JP2000119817A - マルテンサイト系ステンレス鋼管 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】製造過程で水焼入れをおこなっても、焼き割れ
が発生しない、強度と靭性に優れたステンレス鋼管の提
供。 【解決手段】重量％で、Ｃ：０．００５〜０．２％、Ｓ
ｉ：１％以下、Ｍｎ：０．１〜５％、Ｃｒ：７〜１５
％、Ｎｉ：０〜８％を含み、肉厚ｔ（ｍｍ）と鋼中のＣ
およびＣｒの含有量とが下記式を満足する。 t(mm)≦exp{5.21-18.1C(%)-0.0407Cr(%)}

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、石油や天然ガスの
採掘用材料、あるいは各種プラントや建設物の構造用の
材料として使用される強度と靱性に優れたマルテンサイ
ト系ステンレス鋼管に関する。

【０００２】

【従来の技術】１３％Ｃｒマルテンサイトステンレス鋼
に代表されるマルテンサイト系ステンレス鋼は、焼入れ
により、強度および耐食性を向上させて使用される。こ
の鋼は焼入れ性がきわめて良好であるため、寸法や化学
組成によっては高温からの放冷でも十分に内部まで焼き
が入る。冷媒を使って焼入れをする場合でも冷却速度が
遅い油冷とするのが普通である。

【０００３】しかしながら、焼入性がよい鋼は、急冷す
れば焼き割れや変形を生じやすい傾向を示す。焼入れに
よる硬化は、高温でのオーステナイト相が急冷されてマ
ルテンサイト相に変態することに起因する。この変態の
際に大きな体積膨張が生ずる。このため冷却速度が速す
ぎると、不均一で急激な変形が生じ、局部的に応力が集
中して割れるのである。近年、腐食環境の厳しい条件の
石油や天然ガスの採掘が必要となり、用いられる油井管
や関連設備にも、耐食性のすぐれた高強度の鋼管が要求
されるようになってきた。また鋼管の製造方法も、穿
孔、圧延などの熱間加工直後の高温状態にある被加工材
をそのまま焼入れする直接焼入れ法が開発されてきてい
る。しかし、マルテンサイト組織を有するステンレス鋼
管の製造においては、直接焼入れ法による水冷のような
急速冷却をおこなうと割れが発生するので、水中での焼
入れを適用するのは困難であった。そのため、高温から
は時間をかけてゆっくり冷却をせざるを得ず、生産性を
大幅に低下させるという問題があった。また、冷却速度
を大きくすることができないので、冷却中の鋼管を長時
間保持するための広い場所が必要となり、設備費の上昇
を招いていた。

【０００４】９％Ｃｒや１３％Ｃｒなどのマルテンサイ
ト系ステンレス鋼の焼入れのための冷却方法として、特
開平３−８２７１１号公報には、ノズルによる水の吹き
付けで、肉厚１０〜３０ｍｍの鋼管に対し１〜２０℃／
ｓｅｃの冷却速度で加速冷却する方法が開示されてい
る。加熱した鋼管を水槽に浸漬する水焼入れでは冷却速
度が４０℃／ｓｅｃ以上になり、ほとんどの場合焼き割
れが生ずる。しかし、上記の冷却速度を制御する方法に
よれば焼き割れが発生することがなく、しかも効率よく
冷却できるという。しかしながらこの方法の採用には、
通常の炭素鋼鋼管に用いられる水焼入れ設備とは別に、
専用の冷却設備と制御手段が必要となってくる。さら
に、この方法では、冷却速度は速くなるが、それでも水
焼入れの冷却速度の半分以下であり、大幅な生産性の向
上には至っていない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、製造
過程で水焼入れをおこなっても、焼き割れが発生しない
マルテンサイト相が９５％以上の実質的に単相の組織を
有し、強度と靭性に優れたステンレス鋼管を提供するこ
とにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、下記の
通りである。

【０００７】「重量％で、Ｃ：０．００５〜０．２％、
Ｓｉ：１％以下、Ｍｎ：０．１〜５％、Ｃｒ：７〜１５
％、Ｎｉ：０〜８％を含むマルテンサイト系ステンレス
鋼管であって、鋼管の肉厚ｔ（ｍｍ）と鋼中のＣおよび
Ｃｒ含有量とが下記式を満足していることを特徴とする
マルテンサイト系ステンレス鋼管。

【０００８】t(mm)≦exp{5.21-18.1C(%)-0.0407Cr(%)} ただし、元素記号は含有量（重量％）を示す」 マルテンサイト系ステンレス鋼の焼入れに関し、含有元
素の焼入れ性やマルテンサイト変態開始温度のＭｓ点に
およぼす影響はよく知られている。しかし、焼入れ時に
発生する応力については必ずしも明らかでない。そこ
で、本発明者らは肉厚１０〜３０ｍｍ程度のマルテンサ
イト系ステンレス鋼管を用意し、鋼管の肉厚と化学成分
とがどのように焼き割れに影響しているかを検討するこ
とにした。

