34CrMo4大直径无缝气瓶的热处理研究

张荣晓，郑立允，程 凯，张永强，赵树国，武常生，李方威，陈 杰

(1.河北工程大学 机械与装备工程学院，河北 邯郸 056038；2.河北钢铁邯钢集团连铸连轧厂 轧钢车间，河北 邯郸 056015；3.邯郸职业技术学院，河北 邯郸 056001；4.新兴能源装备股份有限公司，河北 邯郸 056107)

34CrMo4大直径无缝气瓶的热处理研究

张荣晓1，郑立允1，程 凯1，张永强2，赵树国3，武常生4，李方威4，陈 杰4

(1.河北工程大学 机械与装备工程学院，河北 邯郸 056038；2.河北钢铁邯钢集团连铸连轧厂 轧钢车间，河北 邯郸 056015；3.邯郸职业技术学院，河北 邯郸 056001；4.新兴能源装备股份有限公司，河北 邯郸 056107)

通过对34CrMo4材料进行完全淬火和高温回火，采用金相观察、扫描电镜以及能谱仪分析等方法，研究淬火温度和回火温度对34CrMo4材料的组织和性能的影响。研究结果表明，试样经过930℃淬火，保温60min，560℃回火，保温120min最佳工艺热处理后综合性能达到最佳，从而有利于34CrMo4大直径无缝钢质气瓶的应用以及安全性的提高。

34CrMo4；无缝气瓶；热处理；性能

压缩天然气凭借环境污染少、安全性高、经济性能好等优点，已成为世界各国改善环境和促进经济可持续发展的最佳选择[1]。压缩天然气的储存要求高压容器为无缝容器，并对材质的要求十分严格[2]。34CrMo4合金钢是典型的中碳低合金铬钼钢，为用于制作压缩天然气储气瓶用的高压气瓶钢[3]。目前，34CrMo4合金结构钢主要用于欧盟市场，国内对大容积高压气瓶的研究较少。本文主要通过对34CrMo4大直径钢质无缝气瓶进行不同的热处理工艺研究后，综合分析其组织和力学性能，从而确定最佳热处理工艺。

1 实验材料和方法

本实验中的材料采用34CrMo4中碳低合金钢，其具体的化学成分及含量如表1所示。

1.1 实验材料

金相试样大小为10mm×10mm×10mm，经粗磨、细磨和抛光后，采用4%硝酸酒精进行腐蚀，测定试样晶粒度时采用苦味酸进行腐蚀，使用OLYMPUS-DSX500光学显微镜进行金相组织观察和晶粒度测定；硬度测试采用SKT-25显微维氏硬度计进行测定；冲击试样按照GB/T229-1994标准加工，尺寸是55mm×10mm×10mm，并在JB-300B冲击试验机上测试韧性；拉伸试样按照GB/T228-2002加工成标准试样，并在万能试验机上进行拉伸。其中，每一热处理工艺的力学性能均为五个试样测量值的平均值。

1.2实验方法

采用DSC200差热扫描量热仪分析测定34CrMo4材料的临界值，参数分别设定为气体升温速率10℃/min，保护气体是氩气，气体流入量50ml/min，终止温度1 020℃。经测定，34CrMo4材料的临界温度分别是：Ac1=756.4℃，Ac3=880.4℃。

根据材料的临界温度值，确定其完全淬火温度分别为910℃、920℃、930℃、940℃、950℃，保温时间60min。在最佳淬火温度下进行回火，温度分别是540℃、550℃、560℃、570℃、580℃、590℃，保温时间120min。

2 实验结果及分析

2.1 淬火温度对材料组织的影响

对材料分别进行910℃、930℃、950℃淬火处理后，使用饱和苦味酸溶液进行腐蚀，然后对材料的晶粒大小进行分析，其显微组织和晶粒尺寸的变化如图1所示。

根据金属平均晶粒度测定法可知，在晶粒度测量时，若材料中晶粒不均匀的现象比较明显，那么应当分别计算不同级别的晶粒在观察视场中各占的面积百分比；如果在视场中，占有优势的晶粒度所占面积百分比为90%及以上时，则只需统计一种晶粒的级别号，否则，需要同时统计两种晶粒级别及它们各占的百分比。

