JP6372070B2 - フェライト・マルテンサイト二相鋼及び油井用鋼管 - Google Patents
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Description
本発明は、二相鋼及び鋼管に関し、さらに詳しくは、フェライト・マルテンサイト二相鋼及び油井用鋼管に関する。
本明細書において、「油井用鋼管」は、例えば、ＪＩＳ Ｇ ０２０３（２００９）の番号３５１４の定義欄に記載されている油井用鋼管を意味する。具体的には、「油井用鋼管」は、油井又はガス井の掘削や、原油又は天然ガスの採取等に用いられるケーシング、チュービング、ドリルパイプの総称を意味する。
腐食性の低い井戸（油井及びガス井）の枯渇に伴い、腐食性の高い井戸（以下、高腐食性井戸という）の開発が進められている。高腐食性井戸は、腐食性物質を多く含有する。腐食性物質はたとえば、硫化水素及び炭酸ガス等の腐食性ガス、及び、塩化物イオン等である。硫化水素は、高強度の低合金鋼の油井用鋼管において、硫化物応力割れ（Ｓｕｌｆｉｄｅ Ｓｔｒｅｓｓ Ｃｒａｃｋｉｎｇ、以下「ＳＳＣ」という。）を引き起こす。そのため、油井用鋼管に製造される鋼には、高い耐ＳＳＣ性が要求される。
一般的に、炭酸ガス及び塩化物イオンを含む井戸では、１３％Ｃｒ鋼を用いた油井用鋼管が使用されている。１３％Ｃｒ鋼は、１３％程度のＣｒを含有するマルテンサイト系ステンレス鋼であり、耐炭酸ガス腐食性に優れる。しかしながら、高腐食性井戸では、１３％Ｃｒ鋼にＳＳＣが発生しやすい。
そこで、高腐食性井戸に用いられる油井用鋼管には、Ｓｕｐｅｒ １３Ｃｒ鋼、オーステナイト・フェライト系二相ステンレス鋼（以下、ＤＰ鋼という）、及びオーステナイト系高合金鋼が使用されている。Ｓｕｐｅｒ １３Ｃｒ鋼は、１３％Ｃｒ鋼よりも耐ＳＳＣ性に優れる。
しかしながら、Ｓｕｐｅｒ １３Ｃｒ鋼であっても、耐ＳＳＣ性が十分でない場合がある。さらに、「ＤＰ鋼」やオーステナイト系の高合金鋼は高価である。
高腐食性井戸において、高価なＤＰ鋼及びオーステナイト系高合金鋼に代えて、耐ＳＳＣ性に優れた安価な鋼（炭素鋼又は低合金鋼）を油井用鋼管に使用することも考えられる。しかしながらこの場合、油井用鋼管を短期間で取り替えたり、油井用鋼管の内面をコーティングして油井用鋼管における腐食速度を低減しなければならない。
したがって、高腐食性井戸において、優れた耐炭酸ガス腐食性（耐食性）及び耐ＳＳＣ性を有し、ＤＰ鋼及びオーステナイト系高合金鋼と異なる化学組成を有する安価な鋼が要求されている。近年、中近東等で比較的浅い高腐食性井戸が発見されており、上述の鋼の要求は高まっている。
特開平７−７６７２２号公報（特許文献１）及び特開２０００−６３９９４号公報（特許文献２）は、耐炭酸ガス腐食性及び耐ＳＳＣ性に優れた鋼を提案する。
特許文献１では、マルテンサイト系ステンレス鋼の製造方法に関して、次の事項が記載されている。初めに、質量％で、Ｃ：０．１〜０．３％、Ｓｉ：＜１．０％、Ｍｎ：０．１〜１．０％、Ｐ：＜０．０２％、Ｓ：＜０．０１％、Ｃｒ：１１〜１４％、Ｎｉ：＜０．５％を含有し、任意元素としてさらに、Ｎ：０．０１〜０．１％、Ｃａ、Ｍｇ、ＲＥＭの１種又は２種以上をそれぞれ０．００１〜０．３％を含有し、マルテンサイト主体の鋼を準備する。鋼をＡc3点とＡc1点との間の温度に加熱する。その後、鋼をＭｓ点以下まで冷却する。その後、鋼をＡc1点以下の温度に加熱し、常温まで冷却する。この製造方法により、マルテンサイト系ステンレス鋼の降伏強度は５０７ＭＰａ以下になり、マルテンサイト系ステンレス鋼の耐ＳＳＣ性が高まる、と特許文献１には記載されている。
特許文献１には、次の事項も記載されている。従来の鋼の熱処理方法（焼準及び焼戻しを実施する方法）では、耐力として５５〜６０ｋｇｆ／ｍｍ2（５３９〜５８８ＭＰａ、７８．２〜８５．３ｋｓｉ）以下にすることができない。そのため、従来の熱処理方法で製造された鋼の耐ＳＳＣ性が低い。
特許文献２では、油井用Ｃｒ含有鋼管に関して、次の事項が記載されている。油井用Ｃｒ含有鋼管は、質量％で、Ｃ：０．３０％以下、Ｓｉ：０．６０％以下、Ｍｎ：０．３０〜１．５０％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．００５％以下、Ｃｒ：３．０〜９．０％、Ａｌ：０．００５％以下を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる。油井用Ｃｒ含有鋼管はさらに、８０ｋｓｉ級（５５２〜６６５ＭＰａ）の降伏強度を有する。
櫛田隆弘、工藤赳夫、「水素拡散及び水素吸蔵挙動の観点からの鉄鋼材料の水素脆化についての考察」、まてりあ、社団法人日本金属学会、１９９４年、第３３巻、第７号、ｐ．９３２−９３９
しかしながら、特許文献１に記載の製造方法で製造されたマルテンサイト系ステンレス鋼管であっても、耐ＳＳＣ性が低い場合がある。さらに、特許文献１に開示された化学組成の鋼を素材として、従来の熱処理を実施した場合、熱処理後の鋼の耐ＳＳＣ性は低い。
特許文献２の油井用Ｃｒ含有鋼管の降伏強度は高い。そのため、耐ＳＳＣ性が低い場合がある。
本発明の目的は、優れた耐炭酸ガス腐食性（耐食性）及び優れた耐ＳＳＣ性を有するフェライト・マルテンサイト二相鋼を提供することである。
本発明によるフェライト・マルテンサイト二相鋼は、質量％で、Ｓｉ：０．０５〜３．０％、Ｍｎ：０．１〜１．０％、ｓｏｌ．Ａｌ：０．００５〜０．１０％、Ｖ：１．０％以下、Ｃｒ：８〜１５％、Ｍｏ：０〜２％、Ｗ：０〜４％、Ｎｂ：０〜１％、Ｔｉ：０〜１％、Ｚｒ：０〜１％、Ｂ：０〜０．０１％、Ｃａ：０〜０．０１％、Ｍｇ：０〜０．０１％、及び、希土類元素（ＲＥＭ）：０〜０．５０％を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなり、不純物中、Ｃ：０．０７％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｎ：０．１％以下、Ｎｉ：０．５％以下、及び、Ｏ：０．０１％以下であり、式（１）により定義される有効Ｃｒ量が８％以上である化学組成と、体積率で５〜７０％のフェライトと、体積率で０〜５％のオーステナイトとを含有し、残部が焼戻しマルテンサイトからなり、フェライトの結晶粒の平均アスペクト比が２．０以上であるミクロ組織と、３７９〜５５２ＭＰａ未満の降伏強度とを備える。
有効Ｃｒ量＝Ｃｒ−１６．６×Ｃ （１）
ここで、式（１）中の元素記号には、対応する元素含有量（質量％）が代入される。
有効Ｃｒ量＝Ｃｒ−１６．６×Ｃ （１）
ここで、式（１）中の元素記号には、対応する元素含有量（質量％）が代入される。
本発明のフェライト・マルテンサイト二相鋼は、優れた耐炭酸ガス腐食性及び耐ＳＳＣ性を有する。
