超级13Cr_95钢级无缝钢管热处理工艺研究_刘静.pdf

热处理工艺超级钢级无缝钢管热处理工艺研究刘静，刘富强，高杰（新兴铸管股份有限公司，河北邯郸）摘要：研究了超级挤压管的热处理工艺，通过不同温度的淬火及回火 处理，探寻获得性能稳定的钢级无缝钢管的热处理工艺，实现车间批量生产。试验结果表明，淬火温度对超级钢的 力学性能影响较小，而冋火温度对其屈服强度的影响较大。回火温度由低向高增加的过程中，存在两个力学性能 能够达到钢级的温度区间：低温段回火 时，屈服强度随温度变化的波动幅度较大，不利于性能的稳定控制；高温段回火时，屈服强度随温度变化的波动较小，可以获得较为稳定的力学性能。利用显微镜、扫描电镜观察和分析热处理后的显微组织，从理论上说明形成稳定拉伸性能的原因。关键词：无缝钢管；超级；钢级；热处理工艺：开放科学（资源服务）标识码（）：，（，）：，？，？，？，：；随着能源需求逐年增加，针对含有腐蚀性气体浓度较高以及含少量硫化氢气体井下环境，采用普通的油气管线材料已经无法满足腐蚀要求；因此，经济型耐蚀材料超级迅速得到应用。在普通马氏体不锈钢中通过添加适量的和，可使材料在环境中拥有优良的刘静（），女，高级工程师，长期从事特种管材的研发工作。抗点蚀和抗均匀腐蚀性能。目前，超级的钢级无缝钢管应用较广，近几年国内外超级的钢级的需求量也在逐年增加，而钢级产品仅在国外的资料中查到，未见国内文献研究及生产厂家的实际供货报道。而在实际热处理试验中发现，超级通过调质处理达到稳定的钢级难度 非 常大，主要问题是回火温度区间非 常窄，很难实现批量的工业化生产。为更好地指导生产，获得性能稳定的超级 钢级无缝钢管，对超 ，钢管年月第卷第期热处理工艺（宽厚长）棒状试样。首先进行泮火试验，萍火加热温度采用，丈，采用实验室马弗炉进行热处理加热试验，炉温升至设定温度保温后，放人试样，保温空冷，测试其拉伸 强 度、硬 度、组织、晶粒度（采用按照一定比例配制后进行热蚀。然后进行回火试验，淬火温度选择丈，回火温度分别 为，丈，保温空冷。采用微机控制电子 万能试验机测定拉伸性能，采用全洛氏硬度计测试硬度，分析性會巨变化趋势；米用蔡司显微镜及扫描电子显微镜观察分析组织状态变化。试验结果及分析超级相图及挤压无缝管组织利用软 件模拟超级平衡状态下凝固相的转变，结果如图所示。从图中观察，平衡状态下超级完全奥氏体温度在近为 奥氏体相，可认定该区间为淬火区间平衡状态下整个凝固过程中析出相 主要为、賊（：等，室温组织为铁素体、碳化物及少量的残余奥氏体。实际生产过程中，由于为非平衡状态凝固，室温组织内存在少量高温铁素体。超级坯料经过挤压后，组织中仍残留少量高温铁素体，基体组织为板条马氏体、高温铁素体及少量残余奥氏体，如图所示。淬火加热温度对组织和性能的影响淬火加热温度对力学性能的影响淬火温度对超级挤压管拉伸性能的影响见表。可以看出，随着淬火加热温度由低至高，强度略有下降，但强度及伸长率变化幅度较小。温 度？液 相铁素体奥氏体？（）相？相图超级的相图图超级挤压 管的组织表淬火温度对超级挤压管 拉 伸性能的影响淬火温度，抗拉强度？屈服强度 伸长率断面收缩率 淬火加热温度对晶粒度的影响淬火温度对超级挤压管晶粒尺寸的影响如图所示。可以看出，随着淬火温度的升高，晶粒尺寸由大变小再变大，丈晶粒尺寸总体变化不大；丈淬火时再结晶不完全，原挤压态晶粒部分保留；淬火 时发生了完全再结级（）进行了热处理工艺研究。试验材料及方法试验材料试验用材料采用锻坯挤压成的无缝钢管，锻坯表试验用超级钢的化 学成 分（质量分数）利用电炉冶炼及炉外钢包精炼炉（，）精炼，棒料规格，采用挤压机挤压成无缝钢管，挤压成的无缝钢管规格为。试验锻坯挤压成无缝钢管用超级钢的化学成分见表。余量试验方法从 挤压无缝钢管上切取 刘静等：超级钢级无缝钢管热处理工艺研究钢管年月第卷第期热处理工艺 回火温度伸 长 率最 大 硬 度硬度最小 伸 长 率（）硬度和 伸长率图丈淬 火时不同回火温度 下超级挤压管的强度、硬度、伸长率变 化曲线在，屈服强度均可达到钢级。从图（）中可以看出，硬度 和 伸长率随回火温度升高变化趋势相反，硬度随回火温度升高先降低后升高，伸长率随温度升高先升高后降低。