無(wú)縫鋼管淬火裂紋產(chǎn)生原因及預(yù)防措施

黃蓓蓓，侯 強(qiáng)，扈 立

（天津鋼管制造有限公司，天津 300301）

無(wú)縫鋼管生產(chǎn)主要工藝路線為：精煉→管坯連鑄→管坯加熱→穿孔→熱軋→定（減）徑→熱處理。在熱處理過(guò)程中，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)淬火裂紋。淬火裂紋是垂直于鋼管表面的一種裂紋缺陷，其裂紋尖端較為尖銳，脫碳程度較輕，是由于快速冷卻產(chǎn)生的組織應(yīng)力和熱應(yīng)力超過(guò)管材強(qiáng)度導(dǎo)致的［1－7］。根據(jù)淬火裂紋組織形貌的不同，其產(chǎn)生的原因也多種多樣。本文分析幾種典型淬火裂紋的產(chǎn)生原因，并提出相應(yīng)改進(jìn)措施，以期提高無(wú)縫鋼管產(chǎn)品的質(zhì)量。

1 淬火裂紋類型及產(chǎn)生原因

1.1 表面缺陷誘導(dǎo)型淬火裂紋

某機(jī)組軋制Φ114.30 mm×8.56 mm 規(guī)格26Cr-Mo4s 合金結(jié)構(gòu)管時(shí)，內(nèi)壁經(jīng)常出現(xiàn)細(xì)小的淬火裂紋，具體如圖1～2 所示。拋光態(tài)微觀形貌照片顯示，管體內(nèi)壁存在較多深度不超過(guò)0.2 mm 的凹坑、翹皮等表面缺陷，這些缺陷部位在淬火應(yīng)力作用下產(chǎn)生應(yīng)力集中，成為誘發(fā)淬火裂紋的原因。

表面缺陷誘導(dǎo)型淬火裂紋多出現(xiàn)于小直徑、薄壁鋼管中。一方面，小直徑鋼管軋制延伸率較大，管體內(nèi)外表面易出現(xiàn)凹坑、劃道等原始缺陷；與此同時(shí)，薄壁鋼管在淬火冷卻過(guò)程中，其表面張應(yīng)力在缺陷位置產(chǎn)生的應(yīng)力集中效應(yīng)更加顯著，因此易出現(xiàn)缺陷誘導(dǎo)型淬火裂紋。

此外，軋制Φ88.90 mm×6.45 mm 規(guī)格20 鋼油管時(shí)，內(nèi)、外表面同樣發(fā)現(xiàn)由表面缺陷誘發(fā)的淬火裂紋。

1.2 應(yīng)力開(kāi)裂型淬火裂紋

圖1 26CrMo4s 合金結(jié)構(gòu)管內(nèi)壁凹坑誘發(fā)淬火裂紋

圖2 26CrMo4s 合金結(jié)構(gòu)管外壁缺陷誘發(fā)淬火裂紋

應(yīng)力開(kāi)裂是淬火裂紋較為常見(jiàn)的一種類型［8－9］；是淬火冷卻過(guò)程中，表面張應(yīng)力超過(guò)材料強(qiáng)度，從而引發(fā)的一種裂紋缺陷。

Φ177.80 mm×11.51 mm N80Q 鋼級(jí)（26CrMo4）套管表面淬火裂紋形貌及其周圍組織如圖3～4 所示。由圖3～4 可以看出，有應(yīng)力開(kāi)裂型淬火裂紋的管體，其表面光滑平整，無(wú)原始缺陷，且顯微組織均勻細(xì)小，裂紋是由表面張應(yīng)力過(guò)大造成的；應(yīng)力開(kāi)裂型淬火裂紋完全垂直于管體表面，沿壁厚方向延伸，也說(shuō)明這類裂紋完全是由表面張應(yīng)力過(guò)大引起的。

圖3 N80Q 鋼級(jí)（26CrMo4）套管外壁淬火裂紋形貌

圖4 N80Q 鋼級(jí)（26CrMo4）套管外壁淬火裂紋周圍組織

此外，軋制Φ139.70 mm×10.54 mm P110 鋼級(jí)（29MnCr6）套管時(shí)，也出現(xiàn)應(yīng)力開(kāi)裂型淬火裂紋。

管體表面應(yīng)力過(guò)大，大多是由鋼管內(nèi)、外壁冷卻不均造成的。因此，通過(guò)試驗(yàn)，分析無(wú)縫鋼管淬火過(guò)程中不同冷卻方式對(duì)其表面張應(yīng)力的影響。

