TWI487800B - And a method for manufacturing the same for producing a seamless steel pipe - Google Patents

And a method for manufacturing the same for producing a seamless steel pipe Download PDF

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Yasuyoshi Hidaka
Tetsuya Nakanishi
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Shinhokoku Steel Corp
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Description

用以製造無縫鋼管之穿孔頂頭用素材及其製造方法 發明領域
本發明係有關於一種利用曼聶斯曼法(Mannesmann process)來製造無縫鋼管時所用之穿孔頂頭(亦有僅稱「頂頭」之情形)，特別是有關於一種具有優異之耐季裂性及切削性(machinability)之用以製造無縫鋼管之穿孔頂頭用素材及其製造方法。
 發明背景
近年來，隨著油井鑽探(石油探勘)環境變得嚴苛，而漸有尋求不鏽鋼製及高合金鋼製等之高級無縫鋼管作為油井管之趨勢。但是，以不鏽鋼等之變形阻力(deformation resistance)高的材料來製造無縫鋼管時，用於其穿孔之穿孔頂頭的頂端部會遭受高接觸壓力(contact pressure)，其頂端部會沖蝕(erosion)，而不得不於短時間內進行更換。
因此，如專利文獻1所示，習知之用以製造高級無縫鋼管之穿孔頂頭係藉由添加W、Mo來提高高溫變形阻力，並更進一步為了確保前述穿孔頂頭表面之潤滑性而施行有表面被覆處理，該表面被覆處理係使難剝離性 (detachability)之低熔點鏽皮層(scale layer)生成者。如圖3所示，專利文獻1所揭示之穿孔頂頭之製造方法，其特徵在於藉由將母材進行利用高溫氧化之熱處理，而於穿孔頂頭的表面被覆預定之前述鏽皮層，該母材係由添加了W、Mo之高強度的鋼材所構成且具有預定形狀者。
另一方面，由於高級無縫鋼管之尺寸及形狀之多樣化，而使穿孔頂頭亦有配合其而進行多樣化，並保持多種類之穿孔頂頭作為庫存，以按照生產計劃來使用之趨勢。
為了順應無縫鋼管之形狀的多樣化，而逐漸期望穿孔頂頭可容易切削成各種尺寸。
又，無縫鋼管之製造工廠亦往分散化或偏遠化發展，而因運送時間增長等緣故基於確保庫存量之觀點，將穿孔頂頭進行長期保管的情形與日俱增。
基於以上之情事，而期望穿孔頂頭或穿孔頂頭用素材具有優異之切削性，並且可長期保管。但是，若不適當調整穿孔頂頭之硬度的話，則於保管中穿孔頂頭表面會發生稱作「季裂」的裂痕。特別是在冬天已知會容易發生季裂。而已發生該「季裂」之穿孔頂頭則不能使用於無縫鋼管之製造上。
先行技術文獻 專利文獻
專利文獻1：日本專利第2683861號公報
專利文獻2：日本專利第2952382號公報
專利文獻3：日本特開2003-129184號公報
專利文獻4：PCT國際申請WO2008-096708號公開公報
專利文獻5：日本特開昭63-69948號公報
專利文獻6：日本專利第4279350號公報
 發明概要
專利文獻1係揭示有一種穿孔頂頭，其係於用以提升高溫變形阻力之預定成分中多量添加Mo及W之1種以上來抑制表面脫碳(surface decarburization)，且於表面已形成有內部氧化型鏽皮層者。
專利文獻2係揭示於3Ni-1Cr鋼等鋼製基體表面形成鏽皮來使用之穿孔頂頭的製造方法中，自習知之砂模鑄造改為利用金屬模鑄造來製作前述鋼製基體之事宜。而且，記載有下述要點：前述製造方法有提升前述鋼製基體之強度與鏽皮改質之效果(modification effect)。
專利文獻3係與專利文獻2相同，於表面形成鏽皮來使用之穿孔頂頭中，針對具有提升基體強度與鏽皮改質之效果的基體來進行揭示。
專利文獻4係與專利文獻2相同，揭示有於基材之表面上形成鏽皮來使用之穿孔頂頭中，形成與前述基材互相纏繞之網狀鏽皮層作為構成鏽皮層的層。專利文獻4揭示有下述要點：藉由鏽皮層之前述構造可抑制鏽皮層之剝離及磨損，且可延長穿孔頂頭之壽命。
