JP2022160634A - 鋼材 - Google Patents
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Abstract
【課題】強度をさらに高めた鋼材を提供する。【解決手段】鋼材は、質量%で、C:0.050%以下、Si:0.50%以下、Mn:0.50%以下、P:0.050%以下、S:0.0050%以下、Cr:16.00%以上18.00%以下、Mo:1.80%以上3.00%以下、Cu:3.50%を超えて5.00%以下、Ni:3.00%以上5.50%以下、Co:0.010%以上1.000%以下、Al:0.001%以上0.100%以下、O:0.0500%以下、N:0.0500%以下、V:0%以上0.300%以下、Ti:0%以上0.300%以下、Nb:0%以上0.300%以下、Zr:0%以上0.350%以下、W:0%以上1.00%以下、希土類元素:0%以上0.300%以下、Ca:0%以上0.010%以下、B:0%以上0.0100%以下、を含有し、残部がFe及び不純物である化学組成を有する。【選択図】なし
Description
本発明は、鋼材に関し、より詳しくは油井用鋼管に好適な鋼材に関する。本明細書において、「油井」の用語は油井及びガス井を含み、「油井用鋼管」の用語は油井用鋼管及びガス井用鋼管を含むものとする。
近年、深層油井の開発に伴い、高温での耐食性に優れた鋼材が求められている。
特開2007-332442号公報には、炭酸ガスや塩化物イオンを含む200℃の環境での耐食性と、965MPa(140ksi)以上の降伏強度とを有するステンレス鋼管が開示されている。この鋼管は、80%以上のマルテンサイトと、3%以上15%以下のオーステナイト相と、5%以下のフェライト相とを含む組織を有する。
炭酸ガスに加え、硫化水素ガスを含む環境での使用にも耐え得る鋼材が求められている。このような鋼材として、マルテンサイト-フェライト系ステンレス鋼が開発されている。
国際公開第2013/146046号公報には、16%以上18%以下のCrを含有する化学組成と、40%以上のマルテンサイト及び10%以上60%未満のフェライト相を含む組織を有するステンレス鋼が開示されている。国際公開第2014/097628号には、15.5%以上17.7%以下のCrを含有する化学組成と、マルテンサイトを主相とし、10%以上60%以下のフェライト相を含む組織とを有するステンレス鋼管が開示されている。
従来のマルテンサイト-フェライト系ステンレス鋼の強度は、合金設計の関係上、125ksiグレード(862~965MPa)に留まっている。前掲の国際公開第2013/146046号及び国際公開第2014/097628号には、140ksi級(965MPa以上)の強度を示す実施例も僅かに存在するが、このような高強度の鋼材を安定して製造することは困難である。
本発明の目的は、炭酸ガス及び硫化水素ガスを含む高温環境での耐食性を有し、かつ強度をさらに高めた鋼材を提供することである。
本発明の一実施形態による鋼材は、質量%で、C:0.050%以下、Si:0.50%以下、Mn:0.50%以下、P:0.050%以下、S:0.0050%以下、Cr:16.00%以上18.00%以下、Mo:1.80%以上3.00%以下、Cu:3.50%を超えて5.00%以下、Ni:3.00%以上5.50%以下、Co:0.010%以上1.000%以下、Al:0.001%以上0.100%以下、O:0.0500%以下、N:0.0500%以下、V:0%以上0.300%以下、Ti:0%以上0.300%以下、Nb:0%以上0.300%以下、Zr:0%以上0.350%以下、W:0%以上1.00%以下、希土類元素:0%以上0.300%以下、Ca:0%以上0.010%以下、B:0%以上0.0100%以下、を含有し、残部がFe及び不純物である化学組成を有する。
本発明によれば、炭酸ガス及び硫化水素ガスを含む高温環境での耐食性を有し、かつ強度をさらに高めた鋼材が得られる。
本発明者らは、16.00%以上18.00%以下のCrを含有する鋼材の強度をさらに高める手段について検討した。
鋼材の強度を高める手段として、オーステナイト形成元素の含有量を高くして、金属組織中のマルテンサイトの体積率を高くすることが考えられる。しかし、オーステナイト形成元素の含有量を高くすると、残留オーステナイトも増加する傾向があり、高強度の鋼材を安定して製造することが困難になる。
前掲の国際公開第2013/146046号に記載されているように、鋼材に適量のCoを含有させることで、残留オーステナイトを抑制しつつ、マルテンサイトの体積率を高くすることができる。これによって、熱処理条件を精密に管理することが難しい工業的規模の生産においても、高強度の鋼材を安定して製造することができる。
一方、炭酸ガス及び硫化水素ガスを含む高温環境での耐食性を維持するためには、所定の体積率のフェライト相を確保することが必要である。そのため、マルテンサイトの体積率を増やすことによる高強度化には限界がある。
NbやTi、Mo、W等による析出強化を利用した高強度化は、析出によってマトリクス中の元素の含有量が変化し、フェライト形成元素とオーステナイト形成元素とのバランスが崩れる可能性がある。また、ラーベス相やσ相等の金属間化合物が形成されると、耐食性や靱性が顕著に悪化する。
本発明者らは、強化元素として、Cuに着目した。Cuは、時効析出によってフェライト相を強化し、鋼の強度を高める。Cuはオーステナイト形成元素であるものの、多量に含有させても金属組織のバランスを大きく変化させない。また、Cuは単体粒子析出するため、マトリクス中の他の元素の含有量を変化させず、この観点からも組織のバランスを大きく変化させない。そのため、Cuを適量含有させることで、マルテンサイト-フェライト系ステンレス鋼の耐食性を維持しつつ、強度をさらに高めることができる。
