(57)【要約】【課題】強度をさらに高めた鋼材を提供する。【解決手段】鋼材は、質量％で、Ｃ：０．０５０％以下、Ｓｉ：０．５０％以下、Ｍｎ：０．５０％以下、Ｐ：０．０５０％以下、Ｓ：０．００５０％以下、Ｃｒ：１６．００％以上１８．００％以下、Ｍｏ：１．８０％以上３．００％以下、Ｃｕ：３．５０％を超えて５．００％以下、Ｎｉ：３．００％以上５．５０％以下、Ｃｏ：０．０１０％以上１．０００％以下、Ａｌ：０．００１％以上０．１００％以下、Ｏ：０．０５００％以下、Ｎ：０．０５００％以下、Ｖ：０％以上０．３００％以下、Ｔｉ：０％以上０．３００％以下、Ｎｂ：０％以上０．３００％以下、Ｚｒ：０％以上０．３５０％以下、Ｗ：０％以上１．００％以下、希土類元素：０％以上０．３００％以下、Ｃａ：０％以上０．０１０％以下、Ｂ：０％以上０．０１００％以下、を含有し、残部がＦｅ及び不純物である化学組成を有する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、
Ｃ  ：０．０５０％以下、
Ｓｉ：０．５０％以下、
Ｍｎ：０．５０％以下、
Ｐ  ：０．０５０％以下、
Ｓ  ：０．００５０％以下、
Ｃｒ：１６．００％以上１８．００％以下、
Ｍｏ：１．８０％以上３．００％以下、
Ｃｕ：３．５０％を超えて５．００％以下、
Ｎｉ：３．００％以上５．５０％以下、
Ｃｏ：０．０１０％以上１．０００％以下、
Ａｌ：０．００１％以上０．１００％以下、
Ｏ  ：０．０５００％以下、
Ｎ  ：０．０５００％以下、
Ｖ  ：０％以上０．３００％以下、
Ｔｉ：０％以上０．３００％以下、
Ｎｂ：０％以上０．３００％以下、
Ｚｒ：０％以上０．３５０％以下、
Ｗ  ：０％以上１．００％以下、
希土類元素：０％以上０．３００％以下、
Ｃａ：０％以上０．０１０％以下、
Ｂ  ：０％以上０．０１００％以下、
を含有し、残部がＦｅ及び不純物である化学組成を有する、鋼材。
【請求項２】
請求項１に記載の鋼材であって、
前記化学組成は、質量％で、
Ｖ  ：０．００５％以上０．３００％以下、
Ｔｉ：０．００５％以上０．３００％以下、
Ｎｂ：０．００５％以上０．３００％以下、及び
Ｚｒ：０．００５％以上０．３５０％以下、
からなる群から選択される１種以上を含有する、鋼材。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の鋼材であって、
前記化学組成は、質量％で、
Ｗ：０．０１％以上１．００％以下、及び、
希土類元素：０．００１％以上０．３００％以下、
からなる群から選択される１種以上を含有する、鋼材。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の鋼材であって、
前記化学組成は、質量％で、
Ｃａ：０．００２％以上０．０１０％以下、及び、
Ｂ  ：０．００２０％以上０．０１００％以下、
からなる群から選択される１種以上を含有する、鋼材。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の鋼材であって、
金属組織が、体積％で、
２５％以上４０％以下のフェライト相と、
５０％以上７５％以下のマルテンサイトと、
２％以上１０％以下の残留オーステナイトと、
を含み、
降伏強度が９６５ＭＰａ以上、
である、鋼材。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の鋼材であって、
前記鋼材は、油井用鋼管である、鋼材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼材に関し、より詳しくは油井用鋼管に好適な鋼材に関する。本明細書において、「油井」の用語は油井及びガス井を含み、「油井用鋼管」の用語は油井用鋼管及びガス井用鋼管を含むものとする。
【背景技術】
【０００２】
近年、深層油井の開発に伴い、高温での耐食性に優れた鋼材が求められている。
【０００３】
特開２００７−３３２４４２号公報には、炭酸ガスや塩化物イオンを含む２００℃の環境での耐食性と、９６５ＭＰａ（１４０ｋｓｉ）以上の降伏強度とを有するステンレス鋼管が開示されている。この鋼管は、８０％以上のマルテンサイトと、３％以上１５％以下のオーステナイト相と、５％以下のフェライト相とを含む組織を有する。
