110KSi-40Cr厚壁无缝钢管热处理工艺研究

王锦永，费志伟，王付志，高正磊

新兴铸管股份有限公司马头特种管材分公司 河北邯郸 056000

40Cr是国标GB/T 3077—2015中的牌号，是一种C-Cr-Mn为主要强化元素的合金结构钢，材料的淬透性良好，常用于制造轴类、转向节和重要的螺栓等受力的机械零件，要求具有高的强度，良好的塑性和韧性，优异的冲击吸收能量。常规的淬火工艺是870~890℃保温后油冷或者淬火液冷却。通过改善淬火工艺来提高其强韧性，成为提高40Cr钢使用性能的有效手段[1-3]。

本文研究的40Cr厚壁无缝钢管用于汽车半轴套管，传统生产工艺流程是：热轧管→下料分段→粗加工→调质处理→精加工。为减少生产工序，提高生产效率，研究热轧管直接整管调质处理，来达到相应的性能要求。40Cr钢管设计标准性能要求为：抗拉强度≥950MPa，屈服强度≥800MPa，伸长率≥13%，20℃下的U型缺口纵向冲击吸收能量≥65J，端面硬度要求27~33HRC。试验用水作为淬火冷却介质，初始工艺采用外淋内喷淬火方式，调质后性能无法达到技术协议要求，表现为性能波动较大，不同位置性能不一致。为研究性能不稳定的原因，分析了调质态的显微组织和力学性能，随后优化生产工艺，改为浸入内喷方式并优化淬火参数，研究相关性能指标。

1 研究材料与方法

1.1 研究材料

通过电炉+炉外精炼+真空脱气工艺冶炼出40Cr钢原料，将原料在高温下经过压缩比大于4.0的塑性变形轧制，轧制圆钢公称直径是150mm。圆钢在环形炉中加热到1240~1270℃，通过太原重工生产的二辊斜轧穿孔机热穿出空心毛管，再经过二辊精密轧管机的二次变形和热定径机精整成形生产出规格为φ115mm×27mm的无缝钢管，钢管长度5.8~6.2m。试验40Cr钢的化学成分见表1。

1.2 研究方法

用水作为淬火冷却介质，淬火方式首先采用外淋内喷方式，经过调质处理后，分析性能和组织，然后根据分析结果，提出改进措施，淬火方式改为浸入内喷方式并优化淬火参数，再次分析性能和组织。

化学成分试样按照GB/T 20066—2006加工，按照标准GB/T 4336—2006火花源原子发射光谱分析常规法检测。微观组织显示剂为4%的硝酸酒精，微观组织观测时用德国蔡司Axio ImagerA2m金相显微镜。性能检测取样位置在钢管壁厚的1/2处，依据GB/T 228.1—2010对试样进行纵向拉伸性能检测，拉伸试样的标距为50.0mm，试样直径为10.0mm，检测设备型号是SHT5605 60t。冲击吸收能量试样一组3个，尺寸为55mm×10mm×10mm，沿着钢管轴线方向制样，依据GB/T 229—2007对试样进行20℃冲击吸收能量检测，取值为平均值，检测设备型号是NI300F。硬度试样取自钢管横截面，依据GB/T 230标准对试样进行洛氏硬度检测，三个点取平均值，检测设备型号是TH320。

表1 试验40Cr钢的化学成分（质量分数） （%）

2 试验结果和分析

2.1 外淋内喷方式淬火工艺对性能的影响

调质处理是一种通过获得马氏体相变对金属材料加工的热处理方式，通过加热和冷却实现材质微观组织的变化，达到提高产品的性能。40Cr淬火加热的目的是为了获得细小而均匀的奥氏体，以便淬火后获得细小均匀的马氏体。淬火加热温度为Ac3以上30~60℃，温度太高晶粒容易长大，淬火马氏体容易组织粗大，冲击韧度降低，而温度太低组织转变不完全，导致强度低，失去了淬火的意义[4]。本试验40Cr钢管规格是φ115mm×27mm，外径小，壁厚较厚，淬火方式首先选用外淋内喷方式，淬火冷却介质为水，图1是钢管的外淋内喷水冷淬火工艺示意。

图1 钢管的外淋内喷水冷淬火工艺示意

外淋内喷水冷方式淬火工艺：在淬火炉中进行加热，890℃保温80min。然后快速放置到淬火水池上方的旋转托轮上，旋转速度40r/min。钢管一侧开启内喷水，用于冷却内表面，内喷水压力0.21MPa。同时，外淋水从上方垂直落下，冷却外表面，钢管在旋转的过程中实现冷却，当钢管温度冷却到38℃以下时，结束淬火，进入回火炉加热，在550℃保温120min进行回火处理。

在调质后的钢管不同位置上截取力学性能试样，进行拉伸、硬度和冲击吸收能量的检测，结果见表2。

表2 外淋内喷淬火方式调质后的力学性能

由表2可以看出，钢管从外壁到中间位置的抗拉强度都满足技术指标，但波动较大，中间位置的抗拉强度比靠近外壁处低了21MPa，降低幅度约2.11%。中间位置的屈服强度不合格，比外壁处低了18MPa，降低幅度约2.11%。靠近外壁处的冲击性能合格，而中间位置的冲击吸收能量比外壁处低了6J，不合格。靠近外壁硬度略高于中间位置的硬度。钢管从外壁到中间位置的力学性能波动较大，靠近外壁综合性能整体优于中间位置的性能，这是因为钢管内孔小，且壁厚较厚，淬火过程中靠近外壁冷速快，形成的马氏体致密细小，而中间位置壁厚的热量要通过内外壁散热，冷速慢，形成的马氏体就粗大。

