(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量％で、
Ｃ  ：０．１５〜０．２２％、
Ｓｉ：０．５％以下、
Ｍｎ：０．１〜１．５％、
Ｐ  ：０．００８％未満、
Ｓ  ：０．００５％以下、
Ｃｒ：１２〜１４％、
Ａｌ：０．３％以下、
Ｎ  ：０．００１〜０．０８％
を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなることを特徴とする降伏応力が６５０ＭＰａ以上で、且つ破面遷移温度が−４０℃以下のマルテンサイト系ステンレス鋼管。
【請求項２】
重量％で、
Ｃ  ：０．１５〜０．２２％、
Ｓｉ：０．５％以下、
Ｍｎ：０．１〜１．５％、
Ｐ  ：０．００８％未満、
Ｓ  ：０．００５％以下、
Ｃｒ：１２〜１４％、
Ａｌ：０．３％以下、
Ｎ：０．００１〜０．０８％、
を含有し、さらに、
Ｎｉ：０．０５〜０．５％、
Ｍｏ：０．０５〜０．５％、
Ｃｕ：０．０５〜０．５％、
Ｔｉ：０．００１〜０．０５％、
Ｃａ：０．００１〜０．０１％
の１種または２種以上を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなることを特徴とする降伏応力が６５０ＭＰａ以上で、且つ破面遷移温度が−４０℃以下のマルテンサイト系ステンレス鋼管。
【請求項３】
重量％で、
Ｃ  ：０．１５〜０．２２％、
Ｓｉ：０．５％以下、
Ｍｎ：０．１〜１．５％、
Ｐ  ：０．００８％未満、
Ｓ：０．００５％以下、
Ｃｒ：１２〜１４％、
Ａｌ：０．３％以下、
Ｎ：０．００１〜０．０８％
を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなるマルテンサイト系ステンレス鋼を熱間圧延法により造管した後、Ａｃ3点以上９３０℃未満の温度域に加熱し、続いて室温まで空冷以上の速度で冷却し、しかる後、Ａｃ1点以下の温度で焼戻し処理することを特徴とする、降伏応力が６５０ＭＰａ以上で、且つ破面遷移温度が−４０℃以下のマルテンサイト系ステンレス鋼管の製造法。
【請求項４】
重量％で、
Ｃ  ：０．１５〜０．２２％、
Ｓｉ：０．５％以下、
Ｍｎ：０．１〜１．５％、
Ｐ  ：０．００８％未満、
Ｓ  ：０．００５％以下、
Ｃｒ：１２〜１４％、
Ａｌ：０．３％以下、
Ｎ  ：０．００１〜０．０８％、
を含有し、さらに、
Ｎｉ：０．０５〜０．５％、
Ｍｏ：０．０５〜０．５％、
Ｃｕ：０．０５〜０．５％、
Ｔｉ：０．００１〜０．０５％、
Ｃａ：０．００１〜０．０１％
の１種または２種以上を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなるマルテンサイト系ステンレス鋼を熱間圧延法により造管した後、Ａｃ3点以上９３０℃未満の温度域に加熱し、続いて室温まで空冷以上の速度で冷却し、しかる後、Ａｃ1点以下の温度で焼戻し処理することを特徴とする、降伏応力が６５０ＭＰａ以上で、且つ破面遷移温度が−４０℃以下のマルテンサイト系ステンレス鋼管の製造法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低温靭性に優れた高強度マルテンサイト系ステンレス鋼管およびその製造法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
