42CrMo無縫鋼管水淬熱處理工藝優化研究

王錦永，齊希倫，費志偉，葉丙義

新興鑄管股份有限公司馬頭特種管材分公司 河北邯鄲 056001

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[1-3]。

1 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。

2 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[4]。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。

3 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[5-6]。

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。

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。

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。

圖3 熱處理工藝優化后的42CrMo組織和晶粒度（500×）

表1 熱處理工藝優化后的性能結果

4 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。