某熱處理生產(chǎn)線的淬火冷卻方式是外淋+內(nèi)噴水淬，其中內(nèi)噴較外淋延遲3 s。內(nèi)噴延遲淬火工藝會(huì)導(dǎo)致管體周向產(chǎn)生拉應(yīng)力，而水流量又偏大，冷卻速度較快，會(huì)產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力。對(duì)Φ127.00 mm×9.19 mm 規(guī)格 Cr－Mo 合金鋼軋態(tài)管進(jìn)行淬火試驗(yàn)。將試樣加熱至890 ℃并保溫30 min 后出爐，1號(hào)試樣先內(nèi)噴冷卻10 s，然后進(jìn)行整體水淬，2 號(hào)試樣直接進(jìn)行整體水淬冷卻。殘余應(yīng)力測(cè)量（圖5～6）結(jié)果顯示，1 號(hào)試樣的管體殘余應(yīng)力為 －105.8 MPa（壓應(yīng)力），2 號(hào)試樣的管體殘余應(yīng)力為219.8 MPa（拉應(yīng)力）。由此可見(jiàn)，不恰當(dāng)?shù)睦鋮s方式將導(dǎo)致管體表面出現(xiàn)較大殘余拉應(yīng)力，增加應(yīng)力型淬火開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 Cr－Mo 合金鋼軋態(tài)管淬火后1 號(hào)試樣（壓應(yīng)力）

圖6 Cr－Mo 合金鋼軋態(tài)管淬火后2 號(hào)試樣（拉應(yīng)力）

1.3 表面增碳型淬火裂紋

使用C 含量為0.30%左右的中碳Cr－Mo 微合金鋼生產(chǎn)無(wú)縫鋼管時(shí)，在管體外表面局部經(jīng)常出現(xiàn)淬火裂紋，如圖7 所示。顯微分析結(jié)果顯示，該淬火裂紋周圍組織有增碳現(xiàn)象（圖8），增碳層深度0.5～2.0 mm。該淬火裂紋形成的原因是管體外表面局部存在增碳現(xiàn)象，導(dǎo)致淬火過(guò)程中增碳部位應(yīng)力過(guò)大，從而形成淬火裂紋。

圖7 中碳Cr－Mo 微合金鋼管表面淬火裂紋形貌

圖8 中碳Cr－Mo 微合金鋼管淬火裂紋周圍增碳組織

根據(jù)無(wú)縫鋼管生產(chǎn)工藝流程，推測(cè)可能導(dǎo)致鋼管表面 C 含量增加的工序?yàn)椋?0－11］：①管坯表面黏結(jié)煉鋼高碳保護(hù)渣，在環(huán)形爐高溫加熱過(guò)程中滲入基體，導(dǎo)致軋制完成后毛管表面局部增碳；②鋼管進(jìn)入熱處理爐前表面黏有油污、木屑等高碳外來(lái)物，經(jīng)高溫?zé)崽幚砗髮?dǎo)致表面C 含量高于基體。

1.4 裂紋敏感型鋼種的淬火裂紋

某些高鋼級(jí)無(wú)縫鋼管由于合金元素含量較高，管體強(qiáng)度高，因此應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子較高，屬于裂紋敏感型鋼種，管材表面或內(nèi)部微觀缺陷在應(yīng)力作用下極容易發(fā)生擴(kuò)展，從而形成裂紋缺陷。

S135 鋼級(jí)合金結(jié)構(gòu)管表面淬火裂紋形貌及其組織如圖9～10 所示。該類無(wú)縫鋼管的淬火裂紋缺陷發(fā)生概率顯著高于其他鋼種，由于該鋼種含Cr、Mo 合金元素較多，管材強(qiáng)度較高，管材微觀組織協(xié)調(diào)塑性變形能力較差，形變儲(chǔ)存能的釋放只能通過(guò)形成新的表面裂紋的方式進(jìn)行，因此屬于高淬裂風(fēng)險(xiǎn)管材。

圖9 S135 鋼級(jí)合金結(jié)構(gòu)管表面淬火裂紋形貌

2 預(yù)防措施

圖10 S135 鋼級(jí)合金結(jié)構(gòu)管表面淬火裂紋組織形貌

淬火裂紋是一種應(yīng)力開(kāi)裂導(dǎo)致的缺陷，是材料的內(nèi)應(yīng)力超過(guò)斷裂強(qiáng)度時(shí)產(chǎn)生的，其產(chǎn)生原因十分復(fù)雜，該內(nèi)應(yīng)力是在淬火過(guò)程中形成的、具有拉應(yīng)力性質(zhì)。產(chǎn)生淬火裂紋的內(nèi)因是材料在淬火過(guò)程中發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)應(yīng)力過(guò)大，其與鋼的化學(xué)成分密切相關(guān)，主要是C 含量和合金元素含量，一般是C 含量越高，越易產(chǎn)生裂紋，一般認(rèn)為w（C） ∧0.2%時(shí)不產(chǎn)生淬火裂紋。與此同時(shí)，淬火冷卻方式、鋼管表面質(zhì)量等外部因素也可能導(dǎo)致淬火裂紋的產(chǎn)生。

