(57)【要約】特定成分について鋼組成を制限するマルテンサイトステンレス鋼であり、鋼中のＭｏ含有量をＩＭ値との関係で規定し、且つ、金属組織を主として焼戻しマルテンサイト、焼戻し時に析出した炭化物および焼戻し時に微細析出したラーベス相やσ相等の金属間化合物から構成することによって、０．２％耐力が８６０ＭＰａ以上の高強度であり、優れた耐炭酸ガス腐食性および耐硫化物応力腐食割れ性を有することができる。これにより、炭酸ガス、硫化水素、塩素イオンまたはこれらの２種以上を含む環境下で油井管その他の用途に広く使用できる実用性の高い鋼として広い分野で適用することができる。
2004057050.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．００５〜０．０４％、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：０．１〜３．０％、Ｐ：０．０４％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｃｒ：１０〜１５％、Ｎｉ：４．０〜８％、Ｍｏ：２．８〜５．０％、Ａｌ：０．００１〜０．１０％およびＮ：０．０７％以下を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなり、且つ、下記の（１）式を満足し、金属組織が主として焼戻しマルテンサイト、焼戻し時に析出した炭化物および焼戻し時に微細析出したラーベス相やσ相等の金属間化合物からなることを特徴とする耐炭酸ガス腐食性および耐硫化物応力腐食割れ性に優れた８６０ＭＰａ以上の０．２％耐力を持った高強度マルテンサイトステンレス鋼。
Ｍｏ≧２．３−０．８９Ｓｉ＋３２．２Ｃ    …（１）
ただし、（１）式中の各元素記号は、それぞれの元素の含有量（質量％）を示す。
【請求項２】
質量％で、Ｃ：０．００５〜０．０４％、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：０．１〜３．０％、Ｐ：０．０４％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｃｒ：１０〜１５％、Ｎｉ：４．０〜８％、Ｍｏ：２．８〜５．０％、Ａｌ：０．００１〜０．１０％およびＮ：０．０７％以下を含有し、さらに、Ｔｉ：０．００５〜０．２５％、Ｖ：０．００５〜０．２５％、Ｎｂ：０．００５〜０．２５％およびＺｒ：０．００５〜０．２５％から選択される１種以上を含み、残部がＦｅおよび不純物からなり、且つ、下記の（１）式を満足し、金属組織が主として焼戻しマルテンサイト、焼戻し時に析出した炭化物および焼戻し時に微細析出したラーベス相やσ相等の金属間化合物からなることを特徴とする耐炭酸ガス腐食性および耐硫化物応力腐食割れ性に優れた８６０ＭＰａ以上の０．２％耐力を持った高強度マルテンサイトステンレス鋼。
Ｍｏ≧２．３−０．８９Ｓｉ＋３２．２Ｃ    …（１）
ただし、（１）式中の各元素記号は、それぞれの元素の含有量（質量％）を示す。
【請求項３】
質量％で、Ｃ：０．００５〜０．０４％、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：０．１〜３．０％、Ｐ：０．０４％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｃｒ：１０〜１５％、Ｎｉ：４．０〜８％、Ｍｏ：２．８〜５．０％、Ａｌ：０．００１〜０．１０％、Ｎ：０．０７％以下およびＣｕ：０．０５〜１％を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなり、且つ、下記の（１）式を満足し、金属組織が主として焼戻しマルテンサイト、焼戻し時に析出した炭化物および焼戻し時に微細析出したラーベス相やσ相等の金属間化合物からなることを特徴とする耐炭酸ガス腐食性および耐硫化物応力腐食割れ性に優れた８６０ＭＰａ以上の０．２％耐力を持った高強度マルテンサイトステンレス鋼。
