(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量％で、Ｃ：０．０３５〜０．０５％、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．００５％以下、Ｃｒ：１０〜１２．５％、Ｎｉ：１．５〜３．０％、Ｎ：０．０２％以下、Ａｌ：０．０５１〜０．１％、を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなり、５５２〜６５５ＭＰａグレードの降伏強度を有することを特徴とする高靱性を有する高クロム鋼。
【請求項２】
重量％で、Ｍｏ：０．５％以下、Ｎｂ：０．０２％以下、Ｔｉ：０．０３％以下、Ｂ：０．００５％以下、Ｃｕ：０．５％以下、Ｖ：０．１％以下からなる元素の１種以上を更に含有する、請求項１記載の高靱性を有する高クロム鋼。
【請求項３】
重量％で、Ｍｏ：０．１〜０．５％およびＴｉ：０．０８％以下を更に含有する、請求項１記載の高靱性を有する高クロム鋼。
【請求項４】
重量％で、Ｎｂ：０．０２％以下、Ｂ：０．００５％以下、Ｃｕ：０．５％以下、Ｖ：０．１％以下からなる元素の１種以上を更に含有する、請求項３記載の高靱性を有する高クロム鋼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、油井またはガス井に使用される油井用材料で、高ＣＯ２環境下での使用に適し、８０ｋｓｉ（５５２〜６５５ＭＰａ）グレードの降伏強度で高靭性を有する、安価な高クロム鋼に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、高深度の井戸、高温・高圧ガス田、あるいは寒冷地などさまざまな環境の油井・ガス井の開拓が進んでいる。これに伴い、高ＣＯ２分圧下による腐食、さらにＨ２Ｓが含まれる油井の場合にはＨ２Ｓに起因する腐食割れ（ＳＳＣ）も大きな問題となるため、これらの過酷な腐食環境に耐え、かつ深層用の油井管に必要な８０ｋｓｉ（５５２ＭＰａ）以上の強度、高靭性を併せ持つ鋼管の需要が高まってきた。
【０００３】
従来、油井用材料にはＡＩＳＩ（米国鉄鋼協会）の４１０鋼または４２０鋼が使用されており、これらは比較的安価で、８０ｋｓｉ以上の降伏強度が熱処理により得られる材料であるが、十分な耐食性を示すとは言えない。また製造過程で水冷を行うことができず、製造効率を阻害している。これまでに、上述の強度、高靭性、高耐食性を有するマルテンサイト系ステンレス鋼、およびその製造方法の提案がいくつかなされている。
【０００４】
例えば、特許文献１には、Ｃ：０．００５〜０．０４％、Ｃｒ：１２〜１７％、Ｎｉ：１．５〜６．０％を含む鋼およびその製造方法が提案されているが、強度範囲が８０〜１１０ｋｇｆ／ｍｍ２（７８４〜１０７８ＭＰａ）で、汎用の８０ｋｓｉ（５５２〜６５５ＭＰａ）グレードより高強度であり、かかる高強度のものにおいては高ＣＯ２環境下での耐食性には問題がある。特許文献２には、Ｃ：０．１５％以下、Ｃｒ：９．０〜１６．０％、Ｎｉ：０．２〜２．５％を含む鋼およびその製造方法が提案されているが、制御圧延を要するため、製造工程の効率に問題があり、また製造設備上の制約もある。特許文献３には、Ｃ：０．０３％以下、Ｃｒ：１１〜１７％、Ｎｉ：３．５〜７．０％を含む鋼ならびにその製造方法が提案されているが、３．５％以上のＮｉ添加を必要とするため経済性に難点がある。このように従来技術においては、２ＭＰａ以上の高ＣＯ２環境下での使用に適し、８０ｋｓｉ（５５２〜６５５ＭＰａ）グレードの降伏強度で高靭性を有し、かつ経済性に優れた油井管は得られていない。
【特許文献１】特許２６６５００９号公報
【特許文献２】特許２０９１５３２号公報