【０００４】
炭酸ガスに加え、硫化水素ガスを含む環境での使用にも耐え得る鋼材が求められている。このような鋼材として、マルテンサイト−フェライト系ステンレス鋼が開発されている。
【０００５】
国際公開第２０１３／１４６０４６号公報には、１６％以上１８％以下のＣｒを含有する化学組成と、４０％以上のマルテンサイト及び１０％以上６０％未満のフェライト相を含む組織を有するステンレス鋼が開示されている。国際公開第２０１４／０９７６２８号には、１５．５％以上１７．７％以下のＣｒを含有する化学組成と、マルテンサイトを主相とし、１０％以上６０％以下のフェライト相を含む組織とを有するステンレス鋼管が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−３３２４４２号公報
【特許文献２】国際公開第２０１３／１４６０４６号
【特許文献３】国際公開第２０１４／０９７６２８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来のマルテンサイト−フェライト系ステンレス鋼の強度は、合金設計の関係上、１２５ｋｓｉグレード（８６２〜９６５ＭＰａ）に留まっている。前掲の国際公開第２０１３／１４６０４６号及び国際公開第２０１４／０９７６２８号には、１４０ｋｓｉ級（９６５ＭＰａ以上）の強度を示す実施例も僅かに存在するが、このような高強度の鋼材を安定して製造することは困難である。
【０００８】
本発明の目的は、炭酸ガス及び硫化水素ガスを含む高温環境での耐食性を有し、かつ強度をさらに高めた鋼材を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一実施形態による鋼材は、質量％で、Ｃ：０．０５０％以下、Ｓｉ：０．５０％以下、Ｍｎ：０．５０％以下、Ｐ：０．０５０％以下、Ｓ：０．００５０％以下、Ｃｒ：１６．００％以上１８．００％以下、Ｍｏ：１．８０％以上３．００％以下、Ｃｕ：３．５０％を超えて５．００％以下、Ｎｉ：３．００％以上５．５０％以下、Ｃｏ：０．０１０％以上１．０００％以下、Ａｌ：０．００１％以上０．１００％以下、Ｏ：０．０５００％以下、Ｎ：０．０５００％以下、Ｖ：０％以上０．３００％以下、Ｔｉ：０％以上０．３００％以下、Ｎｂ：０％以上０．３００％以下、Ｚｒ：０％以上０．３５０％以下、Ｗ：０％以上１．００％以下、希土類元素：０％以上０．３００％以下、Ｃａ：０％以上０．０１０％以下、Ｂ：０％以上０．０１００％以下、を含有し、残部がＦｅ及び不純物である化学組成を有する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、炭酸ガス及び硫化水素ガスを含む高温環境での耐食性を有し、かつ強度をさらに高めた鋼材が得られる。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明者らは、１６．００％以上１８．００％以下のＣｒを含有する鋼材の強度をさらに高める手段について検討した。
【００１２】
鋼材の強度を高める手段として、オーステナイト形成元素の含有量を高くして、金属組織中のマルテンサイトの体積率を高くすることが考えられる。しかし、オーステナイト形成元素の含有量を高くすると、残留オーステナイトも増加する傾向があり、高強度の鋼材を安定して製造することが困難になる。
【００１３】
前掲の国際公開第２０１３／１４６０４６号に記載されているように、鋼材に適量のＣｏを含有させることで、残留オーステナイトを抑制しつつ、マルテンサイトの体積率を高くすることができる。これによって、熱処理条件を精密に管理することが難しい工業的規模の生産においても、高強度の鋼材を安定して製造することができる。
【００１４】
一方、炭酸ガス及び硫化水素ガスを含む高温環境での耐食性を維持するためには、所定の体積率のフェライト相を確保することが必要である。そのため、マルテンサイトの体積率を増やすことによる高強度化には限界がある。
【００１５】
