JP2000297344A

JP2000297344A - 靭性と耐硫化物応力腐食割れ性に優れる油井用鋼およびその製造方法

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Publication number: JP2000297344A
Application number: JP11102762A
Authority: JP
Inventors: Kunio Kondo; 邦夫近藤; Takahiro Kushida; 隆弘櫛田; Tomohiko Omura; 朋彦大村; Yoshiori Miyata; 佳織宮田
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1999-04-09
Filing date: 1999-04-09
Publication date: 2000-10-24
Anticipated expiration: 2019-04-09
Also published as: JP4058840B2

Abstract

(57)【要約】【課題】厚肉製品に適した靭性と耐ＳＳＣ性に優れたＹ
Ｓが１１０ｋｓｉ級以上の高強度油井用鋼とその安価な
製造方法を提供する。【解決手段】C：0.15〜0.3％、Cr：0.2〜1.5％、Mo：0.
1〜1％、V：0.05〜0.3％、Nb：0.003〜0.1％を含む低合
金鋼で、析出している炭化物の総量が1.5〜4％、炭化物
の総量に占めるMC型炭化物の割合が5〜45％、M₂₃C₆型炭
化物の割合が製品肉厚をｔとした時(200/t)％以下の
鋼、この鋼は上記の化学組成を有す鋼を1150℃以上に加
熱して終了温度1000℃以上の熱間加工した後、900℃以
上からの直接焼入れと、550℃以上、A_C1変態点以下の焼
戻しを施し、次いで850〜1000℃の再加熱焼入れと、650
℃以上、A_C1変態点以下の焼戻しを少なくとも１回施す
ことで製造可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、耐硫化物応力腐食
割れ性に優れる低合金鋼に関し、より詳しくは、油井や
ガス井用のケーシングやチュービング、掘削用のドリル
パイプおよびこれらの管のカップリングなどで、降伏応
力（ＹＳ）が１１０ｋｓｉ以上であり、肉厚が２０ｍｍ
以上というような厚肉品の素材として用いて特に好適な
靭性と耐食性が良好な低合金鋼とその製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年のエネルギー事情の逼迫に伴い、硫
化水素を含む原油や天然ガスの掘削、輸送、貯蔵などを
必要とする情勢になっている。特に、油井の深井戸化、
輸送効率の向上、さらには低コスト化のためにこの分野
で用いられる材料についてはこれまで以上に高強度化が
要求されている。

【０００３】具体的には、これまでは降伏応力（ＹＳ）
が８０〜９５ｋｓｉ級の鋼管が広く用いられていたが、
最近では、１１０ｋｓｉ級が使用されるようになり、１
２５ｋｓｉ以上級や１４０ｋｓｉ以上級の要求も高まり
つつある。

【０００４】耐硫化物応力腐食割れ性（以下、耐ＳＳＣ
性という）に優れる従来鋼としては、(a) ８０〜９０％
以上のマルテンサイト組織鋼、(b) 粗大な炭化物を含ま
ない鋼、(c) 非金属介在物の少ない清浄鋼、(d) 高温焼
戻し鋼、(e) 細粒組織鋼、(f) 高降伏比鋼、(g) 低Ｍｎ
−低Ｐ−低Ｓ鋼、(h) 不溶性窒化物を多く含む鋼、(i)
Ｚｒ添加鋼がある。

【０００５】上記の耐ＳＳＣ性に優れる高強度低合金鋼
を得るための方法には種々の方法があり、その代表的な
方法としては、急速加熱法（特開昭５４−１１７３１１
号公報、同６１−９５１９号公報）や短時間焼戻し法
（特開昭５８−２５４２０号公報）などがある。

【０００６】上記(a) 〜(i) の従来鋼のうち、(b) の粗
大な炭化物を含まない鋼は、「鉄と鋼、76(1990)、p.13
64」にも示されるように、粗大な炭化物がＳＳＣの起点
となる点を考慮し、粗大な炭化物を含まない鋼として開
発された鋼である。

【０００７】そして、この粗大な炭化物を含まない鋼
は、粗大な炭化物が残存したり、析出成長しないよう
に、種々の成分設計を施したＣｒを含む低合金鋼を用
い、焼入れ後主として短時間焼戻し処理を施すことによ
り製造可能とされている。

【０００８】これは、耐ＳＳＣ性が必要とされる鋼で
は、一般に、焼入れによってＣの固溶したマルテンサイ
ト組織とし、その後焼戻し処理を施して微細な炭化物を
析出させる。このため、素材鋼には、通常、焼入性を高
めるためにＣｒを添加した低合金鋼が用いられる。

【０００９】また、焼戻し温度が低い場合には、炭化物
が旧オーステナイト粒界に膜状に析出するので、これを
防ぐために適量のＭｏを添加した低合金鋼を用い、高温
焼戻しすることも行われている。

【００１０】さらに、析出した炭化物は、焼戻し時間が
長いと成長して粗大化するので、より短時間に焼戻しす
るために誘導加熱手段を用いることも行われている。

【００１１】このほか、炭化物は粒界上に析出して粗大
化しやすい傾向にあるので、炭化物の分散を図るため
に、種々の細粒化手段も採られている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来知られて
いるＣｒとＭｏを含む低合金鋼の炭化物は、Ｍ₃Ｃ型、
Ｍ₇Ｃ₃型およびＭ₂₃Ｃ₆型として析出する。そのうちの
Ｍ₂₃Ｃ₆型は、粗大化しやすい炭化物である。熱力学的
には、Ｍ₂₃Ｃ₆型が最も安定で、Ｍ₇Ｃ₃型、Ｍ₃Ｃ型の順
に不安定であるので、ＣｒとＭｏを含む焼入れ焼戻し鋼
では、最終平衡相として粗大なＭ₂₃Ｃ₆型の炭化物がど
うしても析出する。また、Ｍｏ量がきわめて高い場合に
は、Ｍ₂Ｃ型も析出する。このＭ₂Ｃ型の炭化物は、針
状であり、応力集中係数が高いので、耐ＳＳＣ性を低下
させる。