以下、本発明の実施の形態を詳しく説明する。
本発明者らは、鋼の耐炭酸ガス腐食性及び耐ＳＳＣ性について調査及び検討を行い、次の知見を得た。
（Ａ）鋼の耐炭酸ガス腐食性を高めるには、母相内の固溶Ｃｒが有効である。Ｃ及び１５％以下のＣｒを含有する鋼では、式（１）で定義される有効Ｃｒ量（％）が、１００℃程度の高温の炭酸ガスを含む環境での耐炭酸ガス腐食性の指標となる。
有効Ｃｒ量＝Ｃｒ−１６．６×Ｃ （１）
式（１）中の元素記号には、対応する元素の含有量（質量％）が代入される。
有効Ｃｒ量＝Ｃｒ−１６．６×Ｃ （１）
式（１）中の元素記号には、対応する元素の含有量（質量％）が代入される。
母相中の固溶Ｃｒ含有量は、Ｃｒ炭化物（Ｃｒ23Ｃ6）の生成により減少する。有効Ｃｒ量は、耐炭酸ガス腐食性に実質的に有効なＣｒ含有量を意味する。
式（１）で定義される有効Ｃｒ量が８．０％以上であれば、１００℃程度の高温の高腐食性井戸（油井及びガス井）において、優れた耐炭酸ガス腐食性が得られる。
（Ｂ）Ｃｒ鋼及び１３％Ｃｒ鋼に代表されるマルテンサイト系ステンレス鋼の耐ＳＳＣ性は、炭素鋼及び低合金鋼に比べて低い。その理由は次のとおりと考えられる。
Ｆｅ以外のＣｒ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｍｏ等の固溶合金元素は、鋼の水素拡散係数Ｄを小さくする。水素拡散係数Ｄ（ｍ2／ｓ）は、鋼中の水素の拡散のしやすさを示す指標である。水素拡散係数Ｄが小さくなれば、硫化水素を含有する環境において、鋼の吸蔵水素量が増加し、ＳＳＣが生じやすくなる。鋼は、環境に応じて、水素拡散係数Ｄの逆数（１／Ｄ）に比例した水素量を含有する。この知見は、非特許文献１に開示されている。
要するに、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ及びＭｏ等の固溶合金元素の含有量が高いほど、鋼中に多量の水素が吸蔵され、水素脆化が起こりやすくなる。したがって、８．０％以上の有効Ｃｒ量を含有する鋼の耐ＳＳＣ性は、低くなる可能性がある。
（Ｃ）しかしながら、８．０％以上の有効Ｃｒ量を含有する鋼のミクロ組織が、硬化相であるマルテンサイトだけでなく、軟化相であるフェライトを体積率で５％以上含有すれば、優れた耐炭酸ガス腐食性だけでなく、優れた耐ＳＳＣ性も得られる。フェライトは軟化相であるため、鋼の降伏強度を低下する。降伏強度が低下すれば、ＳＳＣ感受性が低下する。そのため、優れた耐ＳＳＣ性が得られる。さらに、フェライトの体積率が７０％以下であれば、油井用鋼管として必要な３７９ＭＰａ以上の降伏強度も得られる。
（Ｄ）鋼のミクロ組織がマルテンサイトとフェライトとを含有する場合、上述のとおり、ミクロ組織は硬化相（マルテンサイト）と軟化相（フェライト）との混合組織となる。そのため、混合組織に起因したＳＳＣが発生し得る。しかしながら、鋼中のフェライトの結晶粒の平均アスペクト比が２．０以上であれば、耐ＳＳＣ性が高まる。平均アスペクト比が２．０以上である場合、フェライトは鋼中で延在する。この場合、仮にＳＳＣが発生しても、延在したフェライトがＳＳＣの伝播を抑制する。そのため、耐ＳＳＣ性が高まる。
以上の知見に基づいて完成した本発明によるフェライト・マルテンサイト二相鋼は、質量％で、Ｓｉ：０．０５〜３．０％、Ｍｎ：０．１〜１．０％、ｓｏｌ．Ａｌ：０．００５〜０．１０％、Ｖ：１．０％以下、Ｃｒ：８〜１５％、Ｍｏ：０〜２％、Ｗ：０〜４％、Ｎｂ：０〜１％、Ｔｉ：０〜１％、Ｚｒ：０〜１％、Ｂ：０〜０．０１％、Ｃａ：０〜０．０１％、Ｍｇ：０〜０．０１％、及び、希土類元素（ＲＥＭ）：０〜０．５０％を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなり、不純物中、Ｃ：０．０７％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｎ：０．１％以下、Ｎｉ：０．５％以下、及び、Ｏ：０．０１％以下であり、式（１）により定義される有効Ｃｒ量が８％以上である化学組成と、体積率で５〜７０％のフェライトと、体積率で０〜５％のオーステナイトとを含有し、残部が焼戻しマルテンサイトからなり、フェライトの結晶粒の平均アスペクト比が２．０以上であるミクロ組織と、３７９〜５５２ＭＰａ未満の降伏強度とを備える。
有効Ｃｒ量＝Ｃｒ−１６．６×Ｃ （１）
ここで、式（１）中の元素記号には、対応する元素含有量（質量％）が代入される。
有効Ｃｒ量＝Ｃｒ−１６．６×Ｃ （１）
ここで、式（１）中の元素記号には、対応する元素含有量（質量％）が代入される。
上記フェライト・マルテンサイト二相鋼の化学組成は、Ｍｏ：０．０５〜２％、及び、Ｗ：０．１〜４％からなる群から選択される１種又は２種を含有してもよい。
上記フェライト・マルテンサイト二相鋼の化学組成は、Ｎｂ：０．０１〜１％、Ｔｉ：０．０１〜１％、及び、Ｚｒ：０．０１〜１％からなる群から選択される１種又は２種以上を含有してもよい。
上記フェライト・マルテンサイト二相鋼の化学組成は、Ｂ：０．０００３〜０．０１％を含有してもよい。
上記フェライト・マルテンサイト二相鋼の化学組成は、Ｃａ：０．０００１〜０．０１％、Ｍｇ：０．０００１〜０．０１％、及び、ＲＥＭ：０．０００１〜０．５０％からなる群から選択される１種又は２種以上を含有してもよい。
本発明による油井用鋼管は上述のフェライト・マルテンサイト二相鋼を用いて製造される。
以下、本発明によるフェライト・マルテンサイト二相鋼について詳述する。各元素の含有量の「％」は、「質量％」を意味する。
［化学組成］
本発明によるフェライト・マルテンサイト二相鋼の化学組成は、次の元素を含有する。
本発明によるフェライト・マルテンサイト二相鋼の化学組成は、次の元素を含有する。
Ｓｉ：０．０５〜３．０％
シリコン（Ｓｉ）は、鋼を脱酸する。Ｓｉはさらに、フェライトの生成を促進する。Ｓｉ含有量が低すぎれば、これらの効果が得られない。一方、Ｓｉ含有量が高すぎれば、これらの効果が飽和する。Ｓｉ含有量が高すぎればさらに、鋼の靱性が低下する。したがって、Ｓｉ含有量は０．０５〜３．０％である。Ｓｉ含有量の好ましい下限は０．１０％であり、さらに好ましくは０．１５％であり、さらに好ましくは０．２０％である。Ｓｉ含有量の好ましい上限は２．０％であり、さらに好ましくは１．０％であり、さらに好ましくは０．５％である。
シリコン（Ｓｉ）は、鋼を脱酸する。Ｓｉはさらに、フェライトの生成を促進する。Ｓｉ含有量が低すぎれば、これらの効果が得られない。一方、Ｓｉ含有量が高すぎれば、これらの効果が飽和する。Ｓｉ含有量が高すぎればさらに、鋼の靱性が低下する。したがって、Ｓｉ含有量は０．０５〜３．０％である。Ｓｉ含有量の好ましい下限は０．１０％であり、さらに好ましくは０．１５％であり、さらに好ましくは０．２０％である。Ｓｉ含有量の好ましい上限は２．０％であり、さらに好ましくは１．０％であり、さらに好ましくは０．５％である。
