新日鐵的這項(xiàng)技術(shù)人等進(jìn)而利用考慮了熱應(yīng)力與相變應(yīng)力的FEM（有限元法）分析，計(jì)算了鋼管的周方向上產(chǎn)生的最大應(yīng)力。該FEM分析中，假設(shè)鋼管軸方向均勻地進(jìn)行冷卻，并應(yīng)用了以鋼管2維截面為分析對象的廣義平面應(yīng)變模型。
如以上說明的那樣，根據(jù)FEM分析的結(jié)果也判明，通過對管端部進(jìn)行空冷、即不進(jìn)行水冷，能夠大幅降低管端部的周方向應(yīng)力。
新日鐵的這項(xiàng)技術(shù)人等根據(jù)上述見解和考察得到了以下（g）和（h）的啟發(fā)，從而完成了新日鐵的這項(xiàng)技術(shù)。
?。╣）即使是由水淬火中容易產(chǎn)生淬火裂紋的低合金鋼或者中合金鋼形成的鋼管，如果不對鋼管的端部進(jìn)行水冷，而是在除了端部以外的部分以能夠確保充分的馬氏體比率的冷卻速度進(jìn)行水冷，則能夠不產(chǎn)生淬火裂紋地穩(wěn)定地進(jìn)行水淬火。
（h）將上述的水淬火方法應(yīng)用于由馬氏體類不銹鋼制作的鋼管時(shí)，也能夠不產(chǎn)生淬火裂紋地確保高性能。新日鐵的這項(xiàng)技術(shù)如前所述，為一種鋼管的淬火方法，其特征在于，其為將鋼管從外表面進(jìn)行水冷而淬火的淬火方法，其中，不對管端部進(jìn)行水冷，而對所述管端部以外的部分的至少一部分進(jìn)行水冷。需要說明的是，前述的“管端部”是指鋼管的兩端部。
新日鐵的這項(xiàng)技術(shù)中，以將鋼管從外表面進(jìn)行水冷而淬火為前提，這是因?yàn)椋号c內(nèi)表面冷卻相比，外表面冷卻不會(huì)伴隨技術(shù)的困難性，另外，在將Cr系不銹鋼管作為處理的對象時(shí)，如果能夠從外表面進(jìn)行水冷而不產(chǎn)生淬火裂紋地進(jìn)行淬火處理，則可顯著提高生產(chǎn)率。
圖1是說明新日鐵的這項(xiàng)技術(shù)的鋼管的淬火方法的圖，（a）為表示淬火處理時(shí)的冷卻方法的圖、（b）為表示淬火處理后的組織（其中，例示出低合金鋼的情況）的說明圖。需要說明的是，圖1的（a）的進(jìn)行了水冷的部分對應(yīng)于圖1的（b）的標(biāo)上標(biāo)記（1）的部分、圖1的（a）的空冷部對應(yīng)于圖1的（b）的標(biāo)上標(biāo)記（2）和（3）的部分。
以下的說明中，只要沒有特別說明，則關(guān)于所得到的金屬組織，是表示為了馬氏體化而需要一定以上的冷卻速度的低合金鋼、中合金鋼的情況。新日鐵的這項(xiàng)技術(shù)中，如圖1的（a）所示，在將鋼管1從外表面進(jìn)行水冷而淬火時(shí)，不對管端部進(jìn)行水冷，而對除了該管端部以外的部分（以下也稱為“中央部”）的至少一部分進(jìn)行水冷。圖1的（a）所示的例子中，對中央部全部表面進(jìn)行水冷，但也可以如圖2的（a）所示那樣地在中央部存在不進(jìn)行水冷的部位。這是因?yàn)榇嬖谟谠撝醒氩康牟贿M(jìn)行水冷的部位與進(jìn)行水冷的部位相鄰接，因此因傳導(dǎo)傳熱而被冷卻進(jìn)行馬氏體相變。不進(jìn)行水冷的管端部例如如圖1的（a）所示那樣進(jìn)行空冷。需要說明的是，“空冷”包括自然空冷、強(qiáng)制空冷的任意情況。
