KR20130135354A - 강관의 담금질 방법 - Google Patents

Abstract

강관(1)을 외면으로부터 수냉하여 담금질하는 담금질 방법으로서, 관 단부를 수냉하지 않고, 상기 관 단부 이외의 부분의 적어도 일부를 수냉한다. 관 단부 이외의 부분에서의 축 방향의 적어도 일부에서, 전체 둘레에 걸쳐 직접 수냉되지 않는 부분을 설치하는 실시형태, 또는 담금질 과정의 적어도 일부에서, 수냉의 실시와 수냉의 정지를 간헐적으로 반복하는 실시형태, 또한 강관의 외면을 수냉함에 있어서, 강관의 외면의 온도가 Ms점보다 높은 온도 범위에서 강수냉을 행하고, 그 후 약수냉 또는 공냉으로 전환하여 외면을 강제 냉각하여, Ms점 이하로 냉각하는 실시형태의 채용이 바람직하다. 이 담금질 방법에 의해, 중·고탄소 함유 강관(저합금강 혹은 중합금강의 강관) 또는 마르텐사이트계 스테인리스 강관의 담금질 처리에 적합하게 적용할 수 있다.

Description

강관의 담금질 방법{STEEL PIPE QUENCHING METHOD}

본 발명은, 중·고탄소 함유강 등으로 이루어지는 강관의 담금질 방법에 관한 것이며, 더 상세하게는, 종래, 물 담금질 등의 급냉 수단으로 담금질 처리를 실시하면 담금질 균열을 일으키기 쉽다고 알려져 있는, 중·고탄소의 저합금강이나 중합금강의 강관, 또는 마르텐사이트계 스테인리스 강관의 담금질 균열을 방지할 수 있는 강관의 담금질 방법에 관한 것이다.

별도로 기재가 없는 한, 본 명세서에 있어서의 용어의 정의는 다음과 같다.

「%」：중·고탄소 함유강, 마르텐사이트계 스테인리스강 등, 대상물에 포함되는 각 성분의 질량 백분율을 나타낸다.

「저합금강」：여기에서는, 합금 성분의 총량이 5% 이하인 강을 말한다.

「중합금강」：여기에서는, 합금 성분의 총량이 5% 초과 10% 이하인 강을 말한다.

철강 재료를 강화하는 기본적인 수법의 하나로서, 열처리에 의한 상변태, 특히 마르텐사이트 변태를 이용하는 방법이 널리 행해지고 있다. 중탄소 함유강이나 고탄소 함유강으로 이루어지는 강관(일반적으로는, 저합금강 혹은 중합금강의 강관)을 담금질 뜨임 처리하면 우수한 강도·인성을 나타내므로, 담금질 뜨임 처리에 의한 철강 재료의 강화 방법은, 기계 구조용 부재, 유정용 강재를 비롯하여 많은 용도에서의 재료 강화 방법으로서 사용되어 왔다. 담금질에 의해 강의 강도를 현저하게 높일 수 있으며, 이 강도 향상 효과는, 강 중의 C함유량에 의존한다. 단, 담금질한 상태의 마르텐사이트 조직은 일반적으로 무르기 때문에, 담금질 후, A_c1 변태 온도 이하의 온도로 뜨임함으로써 인성을 향상시킨다.

저합금강이나 중합금강을 담금질하여 마르텐사이트 조직을 얻기 위해서는, 물 담금질 등의 급속 냉각이 필요하게 된다. 냉각 속도가 불충분한 경우는, 베이나이트 등, 마르텐사이트보다는 연질의 조직이 혼재하게 되어, 충분한 담금질 효과를 달성할 수 없다.

그런데, 철강 재료의 담금질 조작에 있어서는 담금질 균열이 문제가 되는 경우가 있다. 상기 서술한 바와 같이 강재를 급속 냉각하는 경우, 강재 전체를 균일하게 급냉하는 것은 불가능하며, 냉각이 선행된 부분과, 냉각이 지연된 부분에서의 수축율의 차이에 기인하여, 강재에 열 응력이 발생한다. 또한, 담금질 조작으로 마르텐사이트 변태가 발생하는 경우에 있어서는, 오스테나이트로부터 마르텐사이트로의 변태에 의해 체적 팽창이 발생하는 결과, 변태 응력이 발생한다. 상기 체적 팽창은 강 중의 C함유량에 의존하여, C함유량이 많을수록 체적 팽창이 커진다. 따라서, C함유량이 많은 강은 담금질 단계에서 큰 변태 응력을 일으키기 쉬워, 담금질 균열이 발생하기 쉽다.

특히, 담금질되는 강재가 강관 형상인 경우에는, 강판 형상품이나 봉·선 형상품의 경우에 비해 매우 복잡한 응력 상태를 나타낸다. 이 때문에, C함유량이 많은 강관 형상품에 예를 들면 물 담금질과 같은 급냉 처리를 실시하면, 담금질 균열 감수성이 현저하게 높아져 담금질 균열이 다발하여, 제품 수율이 매우 낮아져 버린다.

따라서, 저합금강이나 중합금강의 고탄소 함유 강관을 담금질 처리하는 경우에는, 담금질 균열을 방지하여 제품 수율을 높게 하기 위해, 물 담금질에 비해 냉각능이 작은 기름 담금질을 행하거나, 미스트 냉각에 의한 완냉각을 행하여, 담금질 시의 냉각 속도를 컨트롤하고 있다.

그러나, 이러한 담금질 수단을 채용한 경우에는, 충분한 양의 마르텐사이트 조직이 얻어지지 않아, 고온에서 발생하는 베이나이트 등이 꽤 혼재한 조직이 되어 버린다. 그 때문에 담금질 뜨임해도, 뜨임 마르텐사이트 조직의 우수한 강한 인성을 충분히는 활용하지 못하여, 제품인 강관의 강도·인성 레벨이 저하된다는 문제가 있었다.

상기와 같이 저합금강, 중합금강의 강관에 있어서 마르텐사이트 조직이 이용되고 있지만, 스테인리스 강관의 분야에서도, 용이하게 고강도가 얻어지는 마르텐사이트계 스테인리스 강관이 강도와 내식성이 요구되는 다양한 용도로 널리 사용되고 있다. 특히 최근에 있어서는, 에너지 사정 때문에 마르텐사이트계 스테인리스 강관이 석유나 천연가스 채취용의 유정관으로서 많이 사용되고 있다.

즉, 석유나 천연가스를 채취하기 위한 우물(유정)의 환경은 최근 더욱 더 가혹해지고 있으며, 채굴 깊이의 증대에 수반하는 고압화에 더하여, 습윤한 탄산 가스나 황화수소, 염소 이온 등의 부식성 성분을 상당량으로 포함하는 우물도 많아지고 있다. 그에 따라, 재료의 강도 상승이 요구되는 한편, 상기 서술한 바와 같은 부식성 성분에 의한 부식, 그리고 그에 따른 재료의 취화가 문제가 되어, 보다 내식성이 우수한 유정관의 필요성이 높아져 왔다.

