JP2008038255A - Steel having high toughness - Google Patents
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Abstract
Description
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に関するものである。 The present invention relates to a steel material having high toughness that is optimal for steel pipes used in harsh oil well environments.
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。 In recent years, the environment for extracting oil has become increasingly severe, and oil well steel pipes used locally are exposed to oil well environments containing carbon dioxide gas, etc. in addition to deep wells. For this reason, it is calculated | required that the steel materials used for these should have intensity | strength and toughness. In particular, the oil wells that are going to be developed are for deep wells and horizontal wells, so the steel pipes used have higher strength and higher toughness than required. Will be required.
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、特許文献１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。 In order to meet these demands, high-performance steel pipes for oil wells have conventionally been achieved by reducing the austenite crystal of steel materials to ensure toughness or improving hardenability using expensive additive elements. I try to manufacture. For example, Patent Document 1 proposes a method for manufacturing a seamless steel pipe characterized by high strength and high toughness from such a viewpoint.
上記公報で提案された製造方法は、一般的には細粒化が困難とされているシームレス圧延からの直接焼入れにおいても、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。 In the production method proposed in the above publication, the austenite crystal grain size is set to ASTM No. 1 even in direct quenching from seamless rolling, which is generally difficult to refine. It is 9 or more, and is excellent in resistance to sulfide stress corrosion cracking (SSC), and can ensure high strength and high toughness.
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、熱間シームレス圧延からの直接焼入れにおいても、実現しようとするものであるため、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。 That is, the manufacturing method proposed in the above publication aims to obtain a high toughness steel, and the conventionally known method of refining austenite crystal grains, even in direct quenching from hot seamless rolling, Since this is to be realized, it is expected that the hardenability is deteriorated as the austenite crystal grains become finer. When the hardenability of steel deteriorates, toughness and corrosion resistance deteriorate. In general, in order not to deteriorate the hardenability of steel, it is necessary to add a large amount of a relatively expensive element such as Mo.
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。 Furthermore, since the manufacturing method proposed in the above publication is a method based on a direct quenching method or an in-line heat treatment, in which the steel sheet is quenched and then tempered from the heated state after rolling, strict rolling condition management is required. However, dissatisfaction remains in terms of cost rationalization and production efficiency, and there is also a problem that improvement in production efficiency, energy saving, and cost reduction required for the recent production of oil well steel pipes cannot be achieved.
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、特許文献２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。
On the other hand, there has been proposed a method for producing a steel pipe for an oil well that can exhibit excellent performance in an oil well environment even if the austenite crystal grain size is relatively coarse. For example, in
また、特許文献３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。 In Patent Document 3, by adjusting the steel components and hot rolling conditions, the austenite grain size is adjusted to 6.3 to 7.3, and the strength and the resistance to sulfide stress corrosion cracking are excellent. A method of manufacturing a steel pipe for oil well has been proposed.
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。 However, any of the proposed methods has no mention of ensuring toughness required for oil wells, and cannot be employed as a method for producing oil well steel pipes having both high strength and high toughness.
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、前記の特許文献２や特許文献３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。
By the way, in order to ensure the toughness of the steel material, it is effective to strengthen the austenite crystal grain boundary itself instead of making the austenite crystal finer, and as a means for that, a method of controlling carbides precipitated at the austenite crystal grain boundary. It has been known. That is, since the grain boundary is a place where carbides are more likely to precipitate and the carbides are more likely to condense than in the grains, the strength of the grain boundary itself tends to decrease. Therefore, the toughness of the steel material can be improved as a result by preventing the precipitation of coarse carbides and the condensation of carbides at the austenite grain boundaries. For this reason, when the austenite crystal grain size is relatively coarse as in the steels disclosed in
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、Ｍ23Ｃ6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。 Based on such a viewpoint, recently, a method of suppressing precipitation of carbides that are likely to be coarsened at austenite grain boundaries has attracted attention. Carbides in the low alloy steel containing Cr and Mo include M 3 C type, M 7 C 3 type, M 23 C 6 type, M 3 C type and MC type. Among these, the M 23 C 6 type carbide is thermodynamically stable and thus easily precipitates, and at the same time, is a coarse carbide, thus lowering the toughness of the steel material. In addition, since the shape of the M 3 C type carbide is needle-shaped, the stress concentration coefficient is increased and the SSC resistance is lowered.