Cuは、鋼の熱間加工性を悪化させるため、多量に含有させることは好ましくないと考えられている。しかし、熱間加工の仕上げ温度を適切に管理することで、Cuを多量に含有させても、熱間割れを安定して防止することができる。
以上の知見に基づいて、本発明は完成された。以下、本発明の一実施形態による鋼材を詳述する。
[化学組成]
本実施形態による鋼材は、以下に説明する化学組成を有する。以下の説明において、元素の含有量の「%」は、質量%を意味する。
本実施形態による鋼材は、以下に説明する化学組成を有する。以下の説明において、元素の含有量の「%」は、質量%を意味する。
C:0.050%以下
炭素(C)は、焼戻し時にCr炭化物を生成する。Cr炭化物は、高温の炭酸ガスに対する鋼の耐食性を低下させる。そのため、C含有量は少ない方が好ましい。したがって、C含有量は0.050%以下である。C含有量は、好ましくは0.050%未満であり、より好ましくは0.030%以下であり、さらに好ましくは0.015%以下であり、最も好ましくは0.010%以下である。
炭素(C)は、焼戻し時にCr炭化物を生成する。Cr炭化物は、高温の炭酸ガスに対する鋼の耐食性を低下させる。そのため、C含有量は少ない方が好ましい。したがって、C含有量は0.050%以下である。C含有量は、好ましくは0.050%未満であり、より好ましくは0.030%以下であり、さらに好ましくは0.015%以下であり、最も好ましくは0.010%以下である。
Si:0.50%以下
シリコン(Si)は、鋼を脱酸する。しかし、Si含有量が多すぎると、鋼の熱間加工性が低下する。また、Si含有量が多すぎると、フェライトが増加し、鋼の強度が低下する。したがって、Si含有量は0.50%以下である。Si含有量は、好ましくは0.50%未満であり、より好ましくは0.40%以下であり、さらに好ましくは0.30%以下である。Si含有量の下限は、好ましくは0.05%である。
シリコン(Si)は、鋼を脱酸する。しかし、Si含有量が多すぎると、鋼の熱間加工性が低下する。また、Si含有量が多すぎると、フェライトが増加し、鋼の強度が低下する。したがって、Si含有量は0.50%以下である。Si含有量は、好ましくは0.50%未満であり、より好ましくは0.40%以下であり、さらに好ましくは0.30%以下である。Si含有量の下限は、好ましくは0.05%である。
Mn:0.50%以下
マンガン(Mn)は、鋼を脱酸及び脱硫し、熱間加工性を向上させる。しかし、Mn含有量が多すぎると、鋼中に偏析が生じやすくなり、靭性及び高温塩化物水溶液中での耐応力腐食割れ性(以下「耐SCC性」と呼ぶ。)が低下する。また、Mn含有量が多すぎると、残留オーステナイトが増加し、鋼の強度が低下する。したがって、Mn含有量は0.50%以下である。Mn含有量は、好ましくは0.50%未満であり、より好ましくは0.40%以下であり、さらに好ましくは0.30%以下である。Mn含有量の下限は、好ましくは0.03%であり、より好ましくは0.05%である。
マンガン(Mn)は、鋼を脱酸及び脱硫し、熱間加工性を向上させる。しかし、Mn含有量が多すぎると、鋼中に偏析が生じやすくなり、靭性及び高温塩化物水溶液中での耐応力腐食割れ性(以下「耐SCC性」と呼ぶ。)が低下する。また、Mn含有量が多すぎると、残留オーステナイトが増加し、鋼の強度が低下する。したがって、Mn含有量は0.50%以下である。Mn含有量は、好ましくは0.50%未満であり、より好ましくは0.40%以下であり、さらに好ましくは0.30%以下である。Mn含有量の下限は、好ましくは0.03%であり、より好ましくは0.05%である。
P:0.050%以下
燐(P)は、不純物である。Pは、鋼の耐硫化物応力割れ性(以下「耐SSC性」と呼ぶ。)及び高温塩化物水溶液環境中での耐SCC性を低下させる。したがって、P含有量はなるべく少ない方が好ましい。P含有量は0.050%以下である。P含有量は、好ましくは0.050%未満であり、より好ましくは0.030%以下であり、さらに好ましくは0.020%以下である。
燐(P)は、不純物である。Pは、鋼の耐硫化物応力割れ性(以下「耐SSC性」と呼ぶ。)及び高温塩化物水溶液環境中での耐SCC性を低下させる。したがって、P含有量はなるべく少ない方が好ましい。P含有量は0.050%以下である。P含有量は、好ましくは0.050%未満であり、より好ましくは0.030%以下であり、さらに好ましくは0.020%以下である。
S:0.0050%以下
硫黄(S)は、不純物である。Sは、鋼の熱間加工性を低下させる。さらに、SはMn等と結合し介在物を形成する。形成された介在物は孔食やSCCの起点となり、鋼の耐食性を低下させる。したがって、S含有量はなるべく少ない方が好ましい。S含有量は0.0050%以下である。S含有量は、好ましくは0.0050%未満であり、より好ましくは0.0025%以下であり、さらに好ましくは0.0020%以下である。
硫黄(S)は、不純物である。Sは、鋼の熱間加工性を低下させる。さらに、SはMn等と結合し介在物を形成する。形成された介在物は孔食やSCCの起点となり、鋼の耐食性を低下させる。したがって、S含有量はなるべく少ない方が好ましい。S含有量は0.0050%以下である。S含有量は、好ましくは0.0050%未満であり、より好ましくは0.0025%以下であり、さらに好ましくは0.0020%以下である。