Ｍｎ：０．１〜１．０％
マンガン（Ｍｎ）は鋼の焼入れ性を高める。Ｍｎ含有量が低すぎれば、この効果が得られない。一方、Ｍｎ含有量が高すぎれば、Ｍｎは、Ｐ及びＳ等の不純物元素と共に、フェライトとマルテンサイトとの境界及び粒界に偏析する。この場合、耐ＳＳＣ性が低下する。Ｍｎ含有量が高すぎればさらに、介在物であるＭｎ硫化物が生成し、鋼の耐ＳＳＣ性が低下する。したがって、Ｍｎ含有量は、０．１〜１．０％である。Ｍｎ含有量の好ましい下限は０．２％であり、さらに好ましくは０．３％であり、さらに好ましくは０．４％である。Ｍｎ含有量の好ましい上限は０．８％であり、さらに好ましくは０．７％であり、さらに好ましくは０．５５％である。
マンガン（Ｍｎ）は鋼の焼入れ性を高める。Ｍｎ含有量が低すぎれば、この効果が得られない。一方、Ｍｎ含有量が高すぎれば、Ｍｎは、Ｐ及びＳ等の不純物元素と共に、フェライトとマルテンサイトとの境界及び粒界に偏析する。この場合、耐ＳＳＣ性が低下する。Ｍｎ含有量が高すぎればさらに、介在物であるＭｎ硫化物が生成し、鋼の耐ＳＳＣ性が低下する。したがって、Ｍｎ含有量は、０．１〜１．０％である。Ｍｎ含有量の好ましい下限は０．２％であり、さらに好ましくは０．３％であり、さらに好ましくは０．４％である。Ｍｎ含有量の好ましい上限は０．８％であり、さらに好ましくは０．７％であり、さらに好ましくは０．５５％である。
ｓｏｌ．Ａｌ：０．００５〜０．１０％
アルミニウム（Ａｌ）は、鋼を脱酸する。Ａｌはさらに、フェライト相の生成を促進する。Ａｌ含有量が低すぎれば、これらの効果が得られない。一方、Ａｌ含有量が高すぎれば、これらの効果が飽和する。Ａｌ含有量が高すぎればさらに、鋼の靱性が低下する。したがって、Ａｌ含有量は０．００５〜０．１０％である。Ａｌ含有量の好ましい下限は０．０１％であり、さらに好ましくは０．０１２％である。Ａｌ含有量の好ましい上限は０．０７％であり、さらに好ましくは０．０５％であり、さらに好ましくは０．０３％である。本明細書でいうＡｌ含有量は、ｓｏｌ．Ａｌ（酸可溶Ａｌ）の含有量を意味する。
アルミニウム（Ａｌ）は、鋼を脱酸する。Ａｌはさらに、フェライト相の生成を促進する。Ａｌ含有量が低すぎれば、これらの効果が得られない。一方、Ａｌ含有量が高すぎれば、これらの効果が飽和する。Ａｌ含有量が高すぎればさらに、鋼の靱性が低下する。したがって、Ａｌ含有量は０．００５〜０．１０％である。Ａｌ含有量の好ましい下限は０．０１％であり、さらに好ましくは０．０１２％である。Ａｌ含有量の好ましい上限は０．０７％であり、さらに好ましくは０．０５％であり、さらに好ましくは０．０３％である。本明細書でいうＡｌ含有量は、ｓｏｌ．Ａｌ（酸可溶Ａｌ）の含有量を意味する。
Ｖ：１．０％以下
バナジウム（Ｖ）は、不可避的に含有される。Ｖは、フェライト相の生成を促進する。一方、Ｖ含有量が高すぎれば、上記効果が飽和し、さらに、鋼の靱性が低下する。したがって、Ｖ含有量は１．０％以下である。Ｖ含有量の好ましい下限は０．００５％であり、さらに好ましくは０．００７％であり、さらに好ましくは０．０１％である。Ｖ含有量の好ましい上限は０．５％であり、さらに好ましくは０．３％であり、さらに好ましくは０．１％である。
バナジウム（Ｖ）は、不可避的に含有される。Ｖは、フェライト相の生成を促進する。一方、Ｖ含有量が高すぎれば、上記効果が飽和し、さらに、鋼の靱性が低下する。したがって、Ｖ含有量は１．０％以下である。Ｖ含有量の好ましい下限は０．００５％であり、さらに好ましくは０．００７％であり、さらに好ましくは０．０１％である。Ｖ含有量の好ましい上限は０．５％であり、さらに好ましくは０．３％であり、さらに好ましくは０．１％である。
Ｃｒ：８〜１５％
クロム（Ｃｒ）は、鋼の耐炭酸ガス腐食性を高める。Ｃｒ含有量が低すぎれば、この効果が得られない。一方、Ｃｒ含有量が高すぎれば、水素拡散係数Ｄが著しく低下し、耐ＳＳＣ性が低下する。したがって、Ｃｒ含有量は８〜１５％である。Ｃｒ含有量の好ましい下限は８．５％であり、さらに好ましくは９％であり、さらに好ましくは１０％である。Ｃｒ含有量の好ましい上限は１４％であり、さらに好ましくは１３％であり、さらに好ましくは１１．５％である。
クロム（Ｃｒ）は、鋼の耐炭酸ガス腐食性を高める。Ｃｒ含有量が低すぎれば、この効果が得られない。一方、Ｃｒ含有量が高すぎれば、水素拡散係数Ｄが著しく低下し、耐ＳＳＣ性が低下する。したがって、Ｃｒ含有量は８〜１５％である。Ｃｒ含有量の好ましい下限は８．５％であり、さらに好ましくは９％であり、さらに好ましくは１０％である。Ｃｒ含有量の好ましい上限は１４％であり、さらに好ましくは１３％であり、さらに好ましくは１１．５％である。
本発明によるフェライト・マルテンサイト二相鋼の化学組成の残部は、Ｆｅ及び不純物からなる。ここで、不純物とは、鋼材を工業的に製造する際に、原料としての鉱石、スクラップ、または製造環境などから混入されるものであって、本発明によるフェライト・マルテンサイト二相鋼に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。
上記不純物中のＣ、Ｐ、Ｓ、Ｎ、Ｎｉ、及び、Ｏの含有量は、次のとおりである。
Ｃ：０．０７％以下
炭素（Ｃ）は、不純物である。Ｃは、Ｃｒ23Ｃ6に代表される炭化物を形成する。この炭化物の形成により、鋼中の有効Ｃｒ量が低下し、鋼の耐炭酸腐食性が低下する。この炭化物はさらに、ＳＳＣの発生及び伝播の起点となりやすく、耐ＳＳＣ性を低下する。Ｃはさらに、フェライトの形成を抑制する。したがって、Ｃ含有量は０．０７％以下である。Ｃ含有量の好ましい上限は０．０５％であり、さらに好ましくは０．０４％であり、さらに好ましくは０．０３％である。Ｃ含有量はなるべく低い方が好ましい。しかしながら、脱炭コストを考慮する場合には、Ｃ含有量は０．００１％以上が好ましい。
炭素（Ｃ）は、不純物である。Ｃは、Ｃｒ23Ｃ6に代表される炭化物を形成する。この炭化物の形成により、鋼中の有効Ｃｒ量が低下し、鋼の耐炭酸腐食性が低下する。この炭化物はさらに、ＳＳＣの発生及び伝播の起点となりやすく、耐ＳＳＣ性を低下する。Ｃはさらに、フェライトの形成を抑制する。したがって、Ｃ含有量は０．０７％以下である。Ｃ含有量の好ましい上限は０．０５％であり、さらに好ましくは０．０４％であり、さらに好ましくは０．０３％である。Ｃ含有量はなるべく低い方が好ましい。しかしながら、脱炭コストを考慮する場合には、Ｃ含有量は０．００１％以上が好ましい。
Ｐ：０．０３％以下
りん（Ｐ）は、不純物である。Ｐは、フェライトとマルテンサイト相との境界、及び、結晶粒界に偏析し、鋼の耐ＳＳＣ性を低下する。したがって、Ｐ含有量は０．０３％以下である。好ましいＰ含有量は０．０２０％以下であり、さらに好ましくは０．０１５％以下である。Ｐ含有量はなるべく低い方が好ましい。