而專利文獻5揭示有下述要點：以與專利文獻4相同之 手法，生成鏽皮層作為鑄皮下氧化((內部氧化)internal oxidation)型鏽皮層，藉此提升與基材之黏貼特性，且可抑制鏽皮層之剝離及磨損，並且延長穿孔頂頭之使用期限。
最近，則逐漸使用如專利文獻6所揭示之利用了熱噴塗(thermal spraying)的被覆膜形成技術，於穿孔頂頭之表面形成保護被覆膜，藉此而謀求穿孔頂頭之長壽命化。
但是，於先行技術文獻中，並未有以穿孔頂頭用素材之季裂及切削性為課題之提案。
因此本發明之目的在於解決下述以習知技術無法達成之課題：本發明係一種利用曼聶斯曼法來製造無縫鋼管時所用之穿孔頂頭的素材，其可抑制長期保管所致之季裂的發生，且切削性方面亦優異，更具有所期望之硬度從而可達成延長頂頭本體之使用期限。
本案發明人等，為解決前述課題而致力進行研究開發，結果獲得了以下之見解。
(a)已知為了延長穿孔頂頭之使用期限，必須確保某種程度之靭性，同時須具有耐熱衝擊之某種程度之硬度。因此，只要使其成為以回火麻田散鐵(tempered martensite)及/或變韌鐵(bainite)為主體之組織，且頂頭素材之硬度為洛氏硬度(Rockwell hardness)C級(以下，簡稱為「HRC」)6以上(宜為20以上)，即可獲得具有適當韌性及強度之頂頭。
(b)已了解季裂係因穿孔頂頭用素材之氫脆化 (hydrogen embrittlement)所致。已知季裂時，穿孔頂頭之素材中約含有7ppm以上之擴散氫，且素材之硬度按HRC計超過40。
(c)又已發現為抑制素材之季裂，只要將擴散氫之濃度設定在2ppm以下，且將素材之硬度設定在HRC40以下即可。又已確認因硬度亦下降之緣故而可改善切削性。再者更確認了只要為HRC40以下還會充分具有作為頂頭素材之韌性。
(d)本案發明人等，就滿足前述擴散氫之濃度及HRC硬度之條件的熱處理條件反覆努力進行檢討。結果發現：最適當之熱處理宜於鑄造了穿孔頂頭用素材後於550~900℃下，更理想的是在700~900℃之溫度範圍內保持0.5小時以上且不超過10小時之時間，又以保持0.5小時以上且不超過4小時之時間較佳，其後再以5℃/分以下之冷卻速度來進行冷卻。
進而，本案發明人等，就熱處理條件(特別是熱處理溫度與保持時間)與硬度之關係進行調查，而發現了可用熱處理參數(PH )與碳當量(C當量)之關係來調整頂頭素材之硬度(HRC硬度)。
(e)確認了藉由適當調整前述熱處理條件，可調整穿孔頂頭用素材之硬度，又可去除素材中之擴散氫。
(f)以往係於頂頭成形後進行氧化熱處理，故成形前之頂頭素材會過硬而使切削性不佳。但是，依據本發明之頂頭素材可藉由在成形前以預定之條件施行熱處理而適 當調整硬度，故可使切削性顯著提升。
於鑄造了穿孔頂頭用素材之後，藉由對素材實施適當的熱處理，不但可將頂頭素材調整成HRC硬度6~40，且同時使成為季裂原因之擴散氫減少至規定值以下。
本發明係基於該等見解而完成者，而作為其要點之部分如下：
(1)本發明之一態樣相關之用以製造無縫鋼管之穿孔頂頭用素材，其成分以質量%計，含有：C：0.08~0.3%、Si：0.1~1.0%、Mn：0.2~1.5%、及Ni：0.2~2.0%；更含有合計為1.5%~8%之W及Mo中之1種或2種成分；剩餘部分為Fe及雜質；作為雜質含有之擴散氫為2ppm以下；且具有HRC6以上且40以下之硬度。
(2)如前述第(1)項之用以製造無縫鋼管之穿孔頂頭用素材，其以質量%計可更含有下述成分中之1種或2種以上之成分：Cu：0.5%以下、Cr：1.0%以下、Nb：1.0%以下、V：1.0%以下、Ti：1.0%以下、及 B：0.1%以下。
(3)如前述第(1)或(2)項之用以製造無縫鋼管之穿孔頂頭用素材，其以質量%計可更含有合計為0.5%以下之下述成分中之1種或2種以上的成分：Ca：0.5%以下、Mg：0.5%以下、及REM：0.5%以下。
(4)如前述第(1)至(3)項中任一項之用以製造無縫鋼管之穿孔頂頭用素材，其中硬度可為HRC20以上且40以下。
(5)如前述第(1)至(4)項中任一項之用以製造無縫鋼管之穿孔頂頭用素材，其可為鑄鋼製素材。
