(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量％で、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であって、焼入れにおいて鋼管外面冷却速度よりも大きな鋼管内面冷却速度で冷却を鋼管の内外面から行い鋼管の内面側のマルテンサイト変態を先行させると共に、冷却時にその鋼管を回転させることによって、鋼管の焼割れを防止する中・高炭素含有鋼管の焼入れ方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の属する技術分野】
【０００１】
本発明は、中・高炭素含有鋼管の焼割れを防止する焼入れ方法に関し、更に詳しくは、従来水焼入れなどの所謂「急冷焼入れ処理」を施すと焼割れを生じることの多かった中・高炭素含有鋼管の焼割れを防止する焼入れ方法に関する。
【従来の技術】
【０００２】
中・高炭素含有鋼は調質処理すなわち焼入れ焼戻し処理すると優れた強度・靱性を示すので、機械構造用部材を始めとして多くの用途に使用されてきた。しかしながら、鋼管形状品を焼入れした場合には、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、炭素含有量の多い鋼管形状品に例えば水焼入れのような急冷焼入れを施すと、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。
【０００３】
従って、中・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。
【０００４】
しかしながら、前記のような焼入れ手段を採った場合には、充分な量のマルテンサイト組織が得られず、高温で生ずるベイナイトなどがかなり混じっ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靱性を充分には活用できず、製品である鋼管の強度・靱性レベルが低下してしまうという問題があった。
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の課題は、水焼入れなどの所謂「急冷焼入れ処理」を施しても焼割れを生じることがない、中・高炭素含有鋼管の焼割れを防止する焼入れ方法を提供することにある。更には、焼割れの防止によって製品歩留まりを高めると共に焼入れ後にその鋼管を焼戻しすることで焼戻しマルテンサイト組織の優れた強靱性を充分に活用し、合金元素の多量添加を行わずとも、製品鋼管に優れた特性を付与することが可能な中・高炭素含有鋼管の焼割れを防止する焼入れ方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者は、前記した課題を解決するために実験、研究を重ねた。その結果、例えば水焼入れのような急冷処理によっても焼割れを起こすことがなく、且つ、ベイナイトなどの高温変態生成物を抑えて充分なマルテンサイト組織を得るための焼入れとしては、下記に示す方法が適切であることを実証した。
【０００７】
焼入れ時、鋼管外面冷却速度よりも大きな鋼管内面冷却速度で鋼管の内外面から強制冷却を行い鋼管の内面側のマルテンサイト変態を先行させ、更に鋼管を回転させて均一に冷却する。
【０００８】
上記知見に基づく本発明は下記に示す中・高炭素含有鋼管の焼入れ方法を要旨とする。
【０００９】
重量％で、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であって、焼入れにおいて鋼管外面冷却速度よりも大きな鋼管内面冷却速度で冷却を鋼管の内外面から行い鋼管の内面側のマルテンサイト変態を先行させると共に、冷却時にその鋼管を回転させることによって、鋼管の焼割れを防止する中・高炭素含有鋼管の焼入れ方法。
【発明の実施の形態】
【００１０】
以下、本発明について更に詳しく説明する。なお成分元素量における「％」は「重量％」を意味する。
【００１１】
（Ａ）化学組成：
