专利名称:含Cr钢的热加工方法
技术领域：
本发明涉及谋求减少含有5～18％Cr的合金钢(在本说明书中简称为“含Cr钢”)的热加工中的表面缺陷和延长工具寿命的方法。例如，涉及在用芯棒式轧管机、芯棒式无缝管轧机、阿塞尔轧管机、皮尔格式轧机和圆盘形穿孔轧机等延伸轧制机对用以满乃斯曼穿轧机为代表的穿轧机制造出的中空管坯进行延伸轧制工序后对无缝钢管进行热轧的工序中，谋求延长在延伸轧制时使用的插头、芯棒的工具寿命，并可以抑制产生表面缺陷的含Cr钢的热加工方法。
背景技术：
由于含Cr钢在耐热性和耐腐蚀性上发挥出优良的特性，所以近年来对作为高温、高压的化学工业用钢和能源相关用途的油井用钢的含Cr钢的需求增加。但是，由于含Cr钢比碳素钢的热加工性差，有时在热加工后的产品表面上产生表面缺陷、或降低工具寿命。
表面缺陷的产生原因多起因于热加工时的被加工件的表面性状。在含Cr钢的情况下，在被加工件的表面上生成的氧化皮层，除了受加热温度和环境等氧化条件影响外，还受Cr的含量的影响。
具体地说，纯铁和碳素钢在超过1000℃接近常压的氧分压气氛下被氧化时，在金属表面上以FeO/Fe3O4/Fe2O3这样3层顺序形成规定厚度的氧化皮层。但当含有Cr时，作为尖晶石型的复合氧化物的FeCr2O4生成在原来的金属表面或母材表面的内侧，FeO层变薄，进而消失。
为此，在对含Cr钢进行热加工时，积极地进行在被加工件的表面上形成氧化皮层的试验。
首先，在日本特开平5-269507号公报中，提出这样的方法在由12Wt％以上的含Cr钢制造无缝钢管时，通过加热炉内的气氛调整、温度调整，在原料钢坯或轧制中途的管坯的外表面上调整氧化皮厚度，在作为被轧制件的钢板或中空管坯的外表面上附着厚度为10～100μm的氧化皮层。
其次，日本特开平10-60538号公报公开了这样的制造方法加热含Cr钢，形成全部氧化皮厚度为100μm以上的、由内层和外层构成的氧化皮，然后通过用高压水进行冷却来去除氧化皮外层。
在此，所公开的制造方法是着眼于形成在含Cr钢上的氧化皮层的结构的制造方法，是这样的方法由于在氧化皮外层上形成多孔、密接性差的Fe2O3和Fe3O4，而在氧化皮内层上形成致密、密接力优良的尖晶石型复合氧化物，因此通过均匀地去除氧化皮外层来得到耐腐蚀性和表面性状优良的带有氧化皮层的产品，换句话说，获得黑皮产品。
在上述两个公报中提出和公开的方法，是有效利用在对含Cr钢进行热轧时在被加工物上产生的氧化皮的方法，无论哪一方法都可以达到预期的目的。
如上所述，现有文献所公开的方法，无论哪一方法都主要着眼于所形成的氧化皮厚度。为了更有效地利用氧化皮，需要考虑在热加工时的氧化皮的变形举动、即在热加工下的氧化皮层的变形性能。因此，本发明人为了研究不同氧化皮结构的变形性能，调查了不同氧化皮的种类的应力—应变曲线。
图1是表示调查了在纯铁表面上形成的氧化皮类别的应力—应变曲线的结果的图，(a)表示α-Fe2O3的应力—应变曲线，(b)表示γ-Fe3O4的应力—应变曲线，(c)表示FeO的应力—应变曲线。
从图1(a)、(b)中可知Fe2O3只伸长5％左右几乎没有变形性能，而Fe3O4在加热温度为900℃以上时以实验室性的极低速度对其进行拉伸变形时产生了伸长，在热轧时的变形速度下则不能适应该变形速度，产生了裂纹并脱落。
