JPWO2012127811A1 - 鋼管の焼入方法 - Google Patents

Abstract

鋼管（１）を外面から水冷して焼入れる焼入方法であって、管端部を水冷することなく、前記管端部以外の部分の少なくとも一部を水冷する。管端部以外の部分における軸方向の少なくとも一部において、全周にわたり直接水冷されない部分を設ける実施態様、または焼入過程の少なくとも一部において、水冷の実施と水冷の停止を間欠的に繰り返す実施態様、さらに鋼管の外面を水冷するに当たり、鋼管の外面の温度がＭｓ点より高い温度範囲において強水冷を行い、その後弱水冷または空冷に切り替えて外面を強制冷却し、Ｍs点以下に冷却する実施態様の採用が望ましい。この焼入方法により、中・高炭素含有鋼管（低合金鋼もしくは中合金鋼の鋼管）またはマルテンサイト系ステンンレス鋼管の焼入処理に好適に適用できる。

Description

本発明は、中・高炭素含有鋼等からなる鋼管の焼入方法に関し、更に詳しくは、従来、水焼入れ等の急冷手段で焼入処理を施すと焼割れを生じやすいとされている、中・高炭素の低合金鋼や中合金鋼の鋼管、またはマルテンサイト系ステンレス鋼管の焼割れを防止することができる鋼管の焼入方法に関する。

別に記載がない限り、本明細書における用語の定義は次のとおりである。
「％」：中・高炭素含有鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼等、対象物に含まれる各成分の質量百分率を表す。
「低合金鋼」：ここでは、合金成分の総量が５％以下の鋼をいう。
「中合金鋼」：ここでは、合金成分の総量が５％超１０％以下の鋼をいう。

鉄鋼材料を強化する基本的な手法の一つとして、熱処理による相変態、特にマルテンサイト変態を利用する方法が広く行われている。中炭素含有鋼や高炭素含有鋼からなる鋼管（一般的には、低合金鋼もしくは中合金鋼の鋼管）を焼入れ焼戻し処理すると優れた強度・靭性を示すので、焼入れ焼戻し処理による鉄鋼材料の強化方法は、機械構造用部材、油井用鋼材を始めとして多くの用途での材料強化方法として使用されてきた。焼入れによって鋼の強度を著しく高めることができ、この強度向上効果は、鋼中のＣ含有量に依存する。但し、焼入れたままのマルテンサイト組織は一般に脆いので、焼入れ後、Ａ_ｃ１変態点以下の温度で焼戻すことにより靭性を向上させる。

低合金鋼や中合金鋼を焼入れしてマルテンサイト組織を得るためには、水焼入れ等の急速冷却が必要になる。冷却速度が不十分な場合は、ベイナイト等、マルテンサイトよりは軟質な組織が混在するようになり、十分な焼入効果を達成することができない。

ところで、鉄鋼材料の焼入操作においては焼割れが問題になることがある。上述のように鋼材を急速冷却する場合、鋼材全体を均一に急冷することは不可能であり、冷却が先行した部分と、冷却の遅れた部分での収縮率の差異に起因して、鋼材に熱応力が発生する。さらに、焼入操作でマルテンサイト変態が生じる場合においては、オーステナイトからマルテンサイトへの変態により体積膨張が生じる結果、変態応力が発生する。前記体積膨張は鋼中のＣ含有量に依存し、Ｃ含有量が高いほど体積膨張が大きくなる。したがって、Ｃ含有量が高い鋼は焼入段階で大きな変態応力を生じやすく、焼割れが発生しやすい。

特に、焼入れされる鋼材が鋼管形状の場合には、鋼板形状品や棒・線状品の場合に比べて極めて複雑な応力状態を呈する。このため、Ｃ含有量の高い鋼管形状品に例えば水焼入れのような急冷処理を施すと、焼割れ感受性が著しく高くなって焼割れが多発し、製品歩留まりが極めて低くなってしまう。

したがって、低合金鋼や中合金鋼の高炭素含有鋼管を焼入れ処理する場合には、焼割れを防止して製品歩留まりを高くするために、水焼入れに比べて冷却能の小さい油焼入れを行ったり、ミスト冷却による緩冷却を行ったりして、焼入れ時の冷却速度をコントロールしている。

しかしながら、このような焼入手段を採用した場合には、充分な量のマルテンサイト組織が得られず、高温で生じるベイナイトなどがかなり混在した組織になってしまう。そのため焼入れ焼戻ししても、焼戻しマルテンサイト組織の優れた強靭性を充分には活用できず、製品である鋼管の強度・靭性レベルが低下するという問題があった。

上記のように低合金鋼、中合金鋼の鋼管においてマルテンサイト組織が利用されているが、ステンレス鋼管の分野においても、容易に高強度が得られるマルテンサイト系ステンレス鋼管が強度と耐食性が要求される種々の用途に広く使用されている。特に近年においては、エネルギー事情からマルテンサイト系ステンレス鋼管が石油や天然ガス採取用の油井管として大いに使用されている。

すなわち、石油や天然ガスを採取するための井戸（油井）の環境は近年ますます過酷なものとなっており、採掘深さの増大にともなう高圧化に加えて、湿潤な炭酸ガスや硫化水素、塩素イオンなどの腐食性成分をかなりの量で含む井戸も多くなっている。それに伴い、材料の強度アップが要求される一方、上述のような腐食性成分による腐食、そしてそれによる材料の脆化が問題となり、より耐食性の優れた油井管の必要性が高まってきた。

