新日鐵住金公司研發了新的一種中、高碳鋼鋼管的淬火方法，能夠防止中、高碳的低合金鋼，中合金鋼的鋼管或馬氏體類不銹鋼管以往利用水淬火等急冷手段實施淬火處理時易產生淬火裂紋方法。
文中的“%”：表示中、高碳鋼、馬氏體類不銹鋼等對象物所含的各成分的質量百分比。“低合金鋼”：此處是指合金成分的總量為5%以下的鋼。“中合金鋼”：此處是指合金成分的總量為超過5%且10%以下的鋼。
基于淬火、回火處理的鐵鋼材料的強化方法廣泛應用在以機械構件、油井用鋼材為住的許多領域中，作為材料強化方法而使用。對中碳鋼、高碳鋼制作的鋼管進行 淬火回火處理，可顯示出優異的強度/韌性，通過淬火，能夠顯著提高鋼的強度，該強度提高效果取決于鋼中的C含量。但是，只進行淬火的馬氏體組織通常較脆， 因此淬火后通過以A[c1]相變點以下的溫度進行回火從而使韌性提高。為了對低合金鋼、中合金鋼進行淬火而得到馬氏體組織，需要水淬火等急速冷卻。冷卻速 度不充分的情況下，會有貝氏體等比馬氏體更為軟質的組織混入，無法達成充分的淬火效果。并且，在鐵鋼材料淬火操作中，有時會出現淬火裂紋。如上述那樣將鋼 材急速冷卻時，不可能完全實現對鋼材整體均勻地進行急冷，由于先冷卻的部分與在后冷卻的部分中的收縮率的差異，鋼材中有熱應力產生。進而，淬火操作中有馬 氏體相變產生的情況下，因從奧氏體到馬氏體的相變而導致產生體積膨脹，結果有相變應力產生。前述體積膨脹取決于鋼中的C含量，C含量越高則體積膨脹變得越 大。因此，C含量高的鋼在淬火階段容易產生大的相變應力、容易產生淬火裂紋。特別是要進行淬火的鋼材為鋼管形狀的情況下，與鋼板、棒線的情況相比，呈現出 極為復雜的應力狀態。因此，若對C含量高的鋼管實施例如水淬火這樣的急冷處理，則淬火裂紋靈敏性顯著提高，淬火裂紋多發、制品成品率極度降低。因此，對低 合金鋼、中合金鋼的高碳鋼管進行淬火處理時，為了防止淬火裂紋、提高制品成品率，進行比水淬火的冷卻能力小的油淬火、或者進行利用噴霧冷卻的緩慢冷卻，來 控制淬火時的冷卻速度。然而，采用這樣的淬火手段時，無法得到足量的馬氏體組織而成為混有相當量的在高溫下生成的貝氏體等的組織。因此即使進行淬火回火， 也存在無法充分利用回火的馬氏體組織的優異的強韌性。在不銹鋼管的領域中，高強度的馬氏體類不銹鋼管在耐腐蝕性的環境中被廣泛使用。特別是在近年，馬氏體 類不銹鋼管作為石油、天然氣采取用的油井管被大量使用。即，用于采取石油、天然氣的井（油井）的環境在近年越來越嚴酷，在伴隨采掘深度增大的高壓化的基礎 上，包含大量濕潤的碳酸氣體、硫化氫、氯離子等腐蝕性成分的井也增多。與之相伴，要求材料的強度提高，而上述那樣的腐蝕性成分導致的腐蝕、以及由此導致的 材料的脆化成為問題，耐腐蝕性更加優異的油井管的必要性提高。在這樣的狀況下，馬氏體類不銹鋼對基于硫化氫的硫化物應力腐蝕裂紋根據情況而不具有充分的抵 抗性，但對碳酸氣體腐蝕具有優異的抵抗性，因此在比較低溫的包含濕潤碳酸氣體的環境下得到廣泛應用。作為其代表例，API（美國石油協會）規定的L80級 的13Cr型（Cr含量為12～14%）的油井管。通常，馬氏體類不銹鋼實施了淬火回火處理，上述API L80級的13Cr鋼也不例外。但是，前述13Cr鋼的馬氏體相變開始溫度（Ms點）為300℃左右，比低合金鋼低，而且硬化能大，因此對淬火裂紋的靈敏 性高。特別是對鋼管形狀品進行淬火的情況下，與板材、棒材的情況相比呈現極為復雜的應力狀態，若進行水淬火則會引起淬火裂紋，因此需要采用放冷（自然空 冷）、強制空冷、緩和的噴霧冷卻等冷卻速度小的工藝。因此在上述的L80級的13Cr型油井管的制造中，為了防止淬火裂紋而進行空氣淬火。這種合金鋼的硬 化能大，因此即使在淬火時的冷卻速度小的情況下也能夠馬氏體化。然而，該方法中，雖然可防止淬火裂紋，但冷卻速度小，因此生產率差，此外，還存在以耐硫化 物應力腐蝕裂紋性為首的各種特性劣化的問題。