上述の理由から、Ｍ23Ｃ6型炭化物やＭ3Ｃ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、特許文献４、特許文献５、特許文献６、特許文献７および特許文献８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。
For the reasons described above, methods for suppressing the precipitation of M 23 C 6 type carbides and M 3 C type carbides have begun to be proposed. For example,
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、炭化物の影響とオーステナイト結晶粒径の影響とを統合した新しい指標が望まれる。そして、オーステナイト結晶粒が比較的大きい場合においても、前記性能が確保できる手段が得られれば、その意義は大きいものとなる。 In other words, to produce steel or steel pipe with high strength and high toughness and excellent resistance to sulfide stress corrosion cracking (SSC resistance) at a low cost, austenite crystal grains must be refined. The object cannot be achieved by adopting either the method based solely on or the method based only on the suppression of carbides that are likely to be coarsened. For this reason, the new parameter | index which integrated the influence of the carbide | carbonized_material and the influence of an austenite crystal grain size is desired so that the steel excellent in oil-well environment use or a steel pipe can be manufactured at low cost. And even when the austenite crystal grains are relatively large, if a means capable of ensuring the above-mentioned performance is obtained, the significance thereof is great.
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。 As described above, when the toughness is increased only by the method of making the austenite crystal grains finer, the hardenability of the steel material is lowered. When the hardenability is lowered, the performance required for the steel material cannot be obtained. Therefore, in order to compensate for the reduced hardenability, it is necessary to add an expensive element to ensure a predetermined performance. Therefore, in the method using only the austenite crystal grain refinement, an expensive additive element is increased, and the manufacturing cost of the steel material as a whole increases.
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。 Furthermore, even if an oil well steel pipe is manufactured using a relatively coarse steel material, it becomes difficult to ensure a predetermined toughness. In order to ensure toughness, it is effective to control the carbides precipitated at the grain boundaries and strengthen the austenite crystal grain boundaries themselves, but ignore the influence of the grain size of the austenite crystals. If emphasis is placed only on shape control, the hardenability of the steel material is lowered, and as a result, high toughness cannot be obtained.
このため、炭化物の影響とオーステナイト結晶粒度の影響の両方を最適に組み合わせた指標の導出、およびその指標を活用することによる高靱性油井用鋼管の開発、特に、オーステナイト結晶粒径が比較的大きいままで高靭性を実現できる油井用鋼管の開発が望まれている。 Therefore, the derivation of an index that optimally combines both the influence of carbide and the influence of austenite grain size, and the development of a high toughness oil well steel pipe by utilizing the index, especially the austenite grain size remains relatively large The development of oil well steel pipes that can achieve high toughness is desired.
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を提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a steel material having high toughness that is optimal for a steel pipe used in an oil well environment that will become more severe in the future.
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。 In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors have melted steel materials of various chemical compositions, changed the heat treatment conditions to change the austenite grain size, and the relationship between the precipitation behavior of carbides at the grain boundaries and the component composition Furthermore, the relationship between these and toughness performance was examined.
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（ａ）〜（ｄ）の知見を得ることができた。 As described above, the larger the austenite crystal grains, the higher the quenching performance of the steel material. However, coarse carbides are likely to precipitate at the austenite grain boundaries, and the toughness deteriorates with the precipitation of coarse carbides. If the austenite crystal grains are reduced, the toughness is improved. However, as a result of further detailed investigation, precipitation of coarse carbides is suppressed by reducing the austenite crystal grain boundaries in addition to the above effects. This is because the precipitation is dispersed and the individual carbides are reduced by increasing the places where the carbides are likely to precipitate. Furthermore, the following findings (a) to (d) were obtained for the characteristics of carbides at the austenite grain boundaries.
（ａ）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。 (A) When the composition of the carbide precipitated at the austenite grain boundary was analyzed, the elements in the carbide were mainly Fe, Cr, Mo and the like in addition to C. And it was confirmed that the carbide precipitated in the grains was smaller than the carbide precipitated in the austenite grain boundaries. Therefore, when the composition of the carbide precipitated in the grains is examined, the carbide hardly contains Mo.
（ｂ）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。 (B) Generally, the shape of the carbide (whether acicular or spherical) is determined by the tempering temperature. However, if the amount of Mo in the carbide is different, the shape of the carbide is different even at the same tempering temperature.
（ｃ）上記（ａ）および（ｂ）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。 (C) Based on the knowledge of (a) and (b) above, assuming that the amount of Mo in the carbide is a factor that affects the morphology and size of the carbide, the composition of the carbide precipitated at the austenite grain boundary is As a result of analysis, the coarser carbide has a larger amount of Mo in the carbide, and the smaller the carbide, the smaller the amount of Mo in the carbide. In other words, when the amount of Mo contained in the carbide is reduced, the coarsening of the carbide precipitated at the austenite grain boundaries can be suppressed, and the toughness of the steel material can be improved.