こうした状況の下、マルテンサイト系ステンレス鋼は、硫化水素による硫化物応力腐食割れに対しては、場合によっては充分な抵抗性を有さないものの、炭酸ガス腐食に対しては優れた抵抗性を有するため、比較的低温の湿潤な炭酸ガスを含む環境下で広く用いられている。その代表的なものとしては、ＡＰＩ（米国石油協会）が定めるＬ８０グレードの１３Ｃｒタイプ（Ｃｒ含有量が１２〜１４％）の油井管が挙げられる。

一般にマルテンサイト系ステンレス鋼は焼入れ焼戻し処理を施されており、上記のＡＰＩＬ８０グレードの１３Ｃｒ鋼も例外ではない。しかし、前記１３Ｃｒ鋼のマルテンサイト変態開始温度（Ｍｓ点）は３００℃程度と低合金鋼に比べて低く、加えて硬化能が大きいために焼割れに対する感受性が高い。

特に、鋼管形状品を焼入れした場合には、板材や棒材の場合に比べて極めて複雑な応力状態を呈し、水焼入れすると焼割れを起こすため、放冷（自然空冷）、強制空冷や緩やかなミスト冷却などの冷却速度の小さいプロセスを採る必要がある。そのため上記のＬ８０グレードの１３Ｃｒタイプ油井管の製造においては、焼割れを防止するために空気焼入れが行われている。この種の合金鋼は硬化能が大きいので、焼入れ時の冷却速度が小さい場合においてもマルテンサイト化は可能である。

しかしながら、この方法では、焼き割れは防止できても冷却速度が小さいため生産性が悪いことに加えて、耐硫化物応力腐食割れ性をはじめとして種々の特性が劣化してしまうという問題がある。

このように、低合金鋼、中合金鋼の鋼管においても、さらにはマルテンサイト系ステンレス鋼管においても、焼入れ操作における焼割れの問題があり、板材や棒材に比べて特に鋼管においてはこの問題を解決する必要性が高いと言える。

従来、このような焼割れの問題を解決するためにいくつかの手法が提案されている。例えば、特許文献１には、０．２〜１．２％のＣを含有する鋼管の焼割れを防止する焼入れ方法として、焼入れにおける冷却を鋼管の内面だけから行うこと、さらに必要により、冷却時にその鋼管を回転させること等を特徴とする中・高炭素含有鋼管の焼入れ方法が開示されている。

鋼管の外面を急冷した場合、外面のマルテンサイト変態が先行し、遅れて生じる内面側のマルテンサイト変態による変態応力に外面の脆いマルテンサイト組織が耐えられず、焼割れに至ると考え、内面から冷却することにより変態応力と熱応力を適度に相殺できるとしている。しかしながら、鋼管の内面冷却の実施には、外面冷却に比べて技術的な困難さを伴うという問題がある。

特許文献２には、０．１〜０．３％のＣおよび１１．０〜１５．０％のＣｒを含有するＣｒ系ステンレス鋼管を焼入れ焼戻ししてマルテンサイト主体の組織を有する鋼管の製造方法として、焼入れの際に、Ｍｓ点からＭｆ点（マルテンサイト変態完了温度）までの温度域での平均冷却速度を８℃／秒以上として焼入れし、その後に焼戻しするマルテンサイト系ステンレス鋼管の製造方法が開示されている。前記冷却速度を確保することにより残留オーステナイトの形成を防止し、マルテンサイト主体の組織が得られる。

しかし、特許文献２の製造方法は、水焼入れのような急冷処理でも焼割れを防止するためには、冷却を鋼管の内面だけから行うこと、さらに必要により、その鋼管を回転させることが要求されるので、工業化に当たっては、特許文献１に記載される焼入れ方法におけると同様の問題がある。

特許文献３には、Ｃ：０．１〜０．３％、Ｃｒ：１１〜１５％を含有するステンレス鋼管の焼入れにおいて、焼入れ開始温度から、外面温度が〔Ｍｓ点−３０℃〕より低く〔Ｍｓ点とＭｆ点の中間温度〕より高い任意の温度になるまで空冷する第１冷却と、そののち引き続いて外面温度がＭｆ点以下になるまでの温度域を管内面の平均冷却速度が８℃／秒以上となるように管外面を強冷却する第２冷却とからなる２段階の冷却を行い、組織の８０％以上をマルテンサイトとし、そののち焼戻しを行うマルテンサイト系ステンレス鋼管の製造方法が開示されている。

特許文献３に記載される方法は、第１冷却では相対的に冷却速度を小さくすることにより焼割れの防止を図り、第２冷却で管外面を強冷却することにより残留オーステナイトの形成を抑制する方法である。しかしながら、肉厚が大きい場合、外面冷却で管内面の冷却速度を制御することは困難である。

また、特許文献４には、Ｃ：０．３０〜０．６０％の中・高炭素低合金鋼の継目無鋼管の製造方法として、圧延終了後、直ちに４００〜６００℃の温度域まで水冷し、水冷停止後に４００〜６００℃に加熱した炉で等温変態熱処理（オーステンパー処理）を行なう方法が開示されている。しかしながら、特許文献４に記載された等温変態熱処理により製造される鋼管の組織は、一般にマルテンサイトに比べて強度が低いベイナイトであり、高強度が要求される場合には対応が難しい場合もある。

