一、用水作为淬火冷却介质
无缝钢管的小批量热处理试验,钢管尺寸为φ98.43mm(外径)×11.93mm(壁厚),材料性能要求抗拉强度>655MPa,屈服强度552~665MPa,伸长率>20%。小批量热处理数量12支,淬火加热温度920℃,保温50min,淬火冷却介质是水,淬火采取浸入内喷方式,淬后管子温度40℃以下,回火温度735℃,保温105min。钢管调质后,力学性能合格,但是发现8支管子内表面出现大量的裂纹,导致钢管报废。
(1)微观组织观察 微观组织显示剂为4%的硝酸酒精,用德国蔡司Axio ImagerA2m金相显微镜进行观察。
(2)力学性能检验 依据ASTM A370标准对试样进行纵向拉伸性能检测,检验设备型号:SHT5605 60t。依据ASTM E23标准对试样进行0℃纵向冲击试验,检验设备型号:NI300F。
二、裂纹的特征和产生原因分析
2.1 裂纹宏观特征
裂纹都在内表面,笔直有力,深度为2~5mm,长度为20~200mm,裂口尖锐,说明开裂时应力较大,是典型的淬火裂纹。图2是裂纹在显微镜下的照片。
2.2 裂纹区域的显微组织
裂纹区的组织是正常的回火索氏体,裂纹处无明显氧化脱碳,说明是在淬火过程中产生的开裂,与淬火裂纹特征一致。
2.3 裂纹原因分析
此规格钢管口径小,壁厚较薄,奥氏体化后存储的热能小,加上淬透性较强,水冷却速度快,很容易完全淬透。马氏体形态分为板条马氏体和片状马氏体。板条马氏体具有高强度、高硬度,且相当高的塑性和韧性,而片状马氏体具有高强度,但是韧性差,比较脆。wC≤0.2%时,基本是板条马氏体,wC=0.2%~1%时,是板条马氏体和片状马氏体混合组织,淬火后是板条马氏体和片状马氏体混合组织。钢管在冷却过程中存在温度应力和组织应力。过冷奥氏体转变为马氏体不久后,裂纹才开始出现。温度应力可以导致钢管的变形,此阶段奥氏体的塑性好,通过变形得到应力释放。奥氏体的密度小于马氏体的密度,转变为马氏体后,要发生体积膨胀,产生组织应力,转变为马氏体的程度越充分,应力就越大,钢管表面受应力也越大,从而产生裂纹。
根据淬火裂纹产生的原因分析,提出以下优化的淬火工艺措施:
1)降低钢管淬火加热温度到880℃,以减小温度应力。
2)适当降低内喷头水泵的压力,减小水的流动速度,从而降低组织应力。
3)降低淬水深度,使得圆周方向1/4的钢管在水面,3/4的钢管在水下,以降低组织应力。
4)减少钢管在水中的冷却时间,提高钢管的出水温度到120~160℃。
5)利用余温自回火,降低应力集中。
6)回火工艺仍然按735℃保温105min。
采用优化的热处理工艺进行60支钢管热处理生产,钢管经过超声波检测和表面质量检查后发现,质量良好,合格率100%。图3是采用改进的热处理工艺生产的钢管显微组织和晶粒度照片。
采用改进的热处理工艺进行生产的钢管组织是回火索氏体,淬透性良好,没有条状或块状铁素体存在,碳化物均匀分布,组织致密,晶粒尺寸平均20μm,平均晶粒度8.0级,为获得良好的力学性能提供了基础。
四、结束语
采用水作为淬火冷却介质,降低了钢管热处理生产成本的工艺。水淬大风险是淬火裂纹,针对淬火裂纹,提出了改进的淬火工艺,为用水作为淬火冷却介质进行钢管热处理提供了指导性数据。