Cr:16.00%以上18.00%以下
クロム(Cr)は、高温塩化物水溶液環境における耐SCC性を高める。しかし、Cr含有量が多すぎると、フェライトが増加し、鋼の強度が低下する。したがって、Cr含有量は16.00%以上18.00%以下である。Cr含有量は、下限に関しては、好ましくは16.00%よりも高く、より好ましくは16.30%以上であり、さらに好ましくは16.50%以上である。Cr含有量は、上限に関しては、好ましくは18.00%未満であり、より好ましくは17.80%以下であり、さらに好ましくは17.50%以下である。
クロム(Cr)は、高温塩化物水溶液環境における耐SCC性を高める。しかし、Cr含有量が多すぎると、フェライトが増加し、鋼の強度が低下する。したがって、Cr含有量は16.00%以上18.00%以下である。Cr含有量は、下限に関しては、好ましくは16.00%よりも高く、より好ましくは16.30%以上であり、さらに好ましくは16.50%以上である。Cr含有量は、上限に関しては、好ましくは18.00%未満であり、より好ましくは17.80%以下であり、さらに好ましくは17.50%以下である。
Mo:1.80%以上3.00%以下
モリブデン(Mo)は、鋼の耐SSC性を向上させる。さらに、MoはCrとの共存下において鋼の耐SCC性を高める。しかし、Mo含有量が多すぎると、フェライトが増加し、鋼の強度が低下する。また、靱性を低下させる。したがって、Mo含有量は1.80%以上3.00%以下である。Mo含有量は、下限に関しては、好ましくは1.80%よりも高く、より好ましくは2.00%以上であり、さらに好ましくは2.20%以上である。Mo含有量は、上限に関しては、好ましくは3.00%未満であり、より好ましくは2.80%以下であり、さらに好ましくは2.70%以下である。
モリブデン(Mo)は、鋼の耐SSC性を向上させる。さらに、MoはCrとの共存下において鋼の耐SCC性を高める。しかし、Mo含有量が多すぎると、フェライトが増加し、鋼の強度が低下する。また、靱性を低下させる。したがって、Mo含有量は1.80%以上3.00%以下である。Mo含有量は、下限に関しては、好ましくは1.80%よりも高く、より好ましくは2.00%以上であり、さらに好ましくは2.20%以上である。Mo含有量は、上限に関しては、好ましくは3.00%未満であり、より好ましくは2.80%以下であり、さらに好ましくは2.70%以下である。
Cu:3.50%を超えて5.00%以下
銅(Cu)は、時効析出によってフェライト相を強化し、鋼の強度を高める。Cuはオーステナイト形成元素であるものの、多量に含有させても金属組織のバランスを大きく変化させない。また、Cuは単体粒子析出するため、マトリクス中の他の元素の含有量を変化させず、この観点からも組織のバランスを大きく変化させない。しかし、Cu含有量が多すぎると、鋼の熱間加工性及び靭性が低下する。したがって、Cu含有量は3.50%を超えて5.00%以下である。Cu含有量は、下限に関しては、好ましくは3.60%以上であり、より好ましくは3.80%以上であり、さらに好ましくは4.00%以上であり、最も好ましくは4.20%以上である。Cu含有量は、上限に関しては、好ましくは5.00%未満であり、より好ましくは4.80%以下であり、さらに好ましくは4.50%以下である。
銅(Cu)は、時効析出によってフェライト相を強化し、鋼の強度を高める。Cuはオーステナイト形成元素であるものの、多量に含有させても金属組織のバランスを大きく変化させない。また、Cuは単体粒子析出するため、マトリクス中の他の元素の含有量を変化させず、この観点からも組織のバランスを大きく変化させない。しかし、Cu含有量が多すぎると、鋼の熱間加工性及び靭性が低下する。したがって、Cu含有量は3.50%を超えて5.00%以下である。Cu含有量は、下限に関しては、好ましくは3.60%以上であり、より好ましくは3.80%以上であり、さらに好ましくは4.00%以上であり、最も好ましくは4.20%以上である。Cu含有量は、上限に関しては、好ましくは5.00%未満であり、より好ましくは4.80%以下であり、さらに好ましくは4.50%以下である。
Ni:3.00%以上5.50%以下
ニッケル(Ni)は、オーステナイト形成元素であり、高温でのオーステナイトを安定化し、常温でのマルテンサイトを増加させる。そのため、Niは鋼の強度を高める。Niはさらに、高温塩化物水溶液環境における耐食性を高める。しかし、Ni含有量が多すぎると、残留オーステナイトが増加しやすくなり、特に工業生産時において、高強度を安定的に得ることが困難になる。したがって、Ni含有量は3.00%以上5.50%以下である。Ni含有量は、下限に関しては、好ましくは3.00%よりも高く、より好ましくは3.50%以上であり、さらに好ましくは4.00%以上であり、最も好ましくは4.20%以上である。Ni含有量は、上限に関しては、好ましくは5.50%未満であり、より好ましくは5.30%以下であり、さらに好ましくは5.20%以下である。
ニッケル(Ni)は、オーステナイト形成元素であり、高温でのオーステナイトを安定化し、常温でのマルテンサイトを増加させる。そのため、Niは鋼の強度を高める。Niはさらに、高温塩化物水溶液環境における耐食性を高める。しかし、Ni含有量が多すぎると、残留オーステナイトが増加しやすくなり、特に工業生産時において、高強度を安定的に得ることが困難になる。したがって、Ni含有量は3.00%以上5.50%以下である。Ni含有量は、下限に関しては、好ましくは3.00%よりも高く、より好ましくは3.50%以上であり、さらに好ましくは4.00%以上であり、最も好ましくは4.20%以上である。Ni含有量は、上限に関しては、好ましくは5.50%未満であり、より好ましくは5.30%以下であり、さらに好ましくは5.20%以下である。
