CN104968808A - 韧性优异的无缝钢管的制造方法及制造设备 - Google Patents

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Abstract

在现有技术中，难以同时实现降低因管体壁厚方向上的组织的不均匀引起的材质偏差、以及维持热处理生产线整体的生产率。预先判别管体是否为Ms点低于200℃的钢种，在淬火后，所述判别结果为是的管体另行在室温环境下留置(优选转移至留置床6进行留置)，直至该管体的管轴线正交截面内的最高温部与最低温部的温度差成为低于2.0℃,之后，将其供向所述回火处理，另一方面，所述判别结果为否的管体不进行所述留置而供向所述回火处理。

Description

韧性优异的无缝钢管的制造方法及制造设备
技术领域
本发明涉及韧性(toughness)优异的无缝钢管(seamless steel pipeor tube)的制造方法及制造设备。该制造方法及制造设备特别是为了对作为如不锈钢(stainless steel)那样Ms点(＝马氏体相变开始温度(martensitic transformation start temperature))以及Mf点(＝马氏体相变终了温度(martensitic transformation finish temperature))为低温的钢种的无缝钢管的制造半成品(中间产品(semimanufacturedproduct))的管体实施作为调质处理(thermal refining)的淬火回火处理(quenching and tempering)以得到韧性优异的产品管而使用。
在此所说的“韧性优异”是指例如满足ISO标准13680。即，是指通过产品管的壁厚中心部(central part of wall thickness)的管周方向(C方向、transverse test piece)夏比冲击试验(Charpy impact test)测定的试验温度＝－10℃下的吸收能量(absorbed energy)(记作：vE－10)满足：以3个试验片的平均值计，平均吸收能量为40J以上，并且吸收能量不足40J的实验片为3个试验片中的1个以下且其吸收能量的值为27J以上(要求值40J的2/3以上)。
背景技术
作为关于无缝钢管的制造的现有技术，列举以下技术。
在专利文献1中公开了如下技术：在制造厚壁13Cr系不锈钢的无缝钢管时，通过规定淬火热处理时的加热温度以及冷却速度，来得到高强度及高韧性的产品。
在专利文献2中公开了用于在对无法增大淬火的冷却速度的钢种进行处理时使生产效率(productive efficiency)的降低为最小限度的设备。然而，关于热处理的顺序本身，只要没有故障(trouble)就是先入‐先出(first in,first out)。
在专利文献3中公开了马氏体‐铁素体双相钢的无缝钢管的制造方法。
在专利文献4中公开了以下技术：在使淬火液(quenching liquid)在管内面侧沿一个方向流通的淬火方法中，基于流入侧与流出侧的液温测定值来控制淬火液的流量，由此减小淬火后的管的长度方向上的硬度偏差。
专利文献
专利文献1:日本特开2008－189945号公报
专利文献2:日本特开2009－242863号公报
专利文献3:日本特开2005－336595号公报
专利文献4:日本特开2001－032022号公报
发明内容
发明要解决的课题
关于作为马氏体系不锈钢等钢种的无缝钢管的制造半成品的管体，在通过热加工(hot working)轧管(tube rolling)为规定形状(predetermined size)后，通过实施淬火回火的热处理，控制为所需要的强度及韧性水平。通常的热处理采取以下工序：首先，在淬火处理中，在将上述管体在加热炉(heating furnace)中加热至Ac1点以上Ac3点以下的温度后，通过水冷等急速冷却至接近室温，在接下来的回火处理中，将上述急速冷却后的管体在其他加热炉中加热至Ac1点以下的温度后放置冷却(例如参照专利文献1)。最近，进行这样的热处理的设备被连续生产线化(continuously linable)，针对各种各样的产品品种各自设定加热温度和加热时间等处理条件。
