界に偏析しやすい。Bはさらに、Nと結合してBNを形成し、鋼材中に析出する。そのため、BNを積極的に析出させることにより、粗大な析出物の析出を妨害することができる。この場合、鋼材の耐SSC性を高めることができる。一方、BNが多数析出しすぎれば、かえって鋼材の耐SSC性が低下する。この理由について本発明者らは、析出物が多すぎることにより、鋼材が脆化するためと考えている。
 したがって、本実施形態による鋼材は、鋼材中において、BNの個数密度が10~100個/100μm2である。鋼材中におけるBNの個数密度の好ましい下限は12個/100μm2である。鋼材中におけるBNの個数密度の好ましい上限は90個/100μm2であり、より好ましくは80個/100μm2である。
 本実施形態による鋼材中における、BNの個数密度は、次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、抽出レプリカ作成用のミクロ試験片を採取する。鋼材が鋼板である場合、板厚中央部からミクロ試験片を採取する。鋼材が鋼管である場合、肉厚中央部からミクロ試験片を採取する。ミクロ試験片の表面を鏡面研磨した後、ミクロ試験片を25±1℃の3.0%ナイタール腐食液に600秒浸漬し、表面を腐食する。腐食させた表面を、カーボン蒸着膜で覆う。蒸着膜で表面を覆ったミクロ試験片を、25±1℃の5.0%ナイタール腐食液に1200秒浸漬する。浸漬したミクロ試験片から、蒸着膜を剥離する。ミクロ試験片から剥離した蒸着膜を、エタノールで洗浄した後、Cu製のシートメッシュですくい取り、乾燥する。
 この蒸着膜(レプリカ膜)を、透過電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Microscope)で観察する。具体的には、任意の4箇所を特定し、観察倍率を3万倍とし、加速電圧を200kVとして観察し、写真画像を生成する。さらに、同一の観察視野に対して、エネルギー分散型X線分析法(Energy Dispersive X-ray Spectrometry:以下、「EDS」ともいう)による元素分析を行い、元素マップを生成する。なお、各視野は、5μm×5μmである。さらに、析出物は、コントラストから特定でき、円相当径が10~100nmであることは、得られた写真画像に対して画像解析を行うことによって特定できる。
 なお、EDSでは、装置の特性上、本実施形態による鋼材の化学組成のうち、Fe、Cr、Mn、Mo、V、及び、Nb等、B及びNを除く元素は検出されるが、B及びNは検出されない場合がある。しかしながら、円相当径10~100nmの析出物のうち、本実施形態による鋼材の化学組成のうち、B及びNを除く元素を含まない析出物は、ほとんどがBNである。本実施形態ではさらに、上述のとおり、EDSによる元素分析を行う際、Cu製のシートメッシュを用いる。そのため、本実施形態のEDSによる元素分析では、Cuが不純物レベルを超えて検出される。本実施形態ではさらに、上述のとおり、カーボン蒸着膜(レプリカ膜)に捕捉した析出物に対して、EDSによる元素分析を行う。そのため、本実施形態のEDSによる元素分析では、Cが不純物レベルを超えて検出される場合もある。
 以上より、本実施形態では、BNは、円相当径が10~100nmであり、本実施形態による鋼材の化学組成のうち、B、N、シートメッシュ由来の元素、及び、カーボン蒸着膜(レプリカ膜)由来の元素を除く元素が検出されない析出物と定義する。なお、B、N、シートメッシュ由来の元素、及び、カーボン蒸着膜(レプリカ膜)由来の元素は、EDSによって検出される場合もあるし、検出されない場合もある。たとえば、円相当径が10~100nmであり、EDSによってシートメッシュ由来の元素のみが検出された析出物は、BNであると判断する。たとえばさらに、円相当径が10~100nmであり、B、N、シートメッシュ由来の元素、及び、カーボン蒸着膜(レプリカ膜)由来の元素が検出され、その他の元素が検出されない析出物も、BNであると判断する。すなわち、本実施形態では、円相当径が10~100nmであり、B、N、シートメッシュ由来の元素、及び、カーボン蒸着膜(レプリカ膜)由来の元素からなる群から選択される1種又は2種以上のみがEDSによって検出され、他の元素がEDSによって検出されない析出物をBNと判断する。本実施形態ではさらに、円相当径が10~100nmであり、EDSによって何も検出されない析出物も、BNと判断する。
 なお、上述のとおり、本実施形態では、シートメッシュ由来の元素とは、Cuである。本実施形態ではさらに、カーボン蒸着膜(レプリカ膜)由来の元素とは、Cである。したがって、本実施形態では、BNは、実質的に、円相当径が10~100nmであり、本実施形態による鋼材の化学組成のうち、B、N、Cu、及び、Cを除く元素が検出されない析出物を意味する。なお、本明細書において、「本実施形態による鋼材の化学組成のうち、B、N、Cu、及び、Cを除く元素が検出されない」とは、EDSによる元素分析において、本実施形態による鋼材の化学組成のうち、B、N、Cu、及び、Cを除く元素が、不純物レベルを超えて検出されないことを意味する。
 なお、TEM観察時に用いるシートメッシュは、Cu以外の元素で構成される場合もある。たとえば、Ni製のシートメッシュを用いた場合、EDSによる元素分析において、Niが不可避に検出される。この場合、BNは、円相当径が10~100nmであり、本実施形態による鋼材の化学組成のうち、B、N、Ni、及び、Cを除く元素が検出されない析出物を意味する。