（ｄ）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。 (D) Further, with the change of the austenite crystal grain size, the influence of the amount of Mo in the carbide on the coarsening of the carbide also changes. For this reason, the coarse carbide | carbonized_material precipitated to an austenite crystal grain boundary can be suppressed appropriately by controlling the amount of Mo in the carbide | carbonized_material precipitated to a grain boundary according to the change of an austenite crystal grain size.
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）〜（３）の鋼材を要旨としている。 This invention is completed based on said knowledge, and makes the summary the steel materials of following (1)-(3).
（１）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：０．１０〜１．０１％、Ｍｏ：０．０１〜０．３０％、ｓｏｌ．Ａｌ：０．００１〜０．１００％、Ｂ：０．０００１〜０．００２０％およびＮ：０．００７０％以下を含有し、残部はＦｅおよび不可避不純物からなり、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］およびオーステナイト粒度番号Ｇが下記（ａ）式および（ｂ）式を満足し、降伏強度が７０３〜８０３ＭＰａであり、かつインライン熱処理により製造されたことを特徴とする鋼材である。
［Ｍｏ］≦ｅｘｐ（Ｇ−５）＋５ ・・・（ａ）
Ｇ≦５．５ ・・・（ｂ）
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。
(1) By mass%, C: 0.17 to 0.32%, Si: 0.1 to 0.5%, Mn: 0.30 to 2.0%, P: 0.030% or less, S: 0.010% or less, Cr: 0.10 to 1.01%, Mo: 0.01 to 0.30%, sol. Carbide containing Al: 0.001 to 0.100%, B: 0.0001 to 0.0020% and N: 0.0070% or less, the balance being Fe and inevitable impurities, and simultaneously precipitated at the austenite grain boundaries A steel material characterized in that the amount of Mo [Mo] and the austenite grain size number G satisfy the following formulas (a) and (b), the yield strength is 703 to 803 MPa, and the steel is manufactured by in-line heat treatment. is there.
[Mo] ≦ exp (G-5) +5 (a)
G ≦ 5.5 (b)
However, G shows the austenite particle size number by ASTM E112 method.
（２）上記（１）の鋼材では、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種以上を含ませるようにするのが望ましい。 (2) In the steel material of (1), one or two of Ti: 0.005 to 0.04%, Nb: 0.005 to 0.04%, and V: 0.03 to 0.30% It is desirable to include the above.
（３）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：０．１０〜１．０１％、Ｍｏ：０．０１〜０．３０％、ｓｏｌ．Ａｌ：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％、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、残部はＦｅおよび不可避不純物からなり、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］およびオーステナイト粒度番号Ｇが上記（ａ）式および（ｂ）式を満足し、降伏強度が７０３〜８０３ＭＰａであり、かつインライン熱処理により製造されたことを特徴とする鋼材である。 (3) As a more desirable chemical composition, in mass%, C: 0.20 to 0.28%, Si: 0.1 to 0.5%, Mn: 0.35 to 1.4%, P: 0.00. 015% or less, S: 0.005% or less, Cr: 0.10 to 1.01%, Mo: 0.01 to 0.30%, sol. Al: 0.001 to 0.050%, B: 0.0001 to 0.0020% and N: 0.0070% or less, Ti: 0.005 to 0.04%, Nb: 0.005 ~ 0.04% and V: 0.03 to 0.30% of one or more kinds, the balance being Fe and inevitable impurities, and simultaneously the amount of Mo in carbides precipitated at the austenite grain boundaries [Mo] The austenite grain size number G satisfies the above formulas (a) and (b), the yield strength is 703 to 803 MPa, and the steel is manufactured by in-line heat treatment.
本発明の鋼材は、本発明者らの得た独自の知見に基づき、オーステナイト結晶粒界に析出する炭化物中のＭｏ量およびオーステナイト粒度番号が所定の関係を満たすよう規定したことから、オーステナイト粒度番号が比較的小さい、粗粒領域であっても、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鋼材である。上記のとおり、本発明の鋼材は、オーステナイト粒度番号が小さい領域においても、優れた特性を確保できることから、インライン熱処理に特に適合した鋼材となり得る。 Based on the unique knowledge obtained by the present inventors, the steel material of the present invention is defined so that the amount of Mo in carbides precipitated in the austenite grain boundaries and the austenite grain size number satisfy a predetermined relationship. Even in the coarse-grained area, which is relatively small, we will satisfy both the cost rationalization, the improvement of production efficiency, and the energy saving of oil pipes with high toughness that will be used in the more severe oil well environment in the future. However, it is a steel material that can be produced with high efficiency. As described above, the steel material of the present invention can ensure excellent characteristics even in a region where the austenite grain size number is small, and thus can be a steel material particularly suitable for in-line heat treatment.
