淬火溫度對25Mn2V鋼組織與性能的影響

萬榮春

（渤海船舶職業(yè)學(xué)院材料工程系，遼寧 葫蘆島 125105）

淬火溫度對25Mn2V鋼組織與性能的影響

萬榮春

（渤海船舶職業(yè)學(xué)院材料工程系，遼寧 葫蘆島 125105）

采用拉伸試驗(yàn)、硬度試驗(yàn)和金相分析等方法，研究了25Mn2V鋼在不同溫度（850，880，910，950，1 000，1 050℃）淬火+600℃回火后的力學(xué)性能和顯微組織。結(jié)果表明：25Mn2V鋼調(diào)質(zhì)處理淬火溫度為910℃時(shí)，其力學(xué)性能最高；但當(dāng)淬火溫度達(dá)到950℃時(shí)，鋼材淬火組織明顯粗化，力學(xué)性能下降。

25Mn2V鋼；淬火；回火；調(diào)質(zhì)處理；顯微組織；力學(xué)性能

油井管作為石油勘采工程中的主要器材之一，在石油工業(yè)用鋼的總量中占40%以上［1-2］。從產(chǎn)量看，低鋼級油井管，如H40、J55、K55等，供需基本平衡，但高鋼級尤其是特殊性能油井管還需大量進(jìn)口［3］。從整個(gè)油井管國產(chǎn)化的發(fā)展趨勢來看，國產(chǎn)油井管與國外同類型產(chǎn)品相比還存在著一定的差距，特別在品種、質(zhì)量和科研開發(fā)方面，其差距還比較明顯；因此，在國內(nèi)研制與生產(chǎn)高質(zhì)量、高強(qiáng)度油井管有其重要意義。目前在生產(chǎn)高鋼級油井管（如N80、P110和Q125）無縫鋼管時(shí)，常采用中碳或低碳、高錳以及復(fù)合合金化或微合金化（如加入Cr、Mo、Ni、Cu和V等）結(jié)構(gòu)鋼，如25Mn2、25Mn2V等，再通過調(diào)質(zhì)熱處理來提高油井管的力學(xué)性能［4-6］，然而如何制定或優(yōu)化熱處理工藝制度，仍是提高油井管性能的重要技術(shù)關(guān)鍵［7-8］。

本文對25Mn2V試驗(yàn)鋼進(jìn)行一系列溫度（850，880，910，950，1 000，1 050℃）淬火+600℃回火的調(diào)質(zhì)處理，通過拉伸試驗(yàn)、硬度試驗(yàn)及顯微組織觀察，研究25Mn2V鋼合理的熱處理工藝，為25Mn2、25Mn2V等高鋼級油井管熱處理工藝制度的制定或優(yōu)化提供重要依據(jù)。

1　試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)鋼牌號為25Mn2V，其具體化學(xué)成分見表1，試驗(yàn)鋼的厚度為10～12 mm。

25Mn2V鋼采用不同溫度淬火+600℃回火的調(diào)質(zhì)處理工藝，在調(diào)質(zhì)處理前先將其加熱到1 060℃保溫25 min后水淬進(jìn)行固溶處理，其具體熱處理工藝如圖1所示。

表1　25Mn2V鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）　%

圖1　25Mn2V鋼熱處理工藝示意

調(diào)質(zhì)處理后的試樣制成標(biāo)準(zhǔn)拉伸樣品（GB/T 228—2002《金屬材料 室溫拉伸試驗(yàn)方法》），在WDW-10型材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行力學(xué)性能測試，拉伸應(yīng)變速率為10-3s-1。

對調(diào)質(zhì)處理后的試驗(yàn)鋼管的橫剖面進(jìn)行打磨，利用HRS-150型數(shù)字顯示洛氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度測試。在試驗(yàn)鋼管的橫剖面外圈、中間和內(nèi)圈各測試5個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)的距離大于3 mm，然后對所測硬度求平均值。

調(diào)質(zhì)處理后的試驗(yàn)鋼管的橫剖面經(jīng)切割、研磨、拋光及4%硝酸酒精腐蝕后，用奧林巴斯BX51M型金相顯微鏡觀察顯微組織。最后采用JSM-7600F掃描電子顯微鏡（SEM）對組織的精細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察。

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1顯微組織

25Mn2V鋼經(jīng)不同溫度淬火+600℃回火處理后的顯微組織如圖2所示，可以看出顯微組織的形貌特征基本相似。利用高倍掃描電鏡觀察精細(xì)組織可以發(fā)現(xiàn)，鐵素體基體上彌散分布著細(xì)粒狀滲碳體Fe3C，鐵素體基體的形態(tài)有多邊形和板條狀，如圖3所示。25Mn2V鋼淬火后的組織為板條狀馬氏體，回火處理時(shí)，細(xì)粒狀Fe3C從過飽和的α-Fe（馬氏體）中析出；450℃以上鐵素體發(fā)生多邊形化，部分板條狀鐵素體變?yōu)槎噙呅舞F素體，這種在鐵素體基體上分布著細(xì)粒狀Fe3C的組織，稱為回火索氏體［9-13］。從圖2還可發(fā)現(xiàn)：隨淬火溫度升高，原始的奧氏體（淬火時(shí)奧氏體化后）晶粒尺寸增大，淬火后馬氏體板條束也隨淬火溫度升高變得粗大。