马氏体系不锈钢(参照专利文献1)或马氏体‐铁素体双相钢(参照专利文献3)等钢种通过上述淬火回火得到期望量(desired arearatio)的马氏体相。在此，Ms点及Mf点根据确定钢种的钢组成而有很大不同，其中也存在Ms点低于100℃、Mf点低于室温的钢种。淬火后的管体的温度通常通过表面温度的计测来确认。关于上述那样的低Ms点及低Mf点的钢种，管体的表面与壁厚内部的温度差(＝壁厚方向的不均匀温度分布)对马氏体相变率(martensitictransformation ratio)的影响无法忽视。即，即使淬火后的管体的表面温度接近室温，如果在壁厚方向(wall thickness direction)的温度分布(temperature distribution)达到均匀的稳定状态(steady state)之前就进入到回火，则会产生非本意的组织分布，这会成为产生调质处理后的材质偏差(material variability)(＝机械性能(mechanicalproperty)、尤其是韧性的偏差)的一个原因。
另一方面，关于想要通过上述淬火回火得到期望的马氏体相的钢种(方便起见，称为特定钢种(specific steel grade))，由于即使淬火加热(＝淬火处理中的加热)后的冷却速度为放置冷却那样的低冷却速度马氏体相变本身也会产生，因此如果在冷却至室温后继续在室温下放置充分的时间，则能够降低上述材质偏差。但是，如果在相同的热处理生产线中以先入‐先出(例如参照专利文献2)实施特定钢种和除此之外的不同钢种的热处理，则存在特定钢种在室温下的放置时间需要规定时间以上这一情况成为障碍从而使热处理生产线整体的生产率降低的问题。
结果，以往，已知通过淬火液的流量控制(flow control)来降低管体的长度方向上的硬度偏差的淬火方法及设备(例如参照专利文献4)。但是，在如上述那样将特定钢种和不同钢种通过相同的热处理生产线所进行的热处理中存在以下问题：即，难以同时实现降低因特定钢种的管体壁厚方向上的组织的不均匀(non-uniformmicrostructure)引起的材质偏差、以及维持热处理生产线整体的生产率。
用于解决课题的手段
本申请发明人为了解决上述课题而进行了锐意研究，其结果发现，如果判别管体是Ms点低于200℃的钢种还是除此之外的钢种，并且前者在淬火中的水冷后另行在室温环境下留置直至管轴线方向正交截面内(壁厚方向)的最高温部与最低温部的温度差成为低于2.0℃，则上述材质偏差显著降低，并且上述材质的偏差范围内的数据的平均值(vE－10的平均值)也提高。需要说明的是，后者只要进行通常的淬火回火即可。本发明是基于这些见解而完成的，其主旨如下所述。
(1)一种无缝钢管的制造方法，具有对作为无缝钢管的制造半成品的管体实施淬火回火处理的工序，所述无缝钢管的制造方法的特征在于，预先判别管体是否为Ms点低于200℃的钢种，在所述淬火后，所述判别结果为是的管体另行在室温环境下留置，直至该管体的管轴线正交截面内的最高温部与最低温部的温度差成为低于2.0℃,之后，将其供向所述回火处理，另一方面，所述判别结果为否的管体不进行所述留置而供向所述回火处理。
(2)一种无缝钢管的制造设备，包括对作为无缝钢管的制造半成品的管体实施淬火回火处理的设备，所述无缝钢管的制造设备的特征在于，具备：判别机构，其预先判别管体是否为Ms点低于200℃的钢种；以及留置床，其用于在供向所述回火之前，将所述管体另行在室温环境下留置，直至该管体的管轴线正交截面内的最高温部与最低温部之差成为低于2.0℃。
发明效果
根据本发明，Ms点低于200℃的钢种在淬火后回火前另行在室温环境下留置直至壁厚方向温度分布充分均匀化从而成为材质偏差小的韧性优异的产品管，除此之外的钢种不被上述留置妨碍地如通常那样以先入‐先出进行热处理，因此，能够在维持热处理生产线整体的生产率的同时制造韧性优异的无缝钢管。