りん（Ｐ）は、不純物である。Ｐは、フェライトとマルテンサイト相との境界、及び、結晶粒界に偏析し、鋼の耐ＳＳＣ性を低下する。したがって、Ｐ含有量は０．０３％以下である。好ましいＰ含有量は０．０２０％以下であり、さらに好ましくは０．０１５％以下である。Ｐ含有量はなるべく低い方が好ましい。
Ｓ：０．０１％以下
硫黄（Ｓ）は、不純物である。ＳもＰと同様にフェライト相とマルテンサイト相との境界や結晶粒界に偏析し、鋼の耐ＳＳＣ性を低下する。したがって、Ｓ含有量は０．０１％以下である。好ましいＳ含有量は０．００５％以下であり、さらに好ましくは０．００２％である。Ｓ含有量はなるべく低い方が好ましい。
硫黄（Ｓ）は、不純物である。ＳもＰと同様にフェライト相とマルテンサイト相との境界や結晶粒界に偏析し、鋼の耐ＳＳＣ性を低下する。したがって、Ｓ含有量は０．０１％以下である。好ましいＳ含有量は０．００５％以下であり、さらに好ましくは０．００２％である。Ｓ含有量はなるべく低い方が好ましい。
Ｎ：０．１％以下
窒素（Ｎ）は、不純物である。Ｎ含有量が高すぎれば、鋼の靱性及び耐ＳＳＣ性が低下し、鋼の熱間圧延性が低下する。したがって、Ｎ含有量は０．１％以下である。Ｎ含有量の好ましい上限は０．０５％であり、さらに好ましくは０．０３５％である。Ｎ含有量はなるべく低い方が好ましい。
窒素（Ｎ）は、不純物である。Ｎ含有量が高すぎれば、鋼の靱性及び耐ＳＳＣ性が低下し、鋼の熱間圧延性が低下する。したがって、Ｎ含有量は０．１％以下である。Ｎ含有量の好ましい上限は０．０５％であり、さらに好ましくは０．０３５％である。Ｎ含有量はなるべく低い方が好ましい。
Ｎｉ：０．５％以下
ニッケル（Ｎｉ）は、不純物である。Ｎｉは、局部腐食を促進し、鋼の耐ＳＳＣ性を低下する。したがって、Ｎｉ含有量は０．５％以下である。好ましいＮｉ含有量は０．２０％以下であり、さらに好ましくは０．１５％以下である。Ｎｉ含有量はなるべく低い方が好ましい。
ニッケル（Ｎｉ）は、不純物である。Ｎｉは、局部腐食を促進し、鋼の耐ＳＳＣ性を低下する。したがって、Ｎｉ含有量は０．５％以下である。好ましいＮｉ含有量は０．２０％以下であり、さらに好ましくは０．１５％以下である。Ｎｉ含有量はなるべく低い方が好ましい。
Ｏ：０．０１％以下
酸素（Ｏ）は、不純物である。Ｏは粗大な酸化物を形成して鋼の熱間圧延性を低下する。したがって、Ｏ含有量は０．０１％以下である。好ましいＯ含有量は０．００５％以下であり、さらに好ましくは０．００３％以下である。Ｏ含有量はなるべく低い方が好ましい。
酸素（Ｏ）は、不純物である。Ｏは粗大な酸化物を形成して鋼の熱間圧延性を低下する。したがって、Ｏ含有量は０．０１％以下である。好ましいＯ含有量は０．００５％以下であり、さらに好ましくは０．００３％以下である。Ｏ含有量はなるべく低い方が好ましい。
本発明によるフェライト・マルテンサイト二相鋼の化学組成はさらに、Ｆｅの一部に代えて、Ｍｏ及びＷからなる群から選択される１種又は２種を含有してもよい。
Ｍｏ：０〜２％、
Ｗ：０〜４％
モリブデン（Ｍｏ）及びタングステン（Ｗ）は、いずれも任意元素であり、含有されなくてもよい。含有された場合、これらの元素はいずれも、Ｐ及びＳがフェライトとマルテンサイトとの境界及び結晶粒界に偏析するのを抑制する。そのため、ＰやＳによる鋼の耐ＳＳＣ性の低下が抑制される。しかしながら、これらの元素含有量が高すぎれば、上記効果が飽和し、さらに鋼の製造コストが高くなる。したがって、Ｍｏ含有量は０〜２％であり、Ｗ含有量は０〜４％である。Ｍｏ含有量の好ましい下限は０．０５％であり、さらに好ましくは０．１％である。Ｍｏ含有量の好ましい上限は１．５％であり、さらに好ましくは１％である。Ｗ含有量の好ましい下限は０．１％であり、さらに好ましくは０．２％である。Ｗ含有量の好ましい上限は３％であり、さらに好ましくは２％である。
Ｗ：０〜４％
モリブデン（Ｍｏ）及びタングステン（Ｗ）は、いずれも任意元素であり、含有されなくてもよい。含有された場合、これらの元素はいずれも、Ｐ及びＳがフェライトとマルテンサイトとの境界及び結晶粒界に偏析するのを抑制する。そのため、ＰやＳによる鋼の耐ＳＳＣ性の低下が抑制される。しかしながら、これらの元素含有量が高すぎれば、上記効果が飽和し、さらに鋼の製造コストが高くなる。したがって、Ｍｏ含有量は０〜２％であり、Ｗ含有量は０〜４％である。Ｍｏ含有量の好ましい下限は０．０５％であり、さらに好ましくは０．１％である。Ｍｏ含有量の好ましい上限は１．５％であり、さらに好ましくは１％である。Ｗ含有量の好ましい下限は０．１％であり、さらに好ましくは０．２％である。Ｗ含有量の好ましい上限は３％であり、さらに好ましくは２％である。
本発明のフェライト・マルテンサイト二相鋼の化学組成はさらに、Ｆｅの一部に代えて、Ｎｂ、Ｔｉ及びＺｒからなる群から選択される１種又は２種以上を含有してもよい。
Ｎｂ：０〜１％、
Ｔｉ：０〜１％、
Ｚｒ：０〜１％
ニオブ（Ｎｂ）、チタン（Ｔｉ）及びジルコニウム（Ｚｒ）は、いずれも任意元素であり、含有されなくてもよい。含有された場合、これらの元素はいずれも、Ｃ及びＮと結合して炭窒化物を形成する。これらの炭窒化物は、結晶粒を微細化して鋼の耐ＳＳＣ性を高める。しかしながら、これらの元素の含有量が高すぎれば、上記効果が飽和する。したがって、Ｎｂ含有量は０〜１％であり、Ｔｉ含有量は０〜１％であり、Ｚｒ含有量は０〜１％である。Ｎｂ含有量の好ましい下限は０．０１％であり、さらに好ましくは０．０１５％である。Ｎｂ含有量の好ましい上限は０．２％であり、さらに好ましくは０．１％である。Ｔｉ含有量の好ましい下限は０．０１％であり、さらに好ましくは０．０３％である。Ｔｉ含有量の好ましい上限は０．２％であり、さらに好ましくは０．１％である。Ｚｒ含有量の好ましい下限は０．０１％であり、さらに好ましくは０．０３％である。Ｚｒ含有量の好ましい上限は０．３％であり、さらに好ましくは０．２％である。
Ｔｉ：０〜１％、
Ｚｒ：０〜１％
ニオブ（Ｎｂ）、チタン（Ｔｉ）及びジルコニウム（Ｚｒ）は、いずれも任意元素であり、含有されなくてもよい。含有された場合、これらの元素はいずれも、Ｃ及びＮと結合して炭窒化物を形成する。これらの炭窒化物は、結晶粒を微細化して鋼の耐ＳＳＣ性を高める。しかしながら、これらの元素の含有量が高すぎれば、上記効果が飽和する。したがって、Ｎｂ含有量は０〜１％であり、Ｔｉ含有量は０〜１％であり、Ｚｒ含有量は０〜１％である。Ｎｂ含有量の好ましい下限は０．０１％であり、さらに好ましくは０．０１５％である。Ｎｂ含有量の好ましい上限は０．２％であり、さらに好ましくは０．１％である。Ｔｉ含有量の好ましい下限は０．０１％であり、さらに好ましくは０．０３％である。Ｔｉ含有量の好ましい上限は０．２％であり、さらに好ましくは０．１％である。Ｚｒ含有量の好ましい下限は０．０１％であり、さらに好ましくは０．０３％である。Ｚｒ含有量の好ましい上限は０．３％であり、さらに好ましくは０．２％である。