Co:0.010%以上1.000%以下
コバルト(Co)は、鋼の焼入性を高め、特に工業生産時において、安定した高強度を確保する。より具体的には、Coは残留オーステナイトを抑制し、強度のばらつきを抑制する。しかし、Co含有量が多すぎると、鋼の靭性が低下する。したがって、Co含有量は、0.010%以上1.000%以下である。Co含有量は、下限に関しては、好ましくは0.010%よりも高く、より好ましくは0.020%以上であり、さらに好ましくは0.050%以上である。Co含有量は、上限に関しては、好ましくは1.000%未満であり、より好ましくは0.950%以下であり、さらに好ましくは0.750%以下である。
コバルト(Co)は、鋼の焼入性を高め、特に工業生産時において、安定した高強度を確保する。より具体的には、Coは残留オーステナイトを抑制し、強度のばらつきを抑制する。しかし、Co含有量が多すぎると、鋼の靭性が低下する。したがって、Co含有量は、0.010%以上1.000%以下である。Co含有量は、下限に関しては、好ましくは0.010%よりも高く、より好ましくは0.020%以上であり、さらに好ましくは0.050%以上である。Co含有量は、上限に関しては、好ましくは1.000%未満であり、より好ましくは0.950%以下であり、さらに好ましくは0.750%以下である。
Al:0.001%以上0.100%以下
アルミニウム(Al)は、鋼を脱酸する。しかし、Al含有量が多すぎると、フェライトが増加して、鋼の強度が低下する。さらに、アルミナ系介在物が鋼中に多量に生成され、鋼の靭性が低下する。したがって、Al含有量は0.001%以上0.100%以下である。Al含有量は、下限に関しては、好ましくは0.001%よりも高く、より好ましくは0.010%以上である。Al含有量は、上限に関しては、好ましくは0.100%未満であり、より好ましくは0.060%以下である。本明細書において、Al含有量とは、酸可溶Al(sol.Al)の含有量を意味する。
アルミニウム(Al)は、鋼を脱酸する。しかし、Al含有量が多すぎると、フェライトが増加して、鋼の強度が低下する。さらに、アルミナ系介在物が鋼中に多量に生成され、鋼の靭性が低下する。したがって、Al含有量は0.001%以上0.100%以下である。Al含有量は、下限に関しては、好ましくは0.001%よりも高く、より好ましくは0.010%以上である。Al含有量は、上限に関しては、好ましくは0.100%未満であり、より好ましくは0.060%以下である。本明細書において、Al含有量とは、酸可溶Al(sol.Al)の含有量を意味する。
O:0.0500%以下
酸素(O)は、不純物である。Oは、鋼の靭性及び耐食性を低下させる。したがって、O含有量は少ない方が好ましい。O含有量は0.0500%以下である。O含有量は、好ましくは0.0500%未満であり、より好ましくは0.0100%以下であり、さらに好ましくは0.0050%以下である。
酸素(O)は、不純物である。Oは、鋼の靭性及び耐食性を低下させる。したがって、O含有量は少ない方が好ましい。O含有量は0.0500%以下である。O含有量は、好ましくは0.0500%未満であり、より好ましくは0.0100%以下であり、さらに好ましくは0.0050%以下である。
N:0.0500%以下
窒素(N)は、鋼の強度を高める。Nはさらに、オーステナイトを安定化させ、耐孔食性を高める。Nが少しでも含有されれば、上記効果はある程度得られる。しかし、N含有量が多すぎると、鋼中に多量の窒化物が生成し、鋼の靭性が低下する。さらに、残留オーステナイトが増加しやすくなり、鋼の強度が低下しやすくなる。そのため、N含有量は0.0500%以下である。N含有量は、下限に関しては、好ましくは0.0020%以上であり、さらに好ましくは0.0050%以上である。N含有量は、上限に関しては、好ましくは0.0300%以下であり、より好ましくは0.0200%以下であり、さらに好ましくは0.0150%以下である。
窒素(N)は、鋼の強度を高める。Nはさらに、オーステナイトを安定化させ、耐孔食性を高める。Nが少しでも含有されれば、上記効果はある程度得られる。しかし、N含有量が多すぎると、鋼中に多量の窒化物が生成し、鋼の靭性が低下する。さらに、残留オーステナイトが増加しやすくなり、鋼の強度が低下しやすくなる。そのため、N含有量は0.0500%以下である。N含有量は、下限に関しては、好ましくは0.0020%以上であり、さらに好ましくは0.0050%以上である。N含有量は、上限に関しては、好ましくは0.0300%以下であり、より好ましくは0.0200%以下であり、さらに好ましくは0.0150%以下である。
本実施形態による鋼材の化学組成の残部は、Fe及び不純物である。ここでいう不純物とは、鋼の原料として利用される鉱石やスクラップから混入する元素、又は、製造過程の環境等から混入する元素をいう。
本実施形態による鋼材の化学組成はさらに、Feの一部に代えて、V、Ti、Nb、Zr、W、希土類元素、Ca、及びBからなる群から選択される1種以上の元素を含有してもよい。V、Ti、Nb、Zr、W、希土類元素、Ca、及びBは、すべて選択元素である。すなわち、本実施形態による鋼材の化学組成は、V、Ti、Nb、Zr、W、希土類元素、Ca、及びBの一部又は全部を含有していなくてもよい。
