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JP2003041341A - 高靱性を有する鋼材およびそれを用いた鋼管の製造方法 - Google Patents

高靱性を有する鋼材およびそれを用いた鋼管の製造方法

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Publication number
JP2003041341A
JP2003041341A JP2001235349A JP2001235349A JP2003041341A JP 2003041341 A JP2003041341 A JP 2003041341A JP 2001235349 A JP2001235349 A JP 2001235349A JP 2001235349 A JP2001235349 A JP 2001235349A JP 2003041341 A JP2003041341 A JP 2003041341A
Authority
JP
Japan
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austenite
steel
carbide
high toughness
grain boundaries
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2001235349A
Other languages
English (en)
Inventor
Shigeru Nakamura
茂 中村
Yoshiori Kono
佳織 河野
Tomohiko Omura
朋彦 大村
Toshiharu Abe
俊治 阿部
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Steel Corp
Original Assignee
Sumitomo Metal Industries Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sumitomo Metal Industries Ltd filed Critical Sumitomo Metal Industries Ltd
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Priority to EP01274417A priority patent/EP1413639B1/en
Priority to PCT/JP2001/010920 priority patent/WO2003014408A1/ja
Priority to CA002453964A priority patent/CA2453964C/en
Priority to ARP020102046A priority patent/AR034070A1/es
Publication of JP2003041341A publication Critical patent/JP2003041341A/ja
Priority to US10/419,967 priority patent/US6958099B2/en
Priority to NO20040432A priority patent/NO337909B1/no
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C21D8/00—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment
    • C21D8/10—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of tubular bodies
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    • C22C—ALLOYS
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Abstract

(57)【要約】 【課題】過酷な油井環境で使用できる、高靱性を有する
鋼管を提供できる。 【解決手段】(1) 質量％で、オーステナイト粒界に析出
する炭化物中のMo量［Mo］が下記(a)式を満足する高靱
性を有する鋼材である。 ［Mo］ ≦ exp（Ｇ−５）＋ ５ ・・・
(a) ただし、Ｇは ASTM E 112法によるオーステナイト粒度
番号を示す。 (2) 上記(a)式を満足し、Ｃ：0.17〜0.32％、Si：0.1〜
0.5％、Mn：0.30〜2.0％、Ｐ：0.030％以下、Ｓ：0.010
％以下、Cr：0.10〜1.50％、Mo：0.01〜0.80％、sol.A
l：0.001〜0.100％、Ｂ：0.0001〜0.0020％およびＮ：
0.0070％以下を含有する高靱性を有する鋼材である。 (3) 上記成分の鋼材を素材として、圧延後オーステナイ
ト域より焼入れし、次いで焼戻した後、上記(a)式を満
足することを特徴とする高靱性を有する油井用鋼管の製
造方法である。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、過酷な油井環境で
使用される鋼管に最適な、高靱性を有する鋼材およびそ
れを用いた油井用鋼管の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来技術】近年、石油を採取する環境はますます過酷
