新日鐵住金公司研發(fā)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(chǎn)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(zhì)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?！爸泻辖痄摗保捍颂幨侵负辖鸪煞值目偭繛槌^5%且10%以下的鋼。
基于淬火、回火處理的鐵鋼材料的強(qiáng)化方法廣泛應(yīng)用在以機(jī)械構(gòu)件、油井用鋼材為住的許多領(lǐng)域中，作為材料強(qiáng)化方法而使用。對中碳鋼、高碳鋼制作的鋼管進(jìn)行淬火回火處理，可顯示出優(yōu)異的強(qiáng)度/韌性，通過淬火，能夠顯著提高鋼的強(qiáng)度，該強(qiáng)度提高效果取決于鋼中的C含量。但是，只進(jìn)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(jìn)行回火從而使韌性提高。
為了對低合金鋼、中合金鋼進(jìn)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(zhì)的組織混入，無法達(dá)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(xiàn)淬火裂紋。如上述那樣將鋼材急速冷卻時，不可能完全實現(xiàn)對鋼材整體均勻地進(jìn)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(yīng)力產(chǎn)生。進(jìn)而，淬火操作中有馬氏體相變產(chǎn)生的情況下，因從奧氏體到馬氏體的相變而導(dǎo)致產(chǎn)生體積膨脹，結(jié)果有相變應(yīng)力產(chǎn)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(chǎn)生大的相變應(yīng)力、容易產(chǎn)生淬火裂紋。特別是要進(jìn)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(xiàn)出極為復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)。
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(fā)、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(jìn)行淬火處理時，為了防止淬火裂紋、提高制品成品率，進(jìn)行比水淬火的冷卻能力小的油淬火、或者進(jìn)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(dāng)量的在高溫下生成的貝氏體等的組織。因此即使進(jìn)行淬火回火，也存在無法充分利用回火的馬氏體組織的優(yōu)異的強(qiáng)韌性。在不銹鋼管的領(lǐng)域中，高強(qiáng)度的馬氏體類不銹鋼管在耐腐蝕性的環(huán)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(huán)境在近年越來越嚴(yán)酷，在伴隨采掘深度增大的高壓化的基礎(chǔ)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(qiáng)度提高，而上述那樣的腐蝕性成分導(dǎo)致的腐蝕、以及由此導(dǎo)致的材料的脆化成為問題，耐腐蝕性更加優(yōu)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(yīng)力腐蝕裂紋根據(jù)情況而不具有充分的抵抗性，但對碳酸氣體腐蝕具有優(yōu)異的抵抗性，因此在比較低溫的包含濕潤碳酸氣體的環(huán)境下得到廣泛應(yīng)用。作為其代表例，API（美國石油協(xié)會）規(guī)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APIL80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(jìn)行淬火的情況下，與板材、棒材的情況相比呈現(xiàn)極為復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)，若進(jìn)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(qiáng)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(jìn)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(chǎn)率差，此外，還存在以耐硫化物應(yīng)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(jìn)行淬火制成高強(qiáng)度的馬氏體組織時，若進(jìn)行水淬火等急速冷卻，則容易產(chǎn)生淬火裂紋。若為了避免淬火裂紋而進(jìn)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(qiáng)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(chǎn)率差、以耐硫化物應(yīng)力腐蝕裂紋性為首的各種特性劣化。若為了提高生產(chǎn)率而進(jìn)行水淬火，則會引起淬火裂紋。新日鐵的這項技術(shù)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(shù)解決了上述問題，要點如下。
?。?）一種鋼管的淬火方法，將鋼管從外表面進(jìn)行水冷而淬火的淬火方法，其中，不對管端部進(jìn)行水冷，而對前述管端部以外的部分的至少一部分進(jìn)行水冷。
?。?）根據(jù)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(shè)置在整周上都不進(jìn)行直接水冷的部分。
（3）根據(jù)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(fù)實施水冷和停止水冷。
?。?）根據(jù)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(jìn)行水冷時，在鋼管的外表面溫度比Ms點高的溫度范圍進(jìn)行強(qiáng)水冷，然后轉(zhuǎn)換為弱水冷或空冷而將外表面強(qiáng)制冷卻，冷卻到Ms點以下。
?。?）根據(jù)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(shù)的效果 根據(jù)新日鐵的這項技術(shù)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(chǎn)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(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。
具體實施方式
為了解決上述課題，新日鐵的這項技術(shù)人等反復(fù)進(jìn)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(jìn)行水冷。其結(jié)果，可得到以下（a）～（f）的見解。
（a）若用強(qiáng)的水淬火對鋼管全體進(jìn)行冷卻到馬氏體相變停止溫度（Mf點）以下，則以高概率產(chǎn)生淬火裂紋。
?。╞）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(rèn)為擴(kuò)大裂紋的主要力為周方向的拉伸應(yīng)力。
?。╟）關(guān)于前述周方向的拉伸應(yīng)力的產(chǎn)生源，可認(rèn)為是因為在冷卻過程中產(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氏體相變的時機(jī)有偏差。
?。╠）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。
（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(rèn)為是因為具有自由表面的端部的應(yīng)力增大系數(shù)與端部以外的該系數(shù)相比更大。
?。╢）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，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。