V :0%以上0.300%以下
Ti:0%以上0.300%以下
Nb:0%以上0.300%以下
Zr:0%以上0.350%以下
バナジウム(V)、チタン(Ti)、ニオブ(Nb)、及びジルコニウム(Nb)はいずれも、炭化物を形成して鋼の強度及び靭性を高める。これらの元素はさらに、Cを固定することにより、Cr炭化物の生成を抑制する。そのため、鋼の耐孔食性及び耐SCC性を向上させる。これらの元素が少しでも含有されていれば、上記効果がある程度得られる。しかし、これらの元素の含有量が多すぎると、炭化物が粗大化し、鋼の靭性及び耐食性が低下する。したがって、V、Ti、及びNbの含有量は、いずれも0%以上0.300%以下である。Zrの含有量は0%以上0.350%以下である。V、Ti、Nb、及びZrの含有量はいずれも、下限に関しては、好ましくは0.005%以上である。この場合、上記の効果が顕著に得られる。V、Ti、Nb、及びZrの含有量はいずれも、上限に関しては、好ましくは0.300%未満である。なお、V、Ti、Nb、及びZrを2種類以上含有させる場合、合計の含有量は0.800%以下とすることが好ましい。より好ましくは0.600%以下である。
Ti:0%以上0.300%以下
Nb:0%以上0.300%以下
Zr:0%以上0.350%以下
バナジウム(V)、チタン(Ti)、ニオブ(Nb)、及びジルコニウム(Nb)はいずれも、炭化物を形成して鋼の強度及び靭性を高める。これらの元素はさらに、Cを固定することにより、Cr炭化物の生成を抑制する。そのため、鋼の耐孔食性及び耐SCC性を向上させる。これらの元素が少しでも含有されていれば、上記効果がある程度得られる。しかし、これらの元素の含有量が多すぎると、炭化物が粗大化し、鋼の靭性及び耐食性が低下する。したがって、V、Ti、及びNbの含有量は、いずれも0%以上0.300%以下である。Zrの含有量は0%以上0.350%以下である。V、Ti、Nb、及びZrの含有量はいずれも、下限に関しては、好ましくは0.005%以上である。この場合、上記の効果が顕著に得られる。V、Ti、Nb、及びZrの含有量はいずれも、上限に関しては、好ましくは0.300%未満である。なお、V、Ti、Nb、及びZrを2種類以上含有させる場合、合計の含有量は0.800%以下とすることが好ましい。より好ましくは0.600%以下である。
W:0%以上1.00%以下
希土類元素:0%以上0.300%以下
タングステン(W)及び希土類元素は、高温環境における耐SCC性を高める。これらの元素が少しでも含有されていれば、上記効果がある程度得られる。しかし、これらの元素の含有量が多すぎると、その効果が飽和する。したがって、W含有量は0%以上1.00%以下であり、希土類元素の含有量は0%以上0.300%以下である。W含有量は、下限に関しては、好ましくは0.01%以上である。W含有量は、上限に関しては、好ましくは0.60%以下である。希土類元素の含有量は、下限に関しては、好ましくは0.001%以上である。この場合、上記の効果が顕著に得られる。
希土類元素:0%以上0.300%以下
タングステン(W)及び希土類元素は、高温環境における耐SCC性を高める。これらの元素が少しでも含有されていれば、上記効果がある程度得られる。しかし、これらの元素の含有量が多すぎると、その効果が飽和する。したがって、W含有量は0%以上1.00%以下であり、希土類元素の含有量は0%以上0.300%以下である。W含有量は、下限に関しては、好ましくは0.01%以上である。W含有量は、上限に関しては、好ましくは0.60%以下である。希土類元素の含有量は、下限に関しては、好ましくは0.001%以上である。この場合、上記の効果が顕著に得られる。
なお、希土類元素とは、ランタノイドの15元素にY及びScを合わせた17元素の総称であり、これらの元素のうちの1種以上を含有させることができる。希土類元素の含有量はこれらの元素の合計の含有量を意味する。
Ca:0%以上0.010%以下
B :0%以上0.0100%以下
カルシウム(Ca)及び硼素(B)はいずれも、熱間加工時におけるキズや欠陥の生成を抑制する。これらの元素が少しでも含有されていれば、上記効果がある程度得られる。しかし、Ca含有量が多すぎると、鋼中の介在物が増加して、鋼の靭性及び耐食性が低下する。また、B含有量が多すぎると、結晶粒界にCrの炭硼化物が析出し、鋼の靭性が低下する。したがって、Ca含有量は0%以上0.010%以下であり、B含有量は0%以上0.0100%以下である。Ca含有量は、下限の観点では、好ましくは0.002%以上である。B含有量は、下限の観点では、好ましくは0.0003%以上であり、より好ましくは0.0007%以上である。この場合、上記の効果が顕著に得られる。Ca含有量は、上限の観点では、好ましくは0.010%未満であり、さらに好ましくは0.005%以下である。B含有量は、上限の観点では、好ましくは0.0100%未満であり、さらに好ましくは0.0050%以下である。
B :0%以上0.0100%以下
カルシウム(Ca)及び硼素(B)はいずれも、熱間加工時におけるキズや欠陥の生成を抑制する。これらの元素が少しでも含有されていれば、上記効果がある程度得られる。しかし、Ca含有量が多すぎると、鋼中の介在物が増加して、鋼の靭性及び耐食性が低下する。また、B含有量が多すぎると、結晶粒界にCrの炭硼化物が析出し、鋼の靭性が低下する。したがって、Ca含有量は0%以上0.010%以下であり、B含有量は0%以上0.0100%以下である。Ca含有量は、下限の観点では、好ましくは0.002%以上である。B含有量は、下限の観点では、好ましくは0.0003%以上であり、より好ましくは0.0007%以上である。この場合、上記の効果が顕著に得られる。Ca含有量は、上限の観点では、好ましくは0.010%未満であり、さらに好ましくは0.005%以下である。B含有量は、上限の観点では、好ましくは0.0100%未満であり、さらに好ましくは0.0050%以下である。