(6)本發明之一態樣相關之用以製造無縫鋼管之穿孔頂頭用素材之製造方法，具有以下步驟：鑄造穿孔頂頭用素材之步驟，該穿孔頂頭用素材之構成成分以質量%計，含有：C：0.08~0.3%、Si：0.1~1.0%、Mn：0.2~1.5%、及Ni：0.2~2.0%；更含有合計為1.5%~8%之W及Mo中之1種或2種成分；且剩餘部分由Fe及雜質組成；熱處理步驟，係以下述式1定義之熱處理參數PH 滿足式2及式3之條件，將經鑄造而成之穿孔頂頭用素材進行熱處 理；及成形步驟，將已施行熱處理之穿孔頂頭用素材成形；PH =T×(22+log10 Hr)…式1 PH ≦7500×Ceq +20900且PH ≦27500…式2 PH ≧5000×Ceq +14500…式3惟，T：係顯示熱處理溫度，單位為°K；Hr：係顯示熱處理溫度下之保持時間，單位為小時；Ceq ：係顯示碳當量，且以以下之式4來定義：Ceq =C+Si/4+Mn/6+(Cu+Ni)/15+Cr/5+Mo/5…式4；另外，各元素符號係以質量%來表示其元素之含量。
(7)如前述第(6)項之用以製造無縫鋼管之穿孔頂頭用素材之製造方法，其中穿孔頂頭用素材以質量%計可更含有下述成分中之1種或2種以上的成分：Cu：0.5%以下、Cr：1.0%以下、Nb：1.0%以下、V：1.0%以下、Ti：1.0%以下、及B：0.1%以下。
(8)如前述第(6)或(7)項之用以製造無縫鋼管之穿孔頂頭用素材之製造方法，其中穿孔頂頭用素材以質量%計可更含有合計為0.5%以下之下述成分中之1種或2種以上的成分： Ca：0.5%以下、Mg：0.5%以下、及REM：0.5%以下。
(9)如前述第(6)至(8)項中任一項之用以製造無縫鋼管之穿孔頂頭用素材之製造方法，其中熱處理參數PH 亦可滿足下述式5：PH ≦5000×Ceq +17500且PH ≦25000…式5
(10)如前述第(6)至(9)項中任一項之用以製造無縫鋼管之穿孔頂頭用素材之製造方法，其中熱處理溫度可為550℃以上且900℃以下，而熱處理溫度下之保持時間可為0.5小時以上且10小時以下。
(11)如前述第(10)項之用以製造無縫鋼管之穿孔頂頭用素材之製造方法，其中熱處理溫度可為700℃以上且900℃以下，而保持時間可為0.5小時以上且4小時以下。
(12)如前述第(11)項之用以製造無縫鋼管之穿孔頂頭用素材之製造方法，其亦可具有以下步驟：於熱處理後，以5℃/分以下之冷卻速度將穿孔頂頭用素材冷卻至480℃以下之溫度。
(13)如前述第(6)至(12)項中任一項之用以製造無縫鋼管之穿孔頂頭用素材之製造方法，其中穿孔頂頭用素材可為鑄鋼。
依據本發明可提供一種利用曼聶斯曼法來製造無縫鋼管時所用、且特別具有優異之耐季裂性及切削性之 用以製造無縫鋼管之穿孔頂頭用素材。
S1‧‧‧鑄造步驟
S2‧‧‧熱處理步驟
S3‧‧‧成形步驟
S4‧‧‧保護被膜形成步驟
[圖1]係本發明之用以製造無縫鋼管之穿孔頂頭用素材之製造方法的流程圖。
[圖2]係顯示用以製造本發明之用以製造無縫鋼管之穿孔頂頭用素材的熱處理參數PH 及碳當量Ceq 之範圍的圖表。
[圖3]係顯示揭示於專利文獻1之穿孔頂頭之製造方法的流程圖。
 用以實施發明之形態
以下，將就本發明詳細地進行說明。
另外，本發明之實施態樣並不侷限於以下所示之實施態樣。
[成分]
成分值(%)只要無特別註明即為質量%。
C：0.08~0.3%
C係對提升高溫強度之有效成分，但若其含量少於0.08%則會無效果。又，若超過0.3%，則硬度會變得過高，且亦會變得容易產生季裂。並且，碳化物之析出狀態的控制亦會變得難進行。因此，C係設在0.08~0.3%。為了獲得其效果且考慮偏差的話，則其下限宜為0.10%，更佳則設為0.12%即可。又，同樣地，上限宜為0.25%，更佳則設為0.20%即可。
Si：0.1~1.0%
Si雖為對脫氧有效之成分，但若少於0.1%則效果小。若超過1.0%則母材之韌性會開始惡化。因此，Si係設在0.1~1.0%。為了獲得其效果且考慮偏差的話，則其下限宜為0.20%，更佳則設為0.30%即可。又，同樣地，上限宜為0.90%，更佳則設為0.80%即可。
Mn：0.2~1.5%
Mn能使高溫下之沃斯田鐵安定化。即，抑制δ肥粒鐵之生成並抑制韌性降低，其效果在0.2%以上即可獲得。但是，若添加多於1.5%則硬度會變得過高，將導致穿孔後容易發生季裂。因此，Mn係設在0.2~1.5%。為了獲得其效果且考慮偏差的話，則其下限宜為0.30%，更佳則設為0.40%即可。又，同樣地，上限宜為1.30%，更佳則設為1.00%即可。
Ni：0.2~2.0%
Ni有改善形成於頂頭表層部之淬火相之韌性的作用。而為了獲得其效果須為0.2%以上，但其效果在2.0%即大致飽和。故添加2.0%以上會成為成本增加之要因。因此，Ni係設在0.2~2.0%。為了獲得其效果且考慮偏差的話，則其下限宜為0.30%，更佳則設為0.40%即可。又，同樣地，上限宜為1.90%，更佳則設為1.80%即可。