本発明のフェライト・マルテンサイト二相鋼の化学組成はさらに、Ｆｅの一部に代えて、Ｂを含有してもよい。
Ｂ：０〜０．０１％
ホウ素（Ｂ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。含有された場合、Ｂは、鋼の焼入れ性を高め、マルテンサイトの生成を促進する。しかしながら、Ｂ含有量が高すぎれば、その効果が飽和する。したがって、Ｂ含有量は０〜０．０１％である。Ｂ含有量の好ましい下限は０．０００３％であり、さらに好ましくは０．０００５％である。Ｂ含有量の好ましい上限は０．００８％であり、さらに好ましくは０．００５％である。
ホウ素（Ｂ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。含有された場合、Ｂは、鋼の焼入れ性を高め、マルテンサイトの生成を促進する。しかしながら、Ｂ含有量が高すぎれば、その効果が飽和する。したがって、Ｂ含有量は０〜０．０１％である。Ｂ含有量の好ましい下限は０．０００３％であり、さらに好ましくは０．０００５％である。Ｂ含有量の好ましい上限は０．００８％であり、さらに好ましくは０．００５％である。
本発明のフェライト・マルテンサイト二相鋼の化学組成はさらに、Ｆｅの一部に代えて、Ｃａ、Ｍｇ及びＲＥＭからなる群から選択される１種又は２種以上を含有してもよい。
Ｃａ：０〜０．０１％、
Ｍｇ：０〜０．０１％
ＲＥＭ：０〜０．５０％
カルシウム（Ｃａ）、マグネシウム（Ｍｇ）及び希土類元素（ＲＥＭ）はいずれも任意元素であり、含有されなくてもよい。含有された場合、これらの元素は、鋼中のＳと結合して硫化物を形成する。これにより、硫化物の形状が改善され、鋼の耐ＳＳＣ性が高まる。ＲＥＭはさらに、鋼中のＰと結合して、結晶粒界におけるＰの偏析を抑制する。そのため、Ｐ偏析に起因した鋼の耐ＳＳＣ性の低下が抑制される。しかしながら、これらの元素の含有量が高すぎれば、粗大な酸化物が形成され、耐ＳＳＣ性及び靱性が低下する。したがって、Ｃａ含有量は０〜０．０１％であり、Ｍｇ含有量は０〜０．０１％であり、ＲＥＭ含有量は０〜０．５０％である。
Ｍｇ：０〜０．０１％
ＲＥＭ：０〜０．５０％
カルシウム（Ｃａ）、マグネシウム（Ｍｇ）及び希土類元素（ＲＥＭ）はいずれも任意元素であり、含有されなくてもよい。含有された場合、これらの元素は、鋼中のＳと結合して硫化物を形成する。これにより、硫化物の形状が改善され、鋼の耐ＳＳＣ性が高まる。ＲＥＭはさらに、鋼中のＰと結合して、結晶粒界におけるＰの偏析を抑制する。そのため、Ｐ偏析に起因した鋼の耐ＳＳＣ性の低下が抑制される。しかしながら、これらの元素の含有量が高すぎれば、粗大な酸化物が形成され、耐ＳＳＣ性及び靱性が低下する。したがって、Ｃａ含有量は０〜０．０１％であり、Ｍｇ含有量は０〜０．０１％であり、ＲＥＭ含有量は０〜０．５０％である。
Ｃａ含有量の好ましい下限は０．０００１％であり、さらに好ましくは０．０００３％である。Ｃａ含有量の好ましい上限は０．００７％であり、さらに好ましくは０．００５％である。Ｍｇ含有量の好ましい下限は０．０００１％であり、さらに好ましくは０．０００３％である。Ｍｇ含有量の好ましい上限は０．００７％であり、さらに好ましくは０．００５％である。ＲＥＭ含有量の好ましい下限は０．０００１％であり、さらに好ましくは０．０００３％である。ＲＥＭ含有量の好ましい上限は０．１％であり、さらに好ましくは０．０５％である。
本明細書におけるＲＥＭは、Ｓｃ、Ｙ、及び、ランタノイド（原子番号５７番のＬａ〜７１番のＬｕ）の合計１７元素の総称を意味する。ＲＥＭ含有量は、鋼に含有されるＲＥＭがこれらの元素のうち１種である場合、その元素の含有量を意味する。鋼に含有されるＲＥＭが２種以上である場合、ＲＥＭ含有量は、それらの元素の総含有量を意味する。上記１７元素のうち個別の元素が溶鋼に添加されて、鋼中のＲＥＭ含有量が上記範囲となってもよいし、ミッシュメタルが溶鋼に添加されて、鋼中のＲＥＭ含有量が上記範囲となってもよい。
［ミクロ組織］
本発明によるフェライト・マルテンサイト二相鋼のミクロ組織は、体積率で５〜７０％のフェライトと、体積率で０〜５％のオーステナイトとを含有し、残部が焼戻しマルテンサイトからなる。
本発明によるフェライト・マルテンサイト二相鋼のミクロ組織は、体積率で５〜７０％のフェライトと、体積率で０〜５％のオーステナイトとを含有し、残部が焼戻しマルテンサイトからなる。
上述のとおり、本発明では、ミクロ組織が、上記体積率のフェライトを含有する。フェライトは軟化相であるため、鋼の降伏強度が５５２ＭＰａ未満に抑えられる。そのため、優れた耐ＳＳＣ性が得られる。
フェライトの体積率が５％未満であれば、鋼の降伏強度が５５２ＭＰａ以上となる。この場合、耐ＳＳＣ性が低くなる。一方、フェライトの体積率が７０％よりも高ければ、降伏強度が３７９ＭＰａ未満となる。この場合、鋼の降伏強度が、油井用鋼管として必要な降伏強度未満になる。
ミクロ組織は、０〜５％のオーステナイト（残留オーステナイト）を含有してもよい。残留オーステナイトの体積率が５％よりも高ければ、鋼の降伏強度が低下しすぎて、油井用鋼管として必要な降伏強度未満になる。上記のとおり、ミクロ組織中の残留オーステナイトの体積率は、０％であってもよい。この場合、ミクロ組織は、体積率で５〜７０％のフェライトを含有し、残部は焼戻しマルテンサイトからなる。
［ミクロ組織中のフェライト及びオーステナイトの体積率の測定方法］
ミクロ組織中のフェライトの体積率（％）は、次の方法で測定される。
ミクロ組織中のフェライトの体積率（％）は、次の方法で測定される。
フェライト・マルテンサイト二相鋼を圧延方向に沿って切断する。このときの切断面（断面）は、圧延方向に平行な軸と、圧下方向に平行な軸とを含む。この切断面を含むミクロ組織観察用サンプルを採取する。切断面が観察面となるように、サンプルを樹脂に埋めて鏡面研磨する。研磨後、観察面をビエラ液でエッチングする。エッチングされた観察面の任意の５視野（視野面積＝１５０μｍ×２００μｍ）を光学顕微鏡（観察倍率５００倍）で観察する。これにより、焼戻しマルテンサイト、フェライト及びオーステナイトの有無を確認できる。
各視野のフェライトの面積率（％）を、ＪＩＳ Ｇ０５５５に準拠した点算法で測定する。各視野のフェライトの面積率の平均を、フェライトの体積率（％）と定義する。