[金属組織]
本実施形態による鋼材の金属組織は、好ましくは、体積%で、25%以上40%以下のフェライト相と、50%以上75%以下のマルテンサイトと、2%以上10%以下の残留オーステナイトとを含む。
本実施形態による鋼材の金属組織は、好ましくは、体積%で、25%以上40%以下のフェライト相と、50%以上75%以下のマルテンサイトと、2%以上10%以下の残留オーステナイトとを含む。
フェライト相:体積率で25%以上40%以下
フェライト相は、高温でのSCCの進展を防止する。そのため、フェライト相は、鋼材の耐SCC性を高める。しかし、フェライト相の体積率が高すぎると、鋼材の強度が低下する。したがって、フェライト相の体積率は、好ましくは25%以上40%以下である。フェライト相の体積率は、下限に関しては、より好ましくは28%以上であり、さらに好ましくは30%以上である。フェライト相の体積率は、上限に関しては、より好ましくは38%以下であり、さらに好ましくは35%以下である。
フェライト相は、高温でのSCCの進展を防止する。そのため、フェライト相は、鋼材の耐SCC性を高める。しかし、フェライト相の体積率が高すぎると、鋼材の強度が低下する。したがって、フェライト相の体積率は、好ましくは25%以上40%以下である。フェライト相の体積率は、下限に関しては、より好ましくは28%以上であり、さらに好ましくは30%以上である。フェライト相の体積率は、上限に関しては、より好ましくは38%以下であり、さらに好ましくは35%以下である。
フェライト相の体積率は、以下の方法で求める。鋼材の任意の位置から、サンプルを採取し、鋼材の断面に相当する面を研磨する。研磨後、王水とグリセリンとの混合溶液を用いて研磨面をエッチングする。光学顕微鏡(観察倍率100倍)を用いて、エッチングされた面を観察し、JIS G 0555に準拠した点算法によってフェライト相の面積率を測定する。測定された面積率をフェライト相の体積率と定義する。
マルテンサイト:体積率で50%以上75%以下
マルテンサイトは、鋼材の強度向上に寄与する。「マルテンサイト」の用語は、マルテンサイト及び焼戻しマルテンサイトを含むものとする。マルテンサイトの体積率は、好ましくは50%以上75%以下である。マルテンサイトの体積率は、下限に関しては、より好ましくは55%以上であり、さらに好ましくは60%以上である。マルテンサイトの体積率は、上限に関しては、より好ましくは72%以下であり、さらに好ましくは70%以下である。マルテンサイトの体積率は、上述したフェライト相の体積率と以下に述べる残留オーステナイトの体積率とを100%から差し引いて求める。
マルテンサイトは、鋼材の強度向上に寄与する。「マルテンサイト」の用語は、マルテンサイト及び焼戻しマルテンサイトを含むものとする。マルテンサイトの体積率は、好ましくは50%以上75%以下である。マルテンサイトの体積率は、下限に関しては、より好ましくは55%以上であり、さらに好ましくは60%以上である。マルテンサイトの体積率は、上限に関しては、より好ましくは72%以下であり、さらに好ましくは70%以下である。マルテンサイトの体積率は、上述したフェライト相の体積率と以下に述べる残留オーステナイトの体積率とを100%から差し引いて求める。
残留オーステナイト:体積率で2%以上10%以下
少量の残留オーステナイトは、鋼材の靭性を顕著に向上させる。しかし、残留オーステナイトの体積率が高すぎると、鋼材の強度が低下する。したがって、残留オーステナイトの体積率は、好ましくは2%以上10%以下である。残留オーステナイトの体積率は、下限に関しては、より好ましくは3%以上である。残留オーステナイトの体積率は、上限に関しては、より好ましくは8%以下であり、さらに好ましくは6%以下であり、最も好ましくは5%以下である。
少量の残留オーステナイトは、鋼材の靭性を顕著に向上させる。しかし、残留オーステナイトの体積率が高すぎると、鋼材の強度が低下する。したがって、残留オーステナイトの体積率は、好ましくは2%以上10%以下である。残留オーステナイトの体積率は、下限に関しては、より好ましくは3%以上である。残留オーステナイトの体積率は、上限に関しては、より好ましくは8%以下であり、さらに好ましくは6%以下であり、最も好ましくは5%以下である。
残留オーステナイトの体積率は、X線回折法により求める。具体的には、鋼材の任意の位置からサンプルを採取する。サンプルの大きさは15mm×15mm×2mmとする。サンプルを用いて、フェライト相(α相)の(200)面及び(211)面と、残留オーステナイト(γ相)の(200)面、(220)面及び(311)面の各々のX線強度を測定する。そして、各面の積分強度を算出する。算出後、α相の各面と、γ相の各面との組合せ(合計6組)ごとに、式(1)を用いて体積率Vγ(%)を算出する。そして、6組の体積率Vγの平均値を、残留オーステナイトの体積率(%)と定義する。
Vγ=100/(1+(Iα×Rγ)/(Iγ×Rα)) (1)
ここで、「Iα」はα相の積分強度である。「Rα」はα相の結晶学的理論計算値である。「Iγ」はγ相の積分強度である。「Rγ」はγ相の結晶学的理論計算値である。
Vγ=100/(1+(Iα×Rγ)/(Iγ×Rα)) (1)
