JP2554636B2

JP2554636B2 - 耐硫化物応力腐食割れ性の優れた鋼材の製造方法

Info

Publication number: JP2554636B2
Application number: JP61237988A
Authority: JP
Inventors: 明彦高橋; 健寺沢; 亘史野村
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1986-10-08
Filing date: 1986-10-08
Publication date: 1996-11-13
Anticipated expiration: 2011-11-13
Also published as: JPS6393822A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は60〜85Kg/mm²の降伏強度を有し、かつ、硫化
物応力腐食割れに対する優れた抵抗を有する油井管用と
して有用な鋼材の製造方法に関するものである。

〔従来の技術〕

近年、硫化水素を含む油田の開発がさかんに行われる
ようになったことに伴い、硫化物応力腐食割れ抵抗の高
い、高強度鋼を低合金成分系で製造することへの要求が
高まってきている。

硫化物応力腐食割れは、硫化水素を含む環境中で、鋼
表面の腐食反応により生じた水素が、鋼中に侵入し、鋼
組織を脆化させることにより生じる一種の水素脆性であ
ると考えられている。

従来、硫化物応力腐食割れを防止するために、有害と
考えられる鋼中の不純物を、工業的規模で可能な程度に
低減した上、（１）焼入れ、焼もどしにより、均一なマ
ルテンサイト組織を得る方法。（２）いわゆる恒温変態
を生ぜしめ、下部ベイナイト組織を得る方法（例えば特
開昭59−110721号公報）が、有効であると考えられ、一
応の成果を上げてきた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、以上の方法には、次の様な欠点をそれぞれ有
している。

（１）本発明が対象とする成分系に焼入れを施し、マル
テンサイト変態を起こさせた場合、焼入れままの強度は
概ね100Kg/mm²程度となり、所望の強度である60〜80Kg/
mm²に対して、高強度に過ぎ、金属組織には過大な転位
が導入された状態となる。

そこで一般に焼もどしを行い過大な歪を緩和して、適
正強度に調整を行うが、この際、セメンタイト等の炭化
物が、焼入れ前状態の旧オーステナイト粒界に沿って優
先的に析出、凝集して、焼もどし後の炭化物分布が不均
一になってしまう。

一方、耐硫化物応力腐食割れ抵抗を高めるためには、
割れの発生起点であるミクロな応力集中サイトとしての
炭化物分布を、できる限り均一かつ微細に分布させるこ
とが必要である。

従って、焼もどしマルテンサイト組織では、炭化物の
均一分布化に限界があるため、自ずと耐硫化物応力腐食
割れ抵抗と高強度とを併せ持つ鋼材を製造するに当って
限界が生じていた。

（２）焼入れ過程の後半の温度範囲（500℃〜300℃）を
通過する時間を制御して、恒温変態ベイナイトを生ぜし
め、過度の歪導入を避け、焼もどし過程における炭化物
分布を均一にする工夫が行われてきた。

しかし、このような方法は、恒温または除冷処理を必
要とするため、いわゆる耐サワー油井管のような単重の
小さな鋼材を工業的に生産する場合には、生産性の低い
方法であると言わざるを得ない。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は上記従来技術の欠点を有利に解消するもの
で、連続冷却によりベイナイト変態を生ぜしめ、しかも
耐硫化物応力腐食割れ性を高めるために、冷却速度を成
分とオーステナイト化条件により規定される範囲内に制
御するというものである。

すなわち、本発明は、重量％で、C:0.2超〜0.4％、S
i:0.1〜1.0％、Mn:0.3〜3.0％、Al:0.005〜0.10％、Nb:
0.01〜0.10％を含み、残部鉄及び不可避的不純物より成
る鋼、または上記５成分に加え、さらに、Cr:0.10〜3.0
0％、Mo:0.10〜1.00％、Ni:0.10〜3.5％、Cu:0.10〜1.5
％、Ti:0.01〜0.10％、V:0.01〜0.10％、B:0.0002〜0.0
02％、Ca:0.005〜0.010％、REM:0.001〜0.020％の１種
または２種以上を含み、残部鉄及び不可避的不純物より
成る鋼を、Ac₃点以上のオーステナイト温度域に加熱
後、冷却に際して、800℃〜500℃の温度範囲を次式 logV＝6.61−（3.80C＋1.07Mn ＋0.70Ni＋0.57Cr＋1.58Mo ＋0.0032P＋1.07α）ここで、V:冷却速度℃/S Ｃ、Mn、Ni、Cr、MoはWt％で表した組成、Ｐはオース
テナイト化温度℃、α:B添加で１、Ｂ無添加で０、で表されるＶ℃/S以上かつＶ＋15℃/S以下の冷却速度で
冷却後、引き続き室温から200℃まで連続的に冷却し、
ベイナイト組織を生ぜしめ、400〜Ac₁の温度にて焼もど
しを行うことを特徴とする耐硫化物応力腐食割れ性の優
れた鋼材の製造方法である。