本発明は、焼き割れ感受性が高い中・高炭素含有鋼管に関する発明であり、鋼管の化学組成としてＣ含有量のみを０．２〜１．２％に限定する。これは鋼管の場合であってもＣ含有量が０．２％未満では、例えば水槽に浸漬するような通常の水焼入れによる急冷焼入れをしても焼割れを生じないからである。一方、Ｃ含有量が１．２％を超えると、残留するオーステナイトの量が多くなって焼割れ感受性が小さくなり、やはり焼割れを生じ難くなるが、焼入れで生ずるマルテンサイトの量が少ないため、焼戻し後に所望の強靱性が得難くなる。従って、本発明においては中・高炭素含有鋼管のうち、特に０．２〜１．２％のＣを含有する鋼管を対象とするものである。
【００１２】
なお、焼戻しマルテンサイト組織の優れた強靱性を充分に活用し、合金元素の多量添加を行わずとも製品鋼管に優れた強靱性を付与するためには、鋼管を常温まで強制冷却した時、そのミクロ組織は８０％以上のマルテンサイト組織からなるものであることが好ましい。ここでミクロ組織の量（％）は顕微鏡観察による面積率のことをいう。そして、「ミクロ組織がマルテンサイト８０％以上である」というのは、「全組織がマルテンサイト（マルテンサイト１００％）であっても良く、２０％未満の他の組織が混在していても良い。」という意味である。なお、本発明は水焼入れのような急冷焼入れを行うものであるから、マルテンサイト以外の組織とは残留オ−ステナイトと焼入れ加熱時に基地（オ−ステナイト地）に固溶しなかった未固溶の炭化物や窒化物、炭窒化物などを指す。
【００１３】
従って、上記の好ましいミクロ組織を得るために、本発明の対象とする中・高炭素含有鋼管のＣ含有量は０．２〜０．９％であることが望ましく、更に、０．２〜０．６％のＣ含有量であることが一層望ましい。
【００１４】
残留オ−ステナイトをマルテンサイトに変態させて好ましいミクロ組織を得るために、焼入れ処理後にサブゼロ処理を行っても良い。
【００１５】
ところで、ミクロ組織が８０％以上のマルテンサイト組織からなる中・高炭素含有鋼管を得るための化学組成としてのＣ以外の他の化学成分については、特別な限定を加える必要はない。焼戻しマルテンサイト組織の優れた強靱性を充分に活用して所望の特性（主として強靱性）を確保できるような成分組成でありさえすれば良い。
【００１６】
具体的には、例えば、Ｃ以外の元素としてはＳｉ：０．０１％〜２．０％、Ｍｎ：０．０１％〜２．０％、Ｃｒ：０〜７％、Ｍｏ：０〜２％、Ｎｉ：０〜２％、Ａｌ：０．００１〜０．１％、Ｎ  ：０〜０．１％、Ｎｂ：０〜０．５％、Ｔｉ：０〜０．５％、Ｖ：０〜０．８％、Ｃｕ：０〜２％、Ｃａ：０〜０．０１％、Ｂ：０〜０．０１％を含有し、残部はＦｅと不可避的不純物からなり、不純物としてのＰ：０．１％以下、Ｓ：０．０５％、のものであれば良い。
【００１７】
（Ｂ）焼入れ時の冷却：
本発明に係わる中・高炭素含有鋼管を焼入れして、好ましいミクロ組織（８０％以上のマルテンサイト組織からなるもの）を得るためには急冷焼入れすることが重要である。この急冷焼入れ時、８００℃から５００℃における平均冷却速度として１０℃／秒以上の冷却速度を確保することが望ましい。なお、上記の冷却速度が２０℃／ｓ以上であれば一層好ましい。又、冷却は冷却設備上の上限の冷却速度で行っても構わない。
【００１８】
上記の冷却速度は「最も冷却が遅くなる部位の平均冷却速度」のことをいう。ここで「最も冷却が遅くなる部位」には、冷却を鋼管の内外面から行う場合の肉厚の中央近傍の部位が該当する。
【００１９】
焼入れに際して、少なくともマルテンサイト変態開始温度（Ｍｓ点）までは強制冷却することが必要である。本発明の方法による強制冷却では焼割れを生じないので、常温まで強制冷却して冷やしきっても問題はない。
【００２０】
ところで焼入れ前の加熱温度は、亜共析鋼に対してはＡｃ3点以上、過共析鋼に対してはＡｃ1点以上とすれば良いが、結晶粒を粗大化させず、しかも好ましいミクロ組織を得るために、亜共析鋼に対しては８００〜１０５０℃、過共析鋼に対しては７５０〜１１００℃とすることが望ましい。更に、焼入れの加熱温度は亜共析鋼に対しては８００〜９５０℃、過共析鋼に対しては７５０〜１０００℃とすることが一層望ましい。
【００２１】