图1(d)是在不同的淬火温度下材料晶粒尺寸的测量结果。经测量可知，经910℃、930℃和950℃淬火后，材料的显微组织中均出现晶粒度级别为7级的晶粒，但其所占的面积百分比均未超过10%，因此只需记录晶粒度级别为8级的晶粒尺寸，并且7级晶粒所占面积百分比随着淬火温度的不断提升而逐渐减小。由图1可知，随着淬火温度的提升，材料的晶粒平均尺寸逐渐增大，尺寸大小从20.897μm增加至21.658μm。

表1 34CrMo4材料化学成分

(质量分数/%)

Tab.1Chemicalcompositionof34CrMo4

(wt/%)

2.2 淬火温度对材料的组织及性能的影响

分别对材料进行910℃、920℃、930℃、940℃、950℃淬火，保温时间60min，在水中进行冷却，再对材料采用560℃回火，保温120min，随后空冷，其显微组织如图2所示。材料经过完全淬火后，34CrMo4合金钢中的铁素体完全溶于奥氏体中，成为细晶粒奥氏体。经过相同的回火温度处理后得到的显微组织均是回火索氏体，是由铁素体基体和弥散分布于其上的细粒状渗碳体而组成，且组织都比较均匀。

34CrMo4材料在不同温度下淬火，并在相同的温度下回火热处理后的各项力学性能如图3。随着淬火温度的不断升高，34CrMo4材料的延伸率逐渐减小，-50℃冲击功、抗拉强度、屈服强度的总体变化趋势均为先增大后减小，硬度先减小后增大。当采用不同的淬火温度时，材料的晶粒大小以及合金元素的溶解与分布情况将发生一定的改变，从而使钢的淬透性发生变化，并且改变了相变后的马氏体板条尺寸的大小[4]。一方面，材料的晶粒尺寸随着淬火温度的提高而逐渐变大，并且马氏体板条尺寸也随之逐渐增大；另一方面，提高淬火温度可以使Cr、Mo的碳化物逐渐溶解，并且提高了铬、钼元素在奥氏体中的均匀程度，从而使马氏体中的碳与铬、钼等元素的过饱和度随之增大。两方面的综合作用使材料的力学性能发生变化，从而造成材料的硬度先减小后增大，强度和冲击韧性的变化趋势为先增大后减小。

淬火温度在910℃～950℃范围内，34CrMo4材料的延伸率变化趋势较平稳。当淬火温度为910℃～920℃时，材料的硬度较高，但屈服强度、抗拉强度以及-50℃冲击韧性均较低；淬火温度为940℃～950℃时，材料的抗拉强度、屈服强度较高，但-50℃冲击韧性较差，且940℃淬火时，材料的硬度最低。淬火温度为930℃时，34CrMo4的屈服强度、抗拉强度以及冲击韧性均相对较高，且冲击韧性最大，材料的力学性能配合最佳，因此最佳淬火温度为930℃。

2.3 不同回火温度对34CrMo4组织与性能的影响

对材料进行930℃，保温60min后，进行水冷淬火，然后分别进行540℃、550℃、560℃、570℃、580℃、590℃回火，保温120min，随后进行空冷。材料的显微组织如图4所示。由图4可知，材料的组织是均匀的回火索氏体，其特点是在铁素体基体上均匀地分布着粒状碳化物。当回火温度为540℃时，组织中的白色块状铁素体较多，随着回火温度的升高，材料的组织较均匀，无明显白色块状铁素体。分析其原因是马氏体组织随着回火温度的逐渐升高而分解更加完全，从而得到的铁素体和渗碳体颗粒分布越均匀[5]。

图5是在不同的温度下回火，34CrMo4材料力学性能的变化情况。淬火温度不变的情况下，随着回火温度的提升，硬度的变化趋势为逐渐下降。而当回火温度是560℃时，材料的硬度突然上升，这是由于材料中的Cr、Mo元素可以降低碳原子的扩散能力，增加钢的耐回火性，从而导致了二次硬化现象的出现。

由图5可知，升高回火温度使34CrMo4材料的屈服强度和抗拉强度逐渐降低，延伸率逐渐升高，其原因是34CrMo4钢中的马氏体结构随着回火温度的升高而逐渐分解，并且伴有大量弥散粒子析出。另外，含有Cr等元素可以使34CrMo4材料组织中的作为强硬相的马氏体含量占绝对优势，而经过回火处理后，马氏体得到大量分解，从而减小了材料的抗拉强度和屈服强度。