 本実施形態では、具体的に、上述の写真画像から特定された円相当径10~100nmの析出物と、元素マップとを比較して、円相当径10~100nmの析出物のうち、本実施形態による鋼材の化学組成のうち、B、N、Cu、及び、Cを除く元素が検出されない析出物(BN)を特定する。4視野において特定されたBNの総個数と、4視野の総面積とに基づいて、BNの個数密度(個/100μm2)を求めることができる。
 [鋼材の降伏強度]
 本実施形態による鋼材の降伏強度は758MPa以上(110ksi以上)である。本明細書でいう降伏強度は、引張試験で得られた0.2%オフセット耐力を意味する。本実施形態による鋼材は、降伏強度が110ksi以上であっても、上述の化学組成、及び、BNの個数密度を満たすことで、サワー環境において優れた耐SSC性を有する。
 本実施形態による鋼材の降伏強度は、次の方法で求めることができる。ASTM E8/E8M(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、平行部直径4mm、平行部長さ35mm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℃)、大気中にて引張試験を実施して、得られた0.2%オフセット耐力を降伏強度(MPa)と定義する。
 [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。具体的に、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90%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90%以上を含有すれば、本実施形態の他の規定を満たすことを条件に、降伏強度が758MPa以上(110ksi以上)となる。
 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は、ミクロ組織観察によって求めることができる。鋼材が鋼板の場合は、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。なお、鋼材が厚さ10mm未満の鋼板の場合、圧延方向10mm、板厚方向に鋼板の厚さの観察面を有する試験片を切り出す。鋼材が鋼管の場合は、肉厚中央部から管軸方向10mm、管径方向10mmの観察面を有する試験片を切り出す。なお、鋼材が肉厚10mm未満の鋼管の場合、管軸方向10mm、管径方向に鋼管の肉厚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、試験片を2%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400μm2(倍率5000倍)である。
 各視野において、焼戻しマルテンサイト及び焼戻しベイナイトと、その他の相(フェライト、又は、パーライト)とは、コントラストから区別できる。したがって、各視野において、コントラストに基づいて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。特定された焼戻しマルテンサイト及び焼戻しベイナイトの面積率の合計を求める。本実施形態において、すべての視野で求めた、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する。
 [旧オーステナイト粒径]
 本実施形態による鋼材のミクロ組織において、旧オーステナイト粒径(旧γ粒径)は特に限定されない。鋼材が油井用鋼管である場合、ミクロ組織における好ましい旧γ粒径は30μm以下である。鋼材は通常、旧γ粒径が微細であれば、降伏強度及び耐SSC性が安定して高まる。しかしながら、本実施形態による鋼材は、上述の化学組成、及び、BNの個数密度を満たすことにより、旧γ粒径が15~30μmであっても、758MPa以上(110ksi以上)の降伏強度と、優れた耐SSC性とを有する。
 旧γ粒径は、次の方法で求めることができる。鋼材が鋼板の場合は、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。なお、鋼材が厚さ10mm未満の鋼板の場合、圧延方向10mm、板厚方向に鋼板の厚さの観察面を有する試験片を切り出す。鋼材が鋼管の場合は、肉厚中央部から管軸方向10mm、管径方向10mmの観察面を有する試験片を切り出す。なお、鋼材が肉厚10mm未満の鋼管の場合、管軸方向10mm、管径方向に鋼管の肉厚の観察面を有する試験片を切り出す。試験片を樹脂に埋め込み、観察面を鏡面に研磨した後、ピクリン酸飽和水溶液に60秒程度浸漬して、エッチングにより旧γ粒界を現出する。
 エッチングした観察面を、SEMを用いて、二次電子像にて10視野観察し、写真画像を生成する。生成した写真画像から、旧γ粒の面積をそれぞれ求め、求めた面積から、旧γ粒の円相当径を求める。10視野において求めた旧γ粒の円相当径の算術平均値を、旧γ粒径(μm)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、好ましい肉厚は9~60mmである。より好ましくは、本実施形態による鋼材は、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、優れた強度と、優れた耐SSC性とを示す。
 [鋼材の耐SSC性]
 本実施形態による鋼材では、降伏強度ごとに、優れた耐SSC性を規定する。なお、本実施形態による鋼材の耐SSC性は、いずれの降伏強度においても、NACE TM0177-2005 Method Dに準拠したDCB試験によって評価できる。
 [降伏強度が758~862MPa未満の場合の耐SSC性]