なものとなり、現地で使用される油井用鋼管は深井戸化
に加え、炭酸ガス等を含む油井環境に曝されるようにな
る。このため、これらに用いられる鋼材には、強度や靱
性を具備することが求められる。特に、これから開発さ
れようとしている油井は、高深度の井戸、水平堀の井戸
が対象とされるので、使用される鋼管には、従来の要求
以上の更なる高強度化、高靱性の性能が要求されること
になる。
【０００３】これらの要求に対応するため、従来から、
靱性を確保するために鋼材のオーステナイト結晶を細粒
化させたり、高価な添加元素を用いて焼入性を向上させ
て、高性能の油井用鋼管を製造するようにしている。例
えば、特許第2672441号公報では、このような観点か
ら、高強度、高靱性を特徴とするシームレス鋼管の製造
方法が提案されている。
【０００４】上記公報で提案された製造方法は、オース
テナイト結晶粒径を ASTM No.９以上にするというもの
であり、耐硫化物応力腐食割れ（耐ＳＳＣ）性に優れる
とともに、高強度、高靱性の性能が確保できるとするも
のである。
【０００５】すなわち、上記公報で提案された製造方法
は、高靱性の鋼を得ることを目的とし、従来から周知で
あるオーステナイト結晶粒の細粒化という手法を採用し
ているため、オーステナイト結晶粒の細粒化にともなっ
て焼入れ性の劣化を招くことが予想される。鋼の焼入れ
性が劣化すると、靱性や耐食性が劣化することになる。
一般的に、鋼の焼入れ性を劣化させないためには、Moの
ような比較的高価な元素を多量に添加することが必要に
なる。
【０００６】さらに、上記公報で提案された製造方法で
は、圧延後の加熱された状態からそのまま焼入れしその
後焼戻しする、直接焼入れ方式またはインライン熱処理
を前提とする方法であるため、厳密な圧延条件の管理を
必要とし、コスト合理化、生産効率の面では不満が残
り、最近の油井用鋼管の製造に要求されている生産効率
の向上、省エネルギー、およびコスト低減を達成できな
いという問題もある。
【０００７】一方、オーステナイト結晶粒径が比較的粗
粒であっても、油井環境で優れた性能を発揮することが
できる油井用鋼管の製造方法が提案されている。例え
ば、特開昭58-224116号公報では、鋼材の高強度化にと
もなって粒界割れが破壊の起点になることから、Ｐ、
Ｓ、Mnを低減し、Mo、Nbを添加し、直接焼入れによって
オーステナイト結晶粒度を４〜8.5の範囲で管理するこ
とによって、耐硫化物応力腐食割れ性に優れた継目無鋼
管を製造する方法が提案されている。
【０００８】また、特許2579094号公報では、鋼成分と
熱間圧延条件を調整することにより、オーステナイト結
晶粒度を6.3〜7.3になるようにして、高強度で耐硫化物
応力腐食割れ性に優れた油井用鋼管を製造する方法が提
案されている。
【０００９】しかしながら、提案されたいずれの方法で
あっても、油井用として要求される靱性の確保に関する
言及がなく、高強度および高靱性を兼備する油井用鋼管
の製造方法として採用することができない。
【００１０】ところで、鋼材の靱性を確保するには、オ
ーステナイト結晶の細粒化に代えて、オーステナイト結
晶粒界そのものを強くすることが有効であり、その手段
としてオーステナイト結晶粒界に析出する炭化物をコン
トロールする方法が知られている。つまり、粒界は粒内
に比べて炭化物が析出し易く、また炭化物同士が凝縮し
易い場所であるため、粒界そのものの強度が低下する傾
向にある。したがって、オーステナイト結晶粒界での粗
大な炭化物の析出や炭化物の凝縮を防ぐことにより、結
果的に鋼材の靱性を向上させることができる。このよう
なことから、前記の特開昭58-224116号公報や特許25790
94号公報に開示された鋼のように、そのオーステナイト
結晶粒径が比較的粗粒である場合には、粒界に析出する
炭化物を制御しなければ、高い靱性を得ることができな
いことになる。
【００１１】このような観点に基づき、最近では、オー
ステナイト結晶粒界で粗大化しやすい炭化物の析出を抑
制する方法が注目されている。CrとMoを含む低合金鋼中
の炭化物には、Ｍ３Ｃ型、Ｍ７Ｃ３型、Ｍ２３Ｃ６型、
Ｍ３Ｃ型およびＭＣ型がある。これらのうち、Ｍ２３Ｃ
６型炭化物は、熱力学的に安定しているので析出し易い
と同時に、粗大な炭化物であるため、鋼材の靱性を低下
させる。また、Ｍ３Ｃ型炭化物は、その形状が針状であ
るから応力集中係数が高くなり、耐ＳＳＣ性を低下させ
る。
【００１２】上述の理由から、Ｍ２３Ｃ６型炭化物やＭ
３Ｃ型炭化物の析出を抑制する方法が提案され始めてい
る。例えば、特開2000-178682号公報、特開2000-256783
号公報、特開2000-297344号公報、特開2000-17389号公
報および特開2001-73086号公報には、Ｍ２３Ｃ６型炭化
物を抑制した鋼、或いは鋼管が開示されている。しか
し、これらの公報で開示された方法では、Ｍ２３Ｃ６型
炭化物の制御のみに着目して、オーステナイト結晶粒径
の影響を考慮していないため、鋼の焼入れ性を犠牲にし
ていると言わざるを得ない。
【００１３】以上の状況を言い換えると、高強度および
高靱性で、かつ耐硫化物応力腐食割れ性（耐ＳＳＣ性）
に優れた鋼、或いは鋼管を低コストで製造するには、オ
ーステナイト結晶粒の細粒化のみによる手法、または粗
大化し易い炭化物の抑制のみによる手法のいずれを採用
しても、その目的を達成することができない。このた
