鋼管熱處理是指將鋼管加熱到適宜的溫度并保溫一定時(shí)間，再以不同的方式冷卻，達(dá)到改變其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，獲得所要求的性能的工藝過(guò)程。根據(jù)鋼管成分和要求獲得的組織不同，采用的熱處理工藝各異，一般可分為正火、退火、調(diào)質(zhì)（淬火+回火）、回火等。鋼管熱處理工藝規(guī)程通常用“溫度-時(shí)間”為坐標(biāo)的曲線(xiàn)圖形來(lái)表示。熱處理工藝參數(shù)包括加熱溫度、加熱速度、加熱時(shí)間、保溫時(shí)間和冷卻速度等。

1 鋼管熱處理基本原理

1.1 基本概念

1.1.1 鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變

將鐵金屬加熱至912 ℃以上時(shí)，鐵就會(huì)發(fā)生由一種晶格向另一種晶格的轉(zhuǎn)變，即α 鐵→γ 鐵的轉(zhuǎn)變，這種轉(zhuǎn)變稱(chēng)為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。α 鐵是體心立方結(jié)構(gòu)，γ 鐵是面心立方結(jié)構(gòu)，由于面心立方結(jié)構(gòu)比體心立方結(jié)構(gòu)排列更緊密，二者在相互轉(zhuǎn)化時(shí)，體積要發(fā)生變化。鐵的這一特性是鋼鐵材料能夠通過(guò)熱處理方法來(lái)改變其內(nèi)部組織，從而改善性能的內(nèi)在重要因素。

1.1.2 α 固溶體和γ 固溶體

由兩種或兩種以上的化學(xué)成分組成的單一均勻固體晶相稱(chēng)為固溶體。碳和合金元素溶解于α 鐵中形成的固溶體叫α 固溶體，或叫鐵素體。鐵素體晶界圓滑，晶內(nèi)很少見(jiàn)到孿晶或滑移線(xiàn)，以片狀、塊狀、針狀存在于鋼中。鐵素體是珠光體組織的基礎(chǔ)，具有良好的塑性和韌性。碳和合金元素溶解于γ 鐵中形成的固溶體叫γ 固溶體，或叫奧氏體。奧氏體一般由等軸的多邊形晶粒組成，晶內(nèi)有孿晶。在鐵-碳相圖中，奧氏體以高溫相存在于臨界點(diǎn)A1溫度以上，只有在鋼中加入足夠多的擴(kuò)大奧氏體相區(qū)的化學(xué)元素時(shí)，如Ni、Mn 等，才可以使奧氏體穩(wěn)定在室溫。奧氏體的致密度高，體積質(zhì)量比鐵素體、馬氏體小。因此，鋼被加熱到奧氏體相區(qū)時(shí)，體積收縮。冷卻時(shí)，奧氏體轉(zhuǎn)變成鐵素體-珠光體，體積膨脹。奧氏體的點(diǎn)陣滑移系多，易于熱加工成型。

1.1.3 鋼的臨界溫度

鋼在加熱或冷卻過(guò)程中，其內(nèi)部組織發(fā)生轉(zhuǎn)變的溫度叫臨界溫度，或稱(chēng)臨界點(diǎn)。鋼管熱處理時(shí)，經(jīng)常用到的臨界點(diǎn)主要包括：A1、A3（Acm）、Ac1、Ac3（Accm）、Ar3（Arcm）、Ar1等。

A1是指鋼加熱時(shí)，在加熱速度非常緩慢的情況下，即所謂平衡狀態(tài)下，珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變的開(kāi)始溫度；也是鋼冷卻時(shí)，在冷卻速度非常緩慢的情況下，即所謂平衡狀態(tài)下，奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變的終了溫度。

A3（Acm）是指亞共析鋼（過(guò)共析鋼）加熱時(shí)，在加熱速度非常緩慢的情況下，即所謂平衡狀態(tài)下，亞共析鋼的鐵素體（過(guò)共析鋼的滲碳體）向奧氏體轉(zhuǎn)變的終了溫度。也是冷卻時(shí)，在冷卻速度非常緩慢的情況下，即所謂平衡狀態(tài)下，奧氏體向亞共析鋼的鐵素體（過(guò)共析鋼的滲碳體）轉(zhuǎn)變的開(kāi)始溫度。

但在實(shí)際生產(chǎn)中，不可能出現(xiàn)平衡狀態(tài)下的加熱和冷卻情況。無(wú)論是加熱時(shí)的珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變的開(kāi)始溫度和終了溫度，還是冷卻時(shí)的奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變的開(kāi)始溫度和終了溫度，都與平衡狀態(tài)下的轉(zhuǎn)變溫度有滯后現(xiàn)象，即鋼中各相的轉(zhuǎn)變溫度在加熱時(shí)要稍高于平衡狀態(tài)下相圖所對(duì)應(yīng)的相變溫度，在冷卻時(shí)要稍低于平衡狀態(tài)下相圖所對(duì)應(yīng)的相變溫度。因此，用Ac1和Ac3（Accm）來(lái)分別表示實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，在不平衡的加熱狀態(tài)下，珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變的開(kāi)始溫度和終了溫度；用Ar3（Arcm）和Ar1分別表示實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，在不平衡的冷卻狀態(tài)下，奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變的開(kāi)始溫度和終了溫度。Ac1略高于A1，Ac3（Accm）略高于A3（Acm），二者之差與加熱速度成正比；Ar1略低于A1，Ar3（Arcm）略低于A3（Acm），二者的溫度差與冷卻速度成正比。

1.2 理論基礎(chǔ)

1.2.1 鐵-碳平衡相圖

鐵-碳平衡相圖或鐵-碳相圖（圖1）是以溫度為縱坐標(biāo)，碳含量為橫坐標(biāo)，在平衡狀態(tài)下，以Fe-C 系和Fe-Fe3C 系為組元的二元合金在不同碳含量、不同溫度狀態(tài)下所呈現(xiàn)的相和這些相之間的平衡關(guān)系。它是研究平衡狀態(tài)下，鐵-碳合金的成分、組織與性能的基礎(chǔ)，為制定鋼鐵材料在鑄造、熱加工及熱處理時(shí)的溫度工藝參數(shù)，提供了重要依據(jù)。

圖1 鐵-碳平衡相圖

由于鐵-碳平衡相圖是鐵-碳合金在平衡狀態(tài)時(shí)的組織組成圖，它只能說(shuō)明鐵-碳合金在極其緩慢的加熱和冷卻過(guò)程中，相組織、成分、溫度及其之間的相互關(guān)系。對(duì)于合金鋼而言，因添加了其他合金元素，與鐵-碳平衡相圖不完全一樣。因此，這種理論狀態(tài)下的鐵-碳平衡相圖與實(shí)際生產(chǎn)之間存在較大差別。如果在確定鋼管熱處理工藝制度時(shí)，只是直接從鐵-碳平衡相圖上，根據(jù)碳含量來(lái)選取溫度，是不夠精確的。所以，鐵-碳平衡相圖中相組織和成分所對(duì)應(yīng)的溫度只能作為參考，而不能直接使用熱處理工藝參數(shù)。在制訂熱處理工藝參數(shù)時(shí)需要根據(jù)工程實(shí)際，參考相關(guān)手冊(cè)中的溫度參數(shù)。

1.2.2 過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖

過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖（簡(jiǎn)稱(chēng)TTT 圖），又稱(chēng)奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線(xiàn)（簡(jiǎn)稱(chēng)S 曲線(xiàn)或C 曲線(xiàn)），如圖2 所示。它是鋼中過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物和轉(zhuǎn)變量與溫度、時(shí)間關(guān)系的綜合動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)圖。它描繪出某一成分的鋼加熱形成奧氏體后，在以不同冷卻制度冷卻下來(lái)的過(guò)程中，隨著時(shí)間和溫度的改變所發(fā)生的分解現(xiàn)象。

過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖以溫度為縱坐標(biāo)，以時(shí)間的對(duì)數(shù)值為橫坐標(biāo)。圖上標(biāo)有鋼的化學(xué)成分、原始金相組織或狀態(tài)、奧氏體化溫度及保溫時(shí)間、奧氏體的實(shí)際晶粒度等，并繪有轉(zhuǎn)變開(kāi)始、終了或停止轉(zhuǎn)變的溫度-時(shí)間曲線(xiàn)，有時(shí)也標(biāo)明不同轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的硬度和轉(zhuǎn)變量的百分?jǐn)?shù)等。圖上一般標(biāo)有鋼的平衡臨界溫度A1和A3或升溫臨界溫度Ac1和Ac3，馬氏體轉(zhuǎn)變開(kāi)始及終了溫度Ms和Mf，或者還有貝氏體轉(zhuǎn)變開(kāi)始溫度Bs等。

過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖對(duì)了解鋼在奧氏體化后的冷卻過(guò)程中，所發(fā)生的變化具有重要意義。從等溫轉(zhuǎn)變圖上，可以大致估計(jì)鋼的淬透性和奧氏體化后，在不同溫度下分解轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物及其性能等。

當(dāng)鋼的成分、奧氏體化條件、形變和應(yīng)力狀態(tài)不同，TTT 圖的形狀和在溫度-時(shí)間坐標(biāo)中的位置有很大的差異。但是，轉(zhuǎn)變的基本規(guī)律大致相同，都有3 個(gè)等溫轉(zhuǎn)變區(qū)：高溫為珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)、中溫為貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)、低溫為馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)。

1.2.3 過(guò)冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖

過(guò)冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖，簡(jiǎn)稱(chēng)CCT 圖（圖3），反映奧氏體鋼以不同冷卻速度連續(xù)冷卻時(shí)，其組織轉(zhuǎn)變開(kāi)始及終止的溫度與時(shí)間的關(guān)系；也顯示出鋼在不同連續(xù)冷卻條件下，得到的組織和相應(yīng)的硬度。

圖2 過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線(xiàn)

圖3 過(guò)冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線(xiàn)

與TTT 圖類(lèi)似，當(dāng)鋼的成分和奧氏體化的條件、形變和應(yīng)力狀態(tài)不同，過(guò)冷奧氏體連續(xù)轉(zhuǎn)變圖的形狀和位置有差異，但其轉(zhuǎn)變的基本規(guī)律大致相同，即以大于臨界冷卻速度（致使全部馬氏體化的最小冷卻速度）連續(xù)冷卻，可抑止珠光體及貝氏體轉(zhuǎn)變，而全部發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變溫度比等溫轉(zhuǎn)變時(shí)低，所需時(shí)間也長(zhǎng)。在連續(xù)冷卻條件下，共析碳鋼只有珠光體轉(zhuǎn)變而無(wú)貝氏體轉(zhuǎn)變，過(guò)共析碳鋼多一個(gè)碳化物析出區(qū)，亞共析碳鋼多一個(gè)鐵素體和貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)。

由于冷卻條件的不同，過(guò)冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變不同于等溫轉(zhuǎn)變。連續(xù)冷卻過(guò)程要先后通過(guò)各個(gè)轉(zhuǎn)變溫度區(qū)；因此，可能會(huì)先、后發(fā)生幾種轉(zhuǎn)變。而且，冷卻速度不同，發(fā)生的轉(zhuǎn)變和轉(zhuǎn)變的相對(duì)量也不同，因而得到的組織和性能也不同。所以，連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變就顯得復(fù)雜一些，轉(zhuǎn)變的規(guī)律性也不像等溫轉(zhuǎn)變那樣明顯，形成的組織也不容易區(qū)分。

過(guò)冷奧氏體連續(xù)轉(zhuǎn)變圖反映了在連續(xù)冷卻條件下，過(guò)冷奧氏體的轉(zhuǎn)變規(guī)律，是分析轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織與性能的依據(jù)，也是制訂熱處理工藝的重要參考資料。在連續(xù)冷卻過(guò)程中，過(guò)冷奧氏體同樣會(huì)發(fā)生在等溫轉(zhuǎn)變時(shí)所發(fā)生的幾種轉(zhuǎn)變，即珠光體轉(zhuǎn)變、貝氏體轉(zhuǎn)變和馬氏體轉(zhuǎn)變，不會(huì)出現(xiàn)新的、在等溫冷卻轉(zhuǎn)變時(shí)沒(méi)有發(fā)生的轉(zhuǎn)變；而且各個(gè)轉(zhuǎn)變的溫度區(qū)也與等溫轉(zhuǎn)變時(shí)大致相同。但連續(xù)冷卻時(shí)，過(guò)冷奧氏體是在一個(gè)溫度范圍完成組織轉(zhuǎn)變的，其組織的轉(zhuǎn)變很不均勻，先轉(zhuǎn)變的組織較粗，后轉(zhuǎn)變的組織較細(xì)，往往會(huì)得到幾種組織的混合物。

2 鋼管熱處理工藝

2.1 正 火

正火（又稱(chēng)?；幚恚┦侵笇摴芗訜岬脚R界溫度Ac3以上30～50 ℃，并保溫一段時(shí)間，獲得均勻一致的奧氏體晶粒后，從爐中取出，在空氣中冷卻的一種熱處理工藝。為了提高冷卻速度，有時(shí)也會(huì)采用噴水、噴霧或吹風(fēng)冷卻。鋼管正火的目的是細(xì)化晶粒、改善組織（消除混晶和使碳化物分布均勻）、調(diào)整（一般為提高）硬度、去除內(nèi)應(yīng)力、穩(wěn)定尺寸、防止變形與開(kāi)裂。正火與退火的不同點(diǎn)是正火的冷卻速度比退火的冷卻速度稍快。因而正火組織要比退火組織更細(xì)一些，其機(jī)械性能有所提高，生產(chǎn)成本也有所降低。因此，在保證不因冷卻速度快而造成鋼管質(zhì)量缺陷時(shí)，應(yīng)盡可能采用正火工藝來(lái)代替退火工藝。

實(shí)際生產(chǎn)中，不同規(guī)格（冷卻條件的差別）和不同化學(xué)成分（臨界冷卻速度的差別）的鋼管，正火后的組織會(huì)存在差別，可以是各種粗細(xì)的珠光體、貝氏體或它們的混合組織。對(duì)于一些臨界冷卻速度很小的鋼種，為防止正火后鋼中的內(nèi)應(yīng)力太大和硬度過(guò)高，根據(jù)具體情況，通常還需要進(jìn)行一次回火熱處理。

2.2 退 火

退火是指把鋼管緩慢加熱到一定溫度，保持足夠時(shí)間，然后以適宜的速度冷卻（有時(shí)是緩慢冷卻，有時(shí)是控制冷卻），以期獲得近似平衡態(tài)組織的一種熱處理工藝。鋼管退火的目的是降低硬度，改善切削加工性、消除殘余應(yīng)力，穩(wěn)定尺寸，減少變形與裂紋傾向、細(xì)化晶粒、調(diào)整組織、消除組織缺陷等。

退火工藝隨目的的不同而有多種。如：完全退火、不完全退火、等溫退火、均勻化退火、球化退火、去應(yīng)力退火和再結(jié)晶退火等。圖4 所示為不同的退火工藝在鐵-碳相圖中的溫度位置。圖5 所示為不同退火工藝之間的溫度關(guān)系。

圖4 不同退火工藝在鐵-碳相圖中的溫度位置

（1） 完全退火。

圖5 不同退火工藝之間的溫度關(guān)系

完全退火又稱(chēng)重結(jié)晶退火，一般簡(jiǎn)稱(chēng)為退火。它是指將鋼管緩慢加熱到Ac3（亞共析鋼）或Accm（共析鋼或過(guò)共析鋼）以上30～50 ℃，保溫適當(dāng)時(shí)間，然后緩慢冷卻下來(lái)的一種熱處理工藝。通過(guò)加熱過(guò)程中發(fā)生的珠光體（或者還有先共析鐵素體或滲碳體）轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體（第一次相變重結(jié)晶），以及冷卻過(guò)程中發(fā)生的與此相反的第二次相變重結(jié)晶，形成晶粒較細(xì)、片層較厚、組織均勻、沒(méi)有內(nèi)應(yīng)力的珠光體（或者還有先共析鐵素體或滲碳體）穩(wěn)定組織。

（2） 不完全退火。

不完全退火是將鋼管加熱到上、下臨界溫度之間，通常稍高于下臨界溫度（亞共析鋼的加熱溫度在Ac1～Ac3，過(guò)共析鋼的加熱溫度在Ac1～Accm），達(dá)到不完全奧氏體化，保溫一定時(shí)間后再緩慢冷卻的一種熱處理工藝。不完全退火的目的是細(xì)化組織和降低硬度。

（3） 等溫退火。

等溫退火是將鋼管緩慢加熱到Ac3（亞共析鋼）或Ac1（共析鋼和過(guò)共析鋼）以上30～50 ℃，保溫一段時(shí)間，使鋼奧氏體化，然后迅速移入稍低于A1以下溫度的另一爐內(nèi)，等溫保持到奧氏體全部轉(zhuǎn)變?yōu)槠瑢訝钪楣怏w（亞共析鋼還有先共析鐵素體、過(guò)共析鋼還有先共析滲碳體），再以任意速度冷卻下來(lái)（通常是鋼管出爐，在空氣中冷卻）的一種熱處理工藝。等溫保持的大致溫度是在所處理鋼種的等溫轉(zhuǎn)變圖中A1至珠光體轉(zhuǎn)變鼻尖溫度這一區(qū)間，具體溫度和時(shí)間主要根據(jù)退火后所要求的硬度來(lái)確定。等溫時(shí)的溫度不可過(guò)低或過(guò)高。若過(guò)低，退火后的鋼管硬度偏高；若過(guò)高，則需要延長(zhǎng)等溫保持時(shí)間且退火后的鋼管硬度偏低。

等溫退火的目的與完全退火基本相同，但工藝操作和所需設(shè)備都比完全退火復(fù)雜。它主要應(yīng)用于過(guò)冷奧氏體在珠光體型相變溫度區(qū)間轉(zhuǎn)變十分緩慢的合金鋼。等溫退火的生產(chǎn)周期較完全退火時(shí)短，可提高生產(chǎn)效率，并且能獲得更為均勻的組織和性能。等溫退火也可用于鋼的熱加工過(guò)程，例如，當(dāng)空冷淬硬性合金鋼由高溫空冷到室溫，中心部位轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的時(shí)候，已經(jīng)發(fā)生了馬氏體相變的外層就有可能出現(xiàn)裂紋。如果將這類(lèi)鋼的熱鋼錠或鋼坯直接放入700 ℃左右的等溫爐內(nèi)，等溫到珠光體相變完成后，再出爐空冷，則可避免裂紋的產(chǎn)生。

含β 相穩(wěn)定化元素較高的鈦合金，其β 相是相當(dāng)穩(wěn)定的，容易被過(guò)冷。過(guò)冷的β 相，等溫轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)與鋼的過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖相似。為了縮短鈦合金完全退火的生產(chǎn)周期并獲得更細(xì)、更均勻的組織，亦可采用等溫退火。

（4） 擴(kuò)散退火。

擴(kuò)散退火又稱(chēng)均勻化退火，常用于鋼錠或連鑄坯。它是將鋼錠或連鑄坯加熱到固相線(xiàn)溫度以下的某一較高溫度，長(zhǎng)時(shí)間保溫，然后緩慢冷卻下來(lái)的一種熱處理工藝。擴(kuò)散退火的目的是使鋼中的合金元素發(fā)生固態(tài)擴(kuò)散，以減輕晶粒尺度內(nèi)的化學(xué)成分的不均勻性（晶內(nèi)偏析或枝晶偏析）。擴(kuò)散退火的溫度之所以如此之高，是為了加快合金元素的擴(kuò)散，盡可能縮短保溫時(shí)間。合金鋼的擴(kuò)散退火溫度遠(yuǎn)高于Ac3，通常是1 050～1 200 ℃。

（5） 球化退火。

球化退火是將鋼管加熱到稍低于或稍高于Ac1的溫度，或者使溫度在A1上下周期變化，然后再緩慢冷卻下來(lái)的一種熱處理工藝。其目的在于使珠光體內(nèi)的片狀滲碳體以及先共析滲碳體都變?yōu)榍蛄睿鶆蚍植加阼F素體基體中（這種組織稱(chēng)為球化珠光體）。具有這種組織的中碳鋼和高碳鋼，其硬度低、切削性好、冷變形能力大。對(duì)工具鋼來(lái)說(shuō)，這種組織是淬火前最好的原始組織。

（6） 去應(yīng)力退火。

去應(yīng)力退火是將鋼管加熱到Ac1以下的適當(dāng)溫度（非合金鋼在550～600 ℃），保溫一定時(shí)間后，隨爐冷卻的一種熱處理工藝。去應(yīng)力退火的加熱溫度低，在退火過(guò)程中無(wú)組織轉(zhuǎn)變。其目的是消除鋼管的殘余應(yīng)力，穩(wěn)定尺寸和形狀，減少鋼管在切削加工和使用過(guò)程中的變形和開(kāi)裂傾向。

（7） 再結(jié)晶退火。

再結(jié)晶退火是指將經(jīng)過(guò)冷變形加工的鋼管加熱至再結(jié)晶溫度以上，保溫一段時(shí)間后空冷，使已經(jīng)發(fā)生了變形的晶粒發(fā)生再結(jié)晶，得到均勻一致的等軸晶粒的一種熱處理工藝。其目的是通過(guò)再結(jié)晶，降低鋼管強(qiáng)度，提高其塑性，恢復(fù)其變形能力。

2.3 淬 火

淬火是指將鋼管加熱到臨界溫度（亞共析鋼Ac3，過(guò)共析鋼Ac1）以上30～50 ℃，保溫一段時(shí)間，使之全部奧氏體化后，以大于臨界冷卻速度的冷速快速冷卻到Ms以下（或Ms附近等溫），使其發(fā)生馬氏體（或貝氏體）轉(zhuǎn)變的一種熱處理工藝。根據(jù)鋼種的不同，常用的有水冷淬火、油冷淬火、淬火液淬火和空冷淬火等。

鋼管淬火希望得到的組織是馬氏體，以便在適當(dāng)?shù)幕鼗饻囟认芦@得良好的綜合性能。但在實(shí)際生產(chǎn)中，受鋼種淬透性、鋼管壁厚以及淬火冷卻速度等因素的影響，一般淬火后的鋼管組織難以達(dá)到完全的馬氏體，尤其是厚壁鋼管的管壁中心處常有少量鐵素體、貝氏體及殘余奧氏體。

（1） 淬火溫度。

淬火溫度的確定是以鋼的相變臨界點(diǎn)為依據(jù)的。加熱時(shí)，要保證鋼中形成細(xì)小、均勻的奧氏體晶粒，以便淬火后獲得細(xì)小的馬氏體組織。部分碳素鋼和合金鋼的淬火溫度見(jiàn)表1。

表1 部分碳素鋼和合金鋼的淬火溫度 ℃

（2） 保溫時(shí)間。

保溫時(shí)間的長(zhǎng)短應(yīng)以鋼管內(nèi)部溫度均勻和淬火后能獲得良好的淬火組織為原則，既要保證全部奧氏體化，又要防止晶粒過(guò)分長(zhǎng)大。奧氏體晶粒宜控制在5～8 級(jí)以上。

（3） 冷卻速度。

冷卻速度的選擇應(yīng)考慮以下兩個(gè)因素：一是為了使鋼管表面與心部都能淬成馬氏體組織，冷卻速度必須大于鋼的臨界冷卻速度，且冷卻速度大一些為好；二是如果冷卻速度太快，鋼管內(nèi)部由于熱脹冷縮不均勻，會(huì)造成內(nèi)應(yīng)力，可能使鋼管變形或開(kāi)裂。因而要合理選擇淬火介質(zhì)和冷卻方式。

一般來(lái)說(shuō)，過(guò)冷奧氏體最不穩(wěn)定的溫度區(qū)域在400～650 ℃。因此，合理的淬火冷卻過(guò)程是：650℃以上溫度時(shí)，可采用較低的冷卻速度；400～650℃應(yīng)當(dāng)加大冷卻速度，實(shí)現(xiàn)快冷；400 ℃以下，特別是通過(guò)馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)間時(shí)，冷卻速度應(yīng)緩慢，以防止過(guò)大的組織應(yīng)力和熱應(yīng)力。

（4） 淬火介質(zhì)。

鋼在各溫度區(qū)間的冷卻速度取決于所用冷卻劑的特性和冷卻方式。常用冷卻劑的冷卻速度見(jiàn)表2。

表2 常用冷卻劑的冷卻速度 ℃/s

若以靜止水的冷卻強(qiáng)度為1 計(jì)，常用冷卻劑在靜止和不同攪動(dòng)程度下的冷卻強(qiáng)度見(jiàn)表3。

表3 常用冷卻劑在靜止和不同攪動(dòng)條件下的冷卻強(qiáng)度

2.4 回 火

回火是指將淬火后或正火后的鋼管加熱到臨界溫度Ac1以下的某一溫度，并保溫一定時(shí)間，再以適宜的速度冷卻到室溫的一種熱處理工藝。回火的目的是消除鋼管淬火或正火過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，防止變形和開(kāi)裂；增加鋼的塑性和韌性?；鼗疬^(guò)程中，會(huì)發(fā)生以下幾種變化：碳偏聚導(dǎo)致晶格缺陷、碳化物沉淀、殘余奧氏體轉(zhuǎn)變、馬氏體回復(fù)和再結(jié)晶?；鼗饡r(shí)，隨著回火溫度的升高，馬氏體將轉(zhuǎn)變成回火馬氏體、屈氏體及索氏體。

回火分低溫回火（加熱溫度為150～250 ℃）、中溫回火（350～500 ℃）和高溫回火（500～650 ℃）。制定回火工藝時(shí)要特別注意鋼管的回火脆性，包括低溫回火脆性和高溫回火脆性。

（1） 低溫回火脆性。

鋼在250～400 ℃回火時(shí)發(fā)生的回火脆性叫低溫回火脆性。鋼管已經(jīng)發(fā)生了低溫回火脆性之后，不能用重新加熱的方法予以消除。因此，又將低溫回火脆性稱(chēng)為不可逆回火脆性。鋼管淬火后在250～400 ℃回火時(shí)，滲碳體在原奧氏體晶界或在馬氏體界面上析出，形成薄殼狀碳化物是導(dǎo)致發(fā)生低溫回火脆性的原因。合金元素Mn、Cr 會(huì)加劇脆化傾向，鋼中加入Mo 或者降低P、Sb、Sn 等雜質(zhì)元素含量，可以改善低溫回火脆性，加入Si 可以擴(kuò)大發(fā)生脆化的溫度范圍，使鋼管的回火溫度提高到300～320 ℃。

（2） 高溫回火脆性。

鋼管在450～550 ℃回火，或在600 ℃以上溫度回火，并在450～550 ℃緩慢冷卻所發(fā)生的脆性叫高溫回火脆性。高溫回火脆性的發(fā)生與保溫時(shí)間無(wú)關(guān)，而與冷卻速度有關(guān)。如果將鋼管重新加熱到600 ℃以上溫度后快速冷卻，則可減輕或避免其脆性。因此，高溫回火脆性又叫做可逆回火脆性。

影響鋼管高溫回火脆性的因素主要有3 個(gè)：

一是化學(xué)成分。已經(jīng)證明，鋼中P、Sn、Sb、As、S、B 等雜質(zhì)元素在500～550℃溫度，會(huì)向原奧氏體晶界偏聚，產(chǎn)生高溫回火脆性；Ni、Mn 等合金元素可以和P、Sb 等雜質(zhì)元素發(fā)生晶界協(xié)同偏聚，Cr 元素會(huì)促進(jìn)這種協(xié)同偏聚，導(dǎo)致晶界的斷裂強(qiáng)度降低，而產(chǎn)生高溫回火脆性。抑制高溫回火脆性的元素有Mo、W、V、Ti，這些元素的加入量有一最佳值，超過(guò)最佳值后抑制效果會(huì)變差，稀土元素也有類(lèi)似的作用。

二是熱處理工藝。高溫回火脆化的過(guò)程，是一個(gè)受擴(kuò)散控制且發(fā)生于晶界并使晶界弱化的可逆過(guò)程；因此，回火的溫度和時(shí)間都會(huì)對(duì)鋼管的脆性產(chǎn)生影響?；鼗饻囟仍?50 ℃左右，鋼管的脆化速度最快；回火溫度低于550 ℃時(shí)，脆化溫度越低，脆化的速度越慢，但能達(dá)到的脆化程度越大；回火溫度高于550 ℃時(shí)，隨著等溫溫度的升高，脆化速度變慢，能達(dá)到的脆化程度也降低。當(dāng)溫度一定，隨著回火等溫時(shí)間的延長(zhǎng)，脆性不斷增加。

三是組織。一旦發(fā)生高溫回火脆性，鋼管在回火前的原始組織以馬氏體的回火脆性最為嚴(yán)重，貝氏體次之，珠光體最輕；而原奧氏體晶粒越細(xì)，高溫回火脆性越輕。

2.5 調(diào) 質(zhì)

鋼管調(diào)質(zhì)熱處理是指淬火加高溫回火的熱處理工藝。調(diào)質(zhì)熱處理可以使鋼管的性能得到很大程度的改善，獲得良好的綜合性能，其強(qiáng)度、塑性和韌性都較好。

淬火是第一步工序，淬火溫度依鋼的成分而定，淬火介質(zhì)和冷卻速度根據(jù)鋼管的淬透性和尺寸選擇，冷卻速度要保證淬火后的組織為馬氏體，并防止產(chǎn)生淬火裂紋。一般來(lái)講，鋼管淬火的介質(zhì)有水、空氣、油和淬火液，其中水淬火最為普遍。水淬火的方式包括：浸淬、浸淬加內(nèi)軸流、噴淋、噴淋加內(nèi)軸流等。

高溫回火是第二步工序，因鋼管淬火后的內(nèi)應(yīng)力大，脆性大，必須進(jìn)行回火，以便消除應(yīng)力，增加韌性，調(diào)整強(qiáng)度?；鼗鹗钦{(diào)整鋼管力學(xué)性能的最重要工序。力學(xué)性能隨回火溫度變化的曲線(xiàn)稱(chēng)之為鋼的回火曲線(xiàn)，可以作為選擇鋼管回火溫度的依據(jù)。對(duì)某些合金調(diào)質(zhì)鋼管的高溫回火，要防止出現(xiàn)高溫回火脆性。