 鋼材の降伏強度が758~862MPa未満(110~125ksi未満、110ksi級)である場合、鋼材の耐SSC性は、次の方法で評価できる。5.0質量%塩化ナトリウム水溶液を、試験溶液とする。本実施形態による鋼材から、図2A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2Bに示すクサビを採取する。クサビの厚さtは、3.10(mm)とする。
 図2A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。その後、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。試験浴の量は、試験片1つあたり1Lとする。続いて、試験浴にN2ガスを3時間吹き込み、試験浴の溶存酸素が20ppb以下になるまで脱気する。
 脱気した試験浴に、5気圧(0.5MPa)のH2Sガスを吹き込み、試験浴を腐食環境とする。試験浴のpHは、浸漬中を通して3.5~4.0の範囲とする。試験浴を撹拌しながら、試験容器内を24±3℃で14日間(336時間)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 JPOXMLDOC01-appb-M000001
 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758~862MPa未満の場合、上記DCB試験で求めた破壊靭性値K1SSCが29.0MPa√m以上である。
 [降伏強度が862MPa以上の場合の耐SSC性]
 鋼材の降伏強度が862MPa以上(125ksi以上)である場合、鋼材の耐SSC性は、次の方法で評価できる。5.0質量%塩化ナトリウムと2.5質量%酢酸と0.41質量%酢酸ナトリウムとの混合水溶液(NACE solution B)を、試験溶液とする。降伏強度が758~862MPa未満の場合と同様に、本実施形態による鋼材から、図2Aに示すDCB試験片と、図2Bに示すクサビとを採取する。なお、クサビの厚さtは、3.10(mm)とする。
 降伏強度が758~862MPa未満の場合と同様に、アームの間にクサビが打ち込まれたDCB試験片を、試験容器に封入する。その後、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。試験浴の量は、試験片1つあたり1Lとする。続いて、試験浴にN2ガスを3時間吹き込み、試験浴の溶存酸素が20ppb以下になるまで脱気する。
 脱気した試験浴に、0.3気圧(0.03MPa)のH2Sと、0.7気圧(0.07MPa)のCO2との混合ガスを吹き込み、試験浴を腐食環境とする。試験浴のpHは、浸漬中を通して3.5~4.0の範囲とする。試験浴を撹拌しながら、試験容器内を24±3℃で17日間(408時間)保持する。保持後の試験容器からDCB試験片を取り出す。
 降伏強度が758~862MPa未満の場合と同様に、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。本実施形態による鋼材は、降伏強度が862MPa以上の場合、上記DCB試験で求めた破壊靭性値K1SSCが27.0MPa√m以上である。
 [製造方法]
 本実施形態による鋼材の製造方法を説明する。本実施形態による鋼材の製造方法は、準備工程と、焼入れ工程と、焼戻し工程とを備える。準備工程は素材準備工程と、熱間加工工程とを含んでもよい。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、本実施形態による鋼材の製造方法は、以下に説明する製造方法に限定されない。以下、各工程について詳述する。
 [準備工程]
 準備工程は、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、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)を製造する。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、鋼片(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、素管を製造する。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、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また、常温まで冷却せずに、熱間加工後に直接焼入れを実施したり、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。ただし、直接焼入れ、又は、補熱後に焼入れを実施する場合、焼割れの抑制を目的として、焼入れ途中に冷却を停止したり、緩冷却を実施したりする方が好ましい。
 熱間加工後に直接焼入れ、又は、熱間加工後に補熱した後焼入れを実施する場合、残留応力を除去することを目的として、焼入れ後であって次工程の熱処理(焼戻し等)前に、応力除去焼鈍(SR処理)を実施することが好ましい。
 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、一旦Ac3点以上に加熱した後、Ar3点以上の中間鋼材を急冷することを意味する。なお、焼入れでは、ミクロ組織のほとんどがオーステナイトである中間鋼材を急冷する。その結果、焼入れ後において、ミクロ組織のほとんどが、マルテンサイト及び/又はベイナイトである中間鋼材が得られる。すなわち、中間鋼材のミクロ組織のほとんどがオーステナイトとなっていなければ、中間鋼材を急冷しても、焼入れの効果は得られない。そのため、焼入れでは、通常、急冷の前に、中間鋼材を一旦Ac3点以上まで加熱する。