ＮｂやＴｉ、Ｍｏ、Ｗ等による析出強化を利用した高強度化は、析出によってマトリクス中の元素の含有量が変化し、フェライト形成元素とオーステナイト形成元素とのバランスが崩れる可能性がある。また、ラーベス相やσ相等の金属間化合物が形成されると、耐食性や靱性が顕著に悪化する。
【００１６】
本発明者らは、強化元素として、Ｃｕに着目した。Ｃｕは、時効析出によってフェライト相を強化し、鋼の強度を高める。Ｃｕはオーステナイト形成元素であるものの、多量に含有させても金属組織のバランスを大きく変化させない。また、Ｃｕは単体粒子析出するため、マトリクス中の他の元素の含有量を変化させず、この観点からも組織のバランスを大きく変化させない。そのため、Ｃｕを適量含有させることで、マルテンサイト−フェライト系ステンレス鋼の耐食性を維持しつつ、強度をさらに高めることができる。
【００１７】
Ｃｕは、鋼の熱間加工性を悪化させるため、多量に含有させることは好ましくないと考えられている。しかし、熱間加工の仕上げ温度を適切に管理することで、Ｃｕを多量に含有させても、熱間割れを安定して防止することができる。
【００１８】
以上の知見に基づいて、本発明は完成された。以下、本発明の一実施形態による鋼材を詳述する。
【００１９】
［化学組成］
本実施形態による鋼材は、以下に説明する化学組成を有する。以下の説明において、元素の含有量の「％」は、質量％を意味する。
【００２０】
Ｃ：０．０５０％以下
炭素（Ｃ）は、焼戻し時にＣｒ炭化物を生成する。Ｃｒ炭化物は、高温の炭酸ガスに対する鋼の耐食性を低下させる。そのため、Ｃ含有量は少ない方が好ましい。したがって、Ｃ含有量は０．０５０％以下である。Ｃ含有量は、好ましくは０．０５０％未満であり、より好ましくは０．０３０％以下であり、さらに好ましくは０．０１５％以下であり、最も好ましくは０．０１０％以下である。
【００２１】
Ｓｉ：０．５０％以下
シリコン（Ｓｉ）は、鋼を脱酸する。しかし、Ｓｉ含有量が多すぎると、鋼の熱間加工性が低下する。また、Ｓｉ含有量が多すぎると、フェライトが増加し、鋼の強度が低下する。したがって、Ｓｉ含有量は０．５０％以下である。Ｓｉ含有量は、好ましくは０．５０％未満であり、より好ましくは０．４０％以下であり、さらに好ましくは０．３０％以下である。Ｓｉ含有量の下限は、好ましくは０．０５％である。
【００２２】
Ｍｎ：０．５０％以下
マンガン（Ｍｎ）は、鋼を脱酸及び脱硫し、熱間加工性を向上させる。しかし、Ｍｎ含有量が多すぎると、鋼中に偏析が生じやすくなり、靭性及び高温塩化物水溶液中での耐応力腐食割れ性（以下「耐ＳＣＣ性」と呼ぶ。）が低下する。また、Ｍｎ含有量が多すぎると、残留オーステナイトが増加し、鋼の強度が低下する。したがって、Ｍｎ含有量は０．５０％以下である。Ｍｎ含有量は、好ましくは０．５０％未満であり、より好ましくは０．４０％以下であり、さらに好ましくは０．３０％以下である。Ｍｎ含有量の下限は、好ましくは０．０３％であり、より好ましくは０．０５％である。
【００２３】
Ｐ：０．０５０％以下
燐（Ｐ）は、不純物である。Ｐは、鋼の耐硫化物応力割れ性（以下「耐ＳＳＣ性」と呼ぶ。）及び高温塩化物水溶液環境中での耐ＳＣＣ性を低下させる。したがって、Ｐ含有量はなるべく少ない方が好ましい。Ｐ含有量は０．０５０％以下である。Ｐ含有量は、好ましくは０．０５０％未満であり、より好ましくは０．０３０％以下であり、さらに好ましくは０．０２０％以下である。
【００２４】
Ｓ：０．００５０％以下
硫黄（Ｓ）は、不純物である。Ｓは、鋼の熱間加工性を低下させる。さらに、ＳはＭｎ等と結合し介在物を形成する。形成された介在物は孔食やＳＣＣの起点となり、鋼の耐食性を低下させる。したがって、Ｓ含有量はなるべく少ない方が好ましい。Ｓ含有量は０．００５０％以下である。Ｓ含有量は、好ましくは０．００５０％未満であり、より好ましくは０．００２５％以下であり、さらに好ましくは０．００２０％以下である。
【００２５】
Ｃｒ：１６．００％以上１８．００％以下