另一方面，如图1(c)所示，FeO追随轧制时的变形速度而进行变形。即，由于FeO变形性能高，FeO即使承受大的压力也难以产生裂纹等破损，而且由于FeO的高温硬度低于钢的高温硬度，可以期待难以产生挤入伤痕。因此，FeO是减少表面缺陷和延长工具寿命的最佳氧化皮，在热加工中最佳的氧化皮结构可以说是存在FeO的氧化皮。
发明内容本发明的目的在于根据上述的图1所述的本发明人的研究结果提供这样的方法是在对含Cr钢进行热加工时谋求减少热加工后产生的表面缺陷、可以大幅度地延长工具寿命的含Cr钢的热加工方法，而且通过设置简便的操作方法和简易的装置结构来实现。
本发明人为了解决上述问题，采用无缝钢管的制造方法并加以详细研究。而且，在延伸轧制中以芯棒式无缝管轧机的轧制法为研究对象。因此，基于芯棒式无缝管轧机的轧制法进行说明。
在芯棒式无缝管轧机的制造工序中，在把作为原材料的钢坯加热到1200℃之后，由穿轧机(穿轧机)成形为中空管坯，在其内表面形成新生面。接着，把在外表面涂敷了热轧用润滑剂的作为内面限制工具的芯棒插入到中空管坯的内部来进行轧制。用芯棒式无缝管轧机进行轧制的管温度，一般在管轧机入口侧是1100～1200℃，出口侧是800～1000℃。
用芯棒式无缝管轧机进行轧制后，拔出了芯棒的管在保持该状态不变的状态下再在再加热炉内再加热到850～1100℃，然后由拉伸缩径机等精轧机精轧成规定的管尺寸。然后，对由含Cr钢构成的钢管，从900℃以上开始进行淬火，接着在700℃附近进行回火处理。在下面的说明中，有时把芯棒式无缝管轧机轧制后拔出了芯棒的管称为精轧用管坯。
下面，对热轧含Cr钢时的氧化皮的状况进行说明。首先，在用穿轧机进行了穿孔时，在形成其新生面的管内表面上几乎不生成氧化皮。之后，在30～40秒的移动到芯棒式无缝管轧机的过程中，氧化皮层也几乎不成长，其厚度仅仅有几μm左右。这是因为中空管坯的内部是高温高压，实质上大气不能流入的缘故。
用穿轧机穿孔后的中空管坯的内表面的氧化皮，即使由芯棒式无缝管轧机进行轧制也几乎不延伸，氧化皮破裂而露出的铁素体与芯棒表面直接接触。在接触部，氧化皮层不发挥原有的隔热效果，芯棒的表面温度急剧上升而承受严酷的热疲劳，在芯棒表面上产生热疲劳龟裂。
另外，在铁素体的露出部上，不仅热轧下的变形阻力显著增加，而且铁素体和芯棒容易烧结，芯棒表面受损伤，并且作为表面缺陷出现在轧制后的产品上。
(在含Cr钢表面上FeO氧化皮的形成)鉴于以上的状况，在穿轧了含Cr钢后的中空管坯的新生面上，形成了存在FeO的氧化皮。具体地讲，在向上述的芯棒式无缝管轧机移动的30～40秒的过程中，当向中空管坯的内部供给水分而使管内部的气氛为水蒸气气氛时，氧化皮急剧成长。这是由于如后述的图2所示，通过供给水分，从母材向氧化皮供给的Fe增大了，随之促进了FeO的形成。
图2是表示在各种不同的水蒸气浓度(体积％)的大气气氛中在加热温度1200℃下保持3600秒进行氧化时的水蒸气浓度和氧化速度常数(mg2/cm4·秒)的关系的图。而图3是表示使气氛中的水蒸气浓度(体积％)变化成10％和0％时以加热温度(℃)作为参数的氧化皮厚度(μm)和氧化时间(秒)的关系的图。
上述图2和图3是根据使用从Cr含量为13质量％的铁素体系不锈钢的圆钢坯上截取的试样的高温氧化试验的结果画出的图。从图2的结果可知，通过使气氛中含有2.5～20体积％的水蒸气，氧化皮急剧成长。而从图3的结果可知，通过在水蒸气浓度为10体积％的水蒸气气氛中加热到1100℃以上，可以确保氧化皮厚度。