め、油井環境用として優れた鋼、或いは鋼管を低コスト
で製造できるように、炭化物制御による効果とオーステ
ナイト結晶粒径の細粒化による効果の両方を最大限に活
用し、調和するための指標が望まれている。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】前述の通り、オーステ
ナイト結晶粒の細粒化のみによる手法で靱性を高めよう
とすると、鋼材の焼入れ性が低下する。焼入れ性が低下
すると、鋼材に必要な性能が得られなくなることから、
低下した焼入れ性を補うために、高価な元素を添加して
所定の性能を確保することが必要になる。したがって、
オーステナイト結晶粒の細粒化のみによる手法では、高
価な添加元素を増やすこととなり、全体として鋼材の製
造コストが増大する。
【００１５】さらに、比較的粗粒の鋼材を用いて油井用
鋼管を製造しても、所定の靱性を確保することが困難に
なる。また、靱性を確保するためには、粒界に析出する
炭化物をコントロールして、オーステナイト結晶粒界そ
のものを強くすることが有効であるが、オーステナイト
結晶の粒径の影響を無視して、炭化物の形態制御のみに
重点を置くのであれば、鋼材の焼入れ性が低下し、結果
的には高い靱性が得られない。
【００１６】このため、炭化物制御による効果とオース
テナイト結晶粒径の細粒化による効果の両方を最適に組
み合わせた指標そのもの、およびその指標を採用するこ
とによって、高靱性を具備する油井用鋼管の開発が望ま
れている。
【００１７】本発明は、上述の課題に鑑みてなされたも
のであり、今後、一層過酷になる油井環境で使用される
鋼管に最適な、高靱性を有する鋼材およびそれを素材と
して用いた鋼管の製造方法を提供することを目的として
いる。
【００１８】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、上述の課
題を解決するため、種々の化学組成の鋼材を溶製し、熱
処理条件を変えてオーステナイト粒度を変化させ、粒界
での炭化物の析出挙動と成分組成との関係、さらにこれ
らと靱性性能との関係について検討を行った。
【００１９】前述の通り、オーステナイト結晶粒が大き
くなるほど、鋼材の焼入れ性能は上昇するが、オーステ
ナイト結晶粒界に粗大な炭化物が析出し易くなり、粗大
な炭化物の析出にともなって靱性が劣化する。オーステ
ナイト結晶粒が小さくなれば、靱性が向上するが、さら
に詳細に調査した結果、上記の効果に加えオーステナイ
ト結晶粒界が小さくなることによって、粗大な炭化物の
析出が抑制される。これは、炭化物の析出し易い場所を
増加することにより、析出が分散され、個々の炭化物が
小さくなることに起因するものである。さらに、オース
テナイト結晶粒界での炭化物の特性について、次の〜
の知見を得ることができた。
【００２０】 オーステナイト結晶粒界に析出した炭
化物の組成を分析すると、炭化物内の元素はＣの他に、
Fe、Cr、Moなどが主体であった。そして、オーステナイ
ト結晶粒界に析出する炭化物よりも粒内に析出する炭化
物の方が小さいことが確認された。そこで、粒内に析出
した炭化物の組成を調べると、その炭化物はMoを殆ど含
むことがない。
【００２１】 一般的に、焼戻し温度で炭化物の形状
（針状か球状か）が決まるとされるが、炭化物中のMo量
が異なると、同じ焼戻し温度でも炭化物の形状が異なる
ことになる。
【００２２】 上記およびの知見を踏まえて、炭
化物中のMo量が炭化物の形態や大きさに影響を与える因
子であると仮定し、オーステナイト粒界に析出した炭化
物の組成を分析した結果、粗大な炭化物ほど炭化物中の
Mo量が多く、小さな炭化物になるほど炭化物中のMo量が
少なくなる。換言すると、炭化物に含有されるMo量を少
なくすると、オーステナイト結晶粒界に析出する炭化物
の粗大化が抑制でき、鋼材の靱性を改善することができ
る。
【００２３】 さらに、オーステナイト結晶粒径の変
化にともなって、炭化物中のMo量が炭化物の粗大化に及
ぼす影響も変わってくる。このため、オーステナイト結
晶粒径の変化に合わせて、粒界に析出する炭化物中のMo
量を制御することによって、オーステナイト結晶粒界に
析出する粗大な炭化物を適切に抑制することができる。
【００２４】本発明は、上記の知見に基づいて完成され
たものであり、下記の(1)〜(4)の鋼材、および(5)の鋼
管の製造方法を要旨としている。 (1) 質量％で、オーステナイト粒界に析出する炭化物中
のMo量［Mo］が下記(a)式を満足することを特徴とする
高靱性を有する鋼材である。 ［Mo］ ≦ exp（Ｇ−５）＋ ５ ・・・ (a) ただし、Ｇは ASTM E 112法によるオーステナイト粒度
番号を示す。 (2) 質量％で、Ｃ：0.17〜0.32％、Si：0.1〜0.5％、M
n：0.30〜2.0％、Ｐ：0.030％以下、Ｓ：0.010％以下、
Cr：0.10〜1.50％、Mo：0.01〜0.80％、sol.Al：0.001
〜0.100％、Ｂ：0.0001〜0.0020％およびＮ：0.0070％
以下を含有し、同時にオーステナイト粒界に析出する炭
化物中のMo量［Mo］が上記(a)式を満足することを特徴
とする高靱性を有する鋼材である。 (3) 上記(2)の高靱性を有する鋼材では、さらにTi：0.0
05〜0.04％、Nb：0.005〜0.04％およびＶ：0.03〜0.30
％の１種または２種以上を含ませるようにするのが望ま
しい。 (4) さらに望ましい化学組成として、質量％で、Ｃ：0.