 図3は、本実施形態の製造方法における、焼入れ工程及び焼戻し工程のヒートパターンを示す模式図である。図3では、中間鋼材に対して焼入れ処理(図3中の「Q」)を実施した後、中間鋼材に対して焼戻し処理(図3中の「T」)を実施する。以下、図3を参照して、本実施形態による焼入れ工程を説明する。
 具体的に、従来の焼入れ工程のヒートパターンを、図3中の点線で示す。一方、本実施形態による焼入れ工程のヒートパターンを、図3中の実線で示す。図3を参照して、従来の焼入れ工程では、中間鋼材はAc3点以上(図3中のH1)に加熱される。上述のとおり、中間鋼材をAc3点以上まで加熱することにより、中間鋼材のミクロ組織がオーステナイトとなる。続いて、中間鋼材はAc3点以上で保持された後、Ac3点以上(図3中のC1)から急冷される。
 一方、本実施形態による焼入れ工程では、中間鋼材は従来と同様に、Ac3点以上(図3中のH1)に加熱される。続いて、中間鋼材はAc3点以上(図3中のC1)から、Ar3点~Ac3点-10℃(図3中のC2)まで、第1の冷却が実施される。第1の冷却後、中間鋼材はAr3点~Ac3点-10℃(図3中のC2)から第2の冷却が実施される。
 図3に示すように、本実施形態による焼入れ工程では、中間鋼材を加熱して保持する工程(加熱保持工程)と、中間鋼材を加熱保持した温度からAr3点~Ac3点-10℃まで冷却する工程(第1の冷却工程)と、中間鋼材をAr3点~Ac3点-10℃から急冷する工程(第2の冷却工程)とを有する。以下、各工程について詳述する。
 [加熱保持工程]
 加熱保持工程では、中間鋼材をAc3点以上まで加熱する。具体的に、本実施形態による加熱保持工程では、焼入れ前の加熱温度(すなわち、焼入れ温度)は、880~1000℃である。本明細書において、焼入れ温度とは、熱間加工後に中間鋼材を再加熱するために用いる、補熱炉又は熱処理炉の温度に相当する。
 焼入れ温度が高すぎれば、旧γ粒径が大きくなりすぎる場合がある。この場合、鋼材の耐SSC性が低下する。一方、焼入れ温度が低すぎれば、焼入れ後に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、鋼材は本実施形態に記載の機械的特性が得られない。したがって、本実施形態における焼入れ工程では、焼入れ温度は880~1000℃である。
 [第1の冷却工程]
 第1の冷却工程では、加熱工程後の中間鋼材を、加熱された中間鋼材の温度(すなわち、焼入れ温度)から、後述する第2の冷却工程における急冷開始温度まで、60~300秒間冷却する。
 上述のとおり、本実施形態による化学組成を有する鋼材では、旧γ粒界に粗大な析出物が生成する場合がある。この場合、鋼材の耐SSC性が低下する。一方、BNは本実施形態による鋼材のAr3点~Ac3点未満の温度範囲で鋼材中に形成される。BNはさらに、旧γ粒界に形成されやすい。すなわち、Ar3点~Ac3点未満の温度範囲で中間鋼材をある程度維持すれば、中間鋼材中にBNが析出し、鋼材の耐SSC性が高まる。
 そこで本実施形態による第1の冷却工程では、中間鋼材を、焼入れ温度から急冷開始温度まで、60~300秒間冷却する。上述のとおり、本実施形態による焼入れ温度はAc3点以上である。さらに、本実施形態による急冷開始温度は鋼材のAr3点~鋼材のAc3点-10℃である。そのため、焼入れ温度から急冷開始温度まで、60~300秒間かけて冷却することで、Ar3点~Ac3点未満の温度範囲に中間鋼材がある程度維持される。その結果、中間鋼材中に、BNを析出させることができる。
 以上のとおり、本実施形態による焼入れ工程では、中間鋼材中にBNを積極的に析出させる。第1の冷却工程においてBNを析出させておくことで、後述する焼戻し工程において、粗大な析出物が析出するのを妨害することができる。その結果、本実施形態による鋼材は、粗大な析出物が低減され、優れた耐SSC性を示す。
 焼入れ温度から急冷開始温度まで中間鋼材の温度を冷却する時間(第1の冷却時間)が短すぎれば、鋼材中にBNが十分に形成されない。そのため、鋼材中のBNの個数密度が低くなりすぎ、鋼材の耐SSC性が得られない。一方、第1の冷却時間が長すぎれば、鋼材中にBNが形成されすぎる。この場合、鋼材中のBNの個数密度が高くなりすぎ、鋼材の耐SSC性が得られない。
 したがって、本実施形態における第1の冷却工程では、第1の冷却時間は60~300秒である。第1の冷却時間の好ましい下限は65秒であり、より好ましくは70秒である。第1の冷却時間の好ましい上限は250秒であり、より好ましくは200秒である。
 なお、第1の冷却工程における冷却方法は、上述の焼入れ温度から急冷開始温度まで60~300秒で冷却できればよく、特に限定されない。本実施形態による第1の冷却工程における冷却方法は、たとえば、空冷、放冷、又は、徐冷である。
 [第2の冷却工程]
 第2の冷却工程では、第1の冷却工程によって冷却された中間鋼材を急冷する。本実施形態による第2の冷却工程では、急冷を開始する温度(すなわち、急冷開始温度)は、Ar3点~Ac3点-10℃である。本明細書において、急冷開始温度とは、中間鋼材を急冷する冷却設備の入側における、中間鋼材の表面温度を意味する。
 急冷開始温度が低すぎれば、焼入れ後に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、鋼材は本実施形態に記載の機械的特性が得られない。一方、急冷開始温度が高すぎれば、BNが析出する温度範囲(Ar3点~Ac3点)で、中間鋼材の温度を維持する時間が短くなる。この場合、鋼材中にBNが十分に形成されず、鋼材の耐SSC性が得られない。