ここで、「Iα」はα相の積分強度である。「Rα」はα相の結晶学的理論計算値である。「Iγ」はγ相の積分強度である。「Rγ」はγ相の結晶学的理論計算値である。
本実施形態による鋼材の金属組織は、フェライト相、マルテンサイト、及び残留オーステナイトの他に、炭化物、窒化物、硼化物、Cu相等の析出物や介在物を含有していてもよい。
[機械的特性]
本実施形態による鋼材は、好ましくは、降伏強度が965MPa以上である。本実施形態による鋼材は、より好ましくは降伏強度が980MPa以上であり、さらに好ましくは1000MPa以上である。
本実施形態による鋼材は、好ましくは、降伏強度が965MPa以上である。本実施形態による鋼材は、より好ましくは降伏強度が980MPa以上であり、さらに好ましくは1000MPa以上である。
本実施形態による鋼材は、好ましくは、-10℃のシャルピー衝撃試験によって得られる吸収エネルギーが110J以上である。本実施形態による鋼材は、より好ましくは-10℃のシャルピー衝撃試験によって得られる吸収エネルギーが120J以上であり、さらに好ましくは130J以上である。
[製造方法]
以下、鋼材の製造方法の一例として、継目無鋼管の製造方法を説明する。
以下、鋼材の製造方法の一例として、継目無鋼管の製造方法を説明する。
上述した化学組成を有する素材を準備する。素材は例えば、連続鋳造法(ラウンドCCを含む)により製造された鋳片である。素材は、造塊法により製造されたインゴットを熱間加工して製造された鋼片でもよく、鋳片から製造された鋼片でもよい。
素材を加熱炉又は均熱炉に装入し、加熱する。加熱温度は、例えば1000℃以上1300℃以下である。続いて、加熱した素材を熱間加工して素管を製造する。例えば、熱間加工としてマンネスマン法を実施する。具体的には、素材を穿孔機により穿孔圧延して素管にする。続いて、マンドレルミルやサイジングミルによって、素管をさらに圧延する。熱間加工として熱間押出を実施してもよいし、熱間鍛造を実施してもよい。
本実施形態による鋼材は、上述のとおり、3.50%を超えて5.00%以下のCuを含有する。Cuによる熱間割れは、熱間加工の最終段階で発生しやすい。そのため、熱間加工の終了温度を適切に管理する必要がある。具体的には、熱間加工可能な下限温度を設定し、熱間加工中の鋼材の温度がこの下限温度よりも低下したときは、熱間加工を中止し、必要に応じて再加熱を実施する。下限温度は、好ましくは800℃であり、より好ましくは850℃であり、さらに好ましくは900℃である。
熱間加工後の素管を冷却する。冷却方法は、空冷でも水冷でもよい。本実施形態の化学組成の範囲では、空冷でもMs点以下に冷却されれば、マルテンサイト変態が生じる。ただし、965MPa以上の高強度を安定して確保する場合、熱間加工された素管を空冷後、Ac3点以上の温度に再加熱してから水冷を実施して焼入れすることが好ましい。いずれの場合も、冷却停止温度は60℃以下にすることが好ましく、45℃以下にすることがより好ましい。
熱間製管後の素管又は焼入れされた素管に焼戻しを実施する。焼戻し温度を高くするほど、靱性が向上する一方、強度は低下する。Ac1点を超えた温度で焼戻しを行うと残留オーステナイトの体積率が増加し強度が低下する。焼戻し温度は、好ましくは450℃以上650℃以下である。より好ましくは、500℃以上600℃以下である。焼戻しの保持時間は、好ましくは10分間以上120分間以下である。
以上、本発明の一実施形態による鋼材及びその製造方法を説明した。本実施形態によれば、炭酸ガス及び硫化水素ガスを含む高温環境での耐食性を有し、かつ強度をさらに高めた鋼材が得られる。そのため本実施形態による鋼材は、油井用鋼管に用いる鋼材として特に好適である。
以下、実施例によって本発明をより具体的に説明する。本発明はこれらの実施例に限定されない。
[供試材の作製]
表1に示す化学組成の鋼を、50kg真空誘導溶解炉(VIM)で溶解し、外径140mm、長さ310mmのインゴットを製造した。なお、表1の「-」は、該当する元素が不純物レベルであったことを示す。
表1に示す化学組成の鋼を、50kg真空誘導溶解炉(VIM)で溶解し、外径140mm、長さ310mmのインゴットを製造した。なお、表1の「-」は、該当する元素が不純物レベルであったことを示す。
このインゴットを1200℃で3時間加熱後、熱間鍛造によって幅65mm、厚さ75mm、長さ1150mmの鋼板に加工した。熱間鍛造の仕上げ温度は1000℃とした。
この鋼板を長さ180mmに切断し、1230℃で15分間加熱後、熱間圧延によって厚さ13mmに加工した。熱間加工の仕上げ温度は1000℃とした。
圧延後の鋼板を950℃に15分間加熱した後水冷する焼入れ、及び510℃及び530℃に30分間保持する焼戻しを実施した。
[引張試験]
焼き戻し後の鋼板から、API規定に準拠した丸棒試験片(φ6.35mm×GL25.4mm)を採取し、常温(25℃)で引張試験を実施した。
焼き戻し後の鋼板から、API規定に準拠した丸棒試験片(φ6.35mm×GL25.4mm)を採取し、常温(25℃)で引張試験を実施した。
[金属組織観察]
焼き戻し後の鋼板からサンプルを採取し、実施形態で説明した方法によって、フェライト相、マルテンサイト、及び残留オーステナイトの体積率を求めた。
焼き戻し後の鋼板からサンプルを採取し、実施形態で説明した方法によって、フェライト相、マルテンサイト、及び残留オーステナイトの体積率を求めた。
[靭性試験]
焼き戻し後の鋼板から、ASTM E23に準拠したフルサイズ試験片を採取し、-10℃でシャルピー衝撃試験を実施して吸収エネルギーを求めた。