Ｍｏ≧２．３−０．８９Ｓｉ＋３２．２Ｃ    …（１）
ただし、（１）式中の各元素記号は、それぞれの元素の含有量（質量％）を示す。
【請求項４】
質量％で、Ｃ：０．００５〜０．０４％、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：０．１〜３．０％、Ｐ：０．０４％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｃｒ：１０〜１５％、Ｎｉ：４．０〜８％、Ｍｏ：２．８〜５．０％、Ａｌ：０．００１〜０．１０％、Ｎ：０．０７％以下およびＣｕ：０．０５〜１％を含有し、さらに、Ｔｉ：０．００５〜０．２５％、Ｖ：０．００５〜０．２５％、Ｎｂ：０．００５〜０．２５％およびＺｒ：０．００５〜０．２５％から選択される１種以上を含み、残部がＦｅおよび不純物からなり、且つ、下記の（１）式を満足し、金属組織が主として焼戻しマルテンサイト、焼戻し時に析出した炭化物および焼戻し時に微細析出したラーベス相やσ相等の金属間化合物からなることを特徴とする耐炭酸ガス腐食性および耐硫化物応力腐食割れ性に優れた８６０ＭＰａ以上の０．２％耐力を持った高強度マルテンサイトステンレス鋼。
Ｍｏ≧２．３−０．８９Ｓｉ＋３２．２Ｃ    …（１）
ただし、（１）式中の各元素記号は、それぞれの元素の含有量（質量％）を示す。
【請求項５】
質量％で、Ｃ：０．００５〜０．０４％、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：０．１〜３．０％、Ｐ：０．０４％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｃｒ：１０〜１５％、Ｎｉ：４．０〜８％、Ｍｏ：２．８〜５．０％、Ａｌ：０．００１〜０．１０％およびＮ：０．０７％以下を含有し、さらに、Ｃａ：０．０００２〜０．００５％、Ｍｇ：０．０００２〜０．００５％、Ｌａ：０．０００２〜０．００５％およびＣｅ：０．０００２〜０．００５％から選択される１種以上を含み、残部がＦｅおよび不純物からなり、且つ、下記の（１）式を満足し、金属組織が主として焼戻しマルテンサイト、焼戻し時に析出した炭化物および焼戻し時に微細析出したラーベス相やσ相等の金属間化合物からなることを特徴とする耐炭酸ガス腐食性および耐硫化物応力腐食割れ性に優れた８６０ＭＰａ以上の０．２％耐力を持った高強度マルテンサイトステンレス鋼。
Ｍｏ≧２．３−０．８９Ｓｉ＋３２．２Ｃ    …（１）
ただし、（１）式中の各元素記号は、それぞれの元素の含有量（質量％）を示す。
【請求項６】
質量％で、Ｃ：０．００５〜０．０４％、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：０．１〜３．０％、Ｐ：０．０４％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｃｒ：１０〜１５％、Ｎｉ：４．０〜８％、Ｍｏ：２．８〜５．０％、Ａｌ：０．００１〜０．１０％およびＮ：０．０７％以下を含有し、さらに、Ｔｉ：０．００５〜０．２５％、Ｖ：０．００５〜０．２５％、Ｎｂ：０．００５〜０．２５％およびＺｒ：０．００５〜０．２５％から選択される１種以上を含み、並びにＣａ：０．０００２〜０．００５％、Ｍｇ：０．０００２〜０．００５％、Ｌａ：０．０００２〜０．００５％およびＣｅ：０．０００２〜０．００５％から選択される１種以上を含み、残部がＦｅおよび不純物からなり、且つ、下記の（１）式を満足し、金属組織が主として焼戻しマルテンサイト、焼戻し時に析出した炭化物および焼戻し時に微細析出したラーベス相やσ相等の金属間化合物からなることを特徴とする耐炭酸ガス腐食性および耐硫化物応力腐食割れ性に優れた８６０ＭＰａ以上の０．２％耐力を持った高強度マルテンサイトステンレス鋼。