【特許文献３】特許２９９５５２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明者らは、これらの従来技術の問題点を解決すべく種々検討した結果、適切な強度と十分な靭性を有し、さらには２ＭＰａ以上の高ＣＯ２環境下での使用に適するとともに、経済性にも優れた高クロム鋼を見い出したものである。したがって、本発明は、かかる知見に基づき、８０ｋｓｉ（５５２〜６５５ＭＰａ）グレードの降伏強度で高靱性を有する高クロム鋼およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らは、経済的な範囲でＣ量を低く制限して炭化物の析出を抑制することで、耐食性を改善し、製造時の水冷も可能とした。Ｃ量の制限に伴い、Ｃｒ量を４２０鋼など従来材の添加量１３％より低くしても同等の耐食性を持つことを見い出し、さらにＣｒ量の制限に伴いＮｉ量を２％程度に抑えてコスト低減を図った。溶製したインゴットを熱間成形した後、加熱後焼入れ、焼戻しの温度範囲を変化させ、適切な強度−靭性の相関を検討した。本発明はこのような知見に基づいて構成されたものであって、その要旨は以下のとおりである。
【０００７】
第１の発明に係る高靱性を有する高クロム鋼は、重量％で、Ｃ：０．０３５〜０．０５％、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．００５％以下、Ｃｒ：１０〜１２．５％、Ｎｉ：１．５〜３．０％、Ｎ：０．０２％以下、Ａｌ：０．０１〜０．１％、を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなるものである。
【０００８】
第２の発明に係る高靱性を有する高クロム鋼は、第１の発明に係る高クロム鋼に、重量％で、Ｍｏ：０．５％以下、Ｎｂ：０．０２％以下、Ｔｉ：０．０３％以下、Ｂ：０．００５％以下、Ｃｕ：０．５％以下、Ｖ：０．１％以下、Ｃａ：０．００５％以下からなる元素の１種以上を更に含有するものである。
【０００９】
第３の発明に係る高靱性を有する高クロム鋼は、第１の発明に係る高クロム鋼に、重量％で、Ｍｏ：０．１〜０．５％およびＴｉ：０．０８％以下を更に含有するものである。
【００１０】
第４の発明に係る高靱性を有する高クロム鋼は、第３の発明に係る高クロム鋼に、重量％で、Ｎｂ：０．０２％以下、Ｂ：０．００５％以下、Ｃｕ：０．５％以下、Ｖ：０．１％以下、Ｃａ：０．００５％以下からなる元素の１種以上を更に含有するものである。
【００１１】
本発明の開発過程において、化学成分ならびに熱処理条件を変化させて、強度、靭性、高ＣＯ２環境下での耐食性、Ｈ２Ｓ環境下での耐ＳＳＣ性、および熱間加工性を調査した。その結果、本発明の化学成分ならびに熱処理条件の範囲に制御することにより、高ＣＯ２頻境下で使用されるのに適した、５５２ＭＰａ以上の降伏強度を有する高クロム鋼を得ることを見い出した。
【００１２】
以下、本発明において化学成分を前記の範囲に限定した理由について説明する。
【００１３】
Ｃ：０．０３５〜０．０５％
Ｃは、固溶強化および析出強化により強度を上昇させる。含有量が０．０３５％未満では、強度上昇効果が小さく、０．０５％を超えると、靭性ならびに耐食性が劣化する。従って、経済性にも優れた高クロム鋼の観点から、Ｃ量を０．０３５〜０．０５％とする。
【００１４】
Ｓｉ：０．５％以下
Ｓｉは、脱酸の効果がある。含有量が０．５％を超えると靭性が劣化する。従って、Ｓｉ量は０．５％以下に制限する。
【００１５】
Ｍｎ：２．０％以下
Ｍｎは、Ｓｉと同様に脱酸の効果がある。含有量が２．０％を超えると靭性が劣化する。従って、Ｍｎ量は２．０％以下に制限する。
【００１６】
Ｐ：０．０５％以下
Ｐは、不純物元素で、靭性の劣化を招くため、なるべく低い方が好ましい。含有量が０．０５％を超えると靱性の劣化が著しいので、Ｐ量は０．０５％以下に制限する。
【００１７】
Ｓ：０．００５％以下
Ｓは、Ｐと同様に不純物元素で、靭性の劣化を招き、熱間加工性も低下させるため、なるべく低い方が好ましい。従って、Ｓ量は０．００５％以下に制限する。
【００１８】
Ｃｒ：１０〜１２．５％
Ｃｒは、耐食性を向上させる効果がある。添加量が１０％未満では十分な耐食性が得られない。また１２．５％を超えて添加しても効果は飽和する。従って、Ｃｒ量は１０〜１２．５％の範囲に制限する。
【００１９】
Ｎｉ：１．５〜３．０％
