JP6536343B2 - マルテンサイト鋼材 - Google Patents
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3C+0.04Cr<0.55 (1)
(55.85/50.94)V+(55.85/92.91)Nb>0.40 (2)
ここで、式(1)及び式(2)中の各元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。Nbが含有されない場合、式(2)中の「Nb」には「0」が代入される。
鋼の耐炭酸ガス腐食性を高めるには、鋼中の固溶Crが有効である。しかしながら、Cr含有量が高すぎれば、耐SSC性が低下する。さらに、CrはCとの親和力が高く、Cr炭化物(Cr23C6)を形成しやすい。Cr炭化物が形成されれば、固溶Cr量が低減する。そのため、耐炭酸ガス腐食性が低下する。
3C+0.04Cr<0.55 (1)
上述のとおり、マルテンサイト鋼材が、6.5〜10.5%のCrを含有し、式(1)を満たす化学組成を有し、317〜621MPaの降伏強度を有すれば、優れた耐炭酸ガス腐食性及び耐SSC性が得られる。しかしながら、このような鋼材を、H2Sを含有する高腐食性井戸と同等の環境に利用した場合、鋼材内部で図2に示すような粒界割れが発生しやすくなる。この粒界割れは、水素起因の割れ(HIC:Hydrogen Induced Cracking)である。以下、この粒界割れを粒界HICともいう。したがって、6.5〜10.5%のCrを含有する低強度のマルテンサイト鋼材を高腐食性井戸に適用するためには、耐炭酸ガス腐食性及び耐SSC性だけでなく、耐粒界HIC性も高めなければならない。
(55.85/50.94)V+(55.85/92.91)Nb>0.40 (2) ここで、式(2)中の各元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。Nbが含有されない場合、式(2)中の「Nb」には「0」が代入される。
CAR(%)=インディケーション部分の面積/投影面積×100
なお、投影面積は20mm×100mmとした。各試験片のV含有量(原子%)、Nb含有量(原子%)と、得られた割れ面積率CAR(%)とをグラフにプロットし、図3を得た。
3C+0.04Cr<0.55 (1)
(55.85/50.94)V+(55.85/92.91)Nb>0.40 (2)
ここで、式(1)及び式(2)中の各元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。Nbが含有されない場合、式(2)中の「Nb」には「0」が代入される。
本実施形態のマルテンサイト鋼材の化学組成は、次の元素を含有する。
炭素(C)は焼入れ性を高めて鋼材の強度を高める。しかしながら、C含有量が高すぎれば、鋼材の強度が高くなりすぎて耐SSC性が低下する。さらに、Cは他の合金元素と結合して炭化物を生成し、他の合金元素の固溶を抑制する。炭化物はさらに、水素のトラップサイトとして働くため、水素に起因するSSC及びHICの感受性が高まる。そのため、C含有量はなるべく低い方が好ましい。しかしながら、製鋼コストを考慮すれば、C含有量の下限は0.002%である。したがって、C含有量は0.002〜0.05%である。C含有量の好ましい下限は0.005%である。C含有量の好ましい上限は0.04%である。
シリコン(Si)は、鋼を脱酸する。Si含有量が低すぎれば、この効果が得られない。一方、Si含有量が高すぎれば、この効果が飽和する。したがって、Si含有量は0.01〜1.0%である。Si含有量の好ましい下限は0.05%であり、さらに好ましくは0.10%である。Si含有量の好ましい上限は0.70%であり、さらに好ましくは0.50%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、粒界に偏析する。この場合、耐SSC性及び耐HIC性が低下する。したがって、Mn含有量は、0.1〜2.0%である。Mn含有量の好ましい下限は0.15%であり、さらに好ましくは0.20%である。Mn含有量の好ましい上限は1.5%であり、さらに好ましくは1.0%である。
クロム(Cr)は、鋼の高温で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。Cr含有量が6.5%以上であれば、100℃の高圧CO2を含有する湿潤環境において、腐食速度が1.0g/(m2・h)未満となり、優れた耐炭酸ガス腐食性を示す。一方、Cr含有量が高すぎれば、湿潤H2S環境ではかえって腐食速度が速くなる。Cr含有量が高すぎればさらに、耐SSC性も低下する。したがって、Cr含有量は6.5〜10.5%である。Cr含有量の好ましい下限は7.5%である。Cr含有量の好ましい上限は10.0%である。
アルミニウム(Al)は鋼を脱酸する。Al含有量が低ければ、この効果が得られない。一方、Al含有量が高すぎれば、この効果が飽和する。したがって、Al含有量は0.001〜0.1%である。Al含有量の好ましい下限は0.002%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。
バナジウム(V)は、湿潤H2S環境における鋼の粒界割れ(粒界HIC)を抑制する。V含有量が低すぎれば、この効果が得られない。一方、Vは、鋼の焼入れ性を高め、かつ、炭化物を形成する。そのため、V含有量が高すぎれば、鋼の強度が高まり、耐SSC性が低下する。したがって、V含有量は0.2〜1.5%である。粒界HIC抑制効果をさらに高めるためのV含有量の好ましい下限は、0.36%である。V含有量の好ましい上限は1.2%であり、さらに好ましくは1.0%である。