Ｍｏ≧２．３−０．８９Ｓｉ＋３２．２Ｃ    …（１）
ただし、（１）式中の各元素記号は、それぞれの元素の含有量（質量％）を示す。
【請求項７】
質量％で、Ｃ：０．００５〜０．０４％、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：０．１〜３．０％、Ｐ：０．０４％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｃｒ：１０〜１５％、Ｎｉ：４．０〜８％、Ｍｏ：２．８〜５．０％、Ａｌ：０．００１〜０．１０％、Ｎ：０．０７％以下およびＣｕ：０．０５〜１％を含有し、さらに、Ｃａ：０．０００２〜０．００５％、Ｍｇ：０．０００２〜０．００５％、Ｌａ：０．０００２〜０．００５％およびＣｅ：０．０００２〜０．００５％から選択される１種以上を含み、残部がＦｅおよび不純物からなり、且つ、下記の（１）式を満足し、金属組織が主として焼戻しマルテンサイト、焼戻し時に析出した炭化物および焼戻し時に微細析出したラーベス相やσ相等の金属間化合物からなることを特徴とする耐炭酸ガス腐食性および耐硫化物応力腐食割れ性に優れた８６０ＭＰａ以上の０．２％耐力を持った高強度マルテンサイトステンレス鋼。
Ｍｏ≧２．３−０．８９Ｓｉ＋３２．２Ｃ    …（１）
ただし、（１）式中の各元素記号は、それぞれの元素の含有量（質量％）を示す。
【請求項８】
質量％で、Ｃ：０．００５〜０．０４％、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：０．１〜３．０％、Ｐ：０．０４％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｃｒ：１０〜１５％、Ｎｉ：４．０〜８％、Ｍｏ：２．８〜５．０％、Ａｌ：０．００１〜０．１０％、Ｎ：０．０７％以下およびＣｕ：０．０５〜１％を含有し、さらに、Ｔｉ：０．００５〜０．２５％、Ｖ：０．００５〜０．２５％、Ｎｂ：０．００５〜０．２５％およびＺｒ：０．００５〜０．２５％から選択される１種以上を含み、並びにＣａ：０．０００２〜０．００５％、Ｍｇ：０．０００２〜０．００５％、Ｌａ：０．０００２〜０．００５％およびＣｅ：０．０００２〜０．００５％から選択される１種以上を含み、残部がＦｅおよび不純物からなり、且つ、下記の（１）式を満足し、金属組織が主として焼戻しマルテンサイト、焼戻し時に析出した炭化物および焼戻し時に微細析出したラーベス相やσ相等の金属間化合物からなることを特徴とする耐炭酸ガス腐食性および耐硫化物応力腐食割れ性に優れた８６０ＭＰａ以上の０．２％耐力を持った高強度マルテンサイトステンレス鋼。
Ｍｏ≧２．３−０．８９Ｓｉ＋３２．２Ｃ    …（１）
ただし、（１）式中の各元素記号は、それぞれの元素の含有量（質量％）を示す。
【請求項９】
前記請求項１〜８のいずれかに規定する組成を有し、且つ、下記の（１）式を満足する鋼を、焼入れ温度８８０℃〜１０００℃で焼入れ後、焼戻し温度領域を４５０〜６２０℃とし、焼戻し温度Ｔ（℃）、焼戻し時間ｔ（時間）とする場合に（２０＋ｌｏｇ  ｔ）（Ｔ＋２７３）が１３５００〜１７７００を満足する焼戻し処理を施すことにより、金属組織が主として焼戻しマルテンサイト、焼戻し時に析出した炭化物および焼戻し時に微細析出したラーベス相やσ相等の金属間化合物からなることを特徴とする耐炭酸ガス腐食性および耐硫化物応力腐食割れ性に優れた８６０ＭＰａ以上の０．２％耐力を持った高強度マルテンサイトステンレス鋼。
Ｍｏ≧２．３−０．８９Ｓｉ＋３２．２Ｃ    …（１）
