钢管坯料的热处理意义重大

2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：所以，热轧钢管坯料的热处理就非常必要。

1.1　热处理制度

冷拔钢管的坯料退火一般均采用再结晶退火工艺，软化金属、优化组织，以便于后面的冷拔加工。

1.1.1　钢管的加热

（1）装炉温度

冷拔钢管的装炉温度一般没有限制，热炉或冷炉均可，但为了提高生产效率，一般采用热炉，其炉温接近热处理的加热温度。

（2）加热速度

为了缩短热处理周期，减少氧化和脱碳。原则上各类钢管均可快速加热，实际生产中，一般加热速度为100-120℃/h。

（2）加热温度

常用钢材的退火加热温度（℃）见表3-4。

表3-4　常用钢材的退火加热温度（℃）

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加热温度的经验公式是：t=AC3+（20～50）℃。温度太低，晶粒间缺陷无法完全消除；温度太高，晶粒尺寸便会增大。

（4）加热时间

加热时间是根据工件的有效厚度来计算的，并考虑装炉量和装炉方式，加以修正。加热时间可按下式计算：

式中　D——工件有效厚度；

　　　K——加热系数，对于碳素钢，K加=1.5min/mm；对于合金钢，K加=2min/mm。

（5）保温时间

可按每25mm厚度保温1h计算。

1.1.2　钢管的冷却方式

钢管的冷却方式根据热处理方法确定。

在生产中，实际采取的方式是钢管达到设定温度后，随炉冷却至300℃左右，然后出炉空冷。冷却速度要足够慢，以保证奥氏体在A1～650℃之间有足够的转变时间；但是又不能太慢，否则会降低生产率，并钢管会出现离异共析的反常组织。经验数据是：碳素钢冷却速度：v冷=100～200℃/h；一般合金钢冷却速度 v冷=50～100℃/h。退火工件随炉冷却，略加控制即可满足要求，随炉冷至600～650℃时，奥氏体已分解完毕，缓冷到300℃出炉空冷即可。

1.2　钢管退火设备

常用的冷拔钢管退火设备是台车式退火炉与滚底式退火炉。当产量很高时，一般选用滚底式退火炉，其缺点是造价较高。高精度冷拔钢管生产，产量不高，生产节奏不是非常快，一般均选用制造费用相对较低的台车式退火炉。在本冷拔生产中采用的退火炉是双台车电阻炉。

1.3　热处理工艺对钢管组织的影响

热处理工艺选用的冷拔生产材料为：江苏江阴某钢管公司生产的45号钢Φ245mm×16mm热轧无缝钢管。在700～820℃之间，选取6个温度，进行退火冷拔生产。

图3-27-g⑥是45号钢热处理前的原始组织以及分别按下述①～③热处理工艺获得的微观组织。

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图3-27　试样100倍下拍照显微组织　100×

具体热处理工艺如下：

（1）加热700℃，保温20min，随炉冷至600℃出炉空冷；

（2）加热730℃，保温18min，随炉冷至600℃出炉空冷；

（3）加热730℃，保温18min，随炉冷至500℃出炉空冷；

（4）加热760℃，保温15 min，随炉冷至室温；

（5）加热790℃，保温15min，随炉冷至室温；

（6）加热820℃，保温15min，随炉冷至600℃出炉空冷。

从上图3-27可以看出原材料金相组织为：铁素体＋珠光体，图中白色为铁素体，黑色为珠光体，有魏氏组织倾向，按GB/T 13299-1991钢的显微组织检验方法，判定魏氏组织为B系列2级。热轧钢管在冷却过程中，由于冷却方式控制不当，很容易产生魏氏组织缺陷，这种组织的存在，对钢管的性能会产生不利的影响。所以，热轧钢管坯料的热处理就非常必要。

从图3-27 b～g各个不同温度热处理后的组织形貌图看，不同热处理制度下，最终组织金相组织都是：铁素体＋珠光体（图中白色为铁素体，黑色为珠光体），其中5号工艺（加热790℃，保温15min，随炉冷至室温）得到的组织状态最佳，铁素体晶粒都得到了细化，且分布均匀，并将原始组织中的魏氏组织、混晶组织基本消除。

790℃正好是45钢的临界点，此温度下未熔铁素体较少并且很小，这时奥氏体也未长大，所以整体的铁素体晶粒都比较小。

当加热到820℃时，已达到完全奥氏体化，并且有长大趋势，由于冷却速度控制得不够慢，还是有一些魏氏组织出现。760℃以下温度与原始组织差别不大，也就说明热处理温度偏低了，700～760℃之间热处理并未改变原始组织的形貌，材料的组织应力未消除，只有加热至790℃以上原始组织形貌才有明显的改观，组织得到了明显的细化。

冷拔生产过程中发现，如果按照理论退火温度820℃进行钢管退火，那么处理后钢管非常弯曲，而且氧化也十分严重，对后续酸洗与冷拔加工都十分不利，为此，在冷拔生产特别关注了降低退火温度。温度降低后，钢管弯曲度明显改善，氧化现象也改善了。820℃与790℃退火后的钢管，冷拔后的力学性能指标见表3-5。从表中也可以看出，降低温度后，冷拔钢管的机械性能也满足了冷拔油缸与主机油缸的要求，所以，我们现在实际上在生产中选择的退火温度是790℃。

表3-5　45号钢不同退火加热温度后的冷拔力学性能

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1.4　钢管冷拔后的组织状态研究

为分析冷拔生产冷拔钢管的组织状态，选取冷拔油缸与主机用缸筒，材质为27SiMn，、江苏江阴某钢管公司生产的Φ219mm×13mm热轧无缝钢管。冷拔生产编号为：1号热轧钢管坯料；2号冷拔成品管前端；3号冷拔成品管尾位置。试样观察面为纵向，对试样的外表层、中部、内表层分别进行观察，显微组织分别在100倍（100×）下进行观察比较。图3-28～30分别示出了1号、2号、3号试样的中部、外表面、内表面的组织形貌。

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图3-28　各试样观察面中部组织形貌

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图3-29　各试样观察面外表层组织形貌

图3-28～30中白色为铁素体，黑色为珠光体。从图3-28可以看出，试样中部的组织晶粒在冷拔后产生了一定带状组织，但并不很严重，说明设计的变形率不是很大。热轧钢管在冷拔加工后，晶粒变得更加细小，材料强度也得到了提高，可以更好地满足冷拔油缸与主机油缸缸筒的机械性能要求。图3-28～30都可以看出，冷拔钢管前端与后端的组织没有很大区别，从变形方面看，前端变形较小；后端组织变形较大。整支钢管的组织性能接近，从而保证了缸筒的整体性能的统一性。比较图3-29、图3-30可以看出，冷拔钢管外表面与内表面相比，外层表面组织变形较小，内层组织变形较大，也满足了提高缸筒材料性能的设计要求，保证了冷拔油缸与主机油缸缸筒内表面性能更高、残余应力更大，也符合缸油缸筒的受力特征。所以，从冷拔钢管的微观组织可以看出，用冷拔方式生产冷拔油缸与主机油缸缸筒，材料的组织与性能均满足产品工况的设计要求，可以更好地发挥材料的性能。

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图3-30　各试样观察面内表层组织形貌

钢管坯料的热处理意义重大

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