JPS6169947A

JPS6169947A - 耐硫化物応力割れ性の優れたマルテンサイト系ステンレス鋼

Info

Publication number: JPS6169947A
Application number: JP19377884A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Fujiwara; 藤原　和雄; Haruo Tomari; 泊里　治夫; Takenori Nakayama; 武典中山
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1984-09-13
Filing date: 1984-09-13
Publication date: 1986-04-10

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】近年、予想される石油資源の枯渇を考慮して、従来は殆
ど利用されていない高深度油井や酸性油井が開発される
に至っているが、これらの油井は鋼材に対する腐蝕性の
激しい塩化物や二酸化炭素、硫化水素を大量に含有する
ことが多いので、従来より油井管や坑口装置用材料とし
て使用されている炭素鋼や低合金鋼では使用に耐えず、
耐食性がよりすぐれた高合金材料が要請されている。

従来、一般に耐食性にすぐれた高合金鋼としては、１３
Ｃｒ系のマルテンサイトステンレス鋼、オーステナイト
・フエライトニ相ステンレス鋼、オーステナイト系高Ｎ
ｉ合金、Ｎｉ１合金、Ｃ。

基合金、Ｔｉ基合金等が知られているが、これらのなか
でも５ＵＳ４１０鋼や５ＵＳ４２０鋼のような１３Ｃｒ
系マルテンサイトステンレス鋼が二酸化炭素に対する耐
食性にすぐれると共に低度であることから、現在量も広
く使用されている。

しかし、このマルテンサイト系ステンレス鋼は、最大の
問題として二酸化炭素と共に硫化水素が共存する環境下
において硫化物応力割れを生じやすい欠点があり、特に
この欠点が高強度鋼において顕著であるため、従来より
高強度で且つ耐硫化物応力割れ性にすぐれたマルテンサ
イト系ステンレス鋼が強く要望されている。

このために、例えば、既に特開昭５８−１４７５４４号
公報には、１３Ｃｒ系マルテンサイト系ステンレス鋼を
基本組成とし、これにＡＡのほかにＭｏ、、Ｎｂ、Ｖ％
　Ｔｉ及びＺｒから選ばれる少なくとも１種の炭化物生
成元素を含有し、マルテンサイト地にフェライトを分散
させることによって二酸化炭素−硫化水素腐食環境下で
耐応力腐食割れ性を有する油井管用マルテンサイト系ス
テンレス鋼が提案されているが、尚その引張強さは８０
　ｋｇｆ／ｍｍ２に満たず、近年、要請されている高強
度下の観点からは十分ではない。

本発明者らは、一層高強度であると共に耐硫化物応力割
れ性にすぐれたマルテンサイト系ステンレス鋼を得るた
めに鋭意研究した結果、ＳＵＳ　４２０鋼、即ち、０．
２Ｃ−１３Ｃｒ鋼を基本組成とし、Ｎ量を規制すると共
に、これにＴｉ、Ｎｂ及び■よりなる群から選ばれる少
なくとも１種の元素を単独或いは複合添加し、その際、
これらの元素の添加量を更にＣ及びＮの合計量にて規制
することによって、耐硫化物応力割れ性にすぐれると共
に、引張強さが８０ｋｇｆ／ｍｍ２以上であって高強度
であるマルテンサイト系ステンレス鋼を得ることができ
ることを見出して本発明に至ったものである。

本発明による耐硫化物応力割れ性のすぐれたマルテンサ
イト系ステンレス鋼は、重量％で（ａｒｃ　　　０．１
０〜０．３０％、５ｉｌｏ％以下、Ｍｎ　　１．０％以下、Ｃｒ　　１２．５〜１３．５％、Ｎ　　　０．０２％以下、及び（ｂ）Ｔｉ、Ｎｂ及び■よりなる群から選ばれる少なく
とも１種又は２種以上を合計量にて０．１５〜０．５０
％を含有すると共に、（ｃｌＡ＝Ｔｉ％＋０．’５Ｎｂ％＋０．８Ｖ％と定義
するとき、０．２７６Ａ　＋　０．９９３≦Ｃ％＋Ｎ％≦０．３２
及び０．０７５≦Ａ≦０．５（但し、元素％は鋼における当該元素の重量％による含
有量を示す。）であり、残部鉄及び不可避的不純物よりなり、且つ、組
織が主として焼戻しマルテンサイトからなることを特徴
とする。

先ず、本発明によるマルテンサイト系ステンレス鋼にお
ける化学成分の限定理由について説明する。

Ｃはマルテンサイト系ステンレス鋼に強度を付与するた
めに必要な元素であり、特に高深度油井用の管材料とし
ての必要な強度を得るには、Ｔｉ、Ｎｂ及び／又は■の
添加料を考慮して、少なくとも０．１％以上を添加する
ことが必要である。即ち、Ｃ添加量が０．１％より少な
い場合は、Ｔｉ、Ｎｂ及び／又はＶを必須元素として添
加する本発明鋼においては、これら元素が炭化物を形成
して析出するため、高強度を付与するために必要とされ
るを効Ｃ量が少なくなり、必要な強度を維持することが
できないからである。一方、Ｃを０．３％を越えて多量
に添加するときは、鋼の耐硫化物応力割れ性を劣化させ
ると共に、焼戻し熱処理中に生じるＣｒ炭化物量が増加
し、一般耐食性に有効なＣｒ量が減少する結果、耐二酸
化炭素腐食性が損なわれるので、Ｃ添加量の上限は０．
３％とする。

