热处理工艺对12Cr1MoVG厚壁无缝钢管表面硬度的影响

2015-03-09肖功业秦利波赵庆权

钢管 2015年3期

肖功业，秦利波，何彪，赵庆权

（天津钢管集团股份有限公司，天津 300301）

12Cr1MoVG无缝钢管主要用于制造高压锅炉蒸汽管道，使用温度可达580℃，具有较高的耐高温持久强度［1-4］。12Cr1MoVG钢管是在优质碳素结构钢中加入适量合金元素，提高其力学性能、强韧性和淬透性，通常以热处理（正火+回火或淬火+回火）状态交货［5-9］。随着用户需求的不断提高，要求12Cr1MoVG钢管的表面硬度为145～190 HB，而传统工艺生产的厚壁钢管不能满足这一要求（正火+回火工艺生产的钢管硬度为135～161 HB，低于标准下限值；淬火+回火工艺生产的钢管硬度为175～200 HB，超过标准上限值）［10-12］。

为了得到12Cr1MoVG厚壁钢管的理想表面硬度，通过分析12Cr1MoVG的连续冷却转变曲线（CCT曲线），在实验室进行热处理工艺研究，对不同工艺热处理后的钢管进行性能检测，以找出最佳热处理工艺。

1 现状分析

1.1 产品组织分布研究

钢的硬度主要由其金相组织决定，回火索氏体S回硬度较高，铁素体F硬度较低［13］。传统工艺热处理后的12Cr1MoVG厚壁无缝钢管的金相组织如图1所示。

图1 传统工艺热处理后的12Cr1MoVG厚壁无缝钢管的金相组织

由图1可以看出：淬火+回火后12Cr1MoVG厚壁无缝钢管的组织为S回+B回（回火贝氏体），在淬火过程中生成了大量M（马氏体）组织，经过回火后M转变为S回；正火+回火后组织为F+P（铁素体+珠光体），F含量高达75%。由于淬火工艺冷却速率较快，F来不及析出就进入B转变区域，最终形成了M+B组织，产品硬度值偏高；而正火+回火工艺冷却速率较慢，F大量析出，产品硬度值偏低。

1.2 CCT曲线测定

产品的组织与冷却速率有直接关系。为了找到最佳的热处理工艺，测定12Cr1MoVG钢的CCT曲线，如图2所示。可以看出：淬火+回火后产品组织以M为主，而正火+回火后产品组织以F+P为主，这与图1所示的金相组织一致。因此，适当提高正火+回火工艺的冷却速率，减少F转变温度的停留时间，避免F组织的大量生成，从而达到产品硬度控制目标。

图2 12Cr1MoVG钢的CCT曲线

2 试验方法

试样规格Φ219mm×45 mm，其生产工艺：电炉冶炼→LF精炼→VD炉精炼→模铸→锻造→退火→管坯加热→穿孔→Assel轧管机轧制→定径→探伤。选取探伤合格的12Cr1MoVG钢管，在其中部截取长度为500mm的管段，在实验室热处理后制备满足相应标准的试样。12Cr1MoVG试样的化学成分见表1。

表1 12Cr1MoVG试样的化学成分（质量分数） %

试验研究分两步进行：①通过控制F析出温度的停留时间，改变F的析出量，研究水淬时间与冷却水循环方式对钢管性能的影响；②找出性能匹配最佳时的水淬时间及水循环方式，进行最佳回火工艺制度研究。

3 试验研究

3.1 水淬时间的确定

3.1.1 试验目的

在实验室热处理试样，试样出炉后立即进行水淬，控制水淬时间及水循环方式。研究水淬时间及水循环方式对12Cr1MoVG试样最终组织的影响，确定12Cr1MoVG厚壁钢管的最佳淬火工艺。

3.1.2 试验原理

根据CCT曲线，确认试样的淬火温度970℃，保温60 min，出炉后立即进行水淬。控制水淬时间，使其在F转变温度范围的停留时间减少，避免F组织的大量析出或全部生成M组织，以获得满足硬度要求的组织分布。同时，对比分析冷却水循环方式对产品组织的影响。

