JPS6354765B2

JPS6354765B2 -

Info

Publication number: JPS6354765B2
Application number: JP10618483A
Authority: JP
Inventors: Teruo Kaneko; Akio Ikeda; Terutaka Tsumura
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1983-06-14
Filing date: 1983-06-14
Publication date: 1988-10-31
Also published as: JPS59232220A

Description

【発明の詳細な説明】

この発明は、油井或いはガス井用鋼管材として
好適な、特に、いわゆるサワー油井やサワーガス
井に適用して優れた効果を発揮するところの、硫
化物腐食割れ（以下、SSCCと略称する）に対し
て高い抵抗性を有する高強度鋼の製造方法に関す
るものである。 SSCCはは、前記サワー油井やサワーガス井等
の硫化水素を含む湿潤な環境（サワー環境）下で
使用される鋼材に応力が作用して生ずる現象であ
り、一般に、材料硬度（例えば降伏強度）が高く
なるほど耐SSCC性は劣化することが知られてい
て、高強度材では極く小さな応力が作用しても割
れを生ずることが確認されている。そして、従来からの多くの研究や実際の経験か
ら、鋼材のSSCCを防止するには、その強度をロ
ツクウエルＣスケール硬度（H_RＣ）で20〜22程
度以下に規制するのが有効であるとされており、
従つてサワー環境に適用される鋼材は、通常、前
記硬度に対応した70Kgｆ／mm²以下の降伏強度のも
のに制限されざるを得なかつた。しかしながら、近年のエネルギー事情は地層深
層部の油田、ガス田にまで開発の手を伸ばすこと
を要求するようになつてきており、油井やガス井
の深さ増大から、これらに使用する油井管等の鋼
材強度の上昇が切実に叫ばれているのが現状であ
つた。そこでこれらの要求に応えるため、Ti―Ｂ添
加鋼を急速加熱後焼入れし、更に焼もどすことに
よつて高強度と優れた耐SSCC性を兼ね備えた鋼
の製造方法（特開昭52−52114号公報）や、Cr―
Mo添加鋼を急速加熱後焼入れし、更に焼もどす
ことによつて高強度と優れた耐SSCC性を兼ね備
えた鋼の製造方法（特開昭54−119324号公報）等
も提案されたが、いずれも高強度化に限界があり
（サワー環境下では、降伏強度を75Kgｆ／mm²より
も小さくしないとSSCCを生ずる）、しかも割れ
限界応力比が75％未満にしか達しないものであつ
た、ここで「割れ限界比」とは、サワー環境下で
SSCCを発生しない最高応力と材料の降伏強度と
の比を百分率で表わしたものである。本発明者等は、上述のような観点から、降伏強
度で75Kgｆ／mm²以上の強度を有するとともに、割
れ限界比が90％以上という、極めて高い強度を有
する上に耐SSCC性にも優れた、従来不可能とさ
れていた高強度鋼をコスト安く製造すべく長年に
わたつて研究を重ねた結果、 (a) Ｐ及びＳの含有量を特定の値に抑えて粒界偏
析や介在物を減少させたＣ―Mn―Cr―Mo系
の鋼を、２度にわたつて繰返し焼入れ処理した
後、焼もどしすると、Cr及びMoによる強度上
昇作用、低Ｐ及び低Ｓによる耐食性向上効果、
繰返し焼入れによる偏析元素の分散化と組織の
均一化作用、同じく繰返し焼入れによる介在物
の球状化作用、焼戻しによるマルテンサイトの
内部応力除去作用、セメンタイトの球状化作用
及び耐食性向上作用等が相互に絡み合つて、降
伏強度：75Kgｆ／mm²以上の高強度を有するとと
もに、90％以上の割れ限界応力比をも有する極
めて優れた耐SSCC鋼材が得られること、 (b) 前記繰返し焼入れの際、第１回目の焼入れの
後にも焼もどしを行うと、第１回目の焼入れに
よる歪が十分に除去されて置き割れが防止され
る上、第２回目の焼入れ効果が一層向上し、よ
り均一な組織を有する耐SSCC性に一段と優れ
た鋼材が得られること、を知見するに至り、更に実験・検討を繰返した
ところ、 (c) 前記繰返し焼入れの際、第２回目の焼入れ時