特開平９−１０４９２５号広報 特開平８−１８８８２７号広報 特開平１０−１７９３４号広報 特開２００６−２６５６５７号広報

前述のとおり、中・高炭素含有鋼管（低合金鋼や中合金鋼の鋼管）を焼入れして高強度のマルテンサイト組織とする場合、水焼入れ等の急速冷却を行なうと焼割れが発生しやすい。焼割れを避けるために油焼入れ等の緩冷却を行なうと十分な量のマルテンサイト組織が得られず、鋼管の強度・靭性レベルが低下する。

また、マルテンサイト系ステンレス鋼管を製造する場合、焼入れ時の冷却速度が小さくてもマルテンサイト化は可能であるが、冷却速度が遅いために生産性が悪く、耐硫化物応力腐食割れ性をはじめ種々の特性が劣化する。生産性を高めるために水焼入れを行なうと焼割れが起こる。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、中・高炭素含有鋼管（主として低合金鋼もしくは中合金鋼の鋼管）、またはマルテンサイト系ステンンレス鋼管における焼割れを防止することができる鋼管の焼入方法を提供することを目的としている。

本発明の要旨は、次のとおりである。
（１）鋼管を外面から水冷して焼入れる焼入方法であって、管端部を水冷することなく、前記管端部以外の部分の少なくとも一部を水冷することを特徴とする鋼管の焼入方法。

（２）前記管端部以外の部分における軸方向の少なくとも一部において、全周にわたり直接水冷されない部分を設けることを特徴とする前記（１）に記載の鋼管の焼入方法。

（３）焼入過程の少なくとも一部において、水冷の実施と水冷の停止を間欠的に繰り返すことを特徴とする前記（１）または前記（２）に記載の鋼管の焼入方法。

（４）鋼管の外面を水冷するに当たり、鋼管の外面の温度がＭｓ点より高い温度範囲において強水冷を行い、その後弱水冷または空冷に切り替えて外面を強制冷却し、Ｍｓ点以下に冷却することを特徴とする前記（１）または前記（２）に記載の鋼管の焼入方法。

（５）前記鋼管が、０．２〜１．２％のＣを含有する鋼管であることを特徴とする請求項１〜請求項４の何れかに記載の鋼管の焼入方法。

（６）前記鋼管が、０．１０〜０．３０％のＣおよび１１〜１８％のＣｒを含有するＣｒ系ステンレス鋼管であることを特徴とする請求項１〜請求項４の何れかに記載の鋼管の焼入方法。

本発明の鋼管の焼入方法によれば、中・高炭素含有鋼管（主として低合金鋼もしくは中合金鋼の鋼管）またはＣｒ系ステンンレス鋼管に対して、焼割れを生じさせることなく急冷手段（水焼入れ）で焼入処理を施すことができる。これにより、マルテンサイト比率の高い組織（具体的にはマルテンサイト比率が８０％以上）を有する高強度の鋼管を安定して製造することができる。

図１は、本発明の鋼管の焼入方法を説明する図で、（ａ）は焼入処理時の冷却方法を示す図であり、（ｂ）は焼入処理後の組織（但し、低合金鋼の場合を例示）の説明図である。 図２は、本発明の鋼管の焼入方法の他の形態を説明する図で、（ａ）は焼入処理時の冷却方法を示す図であり、（ｂ）は焼入処理後の組織（但し、低合金鋼の場合を例示）の説明図である。 図３は、本発明の鋼管の焼入方法を実施することができる装置の要部の概略構成例を示す図である。 図４は、実施例で用いた冷却装置の概略構成を示す図である。 図５は、表２の試験Ｎｏ．１の水冷条件で低合金鋼の鋼管の全長を冷却した場合の鋼管中央部の内面温度の計測結果を示す図である。 図６は、表２の試験Ｎｏ．２の水冷条件で低合金鋼の鋼管の全長を冷却した場合の鋼管中央部の外面温度の計測結果を示す図である。 図７は、表２の試験Ｎｏ．３の水冷条件で低合金鋼の鋼管の中央部のみを冷却した場合の鋼管中央部ならびに鋼管の左右両端部の外面温度の計測結果を示す図である。 図８は、表２の試験Ｎｏ．５の水冷条件で低合金鋼の鋼管の中央部のみを冷却した場合の鋼管中央部ならびに鋼管の左右両端部の外面温度の計測結果を示す図である。 図９は、鋼管２次元横断面を解析対象としたＦＥＭ解析モデルを示す図である。 図１０は、鋼管２次元横断面を解析対象としたＦＥＭ解析モデルによる解析結果で、鋼管の周方向最大応力と肉厚の関係を示す図である。 図１１は、鋼管２次元縦断面を解析対象としたＦＥＭ解析モデルによる解析結果を示す図であり、（ａ）は鋼管の外周全面を水冷した場合、（ｂ）は鋼管の中央部のみを水冷した場合である。

上記の課題を解決するために、本発明者らは、高炭素含有低合金鋼およびＣｒ系ステンレス鋼の鋼管試験片をＡ_ｒ３変態点温度以上に加熱して、鋼管の外面から水冷する水焼入れの実験を繰り返した。その結果、以下の（ａ）〜（ｆ）の知見を得ることができた。
（ａ）鋼管全体を強い水焼入れでマルテンサイト変態停止温度（Ｍｆ点）以下まで冷却すると、高い確率で焼割れが発生する。
（ｂ）焼割れ時の亀裂は、おおよそ鋼管の軸方向に伸展することから、割れを拡大する主な力は周方向の引張応力であると考えられる。
（ｃ）前記の周方向の引張応力の発生源は、冷却過程で生じる肉厚方向における温度差（温度ムラ）により鋼管の外面側と内面側とでマルテンサイト変態のタイミングがずれるためであると考えられる。