 したがって、本実施形態による第2の冷却工程では、急冷開始温度はAr3点~Ac3点-10℃である。急冷開始温度の好ましい下限はAr3点+5℃であり、より好ましくはAr3点+10℃である。急冷開始温度の好ましい上限はAc3点-15℃であり、より好ましくはAc3点-20℃である。
 第2の冷却工程における、中間鋼材の急冷方法は、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、水槽に中間鋼材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中間鋼材を加速冷却する方法である。
 第2の冷却工程における冷却速度が遅すぎれば、焼入れ後に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、鋼材は本実施形態に記載の機械的特性が得られない。したがって、上述のとおり、本実施形態による鋼材の製造方法では、第2の冷却工程において、中間鋼材を急冷する。具体的には、第2の冷却工程において、焼入れ時の中間鋼材(素管)の表面温度がAr3点~500℃の範囲における平均冷却速度を、焼入れ時冷却速度と定義する。
 本実施形態の焼入れ工程において、焼入れ時冷却速度は50℃/分以上である。焼入れ時冷却速度の好ましい下限は100℃/分である。焼入れ時冷却速度の上限は特に規定しないが、たとえば、60000℃/分である。
 本実施形態による鋼材は、上述のとおり、上述の化学組成、及び、BNの個数密度を満たすことにより、15~30μmの旧γ粒径であっても、758MPa以上(110ksi以上)の降伏強度と、サワー環境における優れた耐SSC性とを有する。なお、本実施形態による焼入れは1回のみ実施されてもよい。一方、中間鋼材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、焼入れを実施してもよい。この場合、鋼材のオーステナイト粒が微細化されるため、鋼材の耐SSC性がさらに高まる。複数回焼入れ処理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。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、上記焼入れ工程後の中間鋼材に対して、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点以下で再加熱して、保持することを意味する。具体的には、図3に示すとおり、本実施形態による焼戻し工程において、焼戻し温度はAc1点以下である。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。つまり、本実施形態の化学組成を有する中間鋼材に対して、焼戻し温度を調整して、鋼材の降伏強度を758MPa以上(110ksi以上)に調整する。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。
 上述のとおり、本実施形態による焼戻し工程では、焼戻し温度はAc1点以下とする。具体的には、本実施形態による焼戻し工程では、焼戻し温度を620~720℃とする。焼戻し温度が620℃以上であれば、炭化物が十分に球状化され、耐SSC性がさらに高まる。焼戻し温度の好ましい下限は630℃であり、より好ましくは650℃である。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。
 本明細書において、焼戻しの保持時間(焼戻し時間)とは、焼入れ後の中間鋼材を加熱して、保持する際の炉に中間鋼材を挿入してから、取り出す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/又は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100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、焼戻しの保持中に、鋼管の温度に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。本実施形態の化学組成の鋼材において、上記焼戻し温度と上記保持時間とを適宜調整することにより、降伏強度を758MPa以上にすることは、当業者であれば十分に可能である。
 以上の製造方法によって、本実施形態による鋼材を製造することができる。なお、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。さらに、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さらに具体的に説明する。
 実施例1では、758~862MPa未満(110ksi級)の降伏強度を有する鋼材について、耐SSC性を調査した。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 JPOXMLDOC01-appb-T000002
 鋼A~Mの溶鋼をRH(Ruhrstahl-Hausen)にて精錬した後、連続鋳造法によって試験番号1-1~1-13のビレットを製造した。製造したビレットを1250℃で1時間保持した後、マンネスマン-マンドレル方式による熱間圧延(熱間加工)を実施して、素管(継目無鋼管)を製造した。熱間圧延後の試験番号1-1~1-13の素管を放冷し、素管温度を常温(25℃)とした。