の加熱を高周波誘導加熱等によつて、Ac₁変態
点〜Ac₃変態点までの温度範囲の平均昇温速
度：10〜50℃／secの条件にすると、鋼材の結
晶粒が更に微細化し、より優れた耐SSCC性能
を付与できる、ことを確認したのである。この発明は、上記知見に基づいてなされたもの
であり、Ｃ：0.15〜0.40％（以下、成分組成割合を示す
％は重量％とする）、 Si：0.1〜1.0％、Mn：0.3〜1.0％、 Cr：0.1〜1.5％、Mo：0.1〜1.0％、 Al：0.01〜0.10％、Ｐ：0.015％以下、Ｓ：0.005以下、Ｎ：0.003〜0.015％、を含有するとともに、必要に応じて更に、 Nb：0.01〜0.10％、Ｖ：0.01〜0.10％、 Ti：0.005〜0.050％、Ｂ：0.0001〜0.0050％、 Ca：0.0005〜0.0100％、 Cu：0.1〜0.5％、の１種以上をも含み、 Fe及びその他の不可避不純物：残り、から成る成分組成の鋼を、Ac₃変態点以上結晶粒
粗大化開始温度未満の温度域から焼入れし、必要
に応じて〔Ac₁変態点―50℃〕以下の温度で焼戻
した後、再びAc₃変態点以上結晶粒粗大化開始温
度未満の温度域にまで加熱し、該温度域から再度
焼入れして、その後Ac₁変態点以下の温度で焼戻
すことにより、降伏強度：75Kgｆ／mm²以上の強度
を有し、割れ限界比が90％以上という優れた耐
SSCC性を備えた高強度鋼を得る点に特徴を有す
るものである。次に、この発明において、鋼の化学成分組成及
び熱処理条件を前記のように限定した理由を説明
する。Ａ鋼の化学成分組成ａ○ ＣＣ成分には、鋼の強度を確保する作用のほか、
焼入れ性や焼戻し抵抗性を向上することにより均
一焼入れ組織化、高温焼戻し均一組織化を促進し
て耐SSCC性を向上する作用をも有しているが、
その含有量が0.15％未満では前記作用に所望の効
果が得られず、他方0.40％を越えて含有させると
熱処理時の焼割れ発生、或いは靭性劣化を来たす
こととなるので、Ｃ含有量を0.15〜0.40％と定め
た。ｂ○ Si Si成分には、鋼の脱酸剤としての作用のほか、
鋼材強度を向上する作用があるので0.1％以上の
添加を必要とするものであるが、1.0％を越えて
含有させると靭性の劣化を来たすようになること
から、Si含有量を0.1〜1.0％と定めた。ｃ○ Mn Mn成分にも、鋼の脱酸剤としての作用があ
り、そのほか強度及び靭性を向上せしめる作用を
も有しているが、その含有量が0.3％未満では前
記作用に所望の効果が得られず、他方、1.0％を
越えて含有させると鋼の靭性を劣化するようにな
ることから、Mn含有量を0.3〜1.0％と定めた。ｄ○ Cr Cr成分には、鋼の強度を増加し、また焼戻し
抵抗性を高める作用があるが、その含有量が0.1
％未満では前記作用に所望の効果を得ることがで
きず、他方1.5％を越えて含有させると鋼の靭性
劣化を来たすようになることから、Cr含有量を
0.1〜1.5％と定めた。ｅ○ Mo Mo成分には、鋼の焼戻し抵抗性を高める作用
があるが、その含有量が0.1％未満では前記作用
に所望の効果を得ることができず、他方1.0％を
越えて含有させると鋼の靭性劣化を来たすように
なるので、Mo含有量を0.1〜1.0％と定めた。ｆ○ Al Al成分は鋼の脱酸剤として有用な元素であり、
また鋼中のＮと結合して窒化物を形成することに
よつてＢの作用を有効化するものであるが、その
含有量が0.01％未満では所望の効果を得ることが
できず、他方0.10％を越えて含有させると介在物
の増加を招いて鋼を脆化するようになることか
ら、Al含有量を0.01〜0.10％と定めた。ｇ○ ＰＰは鋼中に不可避的に随伴される不純物であ
り、少なければ少ない程良好なものであるが、特
にその含有量が0.015％を越えると耐SSCC性を劣
化する上、焼割れ感受性も高くなることから、そ
の含有量を0.015％以下と定めた。ｈ○ ＳＳも鋼中に不可避的に随伴される不純物であり
少ないほど良好なものであるが、特にその含有量
が0.005％を越えると、やはり耐SSCC性を著しく
劣化するようになることから、Ｓ含有量を0.005
％以下と定めた。ｉ○ ＮＮ成分には、窒化物を形成して鋼の粒成長を抑