如前所述，對中、高碳鋼管（低合金鋼、中合金鋼的鋼管）進行淬火制成高強度的馬氏 體組織時，若進行水淬火等急速冷卻，則容易產生淬火裂紋。若為了避免淬火裂紋而進行油淬火等緩慢冷卻，則得不到足量的馬氏體組織，鋼管的強度/韌性水平降 低。另外，在制造馬氏體類不銹鋼管時，雖然即使淬火時的冷卻速度小也能夠馬氏體化，但由于冷卻速度慢而生產率差、以耐硫化物應力腐蝕裂紋性為首的各種特性 劣化。若為了提高生產率而進行水淬火，則會引起淬火裂紋。新日鐵的這項技術是鑒于這種問題而作出的，其目的在于提供能夠防止中、高碳鋼管（以低合金鋼或者 中合金鋼為主的鋼管）、或馬氏體類不銹鋼管中的淬火裂紋的鋼管的淬火方法。
新日鐵的這項技術解決了上述問題，要點如下。
（1）一種鋼管的淬火方法，將鋼管從外表面進行水冷而淬火的淬火方法，其中，不對管端部進行水冷，而對前述管端部以外的部分的至少一部分進行水冷。
（2）根據前述（1）所述的鋼管的淬火方法，其特征在于，在前述管端部以外的部分中的軸方向的至少一部分設置在整周上都不進行直接水冷的部分。
（3）根據前述（1）或前述（2）所述的鋼管的淬火方法，其特征在于，在淬火過程的至少一部分中，間歇性地反復實施水冷和停止水冷。
（4）根據前述（1）或前述（2）所述的鋼管的淬火方法，其特征在于，在對鋼管的外表面進行水冷時，在鋼管的外表面溫度比Ms點高的溫度范圍進行強水冷，然后轉換為弱水冷或空冷而將外表面強制冷卻，冷卻到Ms點以下。
（5）根據前述1～4中任一項所述的鋼管的淬火方法，其特征在于，前述鋼管為含有0.2～1.2%的C的鋼管。
（6）鋼管可為含有0.10～0.30%的C和11～18%的Cr的Cr系不銹鋼管。
新技術的效果
根據新日鐵的這項技術的鋼管的淬火方法，對中、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生淬火裂紋地用急冷手段（水淬火）實施淬火處理。由此，能夠穩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）的高強度的鋼管。
具體實施方式
為了解決上述課題，新日鐵的這項技術人等反復進行了如下的水淬火實驗：將含高碳的低合金鋼和Cr系不銹鋼的鋼管試驗片加熱到A[r3]相變點溫度以上，從鋼管的外表面進行水冷。其結果，可得到以下（a）～（f）的見解。
（a）若用強的水淬火對鋼管全體進行冷卻到馬氏體相變停止溫度（Mf點）以下，則以高概率產生淬火裂紋。
（b）由于淬火裂紋時的龜裂大致在鋼管的軸方向上伸展，因此可認為擴大裂紋的主要力為周方向的拉伸應力。
（c）關于前述周方向的拉伸應力的產生源，可認為是因為在冷卻過程中產生的壁厚方向上的溫度差（溫度不均勻）導致在鋼管的外表面側與內表面側的馬氏體相變的時機有偏差。
（d）特別是在溫度不均勻較大（即，與內表面側的溫度差大）的冷卻面附近，容易產生基于脆性破壞的微裂紋，其容易成為龜裂伸展的起點。
（e）龜裂在絕大部分情況下是以鋼管端部為起點而伸展的。其理由可認為是因為具有自由表面的端部的應力增大系數與端部以外的該系數相比更大。
（f）不進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生淬火裂紋。需要說明的是，對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生淬火裂紋。總之可認為，淬火裂紋在絕大多數情況下以產生于具有自由表面的鋼管端部的龜裂為起點，該龜裂是作為通過 微裂紋而發展的結果產生的，所述微裂紋是在冷卻過程中產生的起因于壁厚方向的溫度不均勻的熱應力、進而相變應力導致的周方向上的拉伸應力（以下也將“拉伸 應力”簡稱為“應力”）發生作用而在冷卻面附近產生的。