表1是表示比较了这时的高温氧化试验得到的氧化皮的结构的结果的表。
表1
如表1所示，不管气氛条件如何，无论哪一种氧化皮结构都是外层氧化皮和内层氧化皮的2层结构。在此，所谓外层氧化皮是指从原来的含Cr钢表面向外侧生成的氧化皮，所谓内层氧化皮是指从原来的含Cr钢表面向内侧生成的氧化皮。
在含有2.5％以上的水蒸气的气氛下形成的氧化皮，外层氧化皮由Fe2O3、Fe3O4和FeO构成，内层氧化皮由FeCr2O4和FeO构成。与此相对，在不含水蒸气的气氛下形成的氧化皮，外层氧化皮由Fe2O3和Fe3O4构成，内层氧化皮由FeCr2O4和Fe3O4构成。
如上所述，FeO与其他的氧化铁相比富有热加工时的变形性能，在延伸轧制时对管母材的追随性优良。即，由于存在FeO的氧化皮防止芯棒和中空管坯直接接触，因此减轻芯棒的热疲劳、同时也能防止烧结。
另外，上述的FeO在热轧时起到固体润滑剂的作用，降低轧管时的摩擦阻力，特别是在并用作为辅助润滑剂的硼酸系润滑剂时，厚膜化的氧化皮和辅助润滑剂中所含有的B2O3反应而形成B-Fe系化合物(氧化物为主)，这可以更加提高润滑效果。
本发明是基于上述的认知完成的发明，以下述(1)～(3)的含Cr钢的热加工方法作为要点。
(1)一种含Cr钢的热加工方法，包括在含Cr钢的热加工中形成新生面的工序，其特征在于，把形成在含Cr钢上的上述新生面保持在水蒸气气氛中，在形成含FeO的氧化皮之后，进行下道工序的热加工。
(2)一种含Cr钢的热加工方法，由含Cr钢经作为热加工的穿孔轧制和延伸轧制来制造无缝钢管，其特征在于，向上述被穿孔轧制后的中空管坯的内部供给水分，把形成了新生面的上述中空管坯的内表面保持在水蒸气气氛中，从而在管内表面上形成含有FeO的氧化皮，然后进行下面的延伸轧制。在向上述中空管坯的内部投入润滑剂时，优选在投入润滑剂之前进行上述水分的供给。
(3)在上述(1)、(2)的含Cr钢的热加工方法中，优选使上述气氛的水蒸气含量为2.5～20体积％，而且，使中空管坯的内表面温度为1150℃以上，且将上述水蒸气气氛保持15秒以上。
在本发明中，所谓“在热加工中形成新生面”相当于对实心的含Cr钢实施穿孔轧制来形成中空状的管坯内表面，另外，还举例说明了棒钢在热轧时通过切断加工来形成切断面的情况，以及在热加工中去除氧化层的情况等。
在本发明中，所谓“含Cr钢”是含有5～18％Cr的合金钢，也可以根据需要而含有其他的Ni、Mo等合金元素。
图1是表示调查了按形成在纯铁表面上的不同种类氧化皮的应力—应变曲线的结果的图，(a)表示α-Fe2O3的应力—应变曲线，(b)表示γ-Fe3O4的应力—应变曲线，(c)表示FeO的应力—应变曲线。
图2是表示在各种不同的水蒸气浓度(体积％)的大气气氛中在加热温度1200℃下保持3600秒来进行氧化时的水蒸气浓度和氧化速度常数(mg2/cm4·秒)的关系的图。
图3是表示使气氛中的水蒸气浓度(体积％)变成10％和0％时以加热温度(℃)作为参数的氧化皮厚度(μm)与氧化时间(秒)的关系的图。
图4是表示使用芯棒式无缝管轧机为延伸轧机时的布局的一个例子的俯视图。
图5是表示不使用辅助润滑剂时的“寿命评点比”的评价结果的图。
图6是表示使用了辅助润滑剂时的“寿命评点比”的评价结果的图。