在？回火，硬度满足要求（）；在？丈回火，伸长率达到要求）。由此可见，满足钢级主要控制的性 能指标为屈服强度，只要屈服强度指标达到要求，其他性能指标均可满足要求。综合考虑，在调质钢级时，采用低温温度段进行回火热处理，车间批量生产热处理炉控制精度（一般为）难以达到；而采用 ：高温温度段回火，回火温度区间较宽，车间批量热处理炉温度控制易于达到。因此，选取高温温度区间在车间进行小批量热处理。回火温度对组织的影响显微镜下观察回火温度丈的组织，并仅列出利 用显微镜观察的回火温度为，丈的组织，如图所示。回火 时，马氏体板条宽大，板条上及板条间析出物较少，腐蚀后颜色较浅；随着回火温度升高，马氏体明显分解，回火温度？抗拉 强度及？最大屈服值。屈服 强 度。最 小屈服值（）强度晶，部分晶粒开始长大；？淬火 时晶粒尺寸较为均 匀，因此后期淬火热 处理均采用该区间温度进行淬火处理。图所示条状组织为高温铁素体。（），级（）：，级（）丈，级（）级图淬火温度对超级挤压管晶粒尺寸的影响回火温度对组织和性能的影响回火温度对力学性能的影响选择淬火温度冗，进行 不同温度的回火 热处理试验，回火温度间隔丈，保温时间为，空冷。强 度、硬度、伸长率变化曲线如图所示从图可以看出，不同回火温度对应的抗拉强度与硬度的变化趋势较一致，即随着回火温度的升高，先略微降低，随后又缓慢升高；丈回火 时抗拉强度最低，回火 时抗拉强度变化波动幅度较小。在：回火，屈服强度 随着回火温度的增加，数值波动幅度明显较大；回火温度在？丈时，屈服强度值先迅速降低，在 时达到最低值，回火温度继续升高，屈服强度又缓慢地升高，回火温度大于丈后，屈服强度快速上升。从图（）中可以看出，满足钢级的屈服强度（）最大与最小屈服强度值的范围线与屈服强度值随温度变化曲线相交后，存在左右两个温度段对应的屈服强度值满足钢级要求，左边温度段范围非常窄，在，回火温度在时对应的屈服强度值满足钢级要求，降低丈或升高丈屈服强 度值变动达到 左右；而右边温度段温度范围较宽，回火温度范围自趔誤 ，热处理工艺板条变得细密，回火 时金相组织变得模中组织显示采用氯化铜盐酸腐蚀剂，腐蚀剂配比糊，分解后的 马氏体仍沿原马氏体板条方向。图是：氯化铜盐酸乙醇。（）：回火，保温（）：回火，保温（）：回火，保温图淬 火时不同回火温度 下超级挤压管的金相组织为了更清楚地观察马氏体分解前、后的组织，采用扫描电子显微镜对粹火组织及不同回火温度的组织形貌进行观察，分析组织变化，结果如图所示，图？所示组织显示均采用稀王水腐蚀剂，盐酸：硝酸：水的配比为：，重点观察碳化物析出及马氏体板条分解后形态。萍火后，组织中形成板条马氏体，晶内形成不同位向的板条束，基体中碳化物基本全部溶解（图）；回火处理后马氏体开始分解，碳化物沿晶界和板条间析出，并随回火温度升高碳化物析出量增 加（图？）；同时随着回火温度的升 高，原马氏体板条分解，板条宽度明显变窄，组织细密（图）。（）粹火，保温（）回火，保温（）回火，保温图淬 火及回火 后超级挤压管组织中碳化 物析出情况（）：回火，保温（）回火，保温图不同回火温度下马 氏体分解后板 条宽窄情况淬火后的超级挤压管在丈回火时的组织如图所示，重点观察逆转变奥氏体形成。采用氯化铜盐酸腐蚀剂，腐蚀剂配比为：氯化铜盐酸 乙醇。回火温度较低（丈）时，部分马氏体分解，分解后的马氏体仍沿原板条方向，在较低回火温度回火后，沿马氏体板条间析出粒状或小片状的逆变奥氏体；随着温度的升髙，条状和 片状逆变奥氏体的宽度 略变宽，此时马氏体板条宽度变窄；回火温度达到时，逆转变奥氏体明显增 多，宽度和长度均有所增长，宽度方向增大较快。随着回火温度升高，马氏体分解比较完全，板条宽度明显变窄，丈 回火时整个观察视场被片状逆转变奥氏体覆盖，回火冷却后，部分逆变奥氏体重新转变成马氏体。逆转变奥氏体确认分析丈回火后组织中白亮条（逆变奥氏体）的成分，能谱分析位置如图所示，分析结果见表。