〔作用〕

高強度でかつ耐硫化物応力腐食割れ性を得るには組織
をベイナイトとし、しかも、焼もどし後の炭化物を均一
微細に分布させることが有効である。

本発明者らは、種々の成分、加熱条件、冷却条件を組
合せ、耐硫化物応力腐食割れ性に優れた組織の研究を行
った結果、CCT図においてフェライトノーズを通過する
冷却速度（本発明ではＶと表記）〜（Ｖ＋15）℃/Sの間
の冷却速度で冷却することにより生じたベイナイト組織
が、従来のマルテンサイト組織や（Ｖ＋15）℃/Sより大
きな冷却速度で冷却したベイナイト組織よりも、均一微
細な炭化物分布を、焼もどし後に示し、耐硫化物応力腐
食割れ性に優れることを見出した。

すなわち、本発明は、耐硫化物応力腐食割れ性に有効
な均一微細炭化物分布を有するベイナイト組織を得るに
必要な合金元素と、オーステナイト化後の冷却条件を組
み合せたことを骨子とする高強度耐応力腐食割れ鋼の製
造方法である。

次に本発明における成分の限定理由について述べる。

Ｃは、0.4％以上では、マルテンサイトおよび炭化物
量が増し、耐硫化物応力腐食割れ性が劣化する。0.10％
以下では、フェライトが出現しやすくなり、均一ベイナ
イトとなり難い。

Siは脱酸あるいは強度調整用として添加する。0.1％
以下では脱酸が不足し、１％以上では脆化現象が生じ
る。

Mnは、焼入性を増し、ベイナイト組織を得るために0.
3％以上必要である。また3.0％以上では、マルテンサイ
ト組織となる。

Alは脱酸のための必要量0.005〜0.10％を添加する。N
bは微粒化およびベイナイト組織となすため0.01〜0.10
％添加する。

Cr、Mo、Ni、Cu、Ｂはベイナイト生成作用に有用な範
囲で添加し、またTi、Ｖは、細粒化に有効な範囲で添加
するもので、さらにCa、REMは、硫化物の形態制御に有
効な範囲で添加するものであり、それぞれ Ci:0.10〜3.00％ Mo:0.10〜1.00％ Ni:0.10〜3.5％ Cu:0.10〜1.5％ B:0.0002〜0.002％ Ti:0.01〜0.10％ V:0.01〜0.10％ Ca:0.005〜0.010％ REM:0.001〜0.020％の１種または２種以上を添加する。

次に本発明におけるオーステナイト化後の冷却条件に
ついて述べる。

所望の強度である60〜85Kg/mm²の降伏応力を得るため
には、組織をベイナイト組織とする必要がある。

一方耐硫化物応力腐食割れ抵抗を高めるためには、ベ
イナイト均一組織が望ましい。Ｖは、ベイナイト均一組
織を得るための尺度で、CCT図上でフェライトノーズを
通過する臨界の冷却速度であり、成分と、オーステナイ
ト化条件により次式で表されるものである。

logV＝6.61−（3.80C＋1.07Mn ＋0.70Ni＋0.57Cr＋1.58Mo ＋0.0032P＋1.07α）ここで、V:冷却速度℃/S Ｃ、Mn、Ni、Cr、MoはWt％で表した組成、Ｐはオース
テナイト化温度℃、α:B添加で１、Ｂ無添加で０、従ってＶ℃/S以上の冷却速度で冷却することにより、
高強度均一ベイナイト組織が得られる。また冷却速度を
（Ｖ＋15）℃/S以内に制御する理由は以下によるもので
ある。

従来技術に関する説明の部分でも触れたが、800〜500
℃の温度範囲の冷却速度を（Ｖ＋15）℃/S以上として、
ベイナイト組織あるいはマルテンサイト組織を得た場合
には、所望の強度以上の過度の強度が得られ、適正な温
度まで焼もどしを行う過程において、炭化物の析出、粗
大化が起こり、耐硫化物応力腐食割れ性にとって不利な
組織となる。

しかし、800〜500℃の温度範囲を（Ｖ＋15）℃/S以下
の冷却速度で冷却した場合には、冷却過程における歪導
入を最低限に抑えることができ、焼きもどしにおいて、
緩和すべき歪量が低減されるため、焼もどし後も、冷却
直後の微細な炭化物分布を維持することが可能となる。

