淬火温度对25Mn2V钢组织与性能的影响
2015-09-26万荣春
万荣春
（渤海船舶职业学院材料工程系，辽宁 葫芦岛 125105）
淬火温度对25Mn2V钢组织与性能的影响
万荣春
（渤海船舶职业学院材料工程系，辽宁 葫芦岛 125105）
采用拉伸试验、硬度试验和金相分析等方法，研究了25Mn2V钢在不同温度（850，880，910，950，1 000，1 050℃）淬火+600℃回火后的力学性能和显微组织。结果表明：25Mn2V钢调质处理淬火温度为910℃时，其力学性能最高；但当淬火温度达到950℃时，钢材淬火组织明显粗化，力学性能下降。
25Mn2V钢；淬火；回火；调质处理；显微组织；力学性能
油井管作为石油勘采工程中的主要器材之一，在石油工业用钢的总量中占40%以上［1-2］。从产量看，低钢级油井管，如H40、J55、K55等，供需基本平衡，但高钢级尤其是特殊性能油井管还需大量进口［3］。从整个油井管国产化的发展趋势来看，国产油井管与国外同类型产品相比还存在着一定的差距，特别在品种、质量和科研开发方面，其差距还比较明显；因此，在国内研制与生产高质量、高强度油井管有其重要意义。目前在生产高钢级油井管（如N80、P110和Q125）无缝钢管时，常采用中碳或低碳、高锰以及复合合金化或微合金化（如加入Cr、Mo、Ni、Cu和V等）结构钢，如25Mn2、25Mn2V等，再通过调质热处理来提高油井管的力学性能［4-6］，然而如何制定或优化热处理工艺制度，仍是提高油井管性能的重要技术关键［7-8］。
本文对25Mn2V试验钢进行一系列温度（850，880，910，950，1 000，1 050℃）淬火+600℃回火的调质处理，通过拉伸试验、硬度试验及显微组织观察，研究25Mn2V钢合理的热处理工艺，为25Mn2、25Mn2V等高钢级油井管热处理工艺制度的制定或优化提供重要依据。
1 试验材料与方法
试验钢牌号为25Mn2V，其具体化学成分见表1，试验钢的厚度为10～12 mm。
25Mn2V钢采用不同温度淬火+600℃回火的调质处理工艺，在调质处理前先将其加热到1 060℃保温25 min后水淬进行固溶处理，其具体热处理工艺如图1所示。
表1 25Mn2V钢的化学成分（质量分数） %
图1 25Mn2V钢热处理工艺示意
调质处理后的试样制成标准拉伸样品（GB/T 228—2002《金属材料 室温拉伸试验方法》），在WDW-10型材料试验机上进行力学性能测试，拉伸应变速率为10-3s-1。
对调质处理后的试验钢管的横剖面进行打磨，利用HRS-150型数字显示洛氏硬度计进行硬度测试。在试验钢管的横剖面外圈、中间和内圈各测试5个点，每个点的距离大于3 mm，然后对所测硬度求平均值。
调质处理后的试验钢管的横剖面经切割、研磨、抛光及4%硝酸酒精腐蚀后，用奥林巴斯BX51M型金相显微镜观察显微组织。最后采用JSM-7600F扫描电子显微镜（SEM）对组织的精细结构进行观察。
2 试验结果与分析
2.1显微组织
25Mn2V钢经不同温度淬火+600℃回火处理后的显微组织如图2所示，可以看出显微组织的形貌特征基本相似。利用高倍扫描电镜观察精细组织可以发现，铁素体基体上弥散分布着细粒状渗碳体Fe3C，铁素体基体的形态有多边形和板条状，如图3所示。25Mn2V钢淬火后的组织为板条状马氏体，回火处理时，细粒状Fe3C从过饱和的α-Fe（马氏体）中析出；450℃以上铁素体发生多边形化，部分板条状铁素体变为多边形铁素体，这种在铁素体基体上分布着细粒状Fe3C的组织，称为回火索氏体［9-13］。从图2还可发现：随淬火温度升高，原始的奥氏体（淬火时奥氏体化后）晶粒尺寸增大，淬火后马氏体板条束也随淬火温度升高变得粗大。
图2 25Mn2V钢经不同温度淬火+600℃回火后的显微组织
图3 25Mn2V钢经不同温度淬火+600℃回火后的SEM组织
2.2力学性能
25Mn2V钢经不同温度淬火后的力学性能如图4所示。从图4可以看出：25Mn2V钢在不同温度淬火时，其力学性能也不同。随着淬火温度的提高，25Mn2V钢的强度和硬度先上升后下降，910℃淬火时强度和硬度最高。而断后伸长率与强度变化的趋势正好相反，随着淬火温度的提高，断后伸长率先下降后上升，910℃淬火时断后伸长率最低。在满足API Spec 5CT《套管和油管规范》［6］最小断后伸长率的要求下，910℃淬火时，25Mn2V钢的力学性能最高。此外，从图4还可以发现：淬火温度超过950℃后，力学性能变化范围变小，淬火温度对试验钢力学性能的影响减弱。
25Mn2V钢调质处理后的组织显示，在淬火温度达到950℃时，原始奥氏体（淬火时奥氏体化后）晶粒尺寸和淬火后马氏体板条束明显粗化。淬火温度达到950℃时，由于淬火加热温度较高，奥氏体晶粒尺寸会明显长大，淬火后马氏体板条束也明显粗化，从而导致试验钢的力学性能（强度和硬度）下降。而在淬火温度低于910℃时，尽管其调质组织与910℃淬火调质的组织差别不明显，但由于淬火加热温度低，组织在奥氏体化时转变不完全，碳化物溶解不完全，成分均匀化不完全，从而导致试验钢强度和硬度低于910℃淬火时的强度和硬度。通过综合分析，25Mn2V钢合理的热处理工艺为：淬火温度910～930℃，保温时间25～30 min（厚度10～12 mm）；回火温度推荐为600～620℃，保温时间为60 min。
图4 25Mn2V钢经不同温度淬火后的力学性能
3 结 论
（1）25Mn2V钢调质处理淬火温度为910℃时，力学性能最高；但当淬火温度达到950℃时，淬火组织明显粗化，力学性能反而下降。
（2）25Mn2V钢调质处理时合理的淬火工艺为：加热温度910～930℃，保温时间25～30 min（厚度为10～12 mm）。
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Effect by Quenching Temperature on Microstructure and Properties of 25Mn2V Steel
WAN Rongchun
（Materials Engineering Department，Bohai Shipbuilding Vocational College，Huludao 125105，China）
Investigated are the mechanical properties and microstructures of the 25Mn2V steels as quenched at different temperatures（850，880，910，950，1 000 and 1 050℃）and tempered at 600℃by means of tensile test，hardness test and metallographic test.The test results show that the 25Mn2V steel presents maximum mechanical properties after being quenched at 910℃.However，along with the quenching temperature is going up to 950℃，its after-quench microstructure is obviously getting coarsened，and its mechanical properties are getting decreased.
25Mn2V steel；quenching；tempering；quenching-tempering treatment；microstructure；mechanical properties
TG156.3
B
1001-2311（2015）02-0018-04
2014-03-21；修定日期：2014-12-10）
万荣春（1981-），男，博士，主要研究金属材料的组织结构与力学性能。