结果显示，白亮条的含量明显高于亮条间隙部位，而亮条间隙部位、的含量略高，进一步确认组织中发亮的条状析出为逆转变奥氏体检测结果分析造成超级挤压管屈服强 度 随回火温度升高而波动明显的原因主要是两个：一是板条马氏体位错密度的降低和升髙，二是逆转变奥氏体的形刘静等：超级钢级无缝钢管热处理工艺研究钢管年月第卷第期热处理工艺（）（）；（）（）（）（）：（）（）（）图不同回火温度下超级挤压管的组织状态图超级挤压管回火组织能谱分析位置表超级挤压管回火组织能谱分析结 果（质量分数）谱图谱图 谱图谱图 谱图成及马氏体的转变。回火温度在 尤时，屈服强度降低的主要原因是位错密度 降低，随着回火温度的升高，位错密度迅速下 降，同时在元素富集区形成少量的细条状和块状逆转变奥氏体，冷却后因逆转变奥氏体中镍富集较高，使其稳定性较高不宜转变成马氏体，因此屈服强 度 下 降明显；在丈温度回火 时，逆转变奥氏体含量继续增加，此时元素的扩散速度也增 加，的富集区浓度降低，奥氏体的稳定性降低，形成的逆转变奥氏体在回火冷却后部分又重新转 变成新的马氏体，同时伴随形 成大量位错，该马氏体为未经回火的马氏体，其硬度高于淬火马氏体硬度，因此随着回火温度的升高，超级挤压管的强度及硬度逐渐升髙，伸长率略有下 降。由于位错密度的存在、逆变奥氏体形成以及富镇元素扩散后新的马氏体形 成等因素的影响，使超级的 屈服强 度随回火温度 升高呈近字分布。因此，利用屈服强 度下降段温度和上升段温度均可获得钢级，从图可以看出，上升段温度回火更便于热处理温度控制小批量试制生产利用超级挤压管热处理上升段特性，在车间进行小批量热处理试验，淬 火温度丈，回火温度丈，试验结果见表，力学性能全部合格，而且屈服强度数值非常稳定。，热处理工艺 表超级挤压管的小批量 热处理试验结果管号抗拉强度？屈服强度伸长率断面收缩率硬度晶粒度级别头尾头尾头尾头尾头尾头尾 结论（）超级经不同温度的淬火处理，淬火温度越高，晶粒尺寸先变 小后增大，淬火温度丈时组织均勻细小且力学性能相近；（）在低温回火温度段（？丈）回火，随着温度的升高，马氏体分解，位错密度大幅降低，同时逆转变奥氏体增加，强度和硬度迅速下降；回火温度在丈时，随回火温度提髙，逆转变奥氏体进一步增 加，同时 富镍区扩散加快，逆转变奥氏体稳定性下降，冷却后部分逆变奥氏体重新转变成马氏体，强度和硬度逐渐升髙。（）淬火温度一定，回火温度不同时，随着回火温度（冗）的升高，强度先降低后升高。抗拉强度在冗 回火之间波动较小，温度 高于以后，抗拉强度明显升高；屈服强度 随回火温度的升高波动较大，在？回火，屈服强度随回火温度升高而迅速降低，丈降至最低，丈 回火 时屈服强度缓慢 升高，髙于时屈服强度快速升高；（）回火温度在冗时，存在两个屈服强度 能 够达到钢级的温度区间：低温温度在￥，加热温度区间非 常小，车间热处理炉温度难以控制；高温温度在冗，车间热处理控制较容易。因此，在车间热处理选择该高温温度段可以获得稳定的钢级的力学性能。参考文献宋江波，米永峰，姜海龙，等油井管的研制及耐腐蚀性能研究钢管，（）：高玉光，王锦永钢级超级马氏体不锈钢管生产新工艺研究钢管，（）：赵明，张亚彬，庞于思，等热挤压厚壁无缝钢管的工艺研究钢管，（）：王锦永，曹 洪波，齐希伦，等淬火冷却速度对厚壁钢管组织性能的影响钢管，（）：李效华，丁然，高志明，等抗腐蚀马氏体不锈钢无缝管的研究进展钢管，（）：宋令玺，杨旭，黄英，等超级抗（腐蚀油管热乳缺陷原因分析与控制钢管，（）：龚雪辉马氏体不镑钢热处理及热 变形行为研究长沙：湖南大学，姜雯，赵昆渝，业冬，等热处理工艺对超级马氏体钢逆变奧氐体的影响钢铁，（）：张义伟 超级马氏体不锈钢组织 演 变与相变行为研究马鞍山：安徽工业大学，张洪林，马东平，刘人杰，等时效温度对马氏体时效不锈钢组织与性能的影响材料研究学报，（）：马小平（）（，）（，）系超级马氏体不镑钢微合金化理论与技术研究沈阳：东北大学，姜 雯超级马氏体不锈钢组织 性能及逆变奧氏体机制的研究昆明：昆明理工大学，董玉涛淬火工艺对：超级马氏体不镑钢组织和性能的影响天津：天津大学，任泽，陈旭，董培，等热处理对超级不镑钢组织及拉伸性能的影响钢铁，（）：，南海，常瑞津，李静媛，等氮元素对超级马氏体不镑钢组织及性能的影响钢铁研究学报，（）：（收稿日期：）软迎订闼“中国期刊方阵”双软期？例双月刊）刘静等：超级钢级无缝钢管热处理工艺研究钢管年月第卷第期