Mo及W中之1種或2種：1.5~8.0%
Mo與W兩者均對改善高溫強度有效，且有使Acl點(加熱時，開始生成沃斯田鐵之溫度)上升而減少穿孔後表面變硬部分的效果。因Mo與W為等價，且在Mo與W中之任一種或雙方以合計計小於1.5%時該等之效果會變小，故係以使 成為1.5%以上之方式來進行添加。又，Mo與W中之任一種或雙方之合計若超過8.0%則即便於高溫下亦會殘留肥粒鐵，而強度會開始降低且使韌性亦降低。因而，Mo+W之合計係設在1.5~8.0%。為了獲得其效果且考慮偏差的話，則其下限宜為1.7%，更佳則設為2.0%即可。又，同樣地，上限宜為7.5%，更佳則設為7.0%即可。
擴散氫：2ppm以下
穿孔頂頭用素材中作為擴散氫而含有之H(氫)，因係助長穿孔頂頭之季裂的元素，故其含量於本發明中擁有重要的意義。擴散氫係於素材中進行擴散的氫，並不包含被素材中之空隙等所捕捉的氫。另外，擴散氫之測定方法將說明於後述之實施例中。擴散氫之含量，在可能之範圍內以少者為佳。本案發明人等，經探究得知只要擴散氫在2ppm以下，即不會發生季裂(參照表5)。因此，本發明相關之穿孔頂頭用素材中之擴散氫的含量係將其上限限制在2ppm。為確實獲得抑制季裂之效果，其上限宜限制在1.5ppm，更佳則限制在1.0ppm以下即可。
通常，由鑄造產生之鋼製素材含有7ppm以上之擴散氫。而素材中之擴散氫可於熱處理時使之減少，該熱處理係在700~900℃之溫度範圍下保持0.5小時以上且4小時以下之時間。脫氫處理之詳細內容將於後述之製造方法中進行說明。
Nb、V、Cr及Ti之1種或2種以上：各為1.0%以下
Nb、V及Ti有將晶粒微細化之效果。但是，若分別添加超過1.0%的話則脆化相會析出，而導致韌性劣化。因此， 將Nb、V及Ti之1種或2種以上，設為分別各添加1.0%以下即可。為了獲得其效果且考慮偏差的話，則其上限宜為0.5%，更佳則設為0.1%即可。
Cr具有提升鋼材之韌性及高溫下之變形阻力的作用。但是，基於經濟上的觀點，而將其含量之上限設為1.0%。
Cu：0.5%以下
Cu係汏斯田鐵安定化元素，且有下述作用：改善穿孔時被保持在高溫而成為沃斯田鐵之頂頭表層部的韌性。為了獲得其效果而必須在0.01%以上，但其效果在0.5%即大致飽和。因此，Cu設在0.5%以下。為了獲得其效果且考慮偏差的話，則其下限宜為0.01%，更佳則設為0.1%即可。又，同樣地，上限宜設為0.5w%，更佳則設為0.3%即可。
B：0.1%
B具有下述作用：強化穿孔時被保持在高溫中而成為沃斯田鐵之鋼材表面層之晶界，並且改善高溫下之變形阻力及可變形性(deformability)；但若使含有超過0.1%則因脆化相之析出等而韌性會降低。為了獲得其效果且考慮偏差的話，則其上限宜為0.05%，更佳則設為0.01%即可。
Ca、Mg及REM：合計為0.5%以下
Ca、Mg及REM均可因脫硫等之目的來進行添加。特別是對材料之晶粒細化有效，可改善鋼材之韌性。但是，若使其含量以合計計超過0.5%則脆化相會析出而導致韌性降低。因此，該等成分之含量以合計計係設為0.5%以下。為了獲得其效果且考量偏差的話，則其上限宜為0.2%，更佳 則設為0.1%即可。
[硬度]
硬度：HRC6以上且40以下
本發明之穿孔頂頭用素材之硬度，宜為HRC6~40。若成為超過HRC40之高硬度的話則會變得容易發生季裂。另一方面，若低於HRC6的話則作為穿孔頂頭之穿孔年限會降低。即，由於強度不足，於穿孔軋延時，恐有導致穿孔頂頭大為變形之虞。故較佳之下限為HRC20。
[組織]
穿孔頂頭用素材之組織適於成為回火麻田散鐵(tempered martensite)及/或變韌鐵(bainite)。但是，於將穿孔頂頭用素材鑄造後在毛胚鑄件(as-cast)狀態下不變的話，則組織會以業經淬火之麻田散鐵為主體。可藉由鑄造後之熱處理而之成為回火麻田散鐵(tempered martensite)及/或變韌鐵(bainite)主體之組織，來確保韌性。
[製造方法]
其次，將就本發明相關之穿孔頂頭用素材之製造方法進行說明。
本發明相關之穿孔頂頭用素材之特徵為：硬度為HRC6以上且40以下，擴散氫之含量限制在2ppm以下，且會成為以回火麻田散鐵(tempered martensite)及/或變韌鐵(bainite)為主體之組織。其等特徵係藉由成為穿孔頂頭之構成素材鑄造後之熱處理條件而精心製成的。