根據(jù)可能導(dǎo)致淬火裂紋的多種因素，可采取以下預(yù)防措施。

（1） 表面缺陷誘導(dǎo)型淬火裂紋的預(yù)防措施。對(duì)于表面缺陷誘導(dǎo)產(chǎn)生局部應(yīng)力集中而出現(xiàn)的淬火裂紋，需要提高軋態(tài)管體表面質(zhì)量，減少材料的宏觀缺陷和形狀突變。

（2） 應(yīng)力開(kāi)裂型淬火裂紋的預(yù)防措施。降低冷卻速度可一定程度上減小殘余應(yīng)力，即減小馬氏體相變產(chǎn)生的組織應(yīng)力，且內(nèi)外壁相變過(guò)程呈梯度進(jìn)行。在保證獲得全部馬氏體組織的冷卻速度（50～60℃/s）前提下，適當(dāng)降低冷卻水流量，并采取內(nèi)噴+外淋（延遲）冷卻方式，理論上外淋冷卻相對(duì)于內(nèi)噴冷卻的延遲時(shí)間為鋼管內(nèi)壁馬氏體相變開(kāi)始至完成所需時(shí)間，使得管體圓周產(chǎn)生壓應(yīng)力。當(dāng)管體圓周方向產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力后，可很大程度上減少或完全消除淬火裂紋。

（3） 表面增碳型淬火裂紋的預(yù)防措施。①適當(dāng)提高保護(hù)渣黏度，渣耗降低，液渣層將增厚，防止鋼液面波動(dòng)；同時(shí)，因熔渣黏度的增加，熔渣層中的碳向鋼液的擴(kuò)散速度將大大減慢；②向保護(hù)渣中添加適量的氧化劑（如MnO2等），可以促使保護(hù)渣中的碳氧化，有效抑制富集碳層和熔渣層中的碳含量；或使用無(wú)碳保護(hù)渣。

（4） 裂紋敏感型鋼種的淬火裂紋的預(yù)防措施。適當(dāng)調(diào)整鋼種成分，降低C 元素含量，細(xì)化晶粒，提高裂紋擴(kuò)展抗力。水淬鋼種應(yīng)嚴(yán)格控制C 和Mn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，當(dāng) w（C）＋w（Mn）/3≥0.9%，采用水淬工藝存在開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，宜采用油淬工藝。對(duì)于高C、高M(jìn)n 鋼種，降低淬火溫度和冷卻速度，有利于防止鋼管淬火裂紋的產(chǎn)生。

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)淬火裂紋缺陷樣管進(jìn)行宏觀、微觀分析及試驗(yàn)研究，確定了淬火裂紋的類型及產(chǎn)生原因，并提出了以下改進(jìn)措施［12-14］。

（1） 軋制工藝導(dǎo)致的管體表面缺陷部位在淬火后容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，成為誘發(fā)淬火裂紋的原因；因此，優(yōu)化軋制工藝參數(shù)，提高管材表面質(zhì)量，減少材料的宏觀缺陷和形狀突變。

（2） 不合理的淬火冷卻方式將導(dǎo)致管體產(chǎn)生較大殘余拉應(yīng)力，增加出現(xiàn)淬火裂紋的風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)調(diào)整管體冷卻水內(nèi)噴和外淋順序及水流量，使管體淬火后產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，是降低殘余應(yīng)力、消除淬火裂紋的有效措施。

（3） 結(jié)晶器內(nèi)鋼液面不穩(wěn)定，保護(hù)渣在熔化過(guò)程中形成的富碳層與鋼液接觸引起的鑄坯增碳是造成鑄坯增碳的原因之一?？梢酝ㄟ^(guò)采用發(fā)熱型開(kāi)澆渣或無(wú)碳保護(hù)渣，以及控制中包注流、拉坯速度、結(jié)晶器振動(dòng)頻率等工藝因素穩(wěn)定，防止鋼液面波動(dòng)，保持穩(wěn)定的液渣層厚度。

（4） 適當(dāng)?shù)卣{(diào)整裂紋敏感型管材鋼種成分，根據(jù)C、Mn 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，合理選擇冷卻介質(zhì)及冷卻速度。