回火溫度對低合金高強度無縫鋼管組織和性能的影響

程曄鋒 程巨強 齊 超

(西安工業(yè)大學 材料與化工學院，陜西 西安 710021)

高強度無縫鋼管因具有較高的強度、耐磨性和一定的韌性，被廣泛應用于地質勘查行業(yè)的鉆管[1]、工程機械旋挖機的鉆管[2]、起重機的臂架管[3- 5]、建筑和礦山行業(yè)的混凝土、砂漿輸送用的耐磨無縫鋼管[6]等。實際生產證明：通過適當的熱處理可以提高無縫鋼管的力學性能，延長鋼管的使用壽命[7- 8]。因此，本文以一種新研制的抗拉強度為1 200 MPa級低合金無縫鋼管為研究對象，分析了回火溫度對其組織和力學性能的影響，從而確定合適的回火工藝，以期為制定高強度無縫鋼管的回火工藝提供參考。

1 試驗材料及方法

試驗材料為一種新研制的高強度低碳低合金無縫鋼管，其化學成分(質量分數，%)為：0.09～0.15 C，0.8～1.2 Si，Mn+Cr+Mo+V≤3.0。生產工藝流程為：電爐煉鋼→鋼包精煉→真空處理→連鑄→鋼錠加熱→熱穿孔→管坯連軋→定徑→冷床冷卻→成品鋼管。熱軋無縫鋼管直徑420 mm，壁厚16 mm。無縫鋼管試樣的淬火工藝為930 ℃×30 min水冷。回火溫度分別為0、100、200、250、300、350、400、450、500、550、600、700、750 ℃，保溫時間為90 min，空冷。

熱處理后無縫鋼管試樣的橫截面經切割、打磨、拋光后，用體積分數為4%的硝酸酒精溶液侵蝕，使用NIKON EPIHOT- 300型金相顯微鏡觀察顯微組織。從鋼管上線切割加工尺寸為10 mm×10 mm×55 mm的V形缺口沖擊試樣和φ8 mm的標準短拉伸試樣，分別在JB- 300型擺錘式沖擊試驗機和DDL- 300型拉伸試驗機上進行室溫沖擊和拉伸試驗。采用Quanta 400型掃描電鏡觀察沖擊試樣斷口形貌。采用XRD- 6000型X射線衍射儀分析物相。

2 試驗結果與分析

2.1 回火溫度對力學性能的影響

圖1(a)是930 ℃淬火試樣的抗拉強度隨回火溫度的變化。可以看出，隨著回火溫度的升高，試樣的抗拉強度先降低后升高；200 ℃回火后，抗拉強度最高為1 375 MPa，600 ℃回火后抗拉強度最低為959 MPa， 600 ℃以上回火后抗拉強度略有升高。圖1(b)是沖擊吸收能量隨回火溫度的變化。可以看出，隨著回火溫度的升高，沖擊吸收能量逐漸升高，200 ℃回火的最高，為63.6 J。200 ℃以上回火，沖擊吸收能量開始下降，400 ℃回火后第1個低谷值為13.8 J，出現回火馬氏體脆性，為第一類回火脆性。高于400 ℃回火，沖擊吸收能量升高，500 ℃回火后出現第2個低谷值，為17.3 J，出現第二類回火脆性。500 ℃以上回火，沖擊吸收能量又上升，700 ℃回火后降低。圖1(c)是斷后伸長率隨回火溫度的變化。可以看出，隨著回火溫度的升高，斷后伸長率整體上升，為12.8%～18.8%。圖1(d)是斷面收縮率隨回火溫度的變化。低于450 ℃回火后，斷面收縮率逐漸上升，高于600 ℃回火后又開始下降。

圖1 高強度無縫鋼管力學性能隨回火溫度的變化Fig.1 Variation of mechanical properties of the high- strength seamless steel tube with tempering temperature

隨著回火溫度的升高，淬火馬氏體逐漸分解。低溫回火，由于馬氏體分解較少，且析出細小的第二相質點，試樣的強度和韌性較高。提高回火溫度，馬氏體分解程度增大，析出物增多，馬氏體中合金元素和碳的過飽和度降低， 固溶強化作用減小，強度降低。400 ℃回火，馬氏體分解產物聚集在晶界，造成回火脆性；繼續(xù)提高回火溫度，馬氏體接近平衡態(tài)鐵素體組織，固溶強化作用較小，強度進一步降低。600 ℃回火后，組織為索氏體，強度降低，斷后伸長率、斷面收縮率及沖擊吸收能量提高。700 ℃以上的回火溫度已達到或超過試驗鋼的Ac1溫度，空冷時發(fā)生貝氏體轉變，導致強度提高，韌性降低。

2.2 回火溫度對顯微組織的影響

圖2是930 ℃淬火試樣不回火、200 和400 ℃回火后的XRD圖譜。可以看出，淬火后不回火試樣的XRD圖譜中主要有鐵素體峰(α)和較弱的奧氏體峰(γ)，說明物相為馬氏體和少量奧氏體。200、400 ℃回火試樣的XRD圖譜中主要為鐵素體峰，說明組織主要為回火馬氏體。

