CN103443302B - 钢管的淬火方法 - Google Patents

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Abstract

一种将钢管（1）从外表面进行水冷而淬火的淬火方法，其中，不对管端部进行水冷，而对所述管端部以外的部分的至少一部分进行水冷。理想的是采用如下的实施方式：在管端部以外的部分中的轴方向的至少一部分设置在整周上都不进行直接水冷的部分的实施方式；或在淬火过程的至少一部分中间歇性地反复实施水冷和停止水冷的实施方式；进而在对钢管的外表面进行水冷时，在钢管的外表面温度比Ms点高的温度范围进行强水冷，然后转换为弱水冷或空冷而将外表面强制冷却，冷却到Ms点以下的实施方式。根据该淬火方法，可适宜地应用于中/高碳钢管（低合金钢或者中合金钢的钢管）或马氏体类不锈钢管的淬火处理。

Description

钢管的淬火方法
技术领域
本发明涉及由中/高碳钢等形成的钢管的淬火方法，更详细而言，涉及能够防止以往利用水淬火等急冷手段实施淬火处理时容易产生淬火裂纹的、中/高碳的低合金钢、中合金钢的钢管、或马氏体类不锈钢管的淬火裂纹的钢管的淬火方法
只要没有其它记载，则本说明书中用语的定义如下。
“%”：表示中/高碳钢、马氏体类不锈钢等对象物所含的各成分的质量百分率。
“低合金钢”：此处是指合金成分的总量为5%以下的钢。
“中合金钢”：此处是指合金成分的总量为超过5%且10%以下的钢。
背景技术
作为强化铁钢材料的基本手法之一，广泛地进行了利用基于热处理的相变、特别是马氏体相变的方法。若对由中碳钢、高碳钢形成的钢管（通常而言，低合金钢或者中合金钢的钢管）进行淬火回火处理，则显示出优异的强度/韧性，因此基于淬火回火处理的铁钢材料的强化方法在以机械构造用构件、油井用钢材为首的许多用途中作为材料强化方法而使用。通过淬火，能够显著提高钢的强度，该强度提高效果依赖于钢中的C含量。但是，仅进行了淬火状态下的马氏体组织通常较脆，因此淬火后通过以Ac1相变点以下的温度进行回火从而使韧性提高。
为了对低合金钢、中合金钢进行淬火而得到马氏体组织，需要水淬火等急速冷却。冷却速度不充分的情况下，变得有贝氏体等比马氏体更为软质的组织混入，无法达成充分的淬火效果。
并且，铁钢材料的淬火操作中，有时淬火裂纹成为问题。如上述那样将钢材急速冷却时，不可能对钢材整体均匀地进行急冷，由于先冷却的部分与在后冷却的部分中的收缩率的差异，钢材中有热应力产生。进而，淬火操作中有马氏体相变产生的情况下，因从奥氏体到马氏体的相变而导致产生体积膨胀，结果有相变应力产生。前述体积膨胀依赖于钢中的C含量，C含量越高则体积膨胀变得越大。因此，C含量高的钢在淬火阶段容易产生大的相变应力、容易产生淬火裂纹。
特别是要进行淬火的钢材为钢管形状的情况下，与钢板形状品、棒·线状品的情况相比，呈现出极为复杂的应力状态。因此，若对C含量高的钢管形状品实施例如水淬火这样的急冷处理，则淬火裂纹灵敏性显著提高，淬火裂纹多发、制品成品率极度降低。
因此，对低合金钢、中合金钢的高碳钢管进行淬火处理时，为了防止淬火裂纹、提高制品成品率，进行比水淬火的冷却能力小的油淬火、或者进行利用喷雾冷却的缓慢冷却，来控制淬火时的冷却速度。
然而，采用这样的淬火手段时，无法得到足量的马氏体组织而成为混有相当量的在高温下生成的贝氏体等的组织。因此即使进行淬火回火，也存在无法充分利用回火的马氏体组织的优异的强韧性，作为制品的钢管的强度/韧性水平降低这样的问题。
如上所述，在低合金钢、中合金钢的钢管中马氏体组织得到了利用，在不锈钢管的领域中，可容易地得到高强度的马氏体类不锈钢管在要求强度和耐腐蚀性的各种用途中也被广泛使用。特别是在近年，由于能源情况，马氏体类不锈钢管作为石油、天然气采取用的油井管被大量使用。
即，用于采取石油、天然气的井（油井）的环境在近年越来越严酷，在伴随采掘深度增大的高压化的基础上，包含大量湿润的碳酸气体、硫化氢、氯离子等腐蚀性成分的井也增多。与之相伴，要求材料的强度提高，而上述那样的腐蚀性成分导致的腐蚀、以及由此导致的材料的脆化成为问题，耐腐蚀性更加优异的油井管的必要性提高。
