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無縫鋼管水淬熱處理工藝

42CrMo無縫鋼管的成熟熱處理工藝采用油或淬火液進行淬火,但是成本高,且淬火裂紋是一種嚴重的質量問題,出現就會導致鋼管零件報廢。本文研究用水作為淬火冷卻介質,提出針對42CrMo無縫鋼管的熱處理工藝。


一、用水作為淬火冷卻介質


首先進行了42CrMo無縫鋼管的小批量熱處理試驗,鋼管尺寸為φ98.43mm(外徑)×11.93mm(壁厚),材料性能要求抗拉強度>655MPa,屈服強度552~665MPa,伸長率>20%。小批量熱處理數量12支,淬火加熱溫度920℃,保溫50min,淬火冷卻介質是水,淬火采取浸入內噴方式,淬后管子溫度40℃以下,回火溫度735℃,保溫105min。鋼管調質后,力學性能合格,但是發現8支管子內表面出現大量的裂紋,導致鋼管報廢。

裂紋照片如圖1所示,為了分析裂紋特征,推斷裂紋產生的階段和原因,提出針對性防止措施,進行了工藝改進和效果驗證。

圖1 初始工藝熱處理后的鋼管裂紋


(1)微觀組織觀察  微觀組織顯示劑為4%的硝酸酒精,用德國蔡司Axio ImagerA2m金相顯微鏡進行觀察。

(2)力學性能檢驗  依據ASTM A370標準對試樣進行縱向拉伸性能檢測,檢驗設備型號:SHT5605 60t。依據ASTM E23標準對試樣進行0℃縱向沖擊試驗,檢驗設備型號:NI300F。


二、裂紋的特征和產生原因分析


2.1 裂紋宏觀特征
裂紋都在內表面,筆直有力,深度為2~5mm,長度為20~200mm,裂口尖銳,說明開裂時應力較大,是典型的淬火裂紋。圖2是裂紋在顯微鏡下的照片。

圖2 裂紋在顯微鏡下的特征(50×)


2.2 裂紋區域的顯微組織
裂紋區的組織是正常的回火索氏體,裂紋處無明顯氧化脫碳,說明是在淬火過程中產生的開裂,與淬火裂紋特征一致。

2.3 裂紋原因分析
此規格鋼管口徑小,壁厚較薄,奧氏體化后存儲的熱能小,加上42CrMo淬透性較強,水冷卻速度快,很容易完全淬透。馬氏體形態分為板條馬氏體和片狀馬氏體。板條馬氏體具有高強度、高硬度,且相當高的塑性和韌性,而片狀馬氏體具有高強度,但是韌性差,比較脆。wC≤0.2%時,基本是板條馬氏體,wC=0.2%~1%時,是板條馬氏體和片狀馬氏體混合組織,42CrMo淬火后是板條馬氏體和片狀馬氏體混合組織。鋼管在冷卻過程中存在溫度應力和組織應力。過冷奧氏體轉變為馬氏體不久后,裂紋才開始出現。溫度應力可以導致鋼管的變形,此階段奧氏體的塑性好,通過變形得到應力釋放。奧氏體的密度小于馬氏體的密度,轉變為馬氏體后,要發生體積膨脹,產生組織應力,轉變為馬氏體的程度越充分,應力就越大,鋼管表面受應力也越大,從而產生裂紋。



三、熱處理工藝的優化和應用效果


根據淬火裂紋產生的原因分析,提出以下優化的淬火工藝措施:

1)降低鋼管淬火加熱溫度到880℃,以減小溫度應力。

2)適當降低內噴頭水泵的壓力,減小水的流動速度,從而降低組織應力。

3)降低淬水深度,使得圓周方向1/4的鋼管在水面,3/4的鋼管在水下,以降低組織應力。

4)減少鋼管在水中的冷卻時間,提高鋼管的出水溫度到120~160℃。

5)利用余溫自回火,降低應力集中。

6)回火工藝仍然按735℃保溫105min。

采用優化的熱處理工藝進行60支鋼管熱處理生產,鋼管經過超聲波檢測和表面質量檢查后發現,質量良好,合格率100%。圖3是采用改進的熱處理工藝生產的鋼管顯微組織和晶粒度照片。

圖3 熱處理工藝優化后的42CrMo組織和晶粒度(500×)


采用改進的熱處理工藝進行生產的鋼管組織是回火索氏體,淬透性良好,沒有條狀或塊狀鐵素體存在,碳化物均勻分布,組織致密,晶粒尺寸平均20μm,平均晶粒度8.0級,為獲得良好的力學性能提供了基礎。力學性能檢測結果見表1。

表1 熱處理工藝優化后的性能結果

由表1可以看出,強度和韌性都在技術協議要求范圍內,改進的熱處理工藝并沒有降低材料的強度和韌性,利用余溫自回火有效降低了淬火過程中的應力集中,確保了鋼管質量。


四、結束語


采用水作為淬火冷卻介質,降低了42CrMo鋼管熱處理生產成本的工藝。水淬最大風險是淬火裂紋,針對淬火裂紋,提出了改進的淬火工藝,為用水作為淬火冷卻介質進行42CrMo鋼管熱處理提供了指導性數據。
參考文獻:略。

作者:王錦永,齊希倫,費志偉,葉丙義

單位:新興鑄管股份有限公司馬頭特種管材分公司

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