新日鐵防止中、高碳低合金鋼管淬火裂紋的方法

根據(jù)新日鐵的這項(xiàng)技術(shù)的鋼管的淬火方法，對(duì)中、高碳鋼管（以低合金鋼或者中合金鋼為主的鋼管）或Cr系不銹鋼管能夠不產(chǎn)生淬火裂紋地用急冷手段（水淬火）實(shí)施淬火處理。由此，能夠穩(wěn)定地制造具有馬氏體比率高的組織（具體而言，馬氏體比率為80%以上）的高強(qiáng)度的鋼管。

具體實(shí)施方式

為了解決上述課題，新日鐵的這項(xiàng)技術(shù)人等反復(fù)進(jìn)行了如下的水淬火實(shí)驗(yàn)：將含高碳的低合金鋼和Cr系不銹鋼的鋼管試驗(yàn)片加熱到A相變點(diǎn)溫度以上，從鋼管的外表面進(jìn)行水冷。其結(jié)果，可得到以下（a）～（f）的見解。

（a）若用強(qiáng)的水淬火對(duì)鋼管全體進(jìn)行冷卻到馬氏體相變停止溫度（Mf點(diǎn)）以下，則以高概率產(chǎn)生淬火裂紋。

（b）由于淬火裂紋時(shí)的龜裂大致在鋼管的軸方向上伸展，因此可認(rèn)為擴(kuò)大裂紋的主要力為周方向的拉伸應(yīng)力。

（c）關(guān)于前述周方向的拉伸應(yīng)力的產(chǎn)生源，可認(rèn)為是因?yàn)樵诶鋮s過程中產(chǎn)生的壁厚方向上的溫度差（溫度不均勻）導(dǎo)致在鋼管的外表面?zhèn)扰c內(nèi)表面?zhèn)鹊鸟R氏體相變的時(shí)機(jī)有偏差。

（d）特別是在溫度不均勻較大（即，與內(nèi)表面?zhèn)鹊臏囟炔畲螅┑睦鋮s面附近，容易產(chǎn)生基于脆性破壞的微裂紋，其容易成為龜裂伸展的起點(diǎn)。

（e）龜裂在絕大部分情況下是以鋼管端部為起點(diǎn)而伸展的。其理由可認(rèn)為是因?yàn)榫哂凶杂杀砻娴亩瞬康膽?yīng)力增大系數(shù)與端部以外的該系數(shù)相比更大。

（f）不進(jìn)行水冷地抑制冷卻速度的情況下，含高碳的低合金鋼和Cr系不銹鋼的情況均不產(chǎn)生淬火裂紋。需要說明的是，對(duì)于含高碳的低合金鋼，抑制馬氏體化、制成貝氏體主體的組織的情況下不產(chǎn)生淬火裂紋。總之可認(rèn)為，淬火裂紋在絕大多數(shù)情況下以產(chǎn)生于具有自由表面的鋼管端部的龜裂為起點(diǎn)，該龜裂是作為通過微裂紋而發(fā)展的結(jié)果產(chǎn)生的，所述微裂紋是在冷卻過程中產(chǎn)生的起因于壁厚方向的溫度不均勻的熱應(yīng)力、進(jìn)而相變應(yīng)力導(dǎo)致的周方向上的拉伸應(yīng)力（以下也將“拉伸應(yīng)力”簡稱為“應(yīng)力”）發(fā)生作用而在冷卻面附近產(chǎn)生的。

新日鐵的這項(xiàng)技術(shù)人等進(jìn)而利用考慮了熱應(yīng)力與相變應(yīng)力的FEM（有限元法）分析，計(jì)算了鋼管的周方向上產(chǎn)生的最大應(yīng)力。該FEM分析中，假設(shè)鋼管軸方向均勻地進(jìn)行冷卻，并應(yīng)用了以鋼管2維截面為分析對(duì)象的廣義平面應(yīng)變模型。