具体实施方式下面根据经穿孔轧制和延伸轧制来制造无缝钢管的芯棒式无缝管轧机轧制法，沿着附图详细说明本发明的热加工方法。
图4是表示使用芯棒式无缝管轧机为延伸轧机时的布局的一个例子的俯视图。在图4中，用旋转炉底式的加热炉1加热到规定温度(1200℃)的钢坯B，经横送台2输送到穿轧机3上后成形为中空管坯H，再移载到横送台4上。
在移载到横送台4上的高温(约1200℃)状态的中空管坯H的管内，由水分供给装置5A或/和5B向管内供给水蒸气或水来提高管内部的水蒸气浓度，使管内表面的氧化皮层成长，接着，根据需要由辅助润滑剂涂布装置6投入例如硼酸系辅助润滑剂，在其内表面形成辅助润滑剂的覆膜。
使管内表面的氧化皮层成长的中空管坯H，被移载到管坯装入装置7a上，由芯棒插入装置7b将芯棒M插入到中空管坯H内部。此时，在芯棒M的表面上由润滑剂涂布装置7c涂布了规定的润滑剂。
插入了芯棒M的中空管坯H，在该状态下借助管坯装入装置7a和芯棒插入装置7b，用芯棒式无缝管轧机7进行延伸轧制，成形为精轧用管坯。
从延伸轧制后的精轧用管坯中拔出的芯棒，经横送台8移载在芯棒循环路径9上，经芯棒冷却水槽10移载到芯棒插入装置7b上，供下次的中空管坯的延伸轧制中使用。多根芯棒M被循环使用。
如上所述，在本发明的加工方法中，向用穿轧机3穿孔轧制出的中空管坯H的内部供给水分，使管内表面的氧化皮层成长，然后由芯棒式无缝管轧机7进行延伸轧制，向管内供给的水分可以是水蒸气和水中任一种，这是因为即使在供给水的情况下，内部也是高温(约1200℃)，从而水瞬间蒸发就会变成水蒸气。
(关于水蒸气气氛)。
如上述图2所示，通过使管内的水蒸气浓度为2.5体积％以上，由于可以显著增大氧化速度，因此效果变大，水蒸气浓度越增加，其效果越增大。但是当超过20体积％时，其效果有饱和的倾向。为此，管内水蒸气的浓度优选定为2.5～20体积％。
(中空管坯的内表面温度和氧化时间)使管内形成水蒸气气氛后而成长的氧化皮，FeO的量越多越好，为此，作为管内表面温度优选定为1100℃以上。
另一方面，为了确保氧化皮厚度，保持水蒸气气氛的氧化时间越长越好。根据本发明人研究的模拟实机的试验，确认了在氧化温度为1150℃、水蒸气浓度为2.5体积％的氢气氛下开始氧化，换句话说，在从向管内供给水分结束时刻起经过了15秒左右的时刻确认到生成FeO和氧化皮的膜厚度增加，只要至少氧化15秒，就能确保足够的氧化皮厚度和FeO量。
由此，在本发明的热加工方法中，优选把中空管坯的内表面温度定为1150℃以上，且把水蒸气气氛保持15秒以上。
(向管内供给水分的时刻和供给方法)在此，在芯棒式无缝管轧机的轧制中，用穿轧机刚穿孔后的中空管坯的温度通常是1200℃左右，以后到达芯棒式无缝管轧机的入口，换句话说，到芯棒插入其内部有30～40秒左右的延迟。
即，只要在芯棒式无缝管轧机开始轧制之前15秒左右向管内供给水分即可，但更优选是在由穿轧机穿孔后，尽可能早地向管内添加水分。具体地讲，优选使用上述图4所示的水分供给装置5A和5B中的5A供给水分。
另外，向管内供给水分，不限于由水分供给装置5A供给一次，也可以由5A进行多次供给或由5B进行增加供给，还可以在5A和5B之间再配置多个水分供给装置，使用它们进行间断的水分供给，在这种多次供给水分的情况下，管内可以维持较高的水蒸气浓度。