ただし、（１）式中の各元素記号は、それぞれの元素の含有量（質量％）を示す。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、炭酸ガス、硫化水素、塩素イオン等の腐食性物質を含む厳しい腐食環境において使用するのに適した鋼材に関する。さらに詳しくは、石油や天然ガスの生産設備用、脱炭酸ガス除去設備用、地熱発電設備用等のシームレス鋼管、電縫鋼管、レーザー溶接鋼管、スパイラル溶接管等のシーム溶接鋼管等用の鋼材、または、炭酸ガス含有液用のタンク等を構成する鋼材、特に石油や天然ガス井で用いられる油井管用の鋼材に関する。
【背景技術】  近い将来に予想される石油資源の枯渇化の観点から、近年、過酷な環境下の油井、即ち、深層の油井、サワーガス田等の開発が盛んに行われるようになってきている。従って、このような用途に使用される油井用鋼管には、高い強度を有するとともに、耐食性および耐硫化物応力腐食割れ性に優れることが求められている。
従来、油井管等の鋼材として、炭素鋼や低合金鋼を使用するのが一般的であったが、井戸の環境が過酷になるに従って、合金量を増加させた鋼が用いられるようになってきた。例えば、炭酸ガスを多量に含む油井用鋼材には、ＳＵＳ４２０に代表されるような１３Ｃｒ系マルテンサイトステンレス鋼が用いられるようになっている。
しかし、上記のＳＵＳ４２０鋼は、炭酸ガスに対する耐食性には優れるものの、硫化水素に対する耐食性が芳しくなく、炭酸ガスと硫化水素を同時に含むような環境下では硫化物応力腐食割れ（ＳＳＣＣ）が発生し易い。そこで、この鋼に替わる種々の鋼材が提案されている。
特許第２８６１０２４号公報、特開平５−２８７４５５号公報および特開平７−６２４９９号公報には、上記のＳＵＳ４２０の炭素含有量を低減することによって耐食性を向上させた鋼が開示されている。しかし、これらの公報に記載されるような炭素含有量が低い鋼は、深井戸に使用するのに必要な強度、即ち、耐力８６０ＭＰａ以上を得ることができない場合があった。
特開２０００−１９２１９６号公報には、高強度、且つ、良好な耐硫化物応力割れ性を有する鋼としてＣｏ：０．５〜７％、Ｍｏ：３．１〜７％を含むマルテンサイト単相組織の鋼が開示されている。同公報に記載される発明は、Ｃｏを上記の範囲で含有させることによって、冷却時の残留オーステナイトの生成を抑制して、組織をマルテンサイト単相とするものである。しかし、Ｃｏは高価な元素であるため、なるべく使用しないことが望ましい。
【発明の開示】
本発明は、上記の実状に鑑みてなされたものであり、深井戸用の油井管への使用に充分な強度、即ち、耐力８６０ＭＰａ以上の高強度を有し、且つ、炭酸ガス、硫化水素、塩素イオンまたはこれらの２種以上を含む環境下でも使用できるような優れた耐炭酸ガス腐食性および耐硫化物応力腐食割れ性を有するマルテンサイトステンレス鋼を提供することを目的とする。
このため、本発明は、下記（ａ）および（ｂ）に記載の高強度油井管用マルテンサイトステンレス鋼を要旨としている。なお、以下の説明において、成分含有量に関する％は「質量％」を意味する。
（ａ）質量％で、Ｃ：０．００５〜０．０４％、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：０．１〜３．０％、Ｐ：０．０４％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｃｒ：１０〜１５％、Ｎｉ：４．０〜８％、Ｍｏ：２．８〜５．０％、Ａｌ：０．００１〜０．１０％およびＮ：０．０７％以下を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなり、且つ、下記の（１）式を満足し、金属組織が主として焼戻しマルテンサイト、焼戻し時に析出した炭化物および焼戻し時に微細析出したラーベス相やσ相等の金属間化合物からなることを特徴とする耐炭酸ガス腐食性および耐硫化物応力腐食割れ性に優れた８６０ＭＰａ以上の０．２％耐力を持った高強度マルテンサイトステンレス鋼である。ただし、（１）式中の各元素記号は、それぞれの元素の含有量（質量％）を示す。