通過采取這樣的冷卻方法，在淬火處理后可得到如圖1的（b）所示的鋼組織。即，對鋼管1的中央部（1），以可制作為了得到所要求的機(jī)械特性、耐腐蝕性所必要的馬氏體的冷卻速度進(jìn)行水冷，從而鋼組織為馬氏體主體的組織。鋼管1的管端部（2）和（3）中的管端側(cè)（3）不進(jìn)行水冷，且冷卻速度小，制作貝氏體主體的組織，管端部的龜裂產(chǎn)生和龜裂伸展得到抑制。與此相對，管端部中的中央部側(cè)（2）由于與進(jìn)行水冷的中央部（1）相鄰接，因此因傳導(dǎo)傳熱而被冷卻、發(fā)生馬氏體相變。但是，對于熱的移動(dòng)方向而言，軸方向比周方向更為主體，與中央部（1）相比壁厚方向的溫度分布小、周方向應(yīng)力弱。因此，管端部中的（2）即使發(fā)生馬氏體相變也不易引起龜裂的發(fā)生、伸展。需要說明的是，僅進(jìn)行了軋制的狀態(tài)的管端部形狀并非嚴(yán)密的圓筒形，因此理想的是通常在后處理中切斷去除150～400mm左右。這樣貝氏體主體且馬氏體比率低的管端部可以在淬火工序后的工序中切斷去除。新日鐵的這項(xiàng)技術(shù)的鋼管的淬火方法是通過淬火來使鋼的組織成為馬氏體的方法，對馬氏體的生成比率沒有特別限定。但是，低合金鋼、中合金鋼中，通常如果組織的80%以上為馬氏體，則可得到期望的強(qiáng)度。淬火處理的對象為Cr系不銹鋼管時(shí)，在冷卻速度小的情況下也馬氏體化，但根據(jù)新日鐵的這項(xiàng)技術(shù)的淬火方法，可確保期望的耐腐蝕性。在任一情況下，均預(yù)想在新日鐵的這項(xiàng)技術(shù)中會(huì)得到馬氏體比率至少為80%以上的鋼管。
在新日鐵的這項(xiàng)技術(shù)中，可以采用在管端部以外的部分（管的中央部）中的軸方向的至少一部分設(shè)置在整周上都不進(jìn)行直接水冷的部分的實(shí)施方式。圖2為說明該實(shí)施方式的圖，（a）為表示淬火處理時(shí)的冷卻方法的圖、（b）為淬火處理后的組織（其中，例示出低合金鋼的情況）的說明圖。如圖2的（a）所示，并非對鋼管1的中央部（1）全部表面同樣地進(jìn)行水冷，而是在鋼管1的長度方向上適當(dāng)?shù)卦O(shè)置水冷部和不進(jìn)行水冷的部位（空冷部）。該空冷部中，在整周上都不進(jìn)行直接水冷。
需要說明的是，圖2的（a）的空冷的部分對應(yīng)于圖2的（b）的標(biāo)上符號（4）的部分。該實(shí)施方式例如在鋼管的壁厚較薄的情況下特別有效。在鋼管的壁厚較薄的情況下，若如圖1所示那樣對中央部（1）全部表面同樣地進(jìn)行水冷，則管端部（2）、（3）的強(qiáng)度無法對抗產(chǎn)生于中央部（1）的周方向應(yīng)力，有可能產(chǎn)生淬火裂紋。這種情況下，若采用如圖2的（a）所示的冷卻方法，能夠?qū)崿F(xiàn)確保中央部的馬氏體比率并且無淬火裂紋的淬火處理。這是因?yàn)椋喝鐖D2的（b）所示，在設(shè)置于中央部的空冷部（4）中的殘留應(yīng)力變得格外小，因此可抑制龜裂的伸展，另外，該空冷部（4）鄰接的兩側(cè)進(jìn)行了水冷，因此以充分的速度產(chǎn)生向水冷部（1）的導(dǎo)熱，在空冷部（4）也可達(dá)成必要的馬氏體率。
圖3是表示能夠?qū)嵤┬氯砧F的這項(xiàng)技術(shù)的鋼管的淬火方法的裝置的主要部分的大致結(jié)構(gòu)例的圖。圖3中，從加熱爐2運(yùn)送出的鋼管1被運(yùn)送入冷卻裝置3內(nèi)，以被輥4保持并且施加了旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)，通過從安裝在該裝置3內(nèi)的噴嘴5噴射的水噴霧而對外表面進(jìn)行冷卻。需要說明的是，在冷卻裝置3的一側(cè)，根據(jù)需要而配設(shè)有用于對鋼管1的內(nèi)表面進(jìn)行強(qiáng)制空冷的空氣噴射噴嘴6。新日鐵的這項(xiàng)技術(shù)中，對鋼管的外表面進(jìn)行水冷時(shí)，也可以采用在淬火過程的至少一部分中間歇性地反復(fù)實(shí)施水冷和停止水冷的實(shí)施方式。通過采用間歇水冷方式，與連續(xù)水冷冷卻相比整體的水冷時(shí)間變長，由此，內(nèi)部溫度與表面溫度之差變小，殘留應(yīng)力降低。