在这样的状況下，马氏体类不锈钢对基于硫化氢的硫化物应力腐蚀裂纹根据情况而不具有充分的抵抗性，但对碳酸气体腐蚀具有优异的抵抗性，因此在比较低温的包含湿润碳酸气体的环境下得到广泛应用。作为其代表例，可列举出API（美国石油协会）规定的L80级的13Cr型（Cr含量为12～14%）的油井管。
通常，马氏体类不锈钢实施了淬火回火处理，上述API L80级的13Cr钢也不例外。但是，前述13Cr钢的马氏体相变开始温度（Ms点）为300℃左右，比低合金钢低，而且硬化能大，因此对淬火裂纹的灵敏性高。
特别是对钢管形状品进行淬火的情况下，与板材、棒材的情况相比呈现极为复杂的应力状态，若进行水淬火则会引起淬火裂纹，因此需要采用放冷（自然空冷）、强制空冷、缓和的喷雾冷却等冷却速度小的工艺。因此在上述的L80级的13Cr型油井管的制造中，为了防止淬火裂纹而进行空气淬火。这种合金钢的硬化能大，因此即使在淬火时的冷却速度小的情况下也能够马氏体化。
然而，该方法中，虽然可防止淬火裂纹，但冷却速度小，因此生产率差，此外，还存在以耐硫化物应力腐蚀裂纹性为首的各种特性劣化的问题。
这样，对于低合金钢、中合金钢的钢管、进而对于马氏体类不锈钢管，也存在淬火操作中的淬火裂纹的问题，可认为与板材、棒材相比，特别是对钢管而言解决该问题的必要性高。
以往，为了解决这种淬火裂纹的问题而提出了若干种方法。例如，专利文献1中公开了一种中/高碳钢管的淬火方法，其特征在于，作为含有0.2～1.2%的C的钢管的防止淬火裂纹的淬火方法，仅从钢管的内表面进行淬火中的冷却，进而根据需要在冷却时旋转该钢管。
认为对钢管的外表面进行急冷时，先进行外表面的马氏体相变，外表面的较脆的马氏体组织无法耐受后来产生的因内表面侧的马氏体相变而导致的相变应力，造成淬火裂纹，通过从内表面进行冷却从而能够使相变应力与热应力适度地抵消。然而，钢管的内表面冷却的实施存在与外表面冷却相比伴随有技术上的困难的问题。
专利文献2中公开了一种马氏体类不锈钢管的制造方法，其作为制造对含有0.1～0.3%的C和11.0～15.0%的Cr的Cr系不锈钢管进行淬火回火而具有马氏体主体的组织的钢管的方法，淬火时，将在从Ms点到Mf点（马氏体相变结束温度）的温度区域中的平均冷却速度设为8℃/秒以上来进行淬火，其后进行回火。通过确保前述冷却速度来防止残留奥氏体的形成，得到马氏体主体的组织。
但是，专利文献2的制造方法为了即使用水淬火这样的急冷处理也可防止淬火裂纹而要求仅从钢管的内表面进行冷却、进而要求根据需要旋转该钢管，因此在工业化时，存在与专利文献1记载的淬火方法中相同的问题。
专利文献3中公开了一种马氏体类不锈钢管的制造方法，其中，在含有C：0.1～0.3%、Cr：11～15%的不锈钢管的淬火中进行包含第1冷却与第2冷却的2阶段冷却，使组织的80%以上为马氏体，其后进行回火，所述第1冷却在从淬火开始温度起到外表面温度为比〔Ms点-30℃〕低且比〔Ms点与Mf点的中间温度〕高的任意温度为止进行空冷，所述第2冷却在第1冷却后继续在直至外表面温度为Mf点以下为止的温度区域以管内表面的平均冷却速度为8℃/秒以上的方式对管外表面进行强冷却。
专利文献3中记载的方法通过在第1冷却中使冷却速度相对小来实现淬火裂纹的防止、通过在第2冷却中对管外表面进行强冷却来抑制残留奥氏体的形成。然而，壁厚大的情况下，难以控制外表面冷却中管内表面的冷却速度。
另外，专利文献4中公开了一种方法，其作为C：0.30～0.60%的中/高碳低合金钢的无缝钢管的制造方法，在轧制结束后直接进行水冷至400～600℃的温度区域，水冷停止后用加热到400～600℃的炉进行等温相变热处理（奥氏体回火处理）。然而，利用专利文献4中记载的等温相变热处理制造的钢管的组织为通常比马氏体强度低的贝氏体，有时在要求高强度的情况下对应困难。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平9-104925号公报
专利文献2：日本特开平8-188827号公报
专利文献3：日本特开平10-17934号公报
专利文献4：日本特开2006-265657号公报
发明内容
发明要解决的问题
