110KSi-40Cr厚壁無縫鋼管熱處理工藝研究

王錦永，費(fèi)志偉，王付志，高正磊

新興鑄管股份有限公司馬頭特種管材分公司 河北邯鄲 056000

40Cr是國(guó)標(biāo)GB/T 3077—2015中的牌號(hào)，是一種C-Cr-Mn為主要強(qiáng)化元素的合金結(jié)構(gòu)鋼，材料的淬透性良好，常用于制造軸類、轉(zhuǎn)向節(jié)和重要的螺栓等受力的機(jī)械零件，要求具有高的強(qiáng)度，良好的塑性和韌性，優(yōu)異的沖擊吸收能量。常規(guī)的淬火工藝是870~890℃保溫后油冷或者淬火液冷卻。通過改善淬火工藝來提高其強(qiáng)韌性，成為提高40Cr鋼使用性能的有效手段[1-3]。

本文研究的40Cr厚壁無縫鋼管用于汽車半軸套管，傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝流程是：熱軋管→下料分段→粗加工→調(diào)質(zhì)處理→精加工。為減少生產(chǎn)工序，提高生產(chǎn)效率，研究熱軋管直接整管調(diào)質(zhì)處理，來達(dá)到相應(yīng)的性能要求。40Cr鋼管設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)性能要求為：抗拉強(qiáng)度≥950MPa，屈服強(qiáng)度≥800MPa，伸長(zhǎng)率≥13%，20℃下的U型缺口縱向沖擊吸收能量≥65J，端面硬度要求27~33HRC。試驗(yàn)用水作為淬火冷卻介質(zhì)，初始工藝采用外淋內(nèi)噴淬火方式，調(diào)質(zhì)后性能無法達(dá)到技術(shù)協(xié)議要求，表現(xiàn)為性能波動(dòng)較大，不同位置性能不一致。為研究性能不穩(wěn)定的原因，分析了調(diào)質(zhì)態(tài)的顯微組織和力學(xué)性能，隨后優(yōu)化生產(chǎn)工藝，改為浸入內(nèi)噴方式并優(yōu)化淬火參數(shù)，研究相關(guān)性能指標(biāo)。

1 研究材料與方法

1.1 研究材料

通過電爐+爐外精煉+真空脫氣工藝冶煉出40Cr鋼原料，將原料在高溫下經(jīng)過壓縮比大于4.0的塑性變形軋制，軋制圓鋼公稱直徑是150mm。圓鋼在環(huán)形爐中加熱到1240~1270℃，通過太原重工生產(chǎn)的二輥斜軋穿孔機(jī)熱穿出空心毛管，再經(jīng)過二輥精密軋管機(jī)的二次變形和熱定徑機(jī)精整成形生產(chǎn)出規(guī)格為φ115mm×27mm的無縫鋼管，鋼管長(zhǎng)度5.8~6.2m。試驗(yàn)40Cr鋼的化學(xué)成分見表1。

1.2 研究方法

用水作為淬火冷卻介質(zhì)，淬火方式首先采用外淋內(nèi)噴方式，經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后，分析性能和組織，然后根據(jù)分析結(jié)果，提出改進(jìn)措施，淬火方式改為浸入內(nèi)噴方式并優(yōu)化淬火參數(shù)，再次分析性能和組織。

化學(xué)成分試樣按照GB/T 20066—2006加工，按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4336—2006火花源原子發(fā)射光譜分析常規(guī)法檢測(cè)。微觀組織顯示劑為4%的硝酸酒精，微觀組織觀測(cè)時(shí)用德國(guó)蔡司Axio ImagerA2m金相顯微鏡。性能檢測(cè)取樣位置在鋼管壁厚的1/2處，依據(jù)GB/T 228.1—2010對(duì)試樣進(jìn)行縱向拉伸性能檢測(cè)，拉伸試樣的標(biāo)距為50.0mm，試樣直徑為10.0mm，檢測(cè)設(shè)備型號(hào)是SHT5605 60t。沖擊吸收能量試樣一組3個(gè)，尺寸為55mm×10mm×10mm，沿著鋼管軸線方向制樣，依據(jù)GB/T 229—2007對(duì)試樣進(jìn)行20℃沖擊吸收能量檢測(cè)，取值為平均值，檢測(cè)設(shè)備型號(hào)是NI300F。硬度試樣取自鋼管橫截面，依據(jù)GB/T 230標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試樣進(jìn)行洛氏硬度檢測(cè)，三個(gè)點(diǎn)取平均值，檢測(cè)設(shè)備型號(hào)是TH320。

表1 試驗(yàn)40Cr鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 外淋內(nèi)噴方式淬火工藝對(duì)性能的影響