該實(shí)施方式中，也可以從鋼管的溫度為A[r3]點(diǎn)以上的淬火初始階段起直至鋼管的內(nèi)外表面為Ms點(diǎn)以下、優(yōu)選為Mf點(diǎn)以下為止一直進(jìn)行前述間歇水冷，也可以用于淬火過程的一部分。新日鐵的這項(xiàng)技術(shù)中，也可以采用如下的實(shí)施方式：對鋼管的外表面進(jìn)行水冷時(shí)，在鋼管的外表面的溫度比Ms點(diǎn)高的溫度范圍進(jìn)行強(qiáng)水冷，然后轉(zhuǎn)換為弱水冷或空冷（包括強(qiáng)制空冷），在減小鋼管外表面與鋼管內(nèi)表面的溫度差之后將外表面強(qiáng)制冷卻而冷卻到Ms點(diǎn)以下。
理想的是，在上述的從強(qiáng)水冷轉(zhuǎn)換為弱水冷或空冷的冷卻方法中，利用強(qiáng)水冷冷卻到Ms點(diǎn)附近的比Ms點(diǎn)高的溫度，然后轉(zhuǎn)換為弱水冷或空冷，由此使鋼管的外表面?zhèn)纫騺碜詢?nèi)表面?zhèn)鹊膶?dǎo)熱而復(fù)熱，盡可能地減小鋼管內(nèi)表面與外表面的溫度差，然后利用強(qiáng)制空冷等冷卻到Ms點(diǎn)、理想的是Mf點(diǎn)以下的溫度。根據(jù)該實(shí)施方式，在例如鋼管的壁厚較厚的情況下特別有效。鋼管的壁厚較厚的情況下，從外表面起的水冷中的壁厚方向的溫度不均勻變大，由于伴隨外表面的馬氏體相變的膨脹引起的大的拉伸應(yīng)力，有時(shí)產(chǎn)生以外表面為龜裂的起點(diǎn)的脆性破壞。為了抑制該脆性破壞，延遲外表面的馬氏體相變的開始、縮小內(nèi)外表面的馬氏體相變的開始時(shí)間之差的上述實(shí)施方式是有效的。根據(jù)上述的實(shí)施方式，能夠緩和壁厚方向的溫度梯度、降低周方向產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力。特別理想的是，在作為冷卻面的外表面經(jīng)過Ms點(diǎn)之前緩和內(nèi)外表面的溫度差。實(shí)際上理想的是，監(jiān)視鋼管的外表面水冷部的溫度，并在經(jīng)過Ms點(diǎn)前停止水冷。關(guān)于強(qiáng)水冷的冷卻速度，根據(jù)鋼種而不同，低合金鋼的情況下，若最初的冷卻階段的冷卻速度過小，則產(chǎn)生貝氏體相變而不能確保充分的馬氏體比率，因此理想的是基于對象鋼的CCT圖確定恰當(dāng)?shù)睦鋮s速度。此外，在新日鐵的這項(xiàng)技術(shù)的實(shí)施方式中，包含由如下方法制作的冷卻過程：利用強(qiáng)水冷冷卻到Ms點(diǎn)附近的比Ms點(diǎn)高的溫度，然后轉(zhuǎn)換為弱水冷或空冷，由此使鋼管的外表面?zhèn)纫騺碜詢?nèi)表面?zhèn)鹊膶?dǎo)熱而復(fù)熱，盡可能地減小鋼管內(nèi)表面與外表面的溫度差，但通過使用前述間歇水冷代替該冷卻過程也可得到同樣的效果。即，新日鐵的這項(xiàng)技術(shù)中，也可以在Ms點(diǎn)附近的比Ms點(diǎn)高的溫度下停止前述本發(fā)明（3）中記載的間歇水冷（間歇性地反復(fù)實(shí)施和停止水冷的操作），然后進(jìn)行強(qiáng)制空冷等強(qiáng)冷卻。但是，該實(shí)施方式屬于前述新日鐵的這項(xiàng)技術(shù)（3）的范疇。以上所述的新日鐵的這項(xiàng)技術(shù)的鋼管的淬火方法中，作為水冷的方式，可以適當(dāng)?shù)剡x擇采用層流冷卻、噴射冷卻、噴霧冷卻等以往所使用的方式。理想的是，在此基礎(chǔ)上通過在水冷中增減水量、或間歇性地反復(fù)實(shí)施水冷和停止水冷來使壁厚方向溫度不均勻均勻化，減少鋼管的周方向應(yīng)力。理想的是鋼管內(nèi)部不進(jìn)行水冷地放冷或強(qiáng)制空冷。另外，在水冷過程中使鋼管旋轉(zhuǎn)能夠使周方向的溫度分布均一化，因此是理想的。