如前所述，对中/高碳钢管（低合金钢、中合金钢的钢管）进行淬火制成高强度的马氏体组织时，若进行水淬火等急速冷却，则容易产生淬火裂纹。若为了避免淬火裂纹而进行油淬火等缓慢冷却，则得不到足量的马氏体组织，钢管的强度/韧性水平降低。
另外，在制造马氏体类不锈钢管时，虽然即使淬火时的冷却速度小也能够马氏体化，但由于冷却速度慢而生产率差、以耐硫化物应力腐蚀裂纹性为首的各种特性劣化。若为了提高生产率而进行水淬火，则会引起淬火裂纹。
本发明是鉴于这种问题而作出的，其目的在于提供能够防止中/高碳钢管（以低合金钢或者中合金钢为主的钢管）、或马氏体类不锈钢管中的淬火裂纹的钢管的淬火方法。
用于解决问题的方案
本发明的要点如下。
（1）一种钢管的淬火方法，其特征在于，其为将钢管从外表面进行水冷而淬火的淬火方法，其中，不对管端部进行水冷，而对前述管端部以外的部分的至少一部分进行水冷。
（2）根据前述（1）所述的钢管的淬火方法，其特征在于，在前述管端部以外的部分中的轴方向的至少一部分设置在整周上都不进行直接水冷的部分。
（3）根据前述（1）或前述（2）所述的钢管的淬火方法，其特征在于，在淬火过程的至少一部分中，间歇性地反复实施水冷和停止水冷。
（4）根据前述（1）或前述（2）所述的钢管的淬火方法，其特征在于，在对钢管的外表面进行水冷时，在钢管的外表面温度比Ms点高的温度范围进行强水冷，然后转换为弱水冷或空冷而将外表面强制冷却，冷却到Ms点以下。
（5）根据权利要求1～权利要求4中任一项所述的钢管的淬火方法，其特征在于，前述钢管为含有0.2～1.2%的C的钢管。
（6）根据权利要求1～权利要求4中任一项所述的钢管的淬火方法，其特征在于，前述钢管为含有0.10～0.30%的C和11～18%的Cr的Cr系不锈钢管。
发明的效果
根据本发明的钢管的淬火方法，对中/高碳钢管（以低合金钢或者中合金钢为主的钢管）或Cr系不锈钢管能够不产生淬火裂纹地用急冷手段（水淬火）实施淬火处理。由此，能够稳定地制造具有马氏体比率高的组织（具体而言，马氏体比率为80%以上）的高强度的钢管。
附图说明
图1为说明本发明的钢管的淬火方法的图，（a）为表示淬火处理时的冷却方法的图、（b）为淬火处理后的组织（其中，例示出低合金钢的情况）的说明图。
图2为说明本发明的钢管的淬火方法的其他实施方式的图，（a）为表示淬火处理时的冷却方法的图、（b）为淬火处理后的组织（其中，例示出低合金钢的情况）的说明图。
图3为表示能够实施本发明的钢管的淬火方法的装置的主要部分的大致结构例的图。
图4为表示实施例中使用的冷却装置的大致结构的图。
图5为表示以表2的试验No.1的水冷条件对低合金钢的钢管的全长进行冷却时的钢管中央部的内表面温度的测量结果的图。
图6为表示以表2的试验No.2的水冷条件对低合金钢的钢管的全长进行冷却时的钢管中央部的外表面温度的测量结果的图。
图7为表示以表2的试验No.3的水冷条件仅对低合金钢的钢管的中央部进行冷却时的钢管中央部以及钢管的左右两端部的外表面温度的测量结果的图。
图8为表示以表2的试验No.5的水冷条件仅对低合金钢的钢管的中央部进行冷却时的钢管中央部以及钢管的左右两端部的外表面温度的测量结果的图。
图9为表示以钢管2维横截面为分析对象的FEM分析模型的图。
图10为表示基于以钢管2维横截面为分析对象的FEM分析模型的分析结果的、钢管的周方向最大应力与壁厚的关系的图。
图11为表示基于以钢管2维纵截面为分析对象的FEM分析模型的分析结果的图，（a）为对钢管的外周全部表面进行水冷的情况、（b）为仅对钢管的中央部进行水冷的情况。
具体实施方式
为了解决上述课题，本发明人等反复进行了如下的水淬火实验：将含高碳的低合金钢和Cr系不锈钢的钢管试验片加热到Ar3相变点温度以上，从钢管的外表面进行水冷。其结果，可得到以下（a）～（f）的见解。
（a）若用强的水淬火对钢管全体进行冷却到马氏体相变停止温度（Mf点）以下，则以高概率产生淬火裂纹。
（b）由于淬火裂纹时的龟裂大致在钢管的轴方向上伸展，因此可认为扩大裂纹的主要力为周方向的拉伸应力。
（c）关于前述周方向的拉伸应力的产生源，可认为是因为在冷却过程中产生的壁厚方向上的温度差（温度不均匀）导致在钢管的外表面侧与内表面侧的马氏体相变的时机有偏差。