オーステナイトの体積率は、Ｘ線回折法により測定される。具体的には、鋼の任意の位置からサンプルを採取する。サンプル表面のうちの１面（観察面）は、鋼の圧延方向と平行な断面とする。サンプルの大きさは１５ｍｍ×１５ｍｍ×２ｍｍとする。サンプルの観察面を１２００番エメリー紙で研磨する。その後、微量の弗酸を含有した常温の過酸化水素中にサンプルを浸漬し、観察面の加工硬化層を除去する。その後、Ｘ線回折を実施する。具体的には、フェライト（α相）の（２００）面及び（２１１）面と、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、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」、「Ｉγ」はそれぞれα相、γ相の積分強度である。「Ｒα」、「Ｒγ」はそれぞれ、α相、γ相のスケールファクタ（ｓｃａｌｅ ｆａｃｔｏｒ）であり、物質の種類と面方位とによって、結晶学的に理論計算される値である。
Ｖγ＝１００／（１＋（Ｉα×Ｒγ）／（Ｉγ×Ｒα）） （１）
ここで、「Ｉα」、「Ｉγ」はそれぞれα相、γ相の積分強度である。「Ｒα」、「Ｒγ」はそれぞれ、α相、γ相のスケールファクタ（ｓｃａｌｅ ｆａｃｔｏｒ）であり、物質の種類と面方位とによって、結晶学的に理論計算される値である。
［フェライトの体積率とＮｉ当量／Ｃｒ当量との関係］
フェライトの体積率は、化学組成中のＮｉ当量（以下、Ｎｉｅｑという）及びＣｒ当量（以下、Ｃｒｅｑという）と関係する。Ｎｉｅｑは式（２）で定義され、Ｃｒ当量は式（３）で定義される。
Ｎｉｅｑ＝Ｎｉ＋３０×Ｃ＋３０×Ｎ＋０．５×Ｍｎ （２）
Ｃｒｅｑ＝Ｃｒ＋Ｍｏ＋１．５×Ｓｉ＋０．５×Ｎｂ （３）
式（２）及び式（３）中の元素記号には、対応する元素の含有量（質量％）が代入される。
フェライトの体積率は、化学組成中のＮｉ当量（以下、Ｎｉｅｑという）及びＣｒ当量（以下、Ｃｒｅｑという）と関係する。Ｎｉｅｑは式（２）で定義され、Ｃｒ当量は式（３）で定義される。
Ｎｉｅｑ＝Ｎｉ＋３０×Ｃ＋３０×Ｎ＋０．５×Ｍｎ （２）
Ｃｒｅｑ＝Ｃｒ＋Ｍｏ＋１．５×Ｓｉ＋０．５×Ｎｂ （３）
式（２）及び式（３）中の元素記号には、対応する元素の含有量（質量％）が代入される。
図１は、鋼材加熱温度が１２５０℃の場合のフェライトの体積率とＮｉｅｑ／Ｃｒｅｑの関係を示す図である。フェライトの体積率は、主に、熱間圧延前の鋼材の加熱温度およびＮｉｅｑ／Ｃｒｅｑに影響される。図１からわかるように、フェライトの体積率はＮｉｅｑ／Ｃｒｅｑに略反比例する。熱間圧延前の鋼材の加熱温度が１２５０℃程度の場合、Ｎｉｅｑ／Ｃｒｅｑが０．０６８〜０．２１であれば、フェライトの体積率が５〜７０％になる。
［フェライトの結晶粒の平均アスペクト比Ｒａｓ］
上述のとおり、本発明による鋼のミクロ組織は、硬化相（マルテンサイト）と軟化相（フェライト）との混合組織である。一般的に、硬化相と軟化相からなる混合組織では、ＳＳＣが発生する場合がある。しかしながら、本発明による鋼では、フェライトの結晶粒が延在する。具体的には、フェライトの結晶粒の平均アスペクト比Ｒａｓは２．０以上である。
上述のとおり、本発明による鋼のミクロ組織は、硬化相（マルテンサイト）と軟化相（フェライト）との混合組織である。一般的に、硬化相と軟化相からなる混合組織では、ＳＳＣが発生する場合がある。しかしながら、本発明による鋼では、フェライトの結晶粒が延在する。具体的には、フェライトの結晶粒の平均アスペクト比Ｒａｓは２．０以上である。
フェライトの結晶粒のアスペクト比Ｒａｓは、次の方法で測定される。上記フェライトの体積率の測定に用いた５視野中のフェライトの各結晶粒に対して、鋼の圧延方向の粒径Ｌ１と、鋼の圧下方向（鋼板であれば、板厚方向、鋼管であれば肉厚方向）の粒径Ｌ２とを求める。粒径Ｌ１及びＬ２は、交点法により求める。
得られた粒径Ｌ１及びＬ２を用いて、各結晶粒のアスペクト比を式（４）により求める。
各結晶粒のアスペクト比＝Ｌ１／Ｌ２ （４）
各結晶粒のアスペクト比＝Ｌ１／Ｌ２ （４）
求めたアスペクト比の平均を、フェライトの結晶粒の平均アスペクト比Ｒａｓと定義する。
平均アスペクト比Ｒａｓが２．０以上であれば、仮に、き裂が発生しても、延在するフェライトがＳＣＣの伝播を抑制する。そのため、混合組織であっても優れた耐ＳＳＣ性が得られる。
［フェライト・マルテンサイト二相鋼の降伏強度］
上述の化学組成及びミクロ組織を有するフェライト・マルテンサイト二相鋼の降伏強度は３７９〜５５２ＭＰａ未満（５５〜８０ｋｓｉ）である。本明細書において、降伏強度は、０．２％耐力を意味する。本発明による鋼の降伏強度は５５２ＭＰａ未満であるため優れた耐炭酸ガス腐食性を有すると共に、優れた耐ＳＳＣ性を有する。さらに、本発明による鋼の降伏強度は３７９ＭＰａ以上であるため、油井用鋼管としても使用できる。降伏強度の好ましい上限は５１７ＭＰａであり、さらに好ましくは５００ＭＰａである。降伏強度の好ましい下限は３９５ＭＰａであり、さらに好ましくは４１０ＭＰａである。
上述の化学組成及びミクロ組織を有するフェライト・マルテンサイト二相鋼の降伏強度は３７９〜５５２ＭＰａ未満（５５〜８０ｋｓｉ）である。本明細書において、降伏強度は、０．２％耐力を意味する。本発明による鋼の降伏強度は５５２ＭＰａ未満であるため優れた耐炭酸ガス腐食性を有すると共に、優れた耐ＳＳＣ性を有する。さらに、本発明による鋼の降伏強度は３７９ＭＰａ以上であるため、油井用鋼管としても使用できる。降伏強度の好ましい上限は５１７ＭＰａであり、さらに好ましくは５００ＭＰａである。降伏強度の好ましい下限は３９５ＭＰａであり、さらに好ましくは４１０ＭＰａである。
［製造方法］
上述のフェライト・マルテンサイト二相鋼の製造方法の一例を説明する。フェライト・マルテンサイト二相鋼の製造方法は、素材を準備する工程（準備工程）と、素材を熱間圧延して鋼材を製造する工程（圧延工程）と、鋼材に対して焼入れ及び焼戻しを実施する工程（熱処理工程）とを備える。以下、各工程について詳述する。
上述のフェライト・マルテンサイト二相鋼の製造方法の一例を説明する。フェライト・マルテンサイト二相鋼の製造方法は、素材を準備する工程（準備工程）と、素材を熱間圧延して鋼材を製造する工程（圧延工程）と、鋼材に対して焼入れ及び焼戻しを実施する工程（熱処理工程）とを備える。以下、各工程について詳述する。
［準備工程］
上述の化学組成を有し、式（１）〜式（３）を満たす溶鋼を製造する。溶鋼を用いて素材を製造する。具体的には、溶鋼を用いて連続鋳造法により鋳片（スラブ、ブルーム、ビレット）を製造する。溶鋼を用いて造塊法によりインゴットを製造してもよい。必要に応じて、スラブ、ブルーム又はインゴットを分塊圧延して、ビレットを製造してもよい。以上の工程により素材（スラブ、ブルーム、又は、ビレット）を製造する。