20〜0.28％、Si：0.1〜0.5％、Mn：0.35〜1.4％、Ｐ：
0.015％以下、Ｓ：0.005％以下、Cr：0.15〜1.20％、M
o：0.10〜0.80％、Sol.Al：0.001〜0.050％、Ｂ：0.000
1〜0.0020％およびＮ：0.0070％以下を含有し、さらに
Ti：0.005〜0.04％、Nb：0.005〜0.04％およびＶ：0.
03〜0.30％の１種または２種以上を含み、同時にオース
テナイト粒界に析出する炭化物中のMo量［Mo］が下記
(a)式を満足することを特徴とする高靱性を有する鋼材
である。 (5) 上記(2)〜(4)に記載の元素を含有する鋼材を素材と
して圧延し、オーステナイト域より焼入れし、次いで焼
戻した後、オーステナイト粒界に析出する炭化物中のMo
量［Mo］が上記(a)式を満足することを特徴とする高靱
性を有する油井用鋼管の製造方法である。
【００２５】
【発明の実施の形態】本発明において、オーステナイト
結晶粒界に析出する炭化物中のMo量、鋼の化学組成およ
び製造方法を上記のように限定した理由を説明する。ま
ず、本発明の主な特徴である、オーステナイト結晶粒径
の変化に合わせて、オーステナイト結晶粒界に析出する
炭化物中のMo量を制御することについて説明する。
【００２６】１．オーステナイト結晶粒界に析出する炭
化物中のMo量 通常、鋼材に強度とともに高靱性を具備させるには、オ
ーステナイト結晶粒径を小さくして、焼入れ、焼戻し処
理を行う方法が用いられる。オーステナイト結晶粒径を
小さくすることで、個別の粒界にかかる衝撃力が分散さ
れ、全体として靱性が向上することになる。すなわち、
オーステナイト結晶粒の細粒化は、オーステナイト結晶
粒界そのものを強くすることではなく、衝撃力の負荷方
向に垂直に対面する粒界面積を小さくし、衝撃力を分散
して靱性を向上させている。
【００２７】オーステナイト結晶粒界そのものを強化す
ることによっても、鋼材の靱性を向上させることができ
る。まず、粒界に偏析して粒界を弱くする元素、例えば
Ｐ等を排除することによって、粒界を強化することがで
きる。Ｐの偏析を抑制するためには、Ｐの含有量を最小
化することが求められるが、製鋼工程での脱燐コストと
の関連から、一定レベルのＰ含有量で飽和している。
【００２８】オーステナイト結晶粒界そのものを強くす
る他の手段として、オーステナイト結晶粒界に析出する
炭化物をコントロールする方法がある。しかも、この粒
界の強化方法による効果は、炭化物の粗大化を有効に防
ぐことができれば、Ｐ偏析の抑制による鋼材の靱性改善
の効果より大きなものとなる。
【００２９】そこで、本発明では、オーステナイト粒界
に粗大析出して粒界を脆くする炭化物をコントロールす
れば、高い靱性を得られることに着目した。すなわち、
オーステナイト粒界に粗大な炭化物が析出するか、また
は炭化物が凝集して析出すると靱性は劣化するが、オー
ステナイト粒界に分散して比較的小さな炭化物が析出す
ると靱性は良好になる。
【００３０】次に、オーステナイト結晶粒界に析出する
炭化物中のMo量を最適な含有量にコントロールすれば、
炭化物の析出形態を制御でき、その結果として、高靱性
を有する鋼材が得られることに着目した。すなわち、オ
ーステナイト結晶粒界に析出する炭化物中のMo量が少な
いほど、炭化物の粗大化が防止できるが、炭化物中のMo
量が多くなると、炭化物の粗大化が促進される。
【００３１】図１は、オーステナイト粒度（ASTM E 112
法による）とオーステナイト粒界に析出する炭化物中の
Mo量（質量％）との関係を示す図である。オーステナイ
ト粒度番号Ｇは、その数値が大きくなるほどオーステナ
イト粒径が小さくなることを意味する。靱性特性の評価
は、例えば、ASTM A 370に規定されるシャルピー試験片
を用いて、遷移温度が-30℃以下となる特性を具備する