（d）特别是在温度不均匀较大（即，与内表面侧的温度差大）的冷却面附近，容易产生基于脆性破坏的微裂纹，其容易成为龟裂伸展的起点。
（e）龟裂在绝大部分情况下是以钢管端部为起点而伸展的。其理由可认为是因为具有自由表面的端部的应力增大系数与端部以外的该系数相比更大。
（f）不进行水冷地抑制冷却速度的情况下，含高碳的低合金钢和Cr系不锈钢的情况均不产生淬火裂纹。需要说明的是，对于含高碳的低合金钢，抑制马氏体化、制成贝氏体主体的组织的情况下不产生淬火裂纹。
总之可认为，淬火裂纹在绝大多数情况下以产生于具有自由表面的钢管端部的龟裂为起点，该龟裂是作为通过微裂纹而发展的结果产生的，所述微裂纹是在冷却过程中产生的起因于壁厚方向的温度不均匀的热应力、进而相变应力导致的周方向上的拉伸应力（以下也将“拉伸应力”简称为“应力”）发生作用而在冷却面附近产生的。
本发明人等进而利用考虑了热应力与相变应力的FEM（有限元法）分析，计算了钢管的周方向上产生的最大应力。该FEM分析中，假设钢管轴方向均匀地进行冷却，并应用了以钢管2维截面为分析对象的广义平面应变模型。
图9为表示以钢管2维横截面为分析对象的FEM分析模型的图。在该模型的计算中，其前提为：如同一图所示，在920℃下取出到炉外，经过50秒钟（考虑到冷却准备时间等）后，利用水蒸气喷嘴9从3方向对钢管1（C：0.6%）的外表面进行水冷、利用鼓风对内表面进行空冷。钢管1的外表面的导热系数根据温度而变动，但使其以最大值计为12700W/（m2·K）。
图10为表示基于上述模型的分析结果的、钢管的周方向最大应力与壁厚的关系的图。在同一图中，●符号（仅水冷）为以上述图9所示的条件进行水冷的情况，○符号（控制淬火）是模拟在水冷时适当地设置空冷部时的冷却状态（参照后述图2），是如下所述的情况：仅从配置于钢管的上部的水蒸气喷嘴喷雾低水压，且所喷雾的水不对钢管直接喷射，而是形成了微细的水滴飘浮在空气中的状态。另外，同一图中的与横轴平行的虚线为不产生淬火裂纹的极限的应力，该情况下为200MPa。
根据图10所示的分析结果可知，从3方向对钢管的外表面进行水冷时（同一图中的●符号），不论壁厚如何，钢管的周方向最大应力超过裂纹极限应力（200MPa），会产生淬火裂纹，但如果进行水冷时适当地设置空冷部的控制淬火（同一图中的○符号），则能够格外地减小该空冷部的周方向最大应力。
图11为表示基于以钢管2维纵截面为分析对象的FEM分析模型的分析结果的图，（a）为对钢管的外周全部表面进行水冷的情况、（b）为仅对钢管的中央部（参照后述图1）进行水冷而不对钢管端部进行水冷的情况。需要说明的是，图11表示用包含轴心的面纵向切断的钢管1的一侧截面，标上标记10a的面为外表面、标上标记10b的面为内表面。钢管的外表面的导热系数最大为12700W/（m2·K）。
由该图11可清楚地了解，在对钢管的外周全部表面进行水冷时，在管端产生超过裂纹极限应力（200MPa）的大的周方向应力（σθ＝236MPa），不对管端部进行水冷时不产生这样的大的周方向应力。
如以上说明的那样，根据FEM分析的结果也判明，通过对管端部进行空冷、即不进行水冷，能够大幅降低管端部的周方向应力。
本发明人等根据上述见解和考察得到了以下（g）和（h）的启发，从而完成了本发明。
（g）即使是由水淬火中容易产生淬火裂纹的低合金钢或者中合金钢形成的钢管，如果不对钢管的端部进行水冷，而是在除了端部以外的部分以能够确保充分的马氏体比率的冷却速度进行水冷，则能够不产生淬火裂纹地稳定地进行水淬火。
（h）将上述的水淬火方法应用于由马氏体类不锈钢形成的钢管时，也能够不产生淬火裂纹地确保高性能。
本发明如前所述，为一种钢管的淬火方法，其特征在于，其为将钢管从外表面进行水冷而淬火的淬火方法，其中，不对管端部进行水冷，而对所述管端部以外的部分的至少一部分进行水冷。需要说明的是，前述的“管端部”是指钢管的两端部。
本发明中，以将钢管从外表面进行水冷而淬火为前提，这是因为：与前述的专利文献1或2所记载那样的内表面冷却相比，外表面冷却不会伴随技术的困难性，另外，在将Cr系不锈钢管作为处理的对象时，如果能够从外表面进行水冷而不产生淬火裂纹地进行淬火处理，则可显著提高生产率。
