淬火冷卻速度對L80-13Cr厚壁鋼管組織性能的影響

王錦永，曹洪波，齊希倫，陳明義

（新興鑄管股份有限公司，河北 邯鄲 056300）

隨著對能源需求量的增大，腐蝕環(huán)境較為惡劣的油田越來越多，油套管腐蝕非常嚴(yán)重，普通碳鋼已無法滿足耐蝕性能要求。目前，提高采油設(shè)備使用壽命的方法主要有添加緩蝕劑、使用防腐內(nèi)涂層和耐蝕合金3種［1-2］。L80-13Cr是一種含13%Cr和微量Mn強化的馬氏體不銹鋼，具有優(yōu)良的耐腐蝕性，在抗CO2腐蝕方面性能優(yōu)異，同時具有一定的抗H2S應(yīng)力開裂性能。從經(jīng)濟效益考慮，13Cr馬氏體不銹鋼在腐蝕環(huán)境下比碳鋼涂上阻化劑后的使用壽命更長，價格相對較為便宜，使得13Cr系列耐腐蝕鋼管有很好的發(fā)展前景［3-13］。L80-13Cr要獲得良好的性能，必須進行適當(dāng)?shù)臒崽幚?，獲得穩(wěn)定細(xì)小均勻的組織。厚度20 mm以下的L80-13Cr不銹鋼管的淬透性好，采用空氣淬火的方式就可以獲得淬透性較好的組織；而厚度較大的鋼管在空氣中冷卻，由于冷卻速度較慢，難以獲得足夠含量細(xì)小致密高硬度的馬氏體組織，在進行高溫回火后，材料的韌性也會比較低。

本文對L80-13Cr厚壁鋼管進行調(diào)質(zhì)處理，研究在空氣中風(fēng)冷和在水中快速冷卻的淬火組織，探討不同的冷卻工藝對其微觀組織、硬度、強度和韌性的影響，以確定合適的熱處理制度，使其力學(xué)性能滿足要求。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

采用L80-13Cr鍛坯作為原料，坯料直徑為357 mm。在環(huán)形爐中預(yù)熱到900℃，然后在感應(yīng)加熱爐中將坯料加熱到1 170～1 190℃，再送入擠壓機，經(jīng)過擠壓機的三向壓應(yīng)力作用后，生產(chǎn)出規(guī)格為Φ158 mm×40 mm的鋼管，開始擠壓溫度1 160～1 180℃，終了擠壓溫度1 190～1 230℃。L80-13Cr鋼管的化學(xué)成分見表1。

表1 L80-13Cr鋼管的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

1.2 試驗方法

（1）熱處理工藝方案設(shè)計：在步進爐中進行加熱，淬火加熱溫度是990℃，加熱保溫時間是160 min，冷卻工藝分別采用風(fēng)機在空氣中吹風(fēng)冷卻和循環(huán)水中快速冷卻的方法；回火工藝中回火溫度都是705℃，保溫時間均為3.5 h。

（2）微觀組織取樣位置和檢測：在鋼管壁厚的1/2處取樣；微觀組織顯示劑為王水；組織觀測時用德國蔡司Axio ImagerA2m金相顯微鏡。

（3）性能檢測取樣位置和檢測設(shè)備：性能檢測取樣位置在鋼管壁厚的1/2處；依據(jù)GB/T 228—2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》對試樣進行拉伸性能檢測，檢測設(shè)備型號為SHT5605 60 t。依據(jù)GB/T 229—2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》對試樣在0℃進行沖擊試驗，檢測設(shè)備型號為NI300F；依據(jù)GB/T 230.2—2002《金屬洛氏硬度試驗第2部分：硬度計的檢驗與校準(zhǔn)》對試樣進行洛氏硬度檢測，檢測設(shè)備型號為TH320。