（ｄ）特に温度ムラの大きい（つまり、内面側との温度差の大きい）冷却面付近では、脆性破壊によるミクロクラックが発生しやすく、これが亀裂伸展の起点となり易い。
（ｅ）亀裂は、ほとんどの場合、鋼管端部を起点として伸展する。その理由は、自由表面を持つ端部の応力拡大係数が端部以外のそれに比べて大きいためと考えられる。
（ｆ）水冷を行わず、冷却速度を抑制した場合は、高炭素含有低合金鋼およびＣｒ系ステンレス鋼のいずれの場合においても焼割れは生じない。なお、高炭素含有低合金鋼においては、マルテンサイト化を抑制し、ベイナイト主体の組織とした場合は焼割れは生じない。

要するに、焼割れは、ほとんどの場合、自由表面を持つ鋼管端部に生じる亀裂を起点とし、この亀裂が、冷却過程で生じる肉厚方向の温度ムラに起因する熱応力、さらには変態応力により周方向に引張応力（以下、「引張応力」を単に「応力」とも記す）が作用して冷却面近傍で発生したミクロクラックを介し進展する結果として発生するものと考えられる。

本発明者らは、さらに、熱応力と変態応力を考慮したＦＥＭ（有限要素法）解析により、鋼管の周方向に発生する最大応力を計算した。このＦＥＭ解析では、鋼管軸方向は均一に冷却されるものと仮定し、鋼管２次元断面を解析対象とした一般化平面ひずみモデルを適用した。

図９は、鋼管２次元横断面を解析対象としたＦＥＭ解析モデルを示す図である。このモデルでの計算においては、同図に示すように、９２０℃で炉外に取り出され、５０秒経過（冷却準備時間等を考慮）後、鋼管１（Ｃ：０．６％）の外面が、気水ノズル９により３方向から水冷され、内面はエアブローにより空冷されることを前提とした。鋼管１の外面の熱伝達係数は温度により変動するが、最大で１２７００Ｗ／（ｍ^２・Ｋ）とした。

図１０は、上記モデルによる解析結果で、鋼管の周方向最大応力と肉厚の関係を示す図である。同図において、●印（水冷のみ）は、上記の図９に示した条件で水冷した場合、○印（制御焼入）は、水冷の際に空冷部を適宜設けたときの冷却状態（後述する図２参照）をシミュレートしたもので、鋼管の上部に配置された気水ノズルからのみ低水圧で噴霧し、噴霧された水が鋼管には直接噴射されず、微細な水滴が空気中に浮遊する状態とした場合である。また、同図中の横軸に平行な破線は焼割れが発生しない限界の応力で、この場合は２００ＭＰａである。

図１０に示した解析結果から、鋼管の外面を３方向から水冷した場合（同図中の●印）、肉厚の如何によらず鋼管の周方向最大応力は割れ限界応力（２００ＭＰａ）を上回り、焼割れが発生するが、水冷の際に空冷部を適宜設ける制御焼入を行えば（同図中の○印）、当該空冷部の周方向最大応力を格段に小さくできることがわかる。

図１１は、鋼管２次元縦断面を解析対象としたＦＥＭ解析モデルによる解析結果を示す図であり、（ａ）は鋼管の外周全面を水冷した場合、（ｂ）は鋼管の中央部（後述する図１参照）のみを水冷し、鋼管端部は水冷しなかった場合である。なお、図１１は軸心を含む面で縦断した鋼管１の片側断面を表しており、符号１０ａを付した面が外面、符号１０ｂを付した面が内面である。鋼管の外面の熱伝達係数は最大で１２７００Ｗ／（ｍ^２・Ｋ）とした。

この図１１から明らかなように、鋼管の外周全面を水冷した場合は、管端に割れ限界応力（２００ＭＰａ）を上回る大きな周方向応力（σ_θ＝２３６ＭＰａ）が発生するが、管端部を水冷しなかった場合はこのような大きな周方向応力は発生しないことがわかる。

以上説明したように、ＦＥＭ解析の結果からも、管端部を空冷する、即ち水冷しないことで、管端部の周方向応力を大きく低減できることが判明した。

本発明者等は、上記の知見および考察から、以下の（ｇ）および（ｈ）の着想を得て、本発明をなすに至った。
（ｇ）水焼入れにおいて焼割れを生じやすい低合金鋼もしくは中合金鋼からなる鋼管であっても、鋼管の端部を水冷することなく、端部を除く部分で十分なマルテンサイト比率を確保できる冷却速度で水冷することとすれば、焼割れを生じさせずに安定的に水焼入できる。
（ｈ）上記の水焼入れ方法を、マルテンサイト系ステンレス鋼からなる鋼管に適用した場合も、焼割れを生じることなく、高性能を確保できる。

本発明は、前記のとおり、鋼管を外面から水冷して焼入れる焼入方法であって、管端部を水冷することなく、前記管端部以外の部分の少なくとも一部を水冷することを特徴とする鋼管の焼入方法である。なお、前記の「管端部」とは、鋼管の両端部を指す。

本発明において、鋼管を外面から水冷して焼入れることを前提とするのは、前掲の特許文献１または２に記載されるような内面冷却に比べて、外面冷却の方が技術的困難性を伴わず、また、Ｃｒ系ステンレス鋼管を処理の対象とした場合、外面から水冷して焼割れを生じさせずに焼入処理することができれば、生産性を著しく向上させ得るからである。