焼もどし温度の限定理由は次の通りである。焼もどし
は、耐硫化物応力腐食割れ性に有害な内部応力除去のた
め必須であり、その有効焼もどし範囲として400℃〜Ac₁
までとする。

〔実施例〕

第１表に本発明鋼の化学成分と、ベイナイト生成臨界
冷却速度Ｖを示す。第２表に、第１表で示した鋼に本発
明の冷却を適用した３条件（〜）と、比較例２条件
（〜）を合せて示す。

第１図に〜の冷却ままおよび、図中（）内で示
した各温度に、それぞれ30分間加熱、空冷後の降伏応力
を示す。いま、焼もどし後の目標、降伏応力を77Kg/mm²
とすると、冷却速度がＶ以下のでは、冷却ままでも目
標降伏応力を達成できず、高強度化すら難しい。

そこでを除いた、、、について、それぞれ
焼もどし温度を変化させ、降伏応力を77Kg/mm²にそろえ
て、定荷重式、SSC試験を行い、耐硫化物応力腐食割れ
性の評価を行った。

試験条件は、負荷応力:0.80×（降伏応力）腐食液:0.5％CH₃COOH＋５％NaCl H₂S飽和、25℃ 比液量:30ml/cm² ここで、破断寿命500時間以上のものを耐硫化物応力
腐食割れ性に優れると見なす。

第２図に、破断寿命と冷却速度の関係を示す。

本発明条件では、いずれも破断寿命が500時間以上で
あるのに対して、本発明条件を逸脱した場合には、破断
寿命が急激に低下する。

〔発明の効果〕本発明により、高強度でかつ耐応力腐食割れ性に優れ
た鋼材を製造することができるので工業的効果は甚大で
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、オーステナイト化後の冷却過程における冷却
速度により、冷却ままの降伏応力が変化し、各焼もどし
により、それぞれ降伏応力を焼77Kg/mm²に調整できるこ
とを示す図表、第２図は、第１図で焼もどし行った場合
について、定荷重式SSC試験において、破断寿命が冷却
速度により変化することを示す図表である。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、 C:0.2超〜0.4％ Si:0.1〜1.0％ Mn:0.3〜3.0％ Al:0.005〜0.10％ Nb:0.01〜0.10％を含み、残部鉄及び不可避的不純物より成る鋼を、Ac₃
点以上のオーステナイト温度域に加熱後、冷却に際し
て、800〜500℃の温度範囲を次式で表されるＶ℃/S以上
かつＶ＋15℃/S以下の冷却速度で冷却後、引き続き室温
から200℃まで連続的に冷却し、ベイナイト組織を生ぜ
しめ、400℃〜Ac₁の温度にて焼もどしを行うことを特徴
とする耐硫化物応力腐食割れ性の優れた鋼材の製造方
法。 logV＝6.61−（3.80C＋1.07Mn＋0.70Ni＋0.57Cr ＋1.58Mo ＋0.0032P＋1.07α）ここで、V:冷却速度℃/S C,Mn,Ni,Cr,Moはwt％で表した組成、Ｐはオーステナイ
ト化温度℃、 α:B添加で１、Ｂ無添加で０。
【請求項２】重量％で、 C:0.2超〜0.4％ Si:0.1〜1.0％ Mn:0.3〜3.0％ Al:0.005〜0.10％ Nb:0.01〜0.10％を含み、さらに、 Cr:0.10〜3.00％ Mo:0.10〜1.00％ Ni:0.10〜3.5％ Cu:0.10〜1.5％ Ti:0.01〜0.10％ V:0.01〜0.10％ B:0.0002〜0.002％ Ca:0.005〜0.010％ REM:0.001〜0.020％の１種または２種以上を含み、残部鉄及び不可避的不純
物より成る鋼を、Ac₃点以上のオーステナイト温度域に
加熱後、冷却に際して、800〜500℃の温度範囲を次式で
表されるＶ℃/S以上かつＶ＋15℃/S以下の冷却速度で冷
却後、引き続き室温から200℃まで連続的に冷却し、ベ
イナイト組織を生ぜしめ、400℃〜Ac₁の温度にて焼もど
しを行うことを特徴とする耐硫化物応力腐食割れ性の優
れた鋼材の製造方法。 logV＝6.61−（3.80C＋1.07Mn＋0.70Ni＋0.57Cr ＋1.58Mo ＋0.0032P＋1.07α）ここで、V:冷却速度℃/S C,Mn,Ni,Cr,Moはwt％で表した組成、Ｐはオーステナイ
ト化温度℃、 α:B添加で１、Ｂ無添加で０。