防止中、高碳低合金钢管淬火裂纹的方法

防止中、高碳低合金钢管淬火裂纹的方法 2017-07-11 19:14 来源： 热处理 查看历史数据资讯监督 用手机看行情 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。 新日铁的这项技术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。 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。 新日铁的这项技术人等根据上述见解和考察得到了以下（g）和（h）的启发，从而完成了新日铁的这项技术。 （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制作的钢管时，也能够不产生淬火裂纹地确保高性能。新日铁的这项技术如前所述，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。 新日铁的这项技术中，以将钢管从外表面进行水冷而淬火为前提，这是因为：与内表面冷却相比，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是说明新日铁的这项技术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，则关于所得到的金属组织，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。新日铁的这项技术中，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），以可制作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，制作贝氏体主体的组织，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。新日铁的这项技术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，但根据新日铁的这项技术的淬火方法，可确保期望的耐腐蚀性。在任一情况下，均预想在新日铁的这项技术中会得到马氏体比率至少为80%以上的钢管。 在新日铁的这项技术中，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是表示能够实施新日铁的这项技术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。新日铁的这项技术中，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A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。新日铁的这项技术中，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，在新日铁的这项技术的实施方式中，包含由如下方法制作的冷却过程：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，新日铁的这项技术中，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新日铁的这项技术（3）的范畴。以上所述的新日铁的这项技术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。 新日铁的这项技术作为处理对象的是淬火时容易产生淬火裂纹的钢管。特别是根据新日铁的这项技术的处理的对象物为（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，新日铁的这项技术的效果显著。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%从发挥新日铁的这项技术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系不锈钢制作的钢管（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%从发挥新日铁的这项技术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，作为新日铁的这项技术的处理对象是适宜的。 新日铁的这项技术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A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A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。利用新日铁的这项技术的淬火方法，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。 (来源：热处理)