图1是说明本发明的钢管的淬火方法的图，（a）为表示淬火处理时的冷却方法的图、（b）为表示淬火处理后的组织（其中，例示出低合金钢的情况）的说明图。需要说明的是，图1的（a）的进行了水冷的部分对应于图1的（b）的标上标记（1）的部分、图1的（a）的空冷部对应于图1的（b）的标上标记（2）和（3）的部分。
以下的说明中，只要没有特别说明，则关于所形成的金属组织，是表示为了马氏体化而需要一定以上的冷却速度的低合金钢、中合金钢的情况。
本发明中，如图1的（a）所示，在将钢管1从外表面进行水冷而淬火时，不对管端部进行水冷，而对除了该管端部以外的部分（以下也称为“中央部”）的至少一部分进行水冷。图1的（a）所示的例子中，对中央部全部表面进行水冷，但也可以如图2的（a）所示那样地在中央部存在不进行水冷的部位。这是因为存在于该中央部的不进行水冷的部位与进行水冷的部位相邻接，因此因传导传热而被冷却进行马氏体相变。不进行水冷的管端部例如如图1的（a）所示那样进行空冷。需要说明的是，“空冷”包括自然空冷、强制空冷的任意情况。
通过采取这样的冷却方法，在淬火处理后可得到如图1的（b）所示的钢组织。即，对钢管1的中央部（1），以可形成为了得到所要求的机械特性、耐腐蚀性所必要的马氏体的冷却速度进行水冷，从而钢组织为马氏体主体的组织。钢管1的管端部（2）和（3）中的管端侧（3）不进行水冷，且冷却速度小，形成贝氏体主体的组织，管端部的龟裂产生和龟裂伸展得到抑制。
与此相对，管端部中的中央部侧（2）由于与进行水冷的中央部（1）相邻接，因此因传导传热而被冷却、发生马氏体相变。但是，对于热的移动方向而言，轴方向比周方向更为主体，与中央部（1）相比壁厚方向的温度分布小、周方向应力弱。因此，管端部中的（2）即使发生马氏体相变也不易引起龟裂的发生、伸展。需要说明的是，仅进行了轧制的状态的管端部形状并非严密的圆筒形，因此理想的是通常在后处理中切断去除150～400mm左右。这样贝氏体主体且马氏体比率低的管端部可以在淬火工序后的工序中切断去除。
本发明的钢管的淬火方法是通过淬火来使钢的组织成为马氏体的方法，对马氏体的生成比率没有特别限定。但是，低合金钢、中合金钢中，通常如果组织的80%以上为马氏体，则可得到期望的强度。淬火处理的对象为Cr系不锈钢管时，在冷却速度小的情况下也马氏体化，但根据本发明的淬火方法，可确保期望的耐腐蚀性。在任一情况下，均预想在本发明中会得到至少马氏体比率为80%以上的钢管。
在本发明中，可以采用在管端部以外的部分（管的中央部）中的轴方向的至少一部分设置在整周上都不进行直接水冷的部分的实施方式。
图2为说明该实施方式的图，（a）为表示淬火处理时的冷却方法的图、（b）为淬火处理后的组织（其中，例示出低合金钢的情况）的说明图。如图2的（a）所示，并非对钢管1的中央部（1）全部表面同样地进行水冷，而是在钢管1的长度方向上适当地设置水冷部和不进行水冷的部位（空冷部）。该空冷部中，在整周上都不进行直接水冷。需要说明的是，图2的（a）的空冷的部分对应于图2的（b）的标上符号（4）的部分。
该实施方式例如在钢管的壁厚较薄的情况下特别有效。在钢管的壁厚较薄的情况下，若如图1所示那样对中央部（1）全部表面同样地进行水冷，则管端部（2）、（3）的强度无法对抗产生于中央部（1）的周方向应力，有可能产生淬火裂纹。
这种情况下，若采用如图2的（a）所示的冷却方法，能够实现确保中央部的马氏体比率并且无淬火裂纹的淬火处理。这是因为：如图2的（b）所示，在设置于中央部的空冷部（4）中的残留应力变得格外小，因此可抑制龟裂的伸展，另外，该空冷部（4）邻接的两侧进行了水冷，因此以充分的速度产生向水冷部（1）的导热，在空冷部（4）也可达成必要的马氏体率。
图3是表示能够实施本发明的钢管的淬火方法的装置的主要部分的大致结构例的图。图3中，从加热炉2运送出的钢管1被运送入冷却装置3内，以被辊4保持并且施加了旋转的状态，通过从安装在该装置3内的喷嘴5喷射的水喷雾而对外表面进行冷却。需要说明的是，在冷却装置3的一侧，根据需要而配设有用于对钢管1的内表面进行强制空冷的空气喷射喷嘴6。