マルテンサイト系ステンレス鋼は、ＡＩＳＩ４２０鋼に代表されるように、強度、耐ＣＯ2腐食性に優れ比較的安価であることから１９８０年頃より油井管として適用されてきた。通常は製管後、焼き入れ・焼戻し処理して製造されるが、低温靭性が不十分であるため寒冷地での使用が制限されている。そこで、優れた低温靭性を得るための製造法として、特開平３−７５３０８号公報などに見られるような、オーステナイト化後の冷却速度を大きくし粗大クロム炭化物の析出を抑制する製造法や、特開平５−２６３１３４号公報などに見られるような、焼戻し後の冷却速度を大きくし粗大クロム炭化物の析出を抑制する製造法や、特開平４−２１０４５３号公報などに見られるようなオーステナイト化時の昇温速度を大きくしかつ保定時間を短くしてオーステナイト粒径の粗大化を防止する製造法や、特開昭６３−２３８２１７号公報や特開昭６３−２４１１１７号公報などに見られるように加工熱処理法を利用する製造法などが提案されている。しかしながら、これらの策をとってもなお、降伏応力が６５０ＭＰａを超える高強度材においては十分な低温靭性が得られていないのが現状である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記したような問題点を解決しようとするものであって、降伏応力が６５０ＭＰａを超える高強度を有し、かつ破面遷移温度が−４０℃以下の優れた低温靭性を有するマルテンサイト系ステンレス鋼管およびその製造法を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、成分の異なる種々の素材に対して種々の熱処理を行い、低温靭性について研究を重ねた結果、熱間圧延法により造管した後、オーステナイトと未固溶炭化物の共存温度域に加熱し続いて室温まで空冷以上の速度で冷却し、しかる後、Ａｃ1 点以下の温度で焼戻し処理すると、未固溶炭化物の粒界ピンニングによるオーステナイト粒成長の抑制効果と粒界への粗大クロム炭化物の析出を抑制する効果により、低温靭性が大幅に向上することを知見した。さらに、この靭性向上効果は鋼中のＰ含有量を０．００８％未満に低減することにより、一層大きくなることを知見した。
【０００５】
本発明はこのような知見に基づいて構成したものであり、その要旨は、下記の（１）に示すマルテンサイト系ステンレス鋼管および（２）に示すマルテンサイト系ステンレス鋼管の製造法にある。
（１）重量％で、
Ｃ  ：０．１５〜０．２２％、  Ｓｉ：０．５％以下、
Ｍｎ：０．１〜１．５％、      Ｐ  ：０．００８％未満、
Ｓ  ：０．００５％以下、      Ｃｒ：１２〜１４％、
Ａｌ：０．３％以下、          Ｎ：０．００１〜０．０８％
を含有し、さらに必要に応じて、
Ｎｉ：０．０５〜０．５％、    Ｍｏ：０．０５〜０．５％、
Ｃｕ：０．０５〜０．５％、    Ｔｉ：０．００１〜０．０５％、
Ｃａ：０．００１〜０．０１％
の１種または２種以上を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなることを特徴とする降伏応力が６５０ＭＰａ以上で、且つ破面遷移温度が−４０℃以下のマルテンサイト系ステンレス鋼管。
（２）重量％で、
Ｃ  ：０．１５〜０．２２％、  Ｓｉ：０．５％以下、
Ｍｎ：０．１〜１．５％、      Ｐ  ：０．００８％未満、
Ｓ  ：０．００５％以下、      Ｃｒ：１２〜１４％、
Ａｌ：０．３％以下、          Ｎ：０．００１〜０．０８％
を含有し、さらに必要に応じて、
Ｎｉ：０．０５〜０．５％、    Ｍｏ：０．０５〜０．５％、
Ｃｕ：０．０５〜０．５％、    Ｔｉ：０．００１〜０．０５％、
Ｃａ：０．００１〜０．０１％
の１種または２種以上を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなるマルテンサイト系ステンレス鋼を熱間圧延法により造管した後、Ａｃ3点以上９３０℃未満の温度域に加熱し、続いて室温まで空冷以上の速度で冷却し、しかる後、Ａｃ1点以下の温度で焼戻し処理することを特徴とする、降伏応力が６５０ＭＰａ以上で、且つ破面遷移温度が−４０℃以下のマルテンサイト系ステンレス鋼管の製造法。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について詳細に説明する。