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。 In the present invention, the reason why the amount of Mo in the carbide precipitated in the austenite grain boundary, the chemical composition of the steel, and the manufacturing method are limited as described above will be described. First, control of the amount of Mo in carbides precipitated at the austenite crystal grain boundaries in accordance with the change in the austenite crystal grain size, which is a main feature of the present invention, will be described.
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。
1. The amount of Mo in carbides precipitated at austenite grain boundaries Usually, a method of quenching and tempering by reducing the austenite crystal grain size is used in order to provide steel with high strength and toughness. By reducing the austenite crystal grain size, the impact force applied to the individual grain boundaries is dispersed, and the overall toughness is improved. In other words, the austenite grain refinement does not strengthen the austenite grain boundaries themselves, but reduces the grain interface area facing perpendicular to the direction of the impact force load, disperses the impact force, and improves toughness. ing.
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。 The toughness of the steel material can also be improved by strengthening the austenite grain boundaries themselves. First, the grain boundaries can be strengthened by eliminating elements that segregate at the grain boundaries and weaken the grain boundaries, such as P. In order to suppress the segregation of P, it is required to minimize the P content, but it is saturated at a certain level of P content in relation to the dephosphorization cost in the steelmaking process.
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。 As another means for strengthening the austenite grain boundary itself, there is a method of controlling carbides precipitated at the austenite grain boundary. Moreover, the effect of this grain boundary strengthening method is greater than the effect of improving the toughness of the steel material by suppressing the P segregation if the coarsening of the carbide can be effectively prevented.
そこで、本発明では、オーステナイト結晶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、オーステナイト結晶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、オーステナイト結晶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。 Therefore, in the present invention, attention has been paid to the fact that high toughness can be obtained by controlling the carbide that coarsely precipitates at the austenite grain boundaries and makes the grain boundaries brittle. That is, when coarse carbides precipitate at the austenite grain boundaries or when carbides aggregate and precipitate, the toughness deteriorates, but when relatively small carbides precipitate at the austenite grain boundaries, the toughness becomes good.
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。 Next, attention was paid to the fact that the carbide precipitation form can be controlled by controlling the amount of Mo in the carbide precipitated in the austenite grain boundaries to an optimum content, and as a result, a steel material having high toughness can be obtained. That is, the smaller the amount of Mo in the carbide precipitated in the austenite grain boundaries, the more coarse the carbide can be prevented, but the larger the amount of Mo in the carbide promotes the coarsening of the carbide.
図１は、オーステナイト粒度番号（ＡＳＴＭ Ｅ １１２法による）とオーステナイト結晶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結晶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。
FIG. 1 is a graph showing the relationship between the austenite grain size number (according to
図１から明らかなように、オーステナイト結晶粒界に析出する炭化物中のＭｏ量を少なくすれば、オーステナイト結晶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、オーステナイト結晶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、オーステナイト結晶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。 As is clear from FIG. 1, if the amount of Mo in the carbides precipitated at the austenite grain boundaries is reduced, a high toughness region where the transition temperature satisfies −30 ° C. or less even if the austenite grain size is coarse. Can appear. This means that by reducing the amount of Mo in the carbides precipitated at the austenite grain boundaries, coarsening and condensation of the carbides precipitated at the austenite grain boundaries can be prevented. It means that the critical value of the amount of Mo affecting toughness characteristics varies depending on the austenite crystal grain size.
図１に示す結果から、高靱性を要件として、炭化物中のＭｏ量［Ｍｏ］およびオーステナイト粒度番号Ｇが下記（ａ）式を満足すればよいことが分かる。
［Ｍｏ］≦ｅｘｐ（Ｇ−５）＋５ ・・・（ａ）
そして本発明においては、インライン熱処理では一般に粗粒化しやすいという背景を踏まえ、特に、オーステナイト結晶粒度が比較的小さい領域においても、高い靭性を確保しようとする狙いに基づき、オーステナイト結晶粒度を下記（ｂ）式により表される範囲に限定する。
Ｇ≦５．５ ・・・（ｂ）
From the results shown in FIG. 1, it is understood that the Mo amount [Mo] in the carbide and the austenite grain size number G should satisfy the following formula (a), with high toughness as a requirement.