か否かで行っており、遷移温度が-30℃以下を満足する
場合に高靱性と評価している。なお、いずれの靱性評価
においても、３セットを単位に試験を行っている。
【００３２】図１から明らかなように、オーステナイト
粒界に析出する炭化物中のMo量を少なくすれば、オース
テナイト粒度が粗粒であっても、遷移温度が-30℃以下
を満足する高靱性の領域を出現させることができる。こ
のことは、オーステナイト粒界に析出する炭化物中のMo
量を少なくすることにより、オーステナイト粒界に析出
する炭化物の粗大化や凝縮を防止することができるこ
と、さらに炭化物の形態制御や鋼材の靱性特性に及ぼす
Mo量の臨界値が、オーステナイト結晶粒径によって異な
ることを意味する。
【００３３】図１に示す結果から、鋼材が高靱性を要件
として、下記(a)式に示す炭化物中のMo量［Mo］とオー
ステナイト粒度番号Ｇとの関係を満足すればよいことが
分かる。 ［Mo］ ≦ exp（Ｇ−５）＋ ５ ・・・ (a) オーステナイト結晶粒径は、主に焼入れ条件で制御する
ことができ、さらにAl、TiおよびNbの１種以上を添加す
ることによって制御できる。一方、炭化物中のMo量を制
御する要素は、焼入れ条件、焼戻し条件および添加元素
（特に、Mo）を調整することである。焼入れ条件を変え
ることによって、炭化物の再固溶、均一分散の度合いが
変わり、炭化物中のMo量が変化する。また、焼戻し条件
を変えることによって、添加元素の拡散速度が変わり、
結果として炭化物中のMo量が変化する。一方、炭化物中
のMo量は、添加元素の影響、特にMo添加量と炭化物形成
元素の影響を大きく受ける。このように、オーステナイ
ト結晶粒径および炭化物中のMo量を制御するには、熱処
理条件や添加元素を適切に調整する必要がある。
【００３４】本発明においては、オーステナイト粒界に
析出した炭化物中のMo量は、抽出レプリカ法とEDX（Ene
rgy Dispersive X-ray spectrometer）を組み合わせた
方法を用いて調べることができる。ここで、EDXとは、
蛍光Ｘ線分析装置の一種であり、半導体検出器を用いて
電気的に分光する方法である。
【００３５】本発明におけるオーステナイト粒界に析出
した炭化物中のMo量の測定手法は、オーステナイト粒界
を2000倍の倍率で、任意の視野を５箇所測定し、一視野
内で大きな炭化物を３つ選択し、合計15個の平均値をそ
の炭化物中のMo量とした。
【００３６】２．化学組成 以下に、本発明の鋼材に有効な化学組成について説明す
る。ここで化学組成は、質量％を示す。
【００３７】Ｃ：0.17〜0.32％ Ｃは、鋼材の強度を確保する目的で含有する。しかし、
含有量が0.17％未満では焼入れ性が不足し、必要とする
強度を確保することが困難である。そして、焼き入れ性
を確保しようとすると、高価な添加物を多量に添加する
必要がある。また、0.32％を超えて含有させると、焼き
割れが発生し、それと同時に靱性が劣化する。そのた
め、Ｃ含有量は0.17％〜032％とし、望ましくは0.20％
〜0.28％である。
【００３８】Si：0.1〜0.5％ Siは、脱酸元素として有効な元素であると同時に、焼戻
軟化抵抗を高めて強度上昇にも寄与する。脱酸元素とし
ての効果を発揮するには、0.1％以上の含有が必要であ
り、また、0.5％を超えて含有した場合には、熱間加工
性が著しく悪化する。このため、Si含有量は、0.1〜0.5
％とした。
【００３９】Mn：0.30〜2.0％ Mnは、鋼の焼入れ性を向上させ、鋼材の強度確保に有効
な成分である。しかし、0.30％未満の含有では焼入れ性
が不足し、強度、靱性ともに低下する。一方、2.0％を
超えて含有させると、鋼材の肉厚方向での偏析を増長さ
せ、靱性を低下させる。そのため、Mn含有量は0.30〜2.
