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(lèi)不銹鋼管以往利用水淬火等急冷手段實(shí)施淬火處理時(shí)易產(chǎn)生淬火裂紋方法。
文中的“%”：表示中、高碳鋼、馬氏體類(lèi)不銹鋼等對(duì)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^(guò)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(duì)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(guò)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(guò)以A[c1]相變點(diǎn)以下的溫度進(jìn)行回火從而使韌性提高。
為了對(duì)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(huì)有貝氏體等比馬氏體更為軟質(zhì)的組織混入，無(wú)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(shí)會(huì)出現(xiàn)淬火裂紋。如上述那樣將鋼材急速冷卻時(shí)，不可能完全實(shí)現(xiàn)對(duì)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(xiàn)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(duì)C含量高的鋼管實(shí)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(duì)低合金鋼、中合金鋼的高碳鋼管進(jìn)行淬火處理時(shí)，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(lái)控制淬火時(shí)的冷卻速度。然而，采用這樣的淬火手段時(shí)，無(wú)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(wú)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(lèi)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(lèi)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(lái)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(rùn)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(wèn)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(lèi)不銹鋼對(duì)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(duì)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(rùn)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(guó)石油協(xié)會(huì)）規(guī)定的L80級(jí)的13Cr型（Cr含量為12～14%）的油井管。通常，馬氏體類(lèi)不銹鋼實(shí)施了淬火回火處理，上述APIL80級(jí)的13Cr鋼也不例外。但是，前述13Cr鋼的馬氏體相變開(kāi)始溫度（Ms點(diǎn)）為300℃左右，比低合金鋼低，而且硬化能大，因此對(duì)淬火裂紋的靈敏性高。
特別是對(duì)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(huì)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(jí)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(shí)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(wèn)題。
如前所述，對(duì)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(shí)，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(lèi)不銹鋼管時(shí)，雖然即使淬火時(shí)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(huì)引起淬火裂紋。新日鐵的這項(xiàng)技術(shù)是鑒于這種問(wèn)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(lèi)不銹鋼管中的淬火裂紋的鋼管的淬火方法。
新日鐵的這項(xiàng)技術(shù)解決了上述問(wèn)題，要點(diǎn)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(duì)管端部進(jìn)行水冷，而對(duì)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。
?。?）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(guò)程的至少一部分中，間歇性地反復(fù)實(shí)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(duì)鋼管的外表面進(jìn)行水冷時(shí)，在鋼管的外表面溫度比Ms點(diǎn)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(diǎn)以下。
（5）根據(jù)前述1～4中任一項(xiàng)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(xiàng)技術(shù)的鋼管的淬火方法，對(duì)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(shí)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(shí)施方式
為了解決上述課題，新日鐵的這項(xiàng)技術(shù)人等反復(fù)進(jìn)行了如下的水淬火實(shí)驗(yàn)：將含高碳的低合金鋼和Cr系不銹鋼的鋼管試驗(yàn)片加熱到A[r3]相變點(diǎn)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(jiàn)解。
?。╝）若用強(qiáng)的水淬火對(duì)鋼管全體進(jìn)行冷卻到馬氏體相變停止溫度（Mf點(diǎn)）以下，則以高概率產(chǎn)生淬火裂紋。
?。╞）由于淬火裂紋時(shí)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?yàn)樵诶鋮s過(guò)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(shí)機(jī)有偏差。
（d）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(diǎn)。
?。╡）龜裂在絕大部分情況下是以鋼管端部為起點(diǎn)而伸展的。其理由可認(rèn)為是因?yàn)榫哂凶杂杀砻娴亩瞬康膽?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(shuō)明的是，對(duì)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(diǎn)，該龜裂是作為通過(guò)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(guò)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(jiǎn)稱(chēng)為“應(yīng)力”）發(fā)生作用而在冷卻面附近產(chǎn)生的。