大容積氣瓶用4130X 無縫鋼管熱處理工藝研究

2021-05-10 02:36:14余澤金米永峰姜海龍張行剛賈冬梅裴福莉羅忠輝

鋼管 2021年6期

余澤金，米永峰，姜海龍，張行剛，賈冬梅，裴福莉，羅忠輝

（內蒙古包鋼鋼聯股份有限公司，內蒙古包頭 014010）

我國有豐富的天然氣資源，隨著石油、煤炭等能源價格的不斷攀升，國內天然氣的使用量大幅上升，從而使移動式加氣站所需的水容積400～3 000 L 大直徑長管氣瓶需求迅速增長[1-8]。用于移動式加氣站的大直徑長管氣瓶所充裝的介質易燃、易爆、有腐蝕性，且工作壓力高、重復充裝和流動性大，一旦發生泄漏或爆炸往往引起災難性事故的發生，這對用于制造大直徑長管氣瓶產品的無縫鋼管質量提出了很高要求。與此同時，隨著我國經濟建設的飛速發展，特種氣體產業規模迅速擴大，用于特種氣體運輸和存儲的大直徑長管氣瓶需求迅速增長，對制造該類氣瓶所用的無縫鋼管質量同樣提出了很高要求[3，9-11]。

GB 28884—2012《大容積氣瓶用無縫鋼管》中規定了30CrMoE（4130X）、42CrMoE 鋼種用于生產300～3 000 L 氣瓶用無縫鋼管，通過調質熱處理以獲得優良的綜合機械性能，從而保證鋼瓶的安全使用[12]。因GB 28884 標準中未給出相應的熱處理工藝，僅對大容積氣瓶用無縫鋼管性能提出了要求。本文針對4130X 鋼進行了熱處理工藝研究，以期為氣瓶熱處理生產提供指導。

1 試驗材料和方法

試驗材料為4130X 鋼Φ457 mm×26.5 mm 無縫鋼管，其化學成分（質量分數）見表1。將試樣加工成瓦片狀小試樣，在實驗室進行調質熱處理試驗，隨后分析檢測母材的軋態性能、非金屬夾雜物等級。4130X 試樣的淬火工藝為：880 ℃保溫40 min，水淬。4130X 試樣的回火工藝為：690 ℃、710 ℃、730 ℃保溫90 min，空冷。4130X 無縫鋼管的軋態性能見表2。4130X 無縫鋼管的夾雜物A類（細系）、B 類（細系）、D 類（細系）皆為0.5 級，合計在1.5 級以下，滿足GB 28884 標準要求（夾雜物A 類、B 類、C 類、D 類都在2.5 級以下，合計在6.0 級以下）。

表1 4130X 無縫鋼管化學成分（質量分數） %

2 熱處理試驗結果與分析

2.1 力學性能

按照相同淬火工藝、不同回火工藝進行熱處理：依據GB 18248—2012《氣瓶用無縫鋼管》中30CrMo 鋼860～900 ℃的淬火溫度，將試驗鋼管加熱到880 ℃保溫40 min 后，取出水冷至室溫，將試樣分組后再分別加熱到690，710，730 ℃溫度回火，保溫時間90 min，保溫后取出試樣空冷至室溫。分別對熱處理后試樣進行加工，檢測相關力學性能。

4130X 無縫鋼管經不同熱處理工藝處理后的力學性能檢測結果見表3。

表3 4130X 無縫鋼管經不同熱處理工藝處理后的力學性能檢測結果

由表3 可知，4130X 無縫鋼管經不同熱處理工藝處理后，材料的強度和硬度隨回火溫度的升高逐漸降低，伸長率和低溫沖擊功則提高。

在690 ℃溫度回火時，材料的各項力學性能均達到GB 28884 要求，低溫沖擊韌性在100 J 以上，屈強比滿足≤0.86 的GB 28884 要求，材料具有良好的強韌匹配性。

2.2 顯微組織

檢測分析軋態、淬火態、淬火+回火態4130X無縫鋼管的組織及晶粒度，檢測結果如圖1～4 所示。

圖1 4130X 無縫鋼管的軋態和淬火態組織

從圖1～2 可以看出，軋態組織為貝氏體+少量鐵素體組織，淬火后的組織為全馬氏體組織，690℃回火后得到的回火索氏體中珠光體片層間距小于710 ℃回火后索氏體中珠光體片層間距（圖3）；淬火后及690 ℃回火后的試樣的晶粒度均達8.5 級（圖4）。回火索氏體中珠光體片層間距越小，以及晶粒度小是試驗鋼具有良好綜合機械性能的原因[13]。經880 ℃保溫40 min、水淬+690 ℃回火保溫90 min、空冷工藝處理后，4130X 無縫鋼管的顯微組織、力學性能滿足大容積高壓氣瓶的要求。

圖3 回火態4130X 無縫鋼管的掃描電鏡組織

圖4 4130X 無縫鋼管的晶粒度

圖2 4130X 無縫鋼管的回火態組織

3 結論

（1） 4130X 無縫鋼管經過880 ℃保溫40 min、水淬+690 ℃回火保溫90 min、空冷處理后，其-50℃低溫沖擊功在100 J 以上，遠高于GB 28884 中-40 ℃條件下40 J 要求，說明處理后材料具有良好的低溫沖擊韌性。

（2）淬火后的4130X 鋼的組織為全馬氏體組織，這表明壁厚為26.5 mm 的4130X 鋼管有良好淬透性，試驗鋼化學成分能夠滿足淬透性要求，調質后鋼中顯微組織為回火索氏體，該組織具有優異綜合機械性能。