[Mo] ≦ exp (G-5) +5 (a)
In the present invention, based on the background that in-line heat treatment is generally easy to coarsen, the austenite crystal grain size is set to the following (b) based on the aim of ensuring high toughness even in a region where the austenite crystal grain size is relatively small. ) Is limited to the range represented by the formula.
G ≦ 5.5 (b)
オーステナイト結晶粒径は、主に焼入れ条件により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、鋼中における添加元素の拡散速度が変化し、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。 The austenite grain size can be controlled mainly by quenching conditions, and can be controlled by adding one or more of Al, Ti, and Nb. On the other hand, an element that controls the amount of Mo in the carbide is to adjust quenching conditions, tempering conditions, and additive elements (particularly, Mo). By changing the quenching conditions, the degree of re-solution and uniform dispersion of the carbide changes, and the amount of Mo in the carbide changes. Further, by changing the tempering conditions, the diffusion rate of the additive element in the steel changes, and as a result, the amount of Mo in the carbide changes. On the other hand, the amount of Mo in the carbide is greatly influenced by the additive element, particularly the amount of Mo added and the carbide-forming element. Thus, in order to control the austenite crystal grain size and the amount of Mo in the carbide, it is necessary to appropriately adjust the heat treatment conditions and additive elements.
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（Energy Dispersive X-ray spectrometer）と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。 In the present invention, the amount of Mo in carbides precipitated at the austenite grain boundaries can be examined by using a combination of the extraction replica method and EDX (Energy Dispersive X-ray spectrometer). Here, EDX is a kind of fluorescent X-ray analyzer, and is a method of performing electrical spectroscopy using a semiconductor detector.
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、オーステナイト結晶粒界を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。 The method for measuring the amount of Mo in carbides precipitated at the austenite grain boundaries in the present invention is to measure five austenitic field boundaries at a magnification of 2000 times at austenite grain boundaries and select three large carbides within one field of view. The average value of 15 pieces in total was taken as the amount of Mo in the carbide.
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。
2. Chemical composition The chemical composition effective for the steel material of the present invention will be described below. Here, the chemical composition indicates mass%.
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０．１７〜０．３２％とした。望ましくは０．２０〜０．２８％である。
C: 0.17 to 0.32%
C is contained for the purpose of securing the strength of the steel material. However, if the content is less than 0.17%, the hardenability is insufficient and it is difficult to ensure the required strength. And in order to ensure hardenability, it is necessary to add a large amount of expensive additives. Moreover, when it contains exceeding 0.32%, a burning crack will generate | occur | produce and toughness will deteriorate at the same time. Therefore, the C content is set to 0.17 to 0.32%. Desirably, it is 0.20 to 0.28%.
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。
Si: 0.1 to 0.5%
Si is an element effective as a deoxidizing element, and at the same time, increases temper softening resistance and contributes to an increase in strength. In order to exhibit the effect as a deoxidizing element, it is necessary to contain 0.1% or more, and when it exceeds 0.5%, the hot workability is remarkably deteriorated. For this reason, Si content was 0.1 to 0.5%.
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％とした。望ましい含有量は０．３５〜１．４％である。
Mn: 0.30 to 2.0%
Mn is an effective component for improving the hardenability of steel and ensuring the strength of the steel material. However, if the content is less than 0.30%, the hardenability is insufficient, and both strength and toughness are lowered. On the other hand, if the content exceeds 2.0%, segregation in the thickness direction of the steel material is increased and the toughness is decreased. Therefore, the Mn content is set to 0.30 to 2.0%. A desirable content is 0.35 to 1.4%.
Ｐ：０．０３０％以下
Ｐは、結晶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れるが、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、結晶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。望ましくは０．０１５％以下である。
P: 0.030% or less P is required to minimize its content in order to strengthen the grain boundaries, but is unavoidably present in steel as an impurity. The dephosphorization process has been developed and improved in the past, but if the content of P is reduced, the time required for the process becomes longer, so that the temperature of the molten steel decreases, and the subsequent process becomes difficult to operate. From, it is saturated at a certain level of content. If the P content exceeds 0.030%, segregation occurs at the crystal grain boundaries and the toughness is lowered, so the content is set to 0.030% or less. Desirably, it is 0.015% or less.
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０．０１０％以下とする。望ましくは、０．００５％以下である。
S: 0.010% or less S is unavoidably present in the steel and combines with Mn or Ca to form inclusions of MnS or CaS. These inclusions are stretched by hot rolling, and the shape of the inclusions becomes needle-like, so that stress concentration tends to occur and adversely affects toughness. Therefore, the S content is 0.010% or less. Desirably, it is 0.005% or less.