図１は、本発明の鋼管の焼入方法を説明する図で、（ａ）は焼入処理時の冷却方法を示す図であり、（ｂ）は焼入処理後の組織（但し、低合金鋼の場合を例示）の説明図である。なお、図１（ａ）の水冷した部分は図１（ｂ）の符号（１）を付した部分に対応し、図１（ａ）の空冷部は図１（ｂ）の符号（２）および（３）を付した部分に対応する。

以下の説明では、特段の断りがない限り、形成される金属組織に関しては、マルテンサイト化のために一定以上の冷却速度が必要な低合金鋼、中合金鋼の場合を示す。

本発明においては、図１（ａ）に示すように、鋼管１を外面から水冷して焼入れるに際し、管端部は水冷せず、この管端部を除く部分（以下、「中央部」ともいう）の少なくとも一部を水冷する。図１（ａ）に示した例では、中央部全面を水冷しているが、図２（ａ）に示したように中央部に水冷しない部位が存在してもよい。この中央部に存在する水冷しない部位は水冷する部位に隣接しているので、伝導伝熱により冷却されてマルテンサイト変態するからである。水冷しない管端部は、例えば図１（ａ）に示したように、空冷する。なお、「空冷」には、自然空冷、強制空冷のいずれの場合も含まれる。

このような冷却方法を採ることにより、焼入処理後に、図１（ｂ）に示すような鋼組織が得られる。すなわち、鋼管１の中央部（１）は、要求される機械的特性や耐食性を得るために必要なマルテンサイトが形成される冷却速度で水冷されるので、鋼組織はマルテンサイト主体の組織である。鋼管１の管端部（２）および（３）のうちの管端側の（３）は水冷されず、かつ冷却速度が小さいためベイナイト主体の組織が形成され、管端部における亀裂発生および亀裂伸展が抑制される。

これに対し、管端部のうちの中央部側の（２）は、水冷される中央部（１）に隣接しているため伝導伝熱により冷却され、マルテンサイト変態する。しかし、熱の移動方向は周方向よりも軸方向が主体であるため、中央部（１）に比べて肉厚方向の温度分布が小さく、周方向応力が弱い。そのため、管端部のうちの（２）はマルテンサイト変態しても亀裂の発生、伸展が起こりにくい。なお、圧延ままの管端部形状は厳密な円筒形をしていないため、通常は後処理で１５０〜４００ｍｍ程度切断除去することが望ましい。このようにベイナイト主体で、マルテンサイト比率の低い管端部は、焼入工程より後の工程で切断して取り除くことが可能である。

本発明の鋼管の焼入方法は、焼入れによって鋼の組織をマルテンサイトとする方法であって、マルテンサイトの生成比率は特に限定しない。しかし、低合金鋼や中合金鋼においては、一般に組織の８０％以上がマルテンサイトであれば、所望の強度が得られる。焼入処理の対象がＣｒ系ステンレス鋼管の場合、冷却速度の小さい場合もマルテンサイト化するが、本発明の焼入方法により、所望の耐食性が確保される。いずれの場合も、本発明においては、少なくともマルテンサイト比率が８０％以上である鋼管を得ることを想定している。

本発明においては、管端部以外の部分（管の中央部）における軸方向の少なくとも一部において、全周にわたり直接水冷されない部分を設けることとする実施形態を採ってもよい。

図２は、この実施の形態を説明する図で、（ａ）は焼入処理時の冷却方法を示す図であり、（ｂ）は焼入処理後の組織（但し、低合金鋼の場合を例示）の説明図である。図２（ａ）に示すように、鋼管１の中央部（１）全面を一様に水冷するのでなく、鋼管１の長手方向に、水冷部と水冷しない部位（空冷部）を適宜設ける。この空冷部では、全周にわたって直接水冷されることはない。なお、図２（ａ）の空冷した部分は図２（ｂ）の符号（４）を付した部分に対応する。

この実施の形態は、例えば、鋼管の肉厚が薄い場合、特に有効である。鋼管の肉厚が薄い場合は、図１に示したように、中央部（１）全面を一様に水冷すると、中央部（１）に発生する周方向応力に対し管端部（２）、（３）の強度が抗しきれず、焼割れが発生する可能性がある。

このような場合、図２（ａ）に示した冷却方法を採用すれば、中央部のマルテンサイト比率を確保しつつ焼割れしない焼入処理を実現できる。図２（ｂ）に示すように、中央部に設けた空冷部（４）においては残留応力が格段に小さくなるので、亀裂の伸展を抑制することができ、また、当該空冷部（４）に隣接する両側は水冷されているので、十分な速度で水冷部（１）への熱伝導が生じ、空冷部（４）においても必要なマルテンサイト率を達成することができるからである。

図３は、本発明の鋼管の焼入方法を実施することができる装置の要部の概略構成例を示す図である。図３において、加熱炉２から搬出された鋼管１は冷却装置３内に搬入され、ロール４により保持されるとともに回転を加えられた状態で、同装置３内に取り付けられノズル５から噴射される水スプレーにより外面が冷却される。なお、冷却装置３の片側には、必要に応じて鋼管１の内面を強制空冷するためのエアジェットノズル６が配設されている。