3.1.3 试验结果

检测不同水淬时间及水循环冷却后12Cr1MoVG厚壁钢管的出水温度及表面硬度，结果见表2。

表2 不同水淬时间及水循环冷却后12Cr1MoVG厚壁钢管的出水温度及表面硬度

3.1.4 结果分析

从表2可以看出：水淬时间缩短，钢管出水温度有所提高，水淬20 s时试样出水温度为530℃，可避免F组织的大量析出；又由于控制了淬火时间，F组织未全部转变为M组织，避免了钢管表面硬度过高而超出要求。因此，将水淬时间控制在20 s可实现12Cr1MoVG厚壁钢管的较佳硬度值。同时对比是否使用循环水进行水淬后的产品硬度，由于非循环水冷却能力相对较弱，避免了大量M组织产生，水淬90 s后钢管的出水温度为254℃，经检测其硬度值亦满足要求。不同时间水淬后12Cr1MoVG厚壁钢管的金相组织如图3所示。

图3 不同时间水淬后12Cr1MoVG厚壁钢管的金相组织

由图3可以看出：水淬时间越短，F含量越高，水淬20 s的产品组织为F+B，F、B的含量比例分别为55%、45%；由于非循环水冷却能力相对较弱，回火后避免了大量S回组织的生成，F含量较高，硬度为181 HB。最终选择淬火工艺为970℃淬火，保温60 min，非循环水水淬20 s。

3.2 回火工艺的确定

3.2.1 试验目的

对经以上工艺淬火后的试样进行不同工艺回火处理，通过比较分析，找出最佳回火工艺。

3.2.2 试验原理

试样经过970℃×60min淬火，出炉后立即水淬，水淬时间20 s，控制回火保温时间，对比分析不同回火时间后的试样性能及硬度值，找出满足硬度要求的最佳回火工艺。

3.2.3 试验结果

不同回火工艺制度热处理后12Cr1MoVG厚壁钢管的硬度检测结果见表3。

表3 不同回火工艺制度热处理后12Cr1MoVG厚壁钢管硬度检测结果

3.2.4 结果分析

由表3可以看出：随着回火保温时间的延长，12Cr1MoVG厚壁钢管的表面硬度逐渐降低，由185 HB降低至177 HB，产品硬度均满足要求；回火时间由120min增加至150min过程中，硬度值明显降低，继续增加回火时间则硬度略有降低。考虑综合生产成本与效率因素，确定最佳回火工艺为750 ℃×150min。

对以上淬火+回火新工艺生产的12Cr1MoVG厚壁钢管进行内、中、外截面硬度检测，检测结果见表4。由表4可以看出：管体壁厚内、中、外截面硬度值较为均匀，且满足产品硬度要求。

表4 淬火+回火后12Cr1MoVG厚壁钢管硬度检测结果 HB

对新工艺热处理后12Cr1MoVG厚壁钢管的常规力学性能进行检测，结果见表5。由表5可以看出：淬火970℃×60min、水淬20 s，回火750℃×150 min的热处理工艺生产的12Cr1MoVG厚壁钢管力学性能满足要求。

表5 淬火+回火新工艺热处理后12Cr1MoVG厚壁钢管的常规性能检测结果

4 生产实践

根据试验结果，在生产12Cr1MoVG厚壁钢管时执行新热处理工艺：淬火970℃×60 min、水淬20 s，回火750℃×150min。为了避免因非循环水冷却能力较低导致管体弯曲，采用循环水方式水淬。传统工艺和新工艺生产的12Cr1MoVG厚壁钢管硬度分布情况如图4所示。

从图4可以看出，采用传统工艺时，淬火+回火工艺生产的钢管硬度超出要求的上限值，最高达197 HB，超出上限要求的批量率为27%；正火+回火工艺生产的钢管硬度低于要求的下限值，最低仅为137 HB，低于下限要求值的批量率为41%。执行新工艺热处理后钢管获得的硬度值为161～182 HB，100%满足用户要求。检测采用新工艺热处理后的12Cr1MoVG厚壁钢管的力学性能及组织，结果见表6，各项指标均满足标准要求。

分析产品壁厚对水淬工艺的影响，当壁厚大于45 mm时适当延长水淬时间，当壁厚为36～45mm时缩短水淬时间，但不少于18 s，否则水淬均匀性难以保证。

5 结论

（1）通过控制淬火时间，减少F析出量，避免大量M组织析出，实现产品硬度的控制，确定出Φ219 mm×45 mm 12Cr1MoVG厚壁无缝钢管的最佳热处理工艺为：淬火970℃×60min、水淬20 s，回火750℃×150min。采用该热处理工艺后的产品组织为F+B，F、B组织的含量比例分别为55%、45%。