本發明相關之穿孔頂頭用素材之製造方法，係如圖1所 示，首先，將前述預定成分組成的鋼進行鑄錠(ingot)後，以鑄造步驟S1進行鑄造即獲得穿孔頂頭用素材。之後，以熱處理步驟S2，進行可兼穿孔頂頭用素材之硬度調整與脫氫作用之熱處理。
[熱處理]
熱處理步驟S2包含下述事宜：將成為熱處理對象之穿孔頂頭用素材加熱至預定之熱處理溫度為止，並將前述穿孔頂頭用素材於前述熱處理溫度下保持預定時間，於前述預定時間經過後，將前述穿孔頂頭用素材予以冷卻。關於該熱處理條件，將從穿孔頂頭用素材之硬度的觀點及擴散氫之濃度的觀點來進行說明。另外，於本發明中，熱處理溫度係指前述穿孔頂頭用素材之表面溫度。
將成為表1所載組成之鋼No.1~18進行高週波熔解，並以穿孔頂頭用模具(尺寸：160φ×400L)進行鑄造。對經鑄造而成之各鋼以表2所載之熱處理條件1-1~8-3進行熱處理，而獲得表3所示之試片No.1~37。將各試片之表面硬度(HRC)之測定結果與碳當量及熱處理參數示於表3。另外，各試片之組成係與表1之組成No.相對應。且將表3所載之碳當量與熱處理參數之關係如圖2所示進行標圖，並檢討了硬度(HRC)與碳當量(C當量)之關係。
【表1】
【表3】
此處，熱處理參數(PH )係以下述式1來定義。又，基於對鋼組成之硬度的影響大，碳當量(C當量)係作為指標來使用。碳當量係以下述式4來定義。
於圖2顯示碳當量(C當量)與熱處理參數(PH )之關係。附加於圖2之白色圓圈記號附近之數值係顯示該當試 片之HRC值。由圖2可發現，為了將穿孔頂頭用素材之硬度調整至為適性範圍之HRC6~40的範圍，只要將熱處理條件設定為使熱處理參數PH 滿足下述式2及式3即可：PH =T×(22+log10 Hr)…式1
PH ≦7500×Ceq +20900且PH ≦27500…式2
PH ≧5000×Ceq +14500…式3。
但是， T係顯示熱處理溫度，單位為°K。另外，熱處理溫度T係穿孔頂頭用素材之表面溫度。
Hr係保持時間，即顯示以熱處理溫度T來保持穿孔頂頭用素材之時間，單位為小時。
Ceq 係顯示穿孔頂頭用素材之碳當量，且係以以下之式4來定義：Ceq =C+Si/4+Mn/6+(Cu+Ni)/15+Cr/5+Mo/5…式4。
另外，式4中之C、Si、P、Al及Mn係各元素之含量[質量%]。
如圖2所示，可知具有C當量=0.5~1.8之試片，依據顯示熱處理參數PH 之上限的式2及顯示下限的式3之範圍內的熱處理條件，會具有HRC6以上且40以下之硬度。又，若與具有同等之C當量的多片試片進行比較，則可明白隨著熱處理參數PH 變低HRC值會變高。
又，如圖2所示，對具有C當量=0.5~1.8之碳當量的試片，施行了依照超過式2所定義上限之熱處理條件的熱處理時，熱處理後之試片的硬度會止於小於HRC6。又，對 C當量在前述範圍內之試片施行了依照低於式3所定義下限之熱處理條件的熱處理時，熱處理後之試片的硬度會超過HRC40。另外，圖2中之黑色圓圈記號係顯示已發生季裂。
又，如前述，熱處理後之穿孔頂頭用素材之硬度宜為HRC20~40。具有如所述理想範圍之硬度的穿孔頂頭用素材，可藉由以下述之熱處理條件，將具有前述C當量之範圍內之組成的穿孔頂頭用素材進行熱處理來製造，該熱處理條件係熱處理參數PH 更進一步滿足下述式5者：
從生產性之觀點而言，前述熱處理步驟包含升溫與冷卻宜在24小時以內完成。熱處理步驟中之保持時間Hr的上限宜在10小時以下，且以4小時以下的時間較佳。
從以上試片的結果，可確認藉由以下述方式進行熱處理，C當量=0.5~1.8之碳當量的穿孔頂頭用素材會具有HRC6~40之硬度，該熱處理之方式係於550℃以上且900℃以下之熱處理溫度，以0.5小時以上且10小時以下，較佳為0.5小時以上且4小時以下之保持時間，並且使前述熱處理參數PH 滿足前述式2及式3。
在有關本發明之熱處理的溫度區域中，形成於穿孔頂頭用素材之表面的氧化鏽皮的厚度通常為100μm左右。而亦確認了該程度之氧化鏽皮可容易藉由切削處理或研磨處理來去除。
其次，將從穿孔頂頭用素材之脫氫的觀點來進行考察。
藉由於550℃~900℃之溫度範圍內保持0.5小時以上且10小時以下之熱處理，可使穿孔頂頭用素材中之擴散氫的含量減少。通常，鑄造後之穿孔頂頭用素材中之擴散氫的含量為7ppm，但若以該溫度範圍進行保持至少0.5小時，則可確認穿孔頂頭用素材中之擴散氫的含量為2ppm以下。熱處理氣體環境亦可為大氣氣體環境。