Ｃｒ：０．１０〜１．０１％
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１．０１％とする。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、望ましくは０．１５％とする。
Cr: 0.10 to 1.01%
Cr is an element that improves hardenability and at the same time is an effective element that exhibits an action to prevent carbon dioxide corrosion in a carbon dioxide environment. However, if added excessively, coarse carbides are easily formed, so the upper limit of the content is 1.01%. On the other hand, in order to exhibit the effect of Cr addition, the lower limit of the content is 0.10%, preferably 0.15%.
Ｍｏ：０．０１〜０．３０％
Ｍｏはオーステナイト結晶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による結晶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、０．０１〜０．３０％とする。
Mo: 0.01-0.30%
Mo is an element useful for steel materials having a high toughness, which exerts an effect of controlling the precipitation form of carbides precipitated at austenite grain boundaries. Further, it has an effect of enhancing hardenability and an effect of suppressing embrittlement of grain boundaries due to P. In order to exert these actions, the content is made 0.01 to 0.30%.
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。
sol. Al: 0.001 to 0.100%
Al is an element necessary for deoxidation. If the Al content is less than 0.001%, the steel quality deteriorates due to insufficient deoxidation, and the toughness decreases. On the other hand, if it is contained excessively, the toughness is reduced, so the upper limit is made 0.100%, preferably 0.050%.
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、これらの効果が発揮できず、一方、０．００２０％を超えて含有させると、結晶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。
B: 0.0001 to 0.0020%
When B is added, the hardenability can be remarkably improved, so that the amount of expensive alloy element added can be reduced. In particular, even when a thick steel pipe is manufactured, the target strength can be easily secured by adding B. However, if the content is less than 0.0001%, these effects cannot be exhibited. On the other hand, if the content exceeds 0.0020%, carbonitrides are likely to precipitate at the grain boundaries, which causes toughness deterioration. Become. For this reason, B content shall be 0.0001 to 0.0020%.
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０．００７０％以下とする。
N: 0.0070% or less N is inevitably present in the steel and forms a nitride by combining with Al, Ti, or Nb. In particular, if a large amount of AlN or TiN precipitates, the toughness is adversely affected, so the content is made 0.0070% or less.
Ｔｉ：０．００５〜０．０４％
Ｔｉは、添加してもしなくてもよい。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、０．００５％以上を含有させる。しかし、含有量が０．０４％を超えると、Ｃと結合してＴｉＣの生成量が増加し、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。
Ti: 0.005-0.04%
Ti may or may not be added. When added, TiN nitrides are formed, which is effective in preventing crystal coarsening at high temperatures. In order to acquire this effect, when adding, 0.005% or more is contained. However, if the content exceeds 0.04%, it combines with C to increase the amount of TiC produced, which adversely affects toughness. Therefore, when adding Ti, the content is made 0.04% or less.
Ｎｂ：０．００５〜０．０４％
Ｎｂは、添加してもしなくてもよい。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％以上を含有させる。しかし、過剰に含有させると、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。
Nb: 0.005 to 0.04%
Nb may or may not be added. When added, NbC and NbN carbonitrides are formed, which is effective in preventing crystal coarsening at high temperatures. In order to acquire this effect, when adding, 0.005% or more is contained. However, if excessively contained, it causes segregation and elongated grains, so the content is made 0.04% or less.
Ｖ：０．０３〜０．３０％
Ｖは、添加してもしなくてもよい。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％以上を含有させる。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。
V: 0.03-0.30%
V may or may not be added. When added, VC carbide is formed, which contributes to increasing the strength of the steel material. In order to acquire this effect, when adding, 0.03% or more is contained. However, if the content exceeds 0.30%, the toughness is adversely affected. For this reason, when adding V, the content shall be 0.30% or less.
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、オーステナイト結晶粒界に析出する炭化物中のＭｏ量［Ｍｏ］およびオーステナイト粒度番号Ｇが前記（ａ）式および（ｂ）式を満足する工程を採用する。ここで、焼入、焼戻工程としては、インライン熱処理プロセスを採用する。
3. Production Method In the production method of the present invention, the amount of Mo in the carbide [Mo] in the carbides precipitated in the austenite grain boundaries after rolling the steel material containing the above chemical composition as a raw material, quenching from the austenite region, and then tempering. A process in which the austenite grain size number G satisfies the above formulas (a) and (b) is adopted. Here, an in-line heat treatment process is adopted as the quenching and tempering step.