2.2 外淋内喷方式淬火工艺对微观组织的影响

为进一步分析钢管性能不稳定的原因，在外淋内喷方式淬火调质后的钢管上进行取样，分析观察微观组织，腐蚀介质是4%的硝酸酒精，腐蚀时间4~8s。图2是钢管外淋内喷淬火方式调质后的微观组织。

图2 外淋内喷淬火方式调质后钢的微观组织（500×）

由图2a可以看出，靠近外壁区域从奥氏体析出了少量白色条状铁素体和羽毛状贝氏体，其余是细小的回火索氏体。由图2b可以看出，壁厚的中间位置组织较差，白色的铁素体数量增多，连接成网状，并局部析出块状铁素体，其余是回火索氏体。从材料外表面到心部组织铁素体含量增加的现象是典型的淬火组织缺陷，符合未淬透组织特征[5-6]。根据钢的等温转变图，要获得马氏体组织，关键是要在过冷奥氏体最不稳定的等温转变图鼻尖温度附近实现快冷，使奥氏体不发生铁素体或贝氏体转变。本试验研究的40Cr材质，外淋内喷淬火水冷工艺，钢的冷却速度达不到获得细小均匀马氏体的要求，冷却速度低，淬火组织中析出了铁素体、贝氏体等有害相，回火后保留下来，导致性能不合格。

2.3 浸入内喷方式淬火工艺对性能的影响

通过以上分析，对于厚壁材料，本身淬透能力减小和外淋内喷淬火方式散热慢，导致淬火时难以达到奥氏体向马氏体转变要求的冷却速度，淬火后不能获得完全马氏体组织，是导致性能不合格的主要原因。针对此问题提出改进措施：①在原成分基础上，提高wMo达到0.12%。②淬火冷却方式改用浸入内喷式。③提高淬火拖轮旋转速度到55r/min。④内喷水压力提高到0.41MPa。⑤钢管淬火时浸入水面以下200~300mm。淬火后温度仍控制在38℃以下，在550℃保温120min回火，图3是钢管的内喷浸入淬火工艺过程示意。

图3 钢管的浸入内喷水冷淬火工艺示意

由图3可以看出，采用新的淬火工艺后，外表面冷却水流量增加，钢管与冷却水的接触面积更大，表面形成的蒸气泡膜被迅速打破，内喷水的流速和压力得到提高，管子转速更快，保证了冷却速度更快且降温更均匀。在调质后的钢管不同位置上截取力学性能试样，进行拉伸，硬度和冲击吸收能量的检测，结果见表3。

由表3可以看出，生产工艺改进后，钢管从外壁到中间位置的各项力学性能变得更加稳定，不同位置的数据波动较小，且都在技术协议要求的范围内，强度、冲击吸收能量和硬度都比外淋内喷工艺有所提高。特别是屈服强度和冲击吸收能量提高较为明显，中间位置的屈服强度比初始工艺提高了约115MPa，提高幅度约14.52%，中间位置的冲击吸收能量比初始工艺提高了15J，提高幅度约25%。靠近外壁硬度是30.8HRC，中间位置硬度是30.6HRC，基本一致。这说明从外壁到中间位置性能衰减比较小，改进的生产工艺提高了材质的淬透能力，淬火时的冷却速度大于临界冷却速度，保证了过冷奥氏体顺利越过等温转变图的“鼻尖”，整个截面获得全马氏体含量组织。

表3 改进的生产工艺处理的力学性能结果

2.4 浸入内喷方式淬火工艺对微观组织的影响

在改进的生产工艺调质后的钢管上进行取样，在显微镜下观察不同位置的微观组织，图4是用改进工艺生产的40Cr无缝钢管的微观组织。

图4 改进的生产工艺调质后的微观组织（500×）

从图4中可以看出，淬火后形成的板条马氏体数量较多，板条间距小，马氏体组织致密，外壁到中间位置的贝氏体和网状铁素体消失。回火后整个截面是均匀一致的回火索氏体，细小碳化物颗粒在铁素体基体上弥散分布。这是因为改进的生产工艺确保了过冷奥氏体向马氏体转变的充分性，与力学性能检测结果数据一致。这说明，对于厚壁材料来说，通过合金成分的优化和淬火工艺的改进，能够提高材质的淬透能力。

3 结束语

1）本研究的40Cr厚壁钢管用初始外淋内喷淬火工艺生产后，靠近外壁位置综合性能整体优于中间位置的性能，但是中间位置处的屈服强度和冲击吸收能量较低，这是因为钢管的组织未淬透，靠近外壁区域从奥氏体析出了少量白色条状铁素体和羽毛状贝氏体，壁厚的中间位置组织较差，白色的铁素体数量增多，连接成网状。

2）通过优化成分和采用新的浸入内喷淬火工艺后，外表面冷却水流量增加，钢管与冷却水的接触面积更大，表面形成的蒸气泡膜被迅速打破，内喷水的流速和压力得到提高，管子转速加快，保证了冷却速度更快，淬火后获得完全致密马氏体组织，钢种的各项力学性能合格。