前述熱處理後之冷卻，會成為決定穿孔頂頭用素材之組織的步驟。用於製造穿孔頂頭之穿孔頂頭用素材的組織宜為回火麻田散鐵(tempered martensite)及/或變韌鐵(bainite)。但是，碳當量在0.5~1.8之範圍內的穿孔頂頭用素材若於鑄造後處於毛胚鑄件(as-cast)狀態下不變的話，則如前述淬火麻田散鐵會成為主體。
因此，為了確保韌性，會以550℃以上且900℃以下之溫度來實施熱處理。
又，熱處理後之冷卻亦有使已析出之碳化物成長某程度並且球化之效果。再者，Mo或W之析出物之狀態，會表現在硬度上。即，藉由適度地析出可抑制硬度。從本案發明人之見解來說，於已適度地生成Mo或W之析出物時，穿孔頂頭用素材之硬度會降低。藉由進行於700℃~900℃之範圍的溫度且0.5小時以上之熱處理，會導致穿孔頂頭用素材中呈固溶狀態的Mo或W析出且硬度會降低。此時，為了獲得穿孔頂頭用素材之所欲的硬度，宜以5℃/分以下之冷卻速度將穿孔頂頭用素材冷卻至480℃以下之溫度。且前述冷卻速度宜設為1℃/分以下之冷卻速度。
冷卻速度慢而為徐冷，且熱處理溫度愈高，或保持時間愈長硬度會降得愈低。如所述，藉由將穿孔頂頭用素材進行熱處理，來控制Mo或W之析出物的析出狀態，可控制作為其結果的硬度。但是，若往超過900℃進行的話會逐漸沃斯田鐵化，因而亦會有即便為5℃/分以下之冷卻速度亦發生硬度上升的情形。
另一方面，冷卻速度之下限雖無特別限制，但若冷卻速度過慢的話，則曝露於高溫區域之時間會變長，而產生硬度降低或碳化物粗化的情形。又，於操作上，熱處理之操作時間會變長，從經濟上的觀點而言會產生問題。因此，冷卻速度宜設為0.1℃/分以上。
另外，為了使該冷卻條件具體化，只要於熱處理爐內將穿孔頂頭用素材進行冷卻即可。利用爐內冷卻即可進行徐冷。舉例來說，於爐內冷卻至480℃以下之後，只要將穿孔頂頭用素材取出爐外，於大氣中進行冷卻即可。或是亦可於爐內冷卻至室溫為止之後，再將穿孔頂頭用素材取出至爐外。
前述表2之冷卻條件3之自然冷卻，因係從穿孔頂頭用素材低於480℃之溫度來進行，故並不會對穿孔頂頭用素材之組織、析出物及氫含量帶來影響。
經由熱處理步驟S2而調整成HRC6以上且40以下之硬度的穿孔頂頭用素材，係經由成形步驟S3而成形為具有預定形狀之用以製造無縫鋼管之穿孔頂頭用素材。成形步驟S3可藉由切削等來進行。又，成形步驟S3不論於熱處 理步驟S2後直接進行，或是於前述穿孔頂頭用素材長期保管後進行，因均不會發生季裂而佳。
又，本發明之用以製造無縫鋼管之穿孔頂頭用素材，於經由成形步驟S3而成形為預定之工具形狀之後，可以各種方法施行在表面形成保護被膜之保護被膜形成步驟S4。作為保護被膜形成步驟S4，舉例來說，可進行下述處理中之至少1種的處理，並無特別限定，該等處理係生成鏽皮層之熱處理、及藉由熱噴塗來塗布陶瓷等之保護被膜之處理等。
實施例
接著將就本發明相關之穿孔頂頭用素材之實施例進行說明。使用表1所載之組成的鋼並以預定之熱處理條件進行熱處理，藉此準備本發明之實施例，並且對本發明之各實施例分別進行了氫量測定、季裂試驗、切削性試驗、韌性評估試驗及頂頭變形試驗。
[擴散氫之含量測定]
(1)測定用試料之調製
準備表3所載之試片No.6~No.11作為示於表4之本發明之實施例1~6。又，為了與本發明做比較，除了使用表1記載的鋼No.1及鋼No.2以以下之熱處理條件A來進行熱處理以外，以與表1之實施例相同之製造條件，製造出比較例1及2之穿孔頂頭用素材：熱處理條件A(比較例)：鑄造狀態下於大氣中自然冷卻。
自實施例1~6及比較例1、2之穿孔頂頭用素材切出 φ20×10mm之試片，並分別調製出相當於實施例1~6及比較例1、2之擴散氫含量測定用的分析試料(以下，稱「H2 分析試料」)。前述H2 分析試料於自穿孔頂頭用素材切出後係直接浸漬於液態氮中進行保管。
(2)擴散氫之測定條件
於即將測定擴散氫之前將前述H2 分析試料自液態氮中取出，進行了超音波洗淨。之後，將前述H2 分析試料進行冷風乾燥，且量重量並分別供於測定。前述H2 分析試料中所含有之擴散氫之測定，係將前述H2 分析試料插入質量分析裝置並排氣10分鐘後，於測定開始初期壓力為約1.4×10-5 Pa之真空中，自室溫以100℃/時間(1.67℃/分)之定速升溫加熱至600℃，來分析加熱時產生之氫的質譜強度，藉此來進行。另外，氫之質譜強度分析係使用質譜儀(CANON ANELVA CORPORATION製四極質譜儀M201QA-TDM型)來進行。
(3)擴散氫之含量的測定結果
將分別針對相當於實施例1~6及比較例1、2之H2 分析試料所測出之擴散氫含量的測定結果示於表4。