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。
In the in-line heat treatment process, in order to maintain the austenite state after rolling, 900
Soaking in water in the temperature range of ℃ ~ 1000 ℃ or water quenching, or after quenching and water quenching in the austenitic state, after that the steel material has a predetermined strength, such as yield strength near 758 MPa Temper.
なお、本明細書において、比較のために記載する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７５８ＭＰａ近傍になるような条件で焼戻しを行った。 In this specification, in the off-line heat treatment process described for comparison, after rolling, the steel pipe is once air-cooled to room temperature, then reheated in a quenching furnace, and soaked in a temperature range of 900 ° C to 1000 ° C. Then, water quenching was performed, and then the steel material was tempered under a condition such that the steel material had a predetermined strength, for example, a yield strength of around 758 MPa.
本発明の鋼材の効果を確認するため、表１に示す１２種の鋼種を準備した。 In order to confirm the effect of the steel material of the present invention, 12 steel types shown in Table 1 were prepared.
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。そして表１の鋼種Ａ、Ｃ、Ｅ〜Ｇ、ＩおよびＪについては引き続いて、製管された鋼管にインライン熱処理プロセスを施した。参考例として比較するために、その他の鋼種（すなわち鋼種Ｂ、Ｄ、Ｈ、ＫおよびＬ）、ならびに鋼種Ａ、Ｃ、Ｅ〜ＧおよびＩについてはオフライン熱処理プロセスを施した。 A billet made of each of the above steel types and having an outer diameter of 225 mmφ was prepared and heated to 1250 ° C., and then a seamless steel pipe having an outer diameter of 244.5 mm and a wall thickness of 13.8 mm was manufactured by the Mannesmann-Mandrel pipe manufacturing method. . And about the steel types A, C, EG, I, and J of Table 1, the in-line heat treatment process was subsequently given to the steel pipe produced. For comparison as a reference example, the other steel types (namely, steel types B, D, H, K and L), and steel types A, C, E to G and I were subjected to an offline heat treatment process.
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。 In the in-line heat treatment process, to maintain the austenite state after pipe-rolling, it is soaked under various temperature conditions, water-quenched, and then tempered for 30 minutes at a temperature at which the yield strength of the steel pipe is near 758 MPa. Carried out. In order to investigate the influence of the austenite particle size, the austenite holding temperature before quenching was changed in the range of 900 ° C to 980 ° C.
一方、参考例としての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も、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。 On the other hand, in the off-line heat treatment process as a reference example, after pipe-rolling under the same conditions, the steel pipe is once air-cooled to room temperature, then reheated in a quenching furnace, soaked at various temperature conditions, and then water-quenched Then, a tempering treatment was performed for 30 minutes at a temperature at which the yield strength became around 758 MPa. Similarly, in the off-line heat treatment, the austenite holding temperature before quenching was changed in the range of 900 ° C to 980 ° C. Further, in order to obtain a finer austenite particle size, a twice-quenching and tempering treatment was also performed.
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。 From the longitudinal direction of the steel pipe that has undergone the above heat treatment process, an arc-shaped tensile test piece specified in API 5CT and a full-size Charpy test piece specified in ASTM A370 are collected, and a tensile test and a Charpy impact test are performed. The yield strength (MPa) and fracture surface transition temperature (° C) were measured.
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。
At the same time, a particle size measurement specimen and a micro observation specimen are collected, and the replica of the austenite crystal grain size (the grain size number specified in the
表２またはこれを図示した図１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、靱性に影響を及ぼしにくく、オーステナイト粒度番号が８を超える領域ではほぼ安定した靭性を確保できるが、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。 As can be seen from Table 2 or the results of FIG. 1 illustrating this, if the austenite crystal grain size is small, even if the amount of Mo in the carbide precipitated at the austenite grain boundary is large, it is difficult to affect toughness. In the region where the austenite grain size number exceeds 8, almost stable toughness can be secured, but as the austenite crystal grain size increases, the toughness deteriorates as the amount of Mo in the carbide increases. As described above, this is because when the amount of Mo in the carbide precipitated at the grain boundary increases, the carbide tends to become coarse, and the austenite grain boundary becomes brittle.
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量およびオーステナイト粒度番号の範囲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。 In addition, the in-line heat treatment process that saves energy and has high production efficiency tends to have a larger grain size of austenite crystals than the offline heat treatment process. Therefore, in the conventional method, it is difficult to satisfy the high toughness by adopting the in-line heat treatment process. However, in the present invention, high toughness can be achieved even when an in-line heat treatment process is adopted by regulating the range of the amount of Mo in the carbides precipitated at the austenite grain boundaries and the range of the austenite grain size number.