クロム（Ｃｒ）は、高温塩化物水溶液環境における耐ＳＣＣ性を高める。しかし、Ｃｒ含有量が多すぎると、フェライトが増加し、鋼の強度が低下する。したがって、Ｃｒ含有量は１６．００％以上１８．００％以下である。Ｃｒ含有量は、下限に関しては、好ましくは１６．００％よりも高く、より好ましくは１６．３０％以上であり、さらに好ましくは１６．５０％以上である。Ｃｒ含有量は、上限に関しては、好ましくは１８．００％未満であり、より好ましくは１７．８０％以下であり、さらに好ましくは１７．５０％以下である。
【００２６】
Ｍｏ：１．８０％以上３．００％以下
モリブデン（Ｍｏ）は、鋼の耐ＳＳＣ性を向上させる。さらに、ＭｏはＣｒとの共存下において鋼の耐ＳＣＣ性を高める。しかし、Ｍｏ含有量が多すぎると、フェライトが増加し、鋼の強度が低下する。また、靱性を低下させる。したがって、Ｍｏ含有量は１．８０％以上３．００％以下である。Ｍｏ含有量は、下限に関しては、好ましくは１．８０％よりも高く、より好ましくは２．００％以上であり、さらに好ましくは２．２０％以上である。Ｍｏ含有量は、上限に関しては、好ましくは３．００％未満であり、より好ましくは２．８０％以下であり、さらに好ましくは２．７０％以下である。
【００２７】
Ｃｕ：３．５０％を超えて５．００％以下
銅（Ｃｕ）は、時効析出によってフェライト相を強化し、鋼の強度を高める。Ｃｕはオーステナイト形成元素であるものの、多量に含有させても金属組織のバランスを大きく変化させない。また、Ｃｕは単体粒子析出するため、マトリクス中の他の元素の含有量を変化させず、この観点からも組織のバランスを大きく変化させない。しかし、Ｃｕ含有量が多すぎると、鋼の熱間加工性及び靭性が低下する。したがって、Ｃｕ含有量は３．５０％を超えて５．００％以下である。Ｃｕ含有量は、下限に関しては、好ましくは３．６０％以上であり、より好ましくは３．８０％以上であり、さらに好ましくは４．００％以上であり、最も好ましくは４．２０％以上である。Ｃｕ含有量は、上限に関しては、好ましくは５．００％未満であり、より好ましくは４．８０％以下であり、さらに好ましくは４．５０％以下である。
【００２８】
Ｎｉ：３．００％以上５．５０％以下
ニッケル（Ｎｉ）は、オーステナイト形成元素であり、高温でのオーステナイトを安定化し、常温でのマルテンサイトを増加させる。そのため、Ｎｉは鋼の強度を高める。Ｎｉはさらに、高温塩化物水溶液環境における耐食性を高める。しかし、Ｎｉ含有量が多すぎると、残留オーステナイトが増加しやすくなり、特に工業生産時において、高強度を安定的に得ることが困難になる。したがって、Ｎｉ含有量は３．００％以上５．５０％以下である。Ｎｉ含有量は、下限に関しては、好ましくは３．００％よりも高く、より好ましくは３．５０％以上であり、さらに好ましくは４．００％以上であり、最も好ましくは４．２０％以上である。Ｎｉ含有量は、上限に関しては、好ましくは５．５０％未満であり、より好ましくは５．３０％以下であり、さらに好ましくは５．２０％以下である。
【００２９】
Ｃｏ：０．０１０％以上１．０００％以下
コバルト（Ｃｏ）は、鋼の焼入性を高め、特に工業生産時において、安定した高強度を確保する。より具体的には、Ｃｏは残留オーステナイトを抑制し、強度のばらつきを抑制する。しかし、Ｃｏ含有量が多すぎると、鋼の靭性が低下する。したがって、Ｃｏ含有量は、０．０１０％以上１．０００％以下である。Ｃｏ含有量は、下限に関しては、好ましくは０．０１０％よりも高く、より好ましくは０．０２０％以上であり、さらに好ましくは０．０５０％以上である。Ｃｏ含有量は、上限に関しては、好ましくは１．０００％未満であり、より好ましくは０．９５０％以下であり、さらに好ましくは０．７５０％以下である。
【００３０】
Ａｌ：０．００１％以上０．１００％以下
アルミニウム（Ａｌ）は、鋼を脱酸する。しかし、Ａｌ含有量が多すぎると、フェライトが増加して、鋼の強度が低下する。さらに、アルミナ系介在物が鋼中に多量に生成され、鋼の靭性が低下する。したがって、Ａｌ含有量は０．００１％以上０．１００％以下である。Ａｌ含有量は、下限に関しては、好ましくは０．００１％よりも高く、より好ましくは０．０１０％以上である。Ａｌ含有量は、上限に関しては、好ましくは０．１００％未満であり、より好ましくは０．０６０％以下である。本明細書において、Ａｌ含有量とは、酸可溶Ａｌ（ｓｏｌ．Ａｌ）の含有量を意味する。