随着回火温度的不断提高，材料的-50℃冲击韧性逐渐增大。经过高温回火处理后，34CrMo4材料组织中的碳化物形貌由片状转变成细小颗粒状，且分布由不均匀变化为弥散分布，从而使34CrMo4材料的-50℃冲击韧性得以改善。而当回火温度是550℃和590℃时，材料的冲击韧性变化曲线出现马鞍形变化，说明材料出现了第二类回火脆性。

当回火温度在540℃～590℃范围内时，34CrMo4材料的硬度以及延伸率变化趋势较平稳。在540℃～550℃范围内回火时，材料的抗拉强度、屈服强度较高，但冲击韧性较低；回火温度为570℃～590℃时，材料的冲击值较高，但抗拉强度和屈服强度较差。回火温度为560℃时，34CrMo4钢的冲击韧性、抗拉强度、屈服强度均相对较高，且硬度值最大，此时材料的力学性能配合最佳。

图6是回火温度分别为540℃、560℃、580℃下材料的冲击断口显微形貌。通过电镜扫描和能谱仪分析可知，材料的断口形貌都呈典型的韧性断裂，断口中有大小不同的等轴状的韧窝和少量的撕裂纹，韧窝的中心存在着第二相粒子，并且含有夹杂物S和Mn等元素。随着回火温度的升高，材料韧窝的面积逐渐地增大，因此34CrMo4材料的-50℃低温韧性逐渐增加[6]。

3 结论

综合分析可知，当淬火温度930℃，保温时间60min，冷却方式选择水冷，回火温度560℃，保温时间120min，冷却方式选择空冷时，34CrMo4低合金钢的组织和综合力学性能达到最佳。采用本热处理工艺，有利于34CrMo4大直径无缝钢质气瓶的应用和安全性的提高。

[1]郑津洋，李静媛，黄强华，等.车用高压燃料气瓶技术发展趋势和我国面临的挑战[J].压力容器，2014,31(2)：43-51.

[2]张宇斌，张志波.压缩天然气用34CrMo4高压气瓶开裂分析[J].压力容器，2014，31(8)：59-62.

[3]翟春海.34CrMo4钢冲压气瓶的成形工艺优化[D].重庆：重庆大学，2014.

[4]惠卫军，董 瀚，王毛球，等.淬火温度对Cr-Mo-V系低合金高强度钢力学性能的影响[J].金属热处理，2002，27(3)：14-16.

[5]安治学，李 勇，张银凤，等.35CrMoA车轴钢回火工艺研究[J].机车车辆工艺，2014，4(2)：23-24.

[6]钟群鹏，赵子华.断口学[M].北京：高等教育出版社，2005.

(责任编辑 王利君)

Research on heat treatment process of 34CrMo4 large diameter seamless gas cylinders

ZHANGRongxiao1,ZHENGLiyun1,CHENGKai1,ZHANGYongqiang2,ZHAOShuguo3,WUChangsheng4,LIFangwei4,CHENJie4

( 1.CollegeofMechanicalandEquipmentEngineering,HebeiUniversityofEngineering,HebeiHandan056038,China；2.SteelRollingShop,ContinuousCastingandRollingMillofHandanIronandSteelGroup,HebeiHandan056015,China；3.HandanPolytechnicColledge,HebeiHandan056001,China; 4.XinxingEnergyEquipmentCO.LTD,HebeiHandan056107,China)

Theheattreatmentprocessof34CrMo4largediameterseamlesssteelgascylinderswasstudied.Itisanimportantmanufacturingprocesstoensurethemechanicalpropertiesoftheseamlesscylindertomeetthestandardrequirements.Theinfluenceofquenchingandtemperingtemperatureonthemicrostructureandpropertiesof34CrMo4aftercompletequenchingandhightemperaturetemperingwasinvestigatedbyusingmetallographicobservation,scanningelectronmicroscopy(SEM)andenergydispersivespectrum(EDS).Theresultsshowthatthesampleheattreatedatanoptimumprocessquenchingat930℃,for60min,temperingat560℃for120mincanobtainthebestcomprehensiveproperties.It’sbeneficialtotheapplicationandsafetyof34CrMo4largediameterseamlesssteelgascylinders.

34CrMo4;seamlessgascylinder;heattreatment;property

1673-9469(2016)04-0103-05doi:10.3969/j.issn.1673-9469.2016.04.022

2016-05-23

国家自然科学基金资助项目(51271060)；河北省杰出青年基金资助项目(E2013402051) 特约专稿

张荣晓(1992-)，女，河北邢台人，硕士，主要研究方向是金属材料热处理。

TQ

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