如以上說明的那樣，根據(jù)FEM分析的結(jié)果也判明，通過對(duì)管端部進(jìn)行空冷、即不進(jìn)行水冷，能夠大幅降低管端部的周方向應(yīng)力。

新日鐵的這項(xiàng)技術(shù)人等根據(jù)上述見解和考察得到了以下（g）和（h）的啟發(fā)，從而完成了新日鐵的這項(xiàng)技術(shù)。

（g）即使是由水淬火中容易產(chǎn)生淬火裂紋的低合金鋼或者中合金鋼形成的鋼管，如果不對(duì)鋼管的端部進(jìn)行水冷，而是在除了端部以外的部分以能夠確保充分的馬氏體比率的冷卻速度進(jìn)行水冷，則能夠不產(chǎn)生淬火裂紋地穩(wěn)定地進(jìn)行水淬火。

（h）將上述的水淬火方法應(yīng)用于由馬氏體類不銹鋼制作的鋼管時(shí)，也能夠不產(chǎn)生淬火裂紋地確保高性能。新日鐵的這項(xiàng)技術(shù)如前所述，為一種鋼管的淬火方法，其特征在于，其為將鋼管從外表面進(jìn)行水冷而淬火的淬火方法，其中，不對(duì)管端部進(jìn)行水冷，而對(duì)所述管端部以外的部分的至少一部分進(jìn)行水冷。需要說明的是，前述的“管端部”是指鋼管的兩端部。

新日鐵的這項(xiàng)技術(shù)中，以將鋼管從外表面進(jìn)行水冷而淬火為前提，這是因?yàn)椋号c內(nèi)表面冷卻相比，外表面冷卻不會(huì)伴隨技術(shù)的困難性，另外，在將Cr系不銹鋼管作為處理的對(duì)象時(shí)，如果能夠從外表面進(jìn)行水冷而不產(chǎn)生淬火裂紋地進(jìn)行淬火處理，則可顯著提高生產(chǎn)率。

需要說明的是，僅進(jìn)行了軋制的狀態(tài)的管端部形狀并非嚴(yán)密的圓筒形，因此理想的是通常在后處理中切斷去除150～400mm左右。這樣貝氏體主體且馬氏體比率低的管端部可以在淬火工序后的工序中切斷去除。新日鐵的這項(xiàng)技術(shù)的鋼管的淬火方法是通過淬火來使鋼的組織成為馬氏體的方法，對(duì)馬氏體的生成比率沒有特別限定。但是，低合金鋼、中合金鋼中，通常如果組織的80%以上為馬氏體，則可得到期望的強(qiáng)度。淬火處理的對(duì)象為Cr系不銹鋼管時(shí)，在冷卻速度小的情況下也馬氏體化，但根據(jù)新日鐵的這項(xiàng)技術(shù)的淬火方法，可確保期望的耐腐蝕性。在任一情況下，均預(yù)想在新日鐵的這項(xiàng)技術(shù)中會(huì)得到馬氏體比率至少為80%以上的鋼管。

理想的是，在上述的從強(qiáng)水冷轉(zhuǎn)換為弱水冷或空冷的冷卻方法中，利用強(qiáng)水冷冷卻到Ms點(diǎn)附近的比Ms點(diǎn)高的溫度，然后轉(zhuǎn)換為弱水冷或空冷，由此使鋼管的外表面?zhèn)纫騺碜詢?nèi)表面?zhèn)鹊膶?dǎo)熱而復(fù)熱，盡可能地減小鋼管內(nèi)表面與外表面的溫度差，然后利用強(qiáng)制空冷等冷卻到Ms點(diǎn)、理想的是Mf點(diǎn)以下的溫度。根據(jù)該實(shí)施方式，在例如鋼管的壁厚較厚的情況下特別有效。鋼管的壁厚較厚的情況下，從外表面起的水冷中的壁厚方向的溫度不均勻變大，由于伴隨外表面的馬氏體相變的膨脹引起的大的拉伸應(yīng)力，有時(shí)產(chǎn)生以外表面為龜裂的起點(diǎn)的脆性破壞。為了抑制該脆性破壞，延遲外表面的馬氏體相變的開始、縮小內(nèi)外表面的馬氏體相變的開始時(shí)間之差的上述實(shí)施方式是有效的。根據(jù)上述的實(shí)施方式，能夠緩和壁厚方向的溫度梯度、降低周方向產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力。