【００３１】
Ｏ：０．０５００％以下
酸素（Ｏ）は、不純物である。Ｏは、鋼の靭性及び耐食性を低下させる。したがって、Ｏ含有量は少ない方が好ましい。Ｏ含有量は０．０５００％以下である。Ｏ含有量は、好ましくは０．０５００％未満であり、より好ましくは０．０１００％以下であり、さらに好ましくは０．００５０％以下である。
【００３２】
Ｎ：０．０５００％以下
窒素（Ｎ）は、鋼の強度を高める。Ｎはさらに、オーステナイトを安定化させ、耐孔食性を高める。Ｎが少しでも含有されれば、上記効果はある程度得られる。しかし、Ｎ含有量が多すぎると、鋼中に多量の窒化物が生成し、鋼の靭性が低下する。さらに、残留オーステナイトが増加しやすくなり、鋼の強度が低下しやすくなる。そのため、Ｎ含有量は０．０５００％以下である。Ｎ含有量は、下限に関しては、好ましくは０．００２０％以上であり、さらに好ましくは０．００５０％以上である。Ｎ含有量は、上限に関しては、好ましくは０．０３００％以下であり、より好ましくは０．０２００％以下であり、さらに好ましくは０．０１５０％以下である。
【００３３】
本実施形態による鋼材の化学組成の残部は、Ｆｅ及び不純物である。ここでいう不純物とは、鋼の原料として利用される鉱石やスクラップから混入する元素、又は、製造過程の環境等から混入する元素をいう。
【００３４】
本実施形態による鋼材の化学組成はさらに、Ｆｅの一部に代えて、Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｗ、希土類元素、Ｃａ、及びＢからなる群から選択される１種以上の元素を含有してもよい。Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｗ、希土類元素、Ｃａ、及びＢは、すべて選択元素である。すなわち、本実施形態による鋼材の化学組成は、Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｗ、希土類元素、Ｃａ、及びＢの一部又は全部を含有していなくてもよい。
【００３５】
Ｖ  ：０％以上０．３００％以下
Ｔｉ：０％以上０．３００％以下
Ｎｂ：０％以上０．３００％以下
Ｚｒ：０％以上０．３５０％以下
バナジウム（Ｖ）、チタン（Ｔｉ）、ニオブ（Ｎｂ）、及びジルコニウム（Ｎｂ）はいずれも、炭化物を形成して鋼の強度及び靭性を高める。これらの元素はさらに、Ｃを固定することにより、Ｃｒ炭化物の生成を抑制する。そのため、鋼の耐孔食性及び耐ＳＣＣ性を向上させる。これらの元素が少しでも含有されていれば、上記効果がある程度得られる。しかし、これらの元素の含有量が多すぎると、炭化物が粗大化し、鋼の靭性及び耐食性が低下する。したがって、Ｖ、Ｔｉ、及びＮｂの含有量は、いずれも０％以上０．３００％以下である。Ｚｒの含有量は０％以上０．３５０％以下である。Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂ、及びＺｒの含有量はいずれも、下限に関しては、好ましくは０．００５％以上である。この場合、上記の効果が顕著に得られる。Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂ、及びＺｒの含有量はいずれも、上限に関しては、好ましくは０．３００％未満である。なお、Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂ、及びＺｒを２種類以上含有させる場合、合計の含有量は０．８００％以下とすることが好ましい。より好ましくは０．６００％以下である。
【００３６】
Ｗ：０％以上１．００％以下
希土類元素：０％以上０．３００％以下
タングステン（Ｗ）及び希土類元素は、高温環境における耐ＳＣＣ性を高める。これらの元素が少しでも含有されていれば、上記効果がある程度得られる。しかし、これらの元素の含有量が多すぎると、その効果が飽和する。したがって、Ｗ含有量は０％以上１．００％以下であり、希土類元素の含有量は０％以上０．３００％以下である。Ｗ含有量は、下限に関しては、好ましくは０．０１％以上である。Ｗ含有量は、上限に関しては、好ましくは０．６０％以下である。希土類元素の含有量は、下限に関しては、好ましくは０．００１％以上である。この場合、上記の効果が顕著に得られる。