Ｎｉは、耐食性ならびに靭性を向上させる効果がある。１．５％未満ではδフェライトが生成しやすくなり、熱間加工性が低下する。また３．０％を超えて添加しても効果は飽和する。従って、Ｎｉ量は１．５〜３．０％の範囲に制限する。
【００２０】
Ｎ：０．０２％以下
Ｎは、固溶強化および析出強化により強度を上昇させるが、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉなどと結合して粗大な析出物を形成し、靭性を劣化させ、熱間加工性を低下させる。従って、Ｎ量は０．０２％以下に制限する。
【００２１】
Ａｌ：０．０１〜０．１％
Ａｌは、脱酸の効果がある。添加量が０．０１％未満では十分な効果が得られない。０．１％を超えて添加すると、窒化によりＡｌＮを形成するなどして、粒界強度を低下させ靭性を劣化させる。従って、Ａｌの添加量は０．０ｌ〜０．１％に制限する。
なお、残部は鉄および不可避的不純物である。
【００２２】
本発明では、前記第１の発明の化学成分にさらに次の化学成分を加えて強度、靭性、耐食性、耐ＳＳＣ性ならびに熱間加工性の向上を図るものである。以下、化学成分の限定理由について説明する。
【００２３】
Ｃｕ：０．５％以下
Ｃｕは、耐食性を向上させる効果がある。０．５％を超えて添加すると熱間加工性が劣化する。従って、Ｃｕ量は０．５％以下に制限する。
【００２４】
Ｖ：０．１％以下
Ｖは、Ｎと窒化物を形成し強度を上昇させる効果がある。０．１％を超えて添加しても効果は飽和し、析出物の粗大化により靭性が劣化する。従って、Ｖ量は０．１％以下に制限する。
【００２５】
Ｃａ：０．００５％以下
Ｃａは、硫化物の形態を制御し、靭性ならびに耐食性を向上させる効果がある。０．００５％を超えて添加すると、Ｃａ系介在物の増加により靭性、耐食性の劣化を招く。従って、Ｃａ量は０．００５％以下に制限する。
【００２６】
Ｍｏ：０．５％以下
Ｍｏは、耐ＳＳＣ性向上の効果がある。０．５％を超えて添加すると、熱間加工性が低下する。従って、Ｍｏの添加量は０．５％以下に制限する。
【００２７】
Ｎｂ：０．０２％以下
Ｎｂは、焼戻し時に析出する微細なＮｂ炭化物により強度を上昇させるとともに、焼入れ時に析出するＮｂ炭化物によりオーステナイト粒を微細化し靭性を向上させる。０．０２％を超えて添加すると、高強度となり、適切な強度範囲に制御できない。従って、Ｎｂの添加量は０．０２％以下に制限する。
【００２８】
Ｔｉ：０．０３％以下、０．０８％以下（Ｍｏ添加時）
Ｔｉは、炭化物、窒化物として析出することで鋼中のＣ、Ｎの固溶量を低減させ、強度を低下させる。０．０３％を超えて添加しても効果が飽和し、かつ粗大な析出物、介在物を形成して耐ＳＳＣ性を低下させる。従って、Ｔｉ添加量は０．０３％以下とする。
ただし、０．１〜０．５％のＭｏと同時に添加すると、成長速度の遅いＴｉＭｏＣを形成し、粒の粗大化を抑制する。Ｍｏ添加量との関係から、０．０８％までの添加は効果があるが、０．０８％を超えて添加しても効果が飽和し、耐ＳＳＣ性を低下させる。従って、Ｔｉの添加量は０．０８％以下とする。
【００２９】
Ｂ：０．００５％以下
Ｂは、粒界強化の効果がある。０．００５％を超えて含有すると、粒界に低融点の化合物を生じやすくなり、熱間加工性が劣化する。従って、Ｂの添加量は０．００５％以下とする。
【００３０】
次に、本発明における製造条件について説明する。
【００３１】
焼入れ加熱温度：７８０〜９６０℃
焼入れ時の加熱温度が７８０℃未満では、加熱時に完全なオーステナイト単相組織とならないため、その後冷却してもマルテンサイト一相組織が得られず不安定な組織となる。一方、９６０℃を超えて加熱すると、オーステナイト粒が粗大化し靭性が劣化する。従って、焼入れ加熱温度は７８０〜９６０℃の範囲とする。
【００３２】
焼戻し温度：６００〜７５０℃
本発明が対象とする鋼は、焼入れままでは強度が高く、靭性も十分でないため、適正な焼戻しをする必要がある。焼戻し温度が６００℃未満では所望の強度が得られない。また７５０℃を超えると靭性が低下する。従って、焼戻し温度は６００〜７５０℃の範囲とする。
【発明の効果】
【００３３】