焼入れプロセスとしては、所謂オフラインの焼入れだけでなく、熱間での製管後に素材の保有する熱を利用して、あるいはライン中で再加熱して、そのまま焼入れを実施するところの所謂「直接焼入れ」によっても良い。
【００２２】
（Ｄ）冷却方法：
本発明に係わる中・高炭素含有鋼管を従来法によって急冷焼入れすると、マルテンサイト変態する時の体積膨張によって鋼管の外面に大きな引張り応力が作用するため、焼き割れを回避することが困難であった。すなわち、従来法では外面の冷却速度が内面のそれに比べて極めて大きいために、内面側のマルテンサイト変態が遅れる。そのため、内面側の変態に伴う体積膨張で外面に大きな引張り応力が働き、既に変態を終えた外面の変形能の小さなマルテンサイトに割れを生じることになってしまう。
【００２３】
しかしながら、中・高炭素含有鋼管を焼入れするに際して、鋼管外面冷却速度よりも大きな鋼管内面冷却速度で、鋼管を回転させながら内外面から冷却する方法を採れば熱応力と変態応力とがうまくバランスする。すなわち上記の本発明の方法で焼入れすれば、鋼管の内面側のマルテンサイト変態が先行する。そのため外面側には圧縮応力が働き、一方、内面側の引張り応力は著しく低減するので後述の実施例で示すように、水焼入れのような急冷焼入れ処理でも焼割れを生じない。
【００２４】
なお、内外面から鋼管を冷却する方法は特定されるものではなく、鋼管の内外面にノズルから冷却媒体を吹き付ける方法など適当な方法を用いれば良い。
【００２５】
鋼管を回転させながら内外面から冷却する際の鋼管の回転条件は、回転数を１０回／分以上とすることが好ましい。なおこの場合、鋼管内面冷却速度と鋼管外面冷却速度はそれぞれ冷却媒体の内面流量と外面流量にほぼ比例するので、冷却媒体の鋼管内面における流量を鋼管外面における流量より多くしておけば、鋼管外面冷却速度よりも大きな鋼管内面冷却速度が得られる。冷却媒体の種類にもよるが、少なくとも鋼管内面流量を鋼管外面流量よりも０．２ｍ3／分以上大きくすれば安定した特性が得られる。
【００２６】
本発明の方法によって焼入れされた中・高炭素含有鋼管は、その後Ａｃ1点以下の温度で焼戻しされて所望の特性を付与されて製品となる。あるいはＡｃ1点以下の温度で焼戻しされた後に、切断、機械加工、熱処理といった所謂「２、３次加工」されて最終の製品となる。
【実施例】
【００２７】
以下実施例によって、本発明の効果を説明する。
【００２８】
表１に示す化学組成の中・高炭素含有鋼を溶製し、通常の方法によって表２に示す直径と肉厚の鋼管に熱間製管した。
【００２９】
上記の各鋼管から長さ１ｍの試験鋼管を切り出し、表２に示す各条件で２０本ずつ焼入れを実施した。焼入れ後の試験鋼管は目視で焼割れの有無を判定した。焼割れ判定結果を表２に併せて示す。
【００３０】
試験番号１５〜２１に示すように、本発明の方法で焼入れを行うと、水焼入れしたにも拘らず焼割れは皆無である。
【００３１】
一方、試験番号２２〜２４の油浸漬、又は水浸漬による従来の鋼管の焼入れ方法では焼割れが発生した。特に、試験番号２３の従来法によって水焼入れした場合には９５％の試験鋼管に焼割れが生じ、歩留まりが極めて低くなることが明らかである。
【００３２】
一方、試験番号２５、２６に示すように、本発明の方法から外れた外面だけからの冷却では、鋼管を回転させてもさせなくても焼割れが発生する。更に、試験番号２７に示すように、鋼管内面冷却速度を鋼管外面冷却速度より高めても、鋼管を回転させなければ焼割れが発生する。試験番号２８では鋼管内面冷却速度が鋼管外面冷却速度に比べて小さいので、鋼管を回転させても焼割れが発生している。
【００３３】
【表１】
0003873306.tif 000002
【００３４】
【表２】
0003873306.tif 000003
【発明の効果】
【００３５】
本発明によれば、中・高炭素含有鋼管を焼割れを生じることなく得ることができる。このため、製品歩留まりが高まると共に焼入れ後にその鋼管を焼戻しすることで焼戻しマルテンサイト組織の優れた強靱性を充分に活用し、合金元素の多量添加を行わずとも、製品鋼管に優れた特性を付与することが可能となる。従って、産業上の効果は極めて大きい。