本发明中，对钢管的外表面进行水冷时，也可以采用在淬火过程的至少一部分中间歇性地反复实施水冷和停止水冷的实施方式。通过采用间歇水冷方式，与连续水冷冷却相比整体的水冷时间变长，由此，内部温度与表面温度之差变小，残留应力降低。
该实施方式中，也可以从钢管的温度为Ar3点以上的淬火初始阶段起直至钢管的内外表面为Ms点以下、优选为Mf点以下为止一直进行前述间歇水冷，也可以用于淬火过程的一部分。
本发明中，也可以采用如下的实施方式：对钢管的外表面进行水冷时，在钢管的外表面的温度比Ms点高的温度范围进行强水冷，然后转换为弱水冷或空冷（包括强制空冷），在减小钢管外表面与钢管内表面的温度差之后将外表面强制冷却而冷却到Ms点以下。
理想的是，在上述的从强水冷转换为弱水冷或空冷的冷却方法中，利用强水冷冷却到Ms点附近的比Ms点高的温度，然后转换为弱水冷或空冷，由此使钢管的外表面侧因来自内表面侧的导热而复热，尽可能地减小钢管内表面与外表面的温度差，然后利用强制空冷等冷却到Ms点、理想的是Mf点以下的温度。
根据该实施方式，在例如钢管的壁厚较厚的情况下特别有效。钢管的壁厚较厚的情况下，从外表面起的水冷中的壁厚方向的温度不均匀变大，由于伴随外表面的马氏体相变的膨胀引起的大的拉伸应力，有时产生以外表面为龟裂的起点的脆性破坏。为了抑制该脆性破坏，延迟外表面的马氏体相变的开始、缩小内外表面的马氏体相变的开始时间之差的上述实施方式是有效的。
根据上述的实施方式，能够缓和壁厚方向的温度梯度、降低周方向产生的拉伸应力。特别理想的是，在作为冷却面的外表面经过Ms点之前缓和内外表面的温度差。实际上理想的是，监视钢管的外表面水冷部的温度，并在经过Ms点前停止水冷。
关于强水冷的冷却速度，根据钢种而不同，低合金钢的情况下，若最初的冷却阶段的冷却速度过小，则产生贝氏体相变而不能确保充分的马氏体比率，因此理想的是基于对象钢的CCT图确定恰当的冷却速度。
此外，在本发明的实施方式中，包含由如下方法形成的冷却过程：利用强水冷冷却到Ms点附近的比Ms点高的温度，然后转换为弱水冷或空冷，由此使钢管的外表面侧因来自内表面侧的导热而复热，尽可能地减小钢管内表面与外表面的温度差，但通过使用前述间歇水冷代替该冷却过程也可得到同样的效果。
即，本发明中，也可以在Ms点附近的比Ms点高的温度下停止前述本发明（3）中记载的间歇水冷（间歇性地反复实施和停止水冷的操作），然后进行强制空冷等强冷却。但是，该实施方式属于前述本发明（3）的范畴。
以上所述的本发明的钢管的淬火方法中，作为水冷的方式，可以适当地选择采用层流冷却、喷射冷却、喷雾冷却等以往所使用的方式。理想的是，在此基础上通过在水冷中增减水量、或间歇性地反复实施水冷和停止水冷来使壁厚方向温度不均匀均匀化，减少钢管的周方向应力。理想的是钢管内部不进行水冷地放冷或强制空冷。另外，在水冷过程中使钢管旋转能够使周方向的温度分布均一化，因此是理想的。
本发明作为处理对象的是淬火时容易产生淬火裂纹的钢管。特别是根据本发明的处理的对象物为（A）含有0.20～1.20%的C的钢管、其中为低合金钢或中合金钢的钢管的情况下、或（B）含有0.10～0.30%的C和11～18%的Cr的Cr系不锈钢管、其中为13Cr不锈钢管的情况下，本发明的效果显著。
前述（A）的含有0.20～1.20%的C的钢管是指由以该范围含有C的材质形成的钢管，通常为低合金钢或中合金钢的钢管。C的含量低于0.20%时，因马氏体化引起的体积膨胀比较小，因此淬火裂纹基本不会成为问题。
另一方面，若C超过1.20%，Ms点降低，容易有奥氏体残留，难以得到马氏体率为80%以上的组织。因此，C含量为0.20～1.20%从发挥本发明效果的方面来看是理想的。更理想的C含量为0.25～1.00%、进一步理想的是0.30～0.65%。
含有0.20～1.20%的C的低合金钢、中合金钢的钢管中，如前述图1所示，对钢管的中央部整体进行水冷、不对管端部进行水冷，由此可使管端的附近成为不产生淬火裂纹的贝氏体主体的组织。