以上のように、本発明によれば、８０ｋｓｉ（５５２〜６５５ＭＰａ）グレードの降伏強度で高靱性を有する高クロム鋼を得ることができる。そして、その高クロム鋼は適切な熱処理を施すことにより、高ＣＯ２環境下での耐食性、Ｈ２Ｓ環境下での耐ＳＳＣ性、および熱間加工性に優れており、かつ安価に製造することができる。したがって、高ＣＯ２環境下で使用されるのに適したラインパイプ用の継目無鋼管を安価に提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
本発明の鋼の溶製は、転炉、電気炉、その他、化学成分を発明の範囲内に制御できる製造方法であれば、いずれの方法を用いてもよい。溶製された鋼は、主として油井用鋼管として用いるため、鋳造あるいは圧延でビレット等の形状とする。その後、押出型穿孔機もしくは傾斜ロール型穿孔圧延機による穿孔等のプロセス、圧延プロセス等を経て継目無鋼管とし、所定の熱処理を施す。
【実施例】
【００３５】
表１〜２は本発明鋼（Ｎｏ．１〜２９）、表３〜４は比較鋼（Ｎｏ．３０〜５５）の化学成分、熱処理温度、および特性評価の結果を示したものである。ただし、本発明鋼のうち、Ｎｏ．３、４、７、１１、１３、１５、２３、２７及び２９は参考例である。
【００３６】
【表１】
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【００３７】
【表２】
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【００３８】
【表３】
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【００３９】
【表４】
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【００４０】
各鋼は実験炉にて真空溶解し、得られた鋼塊を熱間加工により鋼板（板厚１２ｍｍ）とした。これらに熱処理を施し、強度、靭性、耐食性、耐ＳＳＣ性および熱間加工性を調べた。強度は、板厚中央部からＪＩＳ１４Ｂ号丸棒試験片（６ｍｍ）を採取し、引張試験を行い降伏強度で評価した。靱性は、板厚中央部からフルサイズのＶノッチシヤルピー試験片を切り出し、試験温度−４０℃にて衝撃試験を行い評価した。耐食性は、炭酸ガス飽和の人工海水中（１０％ＮａＣｌ＋ＣＯ２溶液、ｐＨ＝４．０、ＰＣＯ２＝３０ａｔｍ）にて１００℃×３３６ｈｒの腐食試験を行い評価した。耐ＳＳＣ性は、１０％ＮａＣｌ十０．５％ＣＨ３ＣＯＯＨ溶液（ｐＨ＝４．０、ＰＨ２Ｓ＝０．０３５ａｔｍ）中、各鋼の降伏応力の９０％を荷重として負荷し、３０日間放置後の破断の有無を調べた。熱間加工性は、鋳造ままのインゴットから捩り試験片を採取し、１２００℃で熱間捩り試験を行い評価した。
目標値として、強度は降伏強度が８０ｋｓｉ（５５２〜６５５ＭＰａ）、靭性は−４０℃での吸収エネルギー（ｖＥ−４０）が１００Ｊ以上、耐食性は腐食速度が０．２ｍｍ／ｙｅａｒ以下、耐ＳＳＣ性は３０日間の試験期間中に破断なし、熱間加工性は熱間捩り試験での破断までの回転数が１０回転以上を良好とした。
【００４１】
表１〜４において、化学成分、製造条件とも発明範囲を満たす本発明鋼Ｎｏ．ｌ〜２９は、十分な強度、靭性、耐食性、耐ＳＳＣ性、熱間加工性を示すことが確認された。
また、図１は、所定の焼入れ温度から焼戻したときの本発明鋼Ｎｏ．１とＮｏ．６の降伏強度とｖＥ−４０の関係を示したものである。この図から、本発明鋼は降伏強度が８０ｋｓｉ（５５２〜６５５ＭＰａ）グレードで極めて高い靱性を有していることが分かる。
一方、製造条件は発明範囲内であるが、化学成分が発明範囲を外れている比較鋼Ｎｏ．３０〜５１は、強度、靭性、耐食性、耐ＳＳＣ性、熱間加工性のいずれかが目標値に到達していない。また、化学成分は発明範囲内であるが、製造条件が発明範囲を外れている比較鋼Ｎｏ．５２〜５５は、強度もしくは靭性のいずれかが目標値に到達していない。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の高クロム鋼の強度と靱性の相関を示す図である。
【図１】
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