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(duì)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(zhǎng)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(duì)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(guó)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(duì)試樣進(jìn)行縱向拉伸性能檢測(cè)，檢驗(yàn)設(shè)備型號(hào)：SHT5605 60t。依據(jù)ASTM E23標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試樣進(jìn)行0℃縱向沖擊試驗(yàn)，檢驗(yàn)設(shè)備型號(hào)：NI300F。
二、裂紋的特征和產(chǎn)生原因分析
裂紋都在內(nèi)表面，筆直有力，深度為2~5mm，長(zhǎng)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×）
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。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℃。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(cè)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(jí)，為獲得良好的力學(xué)性能提供了基礎(chǔ)。力學(xué)性能檢測(cè)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(yǔ)
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(duì)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)。
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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