另外，使用硼酸系等辅助润滑剂时也同样，根据同样的氧化条件就能谋求充分的改善。即使在这种情况下，也优选向管内供给水分能在由图4所示的辅助润滑剂涂布装置6向管内投入辅助润滑剂之前的尽可能早的时刻进行。
这是因为即使在投入辅助润滑剂之后进行水分供给，由于氧化皮层的生成速度不快，不能形成有助于提高润滑性的足够量的B-Fe系化合物。例如，作为硼酸系等辅助润滑剂，可以举出惯用的硼酸苏打70％-金属皂30％的润滑剂。
以上是在使用芯棒式无缝管轧机作为延伸轧管机的情况下进行的说明，在延伸轧管机是芯棒式轧管机、芯棒式无缝管轧机、阿塞尔轧管机、皮尔格式轧机和圆盘形穿孔轧机的情况下也与上述情况同样可以适用。
准备了由具有表2所示的化学组成的4种钢构成的、外径为191mm、长度为2500mm的圆钢坯，另一方面，准备了材料是SKD61、外径为160mm、有效长度为12m、其表面硬度为维氏硬度400、在其表面上实施了下面的赋予氧化皮处理的芯棒。
赋予氧化皮的条件，是加热大气气氛，加热温度是630℃、加热时间是20分钟，其氧化皮结构是从上述的铁素体表面向外依次为(FeCr)3O4、Fe3O4、Fe2O3的叠层结构，详细地讲，是由FeCr2O4和Fe3O4构成的内层氧化皮层和由Fe3O4和Fe2O3构成的外层氧化皮层这样的两层结构，其厚度是7～10μm。
表2
准备的圆钢坯装入旋转炉底的加热炉内并在1200～1250℃的温度范围内进行加热，由满乃斯曼穿轧机制造出外径为196mm、壁厚为16mm、长度为7500mm的中空管坯。
作为条件1(本发明例)，在直接使用水喷射喷嘴向中空管坯的内部喷射供给室温状态的工业用水约200～300cm3之后，使用上述芯棒进行芯棒式无缝管轧机轧制，制造出外径为151mm、壁厚为6.25mm、长度为25m的精轧用管坯。另外，通过气体分析确认到喷射供给的水立即蒸发，管内部成为水蒸气浓度为10～20体积％的氧化性气氛。
另一方面，作为条件2(本发明例)，在与上述同样地喷射供给工业用水后，向即将插入芯棒时的管内部投入硼酸系的辅助润滑剂并在管内表面上形成其覆膜，除此而外，在与条件1相同条件下用芯棒式无缝管轧机进行轧制，制造出外径为151mm、壁厚为6.25mm、长度为25m的精轧用管坯。
作为条件3(以往例)，除了不向中空管的内部喷射供给水之外，在与条件1相同的条件下用芯棒式无缝管轧机进行轧制，制造出外径为151mm、壁厚为6.25mm、长度为25m的精轧用管坯。
作为条件4(以往例)，除了向管内仅投入硼酸系的辅助润滑剂来代替向中空管坯的内部喷射供给水之外，在与条件1相同的条件下，用芯棒式无缝管轧机进行轧制，制造出外径为151mm、壁厚为6.25mm、长度为25m的精轧用管坯。
另外，向管内部喷射供给水的位置，在刚刚由穿轧机穿孔之后和由芯棒式无缝管轧机进行轧制之前15秒的任一方或双方进行。
无论在哪一种条件中，在芯棒的表面上都涂布石墨系润滑剂，使干燥固化后的厚度为150μm。再在硼酸系辅助润滑剂中投入涂布硼酸苏打70％-金属皂30％的润滑剂，使之相对于管的内表面积为150g/m2。
作为评价方法，定义芯棒的“寿命评点比”并进行了评价。“寿命评点比”是在各条件下对每一次轧管、即对每轧一个钢坯都观察芯棒的表面，直到产生烧结或表面龟裂等表面损伤，对所轧制的钢坯个数进行计数后，对每种钢由下述的(1)式算出的。
寿命评点比＝n/N …(1)n在条件1、2或者4下可以轧制的钢坯个数；N在条件3下可以轧制的钢坯个数。