Ｓｉ及びＭｎは、製鋼時に脱酸剤として添加されるが、
含有量がそれぞれ１％を越えるときは、鋼の加工性や靭
性を損なうようになるので、それぞれ上限を１％とする
。

Ｃｒは、ステンレス鋼として二酸化炭素に対する腐食性
を付与するために必須の元素であり、添加量が１２．５
％よりも少ないときは、鋼に十分な耐二酸化炭素腐蝕性
を与えることができず、一方、添加量が１３．５％を越
えるときは、上記効果が飽和すると共に、マルテンサイ
ト組織を維持するのが困難となる。従って、Ｃｒ添加量
は１２．５〜１３．５％の範囲とする。

Ｔｉ、Ｎｂ及びＶは、いづれも強力な炭化物生成元素で
あり、腐食によって発生した水素による脆化をこれら元
素の微細な析出物が抑制するので、鋼の耐硫化物応力割
れ性を改善するのに極めて効果があると同時に、Ｃｒ炭
化物の過剰な析出を抑え、更に、耐二酸化炭素腐食性の
維持向上にも効果がある。かかる効果を有効に発現させ
るためには、上記元素の少なくとも、１種又は２種以上
を合計量にて少なくとも０．１５％添加することを必要
とし、添加量がこの下限量よりも少ないときは、上記効
果の発現は期待できない。他方、いずれの元素について
も０．５％を越えて多量に含有させるときは、加工性及
び靭性を著しく劣下させる。従って、本発明鋼において
は、Ｔｉ、Ｎｂ及び■よりなる群から選ばれる少なくと
も１種又は２種以上をこれらの合計量にて０．１５〜０
．５０％の範囲とする。

Ｎは通常の大気溶製では鋼中に不可避的に含有される元
素であって、一般には、０．０２〜０．０５％含有され
る。本発明によるマルテンサイト系ステンレス鋼におい
ては、Ｎは、Ｔｉ、Ｎｂ及び／又は■と結合して窒化物
として析出し、微細な炭化物を析出させるために必要で
あるＴｉ、Ｎｂ及び■の有効量を消費することとなるの
で、Ｎ含有量は０．０２０％以下に制限する。

上記したように、Ｔ　ｌ　％　Ｎ　ｂ及び■はＣと炭化
物を形成し、また、Ｎと窒化物を形成するので、鋼に所
要の強度と耐硫化物応力割れ性とを同時に与えるために
、本発明鋼においては、Ｔ　１％　Ｎ　ｂ及び■の合計
添加量は、Ｃ％＋Ｎ％、即ち、Ｃ及びＮの合計量によっ
て規制される。即ち、本発明によれば、Ａ＝Ｔｉ％＋０
．５Ｎ　ｂ　％　＋　０．８Ｖ％で規定されるＴｉ、Ｎ
ｂ及び／又は■の添加量は、Ｃ及びＮの添加合計量に対
して次の関係を満足することが必要である。

０．２７６Ａ　＋　０．９９３≦Ｃ％　＋　Ｎ％≦０．
３２　　　　［１）及び０．０７５≦Ａ≦０　、５　　　　　　　　　　　　　
　＋２）（但し、元素％は鋼における当該元素の重量％
による含有量を示す。）上記条件を図面に基づいて説明すると、条件（１）及び
（２）は元素量が閉領域ＡＢＣＤ内にあることを意味し
、条件（１）において、Ｃ％＋Ｎ％が０．３２％以下で
あることは、前記したＣ及びＮについてのそれぞれの上
限値から導かれる。Ｃ％＋Ｎ％が直線ＡＢより上方にあ
るときは、鋼に硫化物応力割れが発生する。他方、Ｃ％
＋Ｎ％が直線ＣＤより下方にあるときは、鋼の強化に必
要なＣ量が不足するために、盾には硫化物応力割れは発
生しないが、強度が著しく劣る。更に、Ｔｉ、Ｎｂ及び
■の添加量が直線ＡＣより左方にあるときは、これらの
元素についての前記説明から明らかなように、耐硫化物
応力割れ性を鋼に付与し得す、直線ＢＤよりも右方にあ
るときは、鋼が加工性及び靭性に劣る。