若將表4所示之實施例1~6及比較例在關於氫含量方面進行比較的話，可確認按照本發明所規定之範圍之組成的鑄造鋼，藉由進行按照本發明所規定之熱處理而顯現出熱處理所致之脫氫效果。
[表4]
[季裂試驗結果]
使用與實施例1~6及比較例1、2同樣的熱處理條件，且準備穿孔頂頭用素材，鋼1、鋼2各分別20個，並調查經放置大氣中30天的時候至發生季裂為止所需之日數，並且記載發生頻率。將其結果示於表5。
實施例1~6，即，按照本發明相關之熱處理條件3-1、3-2及6-3之穿孔頂頭用素材，儘管鋼1、鋼2之組成不同，即使於大氣中進行保持30天季裂卻連1個也未發生。另一方面，比較例1及2，即為熱處理條件A者則自14天起就發生季裂，且於經過30天之時點在16個(80%)中確認有季裂。而在熱處理條件為3-1、3-2及6-3者中，確認並無季裂。從以上所述，可確認本發明相關之脫氫效果所致之季裂的抑制。
[切削性]
準備經以熱處理條件3-1、3-2、6-3及A施行過熱處理之 鋼2的穿孔頂頭用素材各1個，將穿孔頂頭之芯金屬部分有無因鑽孔(drill)加工之切削工具的損傷來評估切削性。將其結果示於表6。如表6所示，於熱處理條件為3-1、3-2及6-3者並無損傷。但是，於熱處理條件A者，則確認有鑽孔前端之損傷，確實無法行鑽孔加工。
[韌性評估]
以於20℃下之夏比衝擊試驗(Charpy impact test)來進行韌性評估。各準備2個自實施例1~6及比較例1~4之穿孔頂頭用素材所切出之試驗片，於室溫中(20℃)進行了夏比衝擊試驗。另外，為了韌性評估試驗，使用表3之試片24作為實施例7之穿孔頂頭用素材，並以與實施例1~6及比較例1及2相同之手法來針對實施例7進行了夏比衝擊試驗。
將依據夏比衝擊試驗之韌性評估的結果示於表7。於熱處理條件為3-1、3-2、6-1及6-3者為17~70J/cm2 之水準。另一方面，條件A之試驗片則為5~7J/cm2 之水準，而與為本發明之實施例相關之條件3-1、3-2、6-1及6-3者有顯著的差別。
[頂頭變形量試驗]
(1)噴覆皮膜之形成
將表8中所載之組成的各鋼進行高週波熔解，並以穿孔頂頭用模具(尺寸：160φ×400L)進行鑄造。對已完成鑄造之各鋼，如表8所示以表2所載之熱處理條件分別進行熱處理，而獲得實施例A1~A4及比較例B1、B2。
各準備1個實施例A1~A4及比較例B1、B2之穿孔頂頭用素材，藉由鐵基素材之熱噴塗而於涵蓋母材表面全區域形成保護皮膜。
(2)穿孔軋延
使用前述之各穿孔頂頭作為模型錐(試驗用錐)，並將已加熱至1200℃之下述圓形小鋼胚(billet)進行穿孔軋延。就1個頂頭各進行了5次穿孔軋延之後，測定各頂頭頂端自當初之形狀產生變形的大小作為變形量。並將結果示於表8。
‧小鋼胚之尺寸：外徑75mm、長度700mm
‧小鋼胚之材質：SUS304
‧頂頭之尺寸：外徑60mm
實施例A1~A4因硬度在本發明之範圍內，故於重複5次穿孔軋延之後頂頭之變形量小。相對於此，比較例B1及B2則因硬度低於HRC6，故於重複5次穿孔軋延之後頂頭之變形量為2倍左右大。另外，若變形量為1.5mm以下，則頂頭可回收再利用。
由以上所述可確認只要為本發明相關之穿孔頂頭用素材，即可抑制季裂之發生。又，可確認切削性亦良好。藉此，可適應無縫鋼管之多樣化，且可於現地進行保管，並且可加工成適當形狀之穿孔頂頭。
產業上之可利用性
本發明可作為用以製造無縫鋼管之穿孔頂頭用的素材來利用。而且，本發明相關之穿孔頂頭用素材係可長期保管，且容易加工成適當之形狀者。

Claims (22)

  1. 一種用以製造無縫鋼管之穿孔頂頭用素材，其特徵在於：成分以質量%計，含有：C：0.08~0.3%、Si：0.1~1.0%、Mn：0.2~1.5%、及Ni：0.2~2.0%；更含有合計為1.5%~8%之W及Mo中之1種或2種成分；剩餘部分為Fe及雜質；作為雜質含有之擴散氫為2ppm以下；且具有HRC6以上且40以下之硬度。
  2. 如請求項1之用以製造無縫鋼管之穿孔頂頭用素材，其以質量%計更含有下述成分中之1種以上的成分：Cu：0.5%以下、Cr：1.0%以下、Nb：1.0%以下、V：1.0%以下、Ti：1.0%以下、及B：0.1%以下。
  3. 如請求項1或2項之用以製造無縫鋼管之穿孔頂頭用素材，其以質量%計更含有合計為0.5%以下之下述成分中之1種或2種以上的成分： Ca：0.5%以下、Mg：0.5%以下、及REM：0.5%以下。
  4. 如請求項1或2項之用以製造無縫鋼管之穿孔頂頭用素材，其中前述硬度為HRC20以上且40以下。
