防止中、高碳低合金钢管淬火裂纹的方法（一）

新日铁住金公司研发了新的一种中、高碳钢钢管的淬火方法，能够防止中、高碳的低合金钢，中合金钢的钢管或马氏体类不锈钢管以往利用水淬火等急冷手段实施淬火处理时易产生淬火裂纹方法。

文中的“%”：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比。“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。

基于淬火、回火处理的铁钢材料的强化方法广泛应用在以机械构件、油井用钢材为住的许多领域中，作为材料强化方法而使用。对中碳钢、高碳钢制作的钢管进行淬火回火处理，可显示出优异的强度/韧性，通过淬火，能够显著提高钢的强度，该强度提高效果取决于钢中的C含量。但是，只进行淬火的马氏体组织通常较脆，因此淬火后通过以A[c1]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，会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，在铁钢材料淬火操作中，有时会出现淬火裂纹。如上述那样将钢材急速冷却时，不可能完全实现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。前述体积膨胀取决于钢中的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、棒线的情况相比，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。在不锈钢管的领域中，高强度的马氏体类不锈钢管在耐腐蚀性的环境中被广泛使用。特别是在近年，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，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APIL80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。

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。新日铁的这项技术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。

新日铁的这项技术解决了上述问题，要点如下。

（1）一种钢管的淬火方法，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）根据前述1～4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）钢管可为含有0.10～0.30%的C和11～18%的Cr的Cr系不锈钢管。

新技术的效果

根据新日铁的这项技术的钢管的淬火方法，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。

具体实施方式

为了解决上述课题，新日铁的这项技术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A[r3]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。

(来源：钢管)