以上のように、本発明によれば、１３Ｃｒ系マルテンサ
イト鋼においてＮ量を規制すると共に、Ｔｉ、　Ｎｂ及
びＶよりなる群から選ばれる少なくとも１種を添加し、
更に、Ｃ及びＮ量の合計量に対してこれら元素の添加量
を制御することにより、８０　ｋｇｆ／ｍｍ”以上の高
い引張強さを有すると共に、耐硫化物応力割れ性にすぐ
れたマルテンサイト系ステンレス鋼を得ることができる
。

本発明によるマルテンサイト系ステンレス鋼は、例えば
、通常の高周波誘導炉により大気溶製し、ＶＯＤ法によ
って炉外精錬した後、得られた鋼塊を熱間鍛造又は熱間
分塊圧延して鋼管用ビレットとすることにより製造され
る。この後、熱間押出法によって鋼管を製造し、これを
焼入れ焼戻し熱処理を施こすことにより、所定の強度を
有する油井管を製造する。

以下に本発明の詳細な説明する。

実施例第１表に示す化学成分組成を有するように、通常の溶製
法により各種網を溶製し、これらの鋼を熱間鍛造し、又
は熱間圧延して得られた鋼板に焼入れ焼戻し処理を施し
た後、機械加工により厚さ１．５寵、幅１５ｔｍ、長さ
６５＋ｎの試験片を切出し、次の２種類の腐食試験に供
した。

尚、引張特性は、９５０℃から焼入れ、７００℃での焼
戻しの熱処理を施した試料について測定したものであり
、腐食試験には同様の処理条件のものを用いた。

（１）上記短冊状の試験片を４点支持応力負荷冶具によ
り、それぞれの試験片の耐力値の１００％の応力を負荷
し、硫化水素を飽和させた０、２％塩素イオン水溶液に
室温で４週間浸漬することにより、硫化物応力割れ性感
受性を試験した。

（２）上記短冊状の試験片を０．２％塩素イオン水溶液
を入れたオートクレーブ内の液相部に浸漬し、気相部の
二酸化炭素分圧を３０気圧、硫化水素分圧を０．１気圧
に調製した後、１５０　’Ｃに昇温して、２週間保持す
ることにより、耐全面腐食性を試験した。

これらの腐食試験の結果を図面及び第２表に示す。図面
において、Ｏは硫化物応力割れを生じなかった鋼を、×
は硫化物応力割れを生じた鋼を、また、・は硫化物応力
割れを生じなかったが、強度が著しく低い鋼を示す。

従って、本発明鋼は比較鋼に比していずれも引張強さが
８０ｋｇｆ７ｍｍ”以上であって、高強度であるにもか
かわらず、耐硫化物応力割れ性に極めてすぐれており、
また、耐全面腐食性も概ね比較鋼と同等以上であること
が明らかである。

即ち、比較鋼１０は５ＵＳ４２０鋼であり、硫化物応力
割れが発生する。比較鋼１１はＣｒ含有量が本発明で規
定する下限量より小さい代わりに、Ｍｏを添加してなる
鋼であり、硫化物応力割れは発生しないが、全面腐食が
著しい。尚、これら比較ｍｉｏ及び１１はいずれも引張
強さが８０ｋｇｆ／ｍｍ２に満たない。比較鋼１２はＣ
量が過剰であるので強度は大きいが、耐硫化物応力割れ
性及び耐全面腐食性のいずれにも劣る。比較鋼１３には
Ｎが本発明で規定するよりも過多に含有されているので
、耐硫化物応力割れが発生する。比較鋼１４及び１５は
Ｔｉ及びｖｌがそれぞれ過少であって、条件（２）を満
たしていないので、いずれも耐硫化物応力割れ性に劣る
。比較鋼１６．１７及び１８は条件＋１１を満たさない
ので、腐食割れ性には優れるが、引張強さがいずれも８
０ｋｇｆ／ｍｍ”に満たない。

【図面の簡単な説明】

図面は、本発明鋼及び比較鋼について、Ｃ％＋Ｎ％、Ｔ
ｉ％＋０．５Ｎｂ％＋０．８Ｖ％及び硫化物応力割れと
の関係を示すグラフである。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）重量％で（ａ）Ｃ０．１０〜０．３０％、Ｓｉ１．０％以下、Ｍｎ１．０％以下、Ｃｒ１２．５〜１３．５％、Ｎ０．０２％以下、及び（ｂ）Ｔｉ、Ｎｂ及びＶよりなる群から選ばれる少なく
とも１種又は２種以上を合計量にて０．１５〜０．５０
％を含有すると共に、（ｃ）Ａ＝Ｔｉ％＋０．５Ｎｂ％＋０．８Ｖ％と定義す
るとき、０．２７６Ａ＋０．９９３≦Ｃ％＋Ｎ％≦０．３２及び０．０７５≦Ａ≦０．５（但し、元素％は鋼における当該元素の重量％による含
有量を示す。）であり、残部鉄及び不可避的不純物よりなり、且つ、組
織が主として焼戻しマルテンサイトからなることを特徴
とする耐硫化物応力割れ性に優れたマルテンサイト系ス
テンレス鋼。