【００１３】上記の粗大なＭ₂₃Ｃ₆型の炭化物の析出抑
制方法としては、短時間焼戻し処理が最も効果的であ
り、このため、従来はこの短時間焼戻し処理法が主とし
て用いられてきたことは前述した通りである。しかし、
この短時間焼戻し処理法は、誘導加熱設備の設置が必須
であり、過大な設備投資を必要とする。

【００１４】また、十分な細粒化を達成するためには、
熱処理を２回以上施したり、焼入れ温度を低くしたりす
る必要がある。その結果、熱処理コストが高くなるだけ
でなく、合金元素の固溶量が少なくなるために、合金元
素の添加量を増やす必要があって材料コストが上昇す
る。

【００１５】さらに、細粒化は、必然的に焼入性を下げ
るので、マルテンサイト組織を確保するためには高速冷
却が必須になり、特別な冷却装置の設置が必要となって
過大な設備投資を必要とする。

【００１６】また更に、より一層の高強度化を図った
り、厚肉品になると靭性が低下し、油井用鋼に要求され
る靭性が確保できないという問題もあった。

【００１７】本発明の目的は、Ｍ₂₃Ｃ₆型に代表される
粗大な炭化物を含まない、耐ＳＳＣ性に優れた油井用
鋼、具体的には降伏応力（ＹＳ）が１１０ｋｓｉ（９６
５ＭＰａ）以上級で、かつ規格最小降伏応力（ＳＭＹ
Ｓ）の８０％の応力付加時に硫化水素濃度を調整したＮ
ＡＣＥＴＭ０１７７浴中でＳＳＣを生じず、しかも製
品がカップリングなどの厚肉品であっても靭性が良好な
油井用鋼と、この油井用鋼を、合金元素の増量は勿論、
誘導加熱設備や特別な冷却装置を用いることなく、比較
的簡単な熱処理を施すだけで得ることが可能な製造方法
を提供することにある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、下記
（１）の靭性と耐硫化物応力腐食割れ性に優れる高強度
油井用鋼と、下記（２）のその製造方法にある。

【００１９】（１）少なくとも、質量％で、Ｃ：０．１
５〜０．３％、Ｃｒ：０．２〜１．５％、Ｍｏ：０．１
〜１％、Ｖ：０．０５〜０．３％、Ｎｂ：０．００３〜
０．１％を含む低合金鋼からなり、析出している炭化物
の総量が１．５〜４質量％であり、炭化物の総量に占め
るＭＣ型炭化物の割合が５〜４５質量％、Ｍ₂₃Ｃ₆型炭
化物の割合が製品の肉厚をｔ（ｍｍ）とした時（２００
／ｔ）質量％以下である靭性と耐硫化物応力腐食割れ性
に優れる油井用鋼。

【００２０】（２）少なくとも、質量％で、Ｃ：０．１
５〜０．３％、Ｃｒ：０．２〜１．５％、Ｍｏ：０．１
〜１％、Ｖ：０．０５〜０．３％、Ｎｂ：０．００３〜
０．１％を含む低合金鋼を１１５０℃以上に加熱した
後、熱間加工を１０００℃以上で終了し、引き続いて９
００℃以上の温度から焼入れし、その後５５０℃以上、
Ａ_C1変態点以下で焼戻した後、さらに８５０〜１０００
℃に再加熱して焼入れし、次いで６５０℃以上、Ａ_C1変
態点以下で焼戻す焼入れ焼戻し処理を少なくとも１回施
す上記（１）に記載の靭性と耐硫化物応力腐食割れ性に
優れる油井用鋼の製造方法。

【００２１】上記の本発明は、下記の知見に基づいて完
成させた。すなわち、本発明者らは、炭化物には、前述
したＭ₃Ｃ型、Ｍ₇Ｃ₃型、Ｍ₂₃Ｃ₆型およびＭ₂Ｃ型の
他にＭＣ型があり、このＭＣ型炭化物は、これらの炭化
物のうち最も微細で粗大化しにくいことである。

【００２２】また、上記の規格最小降伏応力（ＳＭＹ
Ｓ）の８０％の付加応力時における硫化水素濃度を調整
したＮＡＣＥＴＭ０１７７浴中での耐ＳＳＣ性は確保
できないが、例えば、文献「Metallurgical Transactio
ns A, Volume 16A, May 1985,P935”Sulfide Stress Cr
acking of High Strength Modified Cr-Mo Steels”」
にも示されるように、耐ＳＳＣ性の改善には０．１％程
度のＶ添加が有効なことに注目した。

【００２３】そして、Ｃｒを含む低合金鋼を対象に、鋼
の化学組成と炭化物が耐ＳＳＣ性と靭性に及ぼす影響を
詳細に調査した結果、次のことを知見した。

【００２４】ＭＣ型の炭化物量を単純に増やすと、かえ
って耐ＳＳＣ性が低下する。これは、次の理由によるも
のと考えられる。

【００２５】ＭＣ型炭化物は微細なために、粗大な他の
炭化物に比べ、単位体積当たりではマトリックスとの界
面積が広くなり、水素のトラップ量が増加して耐ＳＳＣ
性が低下するものと考えられる。実際、ＭＣ型の炭化物
量が上記の範囲を外れる耐ＳＳＣ性の劣る鋼の吸蔵水素
濃度は、ＭＣ型の炭化物量が上記の範囲内の鋼よりも高
いことが確認された。