作为低合金钢或中合金钢，例如可列举出如下的钢：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种以上，剩余部分由Fe和杂质组成，作为杂质的P：0.04%以下、S：0.02%以下。需要说明的是，若Cr含量超过7.0%，则在不进行水冷的管端部也容易产生马氏体，因此理想的是7.0%以下。
接着，前述（B）的含有0.10～0.30%的C和11～18%的Cr的Cr系不锈钢管是指由以该范围含有C和Cr的Cr系不锈钢形成的钢管（马氏体类不锈钢管）。若C的含量低于0.10%，则即使进行淬火也无法得到充分的强度，另一方面，若C超过0.30%，则难以避免奥氏体的残留、难以确保马氏体比率80%以上。因此，C含量为0.10～0.30%从发挥本发明效果的方面来看是理想的。
使Cr的含量为11～18%是因为，为了提高耐腐蚀性，Cr为11%以上是理想的，另一方面，若Cr超过18%则容易产生δ铁素体，热加工性降低。更理想的是Cr：10.5～16.5%。
作为含有0.10～0.30%的C和11～18%的Cr的Cr系不锈钢，例如可列举出如下的钢：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种以上，剩余部分由Fe和杂质组成，作为杂质的P：0.04%以下、S：0.02%以下。其中13Cr不锈钢管在许多产业领域中通用，作为本发明的处理对象是适宜的。
本发明的淬火方法当然能够应用于将钢管从常温起再加热而进行的所谓再加热淬火，但也可作为无缝钢管的制造时从刚热轧后的、钢管为Ar3以上的温度的状态进行淬火的所谓直接淬火、进而可作为在热轧后钢管的保有热量未大幅降低的阶段以A3点以上的温度均热（补热）后进行淬火的、所谓在线热处理（在线淬火）的淬火方法来应用。利用本发明的淬火方法，能够有效地防止淬火裂纹，因此能够稳定地制造具有马氏体比率高的组织的高强度的钢管。
[实施例]
从表1所示的材质的无缝钢管切下管状的试验材料，用各种冷却条件进行淬火处理，进行有无淬火裂纹的产生和钢组织的观察。表1中，钢种A为低合金钢、钢种B为高Cr钢（马氏体类不锈钢）。
[表1]
试验材料的形状为外径114mm、壁厚15mm、长度300mm的直管。将该试验材料用电加热炉加热到比Ac3点高50℃左右的温度，保持15分钟左右，然后从炉中运送出，在30秒钟以内运送到冷却装置，开始进行水冷。
图4为表示用于试验的冷却装置的大致结构的图。该冷却装置如图中的箭头所示，构成为能够选择对钢管1通过从喷嘴5喷出的水喷雾来进行淬火的方法和浸渍到加入有水7的水槽8内来进行淬火的方法（同一图中以虚线表示）中的任一种。在基于水喷雾的淬火中，可以通过流量调节阀（未图示）来改变喷出的喷雾的水量。钢管1通过下辊4b和上辊4a来保持。钢管1的两端安装有防止浸水用的盖，仅对外表面进行冷却。冷却中，利用下辊4b使钢管1以60rpm旋转。
表2示出水冷条件。表2中，水冷条件A中，利用焊接粘接于钢管的内壁的热电偶测量钢管中央部的内表面温度。另外，水冷条件B～E中，利用ThermoTracer测量钢管中央部、或钢管中央部和钢管的左右两端部的外表面温度。
[表2]
表3示出有无淬火裂纹的产生和钢组织的观察结果。
[表3]
注：关于钢种A的No.3～5，管端为贝氏体主体组织
图5为表示以表2的试验No.1的水冷条件A（浸渍水冷）对钢种A（低合金钢）的钢管的整体进行冷却时的钢管中央部的内表面温度的测量结果的图。在该水冷条件下，钢管的内表面温度急剧降低。此时，如表3所示，以体积率计90%以上为马氏体组织，但产生了淬火裂纹。
图6为表示以表2的试验No.2和4的水冷条件C（间歇喷雾水冷）对钢种A的钢管的全长或一部分进行冷却时的钢管中央部的外表面温度的测量结果的图。可知在该水冷条件下，每当停止水冷时，由于来自内表面的导热造成的复热而外表面温度上升。此时也是以体积率计90%以上为马氏体组织。对钢管的全长进行冷却的No.2中产生了淬火裂纹，但未对管端进行水冷的No.4中未产生淬火裂纹（参照表3）。
图7为表示以表2的试验No.3的水冷条件B（喷雾水冷）对钢种A的钢管的仅中央部进行冷却时的钢管中央部以及钢管的左右两端部的外表面温度的测量结果的图。在该水冷条件下，外表面温度在中央部、两端部均大致单调地降低。此时，如表3所示，以体积率计90%以上为马氏体组织，未确认到淬火裂纹。认为管端部由于不进行水冷，因此与中央部相比壁厚方向的温度分布小、周方向应力弱，因此即使发生马氏体相变，也未产生成为淬火裂纹的起点的龟裂。