上述の化学組成を有し、式（１）〜式（３）を満たす溶鋼を製造する。溶鋼を用いて素材を製造する。具体的には、溶鋼を用いて連続鋳造法により鋳片（スラブ、ブルーム、ビレット）を製造する。溶鋼を用いて造塊法によりインゴットを製造してもよい。必要に応じて、スラブ、ブルーム又はインゴットを分塊圧延して、ビレットを製造してもよい。以上の工程により素材（スラブ、ブルーム、又は、ビレット）を製造する。
［圧延工程］
準備された素材を加熱する。好ましい加熱温度は１１００〜１３００℃である。この場合、加熱中にδフェライトが生成するため、製造された鋼材中のフェライトの体積率が適切な範囲となる。加熱温度の好ましい下限は１１５０℃である。
準備された素材を加熱する。好ましい加熱温度は１１００〜１３００℃である。この場合、加熱中にδフェライトが生成するため、製造された鋼材中のフェライトの体積率が適切な範囲となる。加熱温度の好ましい下限は１１５０℃である。
加熱された素材を熱間圧延して鋼材を製造する。このとき、熱間圧延による減面率を５５％以上にする。減面率は次のとおり定義される。
減面率＝熱間圧延前の素材の横断面積／（熱間圧延前の素材の横断面積−熱間圧延後の素材（鋼材）の横断面積）
ここで、横断面積とは、素材（又は鋼材）の軸方向に垂直な断面での面積（単位はｍｍ2）を意味する。
減面率＝熱間圧延前の素材の横断面積／（熱間圧延前の素材の横断面積−熱間圧延後の素材（鋼材）の横断面積）
ここで、横断面積とは、素材（又は鋼材）の軸方向に垂直な断面での面積（単位はｍｍ2）を意味する。
減面率が５５％以上である場合、フェライトの結晶粒の平均アスペクト比Ｒａｓが２．０以上になる。
鋼材が板材である場合、例えば、一対のロール群を含む圧延機を用いて熱間圧延が実施される。鋼材が油井用鋼管である場合、例えば、マンネスマン−マンドレルミル法により穿孔圧延及び延伸圧延が実施され、上述のフェライト・マルテンサイト系ステンレス鋼を用いて継目無鋼管（油井用鋼管）が製造される。
［熱処理工程］
製造された鋼材に対して焼入れを実施する。焼入れ温度が低すぎると炭化物の固溶が不足する。一方、焼入れ温度が高すぎると結晶粒が粗大化する。したがって、好ましい焼入れ温度は８５０〜９５０℃である。焼入れ後の鋼材に対して、焼戻しを実施する。焼入れ及び焼戻しにより、鋼材の降伏強度を３７９〜５５２ＭＰａ未満にする。
製造された鋼材に対して焼入れを実施する。焼入れ温度が低すぎると炭化物の固溶が不足する。一方、焼入れ温度が高すぎると結晶粒が粗大化する。したがって、好ましい焼入れ温度は８５０〜９５０℃である。焼入れ後の鋼材に対して、焼戻しを実施する。焼入れ及び焼戻しにより、鋼材の降伏強度を３７９〜５５２ＭＰａ未満にする。
以上の工程により製造されたフェライト・マルテンサイト二相鋼（鋼材）のミクロ組織は、体積率で５〜７０％のフェライトと、体積率で０〜５％のオーステナイトとを含有し、残部が焼戻しマルテンサイトからなる。そして、フェライトの結晶粒の平均アスペクト比Ｒａｓは、２．０以上である。そのため、優れた耐炭酸ガス腐食性及び耐ＳＳＣ性が得られる。
表１に示す化学組成を有する溶鋼を製造した。
表１を参照して、鋼Ａ〜Ｚ、１〜８、１８及び１９の化学組成及び有効Ｃｒ量は本発明の範囲内であった。一方、鋼９〜１７の化学組成は、本発明の範囲外であった。鋼１８及び１９のＮｉｅｑ／Ｃｒｅｑは０．０６８未満であった。鋼２０の有効Ｃｒ量は８％未満であった。
上記溶鋼を各々３０〜１５０ｋｇ溶製し、造塊法によりインゴットを製造した。インゴットから２５〜５０ｍｍの厚さのブロック（素材）を採取した。ブロックを１２５０℃に加熱した。加熱後の素材に対して熱間圧延を実施して、厚さ１５〜２５ｍｍの板材（二相鋼）を製造した。熱間圧延時の減面率は、表２に示すとおりであった。板材に対して焼入れ及び焼戻しを実施した。
［ミクロ組織観察試験、フェライト及びオーステナイトの体積率測定試験］
焼入れ焼戻し後の板材を用いて、上述の方法により、ミクロ組織観察試験を実施した。その結果、各試験番号のミクロ組織には、フェライトとマルテンサイトが観察され、一部にオーステナイトも確認された。上述の方法により、ミクロ組織中のフェライトの体積率（％）及びオーステナイトの体積率（％）を求めた。その結果、各試験番号の板材のオーステナイトの体積率はいずれも５％以下であった。各試験番号のフェライトの体積率を表２に示す。
焼入れ焼戻し後の板材を用いて、上述の方法により、ミクロ組織観察試験を実施した。その結果、各試験番号のミクロ組織には、フェライトとマルテンサイトが観察され、一部にオーステナイトも確認された。上述の方法により、ミクロ組織中のフェライトの体積率（％）及びオーステナイトの体積率（％）を求めた。その結果、各試験番号の板材のオーステナイトの体積率はいずれも５％以下であった。各試験番号のフェライトの体積率を表２に示す。
［フェライトの結晶粒の平均アスペクト比Ｒａｓ］
さらに、上述の方法により、平均アスペクト比Ｒａｓを求めた。求めたアスペクト比Ｒａｓを表２に示す。
さらに、上述の方法により、平均アスペクト比Ｒａｓを求めた。求めたアスペクト比Ｒａｓを表２に示す。
［引張試験］
焼入れ焼戻し後の板材から、引張試験片を採取した。引張試験片は、平行部径６ｍｍ、平行部長さ４０ｍｍの丸棒引張試験片とした。この試験片の長手方向は板材の圧延方向とした。この試験片を用いて、常温で引張試験を行い、降伏強度ＹＳ（ｋｓｉ及びＭＰａ）を求めた。降伏強度（ＭＰａ）は０．２％耐力とした。得られた降伏強度ＹＳを表２に示す。
焼入れ焼戻し後の板材から、引張試験片を採取した。引張試験片は、平行部径６ｍｍ、平行部長さ４０ｍｍの丸棒引張試験片とした。この試験片の長手方向は板材の圧延方向とした。この試験片を用いて、常温で引張試験を行い、降伏強度ＹＳ（ｋｓｉ及びＭＰａ）を求めた。降伏強度（ＭＰａ）は０．２％耐力とした。得られた降伏強度ＹＳを表２に示す。
［耐ＳＳＣ性評価試験］
各試験番号の焼入れ焼戻し後の板材から、丸棒試験片を採取した。丸棒試験片の平行部径は６．３５ｍｍであり、平行部長さは２５．４ｍｍであった。丸棒試験片の長手方向は板材の圧延方向とした。
各試験番号の焼入れ焼戻し後の板材から、丸棒試験片を採取した。丸棒試験片の平行部径は６．３５ｍｍであり、平行部長さは２５．４ｍｍであった。丸棒試験片の長手方向は板材の圧延方向とした。
丸棒試験片を用いて、硫化水素環境中において引張型試験を実施した。具体的には、引張型試験は、ＮＡＣＥ（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ）ＴＭ ０１７７ Ａ法に準拠して実施した。試験浴として、１ａｔｍの硫化水素ガスを飽和させた、常温（２５℃）の、５％食塩＋０．５％酢酸の水溶液を用いた。試験浴に浸漬した丸棒試験片に、実降伏強度の９０％の応力を負荷した。応力を負荷したままで７２０時間以内に破断した場合、耐ＳＳＣ性が低いと判断した（表２中に「ＮＡ」と表記）。一方、７２０時間以内に破断しなかった場合、耐ＳＳＣ性に優れると判断した（表２中に「Ｅ」と表記）。