이러한 상황 아래, 마르텐사이트계 스테인리스강은, 황화수소에 의한 황화물 응력 부식 균열에 대해서는, 경우에 따라서는 충분한 저항성을 갖지 않기는 하지만, 탄산 가스 부식에 대해서는 우수한 저항성을 가지기 때문에, 비교적 저온의 습윤한 탄산 가스를 포함하는 환경 하에서 널리 이용되고 있다. 그 대표적인 것으로서는, API(미국석유협회)가 정하는 L80그레이드의 13 Cr타입(Cr함유량이 12~14%)의 유정관을 들 수 있다.

일반적으로 마르텐사이트계 스테인리스강은 담금질 뜨임 처리가 실시되고 있으며, 상기의 APIL80그레이드의 13 Cr강도 예외는 아니다. 그러나, 상기 13 Cr강의 마르텐사이트 변태 개시 온도(Ms점)는 300℃ 정도로 저합금강에 비해 낮고, 이에 더하여 경화능이 크기 때문에 담금질 균열에 대한 감수성이 높다.

특히, 강관 형상품을 담금질한 경우에는, 판재나 봉재의 경우에 비해 매우 복잡한 응력 상태를 나타내어, 물 담금질하면 담금질 균열을 일으키기 때문에, 방냉(자연 공냉), 강제 공냉이나 완만한 미스트 냉각 등의 냉각 속도가 작은 프로세스를 채용할 필요가 있다. 그 때문에 상기의 L80그레이드의 13 Cr타입 유정관의 제조에 있어서는, 담금질 균열을 방지하기 위해 공기 담금질이 행해지고 있다. 이런 종류의 합금강은 경화능이 크기 때문에, 담금질 시의 냉각 속도가 작은 경우에서도 마르텐사이트화는 가능하다.

그러나, 이 방법에서는, 담금질 균열은 방지할 수 있어도 냉각 속도가 작기 때문에 생산성이 나쁜 것에 더하여, 내황화물 응력 부식 균열성을 비롯하여 다양한 특성이 열화되어 버린다는 문제가 있다.

이와 같이, 저합금강, 중합금강의 강관에서도, 또한 마르텐사이트계 스테인리스 강관에서도, 담금질 조작에 있어서의 담금질 균열의 문제가 있어, 판재나 봉재에 비해 특히 강관에 있어서는 이 문제를 해결할 필요성이 높다고 할 수 있다.

종래, 이러한 담금질 균열의 문제를 해결하기 위해 몇개의 수법이 제안되고 있다. 예를 들면, 특허 문헌 1에는, 0.2~1.2%의 C를 함유하는 강관의 담금질 균열을 방지하는 담금질 방법으로서, 담금질에 있어서의 냉각을 강관의 내면으로부터만 행하는 것, 또한, 필요에 따라, 냉각 시에 그 강관을 회전시키는 것 등을 특징으로 하는 중·고탄소 함유 강관의 담금질 방법이 개시되어 있다.

강관의 외면을 급냉한 경우, 외면의 마르텐사이트 변태가 선행되고, 지연되어 발생하는 내면측의 마르텐사이트 변태에 의한 변태 응력에 외면의 무른 마르텐사이트 조직이 견디지 못하고, 담금질 균열에 이른다고 생각되어, 내면으로부터 냉각함으로써 변태 응력과 열 응력을 적절히 상쇄할 수 있는 것으로 하고 있다. 그러나, 강관의 내면 냉각의 실시에는, 외면 냉각에 비해 기술적인 곤란함을 수반한다는 문제가 있다.

특허 문헌 2에는, 0.1~0.3%의 C 및 11.0~15.0%의 Cr을 함유하는 Cr계 스테인리스 강관을 담금질 뜨임하여 마르텐사이트 주체의 조직을 가지는 강관의 제조 방법으로서, 담금질 시에, Ms점으로부터 Mf점(마르텐사이트 변태 완료 온도)까지의 온도역에서의 평균 냉각 속도를 8℃／초 이상으로 하여 담금질하고, 그 후에 뜨임하는 마르텐사이트계 스테인리스 강관의 제조 방법이 개시되어 있다. 상기 냉각 속도를 확보함으로써 잔류 오스테나이트의 형성을 방지하여, 마르텐사이트 주체의 조직이 얻어진다.

그러나, 특허 문헌 2의 제조 방법은, 물 담금질과 같은 급냉 처리에서도 담금질 균열을 방지하기 위해서는, 냉각을 강관의 내면으로부터만 행하는 것, 또한, 필요에 따라, 그 강관을 회전시키는 것이 요구되므로, 공업화에 있어서는, 특허 문헌 1에 기재되는 담금질 방법에서와 동일한 문제가 있다.

특허 문헌 3에는, C：0.1~0.3%, Cr：11~15%를 함유하는 스테인리스 강관의 담금질에 있어서, 담금질 개시 온도로부터, 외면 온도가 〔Ms점-30℃〕보다 낮고 〔Ms점과 Mf점의 중간 온도〕보다 높은 임의의 온도가 될 때까지 공냉하는 제1 냉각과, 그 후 계속해서 외면 온도가 Mf점 이하가 될 때까지의 온도역을 관 내면의 평균 냉각 속도가 8℃／초 이상이 되도록 관 외면을 강냉각하는 제2 냉각으로 이루어지는 2단계의 냉각을 행하여, 조직의 80% 이상을 마르텐사이트로 하고, 그 후 뜨임을 행하는 마르텐사이트계 스테인리스 강관의 제조 방법이 개시되어 있다.

특허 문헌 3에 기재되는 방법은, 제1 냉각에서는 상대적으로 냉각 속도를 작게 함으로써 담금질 균열의 방지를 도모하고, 제2 냉각에서 관 외면을 강냉각함으로써 잔류 오스테나이트의 형성을 억제하는 방법이다. 그러나, 두께가 큰 경우, 외면 냉각에서 관 내면의 냉각 속도를 제어하는 것은 곤란하다.

또, 특허 문헌 4에는, C：0.30~0.60% 중·고탄소 저합금강의 이음매가 없는 강관의 제조 방법으로서, 압연 종료 후, 즉시 400~600℃의 온도역까지 수냉하고, 수냉 정지 후에 400~600℃로 가열한 노에서 등온 변태 열처리(오스템퍼 처리)를 행하는 방법이 개시되어 있다. 그러나, 특허 문헌 4에 기재된 등온 변태 열처리에 의해 제조되는 강관의 조직은, 일반적으로 마르텐사이트에 비해 강도가 낮은 베이나이트이며, 고강도가 요구되는 경우에는 대응이 어려운 경우도 있다.