新日鐵的這項技術人等進而利用考慮了熱應力與相變應力的FEM（有限元法）分析，計算了鋼管的周方向上產生的最大應力。該FEM分析中，假設鋼管軸方向均勻地進行冷卻，并應用了以鋼管2維截面為分析對象的廣義平面應變模型。
如以上說明的那樣，根據FEM分析的結果也判明，通過對管端部進行空冷、即不進行水冷，能夠大幅降低管端部的周方向應力。
新日鐵的這項技術人等根據上述見解和考察得到了以下（g）和（h）的啟發，從而完成了新日鐵的這項技術。
（g）即使是由水淬火中容易產生淬火裂紋的低合金鋼或者中合金鋼形成的鋼管，如果不對鋼管的端部進行水冷，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行水冷，則能夠不產生淬火裂紋地穩定地進行水淬火。
（h）將上述的水淬火方法應用于由馬氏體類不銹鋼制作的鋼管時，也能夠不產生淬火裂紋地確保高性能。新日鐵的這項技術如前所述，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行水冷而淬火的淬火方法，其中，不對管端部進行水冷，而對所述管端部以外的部分的至少一部分進行水冷。需要說明的是，前 述的“管端部”是指鋼管的兩端部。
新日鐵的這項技術中，以將鋼管從外表面進行水冷而淬火為前提，這是因為：與內表面冷卻相比，外表面冷卻不會伴隨技術的困難性，另外，在將Cr系不銹鋼管作為處理的對象時，如果能夠從外表面進行水冷而不產生淬火裂紋地進行淬火處理，則可顯著提高生產率。
圖1是說明新日鐵的這項技術的鋼管的淬火方法的圖，（a）為表示淬火處理時的冷卻方法的圖、（b）為表示淬火處理后的組織（其中，例示出低合金鋼的情 況）的說明圖。需要說明的是，圖1的（a）的進行了水冷的部分對應于圖1的（b）的標上標記（1）的部分、圖1的（a）的空冷部對應于圖1的（b）的標上 標記（2）和（3）的部分。
以下的說明中，只要沒有特別說明，則關于所得到的金屬組織，是表示為了馬氏體化而需要一定以上的冷 卻速度的低合金鋼、中合金鋼的情況。新日鐵的這項技術中，如圖1的（a）所示，在將鋼管1從外表面進行水冷而淬火時，不對管端部進行水冷，而對除了該管端 部以外的部分（以下也稱為“中央部”）的至少一部分進行水冷。圖1的（a）所示的例子中，對中央部全部表面進行水冷，但也可以如圖2的（a）所示那樣地在 中央部存在不進行水冷的部位。這是因為存在于該中央部的不進行水冷的部位與進行水冷的部位相鄰接，因此因傳導傳熱而被冷卻進行馬氏體相變。不進行水冷的管 端部例如如圖1的（a）所示那樣進行空冷。需要說明的是，“空冷”包括自然空冷、強制空冷的任意情況。
通過采取這樣的冷卻方 法，在淬火處理后可得到如圖1的（b）所示的鋼組織。即，對鋼管1的中央部（1），以可制作為了得到所要求的機械特性、耐腐蝕性所必要的馬氏體的冷卻速度 進行水冷，從而鋼組織為馬氏體主體的組織。鋼管1的管端部（2）和（3）中的管端側（3）不進行水冷，且冷卻速度小，制作貝氏體主體的組織，管端部的龜裂 產生和龜裂伸展得到抑制。與此相對，管端部中的中央部側（2）由于與進行水冷的中央部（1）相鄰接，因此因傳導傳熱而被冷卻、發生馬氏體相變。但是，對于 熱的移動方向而言，軸方向比周方向更為主體，與中央部（1）相比壁厚方向的溫度分布小、周方向應力弱。因此，管端部中的（2）即使發生馬氏體相變也不易引 起龜裂的發生、伸展。需要說明的是，僅進行了軋制的狀態的管端部形狀并非嚴密的圓筒形，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。新日鐵的這項技術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，則可得到期望的強度。淬火處理的對象為Cr系不銹鋼管時，在 冷卻速度小的情況下也馬氏體化，但根據新日鐵的這項技術的淬火方法，可確保期望的耐腐蝕性。在任一情況下，均預想在新日鐵的這項技術中會得到馬氏體比率至 少為80%以上的鋼管。