本発明においては、鋼管の外面を水冷するに当たり、焼入過程の少なくとも一部において、水冷の実施と水冷の停止を間欠的に繰り返すこととする実施形態を採ることもできる。間欠水冷形式を採用することにより、連続水冷冷却に比べて全体の水冷時間が長くなり、これにより、内部温度と表面温度の差が小さくなり、残留応力が低減する。

この実施の形態においては、鋼管の温度がＡ_ｒ３点以上である焼入れ当初の段階から鋼管の内外面がＭｓ点以下、好ましくはＭｆ点以下になるまで、一貫して前記間欠水冷を行うことも可能であり、焼入過程の一部分に用いることもできる。

本発明においては、鋼管の外面を水冷するに当たり、鋼管の外面の温度がＭｓ点より高い温度範囲において強水冷を行い、その後弱水冷または空冷（強制空冷を含む）に切り替えて、鋼管外面と鋼管内面の温度差を小さくした後、外面を強制冷却してＭｓ点以下に冷却することとする実施形態を採ってもよい。

上記の強水冷から弱水冷または空冷に切り替える冷却方法では、強水冷によりＭｓ点近傍のＭｓ点より高い温度まで冷却し、その後弱水冷または空冷に切り替えることにより鋼管の外面側を内面側からの熱伝導により復熱させて、鋼管内面と外面の温度差をできるだけ小さくし、その後、強制空冷等によりＭｓ点、望ましくはＭｆ点以下の温度に冷却することが望ましい。

この実施の形態によれば、例えば、鋼管の肉厚が厚い場合に特に有効である。鋼管の肉厚が厚い場合は、外面からの水冷中に肉厚方向の温度ムラが大きくなり、外面のマルテンサイト変態に伴う膨張による大きな引張応力により、外面が亀裂の起点となる脆性破壊が発生する場合がある。これを抑制するためには外面のマルテンサイト変態の開始を遅らせ、内外面のマルテンサイト変態の開始時間の差を縮める上記の実施の形態が有効である。

上述の実施の形態により、肉厚方向の温度勾配を緩和し、周方向に生じる引張応力を低減させることができる。特に冷却面である外面がＭｓ点を通過する前に、内外面の温度差を緩和することが望ましい。実際には、鋼管の外面水冷部の温度をモニタリングし、Ｍｓ点通過前に水冷を停止することが望ましい。

強水冷の冷却速度については、鋼種により相違するが、低合金鋼の場合、最初の冷却段階の冷却速度が小さすぎるとベイナイト変態が生じて十分なマルイテンサイト比率を確保することが不可能になるので、対象鋼のＣＣＴ図を基に適正な冷却速度を決定することが望ましい。

なお、本発明の実施態様において、強水冷によりＭｓ点近傍のＭｓ点より高い温度まで冷却し、その後弱水冷または空冷に切り替えることにより鋼管の外面側を内面側からの熱伝導により復熱させて、鋼管内面と外面の温度差をできるだけ小さくすることからなる冷却過程を含むものであるが、この冷却過程に替えて、前述の間欠水冷を用いることによっても同様の効果を得ることができる。

すなわち、本発明では、前記本発明（３）に記載の間欠水冷（水冷の実施と停止を間欠的に繰り返す操作）を、Ｍｓ点近傍のＭｓ点よりも高い温度で停止し、その後強制空冷等の強冷却を行うこともできる。ただし、この実施態様は前記本発明（３）の範疇に属する。

以上述べた本発明の鋼管の焼入方法において、水冷の方式としては、ラミナ冷却、ジェット冷却、ミスト冷却など、従来使用されている方式を適宜選択して採用すればよい。その上で、水冷中に水量を増減させたり、間欠的に水冷の実施と水冷の停止を繰り返すことによって肉厚方向温度ムラを均一化し、鋼管の周方向応力を低減させることが望ましい。鋼管内部は水冷せずに放冷または強制空冷とすることが望ましい。また、水冷中は鋼管を回転させておくことが、周方向の温度分布を均一化できるので望ましい。

本発明が処理の対象とするのは、焼入れの際に焼割れを発生しやすい鋼管である。特に、本発明による処理の対象物が、（Ａ）０．２０〜１．２０％のＣを含有する鋼管、なかでも低合金鋼または中合金鋼の鋼管である場合、または（Ｂ）０．１０〜０．３０％のＣおよび１１〜１８％のＣｒを含有するＣｒ系ステンレス鋼管、なかでも１３Ｃｒステンレス鋼管である場合、本発明の効果が顕著である。

前記（Ａ）の０．２０〜１．２０％のＣを含有する鋼管とは、Ｃがこの範囲で含まれる材質からなる鋼管であって、一般的には低合金鋼または中合金鋼の鋼管である。Ｃの含有量が０．２０％未満の場合は、マルテンサイト化による体積膨張が比較的小さいので焼割れはほとんど問題にならない。

一方、Ｃが１．２０％を超えると、Ｍｓ点が低下し、オーステナイトが残留しやすく、マルテンサイト率が８０％以上の組織を得ることが困難になる。したがって、Ｃ含有量が０．２０〜１．２０％であることが、本発明の効果を発揮させる上から望ましい。より望ましいＣ含有量は、０．２５〜１．００％、さらに望ましくは０．３０〜０．６５％である。

０．２０〜１．２０％のＣを含有する低合金鋼、中合金鋼の鋼管では、前記図１に示したように、鋼管の中央部全体を水冷し、管端部を水冷しないことにより、管端の近傍を焼割れが生じないベイナイト主体の組織とすることができる。