燐(P)は、不純物である。Pは、結晶粒界に偏析し、鋼の耐SSC性及び耐HIC性を低下する。したがって、P含有量は0.03%未満である。好ましいP含有量は0.025%以下であり、さらに好ましくは0.020%以下である。P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と同様に結晶粒界に偏析し、鋼の耐SSC性及び耐HIC性を低下する。したがって、S含有量は0.01%未満である。好ましいS含有量は0.008%以下であり、さらに好ましくは0.006%以下である。S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含有量が高すぎれば、局部腐食が発生して鋼の耐SSC性が低下する。したがって、Ni含有量は0.03%未満である。好ましいNi含有量は0.01%以下である。Ni含有量はなるべく低い方が好ましい。
モリブデン(Mo)は、不純物である。Moはフェライト形成元素である。そのため、Mo含有量が高すぎれば、オーステナイトが安定化しにくく、マルテンサイト組織が安定的に得られにくい。したがって、Mo含有量は0.02%未満である。好ましいMo含有量の上限は0.01%である。Mo含有量はなるべく低い方が好ましい。
タングステン(W)は不純物である。WはCと結合して微細な炭化物を形成する。この微細な炭化物は、微細析出硬化により鋼の強度を高め、その結果、耐SSC性を低下する。したがって、W含有量は0.02%未満である。好ましいW含有量の上限は0.01%である。W含有量はなるべく低い方が好ましい。
ニオブ(Nb)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、Nbは、Vと同様に、湿潤H2S環境における鋼の粒界割れ(粒界HIC)を抑制する。しかしながら、NbはVと比較して高価であるため、Nb含有量が高すぎれば、製造コストが高くなる。したがって、Nb含有量は0〜0.5%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0.03%である。Nb含有量の好ましい上限は、0.4%であり、さらに好ましくは0.3%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は粒界を強化し、粒界HICの発生を抑制する。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0〜0.0100%である。B含有量の好ましい下限は0.0005%であり、さらに好ましくは0.0010%である。B含有量の好ましい上限は、0.0080%であり、さらに好ましくは0.0060%である。
Co:0〜1.0%、
Ta:0〜1.0%
銅(Cu)、コバルト(Co)、及びタンタル(Ta)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、Mo及びWと同様に、粒界HICの発生を抑制する。しかしながら、これらの元素含有量が高すぎれば、製造性が低下すると同時に、製造コストも高くなる。したがって、Cu含有量は0〜1.0%であり、Co含有量は0〜1.0%であり、Ta含有量は0〜1.0%である。Cu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。Cu含有量の好ましい上限は0.7%であり、さらに好ましくは0.5%である。Co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。Co含有量の好ましい上限は0.7%であり、さらに好ましくは0.5%である。Ta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。Ta含有量の好ましい上限は0.7%であり、さらに好ましくは0.5%である。
Zr:0〜0.100%
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、かつ、Cr炭化物の生成を抑制する。そのため、鋼の耐SSC性及び耐HIC性が高まる。しかしながら、これらの元素の含有量が高すぎれば、上記効果が飽和し、さらに、フェライトの生成を促進する。したがって、Ti含有量は0〜0.100%であり、Zr含有量は0〜0.100%である。Ti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%である。Ti含有量の好ましい上限は0.070%であり、さらに好ましくは0.030%である。Zr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%である。Zr含有量の好ましい上限は0.070%であり、さらに好ましくは0.030%である。
Mg:0〜0.0050%、
REM:0〜0.0050%
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、この効果が飽和する。したがって、Ca含有量は0〜0.0050%であり、Mg含有量は0〜0.0050%であり、REM含有量は0〜0.0050%である。
上記化学組成はさらに、式(1)を満たす。
3C+0.04Cr<0.55 (1)
ここで、式(1)中の各元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。
上記化学組成はさらに、式(2)を満たす。
(55.85/50.94)V+(55.85/92.91)Nb>0.40 (2)
ここで、式(1)及び式(2)中の各元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。Nbが含有されない場合、式(2)中の「Nb」には「0」が代入される。
上述のマルテンサイト鋼材では、焼戻しマルテンサイトが主体のミクロ組織である。具体的には、ミクロ組織は、体積率で0〜5%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。フェライトの体積率及びオーステナイトの体積率はなるべく低い方が好ましい。好ましくは、ミクロ組織は、焼戻しマルテンサイト単相である。