特別理想的是，在作為冷卻面的外表面經(jīng)過Ms點(diǎn)之前緩和內(nèi)外表面的溫度差。實(shí)際上理想的是，監(jiān)視鋼管的外表面水冷部的溫度，并在經(jīng)過Ms點(diǎn)前停止水冷。關(guān)于強(qiáng)水冷的冷卻速度，根據(jù)鋼種而不同，低合金鋼的情況下，若最初的冷卻階段的冷卻速度過小，則產(chǎn)生貝氏體相變而不能確保充分的馬氏體比率，因此理想的是基于對(duì)象鋼的CCT圖確定恰當(dāng)?shù)睦鋮s速度。此外，在新日鐵的這項(xiàng)技術(shù)的實(shí)施方式中，包含由如下方法制作的冷卻過程：利用強(qiáng)水冷冷卻到Ms點(diǎn)附近的比Ms點(diǎn)高的溫度，然后轉(zhuǎn)換為弱水冷或空冷，由此使鋼管的外表面?zhèn)纫騺碜詢?nèi)表面?zhèn)鹊膶?dǎo)熱而復(fù)熱，盡可能地減小鋼管內(nèi)表面與外表面的溫度差，但通過使用前述間歇水冷代替該冷卻過程也可得到同樣的效果。即，新日鐵的這項(xiàng)技術(shù)中，也可以在Ms點(diǎn)附近的比Ms點(diǎn)高的溫度下停止前述本發(fā)明（3）中記載的間歇水冷（間歇性地反復(fù)實(shí)施和停止水冷的操作），然后進(jìn)行強(qiáng)制空冷等強(qiáng)冷卻。但是，該實(shí)施方式屬于前述新日鐵的這項(xiàng)技術(shù)（3）的范疇。以上所述的新日鐵的這項(xiàng)技術(shù)的鋼管的淬火方法中，作為水冷的方式，可以適當(dāng)?shù)剡x擇采用層流冷卻、噴射冷卻、噴霧冷卻等以往所使用的方式。理想的是，在此基礎(chǔ)上通過在水冷中增減水量、或間歇性地反復(fù)實(shí)施水冷和停止水冷來使壁厚方向溫度不均勻均勻化，減少鋼管的周方向應(yīng)力。理想的是鋼管內(nèi)部不進(jìn)行水冷地放冷或強(qiáng)制空冷。另外，在水冷過程中使鋼管旋轉(zhuǎn)能夠使周方向的溫度分布均一化，因此是理想的。

新日鐵的這項(xiàng)技術(shù)作為處理對(duì)象的是淬火時(shí)容易產(chǎn)生淬火裂紋的鋼管。特別是根據(jù)新日鐵的這項(xiàng)技術(shù)的處理的對(duì)象物為（A）含有0.20～1.20%的C的鋼管、其中為低合金鋼或中合金鋼的鋼管的情況下、或（B）含有0.10～0.30%的C和11～18%的Cr的Cr系不銹鋼管、其中為13Cr不銹鋼管的情況下，新日鐵的這項(xiàng)技術(shù)的效果顯著。前述（A）的含有0.20～1.20%的C的鋼管是指由以該范圍含有C的材質(zhì)形成的鋼管，通常為低合金鋼或中合金鋼的鋼管。C的含量低于0.20%時(shí)，因馬氏體化引起的體積膨脹比較小，因此淬火裂紋基本不會(huì)成為問題。

