熱處理工藝對(duì)12Cr1MoVG厚壁無(wú)縫鋼管表面硬度的影響

肖功業(yè)，秦利波，何 彪，趙慶權(quán)

（天津鋼管集團(tuán)股份有限公司，天津 300301）

12Cr1MoVG無(wú)縫鋼管主要用于制造高壓鍋爐蒸汽管道，使用溫度可達(dá)580℃，具有較高的耐高溫持久強(qiáng)度［1-4］。12Cr1MoVG鋼管是在優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼中加入適量合金元素，提高其力學(xué)性能、強(qiáng)韌性和淬透性，通常以熱處理（正火+回火或淬火+回火）狀態(tài)交貨［5-9］。隨著用戶需求的不斷提高，要求12Cr1MoVG鋼管的表面硬度為145～190 HB，而傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的厚壁鋼管不能滿足這一要求（正火+回火工藝生產(chǎn)的鋼管硬度為135～161 HB，低于標(biāo)準(zhǔn)下限值；淬火+回火工藝生產(chǎn)的鋼管硬度為175～200 HB，超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)上限值）［10-12］。

為了得到12Cr1MoVG厚壁鋼管的理想表面硬度，通過(guò)分析12Cr1MoVG的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線（CCT曲線），在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行熱處理工藝研究，對(duì)不同工藝熱處理后的鋼管進(jìn)行性能檢測(cè)，以找出最佳熱處理工藝。

1 現(xiàn)狀分析

1.1 產(chǎn)品組織分布研究

鋼的硬度主要由其金相組織決定，回火索氏體S回硬度較高，鐵素體F硬度較低［13］。傳統(tǒng)工藝熱處理后的12Cr1MoVG厚壁無(wú)縫鋼管的金相組織如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)工藝熱處理后的12Cr1MoVG厚壁無(wú)縫鋼管的金相組織

由圖1可以看出：淬火+回火后12Cr1MoVG厚壁無(wú)縫鋼管的組織為S回+B回（回火貝氏體），在淬火過(guò)程中生成了大量M（馬氏體）組織，經(jīng)過(guò)回火后M轉(zhuǎn)變?yōu)镾回；正火+回火后組織為F+P（鐵素體+珠光體），F(xiàn)含量高達(dá)75%。由于淬火工藝?yán)鋮s速率較快，F(xiàn)來(lái)不及析出就進(jìn)入B轉(zhuǎn)變區(qū)域，最終形成了M+B組織，產(chǎn)品硬度值偏高；而正火+回火工藝?yán)鋮s速率較慢，F(xiàn)大量析出，產(chǎn)品硬度值偏低。

1.2 CCT曲線測(cè)定

產(chǎn)品的組織與冷卻速率有直接關(guān)系。為了找到最佳的熱處理工藝，測(cè)定12Cr1MoVG鋼的CCT曲線，如圖2所示。可以看出：淬火+回火后產(chǎn)品組織以M為主，而正火+回火后產(chǎn)品組織以F+P為主，這與圖1所示的金相組織一致。因此，適當(dāng)提高正火+回火工藝的冷卻速率，減少F轉(zhuǎn)變溫度的停留時(shí)間，避免F組織的大量生成，從而達(dá)到產(chǎn)品硬度控制目標(biāo)。

圖2 12Cr1MoVG鋼的CCT曲線

2 試驗(yàn)方法

試樣規(guī)格Φ219mm×45 mm，其生產(chǎn)工藝：電爐冶煉→LF精煉→VD爐精煉→模鑄→鍛造→退火→管坯加熱→穿孔→Assel軋管機(jī)軋制→定徑→探傷。選取探傷合格的12Cr1MoVG鋼管，在其中部截取長(zhǎng)度為500mm的管段，在實(shí)驗(yàn)室熱處理后制備滿足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的試樣。12Cr1MoVG試樣的化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 12Cr1MoVG試樣的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