0％とし、望ましい含有量は0.35〜1.4％である。
【００４０】Ｐ：0.030％以下 Ｐは、粒界を強化するために、その含有量を最小化する
ことが求めらるが、不純物として鋼中に不可避的に存在
する。従来から脱燐プロセスが開発、改善されている
が、Ｐの含有量を低くしようとすると、プロセスにかか
る時間が長くなり、そのため溶鋼の温度が低下し、その
後のプロセスでの操業が難しくなることから、一定のレ
ベルの含有量で飽和している。Ｐの含有量が0.030％を
超えると、粒界に偏析して靱性を低下させるので、その
含有は0.030％以下とした。さらに望ましくは0.015％以
下である。
【００４１】Ｓ：0.010％以下 Ｓは、不可避的に鋼中に存在し、MnまたはCaと結合して
MnＳやCaＳの介在物を形成する。これらの介在物は熱間
圧延によって延伸され、介在物の形状が針状となるた
め、応力集中を発生し易くなり、靱性への悪影響を及ぼ
す。そのため、Ｓ含有量は0.01％以下とする。さらに望
ましくは、0.005％以下である。
【００４２】Cr：0.10〜1.50％ Crは、焼入れ性を向上させる元素であると同時に、炭酸
ガス環境において炭酸ガス腐食を防ぐ作用を発揮する有
効な元素である。しかし、過剰に添加すると、粗大な炭
化物を形成し易くなるので、その含有量の上限値は1.50
％とする。さらに、粗大な炭化物の形成を防ぐ観点か
ら、上限値を1.20％とするのが望ましい。一方、Cr添加
の効果を発揮させるために、含有量の下限値は0.10％と
し、さらに望ましくは0.15％とする。
【００４３】Mo：0.01〜0.80％ Moはオーステナイト粒界に析出する炭化物の析出形態を
制御する作用を発揮し、高靱性を有する鋼材に有用な元
素である。さらに、焼入れ性を高める作用、Ｐによる粒
界脆化を抑制する作用もある。これらの作用を発揮させ
るため、0.01〜0.80％とする。さらに望ましい含有量は
0.10〜0.80％とする。
【００４４】sol.Al：0.001〜0.100％ Alは脱酸のために必要な元素であるが、sol.Alで0.001
％未満の含有では脱酸不足によって鋼質が劣化し、靱性
が低下する。一方、過剰に含有させると、かえって靱性
の低下を招くことになるので、その上限値は0.100％と
し、望ましくは0.050％とする。
【００４５】Ｂ：0.0001〜0.0020％ Ｂを添加すると著しく焼入れ性を向上させることができ
るので、高価な合金元素の添加量を削減できる。特に、
厚肉の鋼管を製造する場合であっても、Ｂを添加するこ
とによって、目標強度を容易に確保できる。しかし、0.
0001％未満の含有では、これらの効果が発生できず、一
方、0.0020％を超えて含有させると、粒界に炭窒化物が
析出し易くなり、靱性劣化の原因となる。このため、Ｂ
含有量は、0.0001〜0.0020％とする。
【００４６】Ｎ：0.0070％以下 Ｎは、不可避的に鋼中に存在し、Al、TiまたはNbと結合
して窒化物を形成する。特に、AlＮやTiＮが多量に析出
すると、靱性に悪影響を及ぼすため、その含有量は0.00
70％以下とする。
【００４７】Ti：0.005〜0.04％ Tiは、添加しなくてもよい。添加するとTiＮの窒化物を
形成して、高温域での結晶の粗大化を防ぐので有効であ
る。この効果を得るためには、添加する場合には、0.00
5％以上含有させる。しかし、含有量が0.04％を超える
と、Ｃと結合してTiＣを生成する量が増加し、靱性に悪
影響を及ぼすことになる。したがって、Tiを添加する場
合には、その含有量は0.04％以下とする。 Nb：0.005〜0.04％ Nbは、添加しなくてもよい。添加するとNbＣ、NbＮの炭
窒化物を形成し、高温域での結晶の粗大化を防ぐので有
効である。この効果を得るためには、添加する場合に
は、0.005％以上含有させる。しかし、過剰に添加させ
ると、偏析や伸延粒の原因となるので、その含有量は0.