 放冷後の試験番号1-1~1-13の素管を加熱して、表2に示す焼入れ温度(℃)で20分間保持した。ここで、再加熱を実施した炉の温度を、焼入れ温度(℃)とした。再加熱後の試験番号1-1~1-13の素管を放冷した後、水冷設備により水冷した。試験番号1-1~1-13の素管が、再加熱を実施した炉から出て、水冷設備に入るまでの時間を、「第1の冷却時間(秒)」として、表2に示す。水冷設備の入側に設置した放射温度計により測定した、試験番号1-1~1-13の素管の表面温度を「急冷開始温度(℃)」として、表2に示す。なお、試験番号1-1~1-13の素管のAc3点は、いずれも850℃~870℃の範囲にあり、試験番号1-1~1-13の素管のAr3点は、いずれも650~700℃の範囲にあった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
 水冷設備の出側に設置した放射温度計により測定した、試験番号1-1~1-13の素管の表面温度は、いずれも100℃未満であった。試験番号1-1~1-13の素管の第2の冷却工程における冷却速度は、急冷開始温度と、水冷設備の出側における、試験番号1-1~1-13の素管の表面温度と、水冷設備の入側から出側までの時間から求めた。求めた試験番号1-1~1-13の第2の冷却工程における冷却速度は、いずれも10℃/秒以上であった。そのため、試験番号1-1~1-13の焼入れ時冷却速度は、いずれも10℃/秒以上(すなわち、600℃/分以上)であるとみなした。続いて、表2に示す焼戻し温度で100分間保持する焼戻しを実施して、試験番号1-1~1-13の鋼管(継目無鋼管)を製造した。なお、表2に示す焼戻し温度はいずれも、対応する鋼のAc1点よりも低かった。
 [評価試験]
 上記の焼戻し後の試験番号1-1~1-13の鋼管に対して、以下に説明するミクロ組織観察、BN個数密度測定試験、引張試験、及び、耐SSC性評価試験を実施した。
 [ミクロ組織観察]
 試験番号1-1~1-13の鋼管について、上述の方法で旧γ粒径を測定した。試験番号1-1~1-13の鋼管の、旧γ粒径(μm)を表2に示す。
 [BN個数密度測定試験]
 試験番号1-1~1-13の鋼管について、上述の測定方法により、BNの個数密度を測定及び算出した。なお、TEMは日本電子株式会社製JEM-2010で、加速電圧は200kVとした。試験番号1-1~1-13の鋼管の、BNの個数密度(個/100μm2)を表2に示す。
 [引張試験]
 試験番号1-1~1-13の鋼管について、上述の方法により降伏強度を測定した。具体的に、引張試験をASTM E8/E8M(2013)に準拠して行った。各試験番号の鋼管の肉厚中央部から、平行部直径4mm、平行部長さ35mmの丸棒試験片を作製した。丸棒試験片の軸方向は、鋼管の圧延(管軸)方向と平行であった。試験番号1-1~1-13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、試験番号1-1~1-13の鋼板の降伏強度(MPa)と引張強度(MPa)とを得た。なお、本実施例では、引張試験で得られた0.2%オフセット耐力を、各試験番号の降伏強度と定義した。引張試験で得られた一様伸び中の最大応力を、各試験番号の引張強度と定義した。得られた降伏強度を「YS(MPa)」として、引張強度を「TS(MPa)」として、表2に示す。
 [鋼材の耐SSC性評価試験]
 試験番号1-1~1-13の鋼管を用いて、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。具体的には、試験番号1-1~1-13の鋼管の肉厚中央部から、図2Aに示すDCB試験片を3本ずつ採取した。DCB試験片の長手方向が鋼管の圧延(管軸)方向と平行となるよう採取した。試験番号1-1~1-13の鋼管からさらに、図2Bに示すクサビを採取した。クサビの厚さtは3.10mm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。
 試験溶液には、5.0質量%塩化ナトリウム水溶液を用いた。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。試験浴の量は、試験片1つあたり1Lとした。
 続いて、試験浴にN2ガスを3時間吹き込み、試験浴の溶存酸素が20ppb以下になるまで脱気した。脱気した試験浴に、5気圧(0.5MPa)のH2Sガスを吹き込み、試験浴を腐食環境とした。試験浴のpHは、浸漬中を通して3.5~4.0の範囲とした。試験浴を撹拌しながら、試験容器内を24±3℃で14日間(336時間)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 JPOXMLDOC01-appb-M000004
 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。
 [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1-1~1-9の鋼管の化学組成は適切であり、BNの個数密度は10~100個/100μm2であり、かつ、降伏強度が758~862MPa未満であった。その結果、旧γ粒径は15~30μmであったものの、耐SSC性試験において、破壊靭性値K1SSC(MPa√m)が29.0以上となり、優れた耐SSC性を示した。
 一方、試験番号1-10の鋼管では、第1の冷却時間が短すぎた。さらに、急冷開始温度が高すぎた。そのため、BNの個数密度が10個/100μm2未満であった。その結果、耐SSC性試験において、破壊靭性値K1SSC(MPa√m)が29.0未満となり、優れた耐SSC性を示さなかった。