調(diào)質(zhì)處理是一種通過獲得馬氏體相變對(duì)金屬材料加工的熱處理方式，通過加熱和冷卻實(shí)現(xiàn)材質(zhì)微觀組織的變化，達(dá)到提高產(chǎn)品的性能。40Cr淬火加熱的目的是為了獲得細(xì)小而均勻的奧氏體，以便淬火后獲得細(xì)小均勻的馬氏體。淬火加熱溫度為Ac3以上30~60℃，溫度太高晶粒容易長(zhǎng)大，淬火馬氏體容易組織粗大，沖擊韌度降低，而溫度太低組織轉(zhuǎn)變不完全，導(dǎo)致強(qiáng)度低，失去了淬火的意義[4]。本試驗(yàn)40Cr鋼管規(guī)格是φ115mm×27mm，外徑小，壁厚較厚，淬火方式首先選用外淋內(nèi)噴方式，淬火冷卻介質(zhì)為水，圖1是鋼管的外淋內(nèi)噴水冷淬火工藝示意。

圖1 鋼管的外淋內(nèi)噴水冷淬火工藝示意

外淋內(nèi)噴水冷方式淬火工藝：在淬火爐中進(jìn)行加熱，890℃保溫80min。然后快速放置到淬火水池上方的旋轉(zhuǎn)托輪上，旋轉(zhuǎn)速度40r/min。鋼管一側(cè)開啟內(nèi)噴水，用于冷卻內(nèi)表面，內(nèi)噴水壓力0.21MPa。同時(shí)，外淋水從上方垂直落下，冷卻外表面，鋼管在旋轉(zhuǎn)的過程中實(shí)現(xiàn)冷卻，當(dāng)鋼管溫度冷卻到38℃以下時(shí)，結(jié)束淬火，進(jìn)入回火爐加熱，在550℃保溫120min進(jìn)行回火處理。

在調(diào)質(zhì)后的鋼管不同位置上截取力學(xué)性能試樣，進(jìn)行拉伸、硬度和沖擊吸收能量的檢測(cè)，結(jié)果見表2。

表2 外淋內(nèi)噴淬火方式調(diào)質(zhì)后的力學(xué)性能

由表2可以看出，鋼管從外壁到中間位置的抗拉強(qiáng)度都滿足技術(shù)指標(biāo)，但波動(dòng)較大，中間位置的抗拉強(qiáng)度比靠近外壁處低了21MPa，降低幅度約2.11%。中間位置的屈服強(qiáng)度不合格，比外壁處低了18MPa，降低幅度約2.11%?？拷獗谔幍臎_擊性能合格，而中間位置的沖擊吸收能量比外壁處低了6J，不合格?？拷獗谟捕嚷愿哂谥虚g位置的硬度。鋼管從外壁到中間位置的力學(xué)性能波動(dòng)較大，靠近外壁綜合性能整體優(yōu)于中間位置的性能，這是因?yàn)殇摴軆?nèi)孔小，且壁厚較厚，淬火過程中靠近外壁冷速快，形成的馬氏體致密細(xì)小，而中間位置壁厚的熱量要通過內(nèi)外壁散熱，冷速慢，形成的馬氏體就粗大。

2.2 外淋內(nèi)噴方式淬火工藝對(duì)微觀組織的影響

為進(jìn)一步分析鋼管性能不穩(wěn)定的原因，在外淋內(nèi)噴方式淬火調(diào)質(zhì)后的鋼管上進(jìn)行取樣，分析觀察微觀組織，腐蝕介質(zhì)是4%的硝酸酒精，腐蝕時(shí)間4~8s。圖2是鋼管外淋內(nèi)噴淬火方式調(diào)質(zhì)后的微觀組織。

圖2 外淋內(nèi)噴淬火方式調(diào)質(zhì)后鋼的微觀組織（500×）

由圖2a可以看出，靠近外壁區(qū)域從奧氏體析出了少量白色條狀鐵素體和羽毛狀貝氏體，其余是細(xì)小的回火索氏體。由圖2b可以看出，壁厚的中間位置組織較差，白色的鐵素體數(shù)量增多，連接成網(wǎng)狀，并局部析出塊狀鐵素體，其余是回火索氏體。從材料外表面到心部組織鐵素體含量增加的現(xiàn)象是典型的淬火組織缺陷，符合未淬透組織特征[5-6]。根據(jù)鋼的等溫轉(zhuǎn)變圖，要獲得馬氏體組織，關(guān)鍵是要在過冷奧氏體最不穩(wěn)定的等溫轉(zhuǎn)變圖鼻尖溫度附近實(shí)現(xiàn)快冷，使奧氏體不發(fā)生鐵素體或貝氏體轉(zhuǎn)變。本試驗(yàn)研究的40Cr材質(zhì)，外淋內(nèi)噴淬火水冷工藝，鋼的冷卻速度達(dá)不到獲得細(xì)小均勻馬氏體的要求，冷卻速度低，淬火組織中析出了鐵素體、貝氏體等有害相，回火后保留下來，導(dǎo)致性能不合格。