04％以下とする。 Ｖ：0.03〜0.30％ Ｖは、添加しなくてもよい。添加するとＶＣの炭化物を
形成して、鋼材の高強度化に寄与する。この効果を得る
ためには、添加する場合には、0.03％以上含有させる。
しかし、含有量が0.30％を超えると、靱性に悪影響を及
ぼす。このため、Ｖを添加する場合には、その含有量は
0.30％以下とする。
【００４８】３．製造方法 本発明の製造方法では、上記の化学組成を含有する鋼材
を素材として圧延し、オーステナイト域より焼入れし、
次いで焼戻した後、オーステナイト粒界に析出する炭化
物中のMo量［Mo］が前記(a)式を満足する工程を採用す
る。ここで、採用する焼入、焼戻工程は、インライン熱
処理プロセス、またはオフライン熱処理プロセスのいず
れであってもよい。
【００４９】インライン熱処理プロセスでは、圧延後、
オーステナイト状態を保持するため、900℃〜1000℃の
温度範囲で均熱して水焼入れするか、または、圧延後、
オーステナイト状態のまま水焼入れし、その後、鋼材が
所定の強度、例えば、降伏強度が758ＭPa近傍になるよ
うな条件で焼戻しを行う。
【００５０】オフライン熱処理プロセスでは、圧延後、
鋼管を一旦常温まで空冷し、その後焼入れ炉で再加熱し
て、900℃〜1000℃の温度範囲で均熱して、水焼入れ
し、その後、鋼材が所定の強度、例えば、降伏強度が75
8ＭPa近傍になるような条件で焼戻しを行う。
【００５１】
【実施例】本発明の鋼材の効果を確認するため、表１に
示す13種の鋼種を準備した。いずれの鋼種も、上記で規
定する化学組成の範囲を満足するものである。
【００５２】
【表１】 上記の各鋼種からなる外径225mmφのビレットを作製
し、1250℃に加熱した後、マンネスマン−マンドレル製
管法にて、外径244.5mm×肉厚13.8mmの継目無鋼管を製
管した。引き続いて、製管された鋼管にインライン熱処
理プロセスおよびオフライン熱処理プロセスを施した。
【００５３】インライン熱処理プロセスでは、製管圧延
後、オーステナイト状態を保持するため、種々の温度条
件で均熱して、水焼入れし、その後、鋼管の降伏強度が
758ＭPa近傍になる温度で均熱30分間の焼戻し処理を実
施した。オーステナイト粒径の影響を調査するために、
焼入れ前のオーステナイト保持温度は、900℃〜980℃の
範囲で変化させた。
【００５４】一方、オフライン熱処理プロセスでは、同
一条件で製管圧延した後、鋼管を一旦常温まで空冷し、
その後焼入れ炉で再加熱して、種々の温度条件で均熱を
した後、水焼入れし、降伏強度が758ＭPa近傍になる温
度で均熱30分間の焼戻し処理を実施した。オフライン熱
処理では、同様に、焼入れ前のオーステナイト保持温度
は、900℃〜980℃の範囲で変化させた。また、さらに細
かいオーステナイト粒径を得るため、２回焼入れ焼戻し
処理も実施した。
【００５５】上述の熱処理プロセスを経た鋼管の長手方
向から、API規格の５CTに規定される弧状引張試験片、
および ASTM A 370に規定されるフルサイズのシャルピ
ー試験片を採取し、引張試験およびシャルピー衝撃試験
を実施し、降伏強度（MPa）と破面遷移温度（℃）を測
定した。
【００５６】同時に粒度測定試験片とミクロ観察試験片
を採取し、オーステナイトの結晶粒度の大きさ（ASTM E
112法に規定される粒度番号）と、オーステナイト粒界
に析出した炭化物中のMo量を抽出レプリカ法およびEDX
を組み合わせて測定した。これらの結果を表２に示す。
なお、シャルピー衝撃試験は、３セットの単位で試験を
行っている。
【００５７】
【表２】 表２の結果から分かるように、オーステナイト結晶の粒
径が小さいと、オーステナイト結晶粒界に析出している
炭化物中のMo量が多くても、靱性に影響を及ぼさない
が、オーステナイト結晶の粒径が大きくなると、炭化物
中のMo量が増加すると靱性が悪化している。これは、前
述の通り、粒界に析出している炭化物中のMo量が増加す
ると、炭化物が粗大になりやすく、そのためにオーステ
ナイト結晶粒界が脆化することに起因している。
【００５８】また、省エネルギーで生産効率が高いイン
ライン熱処理プロセスは、オフライン熱処理プロセスと
比べ、オーステナイト結晶の粒径が大きくなる傾向にあ
る。そのため、従来方法では、インライン熱処理プロセ
スを採用して高靱性を満足するのは困難であった。しか
しながら、本発明では、オーステナイト粒界に析出する
炭化物中のMo量を規制することによって、インライン熱
処理プロセスを採用した場合であっても、高靱性を具備
することができる。
【００５９】当然ながら、オフライン熱処理プロセスを
採用する場合には、焼入れ性を向上させるためにオース