 試験番号1-11の鋼管では、第1の冷却時間が長すぎた。そのため、BNの個数密度が100個/100μm2を超えた。その結果、耐SSC性試験において、破壊靭性値K1SSC(MPa√m)が29.0未満となり、優れた耐SSC性を示さなかった。
 試験番号1-12の鋼管では、Cr含有量が高すぎた。その結果、耐SSC性試験において、破壊靭性値K1SSC(MPa√m)が29.0未満となり、優れた耐SSC性を示さなかった。
 試験番号1-13の鋼管では、Mo含有量が高すぎた。その結果、耐SSC性試験において、破壊靭性値K1SSC(MPa√m)が29.0未満となり、優れた耐SSC性を示さなかった。
 実施例2では、862MPa以上(125ksi以上)の降伏強度を有する鋼材について、耐SSC性を調査した。具体的に、実施例1の表1に示す化学組成を有する鋼A~Mを用いて、862MPa以上の降伏強度を有する鋼材について、耐SSC性を調査した。
 実施例1と同様に、鋼A~Mの溶鋼をRH(Ruhrstahl-Hausen)にて精錬した後、連続鋳造法によって試験番号2-1~2-13のビレットを製造した。製造したビレットを1250℃で1時間保持した後、マンネスマン-マンドレル方式による熱間圧延(熱間加工)を実施して、素管(継目無鋼管)を製造した。熱間圧延後の試験番号2-1~2-13の素管を放冷し、素管温度を常温(25℃)とした。
 実施例1と同様に、放冷後の試験番号2-1~2-13の素管を加熱して、表3に示す焼入れ温度(℃)で20分間保持した。ここで、再加熱を実施した炉の温度を、焼入れ温度(℃)とした。再加熱後の試験番号2-1~2-13の素管を放冷した後、水冷設備により水冷した。試験番号2-1~2-13の素管が、再加熱を実施した炉から出て、水冷設備に入るまでの時間を、「第1の冷却時間(秒)」として、表3に示す。水冷設備の入側に設置した放射温度計により測定した、試験番号2-1~2-13の素管の表面温度を「急冷開始温度(℃)」として、表3に示す。なお、試験番号2-1~2-13の素管のAc3点は、いずれも850℃~870℃の範囲にあり、試験番号2-1~2-13の素管のAr3点は、いずれも650~700℃の範囲にあった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
 実施例1と同様に、水冷設備の出側に設置した放射温度計により測定した、試験番号2-1~2-13の素管の表面温度は、いずれも100℃未満であった。試験番号2-1~2-13の素管の第2の冷却工程における冷却速度は、急冷開始温度と、水冷設備の出側における、試験番号2-1~2-13の素管の表面温度と、水冷設備の入側から出側までの時間から求めた。求めた試験番号2-1~2-13の第2の冷却工程における冷却速度は、10℃/秒以上であった。そのため、試験番号2-1~2-13の焼入れ時冷却速度は、いずれも10℃/秒以上(すなわち、600℃/分以上)であるとみなした。続いて、表3に示す焼戻し温度で100分間保持する焼戻しを実施して、試験番号2-1~2-13の鋼管(継目無鋼管)を製造した。なお、表3に示す焼戻し温度はいずれも、対応する鋼のAc1点よりも低かった。
 [評価試験]
 実施例1と同様に、上記の焼戻し後の試験番号2-1~2-13の鋼管に対して、以下に説明するミクロ組織観察、BN個数密度測定試験、引張試験、及び、耐SSC性評価試験を実施した。
 [ミクロ組織観察]
 実施例1と同様に、試験番号2-1~2-13の鋼管について、上述の方法で旧γ粒径を測定した。試験番号2-1~2-13の鋼管の、旧γ粒径(μm)を表3に示す。
 [BN個数密度測定試験]
 実施例1と同様に、試験番号2-1~2-13の鋼管について、上述の測定方法により、BNの個数密度を測定及び算出した。なお、TEMは日本電子株式会社製JEM-2010で、加速電圧は200kVとした。試験番号2-1~2-13の鋼管の、BNの個数密度(個/100μm2)を表3に示す。
 [引張試験]
 実施例1と同様に、試験番号2-1~2-13の鋼管について、上述の方法により降伏強度を測定した。具体的に、引張試験をASTM E8/E8M(2013)に準拠して行った。各試験番号の鋼管の肉厚中央部から、平行部直径4mm、平行部長さ35mmの丸棒試験片を作製した。丸棒試験片の軸方向は、鋼管の圧延(管軸)方向と平行であった。試験番号2-1~2-13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、試験番号2-1~2-13の鋼板の降伏強度(MPa)と引張強度(MPa)とを得た。なお、本実施例では、引張試験で得られた0.2%オフセット耐力を、各試験番号の降伏強度と定義した。引張試験で得られた一様伸び中の最大応力を、各試験番号の引張強度と定義した。得られた降伏強度を「YS(MPa)」として、引張強度を「TS(MPa)」として、表3に示す。
 [鋼材の耐SSC性評価試験]
 試験番号2-1~2-13の鋼管を用いて、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。具体的には、試験番号2-1~2-13の鋼管の肉厚中央部から、図2Aに示すDCB試験片を3本ずつ採取した。DCB試験片の長手方向が鋼管の圧延(管軸)方向と平行となるよう採取した。試験番号2-1~2-13の鋼管からさらに、図2Bに示すクサビを採取した。クサビの厚さtは3.10mm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。