【００２６】また、炭化物の総量が上記の範囲を外れる
場合に耐ＳＳＣ性が低下する理由も上記と同様と考えら
れる。

【００２７】さらに、製品の肉厚が２０ｍｍ以上の場
合、ＭＣ型炭化物を増やしても粗大なＭ₂₃Ｃ₆型炭化物
が多く存在すると油井用鋼に要求される靭性が確保され
ない。具体的には、製品の肉厚をｔ（ｍｍ）とした時、
析出している炭化物の総量に占めるＭ₂₃Ｃ₆型炭化物の
割合が（２００／ｔ）質量％超であると、シャルピー衝
撃試験での遷移温度が−１０℃以下の靭性が確保されな
いだけでなく、耐ＳＳＣ性も確保されない。このこと
は、後述する実施例の結果を示す図１と図２からも明ら
かであり、その理由は次によるものと考えられる。

【００２８】Ｍ₂₃Ｃ₆型炭化物は、粒界に析出して粒界
破壊の起点となって靭性と耐ＳＳＣ性を低下させるが、
肉厚が２０ｍｍ以上になると、加工度の減少に伴って結
晶粒径が粗大化し、この現象がより顕著になるためと考
えられる。

【００２９】ところが、炭化物の総量を１．５〜４質量
％に制限した上で、総炭化物中に占めるＭＣ型炭化物の
割合を５〜４５質量％、Ｍ₂₃Ｃ₆型炭化物の割合を上記
の（２００／ｔ）質量％以下にすれば、耐ＳＳＣ性と靭
性が飛躍的に向上し、規格最小降伏応力（ＳＭＹＳ）の
８０％の付加応力時における硫化水素濃度を調整したＮ
ＡＣＥＴＭ０１７７浴中での耐ＳＳＣ性と油井用鋼に
要求される靭性が確保される。

【００３０】しかし、その対象鋼には、少なくとも、質
量％で、Ｃ：０．１５〜０．３％、Ｃｒ：０．２〜１．
５％、Ｍｏ：０．１〜１％、Ｖ：０．０５〜０．３％、
Ｎｂ：０．００３〜０．１％を必須成分として含む化学
組成を有する鋼を用いる必要がある。これは、次の理由
による。

【００３１】すなわち、前述したように、多すぎる炭化
物は、それだけ吸蔵水素濃度の増加を招いて耐ＳＳＣ性
を低下させたり、粒界に析出して粒界破壊の起点となっ
て耐ＳＳＣ性と靭性を低下させる。しかし、ＣとＣｒの
含有量がそれぞれ上記の上限値の０．３％と１．５％を
超えると、炭化物の総量とＭ₂₃Ｃ₆型炭化物の割合がそ
れぞれ上記の上限値の４％と製品の肉厚ｔが２０ｍｍの
時の上限値１０％を超え、Ｖの含有量が上記の上限値の
０．３％を超えると、ＭＣ型炭化物の割合が上記の上限
値の４５％を超えるようになる。

【００３２】また、ＭＣ型炭化物のＭは、主としてＶで
あるが、ＣｒやＭｏおよびＮｂも含まれ、特に、Ｍｏと
ＮｂはＶと共存しやすい。このうち、Ｍｏの共存量が多
いＭＣ型炭化物は、Ｍ₃Ｃ型やＭ₂₃Ｃ₆型の炭化物に比
べれば微細ではあるが、Ｍｏの共存量が少ないＭＣ型炭
化物に比べて粗大で、水素をトラップする界面積が増加
して吸蔵水素濃度の増加を招き、耐ＳＳＣ性を低下させ
るが、Ｎｂを添加するとこのＭｏの共存量が多いＭＣ型
炭化物の粗大化が抑制されることが判明した。

【００３３】しかし、Ｍｏ含有量が上記の上限値の１％
を超えると、Ｍｏの共存量が極端に多いＭＣ型炭化物と
なって粗大化する。また、Ｎｂ含有量が上記の上限値の
０．１％超であると、焼入れ時に未固溶の粗大なＭＣ炭
化物が増加し、たとえそのＭＣ型炭化物量が上記の範囲
内の５〜４５％であっても、要求される靭性と耐ＳＳＣ
性が確保されない。

【００３４】なお、上記の事実は、従来にあっては、焼
戻軟化抵抗を高める目的で高Ｍｏ化が進めれてきたが、
Ｖ、Ｎｂ添加鋼においては逆で、低Ｍｏ化した方が耐Ｓ
ＳＣ性が向上するという、全く予想外の結果が得られる
ことを意味している。

【００３５】そして、上記の炭化物総量、ＭＣ型炭化物
の割合およびＭ₂₃Ｃ₆型炭化物の割合は、上記の化学組
成を有する鋼に、終了温度が１０００℃以上の熱間加工
を施し、この熱間加工終了後、９００℃以上の温度から
焼入れし、次いで５５０℃以上、Ａ_C1変態点以上で焼戻
した（インライン焼入れ焼戻し処理）後、さらに８５０
〜１０００℃に再加熱して焼入れし、次いで６５０℃以
上、Ａ_C1変態点以下で焼戻す（オフライン焼入れ焼戻し
処理）を少なくとも１回施すという、比較的簡単な焼入
れ焼戻し熱処理を施せば確保されることも判明した。