本発明の鋼材は、オーステナイト結晶粒界に析出する炭化物中のＭｏ量およびオーステナイト粒度番号が所定の関係を満たすよう規定したことから、オーステナイト粒度番号が比較的小さい、粗粒領域であっても、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鋼材である。したがって、本発明の鋼材は、高価な添加元素の含有量を高めることなく、しかもインライン熱処理により製造できる高靭性鋼材として、特に油井用鋼管分野において広範に利用できる。 The steel material of the present invention has been defined so that the amount of Mo in the carbides precipitated in the austenite grain boundaries and the austenite grain size number satisfy a predetermined relationship, so that the austenite grain size number is relatively small, even in the coarse grain region, It is a steel material that can be produced with high efficiency while satisfying all of cost rationalization, improvement of production efficiency, and energy saving, as well as high toughness oil well steel pipes that will be used in the severer oil well environment in the future. . Therefore, the steel material of the present invention can be widely used as a high toughness steel material that can be produced by in-line heat treatment without increasing the content of expensive additive elements, particularly in the field of steel pipes for oil wells.
Claims (3)
［Ｍｏ］≦ｅｘｐ（Ｇ−５）＋５ ・・・（ａ）
Ｇ≦５．５ ・・・（ｂ）
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。 In mass%, C: 0.17 to 0.32%, Si: 0.1 to 0.5%, Mn: 0.30 to 2.0%, P: 0.030% or less, S: 0.010 % Or less, Cr: 0.10 to 1.01%, Mo: 0.01 to 0.30%, sol. Carbide containing Al: 0.001 to 0.100%, B: 0.0001 to 0.0020% and N: 0.0070% or less, the balance being Fe and inevitable impurities, and simultaneously precipitated at the austenite grain boundaries A steel material characterized in that the Mo amount [Mo] and the austenite grain size number G satisfy the following formulas (a) and (b), the yield strength is 703 to 803 MPa, and the steel material is manufactured by in-line heat treatment.
[Mo] ≦ exp (G-5) +5 (a)
G ≦ 5.5 (b)
However, G shows the austenite particle size number by ASTM E112 method.
［Ｍｏ］≦ｅｘｐ（Ｇ−５）＋５ ・・・（ａ）
Ｇ≦５．５ ・・・（ｂ）
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。 In mass%, C: 0.17 to 0.32%, Si: 0.1 to 0.5%, Mn: 0.30 to 2.0%, P: 0.030% or less, S: 0.010 % Or less, Cr: 0.10 to 1.01%, Mo: 0.01 to 0.30%, sol. Al: 0.001 to 0.100%, B: 0.0001 to 0.0020% and N: 0.0070% or less, Ti: 0.005 to 0.04%, Nb: 0.005 ~ 0.04% and V: 0.03 to 0.30% of one kind or two or more kinds, the balance being Fe and inevitable impurities, and the amount of Mo in the carbides simultaneously precipitated at the austenite grain boundaries [Mo] And austenite grain size number G satisfies the following formulas (a) and (b), the yield strength is 703 to 803 MPa, and the steel is manufactured by in-line heat treatment.
[Mo] ≦ exp (G-5) +5 (a)
G ≦ 5.5 (b)
However, G shows the austenite particle size number by ASTM E112 method.
［Ｍｏ］≦ｅｘｐ（Ｇ−５）＋５ ・・・（ａ）
Ｇ≦５．５ ・・・（ｂ）
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。 In mass%, C: 0.20 to 0.28%, Si: 0.1 to 0.5%, Mn: 0.35 to 1.4%, P: 0.015% or less, S: 0.005 % Or less, Cr: 0.10 to 1.01%, Mo: 0.01 to 0.30%, sol. Al: 0.001 to 0.050%, B: 0.0001 to 0.0020% and N: 0.0070% or less, Ti: 0.005 to 0.04%, Nb: 0.005 ~ 0.04% and V: 0.03 to 0.30% of one or more kinds, the balance being Fe and inevitable impurities, and simultaneously the amount of Mo in carbides precipitated at the austenite grain boundaries [Mo] And austenite grain size number G satisfies the following formulas (a) and (b), the yield strength is 703 to 803 MPa, and the steel is manufactured by in-line heat treatment.
[Mo] ≦ exp (G-5) +5 (a)
G ≦ 5.5 (b)
However, G shows the austenite particle size number by ASTM E112 method.
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