[发明专利]高强度钢材和其制造方法

说明书

一种高强度钢材，其化学组成以质量％计为:C:0.30～1.0％、Si:0.05～1.0％、Mn:16.0～35.0％、P:0.030％以下，S:0.030％以下，Al:0.003～0.06％、N:0.1％以下，V:0～3.0％、Ti:0～1.5％、Nb:0～1.5％、Cr:0～5.0％、Mo:0～3.0％、Cu:0～1.0％、Ni:0～1.0％、B:0～0.02％、Zr:0～0.5％、Ta:0～0.5％、Ca:0～0.005％、Mg:0～0.005％、余量:Fe和杂质，满足[V+Ti+Nb>2.0]，钢中析出的圆当量直径为5～30nm的碳化物/碳氮化物的个数密度为50～700个/μm²，且圆当量直径超过100nm的碳化物/碳氮化物的个数密度低于10个/μm²，屈服应力为758MPa以上，由DCB试验得到的K_ISSC的值为33.7MPa·m^0.5以上。

技术领域

本发明涉及高强度钢材和其制造方法。

背景技术

油井和气井(以下，将油井和气井统一简称为“油井”)的深井化正推进。因此，要求油井中使用的壳体、管道等油井用钢管(以下，称为“油井管”)的高强度化。

进而，最近开发的深井的内部大多为包含具有腐蚀性的硫化氢(H₂S)的酸性化的严苛的环境(酸性环境)。在这样的环境下，由于硫化物应力裂纹(以下，称为“SSC”)而使油井管有时达到破坏。而且广泛已知的是，随着钢的高强度化，对SSC的敏感性提高。

在这样的情况下，特别是对于发挥作为油井的壁(外管)的作用的壳体使用的钢材，高强度化和耐酸性化的要求提高。而且，目前，逐渐使用了具有758～862MPa的屈服应力(以下，也称为“YS”)的所谓“110ksi级”的、在H₂S分压为1atm的环境下也不会引起SSC的油井管、或具有862～965MPa的YS的所谓“125ksi级”的、在H₂S分压为0.03atm的环境下也不会引起SSC的油井管。

需要说明的是，上述“SSC”是在腐蚀环境中由于钢材表面产生的氢扩散至钢中、与钢材所负荷的应力的协同作用而导致断裂的氢脆化的1种。

如此，高强度油井管开发时，不仅要求高强度化，还要求具备良好的耐SSC性。

而且，随着油井环境的愈发的严苛化，对油井管要求更进一步高的安全性，从防止耐SSC的观点出发，在以往的基于NACE TM0177-2005中记载的“Method A”的恒定载荷试验结果和基于“Method B”的Sc试验结果良好的基础上，最近，开始要求基于“Method D”的DCB试验结果即酸性环境中的破坏韧性值(以下，称为“K_ISSC”)高。

例如，假定在作为代表性的尺寸的壁厚为15.9mm的壳体中存在0.5mm的裂缝、负荷所谓“110ksi级”的标准最小屈服应力即758MPa时，裂缝底的应力扩大系数成为33.7MPa·m^0.5。因此，K_ISSC要求该值以上。

需要说明的是，关于晶体结构与氢脆化的关系，已知的是，面心立方(fcc)结构的奥氏体系钢材和Ni基合金材一般与体心立方(bcc)结构或体心正方(bct)结构(以下，本说明书中将它们归纳称为“bcc结构”)的碳钢材和低合金钢材相比，具有优异的耐氢脆化特性。

然而，一般而言，奥氏体系材料在固溶热处理(以下，有时称为“固溶化热处理”)的状态下为低强度，为了奥氏体的稳定化，通常大量含有Ni等昂贵的成分元素，因此，材料成本的上升明显。

作为具有奥氏体稳定化作用、且比上述Ni还廉价的元素，可以举出Mn。因此，公开了各种涉及奥氏体系高强度高Mn钢材的技术。