制し、組織を均一化する作用があるが、その含有
量が0.003％未満では前記作用に所望の効果が得
られず鋼材靭性を劣化することとなり、他方、
0.015％を越えて含有させるとＢ添加の効果を減
少して焼入れ性劣化を招くようになるので、Ｎ含
有量を0.003〜0.015％と定めた。ｊ○ Nb、及びＶこれらの成分には、オーステナイト粒を微細化
し、焼戻し抵抗性を向上する作用があるので必要
に応じて添加含有せしめられるものであるが、
Nb及びＶの含有量がそれぞれ0.01％未満では前
記作用に所望の効果が得られず、他方、それぞれ
の含有量が0.10％を越えてもより以上の向上効果
を得られないばかりか、靭性低下を招くようにな
ることから、Nb及びＶの含有量をそれぞれ0.01
〜0.10％と定めた。ｋ○ Ti Ti成分には、Ｂとともに鋼の焼入れ性を向上
し、焼戻し抵抗性を高める作用があるので必要に
応じて添加含有せしめられるものであるが、その
含有量が0.005％未満では前記作用に所望の効果
を得ることができず、他方0.050％を越えて含有
させると炭窒化析出物の増加による靭性劣化を招
くこととなるので、Ti含有量を0.005〜0.050％と
定めた。ｌ○ ＢＢ成分には、鋼の焼入れ性向上、オーステナイ
ト粒の微細化、焼戻し抵抗性の向上等の作用があ
り、必要に応じて0.0001％以上を含有せしめられ
るものであるが、その含有量が0.0050％を越えて
も更なる向上効果を得ることができないばかりで
なく、靭性低下を来たすこととなるので、Ｂ含有
量を0.0001〜0.0050％と定めた。ｍ○ Ca Ca成分には、硫化物系介在物を球状化させ耐
SSCC性を向上させる作用があるので、必要に応
じて0.0005％以上添加されるものであるが、その
含有量が0.0100％を越えると介在物が増加して靭
性劣化を来たすようになることから、Ca含有量
を0.0005〜0.0100％と定めた。ｎ○ Cu Cu成分には、鋼の耐食性を向上させる作用が
あるので、必要に応じて0.1％以上含有せしめら
れるものであるが、0.5％を越えて含有させると
高温割れを発生するようになることから、Cu含
有量を0.1〜0.5％と定めた。Ｂ熱処理条件ａ○ 焼入れ温度第１回目及び第２回目の焼入れとも、焼入れ温
度がAc₃変態点よりも低いと（α＋γ）の２相域
焼入れとなるので鋼材組織が不均一となり、他方
焼入れ温度が結晶粒粗大化開始温度以上になると
得られる鋼材に所望の細粒組織を得ることができ
なくなつて耐SSCC性劣化を来たすことから、焼
入れ温度をAc₃変態点以上結晶粒粗大化開始温度
未満と定めた。なお、第２回目の焼入れの際に、Ac₁変態点〜
Ac₃変態点の平均昇温速度を10〜50℃／secとす
ることが、耐SSCC性能を高める上で好ましいこ
とである。このとき、昇温速度が10℃／sec未満
では、細粒化の程度が小さくなつて耐SSCC性向
上に対する効果が幾分低くなり、また昇温速度が
50℃／secを越えるとオーステナイト粒が粗大化
して混粒となるため、やはり耐SSCC性が低下傾
向をみせるからである。ｂ○ 第１回目の焼入れ後の焼戻し温度第１回目の焼入れ後の焼戻し温度が〔Ac₁変態
点―50℃〕の値を越えると製品の細粒化効果が小
となり、強度不足を来たすこととなるので、該焼
戻し温度を〔Ac₁変態点―50℃〕以下と定めた。ｃ○ 第２回目の焼入れ後の焼戻し温度第２回目の焼入れ後の焼戻しは、焼入れによつ
て生成されたマルテンサイトを十分焼戻すことで
マルテンサイトの内部応力の除去やセメンタイト
の球状化を図り、耐食性を向上させるためのもの
であつて、焼戻し温度の下限は特に限定しないが
この温度は高いほど良結果を得ることができる。
しかしながら、該温度がAc₁変態点を越えるとＣ
やMn等の濃縮したオーステナイトが生成され、
冷却時に島状マルテンサイトができ耐SSCC性に
悪影響を及ぼすことから、第２回目の焼入れ後の
焼戻し温度をAc₁変態点以下と定めた。次に、この発明を実施例により、比較例と対比
しながら説明する。実施例１まず、常法によつて第１表に示される如き化学
成分組成の本発明対象鋼Ａ〜Ｍ、及び比較鋼Ｎ〜
Ｓを溶製した。次いで、これらの鋼のそれぞれに熱間圧延を加