일본국 특허 공개 평9-104925호 공보 일본국 특허 공개 평8-188827호 공보 일본국 특허 공개 평10-17934호 공보 일본국 특허 공개 2006-265657호 공보

상기 서술한 대로, 중·고탄소 함유 강관(저합금강이나 중합금강의 강관)을 담금질하여 고강도의 마르텐사이트 조직으로 하는 경우, 물 담금질 등의 급속 냉각을 행하면 담금질 균열이 발생하기 쉽다. 담금질 균열을 피하기 위해 기름 담금질 등의 완냉각을 행하면 충분한 양의 마르텐사이트 조직이 얻어지지 않아, 강관의 강도·인성 레벨이 저하된다.

또, 마르텐사이트계 스테인리스 강관을 제조하는 경우, 담금질 시의 냉각 속도가 작아도 마르텐사이트화는 가능하지만, 냉각 속도가 늦기 때문에 생산성이 나쁘고, 내황화물 응력 부식 균열성을 비롯하여 다양한 특성이 열화된다. 생산성을 높이기 위해 물 담금질을 행하면 담금질 균열이 일어난다.

본 발명은, 이러한 문제를 감안하여 이루어진 것이며, 중·고탄소 함유 강관(주로 저합금강 혹은 중합금강의 강관), 또는 마르텐사이트계 스테인리스 강관에 있어서의 담금질 균열을 방지할 수 있는 강관의 담금질 방법을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

본 발명의 요지는, 다음과 같다.

(1) 강관을 외면으로부터 수냉하여 담금질하는 담금질 방법으로서, 관 단부를 수냉하지 않고, 상기 관 단부 이외의 부분의 적어도 일부를 수냉하는 것을 특징으로 하는 강관의 담금질 방법.

(2) 상기 관 단부 이외의 부분에서의 축 방향의 적어도 일부에서, 전체 둘레에 걸쳐 직접 수냉되지 않는 부분을 설치하는 것을 특징으로 하는 상기 (1) 에 기재된 강관의 담금질 방법.

(3) 담금질 과정의 적어도 일부에서, 수냉의 실시와 수냉의 정지를 간헐적으로 반복하는 것을 특징으로 하는 상기 (1) 또는 상기 (2)에 기재된 강관의 담금질 방법.

(4) 강관의 외면을 수냉함에 있어서, 강관의 외면의 온도가 Ms점보다 높은 온도 범위에서 강수냉을 행하고, 그 후 약수냉 또는 공냉으로 전환하여 외면을 강제 냉각하여, Ms점 이하로 냉각하는 것을 특징으로 하는 상기 (1) 또는 상기 (2)에 기재된 강관의 담금질 방법.

(5) 상기 강관이, 0.2~1.2%의 C를 함유하는 강관인 것을 특징으로 하는 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 기재된 강관의 담금질 방법.

(6) 상기 강관이, 0.10~0.30%의 C 및 11~18%의 Cr을 함유하는 Cr계 스테인리스 강관인 것을 특징으로 하는 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 기재된 강관의 담금질 방법.

본 발명의 강관의 담금질 방법에 의하면, 중·고탄소 함유 강관(주로 저합금강 혹은 중합금강의 강관) 또는 Cr계 스테인리스 강관에 대해, 담금질 균열을 발생시키지 않고 급냉 수단(물 담금질)으로 담금질 처리를 실시할 수 있다. 이것에 의해, 마르텐사이트 비율이 높은 조직(구체적으로는 마르텐사이트 비율이 80% 이상)을 가지는 고강도의 강관을 안정되게 제조할 수 있다.

도 1은, 본 발명의 강관의 담금질 방법을 설명하는 도이고, (a)는 담금질 처리 시의 냉각 방법을 나타내는 도이며, (b)는 담금질 처리 후의 조직(단, 저합금강의 경우를 예시)의 설명도이다.
도 2는, 본 발명의 강관의 담금질 방법의 다른 형태를 설명하는 도이고, (a)는 담금질 처리 시의 냉각 방법을 나타내는 도이며, (b)는 담금질 처리 후의 조직(단, 저합금강의 경우를 예시)의 설명도이다.
도 3은, 본 발명의 강관의 담금질 방법을 실시할 수 있는 장치의 주요부의 개략 구성예를 나타내는 도이다.
도 4는, 실시예에서 이용한 냉각 장치의 개략 구성을 나타내는 도이다.
도 5는, 표 2의 시험 No.1의 수냉 조건으로 저합금강의 강관의 전체 길이를 냉각한 경우의 강관 중앙부의 내면 온도의 계측 결과를 나타내는 도이다.
도 6은, 표 2의 시험 No.2의 수냉 조건으로 저합금강의 강관의 전체 길이를 냉각한 경우의 강관 중앙부의 외면 온도의 계측 결과를 나타내는 도이다.
도 7은, 표 2의 시험 No.3의 수냉 조건으로 저합금강의 강관의 중앙부 만을 냉각한 경우의 강관 중앙부 및 강관의 좌우 양단부의 외면 온도의 계측 결과를 나타내는 도이다.
도 8은, 표 2의 시험 No.5의 수냉 조건으로 저합금강의 강관의 중앙부 만을 냉각한 경우의 강관 중앙부 및 강관의 좌우 양단부의 외면 온도의 계측 결과를 나타내는 도이다.
도 9는, 강관 2차원 횡단면을 해석 대상으로 한 FEM 해석 모델을 나타내는 도이다.
도 10은, 강관 2차원 횡단면을 해석 대상으로 한 FEM 해석 모델에 의한 해석 결과로, 강관의 둘레 방향 최대 응력과 두께의 관계를 나타내는 도이다.
도 11은, 강관 2차원 종단면을 해석 대상으로 한 FEM 해석 모델에 의한 해석 결과를 나타내는 도이며, (a)는 강관의 외주 전체면을 수냉한 경우, (b)는 강관의 중앙부 만을 수냉한 경우이다.

상기의 과제를 해결하기 위해, 본 발명자들은, 고탄소 함유 저합금강 및 Cr계 스테인리스강의 강관 시험편을 A_r3 변태 온도 온도 이상으로 가열하고, 강관의 외면으로부터 수냉하는 물 담금질의 실험을 반복했다. 그 결과, 이하의 (a)~(f)의 지견을 얻을 수 있었다.

(a) 강관 전체를 강한 물 담금질로 마르텐사이트 변태 정지 온도(Mf점) 이하까지 냉각하면, 높은 확률로 담금질 균열이 발생한다.

(b) 담금질 균열 시의 균열은, 대체로 강관의 축 방향으로 신전하기 때문에, 균열을 확대시키는 주된 힘은 둘레 방향의 인장 응력이라고 생각할 수 있다.

(c) 상기의 둘레 방향의 인장 응력의 발생원은, 냉각 과정에서 발생하는 두께 방향에 있어서의 온도차(온도 편차)에 의해 강관의 외면측과 내면측에서 마르텐사이트 변태의 타이밍이 어긋나기 때문이라고 생각할 수 있다.