  5. 如請求項3之用以製造無縫鋼管之穿孔頂頭用素材，其中前述硬度為HRC20以上且40以下。
  6. 如請求項1或2項之用以製造無縫鋼管之穿孔頂頭用素材，其中前述穿孔頂頭用素材為鑄鋼。
  7. 如請求項3之用以製造無縫鋼管之穿孔頂頭用素材，其中前述穿孔頂頭用素材為鑄鋼。
  8. 一種用以製造無縫鋼管之穿孔頂頭用素材之製造方法，具有以下步驟：鑄造穿孔頂頭用素材之步驟，該穿孔頂頭用素材之成分以質量%計，含有：C：0.08~0.3%、Si：0.1~1.0%、Mn：0.2~1.5%、Ni：0.2~2.0%、及合計為1.5%~8%之W及Mo中之1種或2種成分，而剩餘部分為Fe及雜質；熱處理步驟，係以下述式1定義之熱處理參數PH 滿足式2及式3之條件，將經前述鑄造而成之前述穿孔頂頭用素材進行熱處理；及 成形步驟，將已施行前述熱處理之前述穿孔頂頭用素材成形；PH =T×(22+log10 Hr)．．．式1 PH ≦7500×Ceq +20900且PH ≦27500．．．式2 PH ≧5000×Ceq +14500．．．式3惟，T：係顯示熱處理溫度，單位為°K；Hr：係顯示熱處理溫度下之保持時間，單位為小時；Ceq ：係顯示碳當量，且以以下之式4來定義：Ceq =C+Si/4+Mn/6+(Cu+Ni)/15+Cr/5+Mo/5．．．式4；另外，各元素符號係以質量%來表示其元素之含量。
  9. 如請求項8之用以製造無縫鋼管之穿孔頂頭用素材之製造方法，其中前述穿孔頂頭用素材以質量%計更含有下述成分中之1種或2種以上的成分：Cu：0.5%以下、Cr：1.0%以下、Nb：1.0%以下、V：1.0%以下、Ti：1.0%以下、及B：0.1%以下。
  10. 如請求項8或9項之用以製造無縫鋼管之穿孔頂頭用素材之製造方法，其中前述穿孔頂頭用素材以質量%計更含有合計為0.5%以下之下述成分中之1種或2種以上的成分： Ca：0.5%以下、Mg：0.5%以下、及REM：0.5%以下。
  11. 如請求項8或9項之用以製造無縫鋼管之穿孔頂頭用素材之製造方法，其中前述熱處理參數PH 係滿足下述式5：PH ≦5000×Ceq +17500且PH ≦25000．．．式5。
  12. 如請求項10之用以製造無縫鋼管之穿孔頂頭用素材之製造方法，其中前述熱處理參數PH 係滿足下述式5：PH ≦5000×Ceq +17500且PH ≦25000．．．式5。
  13. 如請求項8或9項之用以製造無縫鋼管之穿孔頂頭用素材之製造方法，其中前述熱處理溫度為550℃以上且900℃以下，而前述熱處理溫度下之保持時間為0.5小時以上且10小時以下。
  14. 如請求項10之用以製造無縫鋼管之穿孔頂頭用素材之製造方法，其中前述熱處理溫度為550℃以上且900℃以下，而前述熱處理溫度下之保持時間為0.5小時以上且10小時以下。
  15. 如請求項11之用以製造無縫鋼管之穿孔頂頭用素材之製造方法，其中前述熱處理溫度為550℃以上且900℃以下，而前述熱處理溫度下之保持時間為0.5小時以上且10小時以下。
  16. 如請求項12之用以製造無縫鋼管之穿孔頂頭用素材之製造方法，其中前述熱處理溫度為550℃以上且900℃以下，而前述熱處理溫度下之保持時間為0.5小時以上且10 小時以下。
  17. 如請求項15之用以製造無縫鋼管之穿孔頂頭用素材之製造方法，其中前述熱處理溫度為700℃以上且900℃以下，而前述保持時間為0.5小時以上且4小時以下。
  18. 如請求項16之用以製造無縫鋼管之穿孔頂頭用素材之製造方法，其中前述熱處理溫度為700℃以上且900℃以下，而前述保持時間為0.5小時以上且4小時以下。
  19. 如請求項17之用以製造無縫鋼管之穿孔頂頭用素材之製造方法，其具有以下步驟：於前述熱處理後，以5℃/分以下之冷卻速度將前述穿孔頂頭用素材冷卻至480℃以下之溫度。
  20. 如請求項18之用以製造無縫鋼管之穿孔頂頭用素材之製造方法，其具有以下步驟：於前述熱處理後，以5℃/分以下之冷卻速度將前述穿孔頂頭用素材冷卻至480℃以下之溫度。
  21. 如請求項8或9項之用以製造無縫鋼管之穿孔頂頭用素材之製造方法，其中前述穿孔頂頭用素材為鑄鋼。
  22. 如請求項10之用以製造無縫鋼管之穿孔頂頭用素材之製造方法，其中前述穿孔頂頭用素材為鑄鋼。
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