試驗(yàn)研究分兩步進(jìn)行：①通過(guò)控制F析出溫度的停留時(shí)間，改變F的析出量，研究水淬時(shí)間與冷卻水循環(huán)方式對(duì)鋼管性能的影響；②找出性能匹配最佳時(shí)的水淬時(shí)間及水循環(huán)方式，進(jìn)行最佳回火工藝制度研究。

3 試驗(yàn)研究

3.1 水淬時(shí)間的確定

3.1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

在實(shí)驗(yàn)室熱處理試樣，試樣出爐后立即進(jìn)行水淬，控制水淬時(shí)間及水循環(huán)方式。研究水淬時(shí)間及水循環(huán)方式對(duì)12Cr1MoVG試樣最終組織的影響，確定12Cr1MoVG厚壁鋼管的最佳淬火工藝。

3.1.2 試驗(yàn)原理

根據(jù)CCT曲線，確認(rèn)試樣的淬火溫度970℃，保溫60 min，出爐后立即進(jìn)行水淬?？刂扑銜r(shí)間，使其在F轉(zhuǎn)變溫度范圍的停留時(shí)間減少，避免F組織的大量析出或全部生成M組織，以獲得滿足硬度要求的組織分布。同時(shí)，對(duì)比分析冷卻水循環(huán)方式對(duì)產(chǎn)品組織的影響。

3.1.3 試驗(yàn)結(jié)果

檢測(cè)不同水淬時(shí)間及水循環(huán)冷卻后12Cr1MoVG厚壁鋼管的出水溫度及表面硬度，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同水淬時(shí)間及水循環(huán)冷卻后12Cr1MoVG厚壁鋼管的出水溫度及表面硬度

3.1.4 結(jié)果分析

從表2可以看出：水淬時(shí)間縮短，鋼管出水溫度有所提高，水淬20 s時(shí)試樣出水溫度為530℃，可避免F組織的大量析出；又由于控制了淬火時(shí)間，F(xiàn)組織未全部轉(zhuǎn)變?yōu)镸組織，避免了鋼管表面硬度過(guò)高而超出要求。因此，將水淬時(shí)間控制在20 s可實(shí)現(xiàn)12Cr1MoVG厚壁鋼管的較佳硬度值。同時(shí)對(duì)比是否使用循環(huán)水進(jìn)行水淬后的產(chǎn)品硬度，由于非循環(huán)水冷卻能力相對(duì)較弱，避免了大量M組織產(chǎn)生，水淬90 s后鋼管的出水溫度為254℃，經(jīng)檢測(cè)其硬度值亦滿足要求。不同時(shí)間水淬后12Cr1MoVG厚壁鋼管的金相組織如圖3所示。

圖3 不同時(shí)間水淬后12Cr1MoVG厚壁鋼管的金相組織

由圖3可以看出：水淬時(shí)間越短，F(xiàn)含量越高，水淬20 s的產(chǎn)品組織為F+B，F(xiàn)、B的含量比例分別為55%、45%；由于非循環(huán)水冷卻能力相對(duì)較弱，回火后避免了大量S回組織的生成，F(xiàn)含量較高，硬度為181 HB。最終選擇淬火工藝為970℃淬火，保溫60 min，非循環(huán)水水淬20 s。

3.2 回火工藝的確定

3.2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

對(duì)經(jīng)以上工藝淬火后的試樣進(jìn)行不同工藝回火處理，通過(guò)比較分析，找出最佳回火工藝。

3.2.2 試驗(yàn)原理

試樣經(jīng)過(guò)970℃×60min淬火，出爐后立即水淬，水淬時(shí)間20 s，控制回火保溫時(shí)間，對(duì)比分析不同回火時(shí)間后的試樣性能及硬度值，找出滿足硬度要求的最佳回火工藝。

3.2.3 試驗(yàn)結(jié)果

不同回火工藝制度熱處理后12Cr1MoVG厚壁鋼管的硬度檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同回火工藝制度熱處理后12Cr1MoVG厚壁鋼管硬度檢測(cè)結(jié)果