在新日鐵的這項技術中，可以采用在管端部以外的部分（管的中央部）中的軸方向的至少一部分設置在整周上 都不進行直接水冷的部分的實施方式。圖2為說明該實施方式的圖，（a）為表示淬火處理時的冷卻方法的圖、（b）為淬火處理后的組織（其中，例示出低合金鋼 的情況）的說明圖。如圖2的（a）所示，并非對鋼管1的中央部（1）全部表面同樣地進行水冷，而是在鋼管1的長度方向上適當地設置水冷部和不進行水冷的部 位（空冷部）。該空冷部中，在整周上都不進行直接水冷。
需要說明的是，圖2的（a）的空冷的部分對應于圖2的（b）的標上符號 （4）的部分。該實施方式例如在鋼管的壁厚較薄的情況下特別有效。在鋼管的壁厚較薄的情況下，若如圖1所示那樣對中央部（1）全部表面同樣地進行水冷，則 管端部（2）、（3）的強度無法對抗產生于中央部（1）的周方向應力，有可能產生淬火裂紋。這種情況下，若采用如圖2的（a）所示的冷卻方法，能夠實現確 保中央部的馬氏體比率并且無淬火裂紋的淬火處理。這是因為：如圖2的（b）所示，在設置于中央部的空冷部（4）中的殘留應力變得格外小，因此可抑制龜裂的 伸展，另外，該空冷部（4）鄰接的兩側進行了水冷，因此以充分的速度產生向水冷部（1）的導熱，在空冷部（4）也可達成必要的馬氏體率。
圖3是表示能夠實施新日鐵的這項技術的鋼管的淬火方法的裝置的主要部分的大致結構例的圖。圖3中，從加熱爐2運送出的鋼管1被運送入冷卻裝置3內，以被 輥4保持并且施加了旋轉的狀態，通過從安裝在該裝置3內的噴嘴5噴射的水噴霧而對外表面進行冷卻。需要說明的是，在冷卻裝置3的一側，根據需要而配設有用 于對鋼管1的內表面進行強制空冷的空氣噴射噴嘴6。新日鐵的這項技術中，對鋼管的外表面進行水冷時，也可以采用在淬火過程的至少一部分中間歇性地反復實施 水冷和停止水冷的實施方式。通過采用間歇水冷方式，與連續水冷冷卻相比整體的水冷時間變長，由此，內部溫度與表面溫度之差變小，殘留應力降低。該實施方式 中，也可以從鋼管的溫度為A[r3]點以上的淬火初始階段起直至鋼管的內外表面為Ms點以下、優選為Mf點以下為止一直進行前述間歇水冷，也可以用于淬火 過程的一部分。新日鐵的這項技術中，也可以采用如下的實施方式：對鋼管的外表面進行水冷時，在鋼管的外表面的溫度比Ms點高的溫度范圍進行強水冷，然后轉 換為弱水冷或空冷（包括強制空冷），在減小鋼管外表面與鋼管內表面的溫度差之后將外表面強制冷卻而冷卻到Ms點以下。
理想的 是，在上述的從強水冷轉換為弱水冷或空冷的冷卻方法中，利用強水冷冷卻到Ms點附近的比Ms點高的溫度，然后轉換為弱水冷或空冷，由此使鋼管的外表面側因 來自內表面側的導熱而復熱，盡可能地減小鋼管內表面與外表面的溫度差，然后利用強制空冷等冷卻到Ms點、理想的是Mf點以下的溫度。根據該實施方式，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 的拉伸應力，有時產生以外表面為龜裂的起點的脆性破壞。為了抑制該脆性破壞，延遲外表面的馬氏體相變的開始、縮小內外表面的馬氏體相變的開始時間之差的上 述實施方式是有效的。根據上述的實施方式，能夠緩和壁厚方向的溫度梯度、降低周方向產生的拉伸應力。特別理想的是，在作為冷卻面的外表面經過Ms點之前緩 和內外表面的溫度差。實際上理想的是，監視鋼管的外表面水冷部的溫度，并在經過Ms點前停止水冷。關于強水冷的冷卻速度，根據鋼種而不同，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象鋼的CCT圖確定恰當的冷卻速度。此外，在新日 鐵的這項技術的實施方式中，包含由如下方法制作的冷卻過程：利用強水冷冷卻到Ms點附近的比Ms點高的溫度，然后轉換為弱水冷或空冷，由此使鋼管的外表面 側因來自內表面側的導熱而復熱，盡可能地減小鋼管內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，新日鐵的這項技 術中，也可以在Ms點附近的比Ms點高的溫度下停止前述本發明（3）中記載的間歇水冷（間歇性地反復實施和停止水冷的操作），然后進行強制空冷等強冷卻。 