Ｍｏ≧２．３−０．８９Ｓｉ＋３２．２Ｃ    …（１）
本発明は、さらに上記（ａ）に記載の合金成分に加えて、下記第１群、第２群および第３群の少なくとも１群の中から選んだ、少なくとも１種の合金成分を含むマルテンサイトステンレス鋼を要旨とする。この鋼においても前記（１）式が満たされ、また金属組織も上記に記載のとおりである。
第１群…Ｔｉ：０．００５〜０．２５％、Ｖ：０．００５〜０．２５％、Ｎｂ：０．００５〜０．２５％およびＺｒ：０．００５〜０．２５％
第２群…Ｃｕ：０．０５〜１％
第３群…Ｃａ：０．０００２〜０．００５％、Ｍｇ：０．０００２〜０．００５％、Ｌａ：０．０００２〜０．００５％およびＣｅ：０．０００２〜０．００５％
（ｂ）上記（ａ）のいずれかに規定する組成を有し、且つ、上記の（１）式を満足する鋼を、焼入れ温度８８０℃〜１０００℃で焼入れ後、焼戻し温度領域を４５０〜６２０℃とし、焼戻し温度Ｔ（℃）、焼戻し時間ｔ（時間）とする場合に
（２０＋ｌｏｇ  ｔ）（Ｔ＋２７３）が１３５００〜１７７００を満足する焼戻し処理を施すことにより、金属組織が主として焼戻しマルテンサイト、焼戻し時に析出した炭化物および焼戻し時に微細析出したラーベス相やσ相等の金属間化合物からなることを特徴とする耐炭酸ガス腐食性および耐硫化物応力腐食割れ性に優れた８６０ＭＰａ以上の０．２％耐力を持った高強度マルテンサイトステンレス鋼である。
【図面の簡単な説明】  図１は、実施例で試験した各種の鋼のＭｏ含有量と、（１）式の右辺、即ち、「２．３−０．８９Ｓｉ＋３２．２Ｃ」（ＩＭ値）との関係を示す図である。
図２は、本発明で規定した焼戻し条件を説明する図であり、９２０℃で焼入れ後、焼戻し温度を４６０〜６５０で変化させて（２０＋ｌｏｇ  ｔ）（Ｔ＋２７３）の値を変化させたときの０．２％耐力と（２０＋ｌｏｇ  ｔ）（Ｔ＋２７３）の関係を示す。
【発明を実施するための最良の形態】  以下、本発明で規定する各元素についての含有量の限定理由を説明する。なお、各含有量の％は質量％を意味する。
Ｃ：０．００５〜０．０４％
Ｃは、鋼の強度を向上させるのに有効な元素であるが、耐食性の面からはできるだけ少ない方がよい。しかし、０．００５％未満であると、耐力が８６０ＭＰａ以上にならないので、その含有量の下限を０．００５％とした。一方、その含有量が０．０４％を超えると、焼戻し後の硬度が高くなりすぎ、硫化物応力腐食割れ感受性が高くなる。従って、Ｃの含有量を０．００５〜０．０４％とした。
Ｓｉ：０．５％以下
Ｓｉは、脱酸剤として必要な元素である。鋼中残留量は不純物レベルであっても良い。しかし、より大きな脱酸効果を得るためには、その含有量を０．０１％以上とするのが望ましい。一方、その含有量が０．５％を超えると、靱性が低下するとともに、熱間加工性を低下させる。従って、Ｓｉの含有量を０．５％以下とした。
Ｍｎ：０．１〜３．０％
Ｍｎは、熱間加工性を向上させるのに有効な元素である。この効果を得るためには、その含有量を０．１％以上とする必要がある。一方、その含有量が３．０％を超えると、その効果は飽和し、コスト上昇を招く。従って、Ｍｎの含有量を０．１〜３．０％とした。
Ｐ：０．０４％以下
Ｐは、鋼中に含まれる不純物であり、その含有量はできるだけ少ない方がよい。特に、その含有量が０．０４％を超えると耐硫化物応力腐食割れ性が著しく低下する。従って、Ｐの含有量を０．０４％以下とした。
Ｓ：０．０１％以下
Ｓも鋼中に含まれる不純物であり、その含有量はできるだけ少ない方がよい。特に、その含有量が０．０１％を超えると熱間加工性、耐食性および靱性が著しく低下する。従って、Ｓの含有量を０．０１％以下とした。