低合金鋼、または中合金鋼としては、例えば、Ｃ：０．２０〜１．２０、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：０．０１〜２．０％で、かつ、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％以下のうちの１種以上を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなり、不純物としてのＰ：０．０４％以下、Ｓ：０．０２％以下の鋼が挙げられる。なお、Ｃｒ含有量が７．０％を超えると、水冷をしない管端部にもマルテンサイトが生じやすいので、７．０％以下であることが望ましい。

次に、前記（Ｂ）の０．１０〜０．３０％のＣおよび１１〜１８％のＣｒを含有するＣｒ系ステンレス鋼管とは、ＣおよびＣｒがこの範囲で含まれるＣｒ系ステンレス鋼からなる鋼管（マルテンサイト系ステンレス鋼管）である。Ｃの含有量が０．１０％未満では、焼入を行っても十分な強度を得ることができず、一方、Ｃが０．３０％を超えるとオーステナイトの残留が避け難く、マルテンサイト比率８０％以上を確保することが困難になる。したがって、Ｃ含有量が０．１０〜０．３０％であることが、本発明の効果を発揮させる上から望ましい。

Ｃｒの含有量が１１〜１８％であることとするのは、耐食性を高めるためにＣｒが１１％以上であることが望ましく、一方、Ｃｒが１８％を超えるとδフェライトが生じやすく、熱間加工性が低下するからである。より望ましくは、Ｃｒ：１０．５〜１６．５％である。

０．１０〜０．３０％のＣおよび１１〜１８％のＣｒを含有するＣｒ系ステンレス鋼としては、例えば、Ｃ：０．１０〜０．３０、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：０．０１〜１．０％、Ｃｒ：１１〜１８％（より望ましくは、１０．５〜１６．５％）で、かつ、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％以下のうちの１種以上を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなり、不純物としてのＰ：０．０４％以下、Ｓ：０．０２％以下の鋼が挙げられる。なかでも１３Ｃｒステンレス鋼管は多くの産業分野で汎用されており、本発明の処理の対象として好適である。

本発明の焼入方法は、鋼管を常温から再加熱して行う、所謂再加熱焼入に適用できることは勿論であるが、継目無鋼管の製造時において、熱間圧延直後の、鋼管がＡ_ｒ３以上の温度にある状態から焼入れする所謂直接焼入、さらには、熱間圧延後、鋼管の保有熱量が大きく低下しない段階で、Ａ_３点以上の温度で均熱（補熱）した後、焼入れを行う、所謂インライン熱処理（インライン焼入れ）の焼入方法としても適用できる。本発明の焼入方法によれば、焼割れを効果的に防止できるので、マルテンサイト比率の高い組織を有する高強度の鋼管を安定して製造することができる。

表１に示す材質の継目無鋼管からで管状の試験材を切り出し、種々の冷却条件で焼入処理し、焼割れの発生の有無と鋼組織の観察を行った。表１において、鋼種Ａは低合金鋼であり、鋼種Ｂは高Ｃｒ鋼（マルテンサイト系ステンレス鋼）である。

試験材の形状は、外径１１４ｍｍ、肉厚１５ｍｍ、長さ３００ｍｍの直管である。この試験材を電気加熱炉でＡ_ｃ３点より５０℃程度高い温度まで加熱し、１５分程度保持した後、炉から搬出し、３０秒以内に冷却装置まで搬送して水冷を開始した。

図４は、試験に用いた冷却装置の概略構成を示す図である。この冷却装置は、図中に矢印で示すように、鋼管１をノズル５から噴出させた水スプレーにより焼入れる方法と、水７を入れた水槽８内に浸漬して焼入れる方法（同図中に破線で表示）のいずれかを選択できるように構成されている。水スプレーによる焼入れでは、噴出するスプレーの水量を流量調整弁（図示せず）により変化させることが可能である。鋼管１は下ロール４ｂおよび上ロール４ａにより保持した。鋼管１の両端には浸水防止用の蓋を取り付け、外面のみを冷却した。冷却中は、鋼管１を下ロール４ｂにより６０ｒｐｍで回転させた。

表２に水冷条件を示す。表２において、水冷条件Ａでは、鋼管の内壁に溶接接着した熱電対により鋼管中央部の内面温度を計測した。また、水冷条件Ｂ〜Ｅでは、サーモトレーサにより鋼管中央部、または鋼管中央部および鋼管の左右両端部の外面温度を計測した。

表３に焼割れの発生の有無と鋼組織の観察結果を示す。

図５は、表２の試験Ｎｏ．１の水冷条件Ａ（浸漬水冷）で鋼種Ａ（低合金鋼）の鋼管全体を冷却した場合の鋼管中央部の内面温度の計測結果を示す図である。この水冷条件では、鋼管の内面温度は急激に低下した。この場合、表３に示したように、体積率で９０％以上がマルテンサイト組織であったが、焼割れが発生した。

図６は、表２の試験Ｎｏ．２および４の水冷条件Ｃ（間欠スプレー水冷）で鋼種Ａの鋼管の全長または一部を冷却した場合の鋼管中央部の外面温度の計測結果を示す図である。この水冷条件では、水冷を停止するたびに内面からの熱伝導による復熱で外面温度が上昇していることがわかる。この場合も、体積率で９０％以上がマルテンサイト組織であった。鋼管の全長を冷却したＮｏ．２では焼割れが発生したが、管端を水冷しなかったＮｏ．４では焼割れが発生しなかった（表３参照）。