【００３７】
なお、希土類元素とは、ランタノイドの１５元素にＹ及びＳｃを合わせた１７元素の総称であり、これらの元素のうちの１種以上を含有させることができる。希土類元素の含有量はこれらの元素の合計の含有量を意味する。
【００３８】
Ｃａ：０％以上０．０１０％以下
Ｂ  ：０％以上０．０１００％以下
カルシウム（Ｃａ）及び硼素（Ｂ）はいずれも、熱間加工時におけるキズや欠陥の生成を抑制する。これらの元素が少しでも含有されていれば、上記効果がある程度得られる。しかし、Ｃａ含有量が多すぎると、鋼中の介在物が増加して、鋼の靭性及び耐食性が低下する。また、Ｂ含有量が多すぎると、結晶粒界にＣｒの炭硼化物が析出し、鋼の靭性が低下する。したがって、Ｃａ含有量は０％以上０．０１０％以下であり、Ｂ含有量は０％以上０．０１００％以下である。Ｃａ含有量は、下限の観点では、好ましくは０．００２％以上である。Ｂ含有量は、下限の観点では、好ましくは０．０００３％以上であり、より好ましくは０．０００７％以上である。この場合、上記の効果が顕著に得られる。Ｃａ含有量は、上限の観点では、好ましくは０．０１０％未満であり、さらに好ましくは０．００５％以下である。Ｂ含有量は、上限の観点では、好ましくは０．０１００％未満であり、さらに好ましくは０．００５０％以下である。
【００３９】
［金属組織］
本実施形態による鋼材の金属組織は、好ましくは、体積％で、２５％以上４０％以下のフェライト相と、５０％以上７５％以下のマルテンサイトと、２％以上１０％以下の残留オーステナイトとを含む。
【００４０】
フェライト相：体積率で２５％以上４０％以下
フェライト相は、高温でのＳＣＣの進展を防止する。そのため、フェライト相は、鋼材の耐ＳＣＣ性を高める。しかし、フェライト相の体積率が高すぎると、鋼材の強度が低下する。したがって、フェライト相の体積率は、好ましくは２５％以上４０％以下である。フェライト相の体積率は、下限に関しては、より好ましくは２８％以上であり、さらに好ましくは３０％以上である。フェライト相の体積率は、上限に関しては、より好ましくは３８％以下であり、さらに好ましくは３５％以下である。
【００４１】
フェライト相の体積率は、以下の方法で求める。鋼材の任意の位置から、サンプルを採取し、鋼材の断面に相当する面を研磨する。研磨後、王水とグリセリンとの混合溶液を用いて研磨面をエッチングする。光学顕微鏡（観察倍率１００倍）を用いて、エッチングされた面を観察し、ＪＩＳ  Ｇ  ０５５５に準拠した点算法によってフェライト相の面積率を測定する。測定された面積率をフェライト相の体積率と定義する。
【００４２】
マルテンサイト：体積率で５０％以上７５％以下
マルテンサイトは、鋼材の強度向上に寄与する。「マルテンサイト」の用語は、マルテンサイト及び焼戻しマルテンサイトを含むものとする。マルテンサイトの体積率は、好ましくは５０％以上７５％以下である。マルテンサイトの体積率は、下限に関しては、より好ましくは５５％以上であり、さらに好ましくは６０％以上である。マルテンサイトの体積率は、上限に関しては、より好ましくは７２％以下であり、さらに好ましくは７０％以下である。マルテンサイトの体積率は、上述したフェライト相の体積率と以下に述べる残留オーステナイトの体積率とを１００％から差し引いて求める。
【００４３】
残留オーステナイト：体積率で２％以上１０％以下
少量の残留オーステナイトは、鋼材の靭性を顕著に向上させる。しかし、残留オーステナイトの体積率が高すぎると、鋼材の強度が低下する。したがって、残留オーステナイトの体積率は、好ましくは２％以上１０％以下である。残留オーステナイトの体積率は、下限に関しては、より好ましくは３％以上である。残留オーステナイトの体積率は、上限に関しては、より好ましくは８％以下であり、さらに好ましくは６％以下であり、最も好ましくは５％以下である。
【００４４】