焼き戻し後の鋼板から、ASTM E23に準拠したフルサイズ試験片を採取し、-10℃でシャルピー衝撃試験を実施して吸収エネルギーを求めた。
[Ms点測定]
熱間鍛造後の鋼板から外径3mm、長さ10mmの試験片を採取し、フォーマスタ試験を実施した。具体的には、950℃まで3分間で加熱し、950℃に5分間保持した後、ヘリウムガスで室温付近まで冷却した。冷却速度は約80~100℃/秒であった。冷却中の試験片の変位を観測し、変位が熱収縮から変態膨張へ切り替わったときの温度をマルテンサイト変態開始温度(Ms点)とした。
熱間鍛造後の鋼板から外径3mm、長さ10mmの試験片を採取し、フォーマスタ試験を実施した。具体的には、950℃まで3分間で加熱し、950℃に5分間保持した後、ヘリウムガスで室温付近まで冷却した。冷却速度は約80~100℃/秒であった。冷却中の試験片の変位を観測し、変位が熱収縮から変態膨張へ切り替わったときの温度をマルテンサイト変態開始温度(Ms点)とした。
試験結果を表2に示す。表2中の「YS」は降伏強度を示す。表2中の「F」、「M」、及び「A」はそれぞれ、金属組織中のフェライト相、マルテンサイト、及び残留オーステナイトの体積率を示す。
表2に示すとおり、マーク1~20の鋼材は、降伏強度が965MPa以上であり、かつ-10℃のシャルピー衝撃試験によって得られる吸収エネルギーが110J以上であった。これらの鋼材は、体積%で、25%以上40%以下のフェライト相と、50%以上75%以下のマルテンサイトと、2%以上10%以下の残留オーステナイトとを含む金属組織を有していた。
マーク21の鋼材は、金属組織のバランスは適切であったにもかかわらず、降伏強度が965MPa未満であった。これは、マーク21の鋼材のCu含有量が低かったためと考えられる。
マーク22の鋼材は、降伏強度が965MPa未満であった。これは、マーク22の鋼材のNi含有量が低かったためと考えられる。
マーク23及び24の鋼材は、残留オーステナイトの体積率が高く、降伏強度が965MPa未満であった。また、これらの鋼材は、Ms点が45℃未満であった。これは、マーク23及び24の鋼材のCo含有量が低かったためと考えられる。
マーク25の鋼材は、降伏強度は965MPa以上であったものの、吸収エネルギーが110J未満であった。これは、マーク25の鋼材のCo含有量が高かったためと考えられる。
マーク26~28の鋼材は、フェライトの体積率が高く、降伏強度が965MPa未満であった。さらに、マーク27及び28の鋼材は、吸収エネルギーが110J未満であった。これはそれぞれ、マーク26の鋼材のNi含有量が低かったため、マーク27の鋼材のMo含有量が高かったため、マーク28の鋼材のAl含有量が高かったためと考えられる。
以上、本発明の実施の形態を説明した。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。よって、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で、上述した実施の形態を適宜変形して実施することが可能である。
Claims (6)
- 質量%で、
C :0.050%以下、
Si:0.50%以下、
Mn:0.50%以下、
P :0.050%以下、
S :0.0050%以下、
Cr:16.00%以上18.00%以下、
Mo:1.80%以上3.00%以下、
Cu:3.50%を超えて5.00%以下、
Ni:3.50%以上5.50%以下、
Co:0.010%以上1.000%以下、
Al:0.001%以上0.100%以下、
O :0.0500%以下、
N :0.0500%以下、
V :0%以上0.300%以下、
Ti:0%以上0.300%以下、
Nb:0%以上0.300%以下、
Zr:0%以上0.350%以下、
W :0%以上1.00%以下、
希土類元素:0%以上0.300%以下、
Ca:0%以上0.010%以下、
B :0%以上0.0100%以下、
を含有し、残部がFe及び不純物である化学組成を有する、鋼材。 - 請求項1に記載の鋼材であって、
前記化学組成は、質量%で、
V :0.005%以上0.300%以下、
Ti:0.005%以上0.300%以下、
Nb:0.005%以上0.300%以下、及び
Zr:0.005%以上0.350%以下、
からなる群から選択される1種以上を含有する、鋼材。 - 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、質量%で、
W:0.01%以上1.00%以下、及び、
希土類元素:0.001%以上0.300%以下、
からなる群から選択される1種以上を含有する、鋼材。 - 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、質量%で、
Ca:0.002%以上0.010%以下、及び、
B :0.0020%以上0.0100%以下、
からなる群から選択される1種以上を含有する、鋼材。 - 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、
金属組織が、体積%で、
25%以上40%以下のフェライト相と、
50%以上75%以下のマルテンサイトと、
2%以上10%以下の残留オーステナイトと、
を含み、
降伏強度が965MPa以上、
である、鋼材。 - 請求項1~5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。
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