圖2 高強度無縫鋼管從930 ℃淬火、不同溫度回火后的XRD圖譜Fig.2 XRD patterns of the high- strength seamless steel tube quenched from 930 ℃ and tempered at different temperatures

圖3是930 ℃淬火試樣的組織形貌。結合XRD物相分析，淬火后不回火試樣的顯微組織主要為板條馬氏體和少量殘留奧氏體。從圖3可以看出，一個原奧氏體晶粒內形成了襯度明顯不同的板條馬氏體，一種顏色襯度較深，另一種呈淺灰色(圖3(a))。這是因為材料中馬氏體位相不同，有些位相馬氏體容易腐蝕,有些位相馬氏體不易腐蝕。在掃描電鏡下觀察，淬火馬氏體呈板條狀(圖3(b))，板條間分布著較細小的殘留奧氏體薄膜。

圖3 930 ℃淬火試樣的顯微組織Fig.3 Microstructure of the samples quenched from 930 ℃

圖4是930 ℃淬火、200 ℃回火試樣的顯微組織。根據XRD物相分析，200 ℃回火試樣的顯微組織為回火馬氏體和少量殘留奧氏體。通過掃描電鏡觀察發(fā)現(圖4(b))，200 ℃回火板條馬氏體中析出了細小的第二相質點，為回火馬氏體，馬氏體板條之間分布有薄膜狀殘留奧氏體。

圖4 930 ℃淬火后于200 ℃回火試樣的顯微組織Fig.4 Microstructures of the samples quenched form 930 ℃ and tempered at 200 ℃

圖5是930 ℃淬火試樣不同溫度回火后的顯微組織。可以看出，高于300 ℃回火,板條馬氏體明顯分解;300 ℃回火,析出物比較細小(圖5(a));400 ℃回火,馬氏體板條內和板條界析出明顯，析出物呈斷續(xù)狀分布(圖5(b))，這與回火脆性相對應。500 ℃回火，馬氏體板條內和板條界粒狀析出物較小，但組織仍保持馬氏體板條位相(圖5(c))，類似于屈氏體。600 ℃回火，馬氏體中析出物呈粒狀，部分板條馬氏體發(fā)生再結晶，呈小塊狀(圖5(d))，為低碳回火索氏體。700 ℃回火，形成粗大顆粒狀馬氏體，為索氏體(圖5(e))。750 ℃回火組織為鐵素體和貝氏體(圖5(f))，貝氏體形成是由于回火溫度高于試驗鋼的Ac3點，回火時部分鐵素體奧氏體化，回火后空冷時奧氏體轉變?yōu)榈吞及鍡l貝氏體。

圖5 930 ℃淬火后于不同溫度回火試樣的顯微組織Fig.5 Microstructures of the samples quenched from 930 ℃ and tempered at different temperatures

2.3 沖擊試樣斷口分析

圖6和圖7分別是在930 ℃淬火、200和400 ℃回火后沖擊試樣斷口的宏觀及微觀形貌。從圖6可以看出，200 ℃回火試樣斷口上缺口根部纖維區(qū)(A)和斷裂剪切唇區(qū)(C)具有韌窩斷裂特征；裂紋擴展區(qū)(B)為韌窩和準解理斷裂，表明韌性良好。從圖7可以看出，400 ℃回火試樣缺口根部纖維區(qū)(A)、裂紋擴展區(qū)(B)和斷裂剪切唇區(qū)(C)主要為解理斷裂，并具有部分沿晶斷裂特征，說明韌性較差。

圖6 930 ℃淬火后于200 ℃回火試樣沖擊斷口的宏觀及微觀形貌Fig.6 Macrographs and micrographs of fracture of the impact sample quenched from 930 ℃ and tempered at 200 ℃

圖7 930 ℃ 淬火后于400 ℃回火試樣沖擊斷口的宏觀及微觀形貌Fig.7 Macrographs and micrographs of fracture of the impact sample quenched from 930 ℃ and tempered at 400 ℃

3 結論

(1)高強度低合金無縫鋼管從930 ℃淬火、不同溫度回火后，隨著回火溫度的升高，其抗拉強度降低，為959～1 375 MPa，200和700 ℃回火后，沖擊吸收能量達到峰值。400和500 ℃回火，出現馬氏體回火脆性。200 ℃回火組織為回火馬氏體和少量殘留奧氏體，700 ℃回火組織為回火索氏體。

(2)高強度低合金無縫鋼管從930 ℃淬火后在200或700 ℃回火，可獲得較高的強度和韌性。200 ℃回火后抗拉強度為1 375 MPa，斷后伸長率為13.8%，斷面收縮率為60.9%，沖擊吸收能量為63.4 J。700 ℃回火后抗拉強度為981 MPa，斷后伸長率為18.8%，斷面收縮率為51%，沖擊吸收能量為68.7 J。