另一方面，若C超過1.20%，Ms點(diǎn)降低，容易有奧氏體殘留，難以得到馬氏體率為80%以上的組織。因此，C含量為0.20～1.20%從發(fā)揮新日鐵的這項(xiàng)技術(shù)效果的方面來看是理想的。更理想的C含量為0.25～1.00%、進(jìn)一步理想的是0.30～0.65%。含有0.20～1.20%的C的低合金鋼、中合金鋼的鋼管中，如前述圖1所示，對(duì)鋼管的中央部整體進(jìn)行水冷、不對(duì)管端部進(jìn)行水冷，由此可使管端的附近成為不產(chǎn)生淬火裂紋的貝氏體主體的組織。作為低合金鋼或中合金鋼，例如可列舉出如下的鋼：C：0.20～1.20、Si：2.0%以下、Mn：0.01～2.0%、且含有Cr：7.0%以下、Mo：2.0%以下、Ni：2.0%以下、Al：0.001～0.1%、N：0.1%以下、Nb：0.5%以下、Ti：0.5%以下、V：0.8%以下、Cu：2.0%以下、Zr：0.5%以下、Ca：0.01%以下、Mg：0.01%以下、B：0.01%以下中的1種以上，剩余部分由Fe和雜質(zhì)組成，作為雜質(zhì)的P：0.04%以下、S：0.02%以下。需要說明的是，若Cr含量超過7.0%，則在不進(jìn)行水冷的管端部也容易產(chǎn)生馬氏體，因此理想的是7.0%以下。接著，前述（B）的含有0.10～0.30%的C和11～18%的Cr的Cr系不銹鋼管是指由以該范圍含有C和Cr的Cr系不銹鋼制作的鋼管（馬氏體類不銹鋼管）。

若C的含量低于0.10%，則即使進(jìn)行淬火也無法得到充分的強(qiáng)度，另一方面，若C超過0.30%，則難以避免奧氏體的殘留、難以確保馬氏體比率80%以上。因此，C含量為0.10～0.30%從發(fā)揮新日鐵的這項(xiàng)技術(shù)效果的方面來看是理想的。使Cr的含量為11～18%是因?yàn)椋瑸榱颂岣吣透g性，Cr為11%以上是理想的，另一方面，若Cr超過18%則容易產(chǎn)生δ鐵素體，熱加工性降低。更理想的是Cr：10.5～16.5%。作為含有0.10～0.30%的C和11～18%的Cr的Cr系不銹鋼，例如可列舉出如下的鋼：C：0.10～0.30、Si：1.0%以下、Mn：0.01～1.0%、Cr：11～18%（更理想的是10.5～16.5%）、且含有Mo：2.0%以下、Ni：1.0%以下、Al：0.001～0.1%、N：0.1%以下、Nb：0.5%以下、Ti：0.5%以下、V：0.8%以下、Cu：2.0%以下、Zr：0.5%以下、Ca：0.01%以下、Mg：0.01%以下、B：0.01%以下中的1種以上，剩余部分由Fe和雜質(zhì)組成，作為雜質(zhì)的P：0.04%以下、S：0.02%以下。其中13Cr不銹鋼管在許多產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域中通用，作為新日鐵的這項(xiàng)技術(shù)的處理對(duì)象是適宜的。

新日鐵的這項(xiàng)技術(shù)的淬火方法當(dāng)然能夠應(yīng)用于將鋼管從常溫起再加熱而進(jìn)行的所謂再加熱淬火，但也可作為無縫鋼管的制造時(shí)從剛熱軋后的、鋼管為A以上的溫度的狀態(tài)進(jìn)行淬火的所謂直接淬火、進(jìn)而可作為在熱軋后鋼管的保有熱量未大幅降低的階段以A點(diǎn)以上的溫度均熱（補(bǔ)熱）后進(jìn)行淬火的、所謂在線熱處理（在線淬火）的淬火方法來應(yīng)用。利用新日鐵的這項(xiàng)技術(shù)的淬火方法，能夠有效地防止淬火裂紋，因此能夠穩(wěn)定地制造具有馬氏體比率高的組織的高強(qiáng)度的鋼管。

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