 試験溶液には、5.0質量%塩化ナトリウムと2.5質量%酢酸と0.41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。試験浴の量は、試験片1つあたり1Lとした。
 続いて、試験浴にN2ガスを3時間吹き込み、試験浴の溶存酸素が20ppb以下になるまで脱気した。脱気した試験浴に、0.3気圧(0.03MPa)のH2Sと、0.7気圧(0.07MPa)のCO2との混合ガスを吹き込み、試験浴を腐食環境とした。試験浴のpHは、浸漬中を通して3.5~4.0の範囲とした。試験浴を撹拌しながら、試験容器内を24±3℃で17日間(408時間)保持した。保持後の試験容器からDCB試験片を取り出した。
 実施例1と同様に、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、上述の式(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。
 [試験結果]
 表3に試験結果を示す。
 表1及び表3を参照して、試験番号2-1~2-9の鋼管の化学組成は適切であり、BNの個数密度は10~100個/100μm2であり、かつ、降伏強度が862MPa以上であった。その結果、旧γ粒径は15~30μmであったものの、耐SSC性試験において、破壊靭性値K1SSC(MPa√m)が27.0以上となり、優れた耐SSC性を示した。
 一方、試験番号2-10の鋼管では、第1の冷却時間が短すぎた。さらに、急冷開始温度が高すぎた。そのため、BNの個数密度が10個/100μm2未満であった。その結果、耐SSC性試験において、破壊靭性値K1SSC(MPa√m)が27.0未満となり、優れた耐SSC性を示さなかった。
 試験番号2-11の鋼管では、第1の冷却時間が長すぎた。そのため、BNの個数密度が100個/100μm2を超えた。その結果、耐SSC性試験において、破壊靭性値K1SSC(MPa√m)が27.0未満となり、優れた耐SSC性を示さなかった。
 試験番号2-12の鋼管では、Cr含有量が高すぎた。その結果、耐SSC性試験において、破壊靭性値K1SSC(MPa√m)が27.0未満となり、優れた耐SSC性を示さなかった。
 試験番号2-13の鋼管では、Mo含有量が高すぎた。その結果、耐SSC性試験において、破壊靭性値K1SSC(MPa√m)が27.0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、極地等過酷な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、ラインパイプ等の鋼材として利用可能である。

Claims (6)

  1.  質量%で、
     C:0.15~0.45%、
     Si:0.05~1.00%、
     Mn:0.01~1.00%、
     P:0.030%以下、
     S:0.0050%以下、
     Al:0.005~0.100%、
     Cr:0.60~1.80%、
     Mo:0.80~2.30%、
     Ti:0.002~0.020%、
     V:0.05~0.30%、
     Nb:0.002~0.100%、
     B:0.0005~0.0040%、
     Cu:0.01~0.50%、
     Ni:0.01~0.50%、
     N:0.0020~0.0100%、
     O:0.0020%以下、
     Ca:0~0.0100%、
     Mg:0~0.0100%、
     Zr:0~0.0100%、
     希土類元素:0~0.0100%、
     Co:0~0.50%、及び、
     W:0~0.50%を含有し、残部がFe及び不純物からなる化学組成を有し、
     鋼材中において、BNの個数密度が10~100個/100μm2であり、
     降伏強度が758MPa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、
     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。
  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、
     Co:0.02~0.50%、及び、
     W: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。
  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、
     前記鋼材は油井用鋼管である、鋼材。
  5.  請求項1~請求項3のいずれか1項に記載の化学組成を有する中間鋼材を準備する準備工程と、
     前記準備工程後、前記中間鋼材を880~1000℃の焼入れ温度に加熱した後、前記焼入れ温度から、鋼材のAr3点~前記鋼材のAc3点-10℃の急冷開始温度まで、60~300秒間冷却した後、前記急冷開始温度から50℃/分以上の冷却速度で冷却する焼入れ工程と、
     前記焼入れ工程後、前記中間鋼材を、620~720℃で10~180分保持する焼戻し工程とを備える、鋼材の製造方法。
  6.  請求項5に記載の鋼材の製造方法であって、
     前記準備工程は、請求項1~請求項3のいずれか1項に記載の化学組成を有する素材を準備する素材準備工程と、
     前記素材を熱間加工して前記中間鋼材を製造する熱間加工工程とを含む、鋼材の製造方法。
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