【００３６】なお、強度レベルは、主に焼戻し温度を変
えることで調整される。

【００３７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の油井用鋼とその製
造方法について詳細に説明する。なお、以下において、
「％」は「質量％」を意味する。

【００３８】《炭化物》総量：炭化物は、後述する化学組成を有する焼入れ焼戻
し鋼においては、析出強化に欠かすことができないが、
その総量が１．５％未満であると、ＹＳが１１０ｋｓｉ
以上の強度を確保することが困難になる。逆に、その総
量が４％を超えると、水素をトラップする界面積が増加
し、吸蔵水素濃度の増大を招いて耐ＳＳＣ性が低下す
る。このため、炭化物の総量は、１．５〜４％と定め
た。望ましい範囲は、２〜３％である。

【００３９】総炭化物量中に占めるＭＣ型炭化物の割
合：ＭＣ型炭化物は、炭化物の粗大化を防ぎ、耐ＳＳＣ
性の改善に効果がある。しかし、総炭化物量中に占める
ＭＣ型炭化物の割合が５％未満では、その効果に乏し
い。逆に、その割合が４５％を超えると、ＭＣ型炭化物
は微細なだけに水素をトラップする界面積が増加し、吸
蔵水素濃度の増大を招いて耐ＳＳＣ性が低下する。この
ため、総炭化物量中に占めるＭＣ型炭化物の割合は、５
〜４５％と定めた。望ましい範囲は、１５〜３５％であ
る。

【００４０】総炭化物量中に占めるＭ₂₃Ｃ₆型炭化物の
割合：Ｍ₂₃Ｃ₆型炭化物は、粒界に析出して粒界破壊の
起点となり、靭性と耐ＳＳＣ性を低下させる。そして、
その割合が、製品の肉厚をｔ（ｍｍ）とした時、（２０
０／ｔ）％を超えると靭性と耐ＳＳＣ性の低下が著しく
なり、所望の靭性と耐ＳＳＣが確保できなくなる。この
ため、総炭化物量中に占めるＭ₂₃Ｃ₆型炭化物の割合は
（２００／ｔ）％以下と定めた。望ましくは、肉厚ｔの
如何にかかわらず１％以下であり、低ければ低いほどよ
い。

【００４１】ここで、炭化物の総量、総炭化物量中に占
めるＭＣ型炭化物の割合とＭ₂₃Ｃ₆型炭化物の割合は、
それぞれ次に述べる方法によって求められる値である。

【００４２】総量の測定方法：被検体鋼から採取した重
量Ｗ₁の試験片を、電解液（１０％アセチルアセトン−
１％塩化テトラメチルアンモニウム−残部メタノール）
中に浸漬して電流密度２０ｍＡ／ｃｍ²の条件で所定の
時間電気分解する。そして、抽出終了後の試験片重量Ｗ
₂を求める一方、濾過径０．２μｍのフィルターで濾過
して得られた抽出残さ（炭化物）の重量Ｗ₃を求め、こ
の重量Ｗ₃を重量（Ｗ₁−Ｗ₂）で除して求める。

【００４３】ＭＣ型炭化物とＭ₂₃Ｃ₆型炭化物の割合算
出方法：上記の抽出残さ（炭化物）を粉砕した試料を対
象にＸ線回折を行い、Ｍ₃Ｃ型炭化物、ＭＣ型炭化物お
よびＭ₂₃Ｃ₆型炭化物の特定の回折線の面積から、全炭
化物中のＭＣ型炭化物とＭ₂₃Ｃ₆型炭化物の質量割合と
を求める。

【００４４】《鋼の化学組成》Ｃ：Ｃは、焼入性を高め、強度を向上させるために必要
な元素である。しかし、その含有量が０．１５％未満で
は、焼入性が不足して所望の強度（ＹＳ≧１１０ｋｓ
ｉ）が得られない。逆に、その含有量が０．３％を超え
ると、炭化物の総量増加に伴ってトラップされる水素が
増加する結果、耐ＳＳＣ性が低下する。このため、Ｃ含
有量は、０．１５〜０．３％とした。望ましい範囲は、
０．１９〜０．２３％である。

【００４５】Ｃｒ：Ｃｒは、焼入性を高め、強度を上昇
させるとともに耐ＳＳＣ性を向上させる元素である。し
かし、その含有量が０．２％未満では、焼入性が不足し
て所望の強度（ＹＳ≧１１０ｋｓｉ）が得られない。逆
に、その含有量が１．５％を超えると、炭化物の総量と
炭化物総量中のＭ₂₃Ｃ₆型炭化物割合が増加し、これに
伴ってトラップされる水素が増加して耐ＳＳＣ性が低下
するだけでなく、所望の靭性が確保できなくなる。ま
た、硫化水素を含む環境においては、腐食速度の増加と
それに伴う吸蔵水素濃度の増加を招く。このため、Ｃｒ
含有量は、０．２〜１．５％とした。望ましい範囲は、
０．３〜０．７％である。

【００４６】Ｍｏ：Ｍｏは、Ｃｒと同様に、焼入性を向
上させて高強度を得るとともに、焼戻軟化抵抗を高めて
耐ＳＳＣ性を向上させる元素である。しかし、その含有
量が０．１％未満であると、上記の効果が得られない。
逆に、その含有量が１％を超えると、ＭＣ型炭化物の粗
大化を招いて水素のトラップ量を増加させるだけでな
く、粗大なＭ₂₃Ｃ₆型炭化物が析出して耐ＳＳＣ性が低
下する。このため、Ｍｏ含有量は、０．１〜１％とし
た。望ましい範囲は、０．２〜０．４％である。