(d) 특히 온도 편차가 큰(즉, 내면측과의 온도차가 크다) 냉각면 부근에서는, 취성 파괴에 의한 미크로 크랙이 발생하기 쉬워, 이것이 균열 신전의 기점이 되기 쉽다.

(e) 균열은, 대부분의 경우, 강관 단부를 기점으로 하여 신전한다. 그 이유는, 자유 표면을 가지는 단부의 응력 확대 계수가 단부 이외의 응력 확대 계수에 비해 크기 때문이라고 생각할 수 있다.

(f) 수냉을 행하지 않고, 냉각 속도를 억제한 경우는, 고탄소 함유 저합금강 및 Cr계 스테인리스강 중 어느 경우에서도 담금질 균열은 생기지 않는다. 또한, 고탄소 함유 저합금강에 있어서는, 마르텐사이트화를 억제하고, 베이나이트 주체의 조직으로 한 경우는 담금질 균열은 생기지 않는다.

요컨데, 담금질 균열은, 대부분의 경우, 자유 표면을 가지는 강관 단부에 발생하는 균열을 기점으로 하여, 이 균열이, 냉각 과정에서 발생하는 두께 방향의 온도 편차에 기인하는 열 응력, 또 변태 응력에 의해 둘레 방향으로 인장 응력(이하, 「인장 응력」을 간단히 「응력」이라고도 적는다)이 작용하여 냉각면 근방에서 발생한 미크로 크랙을 통하여 진전하는 결과로서 발생하는 것으로 생각할 수 있다.

본 발명자들은, 또한, 열 응력과 변태 응력을 고려한 FEM(유한 요소법) 해석에 의해, 강관의 둘레 방향으로 발생하는 최대 응력을 계산했다. 이 FEM 해석에서는, 강관축 방향은 균일하게 냉각되는 것으로 가정하여, 강관 2차원 단면을 해석 대상으로 한 일반화 평면 변형 모델을 적용했다.

도 9는, 강관 2차원 횡단면을 해석 대상으로 한 FEM 해석 모델을 나타내는 도이다. 이 모델에서의 계산에 있어서는, 이 도면에 나타내는 바와 같이, 920℃에서 노 외로 취출되어, 50초 경과(냉각 준비 시간 등을 고려) 후, 강관(1)(C：0.6%)의 외면이, 기수(氣水) 노즐(9)에 의해 3방향에서 수냉되고, 내면은 에어 블로우에 의해 공냉되는 것을 전제로 했다. 강관(1)의 외면의 열전달 계수는 온도에 따라 변동되지만, 최대로 12700W/(m²·K)로 했다.

도 10은, 상기 모델에 의한 해석 결과로, 강관의 둘레 방향 최대 응력과 두께의 관계를 나타내는 도이다. 이 도면에 있어서, ●표(수냉 만)는, 상기의 도 9에 나타낸 조건으로 수냉한 경우, ○표(제어 담금질)는, 수냉 시에 공냉부를 적절히 설치했을 때의 냉각 상태(후술하는 도 2 참조)를 시뮬레이트한 것이며, 강관의 상부에 배치된 기수 노즐로부터만 저수압으로 분무하고, 분무된 물이 강관에는 직접 분사되지 않아, 미세한 물방울이 공기 중에 부유하는 상태로 한 경우이다. 또, 이 도면 중의 횡축에 평행한 파선은 담금질 균열이 발생하지 않는 한계의 응력으로, 이 경우는 200MPa이다.

도 10에 나타낸 해석 결과로부터, 강관의 외면을 3방향에서 수냉한 경우(이 도면 중의 ●표), 두께의 여하에 상관 없이 강관의 둘레 방향 최대 응력은 균열 한계 응력(200MPa)을 웃돌아, 담금질 균열이 발생하지만, 수냉 시에 공냉부를 적절히 설치하는 제어 담금질을 행하면(이 도면 중의 ○표), 당해 공냉부의 둘레 방향 최대 응력을 현격히 작게 할 수 있는 것을 알 수 있다.

도 11은, 강관 2차원 종단면을 해석 대상으로 한 FEM 해석 모델에 의한 해석 결과를 나타내는 도이며, (a)는 강관의 외주 전체면을 수냉한 경우, (b)는 강관의 중앙부(후술하는 도 1 참조) 만을 수냉하고, 강관 단부는 수냉하지 않았던 경우이다. 또한, 도 11은 축심을 포함하는 면에서 종단한 강관(1)의 편측 단면을 나타내고 있으며, 부호 10a를 붙인 면이 외면, 부호 10b를 붙인 면이 내면이다. 강관의 외면의 열전달 계수는 최대로 12700W/(m²·K)로 했다.

이 도 11로부터 분명한 바와 같이, 강관의 외주 전체면을 수냉한 경우는, 관 끝에 균열 한계 응력(200MPa)을 웃도는 큰 둘레 방향 응력(σ_θ=236MPa)이 발생하지만, 관 단부를 수냉하지 않았던 경우는 이러한 큰 둘레 방향 응력은 발생하지 않는 것을 알 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, FEM 해석의 결과로부터도, 관 단부를 공냉한다, 즉 수냉하지 않음으로써, 관 단부의 둘레 방향 응력을 크게 저감할 수 있는 것이 판명되었다.

본 발명자들은, 상기의 지견 및 고찰로부터, 이하의 (g) 및 (h)의 착상을 얻어, 본 발명을 이루기에 이르렀다.

(g) 물 담금질에 있어서 담금질 균열을 일으키기 쉬운 저합금강 혹은 중합금강으로 이루어지는 강관이어도, 강관의 단부를 수냉하지 않고, 단부를 제외한 부분에서 충분한 마르텐사이트 비율을 확보할 수 있는 냉각 속도로 수냉하는 것으로 하면, 담금질 균열을 발생시키지 않고 안정적으로 물 담금질을 할 수 있다.

(h) 상기의 물 담금질 방법을, 마르텐사이트계 스테인리스강으로 이루어지는 강관에 적용한 경우도, 담금질 균열을 발생시키지 않고, 고성능을 확보할 수 있다.

본 발명은, 상기한 대로, 강관을 외면으로부터 수냉하여 담금질하는 담금질 방법으로서, 관 단부를 수냉하지 않고, 상기 관 단부 이외의 부분의 적어도 일부를 수냉하는 것을 특징으로 하는 강관의 담금질 방법이다. 또한, 상기의 「관 단부」란, 강관의 양단부를 가리킨다.

본 발명에 있어서, 강관을 외면으로부터 수냉하여 담금질하는 것을 전제로 하는 것은, 상기 서술한 특허 문헌 1 또는 2에 기재되는 내면 냉각에 비해, 외면 냉각이 기술적 곤란성을 수반하지 않고, 또, Cr계 스테인리스 강관을 처리의 대상으로 한 경우, 외면으로부터 수냉하여 담금질 균열을 발생시키지 않고 담금질 처리할 수 있으면, 생산성을 현저하게 향상시킬 수 있기 때문이다.