残留オーステナイトの体積率は、Ｘ線回折法により求める。具体的には、鋼材の任意の位置からサンプルを採取する。サンプルの大きさは１５ｍｍ×１５ｍｍ×２ｍｍとする。サンプルを用いて、フェライト相（α相）の（２００）面及び（２１１）面と、残留オーステナイト（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、残留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」はα相の積分強度である。「Ｒα」はα相の結晶学的理論計算値である。「Ｉγ」はγ相の積分強度である。「Ｒγ」はγ相の結晶学的理論計算値である。
【００４５】
本実施形態による鋼材の金属組織は、フェライト相、マルテンサイト、及び残留オーステナイトの他に、炭化物、窒化物、硼化物、Ｃｕ相等の析出物や介在物を含有していてもよい。
【００４６】
［機械的特性］
本実施形態による鋼材は、好ましくは、降伏強度が９６５ＭＰａ以上である。本実施形態による鋼材は、より好ましくは降伏強度が９８０ＭＰａ以上であり、さらに好ましくは１０００ＭＰａ以上である。
【００４７】
本実施形態による鋼材は、好ましくは、−１０℃のシャルピー衝撃試験によって得られる吸収エネルギーが１１０Ｊ以上である。本実施形態による鋼材は、より好ましくは−１０℃のシャルピー衝撃試験によって得られる吸収エネルギーが１２０Ｊ以上であり、さらに好ましくは１３０Ｊ以上である。
【００４８】
［製造方法］
以下、鋼材の製造方法の一例として、継目無鋼管の製造方法を説明する。
【００４９】
上述した化学組成を有する素材を準備する。素材は例えば、連続鋳造法（ラウンドＣＣを含む）により製造された鋳片である。素材は、造塊法により製造されたインゴットを熱間加工して製造された鋼片でもよく、鋳片から製造された鋼片でもよい。
【００５０】
素材を加熱炉又は均熱炉に装入し、加熱する。加熱温度は、例えば１０００℃以上１３００℃以下である。続いて、加熱した素材を熱間加工して素管を製造する。例えば、熱間加工としてマンネスマン法を実施する。具体的には、素材を穿孔機により穿孔圧延して素管にする。続いて、マンドレルミルやサイジングミルによって、素管をさらに圧延する。熱間加工として熱間押出を実施してもよいし、熱間鍛造を実施してもよい。
【００５１】
本実施形態による鋼材は、上述のとおり、３．５０％を超えて５．００％以下のＣｕを含有する。Ｃｕによる熱間割れは、熱間加工の最終段階で発生しやすい。そのため、熱間加工の終了温度を適切に管理する必要がある。具体的には、熱間加工可能な下限温度を設定し、熱間加工中の鋼材の温度がこの下限温度よりも低下したときは、熱間加工を中止し、必要に応じて再加熱を実施する。下限温度は、好ましくは８００℃であり、より好ましくは８５０℃であり、さらに好ましくは９００℃である。
【００５２】
熱間加工後の素管を冷却する。冷却方法は、空冷でも水冷でもよい。本実施形態の化学組成の範囲では、空冷でもＭｓ点以下に冷却されれば、マルテンサイト変態が生じる。ただし、９６５ＭＰａ以上の高強度を安定して確保する場合、熱間加工された素管を空冷後、Ａｃ３点以上の温度に再加熱してから水冷を実施して焼入れすることが好ましい。いずれの場合も、冷却停止温度は６０℃以下にすることが好ましく、４５℃以下にすることがより好ましい。
【００５３】
熱間製管後の素管又は焼入れされた素管に焼戻しを実施する。焼戻し温度を高くするほど、靱性が向上する一方、強度は低下する。Ａｃ１点を超えた温度で焼戻しを行うと残留オーステナイトの体積率が増加し強度が低下する。焼戻し温度は、好ましくは４５０℃以上６５０℃以下である。より好ましくは、５００℃以上６００℃以下である。焼戻しの保持時間は、好ましくは１０分間以上１２０分間以下である。
【００５４】
以上、本発明の一実施形態による鋼材及びその製造方法を説明した。本実施形態によれば、炭酸ガス及び硫化水素ガスを含む高温環境での耐食性を有し、かつ強度をさらに高めた鋼材が得られる。そのため本実施形態による鋼材は、油井用鋼管に用いる鋼材として特に好適である。
【実施例】
【００５５】
以下、実施例によって本発明をより具体的に説明する。本発明はこれらの実施例に限定されない。
【００５６】
［供試材の作製］