把上述的评价结果汇总表示在表3中。在表3中的“水蒸气的添加时间”栏中的“紧接在P之后”表示在刚刚由穿轧机穿孔之后进行供给，“M前15秒”表示在芯棒式无缝管轧机进行轧制之前15秒进行供给。
图5是表示不使用辅助润滑剂时的“寿命评点比”的评价结果的图，图6是表示使用辅助润滑剂时的“寿命评点比”的评价结果的图。
表3
如表3、图5和图6所示，根据本发明的方法，不管有没有使用辅助润滑剂，芯棒的寿命都会延长2～3倍。同样地也确认到了芯棒式无缝管轧机进行轧制后的内外表面的表面缺陷减少了。
水分的供给位置，在刚刚由穿轧机穿轧之后和在芯棒式无缝管轧机轧制之前15秒的双方进行供给时效果最好，其次是穿轧机之后，再次是芯棒式无缝管轧机进行轧制之前15秒。
根据本发明的含Cr钢的热加工方法，把在含Cr钢上形成的新生面保持在水蒸气气氛中，形成含有FeO的氧化皮，然后进行下一道工序的热加工，更具体地讲，在制造无缝钢管时，向被穿轧后的中空管坯的内部供给水分，使形成了新生面的上述中空管坯的内表面保持在水蒸气气氛中，从而在管内表面上形成含FeO的氧化皮，然后进行下次的延伸轧制，因此，通过采用简便的操作方法和设置简易的装置结构，就可以谋求减少在热加工后产生的表面缺陷，可以大幅度地延长工具寿命。由此，可以有助于高效地制造需求增大的含有5～18％Cr的含Cr钢。
权利要求
1.一种含Cr钢的热加工方法，包括在含Cr钢的热加工中形成新生面的工序，其特征在于，把形成在含Cr钢上的上述新生面保持在水蒸气气氛中，形成含FeO的氧化皮，然后进行下道工序的热加工。
2.一种含Cr钢的热加工方法，由含Cr钢经作为热加工的穿孔轧制和延伸轧制来制造无缝钢管，其特征在于，向上述被穿孔轧制后的中空管坯的内部供给水分，把形成了新生面的上述中空管坯的内表面保持在水蒸气气氛中，从而使管内表面形成含FeO的氧化皮，然后进行下面的延伸轧制。
3.根据权利要求
1或2所述的含Cr钢的热加工方法，其特征在于，上述水蒸气气氛含有2.5～20体积％的水蒸气。
4.根据权利要求
2或3所述的含Cr钢的热加工方法，其特征在于，使上述中空管坯的内表面温度为1150℃以上，并将上述水蒸气气氛保持15秒钟以上。
5.根据权利要求
2所述的含Cr钢的热加工方法，其特征在于，在向上述中空管坯的内部投入润滑剂的情况下，在投入润滑剂之前进行上述水分的供给。
专利摘要
根据本发明的含Cr钢的热加工方法，把在含Cr钢上形成的新生面保持在水蒸气气氛中，形成含有FeO的氧化皮，然后进行下一道工序的热加工，更具体地讲，在制造无缝钢管时，向被穿轧后的中空管坯的内部供给水分，把形成了新生面的上述中空管坯的内表面保持在水蒸气气氛中，从而在管内表面上形成含FeO的氧化皮层，然后进行下次的延伸轧制，因此，通过采用简便的操作方法和设置简易的装置结构，就可以谋求减少在热加工后产生的表面缺陷，可以大幅度地延长工具寿命。由此，可以有助于高效地制造需求增大的含有5～18％Cr的含Cr钢。
文档编号B21B17/02GK1993189SQ200480043635
公开日2007年7月4日 申请日期2004年7月20日
发明者日高康善, 饭田纯生, 安乐敏朗, 中池纮嗣 申请人:住友金属工业株式会社导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan