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        淬火冷卻速度對L80-13Cr厚壁鋼管組織性能的影響

        2020-04-26 13:05:24王錦永曹洪波齊希倫陳明義
        鋼管 2020年1期
        關(guān)鍵詞:工藝

        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?shù)臒崽幚?,獲得穩(wěn)定細小均勻的組織。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鋼管的化學成分見表1。

        表1 L80-13Cr鋼管的化學成分(質(zhì)量分數(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機在空氣中吹風冷卻和循環(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》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,用軸流風機吹風冷卻,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,采用空氣中風冷工藝冷卻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準要求值,但是水中快速冷卻工藝的強度比空氣中風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。

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