【表】 (注) ＊印は、本発明の条件から外れていることを
示す。

【表】

【表】えて第２表に示す厚さの板材とし、更に同じく第
２表に記号Ｘ及びＹで示す条件の熱処理を施して
から、その降伏強度並びに割れ限界応力比を調べ
た。この結果も第２表に併せて示した。なお、第２表において、記号Ｘは、 (i) 920℃×30min加熱後水焼入れ、 (ii) 920℃×10min加熱後水焼入れ、 (iii) 700℃×30min加熱後空冷の焼戻し、以上(i)〜(iii)の工程で示される一連の熱処理を示
すものであり、記号Ｙは、 (i) 920℃×30min加熱後水焼入れ、 (ii) 加熱速度：30℃／secで920℃まで加熱後、直
ちに水焼入れ、 (iii) 700℃×30min加熱後空冷の焼戻し、以上(i)〜(iii)の工程で示される一連の熱処理を示
すものである。そして、割れ限界応力比は次のようにして測定
した。即ち、第１図に示されるように、熱処理終了後
の各鋼板から切り出した平行部：6.4minφの丸棒
引張り試験片１を試験容器２内に保持し、この試
験容器２内をH₂S飽和0.5％酢酸―５％食塩水溶
液で満たすとともに丸棒引張り試験片１に重錘３
にて一定荷重を加え、720時間内で割れ生じない
最大応力を求め、これをSSCC限界応力とする方
法によつた。なお、第１図中にて符号４で示され
るものはH₂Sガス流路内のコツクであり、符号５
で示されるものは前記水溶液循環ポンプ、符号６
で示されるものは該水溶液貯蔵タンクである。第２表に示される結果からも、本発明法によれ
ば降伏強度で75Kgｆ／mm²以上の高強度を有すると
ともに割れ限界応力比が90％以上という優れた耐
SSCC性を有する鋼が得られるのに対して、鋼の
成分が本発明の範囲から外れた比較法では所望の
特性を達成できないことが明らかである。実施例２実施例１における第１表中の鋼Ａに対して第３
表に示す如き熱処理を施した。このようにして得られた鋼の降伏強度及び割れ