2.3 浸入內(nèi)噴方式淬火工藝對(duì)性能的影響

通過以上分析，對(duì)于厚壁材料，本身淬透能力減小和外淋內(nèi)噴淬火方式散熱慢，導(dǎo)致淬火時(shí)難以達(dá)到奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變要求的冷卻速度，淬火后不能獲得完全馬氏體組織，是導(dǎo)致性能不合格的主要原因。針對(duì)此問題提出改進(jìn)措施：①在原成分基礎(chǔ)上，提高wMo達(dá)到0.12%。②淬火冷卻方式改用浸入內(nèi)噴式。③提高淬火拖輪旋轉(zhuǎn)速度到55r/min。④內(nèi)噴水壓力提高到0.41MPa。⑤鋼管淬火時(shí)浸入水面以下200~300mm。淬火后溫度仍控制在38℃以下，在550℃保溫120min回火，圖3是鋼管的內(nèi)噴浸入淬火工藝過程示意。

圖3 鋼管的浸入內(nèi)噴水冷淬火工藝示意

由圖3可以看出，采用新的淬火工藝后，外表面冷卻水流量增加，鋼管與冷卻水的接觸面積更大，表面形成的蒸氣泡膜被迅速打破，內(nèi)噴水的流速和壓力得到提高，管子轉(zhuǎn)速更快，保證了冷卻速度更快且降溫更均勻。在調(diào)質(zhì)后的鋼管不同位置上截取力學(xué)性能試樣，進(jìn)行拉伸，硬度和沖擊吸收能量的檢測(cè)，結(jié)果見表3。

由表3可以看出，生產(chǎn)工藝改進(jìn)后，鋼管從外壁到中間位置的各項(xiàng)力學(xué)性能變得更加穩(wěn)定，不同位置的數(shù)據(jù)波動(dòng)較小，且都在技術(shù)協(xié)議要求的范圍內(nèi)，強(qiáng)度、沖擊吸收能量和硬度都比外淋內(nèi)噴工藝有所提高。特別是屈服強(qiáng)度和沖擊吸收能量提高較為明顯，中間位置的屈服強(qiáng)度比初始工藝提高了約115MPa，提高幅度約14.52%，中間位置的沖擊吸收能量比初始工藝提高了15J，提高幅度約25%?？拷獗谟捕仁?0.8HRC，中間位置硬度是30.6HRC，基本一致。這說明從外壁到中間位置性能衰減比較小，改進(jìn)的生產(chǎn)工藝提高了材質(zhì)的淬透能力，淬火時(shí)的冷卻速度大于臨界冷卻速度，保證了過冷奧氏體順利越過等溫轉(zhuǎn)變圖的“鼻尖”，整個(gè)截面獲得全馬氏體含量組織。

表3 改進(jìn)的生產(chǎn)工藝處理的力學(xué)性能結(jié)果

2.4 浸入內(nèi)噴方式淬火工藝對(duì)微觀組織的影響

在改進(jìn)的生產(chǎn)工藝調(diào)質(zhì)后的鋼管上進(jìn)行取樣，在顯微鏡下觀察不同位置的微觀組織，圖4是用改進(jìn)工藝生產(chǎn)的40Cr無縫鋼管的微觀組織。

圖4 改進(jìn)的生產(chǎn)工藝調(diào)質(zhì)后的微觀組織（500×）

從圖4中可以看出，淬火后形成的板條馬氏體數(shù)量較多，板條間距小，馬氏體組織致密，外壁到中間位置的貝氏體和網(wǎng)狀鐵素體消失。回火后整個(gè)截面是均勻一致的回火索氏體，細(xì)小碳化物顆粒在鐵素體基體上彌散分布。這是因?yàn)楦倪M(jìn)的生產(chǎn)工藝確保了過冷奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的充分性，與力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)一致。這說明，對(duì)于厚壁材料來說，通過合金成分的優(yōu)化和淬火工藝的改進(jìn)，能夠提高材質(zhì)的淬透能力。

3 結(jié)束語

1）本研究的40Cr厚壁鋼管用初始外淋內(nèi)噴淬火工藝生產(chǎn)后，靠近外壁位置綜合性能整體優(yōu)于中間位置的性能，但是中間位置處的屈服強(qiáng)度和沖擊吸收能量較低，這是因?yàn)殇摴艿慕M織未淬透，靠近外壁區(qū)域從奧氏體析出了少量白色條狀鐵素體和羽毛狀貝氏體，壁厚的中間位置組織較差，白色的鐵素體數(shù)量增多，連接成網(wǎng)狀。

2）通過優(yōu)化成分和采用新的浸入內(nèi)噴淬火工藝后，外表面冷卻水流量增加，鋼管與冷卻水的接觸面積更大，表面形成的蒸氣泡膜被迅速打破，內(nèi)噴水的流速和壓力得到提高，管子轉(zhuǎn)速加快，保證了冷卻速度更快，淬火后獲得完全致密馬氏體組織，鋼種的各項(xiàng)力學(xué)性能合格。