2 試驗過程及結(jié)果分析

2.1 淬火過程不同的冷卻工藝

將同一爐號的16支鋼管放在步進爐中，在990℃的溫度下保溫160 min，然后8支鋼管出爐，通過吹風(fēng)冷卻工藝進行淬火；另外8支鋼管出爐，通過浸入內(nèi)噴冷卻工藝進行淬火。L80-13Cr厚壁鋼管兩種淬火冷卻工藝方式如圖1所示，圖1（a）所示為鋼管保溫后，快速輸送到冷床上，用軸流風(fēng)機吹風(fēng)冷卻，鋼管在整個冷卻過程中不停地旋轉(zhuǎn)前進，直到冷卻到60℃以下再進回火爐進行回火處理；圖1（b）所示為鋼管保溫后，迅速將鋼管水平放置到裝滿循環(huán)水的水池上方的旋轉(zhuǎn)托輪上，同時開啟內(nèi)噴水，當(dāng)鋼管溫度冷卻到150～230℃時，使鋼管離開水面；待鋼管溫度空冷60℃以下后輸送至回火爐回火處理。

圖1 L80-13Cr厚壁鋼管兩種淬火冷卻工藝方式

對于L80-13Cr鋼管來說，采用空氣作為淬火介質(zhì)是傳統(tǒng)的熱處理方法。薄壁鋼管空淬能夠獲得良好的淬火組織，調(diào)質(zhì)后能夠獲得強度和韌性的優(yōu)異組合；而厚壁鋼管的冷卻速度較慢，獲得馬氏體含量少，調(diào)質(zhì)后不能獲得強度和韌性的優(yōu)異組合。L80-13Cr厚壁鋼管采用水冷方式帶走的熱量快，可以保證淬火過程的冷卻速度，過冷奧氏體迅速越過最不穩(wěn)定的溫度范圍，向馬氏體轉(zhuǎn)變。當(dāng)L80-13Cr厚壁鋼管開始馬氏體轉(zhuǎn)變以后，就不需要過快的冷卻速度，也能保證過冷奧氏體的穩(wěn)定性。在水中冷卻到150～230℃時，材料塑性好，因此在水中不會產(chǎn)生裂紋；隨后，把鋼管提出水面，在空氣冷卻條件下完成馬氏體的轉(zhuǎn)變，降低了馬氏體形成時的內(nèi)應(yīng)力。前期水冷+后期空冷組合的淬火冷卻工藝實現(xiàn)了先快后慢的理想淬火冷卻曲線，避免了鋼管產(chǎn)生淬火裂紋，也獲得良好的淬透性，為回火后強度和韌性的良好匹配提供了基礎(chǔ)。

2.2 不同淬火冷卻工藝的組織和硬度分析

不同淬火冷卻工藝調(diào)質(zhì)后的顯微組織對比如圖2所示。圖2（a）所示為厚壁鋼管壁厚的1/2處組織粗大，碳化物分布不均勻，存在較多的游離鐵素體，淬透性較差；圖2（b）所示為厚壁管壁厚的1/2處組織細(xì)小致密，碳化物分布均勻，淬火后獲得了足夠多的馬氏體組織，淬透性較好。由于鋼管較厚，蓄含的熱量高，加熱保溫完成奧氏體過程后，采用空氣中風(fēng)冷工藝?yán)鋮s處理的材料冷卻速度較慢，處在奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的臨界速度上，導(dǎo)致組織中析出粗大的板條馬氏體、條狀游離的鐵素體。而采用水冷工藝處理的材料冷卻速度較快，超出臨界轉(zhuǎn)變速度，過冷奧氏體能夠越過珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)間，直接向馬氏體轉(zhuǎn)變，形成細(xì)小均勻的板條馬氏體。

