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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(jìn)行淬火,但是成本高,且淬火裂紋是一種嚴(yán)重的質(zhì)量問題,出現(xiàn)就會(huì)導(dǎo)致鋼管零件報(bào)廢。本文研究用水作為淬火冷卻介質(zhì),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(zhì)


首先進(jìn)行了42CrMo無縫鋼管的小批量熱處理試驗(yàn),鋼管尺寸為φ98.43mm(外徑)×11.93mm(壁厚),材料性能要求抗拉強(qiáng)度>655MPa,屈服強(qiáng)度552~665MPa,伸長率>20%。小批量熱處理數(shù)量12支,淬火加熱溫度920℃,保溫50min,淬火冷卻介質(zhì)是水,淬火采取浸入內(nèi)噴方式,淬后管子溫度40℃以下,回火溫度735℃,保溫105min。鋼管調(diào)質(zhì)后,力學(xué)性能合格,但是發(fā)現(xiàn)8支管子內(nèi)表面出現(xiàn)大量的裂紋,導(dǎo)致鋼管報(bào)廢。

裂紋照片如圖1所示,為了分析裂紋特征,推斷裂紋產(chǎn)生的階段和原因,提出針對性防止措施,進(jìn)行了工藝改進(jìn)和效果驗(yàn)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(jìn)行觀察。

(2)力學(xué)性能檢驗(yàn)  依據(jù)ASTM A370標(biāo)準(zhǔn)對試樣進(jìn)行縱向拉伸性能檢測,檢驗(yàn)設(shè)備型號:SHT5605 60t。依據(jù)ASTM E23標(biāo)準(zhǔn)對試樣進(jìn)行0℃縱向沖擊試驗(yàn),檢驗(yàn)設(shè)備型號:NI300F。


二、裂紋的特征和產(chǎn)生原因分析


2.1 裂紋宏觀特征
裂紋都在內(nèi)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(shí)應(yīng)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(qū)域的顯微組織
裂紋區(qū)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(chǎn)生的開裂,與淬火裂紋特征一致。

2.3 裂紋原因分析
此規(guī)格鋼管口徑小,壁厚較薄,奧氏體化后存儲(chǔ)的熱能小,加上42CrMo淬透性較強(qiáng),水冷卻速度快,很容易完全淬透。馬氏體形態(tài)分為板條馬氏體和片狀馬氏體。板條馬氏體具有高強(qiáng)度、高硬度,且相當(dāng)高的塑性和韌性,而片狀馬氏體具有高強(qiáng)度,但是韌性差,比較脆。wC≤0.2%時(shí),基本是板條馬氏體,wC=0.2%~1%時(shí),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(yīng)力和組織應(yīng)力。過冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體不久后,裂紋才開始出現(xiàn)。溫度應(yīng)力可以導(dǎo)致鋼管的變形,此階段奧氏體的塑性好,通過變形得到應(yīng)力釋放。奧氏體的密度小于馬氏體的密度,轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體后,要發(fā)生體積膨脹,產(chǎn)生組織應(yīng)力,轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的程度越充分,應(yīng)力就越大,鋼管表面受應(yīng)力也越大,從而產(chǎn)生裂紋。



三、熱處理工藝的優(yōu)化和應(yīng)用效果


根據(jù)淬火裂紋產(chǎn)生的原因分析,提出以下優(yōu)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(yīng)力。

2)適當(dāng)降低內(nèi)噴頭水泵的壓力,減小水的流動(dòng)速度,從而降低組織應(yīng)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(yīng)力。

4)減少鋼管在水中的冷卻時(shí)間,提高鋼管的出水溫度到120~160℃。

5)利用余溫自回火,降低應(yīng)力集中。

6)回火工藝仍然按735℃保溫105min。

采用優(yōu)化的熱處理工藝進(jìn)行60支鋼管熱處理生產(chǎn),鋼管經(jīng)過超聲波檢測和表面質(zhì)量檢查后發(fā)現(xiàn),質(zhì)量良好,合格率100%。圖3是采用改進(jìn)的熱處理工藝生產(chǎn)的鋼管顯微組織和晶粒度照片。

圖3 熱處理工藝優(yōu)化后的42CrMo組織和晶粒度(500×)


采用改進(jìn)的熱處理工藝進(jìn)行生產(chǎn)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(xué)性能提供了基礎(chǔ)。力學(xué)性能檢測結(jié)果見表1。

表1 熱處理工藝優(yōu)化后的性能結(jié)果

由表1可以看出,強(qiáng)度和韌性都在技術(shù)協(xié)議要求范圍內(nèi),改進(jìn)的熱處理工藝并沒有降低材料的強(qiáng)度和韌性,利用余溫自回火有效降低了淬火過程中的應(yīng)力集中,確保了鋼管質(zhì)量。


四、結(jié)束語


采用水作為淬火冷卻介質(zhì),降低了42CrMo鋼管熱處理生產(chǎn)成本的工藝。水淬最大風(fēng)險(xiǎn)是淬火裂紋,針對淬火裂紋,提出了改進(jìn)的淬火工藝,為用水作為淬火冷卻介質(zhì)進(jìn)行42CrMo鋼管熱處理提供了指導(dǎo)性數(shù)據(jù)。
參考文獻(xiàn):略。

作者:王錦永,齊希倫,費(fèi)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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