［耐炭酸ガス腐食性評価試験］
各試験番号の板材から、試験片（２ｍｍ×１０ｍｍ×４０ｍｍ）を採取した。試験片を試験浴に７２０時間、無応力で浸漬した。試験浴には、３０ａｔｍの炭酸ガスを飽和させた１００℃の５％食塩水溶液を用いた。試験前後の試験片の重量を測定した。測定された重量の変化量に基づいて、各試験片の腐食減量を求めた。腐食減量に基づいて、各試験片の腐食速度（ｇ／（ｍ2・ｈ））を求めた。腐食速度が０．３０ｇ／（ｍ2／ｈ）以下であった場合、優れた耐炭酸ガス腐食性が得られたと評価した。
各試験番号の板材から、試験片（２ｍｍ×１０ｍｍ×４０ｍｍ）を採取した。試験片を試験浴に７２０時間、無応力で浸漬した。試験浴には、３０ａｔｍの炭酸ガスを飽和させた１００℃の５％食塩水溶液を用いた。試験前後の試験片の重量を測定した。測定された重量の変化量に基づいて、各試験片の腐食減量を求めた。腐食減量に基づいて、各試験片の腐食速度（ｇ／（ｍ2・ｈ））を求めた。腐食速度が０．３０ｇ／（ｍ2／ｈ）以下であった場合、優れた耐炭酸ガス腐食性が得られたと評価した。
［試験結果］
表２を参照して、試験番号１〜３４の化学組成は本発明の範囲内であった。さらに、有効Ｃｒ量も適切であった。さらに、Ｎｉｅｑ／Ｃｒｅｑも適切であった。そのため、これらの試験番号のミクロ組織において、フェライトの体積率は５〜７０％であり、オーステナイトの体積率は５％以下であった。さらに、これらの試験番号の減面率はいずれも、５５％以上であった。そのため、平均アスペクト比Ｒａｓは２．０以上であった。さらに、降伏強度は適切であった。そのため、これらの試験番号のフェライト・マルテンサイト二相鋼は、優れた耐ＳＳＣ性と耐炭酸ガス腐食性とを有した。
表２を参照して、試験番号１〜３４の化学組成は本発明の範囲内であった。さらに、有効Ｃｒ量も適切であった。さらに、Ｎｉｅｑ／Ｃｒｅｑも適切であった。そのため、これらの試験番号のミクロ組織において、フェライトの体積率は５〜７０％であり、オーステナイトの体積率は５％以下であった。さらに、これらの試験番号の減面率はいずれも、５５％以上であった。そのため、平均アスペクト比Ｒａｓは２．０以上であった。さらに、降伏強度は適切であった。そのため、これらの試験番号のフェライト・マルテンサイト二相鋼は、優れた耐ＳＳＣ性と耐炭酸ガス腐食性とを有した。
試験番号３５及び３６では、減面率が低すぎた。そのため、平均アスペクト比Ｒａｓが２．０未満であり、耐ＳＳＣ性が低かった。
試験番号３７〜３９では、Ｃ含有量が高すぎた。そのため、フェライトの体積率が５％未満となり、耐ＳＳＣ性が低かった。このうち試験番号３８ではさらに、有効Ｃｒ量が低すぎたため、耐炭酸ガス腐食性が低かった。
試験番号４０では、Ｍｎ含有量が高すぎた。試験番号４１では、Ｐ含有量が高すぎた。試験番号４２では、Ｓ含有量が高すぎた。そのため、試験番号４０〜４２では、耐ＳＳＣ性が低かった。
試験番号４３では、Ｃｒ含有量及び有効Ｃｒ量が低すぎた。そのため、耐炭酸ガス腐食性が低かった。
試験番号４４では、Ｃｒ含有量が高すぎた。試験番号４５では、Ｎｉ含有量が高すぎた。そのため、試験番号４４及び４５では、耐ＳＳＣ性が低かった。
試験番号４６及び４７では、Ｎｉｅｑ／Ｃｒｅｑが低すぎ、フェライトの体積率が高すぎた。そのため、降伏強度ＹＳが３７９ＭＰａ未満であった。
試験番号４８では、化学組成は本発明の範囲内であったものの、有効Ｃｒ量が低すぎた。そのため、耐炭酸ガス腐食性が低かった。
以上、本発明の実施の形態を説明した。しかしながら、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。したがって、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内で上述した実施の形態を適宜変更して実施することができる。
Claims (6)
- 質量％で、
Ｓｉ：０．０５〜３．０％、
Ｍｎ：０．１〜０．８％、
ｓｏｌ．Ａｌ：０．００５〜０．１０％、
Ｖ：１．０％以下、
Ｃｒ：８〜１５％、
Ｍｏ：０〜２％、
Ｗ：０〜４％、
Ｎｂ：０〜１％、
Ｔｉ：０〜１％、
Ｚｒ：０〜１％、
Ｂ：０〜０．０１％、
Ｃａ：０〜０．０１％、
Ｍｇ：０〜０．０１％、及び、
希土類元素（ＲＥＭ）：０〜０．５０％を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなり、
前記不純物中、
Ｃ：０．０７％以下、
Ｐ：０．０３％以下、
Ｓ：０．０１％以下、
Ｎ：０．１％以下、
Ｎｉ：０．５％以下、及び、
Ｏ：０．０１％以下であり、
式（１）により定義される有効Ｃｒ量が８％以上である化学組成と、
体積率で５〜７０％のフェライトと、体積率で０〜５％のオーステナイトとを含有し、残部が焼戻しマルテンサイトからなり、前記フェライトの結晶粒の平均アスペクト比が２．０以上であるミクロ組織と、
３７９〜５１７ＭＰａの降伏強度とを備えるフェライト・マルテンサイト二相鋼。
有効Ｃｒ量＝Ｃｒ−１６．６×Ｃ （１）
ここで、式（１）中の元素記号には、対応する元素含有量（質量％）が代入される。 - 請求項１に記載のフェライト・マルテンサイト二相鋼であって、
前記化学組成は、
Ｍｏ：０．０５〜２％、及び、
Ｗ：０．１〜４％からなる群から選択される１種又は２種を含有する、フェライト・マルテンサイト二相鋼。 - 請求項１又は請求項２に記載のフェライト・マルテンサイト二相鋼であって、
前記化学組成は、
Ｎｂ：０．０１〜１％、
Ｔｉ：０．０１〜１％、及び、
Ｚｒ：０．０１〜１％からなる群から選択される１種又は２種以上を含有する、フェライト・マルテンサイト二相鋼。 - 請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のフェライト・マルテンサイト二相鋼であって、
前記化学組成は、Ｂ：０．０００３〜０．０１％を含有する、フェライト・マルテンサイト二相鋼。 - 請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載のフェライト・マルテンサイト二相鋼であって、
前記化学組成は、
Ｃａ：０．０００１〜０．０１％、
Ｍｇ：０．０００１〜０．０１％、及び、
ＲＥＭ：０．０００１〜０．５０％からなる群から選択される１種又は２種以上を含有する、フェライト・マルテンサイト二相鋼。 - 請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載のフェライト・マルテンサイト二相鋼を用いて製造される、油井用鋼管。
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