圖2　25Mn2V鋼經(jīng)不同溫度淬火+600℃回火后的顯微組織

圖3　25Mn2V鋼經(jīng)不同溫度淬火+600℃回火后的SEM組織

2.2力學(xué)性能

25Mn2V鋼經(jīng)不同溫度淬火后的力學(xué)性能如圖4所示。從圖4可以看出：25Mn2V鋼在不同溫度淬火時(shí)，其力學(xué)性能也不同。隨著淬火溫度的提高，25Mn2V鋼的強(qiáng)度和硬度先上升后下降，910℃淬火時(shí)強(qiáng)度和硬度最高。而斷后伸長率與強(qiáng)度變化的趨勢正好相反，隨著淬火溫度的提高，斷后伸長率先下降后上升，910℃淬火時(shí)斷后伸長率最低。在滿足API Spec 5CT《套管和油管規(guī)范》［6］最小斷后伸長率的要求下，910℃淬火時(shí)，25Mn2V鋼的力學(xué)性能最高。此外，從圖4還可以發(fā)現(xiàn)：淬火溫度超過950℃后，力學(xué)性能變化范圍變小，淬火溫度對試驗(yàn)鋼力學(xué)性能的影響減弱。

25Mn2V鋼調(diào)質(zhì)處理后的組織顯示，在淬火溫度達(dá)到950℃時(shí)，原始奧氏體（淬火時(shí)奧氏體化后）晶粒尺寸和淬火后馬氏體板條束明顯粗化。淬火溫度達(dá)到950℃時(shí)，由于淬火加熱溫度較高，奧氏體晶粒尺寸會明顯長大，淬火后馬氏體板條束也明顯粗化，從而導(dǎo)致試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能（強(qiáng)度和硬度）下降。而在淬火溫度低于910℃時(shí)，盡管其調(diào)質(zhì)組織與910℃淬火調(diào)質(zhì)的組織差別不明顯，但由于淬火加熱溫度低，組織在奧氏體化時(shí)轉(zhuǎn)變不完全，碳化物溶解不完全，成分均勻化不完全，從而導(dǎo)致試驗(yàn)鋼強(qiáng)度和硬度低于910℃淬火時(shí)的強(qiáng)度和硬度。通過綜合分析，25Mn2V鋼合理的熱處理工藝為：淬火溫度910～930℃，保溫時(shí)間25～30 min（厚度10～12 mm）；回火溫度推薦為600～620℃，保溫時(shí)間為60 min。

圖4　25Mn2V鋼經(jīng)不同溫度淬火后的力學(xué)性能

3　結(jié)　論

（1）25Mn2V鋼調(diào)質(zhì)處理淬火溫度為910℃時(shí)，力學(xué)性能最高；但當(dāng)淬火溫度達(dá)到950℃時(shí)，淬火組織明顯粗化，力學(xué)性能反而下降。

（2）25Mn2V鋼調(diào)質(zhì)處理時(shí)合理的淬火工藝為：加熱溫度910～930℃，保溫時(shí)間25～30 min（厚度為10～12 mm）。

［1］李小紅.我國無縫鋼管供需市場分析與前景展望［J］.鋼管，2006，35（2）：46-49.

［2］謝香山.高性能油井管的發(fā)展及其前景［J］.上海金屬，2000，22（3）：3-12.

［3］李鶴林，田偉，鄺獻(xiàn)任.油井管供需形勢分析與對策［J］.鋼管，2010，39（1）：1-7.

［4］朱明原，魯澤凡，黃飛，等.第二相粒子對V-Ti微合金油井管鋼力學(xué)性能的影響［J］.金屬熱處理，2011，36 （12）：70-73.

［5］解德剛，王長順，邸軍，等.27Mn5調(diào)質(zhì)N80Q、L80油井管的生產(chǎn)實(shí)踐［J］.熱加工工藝，2011，40（4）：191-193.

［6］美國石油學(xué)會.API Spec 5CT套管和油管規(guī)范［S］.9版.北京：石油工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化研究所，2011.

［7］張毅，李鶴林，陳誠德.我國油井管現(xiàn)狀及存在的問題［J］.焊管，1999，22（5）：1-10.

［8］孫殿東.油井管用2Cr13馬氏體不銹鋼的合金化研究［D］.沈陽：東北大學(xué)，2009.

［9］張春玲，胡怡，蔡大勇，等.Mo對09CuPCrNi耐候鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變的影響［J］.金屬熱處理，2005，30（8）：18-20.

［10］郭峰，黃進(jìn)峰，吳護(hù)林，等.高強(qiáng)韌性炮鋼的組織和力學(xué)性能［J］.金屬熱處理，2005，30（11）：31-34.

［11］雷毅，李海，劉志義.20Mn2鋼晶粒超細(xì)化及性能［J］.焊接學(xué)報(bào)，2003，24（3）：17-20.

［12］劉曉濤，崔建忠.強(qiáng)電場奧氏體化對低碳鋼淬火組織的影響［J］.金屬熱處理，2003，28（4）：28-30.

［13］鄒安全，鄧芬燕，鄧沛然.等溫球化退火對H13鋼組織和性能的影響［J］.金屬熱處理，2003，28（8）：34-35.

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）

萬榮春（1981-），男，博士，主要研究金屬材料的組織結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能。