ＡＩＳＩ４２０鋼に代表されるマルテンサイト系ステンレス鋼の低温靭性が良好でないのは粒界への粗大クロム炭化物の析出やＰなどの不純物元素の偏析により粒界脆化が生じるためである。
したがって、該鋼の低温靭性を向上させるには、オーステナイト粒径の細粒化により粒界面積を低減すること、粒界への粗大クロム炭化物の析出を抑制すること、Ｐなどの不純物元素の粒界偏析を抑制すること、が重要である。
【０００７】
熱間圧延法により造管しＡｒ1 点以下（望ましくは室温）まで冷却した後，オーステナイトと未固溶炭化物の共存温度域に加熱し、続いて室温まで空冷以上の速度で冷却すると、未固溶炭化物の粒界ピンニングによるオーステナイト粒成長の抑制効果によりオーステナイト粒径を細粒化することができる。
【０００８】
ここで、オーステナイトと未固溶炭化物の共存温度域とはＡｃ3 点以上９３０℃未満の温度域である。Ａｃ3点未満の温度では十分オーステナイトとならず、また温度が高すぎると未固溶炭化物は存在するが少量であるため十分な効果が得られない。未固溶炭化物を十分共存させるには、上限は９３０℃未満とする。
【０００９】
また、固溶炭素が少ないので空冷以上の速度で冷却すると粒界への粗大クロム炭化物の析出を抑制できる。また、Ｐ、Ｓ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｓｎ、Ａｓ、Ｓｂなどの不純物元素の含有量が低温靭性に及ぼす影響を調べた結果、Ｐの影響が極めて大きく、その影響は０．０２％以下の低含有量の領域でも顕著であり、特に０．００８％未満まで低減すれば極めて良好な低温靭性が得られる。さらに、Ｐを０．００８％未満に低減した鋼に上記熱処理を施せば細粒化の効果によりＰの粒界偏析はさらに抑制され、低温靭性は一層向上する。
【００１０】
Ａｃ3 点以上９５０℃以下の温度域に加熱し続いて室温まで空冷以上の速度で冷却して焼入れたマルテンサイト組織を、Ａｃ1 点以下の温度で焼戻し処理すると所要の強度・靭性が得られるが、焼戻し温度がＡｃ1 点を超えると降伏応力が急激に低下するため強度を安定的に造り込むことができない。それゆえ焼戻し温度をＡｃ1 点以下とした。
【００１１】
次に、本発明におけるマルテンサイト系ステンレス鋼管の成分限定理由は以下の通りである。
Ｃ：Ｃは０．２２％を超えると耐食性及び靭性の劣化が生じるので上限を０．２２％とした。また、０．１５％未満では熱間加工温度域でδフェライトが析出して熱間加工性を劣化させるので下限を０．１５％とした。
【００１２】
Ｓｉ：Ｓｉは製鋼工程において脱酸剤として添加され残存するものである。０．５％を超えて含有されると靭性が劣化することから、上限を０．５％とした。Ｍｎ：Ｍｎはオーステナイト安定化元素であり、熱間加工時にδフェライトの析出を抑制することにより圧延疵防止に有効であるが、０．１％未満ではその効果は発現されず、１．５％を超えて添加すると粒界強度を低下させ靱性が劣化するので、最適添加量を０．１％〜１．５％とした。
【００１３】
Ｐ：Ｐは粒界に偏析して粒界強度を低下させ、靱性を劣化させる不純物元素であり、可及的低レベルが望ましいが、０．００８％未満にすれば必要な靭性が得られることから、現状精錬技術の到達可能レベルとコストを考慮して、上限を０．００８％とした。
【００１４】
Ｓ：Ｓは熱間加工性及び靭性を劣化させる不純物元素であり、可及的低レベルが望ましいが、現状精錬技術の到達可能レベルとコストを考慮して、上限を０．００５％とした。
【００１５】
Ｃｒ：Ｃｒは耐食性向上の基本元素であり、十分な耐食性を得るには１２％以上の添加が必要であるが、フェライト安定化元素でもあり、多すぎると熱間加工時にδフェライトが析出して熱間加工性を劣化するため、上限を１４％とした。
【００１６】
Ａｌ：Ａｌは製鋼工程において脱酸及び脱硫を促進させるために添加され残存する。０．３％を超えて含有されると靭性が劣化することから、上限を０．３％とした。