表１に示す化学組成の鋼を、５０ｋｇ真空誘導溶解炉（ＶＩＭ）で溶解し、外径１４０ｍｍ、長さ３１０ｍｍのインゴットを製造した。なお、表１の「−」は、該当する元素が不純物レベルであったことを示す。
【００５７】
【表１】
2019163499.tif 000002
【００５８】
このインゴットを１２００℃で３時間加熱後、熱間鍛造によって幅６５ｍｍ、厚さ７５ｍｍ、長さ１１５０ｍｍの鋼板に加工した。熱間鍛造の仕上げ温度は１０００℃とした。
【００５９】
この鋼板を長さ１８０ｍｍに切断し、１２３０℃で１５分間加熱後、熱間圧延によって厚さ１３ｍｍに加工した。熱間加工の仕上げ温度は１０００℃とした。
【００６０】
圧延後の鋼板を９５０℃に１５分間加熱した後水冷する焼入れ、及び５１０℃及び５３０℃に３０分間保持する焼戻しを実施した。
【００６１】
［引張試験］
焼き戻し後の鋼板から、ＡＰＩ規定に準拠した丸棒試験片（φ６．３５ｍｍ×ＧＬ２５．４ｍｍ）を採取し、常温（２５℃）で引張試験を実施した。
【００６２】
［金属組織観察］
焼き戻し後の鋼板からサンプルを採取し、実施形態で説明した方法によって、フェライト相、マルテンサイト、及び残留オーステナイトの体積率を求めた。
【００６３】
［靭性試験］
焼き戻し後の鋼板から、ＡＳＴＭ  Ｅ２３に準拠したフルサイズ試験片を採取し、−１０℃でシャルピー衝撃試験を実施して吸収エネルギーを求めた。
【００６４】
［Ｍｓ点測定］
熱間鍛造後の鋼板から外径３ｍｍ、長さ１０ｍｍの試験片を採取し、フォーマスタ試験を実施した。具体的には、９５０℃まで３分間で加熱し、９５０℃に５分間保持した後、ヘリウムガスで室温付近まで冷却した。冷却速度は約８０〜１００℃／秒であった。冷却中の試験片の変位を観測し、変位が熱収縮から変態膨張へ切り替わったときの温度をマルテンサイト変態開始温度（Ｍｓ点）とした。
【００６５】
試験結果を表２に示す。表２中の「ＹＳ」は降伏強度を示す。表２中の「Ｆ」、「Ｍ」、及び「Ａ」はそれぞれ、金属組織中のフェライト相、マルテンサイト、及び残留オーステナイトの体積率を示す。
【００６６】
【表２】
2019163499.tif 000003
【００６７】
表２に示すとおり、マーク１〜２０の鋼材は、降伏強度が９６５ＭＰａ以上であり、かつ−１０℃のシャルピー衝撃試験によって得られる吸収エネルギーが１１０Ｊ以上であった。これらの鋼材は、体積％で、２５％以上４０％以下のフェライト相と、５０％以上７５％以下のマルテンサイトと、２％以上１０％以下の残留オーステナイトとを含む金属組織を有していた。
【００６８】
マーク２１の鋼材は、金属組織のバランスは適切であったにもかかわらず、降伏強度が９６５ＭＰａ未満であった。これは、マーク２１の鋼材のＣｕ含有量が低かったためと考えられる。
【００６９】
マーク２２の鋼材は、降伏強度が９６５ＭＰａ未満であった。これは、マーク２２の鋼材のＮｉ含有量が低かったためと考えられる。
【００７０】
マーク２３及び２４の鋼材は、残留オーステナイトの体積率が高く、降伏強度が９６５ＭＰａ未満であった。また、これらの鋼材は、Ｍｓ点が４５℃未満であった。これは、マーク２３及び２４の鋼材のＣｏ含有量が低かったためと考えられる。
【００７１】
マーク２５の鋼材は、降伏強度は９６５ＭＰａ以上であったものの、吸収エネルギーが１１０Ｊ未満であった。これは、マーク２５の鋼材のＣｏ含有量が高かったためと考えられる。
【００７２】
マーク２６〜２８の鋼材は、フェライトの体積率が高く、降伏強度が９６５ＭＰａ未満であった。さらに、マーク２７及び２８の鋼材は、吸収エネルギーが１１０Ｊ未満であった。これはそれぞれ、マーク２６の鋼材のＮｉ含有量が低かったため、マーク２７の鋼材のＭｏ含有量が高かったため、マーク２８の鋼材のＡｌ含有量が高かったためと考えられる。
【００７３】
以上、本発明の実施の形態を説明した。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。よって、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で、上述した実施の形態を適宜変形して実施することが可能である。