Ｃｒ：１０〜１５％
Ｃｒは、耐炭酸ガス腐食性を向上させるのに有効な元素である。この効果を得るためには、その含有量を１０％以上とする必要がある。一方、その含有量が１５％を超える場合には、焼戻し後の組織を主としてマルテンサイト相にするのが困難になる。従って、Ｃｒの含有量を１０〜１５％とした。
Ｎｉ：４．０〜８％
Ｎｉは、焼戻し後の組織を主としてマルテンサイト相にするために必要な元素である。しかし、その含有量が４．０％未満の場合には、焼戻し後の組織にフェライト相が多く析出し、焼戻し後の組織が主にマルテンサイト相にならない。一方、その含有量が８％を超える場合には、焼戻し後の組織が主としてオーステナイト相となる。従って、Ｎｉの含有量を４〜８％とした。さらに望ましいのは、４〜７％である。
Ｍｏ：２．８〜５．０％
Ｍｏは、高強度材の耐硫化物応力腐食割れ性を向上させるには有効な元素である。この効果を得るためには、その含有量を２．８％以上とする必要がある。しかし、その含有量が５．０％を超えると、この効果は飽和し、コスト上昇を招く。したがって、Ｍｏの含有量を２．８〜５．０％とした。
Ａｌ：０．００１〜０．１０％
Ａｌは、溶製過程において脱酸剤として使用する元素である。この効果を得るためには、その含有量を０．００１％以上とする必要がある。しかし、その含有量が０．１０％を超えると、介在物が多くなって耐食性が損なわれる。従って、Ａｌの含有量を０．００１〜０．１０％とした。
Ｎ：０．０７％以下
Ｎは、鋼中に含まれる不純物であり、その含有量はできるだけ少ない方がよい。特に、その含有量が０．０７％を超えると、介在物が多くなって耐食性が劣化する。従って、Ｎの含有量を０．０７％以下とした。
本発明のマルテンサイト系ステンレス鋼の一つは、上記各成分のほか、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるものである。もう一つは、上記の成分に加えて更に下記に示す第１群、第２群および第３群の少なくとも１群から選んだ少なくとも１種の合金成分を含むものである。以下、各群の成分について説明する。
第１群（Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｚｒ：それぞれ０．００５〜０．２５％）
Ｔｉ、Ｖ、ＮｂおよびＺｒは、いずれもＣを固定し、強度のばらつきを小さくする作用を有するので、必要に応じて、これらのうちから選択される１種以上を含有してもよい。しかし、いずれの元素もその含有量が０．００５％未満では上記の効果が得られない。一方、いずれの元素もその含有量が０．２５％を超えると、焼戻し後の組織を主としてマルテンサイト相とすることができず、耐力が８６０ＭＰａ以上の高強度化が図れない。従って、これらの元素を選択的に含有させる場合の含有量をそれぞれ０．００５〜０．２５％とした。
第２群（Ｃｕ：０．０５〜１％）
Ｃｕは、Ｎｉと同様に、焼戻し後の組織を主としてマルテンサイト相とするのに有効な元素である。Ｃｕの添加によってこの効果を得るためには、その含有量を０．０５％以上とすればよい。ただし、その含有量が１％を超えると、鋼の熱間加工性が低下する。従って、Ｃｕを含有させる場合には、その含有量を０．０５〜１％とした。
第３群（Ｃａ、Ｍｇ、Ｌａ、Ｃｅ：それぞれ０．０００２〜０．００５％）
Ｃａ、Ｍｇ、ＬａおよびＣｅはいずれも、鋼の熱間加工性を向上させるのに有効な元素であるので、必要に応じて、これらのうちから選択される１種以上を含有してもよい。しかし、いずれの元素もその含有量が０．０００２％未満では上記の効果が得られない。一方、いずれの元素もその含有量が０．００５％を超えると、粗大な酸化物が生成し、鋼の耐食性が低下する。従って、これらの元素を選択的に含有させる場合の含有量を０．０００２〜０．００５％とした。特に、Ｃａおよび／またはＬａを含有させるのが望ましい。