【００４７】Ｖ：Ｖは、本発明において、最も重要な元
素である。Ｖは、焼戻し時に微細なＳＳＣの起点となり
にくいＭＣ型炭化物として優先的に析出する。その結
果、Ｃを固定するので、ＳＳＣの起点となりやすいＭ₂₃
Ｃ₆型炭化物の析出を防止する。しかし、その含有量が
０．０５％未満では、上記の効果が得られない。一方、
その含有量が０．３％を超えると、ＭＣ型炭化物の量が
多くなりすぎて、トラップされる水素が増加して耐ＳＳ
Ｃ性が低下する。このため、Ｖの含有量は、０．０５〜
０．３％とした。望ましい範囲は、０．０８〜０．２５
％である。

【００４８】Ｎｂ：Ｎｂは、鋼中での拡散速度が遅い元
素で、ＭＣ炭化物中に固溶し、ＭＣ型炭化物の粗大化を
防ぎ、靭性と耐ＳＳＣ性を向上させるほか、細粒化にも
大きく寄与する。しかし、その含有量が０．００３％未
満では、上記の効果が得られない。一方、その含有量が
０．１％を超えると上記の効果が飽和し、逆に焼入れ時
に粗大な未固溶ＭＣ型炭化物が析出して靭性と耐ＳＳＣ
性が低下する。このため、Ｎｂの含有量は、０．００３
〜０．１％とした。望ましい範囲は、０．００３〜０．
０３％である。

【００４９】本発明の油井用鋼は、上記の５成分を必須
成分と含む低合金鋼であればよく、他の成分については
特に制限されない。しかし、工業的に製造するうえで
は、必要に応じて下記の任意添加成分を含むものである
ことが好ましい。

【００５０】Ｓｉ：Ｓｉは、添加しなくてもよいが、後
述するＡｌやＭｎなどの他の脱酸剤を用いない場合に
は、０．０５％以上含有させるのがよい。また、Ｓｉに
は、脱酸作用の他に焼戻軟化抵抗を高めて耐ＳＳＣ性を
向上させる作用もあり、その効果は０．１％以上で顕著
になる。しかし、０．５％を超えて含有させると、靭性
が低下する。このため、添加する場合のＳｉ含有量は、
０．０５〜０．５％とするのよい。好ましい上限は０．
３％である。

【００５１】Ｍｎ：Ｍｎは、添加しなくてもよいが、他
の脱酸剤を用いない場合、熱間加工性を向上させる場合
などには、少なくとも０．０５％以上含有させるのがよ
い。しかし、１％を超えて含有させると靭性が低下す
る。このため、添加する場合のＭｎ含有量は、０．０５
〜１％とするのがよい。好ましい上限は０．５％であ
る。

【００５２】Ａｌ：Ａｌは、添加しなくてもよいが、他
の脱酸剤を用いない場合には、少なくとも０．００５％
以上含有させるのがよい。しかし、０．１％を超えて含
有させると介在物が多くなって靱性が低下する。また、
油井管には、その管端に接続用のねじ切り加工が施され
ることが多いが、Ａｌが多いとねじ切り部に介在物起因
の欠陥が発生しやすくなる。このため、添加する場合の
Ａｌ含有量は、０．００５〜０．１％とするのがよい。
好ましい上限は０．０５％である。なお、本明細書でい
うＡｌとは、いわゆるｓｏｌ．Ａｌ（酸可溶Ａｌ）のこ
とである。

【００５３】Ｔｉ：Ｔｉは、添加しなくてもよいが、添
加すれば、鋼中に不純物として存在するＮをＴｉＮとし
て固定するので、焼入性向上の目的で添加される場合の
後述するＢがＢＮになるのを防ぎ、焼入性の向上に有効
な固溶状態でＢを存在させる作用がある。また、ＮをＴ
ｉＮとして固定する以上のＴｉには、焼入れ時は固溶状
態で存在し、焼戻し時に炭化物などの化合物として微細
に析出して焼戻軟化抵抗を高める作用があり、これらの
効果は０．００５％以上の含有量で顕著になる。しか
し、０．０５％を超えて含有させると、靱性が低下す
る。このため、添加する場合のＴｉ含有量は、０．００
５〜０．０５％とするのがよい。好ましい上限は０．０
３％である。

【００５４】Ｂ：Ｂは、添加しなくてもよいが、上記し
たように、添加すれば、焼入性を向上さる作用があり、
特に厚肉材の焼入性を改善するのに有効であり、０．０
００１％以上の含有量でその効果が顕著になる。しか
し、０．００５％を超えて含有させると、靱性が低下す
る。このため、添加する場合のＢ含有量は、０．０００
１〜０．００５％とするのがよい。好ましい上限は０．
００２％である。

【００５５】Ｚｒ：Ｚｒは、添加しなくてもよいが、添
加すれば、上記のＴｉと同様に、鋼中に不純物として存
在するＮを窒化物として固定し、Ｂの焼入性向上効果を
十分に発揮させる作用があり、０．００５％以上の含有
量でその効果が顕著になる。しかし、０．１％を超えて
含有させると、介在物が増加して靱性が低下する。この
ため、添加する場合のＺｒ含有量は、０．００５〜０．
１％とするのがよい。好ましい上限は０．０３％であ
る。

【００５６】Ｗ：Ｗは、添加しなくてもよいが、添加す
れば、前述のＭｏと同様に、焼入性を高めて強度の向上
に寄与するとともに、焼戻軟化抵抗を高めて耐ＳＳＣ性
を向上させる作用があり、これらの効果は０．１％以上
の含有量で顕著になる。しかし、その効果は１％で飽和
し、これ以上含有させるとコストが上昇するだけであ
る。このため、添加する場合のＷ含有量は、０．１〜１
％とするのがよい。好ましい上限は０．５％である。