【０００９】鋼を焼入れする場合、Ｃの含有量は焼入れ
後の硬さを決定するばかりでなく、靭性にも大きく影響
するのできわめて重要である。そこで、Ｃｒの含有量が
１３％のいわゆるマルテンサイト系ステンレス鋼につい
て、Ｃ量と、焼入れ後の試料のシャルピー衝撃試験で得
られる衝撃値との関係を調査した。

【００１０】図１は、その調査結果を示す。同図からＣ
の含有量が０．２％を超えると衝撃値が大きく低下する
ことがわかる。

【００１１】焼き割れは、冷却過程における管肉の表層
部と中心部との変態時期の違いにより発生する応力が原
因と考えられ、靱性が不十分であれば発生しやすいと考
えられる。したがって、焼割れを防止するためにはＣ含
有量を低くして充分な靭性を確保しなければならない。

【００１２】次に、Ｃ含有量を０．２％以下と低くし、
肉厚および化学組成の異なる鋼管を用いて水焼入れをお
こなった際の焼き割れを調査した。

【００１３】図２は、その調査結果を示す。同図に示す
ように、鋼管の肉厚とＣ含有量とは密接に関係している
ことが判明した。

【００１４】すなわち、焼き割れが発生しない肉厚の限
界は、Ｃ含有量により大きく変化し、Ｃ含有量が増加す
るほど焼き割れが発生しない限界肉厚は薄くなってく
る。また、焼き割れが発生しない限界肉厚はＣｒ含有量
によっても変化するが、その影響はそれほど大きくない
ことも判明した。

【００１５】ほぼ総ての相がマルテンサイトになる変態
であっても、Ｃ量が多いほど膨張率が大きいので発生応
力は大きくなる。さらに、Ｃｒが多い方がやや割れが発
生しやすい傾向があるのは、強度増加に伴う靱性の低下
によると推測される。

【００１６】本発明者等は、上記したようにマルテンサ
イト系ステンレス鋼管を水焼入れした際に発生する焼き
割れは、鋼管の肉厚とＣおよびＣｒの含有量に大きく影
響されていることを知り、さらに検討を加え、それらの
関係を明らかにして本発明を完成させた。

【００１７】

【発明の実施の形態】本発明において、鋼管の化学組成
を限定した理由は次のとおりである。

【００１８】Ｃは、焼入れ後の強度および靱性に大きく
影響し、多くなるほど強度が上昇して靱性が劣化してく
る。また多くなると耐食性の点からも好ましくない。こ
れらの要因、および図１に示した衝撃値低下（靭性低
下）に伴う水焼入れ時の割れの発生の観点から、０．２
％以下とした。ただし、極度に低下させると、焼入れに
よる充分な硬さが得られなくなるので、少なくとも０．
００５％以上含有させる必要がある。望ましいのは０．
０１から０．１５％である。

【００１９】Ｓｉは、鋼の精錬過程で脱酸剤として用い
られる。その含有量は、通常のステンレス鋼で規制され
ている量と同じ１％以下でよい。

【００２０】Ｍｎは、熱間加工性を改善する元素であ
り、その効果を得るため０．１％以上含有させる。ただ
し、含有量が増すと焼入れ後に残留オーステナイト組織
を生じて靱性を悪くし、耐食性も劣化させるので、多く
ても５％までとする。しかし、とくに耐孔食性が必要な
場合は１％未満にすべきで、できれば０．５％以下にす
るのが望ましい。

【００２１】Ｃｒは、ステンレス鋼が耐食性を発揮する
上で必須の元素であり、その含有量を７〜１５％とす
る。７％以上含有させてマルテンサイト鋼とすることに
より、種々の環境下で実用上問題のない範囲にまで腐食
速度を低減することができる。しかし、ステンレス鋼特
有の耐食性皮膜の形成のためには、１０％以上の含有が
好ましい。ただし多くなりすぎると、焼入れ時の加熱時
にδフェライト相が生成し、焼入れ後に残存して耐食性
を悪くすることがあり、また焼き割れを発生しやすくす
る傾向があるので上限は１５％までとする。

【００２２】Ｎｉは、含有させなくてもよい。しかし、
耐食性を向上させるばかりでなく、強度および靱性を向
上させる効果があるので、必要に応じて８％までの範囲
で含有させる。効果を発揮させるには０．３％以上含有
させるのが望ましいが、多くなると焼入れ後に残留オー
ステナイト組織が生じるようになり、耐食性、靱性共に
劣化してくるので、８％までとする。

【００２３】本発明の鋼管の製管の際の熱間加工性を改
善する目的でＣａ、Ｍｇ、Ｌａ、またはＣｅを、それぞ
れ０．００１〜０．０１％の範囲で１種以上含有させて
もよい。これらの元素の含有により、加工時の疵の発生
を抑止し、水焼入れの際の焼き割れを低減できる。