テナイト結晶の粒径を大きくした場合でも、比較的容易
に高靱性を有することが可能になる。
【００６０】
【発明の効果】本発明の鋼材および鋼管の製造方法によ
れば、今後、一層過酷になる油井環境で使用される、高
靱性を有する油井用鋼管をコスト合理化、生産効率の向
上、さらに省エネルギーのいずれも満足させながら、高
効率に生産することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】オーステナイト粒度（ASTM E 112法による）と
オーステナイト粒界に析出する炭化物中のMo量（質量
％）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 阿部 俊治 和歌山県和歌山市湊1850番地 住友金属工 業株式会社和歌山製鉄所内 Ｆターム(参考） 4K032 AA01 AA02 AA05 AA08 AA11 AA12 AA16 AA19 AA21 AA22 AA27 AA29 AA31 AA35 AA36 BA03 CA03 CF03

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】質量％で、オーステナイト粒界に析出する
    炭化物中のMo量［Mo］が下記(a)式を満足することを特
    徴とする高靱性を有する鋼材。 ［Mo］ ≦ exp（Ｇ−５）＋ ５ ・・・ (a) ただし、Ｇは ASTM E 112法によるオーステナイト粒度
    番号を示す。
  2. 【請求項２】質量％で、Ｃ：0.17〜0.32％、Si：0.1〜
    0.5％、Mn：0.30〜2.0％、Ｐ：0.030％以下、Ｓ：0.010
    ％以下、Cr：0.10〜1.50％、Mo：0.01〜0.80％、sol.A
    l：0.001〜0.100％、Ｂ：0.0001〜0.0020％およびＮ：
    0.0070％以下を含有し、同時にオーステナイト粒界に析
    出する炭化物中のMo量［Mo］が下記(a)式を満足するこ
    とを特徴とする高靱性を有する鋼材。 ［Mo］ ≦ exp（Ｇ−５）＋ ５ ・・・ (a) ただし、Ｇは ASTM E 112法によるオーステナイト粒度
    番号を示す。
  3. 【請求項３】質量％で、Ｃ：0.17〜0.32％、Si：0.1〜
    0.5％、Mn：0.30〜2.0％、Ｐ：0.030％以下、Ｓ：0.010
    ％以下、Cr：0.10〜1.50％、Mo：0.01〜0.80％、Sol.A
    l：0.001〜0.100％、Ｂ：0.0001〜0.0020％およびＮ：
    0.0070％以下を含有し、さらにTi：0.005〜0.04％、N
    b：0.005〜0.04％およびＶ：0.03〜0.30％の１種または
    ２種以上を含み、同時にオーステナイト粒界に析出する
    炭化物中のMo量［Mo］が下記(a)式を満足することを特
    徴とする高靱性を有する鋼材。 ［Mo］ ≦ exp（Ｇ−５）＋ ５ ・・・ (a) ただし、Ｇは ASTM E 112法によるオーステナイト粒度
    番号を示す。
  4. 【請求項４】質量％で、Ｃ：0.20〜0.28％、Si：0.1〜
    0.5％、Mn：0.35〜1.4％、Ｐ：0.015％以下、Ｓ：0.005
    ％以下、Cr：0.15〜1.20％、Mo：0.10〜0.80％、Sol.A
    l：0.001〜0.050％、Ｂ：0.0001〜0.0020％およびＮ：
    0.0070％以下を含有し、さらにTi：0.005〜0.04％、N
    b：0.005〜0.04％およびＶ：0.03〜0.30％の１種または
    ２種以上を含み、同時にオーステナイト粒界に析出する
    炭化物中のMo量［Mo］が下記(a)式を満足することを特
    徴とする高靱性を有する鋼材。 ［Mo］ ≦ exp（Ｇ−５）＋ ５ ・・・ (a) ただし、Ｇは ASTM E 112法によるオーステナイト粒度
    番号を示す。
  5. 【請求項５】請求項２乃至請求項４のいずれかに記載の
    元素を含有する鋼材を素材として圧延し、オーステナイ
    ト域より焼入れし、次いで焼戻した後、オーステナイト
    粒界に析出する炭化物中のMo量［Mo］が下記(a)式を満
    足することを特徴とする高靱性を有する油井用鋼管の製
    造方法。 ［Mo］ ≦ exp（Ｇ−５）＋ ５ ・・・ (a) ただし、Ｇは ASTM E 112法によるオーステナイト粒度
    番号を示す。
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