本発明の鋼は、上記の化学組成を有するとともに、下記の（１）式を満足しなければならない。これは、上記の（１）式を満たす場合には、耐硫化物応力腐食割れ性を劣化させずに鋼の強度を耐力が８６０ＭＰａ以上と向上させることができるからである。
Ｍｏ≧２．３−０．８９Ｓｉ＋３２．２Ｃ    …（１）
ただし、（１）式中の各元素記号は、それぞれの元素の含有量（質量％）を示す。
図１は、後述する実施例で試験した各種の鋼のＭｏ含有量と、（１）式の右辺、即ち、「２．３−０．８９Ｓｉ＋３２．２Ｃ」（これをＩＭ値という）との関係を示す図である。具体的には、本発明鋼と比較鋼（試験Ｎｏ．１８〜２１）の結果に基づいている。図中の「○」は硫化物応力腐食割れ試験で破断しなかったものを示し、「×」は破断したものを示す。Ｍｏ含有量が２．８％以上でも、上記（１）式を満たさないと、耐応力腐食割れ性に劣る。
Ｍｏ含有量が本発明で規定する範囲外（即ち、２．８％未満）の場合には、０．２％耐力が８６０ＭＰａ未満であり、また、Ｍｏの含有量が本発明で規定する範囲内（即ち、２．８〜５％）の場合でも、上記の（１）式を満たさなければ、０．２％耐力が８６０ＭＰａ未満である。
しかしながら、上記の（１）式の条件を満たす鋼であれば、０．２％耐力が８６０ＭＰａ以上となり、油井用鋼材としての使用に耐えうる充分な強度が得られる。従って、本発明の鋼は、前記の化学組成の範囲内で、しかも上記の（１）式を満たす必要がある。
本発明者らは、さらに、金属組織の影響について検討した結果、金属組織が主として焼戻しマルテンサイト、焼戻し時に析出した炭化物および焼戻し時に微細析出したラーベス相やσ相等の金属間化合物からなる組織であれば、耐硫化物応力腐食割れ性を低下させることなく、鋼の強度を向上させることができることを見出した。
なお、「主として焼戻しマルテンサイト」とは、金属組織の７０ｖｏｌ％以上が焼戻しマルテンサイト組織であることをいい、焼戻しマルテンサイト組織の外に残留オーステナイト組織やフェライト組織が存在していてもよい。
また、「ラーベス相やσ相等の金属間化合物」は、Ｆｅ２Ｍｏ等のラーベス相、σ相の他に、μ相、χ相等の金属間化合物を含んでもよいものとする。
本発明鋼の金属組織中には焼戻し時に析出した炭化物が含まれる。炭化物は、鋼の強度を確保するために有効な金属組織であるが、鋼中に炭化物が含まれているだけでは、耐力８６０ＭＰａ以上の高強度を実現することはできない。従って、本発明においては、炭化物が析出するとともに、上述のラーベス相やσ相等の金属間化合物が微細に析出する必要がある。
本発明鋼の熱処理は、通常の焼入れ−焼戻しである。微細な金属間化合物を焼戻し時に析出させるためには、焼入れ時に金属間化合物を充分に固溶させる必要がある。その焼入れ温度は、８８０〜１，０００℃とするのが望ましい。
さらに、微細なラーベス相やσ相等の金属間化合物が析出し、０．２％耐力を８６０ＭＰａ以上とできるのは、焼戻し温度領域は４５０〜６２０℃で、且つ、焼戻し温度Ｔ（℃）、焼戻し時間ｔ（時間）とすると、（２０＋ｌｏｇ  ｔ）（Ｔ＋２７３）：１３５００〜１７７００を満足できる場合である。
図２は、本発明で規定した焼戻し条件を説明する図である。同図では、後述する実施例の試験Ｎｏ．１の材料を用い、９２０℃で焼入れ後、焼戻し温度を４００〜６５０で変化させて（２０＋ｌｏｇ  ｔ）（Ｔ＋２７３）の値を変化させたときの０．２％耐力と（２０＋ｌｏｇ  ｔ）（Ｔ＋２７３）の関係を示している。
図２に示すように、０．２％耐力が８６０ＭＰａ以上になるのは（２０＋ｌｏｇ  ｔ）（Ｔ＋２７３）が１３５００〜１７７００の範囲のときである。