附图说明
图1是表示本发明中所使用的热处理生产线的一例的平面示意图。
具体实施方式
图1是表示本发明中所使用的热处理生产线的一例的平面示意图。在作为无缝钢管制造半成品的管体1中，判别为Ms点为200℃以上的管体(方便起见，也称为A管)在淬火加热炉2中被加热至根据钢种而不同的恰当的加热温度后，浸渍于淬火水槽(quenchingwater tank)3内的冷却水中而水冷直至管体的外周面温度降低至接近室温。之后，经由冷却床(cooling bed)4上，在回火加热炉(heatingfurnace for tempering)5中以根据钢种而不同的恰当的回火温度进行回火。需要说明的是，Ms点通过利用后述式(1)的计算而求出。
另一方面，判别为Ms点低于200℃的管体(方便起见，也称为B管)在直至到达冷却床4为止以与A管相同的路径被处理。但是，仅将B管从冷却床4向作为与A管的路径不同的其他路径的留置床(也称为缓冲线(buffer line))6转移，并在该缓冲线6上在室温环境下留置直到管轴线方向正交截面内的最高温部与最低温部的温度差(记作ΔT)成为低于2.0℃。之后使其返回冷却床4，以后利用与A管相同的路径进行回火。
需要说明的是，在本发明中，使冷却床4和留置床6为分别独立的设备。如果冷却床4的空间有空余则也可以将其一部分作为留置床使用。
在本发明中，前述的特定钢种(想要通过淬火回火得到期望量的马氏体相的钢种)例如为以下组成：以质量％计，含有C：0.005～0.05％、Si：0.05～1.0％、Mn：0.2～1.8％、P：0.03％以下、S：0.005％以下、Cr：11～20％、Ni：1.5～10％、Mo：1～5％、N：0.15％以下，且剩余部分为Fe及不可避免的杂质。此外，也可以是以下组成：在上述组成中，代替Fe的一部分而以质量％计含有从Al：0.002～0.05％、Cu：3.5％以下、Nb：0.5％以下、V：0.5％以下、Ti：0.3％以下、Zr：0.2％以下、W：3％以下、B：0.01％以下、Ca：0.01％以下、REM：0.01％以下中选择的1中或2种以上。
如前所述，在Mf点低于室温那样的钢种(其为上述特定钢种中的一种)中，实质上由回火开始时的管体的壁厚方向的温度分布(管轴线正交截面内的温度分布)来决定该壁厚方向的各位置处的马氏体相变率、换言之残余奥氏体量(amount of residual austenite)。在这样的温度分布中，即使管体的壁厚方向的温度分布的最高温部与最低温部的温度差ΔT低于10℃，因管体的壁厚方向位置导致的残余奥氏体量的差异(偏差)也成为无法忽视的程度。该残余奥氏体量的偏差成为产生产品的材质偏差的一个原因。
与此相对，在本发明中，将B管在室温环境下留置直到ΔT成为低于2.0℃。由此，能够得到以下效果：回火开始时的管体壁厚方向的残余奥氏体量的偏差显著降低，回火后的产品的材质偏差大幅减小，并且该材质偏差范围内的数据的平均值(vE－10的平均值)提高。如果在ΔT降低至低于2.0℃之前开始回火，则无法得到这样的效果。此外，将B管的判别条件设为Ms点低于200℃是基于以下本申请发明人的实验研究结果：即使将该判别条件视为与Mf点低于室温大致等价，在实际应用上也没有问题。
在本实施方式中，Ms点使用下述式(1)算出，该式(1)如下地得到，即，从关于上述特定钢种而通过使用了各种组成的热膨胀试验片(thermal expansion test piece)的连续冷却相变实验(continuouscooling transformation experiment)预先测定的热膨胀曲线(thermalexpansion curve)上采集Ms点的实验数据，以组成成分量[质量％]计对该实验数据进行回归分析(regression analysis)，由此得到式(1)。
Ms[℃]＝502－810[％C]－1230[％N]－13[％Mn]－30[％Ni]－12[％Cr]－54[％Cu]－6[％Mo]  …(1)