上述のマルテンサイト鋼材の製造方法の一例を説明する。マルテンサイト鋼材の製造方法は、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。
上述の化学組成を有し、式(1)及び式(2)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。
準備された素材を加熱する。好ましい加熱温度は1000〜1300℃である。加熱温度の好ましい下限は1150℃である。
製造されたマルテンサイト鋼材に対して周知の方法で焼入れを実施する。焼入れ後の鋼材に対して、周知の方法で焼戻しを実施する。本実施形態のマルテンサイト鋼材は、Vの含有により鋼の強度が高くなっている。そのため、高温での焼き戻しを実施して降伏強度を低下する。具体的には、焼戻し温度を640〜780℃とする。この場合、焼入れ及び高温焼戻しにより、マルテンサイト鋼材の降伏強度を317〜621MPaに調整できる。焼戻し温度の好ましい下限は680℃であり、さらに好ましくは720℃である。
各試験材から、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(MPa)を求めた。降伏強度YSは0.2%耐力とした。得られた降伏強度YSを表2に示す。
各試験材から、厚さ12mm、幅20mm、長さ100mmの試験片を採取した。採取された試験片を用いて、NACE TM0284−2011に基づいて、HIC試験を実施した。具体的には、5%NaCl及び0.5%CH3COOHを含有し、1気圧のH2Sで飽和させた酢酸水溶液を試験液として準備した。準備された試験液に試験片を96時間浸漬した。浸漬後、各試験片中に発生したHICを超音波探傷法(Cスキャン)により測定して、インディケーション部分(HIC割れ発生部分)の面積を求めた。
CAR(%)=インディケーション部分の面積/投影面積×100
なお、投影面積は20mm×100mmとした。
各試験材から、厚さ2mm、幅10mm、長さ75mmの平滑4点曲げ試験片を採取した。4点曲げ試験片を用いて、硫化水素を含む試験液中で4点曲げ試験を実施した。具体的には、試験液として、5%のNaClと0.5%のCH3COOHとを含む水溶液(NACE−TM0177で規定されるSolution A)を準備した。試験中の4点曲げ試験片への付加応力は、実降伏応力の90%とした。1気圧のH2Sガスを飽和させた上記水溶液に上記付加応力を付加した試験片を336時間浸漬した。試験温度は24±3℃とした。
各試験材から試験片(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、30bar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。
表2を参照して、試験番号1〜8の化学組成は適切であり、式(1)及び式(2)を満たした。その結果、割れ面積率CARが0.5%以下であり、優れた耐HIC性を示した。さらに、SSCが観察されず、腐食速度も1.0g/(m2・h)以下であり、優れた耐SSC性及び耐炭酸ガス腐食性を示した。
Claims (6)
- 質量%で、
C:0.002〜0.05%、
Si:0.01〜1.0%、
Mn:0.1〜2.0%、
Cr:6.5〜10.5%、
sol.Al:0.001〜0.1%、
V:0.2〜1.5%、
Nb:0〜0.5%、
B:0〜0.0100%、
Cu:0〜1.0%、
Co:0〜1.0%、
Ta:0〜1.0%、
Ti:0〜0.100%、
Zr:0〜0.100%、
Ca:0〜0.0050%、
Mg:0〜0.0050%、及び、
希土類元素:0〜0.0050%を含有し、残部はFe及び不純物からなり、
不純物中のP、S、Ni、Mo及びWが各々、
P:0.03%未満、
S:0.01%未満、
Ni:0.03%未満、
Mo:0.02%未満、
W:0.02%未満、であり、
式(1)及び式(2)を満たし、
317〜621MPaの降伏強度を有する、マルテンサイト鋼材。
3C+0.04Cr<0.55 (1)
(55.85/50.94)V+(55.85/92.91)Nb>0.40 (2)
ここで、式(1)及び式(2)中の各元素記号には、対応する元素の含有量(質量%)が代入される。Nbが含有されない場合、式(2)中の「Nb」には「0」が代入される。 - 請求項1に記載のマルテンサイト鋼材であって、
Nb:0.01%〜0.5%、を含有する、マルテンサイト鋼材。 - 請求項1又は請求項2に記載のマルテンサイト鋼材であって、
B:0.0005〜0.0100%を含有する、マルテンサイト鋼材。 - 請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載のマルテンサイト鋼材であって、
Cu:0.01〜1.0%、
Co:0.01〜1.0%、及び、
Ta:0.01〜1.0%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、マルテンサイト鋼材。 - 請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載のマルテンサイト鋼材であって、
Ti:0.005〜0.100%、
Zr:0.005〜0.100%、
Ca:0.0005〜0.0050%、
Mg:0.0005〜0.0050%、及び、
希土類元素:0.0005〜0.0050%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、マルテンサイト鋼材。 - 請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載のマルテンサイト鋼材であって、
前記マルテンサイト鋼材は、油井用継目無鋼管である、マルテンサイト鋼材。
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