（２０＋ｌｏｇ  ｔ）（Ｔ＋２７３）が１７７００を超える条件で焼戻しをすると、転位密度が減少し、または、金属間化合物が金属組織中に固溶化し、０．２％耐力が８６０ＭＰａ以上の高強度化が達成できない。一方、１３５００未満の条件で焼戻しすると、金属間化合物、炭化物が析出しないため０．２％耐力が８６０ＭＰａ以上を達成できない。
上記のような原理から、本発明の鋼は、先に述べた化学組成を有し、（１）式を満たすとともに、その金属組織が主として焼戻しマルテンサイト、焼戻し時に析出した炭化物および焼戻し時に微細析出したラーベス相やσ相等の金属間化合物である必要がある。
【実施例】  表１に示す化学組成を有する鋼を溶製して鋳造し、得られた鋳片を熱間鍛造し、熱間圧延して、厚さ：１５ｍｍ、幅：１２０ｍｍ、長さ：１，０００ｍｍの鋼板を作製し、これらの鋼板に焼入れ（９２０℃水冷）および焼戻し〔５５０℃で３０分均熱後空冷：（２０＋ｌｏｇ  ｔ）（Ｔ＋２７３）＝１６２１２〕を施したものを試験用鋼板として各種試験に供した。
2004057050.tif 000003
まず、それぞれの試験用鋼板から直径：６．３５ｍｍ、平行部長さ：２５．４ｍｍの丸棒試験片を採取し、常温で引張試験を行った。このときの０．２％耐力を表２に示す。
次に、それぞれの試験用鋼板から厚さ：３ｍｍ、幅：２０ｍｍ、長さ：５０ｍｍの試験片を採取し、この試験片を６００番エメリー紙で研磨した後、脱脂、乾燥したものを０．９７３ＭＰａのＣＯ２ガスおよび０．００１４ＭＰａのＨ２Ｓガスを飽和させた２５％ＮａＣｌ水溶液（温度：１６５℃）に７２０時間浸漬した。
浸漬後に試験片の腐食減量〔（試験前の質量）−（試験後の質量）〕を測定し、また目視により試験片表面の局部腐食の有無を確認した。この結果、本発明鋼の腐食速度は０．５ｍｍ／年以下で、かつ表面に局部腐食は見られなかった。
続いて、ＮＡＣＥのＴＭ０１７７−９６  Ｍｅｔｈｏｄ  Ａに従い、バネ式（プルーフリング式）試験機を使用して定荷重試験を行った。具体的には、それぞれの試験用鋼板から直径：６．３ｍｍ、平行部長さ：２５．４ｍｍの丸棒試験片を採取し、０．００３ＭＰａのＨ２Ｓガス（ＣＯ２ｂａｌ．）を飽和させた２５％ＮａＣｌ溶液（ｐＨ４．０）を使用して、試験温度：２５℃で７２０時間、試験応力：０．２％耐力の８５％定荷重試験を行った。この結果、０．２％耐力が８６０ＭＰａ以上である本発明鋼は全ての試験片で破断しなかった。
金属組織についても、光学顕微鏡および抽出レプリカによって観察した。この結果を表２に併記する。
2004057050.tif 000004
表２に示すとおり、本発明例１〜１７は、０．２％耐力が８６０ＭＰａ以上であるとともに、優れた耐炭酸ガス腐食性および耐硫化物応力腐食割れ性を有している。一方、Ｃｒおよび／またはＭｏの含有量が本発明で規定する範囲外の比較例２２〜２５および各成分の含有範囲が本発明で規定する範囲内であるが前記（１）式を満たさない比較例１８〜２１はいずれも、炭酸ガス性能または耐応力割れ性能が充分ではなかった。
【産業上の利用の可能性】
本発明のマルテンサイトステンレス鋼によれば、特定成分について鋼組成を制限するとともに、鋼中のＭｏ含有量をＩＭ値との関係で規定し、且つ、金属組織を主として焼戻しマルテンサイト、焼戻し時に析出した炭化物および焼戻し時に微細析出したラーベス相やσ相等の金属間化合物から構成することによって、０．２％耐力が８６０ＭＰａ以上の高強度であり、優れた耐炭酸ガス腐食性および耐硫化物応力腐食割れ性を有することができる。これにより、炭酸ガス、硫化水素、塩素イオンまたはこれらの２種以上を含む環境下で油井管その他の用途に広く使用できる実用性の高い鋼として広い分野で適用することができる。
【図１】
2004057050.tif 000005
【図２】
2004057050.tif 000006
【国際調査報告】
2004057050.tif 000007
2004057050.tif 000008