【表】

【表】 (注) ＊印は、本発明範囲から外れていることを示す
。
限界応力比を実施例１と同様にして調べ、その結
果を第３表に併せて示した。第３表に示される結果からも、本発明法によれ
ば降伏強度で75Kgｆ／mm²以上の高強度を有すると
ともに割れ限界応力が90％以上という優れた耐
SSCC性を有する鋼が得られるのに対して、熱処
理条件が本発明範囲から外れた比較法では所望の
特性を達成できないことがわかる。上述のように、本発明によれば、優れた耐
SSCC性を有する高強度鋼をコスト安く製造する
ことができ、深層にしてサワー環境という荷酷な
条件下に存在する天然資源の開発が可能となるな
ど、工業上有用な効果がもたらされるのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は鋼の割れ限界応力比を測定する装置の
概略模式図である。図面において、１……丸棒引張り試験片、２…
…試験容器、３……重錘、４……コツク、５……
ポンプ、６……溶液貯蔵タンク。

Claims

【特許請求の範囲】１重量割合で、Ｃ：0.15〜0.40％、Si：0.1〜1.0％、 Mn：0.3〜1.0％、Cr：0.1〜1.5％、 Mo：0.1〜1.0％、 Al：0.01〜0.10％、Ｐ：0.015％以下、Ｓ：0.005％以下、Ｎ：0.003〜0.015％、を含有するとともに、必要に応じて更に、 Nb：0.01〜0.10％、Ｖ：0.01〜0.10％、 Ti：0.005〜0.050％、Ｂ：0.0001〜0.0050％、 Ca：0.0005〜0.0100％、 Cu：0.1〜0.5％、のうちの１種以上をも含み、 Fe及びその他の不可避不純物：残り、から成る成分組成の鋼を、Ac₃変態点以上結晶粒
粗大化開始温度未満の温度域から焼入れし、続い
てこれを、再びAc₃変態点以上結晶粒粗大化開始
温度未満の温度域にまで加熱した後、該温度域か
ら再度焼入れし、その後Ac₁変態点以下の温度で
焼戻すことを特徴とする、耐硫化物腐食割れ性に
優れた高強度鋼の製造方法。２再焼入れ時の加熱に際して、Ac₁変態点〜
Ac₃変態点までの温度範囲を平均昇温速度：10〜
50℃／secで昇温せしめることから成る、特許請
求の範囲第１項に記載の耐硫化物腐食割れ性に優
れた高強度鋼の製造方法。３重量割合で、Ｃ：0.15〜0.40％、Si：0.1〜1.0％、 Mn：0.3〜1.0％、Cr：0.1〜1.5％、 Mo：0.1〜1.0％、 Al：0.01〜0.10％、Ｐ：0.015％以下、Ｓ：0.005％以下、Ｎ：0.003〜0.015％、を含有するとともに、必要に応じて更に、 Nb：0.01〜0.10％、Ｖ：0.01〜0.10％、 Ti：0.005〜0.050％、Ｂ：0.0001〜0.0050％、 Ca：0.0005〜0.0100％、 Cu：0.1〜0.5％、のうちの１種以上をも含み、 Fe及びその他の不可避不純物：残り、から成る成分組成の鋼を、Ac₃変態点以上結晶粒
粗大化開始温度未満の温度域から焼入れした後、
〔Ac₁変態点―50℃〕以下の温度で焼戻し、続い
てこれを、再びAc₃変態点以上結晶粒粗大化開始
温度未満の温度域にまで加熱した後、該温度域か
ら再度焼入れし、その後Ac₁変態点以下の温度で
焼戻すことを特徴とする、耐硫化物腐食割れ性に
優れた高強度鋼の製造方法。４再焼入れ時の加熱に際して、Ac₁変態点〜
Ac₃変態点までの温度範囲を平均昇温速度：10〜
50℃／secで昇温せしめることから成る、特許請
求の範囲第１項に記載の耐硫化物腐食割れ性に優
れた高強度鋼の製造方法。