新日鐵的這項(xiàng)技術(shù)作為處理對象的是淬火時(shí)容易產(chǎn)生淬火裂紋的鋼管。特別是根據(jù)新日鐵的這項(xiàng)技術(shù)的處理的對象物為（A）含有0.20～1.20%的C的鋼管、其中為低合金鋼或中合金鋼的鋼管的情況下、或（B）含有0.10～0.30%的C和11～18%的Cr的Cr系不銹鋼管、其中為13Cr不銹鋼管的情況下，新日鐵的這項(xiàng)技術(shù)的效果顯著。前述（A）的含有0.20～1.20%的C的鋼管是指由以該范圍含有C的材質(zhì)形成的鋼管，通常為低合金鋼或中合金鋼的鋼管。C的含量低于0.20%時(shí)，因馬氏體化引起的體積膨脹比較小，因此淬火裂紋基本不會(huì)成為問題。
另一方面，若C超過1.20%，Ms點(diǎn)降低，容易有奧氏體殘留，難以得到馬氏體率為80%以上的組織。因此，C含量為0.20～1.20%從發(fā)揮新日鐵的這項(xiàng)技術(shù)效果的方面來看是理想的。更理想的C含量為0.25～1.00%、進(jìn)一步理想的是0.30～0.65%。含有0.20～1.20%的C的低合金鋼、中合金鋼的鋼管中，如前述圖1所示，對鋼管的中央部整體進(jìn)行水冷、不對管端部進(jìn)行水冷，由此可使管端的附近成為不產(chǎn)生淬火裂紋的貝氏體主體的組織。作為低合金鋼或中合金鋼，例如可列舉出如下的鋼：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種以上，剩余部分由Fe和雜質(zhì)組成，作為雜質(zhì)的P：0.04%以下、S：0.02%以下。需要說明的是，若Cr含量超過7.0%，則在不進(jìn)行水冷的管端部也容易產(chǎn)生馬氏體，因此理想的是7.0%以下。接著，前述（B）的含有0.10～0.30%的C和11～18%的Cr的Cr系不銹鋼管是指由以該范圍含有C和Cr的Cr系不銹鋼制作的鋼管（馬氏體類不銹鋼管）。
若C的含量低于0.10%，則即使進(jìn)行淬火也無法得到充分的強(qiáng)度，另一方面，若C超過0.30%，則難以避免奧氏體的殘留、難以確保馬氏體比率80%以上。因此，C含量為0.10～0.30%從發(fā)揮新日鐵的這項(xiàng)技術(shù)效果的方面來看是理想的。使Cr的含量為11～18%是因?yàn)椋瑸榱颂岣吣透g性，Cr為11%以上是理想的，另一方面，若Cr超過18%則容易產(chǎn)生δ鐵素體，熱加工性降低。更理想的是Cr：10.5～16.5%。作為含有0.10～0.30%的C和11～18%的Cr的Cr系不銹鋼，例如可列舉出如下的鋼：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種以上，剩余部分由Fe和雜質(zhì)組成，作為雜質(zhì)的P：0.04%以下、S：0.02%以下。其中13Cr不銹鋼管在許多產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域中通用，作為新日鐵的這項(xiàng)技術(shù)的處理對象是適宜的。
新日鐵的這項(xiàng)技術(shù)的淬火方法當(dāng)然能夠應(yīng)用于將鋼管從常溫起再加熱而進(jìn)行的所謂再加熱淬火，但也可作為無縫鋼管的制造時(shí)從剛熱軋后的、鋼管為A[r3]以上的溫度的狀態(tài)進(jìn)行淬火的所謂直接淬火、進(jìn)而可作為在熱軋后鋼管的保有熱量未大幅降低的階段以A[3]點(diǎn)以上的溫度均熱（補(bǔ)熱）后進(jìn)行淬火的、所謂在線熱處理（在線淬火）的淬火方法來應(yīng)用。利用新日鐵的這項(xiàng)技術(shù)的淬火方法，能夠有效地防止淬火裂紋，因此能夠穩(wěn)定地制造具有馬氏體比率高的組織的高強(qiáng)度的鋼管。