도 1은, 본 발명의 강관의 담금질 방법을 설명하는 도이고, (a)는 담금질 처리 시의 냉각 방법을 나타내는 도이며, (b)는 담금질 처리 후의 조직(단, 저합금강의 경우를 예시)의 설명도이다. 또한, 도 1(a)의 수냉한 부분은 도 1(b)의 부호(1)를 붙인 부분에 대응하고, 도 1(a)의 공냉부는 도 1(b)의 부호(2) 및 (3)을 붙인 부분에 대응한다.

이하의 설명에서는, 특별한 언급이 없는 한, 형성되는 금속 조직에 관해서는, 마르텐사이트화를 위해 일정 이상의 냉각 속도가 필요한 저합금강, 중합금강인 경우를 나타낸다.

본 발명에 있어서는, 도 1(a)에 나타내는 바와 같이, 강관(1)을 외면으로부터 수냉하여 담금질할 때에, 관 단부는 수냉하지 않고, 이 관 단부를 제외한 부분(이하, 「중앙부」라고도 한다)의 적어도 일부를 수냉한다. 도 1(a)에 나타낸 예에서는, 중앙부 전체면을 수냉하고 있지만, 도 2(a)에 나타낸 바와 같이 중앙부에 수냉하지 않는 부위가 존재해도 된다. 이 중앙부에 존재하는 수냉하지 않는 부위는 수냉하는 부위에 인접하고 있으므로, 전도 전열에 의해 냉각되어 마르텐사이트 변태하기 때문이다. 수냉하지 않는 관 단부는, 예를 들면 도 1(a)에 나타낸 바와 같이, 공냉한다. 또한, 「공냉」에는, 자연 공냉, 강제 공냉 중 어느 경우도 포함된다.

이러한 냉각 방법을 채용함으로써, 담금질 처리 후에, 도 1(b)에 나타내는 강 조직이 얻어진다. 즉, 강관(1)의 중앙부 (1)는, 요구되는 기계적 특성이나 내식성을 얻기 위해 필요한 마르텐사이트가 형성되는 냉각 속도로 수냉되므로, 강 조직은 마르텐사이트 주체의 조직이다. 강관(1)의 관 단부 (2) 및 (3) 중 관 단측의 (3)은 수냉되지 않고, 또한 냉각 속도가 작기 때문에 베이나이트 주체의 조직이 형성되어, 관 단부에 있어서의 균열 발생 및 균열 신전이 억제된다.

이에 반해, 관 단부 중 중앙부측의 (2)는, 수냉되는 중앙부 (1)에 인접하고 있기 때문에 전도 전열에 의해 냉각되어, 마르텐사이트 변태한다. 그러나, 열의 이동 방향은 둘레 방향보다 축 방향이 주체이기 때문에, 중앙부 (1)에 비해 두께 방향의 온도 분포가 작고, 둘레 방향 응력이 약하다. 그 때문에, 관 단부 중의 (2)는 마르텐사이트 변태해도 균열의 발생, 신전이 일어나기 어렵다. 또한, 압연 상태의 관 단부 형상은 엄밀한 원통형을 하고 있지 않기 때문에, 통상은 후처리에서 150~400mm 정도 절단 제거하는 것이 바람직하다. 이와 같이 베이나이트 주체로, 마르텐사이트 비율이 낮은 관 단부는, 담금질 공정보다 후의 공정에서 절단해 제거하는 것이 가능하다.

본 발명의 강관의 담금질 방법은, 담금질에 의해 강의 조직을 마르텐사이트로 하는 방법으로서, 마르텐사이트의 생성 비율은 특별히 한정되지 않는다. 그러나, 저합금강이나 중합금강에 있어서는, 일반적으로 조직의 80% 이상이 마르텐사이트이면, 원하는 강도를 얻을 수 있다. 담금질 처리의 대상이 Cr계 스테인리스 강관인 경우, 냉각 속도가 작은 경우도 마르텐사이트화하지만, 본 발명의 담금질 방법에 의해, 원하는 내식성이 확보된다. 어느 경우도, 본 발명에 있어서는, 적어도 마르텐사이트 비율이 80% 이상인 강관을 얻는 것을 상정하고 있다.

본 발명에 있어서는, 관 단부 이외의 부분(관의 중앙부)에 있어서의 축 방향의 적어도 일부에서, 전체 둘레에 걸쳐 직접 수냉되지 않는 부분을 설치하는 것으로 하는 실시 형태를 채용해도 된다.

도 2는, 이 실시의 형태를 설명하는 도이고, (a)는 담금질 처리 시의 냉각 방법을 나타내는 도이며, (b)는 담금질 처리 후의 조직(단, 저합금강의 경우를 예시)의 설명도이다. 도 2(a)에 나타내는 바와 같이, 강관(1)의 중앙부 (1) 전체면을 일정하게 수냉하지 않고, 강관(1)의 길이 방향으로, 수냉부와 수냉하지 않는 부위(공냉부)를 적절히 설치한다. 이 공냉부에서는, 전체 둘레에 걸쳐 직접 수냉되지 않는다. 또한, 도 2(a)의 공냉한 부분은 도 2(b)의 부호(4)를 붙인 부분에 대응한다.

이 실시의 형태는, 예를 들면, 강관의 두께가 얇은 경우, 특히 유효하다. 강관의 두께가 얇은 경우는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 중앙부 (1) 전체면을 일정하게 수냉하면, 중앙부 (1)에 발생하는 둘레 방향 응력에 대해 관 단부(2), (3)의 강도가 저항하지 못하고, 담금질 균열이 발생할 가능성이 있다.

이러한 경우, 도 2(a)에 나타낸 냉각 방법을 채용하면, 중앙부의 마르텐사이트 비율을 확보하면서 담금질 균열되지 않는 담금질 처리를 실현할 수 있다. 도 2(b)에 나타내는 바와 같이, 중앙부에 설치한 공냉부(4)에 있어서는 잔류 응력이 현격히 작아지므로, 균열의 신전을 억제할 수 있으며, 또, 당해 공냉부(4)에 인접하는 양측은 수냉되고 있으므로, 충분한 속도로 수냉부(1)로의 열전도가 발생하여, 공냉부(4)에서도 필요한 마르텐사이트율을 달성할 수 있기 때문이다.

도 3은, 본 발명의 강관의 담금질 방법을 실시할 수 있는 장치의 주요부의 개략 구성예를 나타내는 도이다. 도 3에 있어서, 가열로(2)로부터 반출된 강관(1)은 냉각 장치(3) 내에 반입되어, 롤(4)에 의해 유지됨과 함께 회전이 더해진 상태로, 이 장치(3) 내에 부착되어 노즐(5)로부터 분사되는 물스프레이에 의해 외면이 냉각된다. 또한, 냉각 장치(3)의 편측에는, 필요에 따라 강관(1)의 내면을 강제 공냉하기 위한 에어 제트 노즐(6)이 설치되어 있다.

본 발명에 있어서는, 강관의 외면을 수냉함에 있어서, 담금질 과정의 적어도 일부에서, 수냉의 실시와 수냉의 정지를 간헐적으로 반복하는 것으로 하는 실시 형태를 채용할 수도 있다. 간헐 수냉 형식을 채용함으로써, 연속 수냉 냉각에 비해 전체의 수냉 시간이 길어지고, 이것에 의해, 내부 온도와 표면 온도의 차가 작아져, 잔류 응력이 저감한다.

이 실시의 형태에 있어서는, 강관의 온도가 A_r3점 이상인 담금질 당초의 단계부터 강관의 내외면이 Ms점 이하, 바람직하게는 Mf점 이하가 될 때까지, 일관되게 상기 간헐 수냉을 행하는 것도 가능하며, 담금질 과정의 일부분으로 이용할 수도 있다.

본 발명에 있어서는, 강관의 외면을 수냉함에 있어서, 강관의 외면의 온도가 Ms점보다 높은 온도 범위에서 강수냉을 행하고, 그 후 약수냉 또는 공냉(강제 공냉을 포함한다)으로 전환하여, 강관 외면과 강관 내면의 온도차를 작게 한 후, 외면을 강제 냉각하여 Ms점 이하로 냉각하는 것으로 하는 실시 형태를 채용해도 된다.

상기의 강수냉으로부터 약수냉 또는 공냉으로 전환하는 냉각 방법에서는, 강수냉에 의해 Ms점 근방의 Ms점보다 높은 온도까지 냉각하고, 그 후 약수냉 또는 공냉으로 전환함으로써 강관의 외면측을 내면측으로부터의 열전도에 의해 복열시켜, 강관 내면과 외면의 온도차를 가능한 한 작게 하고, 그 후, 강제 공냉 등에 의해 Ms점, 바람직하게는 Mf점 이하의 온도로 냉각하는 것이 바람직하다.

이 실시의 형태에 의하면, 예를 들면, 강관의 두께가 두꺼운 경우에 특히 유효하다. 강관의 두께가 두꺼운 경우는, 외면으로부터의 수냉 중에 두께 방향의 온도 편차가 커져, 외면의 마르텐사이트 변태에 수반하는 팽창에 의한 큰 인장 응력에 의해, 외면이 균열의 기점이 되는 취성 파괴가 발생하는 경우가 있다. 이것을 억제하기 위해서는 외면의 마르텐사이트 변태의 개시를 지연시켜, 내외면의 마르텐사이트 변태의 개시 시간의 차를 줄이는 상기의 실시의 형태가 유효하다.

상기 서술한 실시의 형태에 의해, 두께 방향의 온도 구배를 완화하고, 둘레 방향에 발생하는 인장 응력을 저감시킬 수 있다. 특히 냉각면인 외면이 Ms점을 통과하기 전에, 내외면의 온도차를 완화하는 것이 바람직하다. 실제로는, 강관의 외면 수냉부의 온도를 모니터링하여, Ms점 통과 전에 수냉을 정지하는 것이 바람직하다.

강수냉의 냉각 속도에 대해서는, 강 종류에 따라 상이하지만, 저합금강의 경우, 최초의 냉각 단계의 냉각 속도가 너무 작으면 베이나이트 변태가 발생하여, 충분한 마르텐사이트 비율을 확보하는 것이 불가능해지므로, 대상 강의 CCT도를 기초로 적정한 냉각 속도를 결정하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 실시형태에 있어서, 강수냉에 의해 Ms점 근방의 Ms점보다 높은 온도까지 냉각하고, 그 후 약수냉 또는 공냉으로 전환함으로써 강관의 외면측을 내면측으로부터의 열전도에 의해 복열시켜, 강관 내면과 외면의 온도차를 가능한 한 작게 하는 것으로 이루어지는 냉각 과정을 포함하는 것이지만, 이 냉각 과정 대신에, 상기 서술한 간헐 수냉을 이용함으로써도 동일한 효과를 얻을 수 있다.

즉, 본 발명에서는, 상기 본 발명(3)에 기재된 간헐 수냉(수냉의 실시와 정지를 간헐적으로 반복하는 조작)을, Ms점 근방의 Ms점보다 높은 온도로 정지하고, 그 후 강제 공냉 등의 강냉각을 행할 수 있다. 단, 이 실시형태는 상기 본 발명(3)의 범주에 속한다.

이상 서술한 본 발명의 강관의 담금질 방법에 있어서, 수냉의 방식으로서는, 라미나 냉각, 제트 냉각, 미스트 냉각 등, 종래 사용되고 있는 방식을 적절히 선택해 채용하면 된다. 그 다음에, 수냉 중에 수량을 증감시키거나, 간헐적으로 수냉의 실시와 수냉의 정지를 반복함으로써 두께 방향 온도 편차를 균일화하여, 강관의 둘레 방향 응력을 저감시키는 것이 바람직하다. 강관 내부는 수냉하지 않고 방냉 또는 강제 공냉으로 하는 것이 바람직하다. 또, 수냉 중은 강관을 회전시켜 두는 것이, 둘레 방향의 온도 분포를 균일화할 수 있으므로 바람직하다.

본 발명이 처리의 대상으로 하는 것은, 담금질 시에 담금질 균열을 발생하기 쉬운 강관이다. 특히, 본 발명에 의한 처리의 대상물이, (A) 0.20~1.20%의 C를 함유하는 강관, 그 중에서도 저합금강 또는 중합금강의 강관인 경우, 또는 (B) 0.10~0.30%의 C 및 11~18%의 Cr을 함유하는 Cr계 스테인리스 강관, 그 중에서도 13 Cr 스테인리스 강관인 경우, 본 발명의 효과가 현저하다.

상기 (A)의 0.20~1.20%의 C를 함유하는 강관이란, C가 이 범위에서 포함되는 재질로 이루어지는 강관이며, 일반적으로는 저합금강 또는 중합금강의 강관이다. C의 함유량이 0.20% 미만인 경우는, 마르텐사이트화에 의한 체적 팽창이 비교적 작기 때문에 담금질 균열은 거의 문제가 되지 않는다.

한편, C가 1.20%를 넘으면, Ms점이 저하되어, 오스테나이트가 잔류하기 쉬워, 마르텐사이트율이 80% 이상인 조직을 얻는 것이 곤란해진다. 따라서, C함유량이 0.20~1.20%인 것이, 본 발명의 효과를 발휘시키는 면에서 바람직하다. 보다 바람직한 C함유량은, 0.25~1.00%, 더 바람직하게는 0.30~0.65%이다.

0.20~1.20%의 C를 함유하는 저합금강, 중합금강의 강관에서는, 상기 도면 1에 나타낸 바와 같이, 강관의 중앙부 전체를 수냉하고, 관 단부를 수냉하지 않음으로써, 관 끝의 근방을 담금질 균열이 생기지 않는 베이나이트 주체의 조직으로 할 수 있다.

저합금강, 또는 중합금강으로서는, 예를 들면, C：0.20~1.20, Si：2.0% 이하, Mn：0.01~2.0%이며, 또한, Cr：7.0% 이하, Mo：2.0% 이하, Ni：2.0% 이하, Al：0.001~0.1%, N：0.1% 이하, Nb：0.5% 이하, Ti：0.5% 이하, V：0.8% 이하, Cu：2.0% 이하, Zr：0.5% 이하, Ca：0.01% 이하, Mg：0.01% 이하, B：0.01% 이하 중 1종 이상을 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지며, 불순물로서의 P：0.04% 이하, S：0.02% 이하인 강을 들 수 있다. 또한, Cr함유량이 7.0%를 넘으면, 수냉을 하지 않는 관 단부에도 마르텐사이트가 발생하기 쉽기 때문에, 7.0% 이하인 것이 바람직하다.

다음에, 상기 (B)의 0.10~0.30%의 C 및 11~18%의 Cr을 함유하는 Cr계 스테인리스 강관이란, C 및 Cr이 이 범위에서 포함되는 Cr계 스테인리스강으로 이루어지는 강관(마르텐사이트계 스테인리스 강관)이다. C의 함유량이 0.10% 미만에서는, 담금질을 행해도 충분한 강도를 얻지 못하고, 한편, C가 0.30%를 넘으면 오스테나이트의 잔류가 피하기 어려워, 마르텐사이트 비율 80% 이상을 확보하는 것이 곤란해진다. 따라서, C함유량이 0.10~0.30%인 것이, 본 발명의 효과를 발휘시키는 면에서 바람직하다.

Cr의 함유량이 11~18%인 것으로 하는 것은, 내식성을 높이기 위해 Cr이 11% 이상인 것이 바람직하고, 한편, Cr이 18%를 넘으면 δ페라이트가 발생하기 쉬워, 열간 가공성이 저하되기 때문이다. 보다 바람직하게는, Cr：10.5~16.5%이다.

0.10~0.30%의 C 및 11~18%의 Cr을 함유하는 Cr계 스테인리스강으로서는, 예를 들면, C：0.10~0.30, Si：1.0% 이하, Mn：0.01~1.0%, Cr：11~18%(보다 바람직하게는, 10.5~16.5%)이며, 또한, Mo：2.0% 이하, Ni：1.0% 이하, Al：0.001~0.1%, N：0.1% 이하, Nb：0.5% 이하, Ti：0.5% 이하, V：0.8% 이하, Cu：2.0% 이하, Zr：0.5% 이하, Ca：0.01% 이하, Mg：0.01% 이하, B：0.01% 이하 중 1종 이상을 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지며, 불순물로서의 P：0.04% 이하, S：0.02% 이하인 강을 들 수 있다. 그 중에서도 13 Cr 스테인리스 강관은 많은 산업 분야에서 범용되고 있어, 본 발명의 처리의 대상으로서 적합하다.

본 발명의 담금질 방법은, 강관을 상온으로부터 재가열하여 행하는, 소위 재가열 담금질에 적용할 수 있는 것은 물론이지만, 이음매가 없는 강관의 제조 시에 있어서, 열간 압연 직후의, 강관이 A_r3 이상의 온도에 있는 상태로부터 담금질하는 소위 직접 담금질, 또, 열간 압연 후, 강관의 보유 열량이 크게 저하되지 않는 단계에서, A₃점 이상의 온도로 균열(均熱)(보열)한 후, 담금질을 행하는, 소위 인라인 열처리(인라인 담금질)의 담금질 방법으로서도 적용할 수 있다. 본 발명의 담금질 방법에 의하면, 담금질 균열을 효과적으로 방지할 수 있으므로, 마르텐사이트 비율이 높은 조직을 가지는 고강도의 강관을 안정되게 제조할 수 있다.

<실시예>

표 1에 나타내는 재질의 이음매가 없는 강관으로부터 관 형상의 시험재를 잘라내어, 다양한 냉각 조건으로 담금질 처리하고, 담금질 균열의 발생의 유무와 강 조직의 관찰을 행했다. 표 1에 있어서, 강 종류 A는 저합금강이며, 강 종류 B는 고Cr강(마르텐사이트계 스테인리스강)이다.

시험재의 형상은, 외경 114mm, 두께 15mm, 길이 300mm의 직관이다. 이 시험재를 전기 가열로로 A_c3점보다 50℃ 정도 높은 온도까지 가열하여, 15분 정도 유지한 후, 노로부터 반출하고, 30초 이내에 냉각 장치까지 반송하여 수냉을 개시했다.

도 4는, 시험에 이용한 냉각 장치의 개략 구성을 나타내는 도이다. 이 냉각 장치는, 도면 중에 화살표로 나타내는 바와 같이, 강관(1)을 노즐(5)로부터 분출시킨 물스프레이에 의해 담금질하는 방법과, 물(7)을 넣은 수조(8) 내에 침지하여 담금질하는 방법(이 도면 중에 파선으로 표시) 중 어느 하나를 선택할 수 있도록 구성되어 있다. 물스프레이에 의한 담금질에서는, 분출하는 스프레이의 수량을 유량 조정 밸브(도시하지 않음)에 의해 변화시키는 것이 가능하다. 강관(1)은 하측 롤(4b) 및 상측 롤(4a)에 의해 유지했다. 강관(1)의 양단에는 침수 방지용의 뚜껑을 부착하고, 외면 만을 냉각했다. 냉각 중은, 강관(1)을 하측 롤(4b)에 의해 60rpm로 회전시켰다.

표 2에 수냉 조건을 나타낸다. 표 2에 있어서, 수냉 조건 A에서는, 강관의 내벽에 용접 접착한 열전대에 의해 강관 중앙부의 내면 온도를 계측했다. 또, 수냉 조건 B~E에서는, 서모트레이서(Thermo Tracer)에 의해 강관 중앙부, 또는 강관 중앙부 및 강관의 좌우 양단부의 외면 온도를 계측했다.

표 3에 담금질 균열의 발생의 유무와 강 조직의 관찰 결과를 나타낸다.

도 5는, 표 2의 시험 No.1의 수냉 조건 A(침지 수냉)로 강 종류 A(저합금강)의 강관 전체를 냉각한 경우의 강관 중앙부의 내면 온도의 계측 결과를 나타내는 도이다. 이 수냉 조건에서는, 강관의 내면 온도는 급격하게 저하했다. 이 경우, 표 3에 나타낸 바와 같이, 체적율로 90% 이상이 마르텐사이트 조직이었지만, 담금질 균열이 발생했다.

도 6은, 표 2의 시험 No.2 및 4의 수냉 조건 C(간헐 스프레이 수냉)로 강 종류 A의 강관의 전체 길이 또는 일부를 냉각한 경우의 강관 중앙부의 외면 온도의 계측 결과를 나타내는 도이다. 이 수냉 조건에서는, 수냉을 정지할 때마다 내면으로부터의 열전도에 의한 복열로 외면 온도가 상승하고 있는 것을 알 수 있다. 이 경우도, 체적율로 90% 이상이 마르텐사이트 조직이었다. 강관의 전체 길이를 냉각한 No.2에서는 담금질 균열이 발생했지만, 관 끝을 수냉하지 않았던 No.4에서는 담금질 균열이 발생하지 않았다(표 3 참조).

도 7은, 표 2의 시험 No.3의 수냉 조건 B(스프레이 수냉)로 강 종류 A의 강관의 중앙부 만을 냉각한 경우의 강관 중앙부 및 강관의 좌우 양단부의 외면 온도의 계측 결과를 나타내는 도이다. 이 수냉 조건에서는, 외면 온도는 중앙부, 양단부 모두 대체로 단조롭게 저하했다. 이 경우, 표 3에 나타낸 바와 같이, 체적율로 90% 이상이 마르텐사이트 조직이며, 담금질 균열은 인정되지 않았다. 관 단부는, 수냉하고 있지 않았기 때문에 중앙부에 비해 두께 방향의 온도 분포가 작고, 둘레 방향 응력이 약하기 때문에, 마르텐사이트 변태해도 담금질 균열의 기점이 되는 균열이 발생하지 않았던 것에 의한 것으로 생각할 수 있다.

도 8은, 표 2의 시험 No.5의 수냉 조건 E(스프레이 수냉 시에 강수냉으로부터 약수냉으로 전환하고, 그 후 강제 공냉)로 강 종류 A의 강관의 중앙부 만을 냉각한 경우의 강관 중앙부 및 강관의 좌우 양단부의 외면 온도의 계측 결과를 나타내는 도이다. 이 수냉 조건에서는, 표 3에 나타낸 바와 같이, 체적율로 80% 이상이 마르텐사이트 조직이며, 게다가, 담금질 균열은 인정되지 않았다.

이것은, 강관의 중앙부에서는, Ms점보다 높은 온도 범위에 있어서, 강수냉하고 그 후 약수냉함으로써, 내외면의 온도차가 완화된 상태로 마르텐사이트화가 진행됨과 함께, 관 단부에서는, 수냉하고 있지 않기 때문에 베이나이트가 생성되어, 담금질 균열의 기점이 되는 균열의 발생이 억제된 것에 의한 것으로 생각할 수 있다. 관 단부에서의 베이나이트의 생성은, 도 8에 나타나는 400℃ 부근에서의 베이나이트 변태에 기인한다고 생각할 수 있는 온도의 일시적인 상승에 의해 인정되지만, 냉각 후의 록웰 경도 시험(HRC 경도 측정) 및 현미경 관찰로부터도 관 단부가 베이나이트 주체의 조직인 것을 확인했다.

또한, 이 도면 8로부터, 강관 중앙부의 냉각 패턴에서는, 관 끝에서 인정된 공냉의 과정에서의 베이나이트 변태에 기인한다고 생각할 수 있는 발열은 관측되고 있지 않은 것을 알 수 있다.

이상, 강 종류 A의 강관을 냉각한 경우에 대해서 설명했지만, 강 종류 B(고크롬강)의 강관을 냉각한 경우는, 표 3에 나타낸 바와 같이, 시험 No.1~5 중 어느 수냉 조건에서도 강 조직은 체적율로 90% 이상이 마르텐사이트 조직이었다. 그러나, 강관 전체를 수냉한 시험 No.1 및 2에서는, 관 단부에서도 급격한 마르텐사이트화가 일어나기 때문에, 담금질 균열이 발생했다.

또한, 강 종류 B는 완냉각에서도 마르텐사이트화하는 재질이기 때문에, 상기 시험 No.5의 냉각 방법을 적용한 경우여도, 관 단부에 있어서의 400℃ 부근에서의 발열(도 8 참조)은 인정되지 않았다. 담금질 균열에 관해서는, 강 종류 B의 경우도, No.1~2의 담금질 방법에서는 담금질 균열이 발생했지만, No.3~5의 본 발명법에 의한 것은, 담금질 균열의 발생이 인정되지 않았다.

이상의 시험의 결과, 본 발명의 강관의 담금질 방법을 적용함으로써, 담금질 균열을 발생시키지 않고 마르텐사이트 주체의 조직을 얻을 수 있는 것을 확인할 수 있었다.

<산업상의 이용 가능성>

본 발명의 강관의 담금질 방법은, 담금질 균열이 생기기 쉬운 중·고탄소 함유 강관(저합금강 혹은 중합금강의 강관) 또는 Cr계 스테인리스 강관에 적용해도 담금질 균열을 발생시키지 않기 때문에, 이들 강관의 담금질 처리에 적합하게 이용할 수 있다.

1：강관 2：가열로
3：냉각 장치 4：롤
4a：상측 롤 4b：하측 롤
5：노즐 6：송기관
7：물 8：수조
9：기수 노즐 10a：외면
10b：내면

Claims (6)

1. 강관을 외면으로부터 수냉하여 담금질하는 담금질 방법으로서, 관단부를 수냉하지 않고, 상기 관단부 이외의 부분의 적어도 일부를 수냉하는 것을 특징으로 하는 강관의 담금질 방법.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 관단부 이외의 부분에서의 축방향의 적어도 일부에서, 전체 둘레에 걸쳐 직접 수냉되지 않는 부분을 설치하는 것을 특징으로 하는 강관의 담금질 방법.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   담금질 과정의 적어도 일부에서, 수냉의 실시와 수냉의 정지를 간헐적으로 반복하는 것을 특징으로 하는 강관의 담금질 방법.
4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   강관의 외면을 수냉함에 있어서, 강관의 외면의 온도가 Ms점보다 높은 온도 범위에서 강수냉을 행하고, 그 후 약수냉 또는 공냉으로 전환하여 외면을 강제 냉각하여, Ms점 이하로 냉각하는 것을 특징으로 하는 강관의 담금질 방법.
5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 강관이, 질량%로, 0.2~1.2%의 C를 함유하는 강관인 것을 특징으로 하는 강관의 담금질 방법.
6. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 강관이, 질량%로, 0.10~0.30%의 C 및 11~18%의 Cr을 함유하는 Cr계 스테인리스 강관인 것을 특징으로 하는 강관의 담금질 방법.
   

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