【００２４】また、Ｍｏ、Ｗは、Ｃｒの共存下において
耐孔食性および耐硫化物割れを著しく改善する効果があ
るので、必要によりいずれか一方または双方を含有させ
てもよい。含有させる場合は、Ｍｏ＋０．５Ｗの含有量
が０．２％以上で効果が得られる。一方、Ｍｏ＋０．５
Ｗの含有量が５％を超えると、δフェライト相の生成を
招き、耐食性が逆に低下するばかりでなく、熱間加工性
も低下する。

【００２５】Ｎｂ、ＴｉおよびＺｒは、Ｃを固定し、強
度のばらつきを小さくする効果があるので、必要により
１種以上含有させることができる。含有させる場合は、
０．００５〜０．１％が好ましい。

【００２６】その他のＰ、Ｓ、Ｎ、Ｏ等の不可避的不純
物は通常のステンレス鋼の場合と同様、耐食性や靱性を
劣化させるので、できるだけ少なくすることが望まし
い。

【００２７】鋼の化学組成は上記のとおりとし、さらに
鋼管の肉厚ｔ（ｍｍ）が下記式を満足するものとす
る。

【００２８】t(mm)≦exp{5.21-18.1C(%)-0.0407Cr(%)}) この式は、図２に示した結果を基に導いた式であり、焼
き割れが発生する領域と発生しない領域の境界線を近似
したものである。鋼管の肉厚ｔ（ｍｍ）が上式を満足す
る範囲内にあるとき、水焼入れによる焼き割れは発生し
ないが、この式の範囲を超えると、焼き割れの発生の可
能性が増してくる。

【００２９】なお、本発明の鋼管は、鋼管を水槽中の水
に浸漬する焼入れ方法の他、鋼管の内外面に多量の水を
かけて、実質上水中での焼入れ状態とする焼入れ方法に
おいても焼き割れは発生しない。

【００３０】

【実施例】表１に示す９種の化学組成の鋼を溶製し、直
径５００ｍｍのインゴットに鋳造し、熱間鍛造して直径
２００ｍｍのビレットに成形した。このビレットを用
い、熱間押し出し法にて外径１２０ｍｍ、肉厚３０ｍ
ｍ、長さ約５ｍの管に成形した。管を長さ１ｍに切断
し、機械加工により肉厚を２．５ｍｍから２８ｍｍまで
の種々の厚さとした。これらの管を１０００℃で３０分
加熱後水槽に浸漬し水焼入れした。冷却後、焼き割れの
発生の有無について目視観察した。

【００３１】

【表１】

【００３２】水中での焼入れ時には、水流により管内面
にも充分に水が循環するようにした。なお、冷却速度は
熱電対を用いて鋼管の肉厚中央での８００から５００℃
に冷却される時間を測定し、℃／秒の単位に直して換算
した。

【００３３】焼入れ後、５５０℃にて焼戻しをおこな
い、引張り試験およびシャルピー衝撃試験により機械的
特性を調べた。

【００３４】表２に鋼管の肉厚と焼き割れとの関係を調
べた結果、および焼戻し後の機械的性質を示す。

【００３５】

【表２】

【００３６】これらの結果から明らかなように、化学組
成、および鋼管の肉厚が本発明で定める範囲を満足する
試験番号１〜８は、焼き割れが発生していなかった。試
験番号９または１０は、肉厚が式にて規制する範囲内で
あるが、ＣまたはＣｒの含有量が本発明で定める範囲を
超えていたため、その場合も焼き割れが発生した。試験
番号１１〜１４は、鋼の化学組成は本発明で規定する範
囲内であるが、肉厚が式にて規制する範囲外であるため
焼き割れが発生した。また、試験番号１５は焼き割れは
発生しなかったが、残留オーステナイト組織が認めら
れ、ｖＴｓ（遷移温度）が高かった。

【００３７】

【発明の効果】本発明によれば、従来、焼入れ時に発生
する焼割れを防止するため、油冷ないしは徐冷却しかで
きなかったマルテンサイト系ステンレス鋼管を、水焼入
れして製造することが可能になる。これにより、焼入れ
工程の冷却時間を短縮することができ、生産性を大きく
向上させることができるばかりでなく、設備費の節減効
果も得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】１３％Ｃｒ系ステンレス鋼の焼入れ後の靱性
（シャルピー衝撃値：ｖＥｏ）におよぼすＣ含有量の影
響を示す図である。

【図２】９％および１３％Ｃｒ系ステンレス鋼管を水焼
入れしたときの焼き割れ発生におよぼす、Ｃ含有量と鋼
管の肉厚の関係を示す図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】重量％で、Ｃ：０．００５〜０．２％、Ｓ
   ｉ：１％以下、Ｍｎ：０．１〜５％、Ｃｒ：７〜１５
   ％、Ｎｉ：０〜８％を含むマルテンサイト系ステンレス
   鋼管であって、鋼管の肉厚ｔ（ｍｍ）と鋼中のＣおよび
   Ｃｒ含有量とが下記式を満足していることを特徴とする
   マルテンサイト系ステンレス鋼管。 t(mm)≦exp{5.21-18.1C(%)-0.0407Cr(%)} ただし、元素記号は含有量（重量％）を示す