図７は、表２の試験Ｎｏ．３の水冷条件Ｂ（スプレー水冷）で鋼種Ａの鋼管の中央部のみを冷却した場合の鋼管中央部ならびに鋼管の左右両端部の外面温度の計測結果を示す図である。この水冷条件では、外面温度は中央部、両端部ともに概ね単調に低下した。この場合、表３に示したように、体積率で９０％以上がマルテンサイト組織であり、焼割れは認められなかった。管端部は、水冷していないので中央部に比べて肉厚方向の温度分布が小さく、周方向応力が弱いため、マルテンサイト変態しても焼割れの起点となる亀裂が発生しなかったことによるものと考えられる。

図８は、表２の試験Ｎｏ．５の水冷条件Ｅ（スプレー水冷時に強水冷から弱水冷に切替え、その後強制空冷）で鋼種Ａの鋼管の中央部のみを冷却した場合の鋼管中央部ならびに鋼管の左右両端部の外面温度の計測結果を示す図である。この水冷条件では、表３に示したように、体積率で８０％以上がマルテンサイト組織であり、しかも、焼割れは認められなかった。

これは、鋼管の中央部では、Ｍｓ点より高い温度範囲において、強水冷しその後弱水冷することにより、内外面の温度差が緩和された状態でマルテンサイト化が進行するとともに、管端部では、水冷していないためにベイナイトが生成し、焼割れの起点となる亀裂の発生が抑えられたことによるものと考えられる。管端部でのベイナイトの生成は、図８に示される４００℃付近でのベイナイト変態に起因すると考えられる温度の一時的な上昇により認められるが、冷却後のロックウェル硬さ試験（ＨＲＣ硬さ測定）および顕微鏡観察からも管端部がベイナイト主体の組織であることを確認した。

なお、同図８から、鋼管中央部の冷却パターンでは、管端で認められた空冷の過程でのベイナイト変態に起因すると考えられる発熱は観測されていないことが分かる。

以上、鋼種Ａの鋼管を冷却した場合について説明したが、鋼種Ｂ（高クロム鋼）の鋼管を冷却した場合は、表３に示したように、試験Ｎｏ．１〜５のいずれの水冷条件においても鋼組織は体積率で９０％以上がマルテンサイト組織であった。しかしながら、鋼管全体を水冷した試験Ｎｏ．１および２では、管端部においても急激なマルテンサイト化が起こるため、焼割れが発生した。

なお、鋼種Ｂは緩冷却でもマルテンサイト化する材質であるため、前記試験Ｎｏ．５の冷却方法を適用した場合であっても、管端部における４００℃付近での発熱（図８参照）は認められなかった。焼割れに関しては、鋼種Ｂの場合も、Ｎｏ．1〜２の焼入方法では焼割れが発生したが、Ｎｏ．３〜５の本発明法によるものは、焼割れの発生が認められなかった。

以上の試験の結果、本発明の鋼管の焼入方法を適用することにより、焼割れを生じることなくマルテンサイト主体の組織が得られることを確認できた。

本発明の鋼管の焼入方法は、焼割れが生じやすい中・高炭素含有鋼管（低合金鋼もしくは中合金鋼の鋼管）またはＣｒ系ステンレス鋼管に適用しても焼割れを生じさせることがないので、これら鋼管の焼入処理に好適に利用することができる。

１：鋼管、 ２：加熱炉、 ３：冷却装置、
４：ロール、 ４ａ：上ロール、 ４ｂ：下ロール、
５：ノズル、 ６：送気管、 ７：水、 ８：水槽、
９：気水ノズル、 １０ａ：外面、 １０ｂ：内面

本発明の要旨は、次のとおりである。
（１）鋼管を外面から水冷して焼入れる焼入方法であって、管端部を空冷して、前記管端部以外の部分の少なくとも一部を水冷することを特徴とする鋼管の焼入方法。

本発明は、前記のとおり、鋼管を外面から水冷して焼入れる焼入方法であって、管端部を水冷することなく空冷して、前記管端部以外の部分の少なくとも一部を水冷することを特徴とする鋼管の焼入方法である。なお、前記の「管端部」とは、鋼管の両端部を指す。

Claims (6)

1. 鋼管を外面から水冷して焼入れる焼入方法であって、管端部を水冷することなく、前記管端部以外の部分の少なくとも一部を水冷することを特徴とする鋼管の焼入方法。
2. 前記管端部以外の部分における軸方向の少なくとも一部において、全周にわたり直接水冷されない部分を設けることを特徴とする請求項１に記載の鋼管の焼入方法。
3. 焼入過程の少なくとも一部において、水冷の実施と水冷の停止を間欠的に繰り返すことを特徴とする請求項１または２に記載の鋼管の焼入方法。
4. 鋼管の外面を水冷するに当たり、鋼管の外面の温度がＭｓ点より高い温度範囲において強水冷を行い、その後弱水冷または空冷に切り替えて外面を強制冷却し、Ｍｓ点以下に冷却することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の鋼管の焼入方法。
5. 前記鋼管が、質量％で、０．２〜１．２％のＣを含有する鋼管であることを特徴とする請求項１〜請求項４の何れかに記載の鋼管の焼入方法。
6. 前記鋼管が、質量％で、０．１０〜０．３０％のＣおよび１１〜１８％のＣｒを含有するＣｒ系ステンレス鋼管であることを特徴とする請求項１〜請求項４の何れかに記載の鋼管の焼入方法。
   

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