【００５７】Ｃａ、Ｍｇ、ＲＥＭ：これらの元素は、添
加しなくてもよいが、添加すれば、鋼中に不純物として
存在するＳと反応して硫化物を形成して介在物の形状を
改善し、耐ＳＳＣ性を向上させる作用があり、いずれの
元素も０．０００１％以上の含有量でその効果が顕著に
なる。しかし、いずれの元素も０．０１％を超えて含有
させると、靱性および耐ＳＳＣ性が低下するだけでな
く、鋼表面に欠陥が多発しやすくなる。このため、添加
する場合のこれら元素の含有量は、いずれも０．０００
１〜０．０１％とするのがよい。好ましい上限は、いず
れも０．００３％である。

【００５８】なお、これらの元素は、いずれか１種の添
加または２種以上の複合添加であってもよい。また、上
記の効果は、Ｓの含有量によってその度合いが異なり、
脱酸が十分でない場合には、かえって耐ＳＳＣ性が低下
するので、その含有量はＳ含有量と脱酸の程度に応じて
調整することが肝要である。

【００５９】Ｐ：Ｐは、鋼中に不可避的に存在するが、
その含有量が０．０２５％を超えると、結晶粒界に偏析
して耐ＳＳＣ性を低下させる。このため、その含有量
は、０．０２５％以下とするのがよい。なお、Ｐの含有
量は、低ければ低いほど好ましいが、過度の低減は製造
コストの上昇を招く。Ｐは、０．０１％程度含んでも実
用上差し支えない。

【００６０】Ｓ：Ｓは、上記のＰと同様に、鋼中に不可
避的に存在するが、その含有量が０．０１％を超える
と、結晶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。このため、その含有
量は、０．０１％以下とするのがよい。なお、Ｓの含有
量は、上記のＰと同様に、低ければ低いほど好ましい
が、過度の低減は製造コストの上昇を招く。Ｓは、０．
００２％程度含んでも実用上差し支えない。

【００６１】Ｎ：Ｎは、上記のＰ、Ｓと同様に、鋼中に
不可避的に存在するが、その含有量が０．０１％を超え
ると、靱性および焼入性が低下する。このため、その含
有量は、０．０１以下とするのがよい。なお、Ｎの含有
量は低ければ低いほど好ましい。Ｏ（酸素）：Ｏは、上記のＰ、Ｓ、Ｎと同様に、鋼中に
不可避的に存在するが、その含有量が０．０１％を超え
ると、靱性が低下する。このため、その含有量は０．０
１％以下とするのがよい。なお、Ｏの含有量も低ければ
低いほど好ましい。

【００６２】《製造方法（熱処理条件）》本発明の油井
用鋼は、上記の化学組成を有する低合金鋼を常法にした
がって溶製し、得られた素材鋼を１１５０℃以上に加熱
してから熱間加工を施して１０００℃以上で加工を終了
し、引き続いて、９００℃以上の温度から焼入れし、次
いで５５０℃以上、Ａ_C1変態点以上で焼戻した後、さら
に８５０〜１０００℃に再加熱して焼入れし、次いで６
５０℃以上、Ａ_C1変態点以下で焼戻すことで製造するこ
とができる。

【００６３】ここで、製品が鋼管の場合の熱間加工とし
ては、マンネスマン−プラグミル方式やマンネスマン−
マンドレルミル方式に代表される熱間圧延継目無製管
法、ユジーンセジェルネ法に代表される熱間押出し継目
無製管法、エルハルト−プッシュベンチ方式に代表され
る熱間押抜き継目無製管法を挙げることができる。な
お、上記の方法は、製品が鋼管以外の鋼板や棒鋼などで
も同じである。

【００６４】次に、その製造条件を上記のように定めた
理由について説明する。

【００６５】素材鋼の加熱温度：１１５０℃以上本発明で対象とするＮｂ含有鋼では、Ｎｂを含むＭＣ型
炭化物が析出するが、このＮｂを含むＭＣ型炭化物を完
全に固溶させないと、焼入れ時に粗大な未固溶ＭＣ型炭
化物が析出する。しかし、加熱温度が１１５０℃未満で
あると、Ｎｂを含むＭＣ型炭化物が完全に固溶しない。
このため、素材鋼の加熱温度は１１５０℃以上とした。
なお、加熱温度の上限は、１１５０℃以上であればよい
ので定める必要はなく、融点未満であればよい。

【００６６】熱間加工の終了温度：熱間加工を１０００
℃未満で終了すると、この時点で粗大なＭＣ型炭化物が
析出する。この粗大なＭＣ型炭化物は、その後にどのよ
うな熱処理を施しても消滅せず、所望の耐ＳＳＣ性と靭
性が確保できなくなる。このため、熱間加工の終了温度
は１０００℃以上とした。なお、上限温度は素材鋼の加
熱温度との関係で決まるので定める必要はない。

【００６７】熱間加工終了に引き続く焼入温度：１００
０℃以上で加工を終了しても、加工終了後の被加工材温
度が９００℃未満になると、上記と同様に、粗大なＭＣ
型炭化物が析出し、その後にどのような熱処理を施して
も消滅せず、所望の耐ＳＳＣ性と靭性が確保できなくな
る。このため、熱間加工終了に引き続く焼入温度、すな
わち直接焼入温度は９００℃以上とした。なお、加工終
了後の被加工材は、再加熱炉や保熱炉に挿入してその温
度を９００℃以上に保持するようにしてもよい。その
際、再加熱炉や保熱炉には、９００℃以上の状態で挿入
するのが好ましいが、９００℃未満になってから挿入し
てもよい。また、その上限値は、熱間加工の終了温度の
場合と同様に、熱間加工終了温度との関係で決まるので
定める必要はない。