【００１７】
Ｎ：Ｎは窒化物を形成し結晶粒粗大化を抑制する効果があるが、０．００１％未満ではその効果は発現されず、０．０８％を超えて添加すると靭性が劣化するため、最適添加量を０．００１％〜０．０８％とした。
【００１８】
Ｎｉ：Ｎｉは耐腐食性向上及び靭性向上に有効である。また、オーステナイト安定化元素であり、圧延疵につながるδフェライトの生成を抑止するので、必要に応じて添加するが、０．０５％未満ではその効果は発現されず、０．５％を超えて添加すると耐硫化物応力腐食割れ性を劣化させるので，最適添加量を０．０５％〜０．５％とした。
【００１９】
Ｍｏ：ＭｏはＰの粒界偏析を抑制し靭性向上に有効な元素であり、必要に応じて添加するが、０．０５％未満ではその効果は発現されず、またフェライト安定化元素でもあり、多すぎると熱間加工時にδフェライトが析出して熱間加工性を劣化するため、最適添加量を０．０５％〜０．５％とした。
【００２０】
Ｃｕ：ＣｕはＮｉと同様に耐腐食性向上に有効な元素であるとともに、オーステナイト安定化元素でありδフェライトの生成を抑止し圧延疵防止に有効であるため、必要に応じて添加するが、０．０５％未満ではその効果は発現されず、０．５％を超えて添加すると粒界に過剰に偏析して粒界強度を低下させるため熱間加工性が著しく劣化するため、最適添加範囲を０．０５％〜０．５％とした。
なお、ＮｉとＣｕは同時添加することにより耐食性向上効果がよりいっそう大きくなるので、同時添加することが望ましい。
【００２１】
Ｔｉ：ＴｉはＳによる熱間加工性劣化を抑制するものであり、必要に応じて添加するが、０．００１％未満ではその効果が発現されず、０．０５％を超えて添加してもその効果は飽和し、逆に粗大な窒化物を析出して靭性を低下させるため、最適添加量を０．００１％〜０．０５％とした。
【００２２】
Ｃａ：ＣａはＳによる熱間加工性劣化を抑制するものであり、必要に応じて添加するが、０．００１％未満ではその効果が発現されず、０．０１％を超えて添加するとＣａ系介在物が増加して耐硫化物応力割れ性が劣化するので、最適添加量を０．００１％〜０．０１％とした。
【００２３】
本発明は、主にマンネスマン方式の熱間圧延法によって継目無管に造管される。ここでいうマンネスマン方式の圧延法とは矩形断面もしくは丸断面の管材を用い、プレスロース穿孔法あるいはマンネスマン穿孔法により穿孔した後、必要に応じて傾斜圧延機（エロンゲータ）により延伸し、さらにプラグミルあるいはマンドレルミルにより造管していくプロセスを意味する．
【００２４】
【実施例】
表１に示す成分の外径１７７．８ｍｍ、肉厚１１．５ｍｍの熱間圧延ままの鋼管に表１に示す条件で熱処理を施して６５０ＭＰａを超える高強度に調質し、Ｖノッチシャルピー衝撃試験（JIS Z 2242、フルサイズ、Ｌ方向）を行い破面遷移温度を求めた。また、降伏応力を引張試験(JIS Z 2241)により求めた。結果を表１に示す。
【００２５】
【表１】
0003921808.tif 000002
【００２６】
本発明（Ｎｏ．１、２、３、５、６、７、９および１０）によれば降伏応力が６５０ＭＰａ以上の高強度を有しかつ破面遷移温度が−４０℃以下の良好な低温靭性が得られることが明らかである。特に、参考例（Ｎｏ．４および７）と本発明例とを比較すれば明らかなように、焼入れ時の加熱温度を９３０℃未満にすればいっそう優れた低温靭性が得られる。一方、比較例（Ｎｏ．１１〜Ｎｏ．１８）ではいずれも破面遷移温度が０℃以上であり良好な低温靭性は得られていない。
【００２７】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、降伏応力が６５０ＭＰａ以上の高強度を有し、かつ破面遷移温度が−４０℃以下の優れた低温靭性を有するマルテンサイト系ステンレス鋼管を提供することができる。