但是，該實施方式屬于前述新日鐵的這項技術（3）的范疇。以上所述的新日鐵的這項技術的鋼管的淬火方法中，作為水冷的方式，可以適當地選擇采用層流冷卻、 噴射冷卻、噴霧冷卻等以往所使用的方式。理想的是，在此基礎上通過在水冷中增減水量、或間歇性地反復實施水冷和停止水冷來使壁厚方向溫度不均勻均勻化，減 少鋼管的周方向應力。理想的是鋼管內部不進行水冷地放冷或強制空冷。另外，在水冷過程中使鋼管旋轉能夠使周方向的溫度分布均一化，因此是理想的。
新日鐵的這項技術作為處理對象的是淬火時容易產生淬火裂紋的鋼管。特別是根據新日鐵的這項技術的處理的對象物為（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，新日鐵的這項技術的效果顯著。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，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成為問題。
另一方面，若C超過1.20%，Ms點降低，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%從發揮新日鐵的 這項技術效果的方面來看是理想的。更理想的C含量為0.25～1.00%、進一步理想的是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，對鋼管的中央部整體進行水冷、不對管端部進行水冷，由此可使管端的附近成為不產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和雜質組成，作 為雜質的P：0.04%以下、S：0.02%以下。需要說明的是，若Cr含量超過7.0%，則在不進行水冷的管端部也容易產生馬氏體，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%，則即使進行淬火也無法得到充分的強度，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%從發揮新日鐵的這項技術效果的方面來看是理想的。使Cr的含量為11～18%是因為，為了提高耐腐蝕性，Cr為 11%以上是理想的，另一方面，若Cr超過18%則容易產生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和雜質組成，作為雜質的P：0.04%以下、 S：0.02%以下。其中13Cr不銹鋼管在許多產業領域中通用，作為新日鐵的這項技術的處理對象是適宜的。
新日鐵的這項技術的淬火方法當然能夠應用于將鋼管從常溫起再加熱而進行的所謂再加熱淬火，但也可作為無縫鋼管的制造時從剛熱軋后的、鋼管為A[r3]以上 的溫度的狀態進行淬火的所謂直接淬火、進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[3]點以上的溫度均熱（補熱）后進行淬火的、所謂在線熱處 理（在線淬火）的淬火方法來應用。利用新日鐵的這項技術的淬火方法，能夠有效地防止淬火裂紋，因此能夠穩定地制造具有馬氏體比率高的組織的高強度的鋼管。
相關閱讀
鋼鐵開卷處理的故障檢測方法、裝置、電子設備及存儲介質
雙重熱風水冷爐襯鋼鐵屑熔煉爐
鋼鐵除銹、鈍化新工藝
全球首次基于純氫冶金的釩鈦磁鐵礦工業化高效分離技術取得圓滿成功
創新破“瓶頸”報春花綻開 ——唐山板坯中間包再創131小時長壽世界紀錄側記
在“逆境”中前行 ——疫情期間聯合榮大為鋼鐵業保駕護航