【００６８】直接焼入れ後の焼戻温度：上記の直接焼入
れ後に焼戻し処理を施すのは、この時点で微細なＭＣ型
炭化物を析出させ、次工程の再加熱焼入れにおける加熱
時に結晶粒が粗大化するのを防ぐためである。しかし、
その焼戻温度が５５０℃未満であると、ＭＣ型炭化物の
析出速度は遅いので、商業的に実施可能な１５分程度の
焼戻時間では十分あるいは量のＭＣ型炭化物が析出しな
い。また、焼戻温度がＡ_C1変態点を超えると、オーステ
ナイト相が析出し、所望の強度が確保できなくなる。こ
のため、直接焼入れ後の焼戻温度は、５５０℃以上、Ａ
_C1変態点以下とした。

【００６９】再加熱焼入温度：この再加熱焼入れと次工
程の焼戻し処理は、上記の焼入れ焼戻し処理で析出させ
たＭＣ型炭化物を再固溶させることによってより微細な
ＭＣ型炭化物を析出させるために施す。しかし、その再
加熱焼入温度が８５０℃未満であると、ＭＣ型炭化物が
完全に再固溶しない。また、１０００℃を超えて再加熱
すると、結晶粒が粗大化して靭性と耐ＳＳＣ性が低下す
る。このため、再加熱焼入温度は８５０〜１０００℃と
した。好ましい温度範囲は９００〜９８０℃である。

【００７０】再加熱焼入れ後の焼戻温度：再加熱焼入れ
後の焼戻温度が６５０℃未満であると、十分な量のＭＣ
型炭化物が析出しないだけでなく、粒界にフィルム状の
Ｍ₃Ｃ型炭化物やＭ₂₃Ｃ₆型炭化物が残存して靭性と耐
ＳＳＣ性が低下する。また、焼戻温度がＡ_C1変態点を超
えると、上記の焼戻し処理の場合と同様に、オーステナ
イト相が析出し、所望の強度が確保できなくなる。この
ため、再加熱焼入れ後の焼戻温度は、６５０℃以上、Ａ
_C1変態点以下とした。

【００７１】なお、再加熱焼入れ処理とこれに続く焼戻
し処理は、１回に限らず２回以上施してもよい。この場
合には、結晶粒がより微細になって靭性と耐ＳＳＣ性が
より一層向上する。

【００７２】ところで、本発明の油井用鋼は、ＹＳが１
１０ｋｓｉ以上であり、１２５ｋｓｉ以上級や１４０ｋ
ｓｉ以上級も得られるが、１２５ｋｓｉ以上級や１４０
ｋｓｉ以上級の製品を得るには焼戻し温度を変えればよ
い。また、上記の元素に加えて任意添加元素のうちから
強度の向上に寄与する元素を添加することで所望の強度
を確保するようにしてもよ。

【００７３】

【実施例】表１に示す化学組成を有する１５種類の低合
金鋼からなる１５０ｋｇ丸インゴットを準備した。次い
で、各丸インゴットは、熱間鍛造を施して断面寸法が１
５０ｍｍ×１５０ｍｍの圧延用素材に成形した後、実際
のマンネスマン−マンドレルミル方式による継目無製管
法を模擬し、表２に示す種々条件の熱間圧延と熱処理を
施してＹＳが１４０〜１５５ｋｓｉ以上の厚さ２０〜６
０ｍｍの板材に仕上げた。

【００７４】

【表１】

【００７５】

【表２】

【００７６】そして、得られた各板材の炭化物の総量
と、総炭化物量中に占めるＭＣ型炭化物の割合を、それ
ぞれ前述した方法によって調べた。また、得られた各板
材の板厚中心部から、長手方向が圧延方向（Ｌ方向）
で、平行部の寸法が外径６．３５ｍｍ、長さ２５．４ｍ
ｍのＮＡＣＥＴＭ０１７７ＭｅｔｈｏｄＡに規
定される丸棒引張試験片を採取し、下記のＳＳＣ試験に
供した。

【００７７】ＳＳＣ試験：上記のＮＡＣＥＴＭ０１７
７ＭｅｔｈｏｄＡに規定される方法に準じた方法
で、通常は１気圧の硫化水素を飽和させるのであるが、
高強度であることから、０．０５気圧の硫化水素を飽和
させた２５℃の０．５％酢酸＋５％食塩水溶液を用い、
この水溶液中に各板材のＹＳの８０％の応力を負荷した
試験片を７２０時間浸漬保持する定荷重試験とした。

【００７８】評価は、上記のＳＳＣ試験中、すなわち試
験時間７２０時間中に試験片が破断しなかったものを耐
ＳＳＣ性が良好「○」、破断したものを耐ＳＳＣ性が不
芳「×」とした。

【００７９】また、上記と同じく、各板材の板厚中心部
から、長手方向が圧延方向（Ｌ方向）のＪＩＳＺ２２
０２に規定される４号試験片と、ＪＩＳＺ２２０１に
規定される４号試験片を採取し、シャルピー衝撃試験に
供して破面遷移温度を調べる一方、引張試験に供して実
際のＹＳとＴＳを調べた。