圖2 L80-13Cr厚壁鋼管經(jīng)不同淬火冷卻工藝后的組織

不同淬火冷卻工藝調(diào)質(zhì)后的洛氏硬度檢測結(jié)果見表2，可以看出?？諝庵欣鋮s后材料的平均硬度為40.63 HRC，而采用水作為淬火介質(zhì)快速冷卻的材料平均硬度是44.2 HRC，硬度提高了約8.79%。這表明空氣中吹風(fēng)實現(xiàn)的冷卻速度慢，獲得的馬氏體含量少，淬透差；采用水冷方式冷卻速度快，獲得的高硬度的馬氏體含量多，淬透好，這方面與組織分析結(jié)果一致。

表2 L80-13Cr厚壁鋼管淬火處理后的硬度 HRC

2.3 不同淬火冷卻工藝的強度和沖擊韌性分析

L80-13Cr厚壁鋼管經(jīng)過淬火和高溫回火處理后，才能獲得高強度和高韌性匹配的材料。因為通過馬氏體相變來提高強度的材料淬火后，必須進行回火處理，獲得細(xì)小致密的回火索氏體組織，在顯微鏡下觀察形態(tài)為彌散的碳化物顆粒在鐵素體基體的均勻分布。在相同回火工藝下，不同的淬火冷卻工藝對應(yīng)的拉伸強度見表3。

表3 L80-13Cr厚壁鋼管調(diào)質(zhì)處理后的拉伸結(jié)果

由表3可以看出，同在990℃加熱下，分別采用空氣中吹風(fēng)冷卻工藝和水中快速冷卻工藝，在相同的回火工藝處理后，兩者抗拉強度和屈服強度都滿足了標(biāo)準(zhǔn)要求值，但是水中快速冷卻工藝的強度比空氣中風(fēng)冷工藝的強度高了約40 MPa，這是因為水冷工藝提供了馬氏體轉(zhuǎn)變的足夠能量，過冷度更大，轉(zhuǎn)變速度更快，馬氏體位錯密度更高，材料淬火轉(zhuǎn)變結(jié)束后的馬氏體含量更多，導(dǎo)致同樣的回火工藝處理后，其強度更高些。

對回火后的材料進行0℃下的沖擊試驗，試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，試樣方向為橫向，試樣取自壁厚1/2位置，每組3個試樣，L80-13Cr厚壁鋼管調(diào)質(zhì)處理后的沖擊結(jié)果見表4。

由表4可以看出，空氣中風(fēng)冷工藝熱處理的材料沖擊功21～32 J，低于要求的30 J；而采用水冷工藝熱處理的材料沖擊功44～51 J，平均值提高了約80%，滿足了要求值。結(jié)合淬火后組織特點、淬火后硬度和強度進行分析，采用空氣中風(fēng)冷工藝淬火后的材料硬度較低，淬透性差，存在游離的鐵素體組織，馬氏體片層間距粗大，組織粗化，導(dǎo)致沖擊韌性低；而采用水中快速冷卻工藝淬火后的材料硬度較低，淬透性好，馬氏體含量充足，馬氏體片層間距細(xì)小，組織致密，導(dǎo)致沖擊韌性較高［14-15］。

表4 L80-13Cr厚壁鋼管調(diào)質(zhì)處理后的沖擊結(jié)果 J

3 結(jié) 論

（1）對于L80-13Cr厚壁鋼管來說，采用空氣風(fēng)冷工藝淬火效果較差，馬氏體含量較少；而采用水冷工藝淬火效果較好，淬火后馬氏體含量足夠多，硬度高，為回火后性能提供了良好組織。

（2）在同樣的回火工藝下，水中快速冷卻工藝的強度比空氣中風(fēng)冷工藝的強度高：抗拉強度提高39 MPa，提高比例約5.1%；屈服強度提高51 MPa，提高比例約8.9%。采用水冷工藝調(diào)質(zhì)后的材料沖擊功提高了約80%，滿足了要求值。采用合適的淬火冷卻速度，對獲得L80-13Cr厚壁鋼管良好的強度和韌性的匹配有重要作用。