需要说明的是，在式(1)中，[％M]为各成分元素M的成分量。另外，在存在钢中不含有的成分元素的情况下将0带入其成分元素项。
作为具体的优选实施手段，对进入热处理的各钢种设定从淬火结束(水冷结束)到回火开始为止的待机需要时间(waiting time)(准备时间(lead time))。在进行该设定时，优选的是，事先掌握基于上述式(1)的Ms点，并准备将环境温度(ambient temperature)及管体的表面温度的计测与传热计算组合的准备时间算出机构(calculation device)。在Ms点低于200℃的钢种的管体(上述B管)中，按通常的先入‐先出方式在冷却床4上的准备时间未到达直到变为ΔT＜2.0℃为止的温度均匀化所需时间的管体，暂时转移到缓冲线6，在室温环境下进行留置直到变为ΔT＜2.0之后，重新供向回火处理。
实施例
通过热加工对具有表1中示出的化学组成及通过式(1)计算出的Ms点的钢坯(steel billet)进行制管，在该制管后空冷至100℃～室温，制成外径195.0mm×壁厚27.0mm的成为无缝钢管的原料的10根管体。
作为本发明例，对上述管体中的随机抽出(random sampling)的5根(P1～P5)进行以下的热处理(淬火-回火)。热处理生产线使用图1所示的生产线。淬火为在加热至950℃后进行水冷的处理。水冷后复热(recuperation)结束时刻的管体的表面温度(实测值)为30～36℃。将该管体在室温下(大气中)留置8小时以上，在ΔT(计算值)成为1.2～1.8℃的时刻将其装入回火加热炉中并在600℃下进行回火。
作为比较例，对于剩余的5根管体(P6～P10)，在进行与本发明例相同的条件下的淬火后，不进行基于ΔT＜2.0℃的时间管理(time management)，而是按照通常的先入‐先出方式装入回火加热炉，并在600℃下进行回火。该情况下，向回火加热炉装入时的ΔT(计算值)为6.0℃。
从回火处理后的各管体，按照JIS Z 2202的规定对每个管体各采集3个V形缺口试验片(采集位置＝管的壁厚中心部，试验片厚度＝10mm，试验片长度方向＝管周方向(C方向)，V形缺口深度方向＝管长方向(L方向))(S1、S2、S3)，按照JIS Z 2242的规定进行夏比冲击试验并求出vE－10。
得到的结果如表2所示。根据表2，在本发明例中，vE－10值(N数＝15)的平均值＝87.7J，没有不足40J的试验片。另外，获得标准偏差＝3.8J这一偏差非常小的结果。另一方面，在比较例中，vE－ 10值(N数＝15)的平均值＝81.7J。但是，不足40J的试验片有2个。另外，在比较例中，确认到标准偏差＝17.9J、以及平均值的降低及偏差的扩大。按每根管体来观察结果，在比较例中，存在得到了与本发明例同程度的vE－10值的管体。另一方面，确认到vE－10值大幅降低的管体，这会导致平均值的降低及偏差的扩大。
这样，根据本发明能够得到稳定的机械性能。
[表1]
[表2]
附图标记说明
1  管体
2  淬火加热炉
3  淬火水槽
4  冷却床
5  回火加热炉
6  留置床(缓冲线)

Claims (2)

1.一种无缝钢管的制造方法，具有对作为无缝钢管的制造半成品的管体实施淬火回火处理的工序，所述无缝钢管的制造方法的特征在于，预先判别管体是否为Ms点低于200℃的钢种，在所述淬火后，所述判别结果为是的管体另行在室温环境下留置，直至该管体的管轴线正交截面内的最高温部与最低温部的温度差成为低于2.0℃,之后，将其供向所述回火处理，另一方面，所述判别结果为否的管体不进行所述留置而供向所述回火处理。
2.一种无缝钢管的制造设备，包括对作为无缝钢管的制造半成品的管体实施淬火回火处理的设备，所述无缝钢管的制造设备的特征在于，具备：判别机构，其预先判别管体是否为Ms点低于200℃的钢种；以及留置床，其用于在供向所述回火之前，将所述管体另行在室温环境下留置，直至该管体的管轴线正交截面内的最高温部与最低温部之差成为低于2.0℃。
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