【００８０】シャルピー衝撃試験：−１００〜４０℃で
試験し、延性破面率が５０％となる破面遷移温度（ｖＴ
ｒｓ（℃））を求めた。

【００８１】以上の結果を、表３に示すとともに、製品
の肉厚ｔ、炭化物の総量に占めるＭ₂₃Ｃ₆型炭化物の割
合、靭性および耐ＳＳＣ性との関係を、図１と図２に整
理して示した。

【００８２】

【表３】

【００８３】表３に示す結果からわかるように、本発明
例の試番１、２、４、５，７〜１０および１２〜１５
は、炭化物の総量、総炭化物量中に占めるＭＣ型炭化物
の割合およびＭ₂₃Ｃ₆型炭化物の割合がいずれも本発明
で規定する範囲内であり、靭性および耐ＳＳＣ性が良好
であった。

【００８４】これに対し、素材鋼の化学組成は本発明で
規定する範囲内であるが、素材鋼の加熱温度、熱間加工
の終了温度および熱間加工に引き続く直接焼入温度のい
ずれかが本発明で規定する範囲を外れる比較例の試番
３、６および１１は、総炭化物量は本発明で規定する範
囲内であったが総炭化物量中に占めるＭＣ型炭化物の割
合とＭ₂₃Ｃ₆型炭化物の割合が本発明で規定する範囲を
外れていて、靭性と耐ＳＳＣ性が悪かった。

【００８５】また、素材鋼の加熱温度を含めた熱間加工
条件と熱処理条件は本発明で規定する範囲内であるが、
素材鋼のＣ、Ｃｒ、Ｖ、ＮｂおよびＭｏの含有量のいず
れか１つ以上が本発明で規定する範囲を外れる比較例の
試番１６〜１９は、総炭化物量、総炭化物量中に占める
ＭＣ型炭化物の割合およびＭ₂₃Ｃ₆型炭化物の割合のい
ずれか１つ以上が本発明で規定する範囲を外れていて、
靭性と耐ＳＳＣ性が悪かった。

【００８６】さらに、図１と図２から明らかなように、
炭化物の総量に占めるＭ₂₃Ｃ₆型炭化物の割合が（２０
０／ｔ）％超であると所望の靭性と耐ＳＳＣ性は確保さ
れないが、（２００／ｔ）％以下であれば所望の靭性と
耐ＳＳＣ性が確保されることがわかる。

【００８７】なお、データの記載は省略するが、焼戻し
温度を高めてＹＳを１１０ｋｓｉ級や１２５ｋｓｉ級に
したものは、靭性と耐ＳＳＣ性のレベルが数段高かっ
た。また、製品の肉厚ｔにかかわらず、炭化物の総量に
占めるＭ₂₃Ｃ₆型炭化物の割合が少ないものほど、靭性
と耐ＳＳＣ性が良好であった。

【００８８】

【発明の効果】本発明によれば、靭性と耐硫化物応力腐
食割れ性に優れたＹＳが１１０ｋｓｉ以上の厚肉材用に
適した高強度油井用鋼を提供することができる。また、
この油井用鋼は、所定の化学組成を有する鋼に少なくと
も２回の焼入れ焼戻し処理を施すだけで得られるので、
比較的安価に製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の結果を示す図で、製品の肉厚ｔ、炭化
物の総量に占めるＭ₂₃Ｃ₆型炭化物の割合および靭性と
の関係を示す図である。

【図２】実施例の結果を示す図で、製品の肉厚ｔ、炭化
物の総量に占めるＭ₂₃Ｃ₆型炭化物の割合および耐ＳＳ
Ｃ性との関係を示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大村朋彦大阪府大阪市中央区北浜４丁目５番33号住友金属工業株式会社内 (72)発明者宮田佳織大阪府大阪市中央区北浜４丁目５番33号住友金属工業株式会社内Ｆターム(参考） 4K032 AA01 AA02 AA05 AA08 AA11 AA12 AA16 AA19 AA21 AA22 AA26 AA27 AA29 AA31 AA35 AA36 AA37 AA39 BA03 CA02 CA03 CC04 CD06 CF01 CF02 CF03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも、質量％で、Ｃ：０．１５〜
０．３％、Ｃｒ：０．２〜１．５％、Ｍｏ：０．１〜１
％、Ｖ：０．０５〜０．３％、Ｎｂ：０．００３〜０．
１％を含む低合金鋼からなり、析出している炭化物の総
量が１．５〜４質量％であり、炭化物の総量に占めるＭ
Ｃ型炭化物の割合が５〜４５質量％、Ｍ₂₃Ｃ₆型炭化物
の割合が製品の肉厚をｔ（ｍｍ）とした時（２００／
ｔ）質量％以下であることを特徴とする靭性と耐硫化物
応力腐食割れ性に優れる油井用鋼。
【請求項２】少なくとも、質量％で、Ｃ：０．１５〜
０．３％、Ｃｒ：０．２〜１．５％、Ｍｏ：０．１〜１
％、Ｖ：０．０５〜０．３％、Ｎｂ：０．００３〜０．
１％を含む低合金鋼を１１５０℃以上に加熱した後、熱
間加工を１０００℃以上で終了し、引き続いて９００℃
以上の温度から焼入れし、その後５５０℃以上、Ａ_C1変
態点以下で焼戻した後、さらに８５０〜１０００℃に再
加熱して焼入れし、次いで６５０℃以上、Ａ_C1変態点以
下で焼戻す焼入れ焼戻し処理を少なくとも１回施すこと
を特徴とする請求項１に記載の靭性と耐硫化物応力腐食
割れ性に優れる油井用鋼の製造方法。