图8为表示以表2的试验No.5的水冷条件E（喷雾水冷时从强水冷变换为弱水冷、然后强制空冷）对钢种A的钢管的仅中央部进行冷却时的钢管中央部以及钢管的左右两端部的外表面温度的测量结果的图。在该水冷条件下，如表3所示，以体积率计80%以上为马氏体组织，且未确认到淬火裂纹。
可认为这是由于在钢管的中央部，在比Ms点高的温度范围中，进行强水冷然后进行弱水冷，由此在内外表面的温度差被缓和的状态下进行马氏体化，并且在管端部由于不进行水冷而生成贝氏体，成为淬火裂纹的起点的龟裂的产生受到了抑制。管端部的贝氏体的生成通过图8所示的400℃附近的被认为起因于贝氏体相变的、温度的暂时上升而得到了确认，根据冷却后的洛氏硬度试验（HRC硬度测定）和显微镜观察也确认了管端部为贝氏体主体的组织。
需要说明的是，根据同一图8，可知钢管中央部的冷却图案中，未观测到在管端得到确认的、被认为起因于空冷的过程中的贝氏体相变的放热。
以上，对冷却钢种A的钢管的情况进行了说明，在冷却钢种B（高铬钢）的钢管的情况下，如表3所示，试验No.1～5的任一水冷条件下钢组织均为以体积率计90%以上为马氏体组织。然而，对钢管整体进行水冷的试验No.1和2中，在管端部也引起了急剧的马氏体化，因此产生了淬火裂纹。
需要说明的是，钢种B为即使缓慢冷却也进行马氏体化的材质，因此即使在应用前述试验No.5的冷却方法时，也未确认到管端部中在400℃附近的放热（参照图8）。关于淬火裂纹，在钢种B的情况下，虽然No.1～2的淬火方法中产生了淬火裂纹，但No.3～5的基于本发明法的方法未确认到淬火裂纹的产生。
以上的试验的结果可确认，通过应用本发明的钢管的淬火方法，可不产生淬火裂纹地得到马氏体主体的组织。
产业上的可利用性
本发明的钢管的淬火方法即使应用于容易产生淬火裂纹的中/高碳钢管（低合金钢或者中合金钢的钢管）或Cr系不锈钢管也不产生淬火裂纹，因此可适宜地利用于这些钢管的淬火处理。
附图标记说明
1：钢管、2：加热炉、3：冷却装置、
4：辊、4a：上辊、4b：下辊、
5：喷嘴、6：送气管、7：水、8：水槽、
9：水蒸气喷嘴、10a：外表面、10b：内表面

Claims (10)

1.一种钢管的淬火方法，其特征在于，其为将钢管从外表面进行水冷而淬火的淬火方法，其中，对管端部进行空冷，而对所述管端部以外的部分的至少一部分进行水冷。
2.根据权利要求1所述的钢管的淬火方法，其特征在于，在所述管端部以外的部分中的轴方向的至少一部分设置在整周上都不进行直接水冷的部分。
3.根据权利要求1所述的钢管的淬火方法，其特征在于，在淬火过程的至少一部分中，间歇性地反复实施水冷和停止水冷。
4.根据权利要求1所述的钢管的淬火方法，其特征在于，在对钢管的外表面进行水冷时，在钢管的外表面温度比Ms点高的温度范围进行强水冷，然后转换为弱水冷或空冷而将外表面强制冷却，冷却到Ms点以下。
5.根据权利要求1～权利要求4中任一项所述的钢管的淬火方法，其特征在于，所述钢管含有以质量％计为0.2～1.2％的C。
6.根据权利要求1～权利要求4中任一项所述的钢管的淬火方法，其特征在于，所述钢管为含有以质量％计为0.10～0.30％的C和11～18％的Cr的Cr系不锈钢管。
7.根据权利要求2所述的钢管的淬火方法，其特征在于，在淬火过程的至少一部分中，间歇性地反复实施水冷和停止水冷。
8.根据权利要求2所述的钢管的淬火方法，其特征在于，在对钢管的外表面进行水冷时，在钢管的外表面温度比Ms点高的温度范围进行强水冷，然后转换为弱水冷或空冷而将外表面强制冷却，冷却到Ms点以下。
9.根据权利要求7或8所述的钢管的淬火方法，其特征在于，所述钢管含有以质量％计为0.2～1.2％的C。
10.根据权利要求7或8所述的钢管的淬火方法，其特征在于，所述钢管为含有以质量％计为0.10～0.30％的C和11～18％的Cr的Cr系不锈钢管。
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