3.2.4 結(jié)果分析

由表3可以看出：隨著回火保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，12Cr1MoVG厚壁鋼管的表面硬度逐漸降低，由185 HB降低至177 HB，產(chǎn)品硬度均滿足要求；回火時(shí)間由120min增加至150min過(guò)程中，硬度值明顯降低，繼續(xù)增加回火時(shí)間則硬度略有降低?？紤]綜合生產(chǎn)成本與效率因素，確定最佳回火工藝為750 ℃×150min。

對(duì)以上淬火+回火新工藝生產(chǎn)的12Cr1MoVG厚壁鋼管進(jìn)行內(nèi)、中、外截面硬度檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可以看出：管體壁厚內(nèi)、中、外截面硬度值較為均勻，且滿足產(chǎn)品硬度要求。

表4 淬火+回火后12Cr1MoVG厚壁鋼管硬度檢測(cè)結(jié)果 HB

對(duì)新工藝熱處理后12Cr1MoVG厚壁鋼管的常規(guī)力學(xué)性能進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可以看出：淬火970℃×60min、水淬20 s，回火750℃×150 min的熱處理工藝生產(chǎn)的12Cr1MoVG厚壁鋼管力學(xué)性能滿足要求。

表5 淬火+回火新工藝熱處理后12Cr1MoVG厚壁鋼管的常規(guī)性能檢測(cè)結(jié)果

4 生產(chǎn)實(shí)踐

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，在生產(chǎn)12Cr1MoVG厚壁鋼管時(shí)執(zhí)行新熱處理工藝：淬火970℃×60 min、水淬20 s，回火750℃×150min。為了避免因非循環(huán)水冷卻能力較低導(dǎo)致管體彎曲，采用循環(huán)水方式水淬。傳統(tǒng)工藝和新工藝生產(chǎn)的12Cr1MoVG厚壁鋼管硬度分布情況如圖4所示。

從圖4可以看出，采用傳統(tǒng)工藝時(shí)，淬火+回火工藝生產(chǎn)的鋼管硬度超出要求的上限值，最高達(dá)197 HB，超出上限要求的批量率為27%；正火+回火工藝生產(chǎn)的鋼管硬度低于要求的下限值，最低僅為137 HB，低于下限要求值的批量率為41%。執(zhí)行新工藝熱處理后鋼管獲得的硬度值為161～182 HB，100%滿足用戶要求。檢測(cè)采用新工藝熱處理后的12Cr1MoVG厚壁鋼管的力學(xué)性能及組織，結(jié)果見(jiàn)表6，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

分析產(chǎn)品壁厚對(duì)水淬工藝的影響，當(dāng)壁厚大于45 mm時(shí)適當(dāng)延長(zhǎng)水淬時(shí)間，當(dāng)壁厚為36～45mm時(shí)縮短水淬時(shí)間，但不少于18 s，否則水淬均勻性難以保證。

5 結(jié) 論

（1）通過(guò)控制淬火時(shí)間，減少F析出量，避免大量M組織析出，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品硬度的控制，確定出Φ219 mm×45 mm 12Cr1MoVG厚壁無(wú)縫鋼管的最佳熱處理工藝為：淬火970℃×60min、水淬20 s，回火750℃×150min。采用該熱處理工藝后的產(chǎn)品組織為F+B，F(xiàn)、B組織的含量比例分別為55%、45%。

圖4 傳統(tǒng)工藝和新工藝生產(chǎn)的12Cr1MoVG厚壁鋼管硬度分布情況

表6 新工藝熱處理后12Cr1MoVG厚壁鋼管的力學(xué)性能及組織檢測(cè)結(jié)果

（2）新熱處理工藝實(shí)現(xiàn)了12Cr1MoVG厚壁鋼管硬度的有效控制，經(jīng)批量生產(chǎn)驗(yàn)證，產(chǎn)品硬度值為161～182 HB，表面硬度合格率達(dá)100%，且各項(xiàng)機(jī)械性能指標(biāo)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

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