熱處理工藝對12Cr1MoVG厚壁無縫鋼管表面硬度的影響

肖功業，秦利波，何 彪，趙慶權

（天津鋼管集團股份有限公司，天津 300301）

12Cr1MoVG無縫鋼管主要用于制造高壓鍋爐蒸汽管道，使用溫度可達580℃，具有較高的耐高溫持久強度［1-4］。12Cr1MoVG鋼管是在優質碳素結構鋼中加入適量合金元素，提高其力學性能、強韌性和淬透性，通常以熱處理（正火+回火或淬火+回火）狀態交貨［5-9］。隨著用戶需求的不斷提高，要求12Cr1MoVG鋼管的表面硬度為145～190 HB，而傳統工藝生產的厚壁鋼管不能滿足這一要求（正火+回火工藝生產的鋼管硬度為135～161 HB，低于標準下限值；淬火+回火工藝生產的鋼管硬度為175～200 HB，超過標準上限值）［10-12］。

為了得到12Cr1MoVG厚壁鋼管的理想表面硬度，通過分析12Cr1MoVG的連續冷卻轉變曲線（CCT曲線），在實驗室進行熱處理工藝研究，對不同工藝熱處理后的鋼管進行性能檢測，以找出最佳熱處理工藝。

1 現狀分析

1.1 產品組織分布研究

鋼的硬度主要由其金相組織決定，回火索氏體S回硬度較高，鐵素體F硬度較低［13］。傳統工藝熱處理后的12Cr1MoVG厚壁無縫鋼管的金相組織如圖1所示。

圖1 傳統工藝熱處理后的12Cr1MoVG厚壁無縫鋼管的金相組織

由圖1可以看出：淬火+回火后12Cr1MoVG厚壁無縫鋼管的組織為S回+B回（回火貝氏體），在淬火過程中生成了大量M（馬氏體）組織，經過回火后M轉變為S回；正火+回火后組織為F+P（鐵素體+珠光體），F含量高達75%。由于淬火工藝冷卻速率較快，F來不及析出就進入B轉變區域，最終形成了M+B組織，產品硬度值偏高；而正火+回火工藝冷卻速率較慢，F大量析出，產品硬度值偏低。

1.2 CCT曲線測定

產品的組織與冷卻速率有直接關系。為了找到最佳的熱處理工藝，測定12Cr1MoVG鋼的CCT曲線，如圖2所示。可以看出：淬火+回火后產品組織以M為主，而正火+回火后產品組織以F+P為主，這與圖1所示的金相組織一致。因此，適當提高正火+回火工藝的冷卻速率，減少F轉變溫度的停留時間，避免F組織的大量生成，從而達到產品硬度控制目標。

圖2 12Cr1MoVG鋼的CCT曲線

2 試驗方法

試樣規格Φ219mm×45 mm，其生產工藝：電爐冶煉→LF精煉→VD爐精煉→模鑄→鍛造→退火→管坯加熱→穿孔→Assel軋管機軋制→定徑→探傷。選取探傷合格的12Cr1MoVG鋼管，在其中部截取長度為500mm的管段，在實驗室熱處理后制備滿足相應標準的試樣。12Cr1MoVG試樣的化學成分見表1。

表1 12Cr1MoVG試樣的化學成分（質量分數） %

試驗研究分兩步進行：①通過控制F析出溫度的停留時間，改變F的析出量，研究水淬時間與冷卻水循環方式對鋼管性能的影響；②找出性能匹配最佳時的水淬時間及水循環方式，進行最佳回火工藝制度研究。

3 試驗研究

3.1 水淬時間的確定

3.1.1 試驗目的

在實驗室熱處理試樣，試樣出爐后立即進行水淬，控制水淬時間及水循環方式。研究水淬時間及水循環方式對12Cr1MoVG試樣最終組織的影響，確定12Cr1MoVG厚壁鋼管的最佳淬火工藝。

3.1.2 試驗原理

根據CCT曲線，確認試樣的淬火溫度970℃，保溫60 min，出爐后立即進行水淬。控制水淬時間，使其在F轉變溫度范圍的停留時間減少，避免F組織的大量析出或全部生成M組織，以獲得滿足硬度要求的組織分布。同時，對比分析冷卻水循環方式對產品組織的影響。

3.1.3 試驗結果

檢測不同水淬時間及水循環冷卻后12Cr1MoVG厚壁鋼管的出水溫度及表面硬度，結果見表2。

表2 不同水淬時間及水循環冷卻后12Cr1MoVG厚壁鋼管的出水溫度及表面硬度

3.1.4 結果分析

從表2可以看出：水淬時間縮短，鋼管出水溫度有所提高，水淬20 s時試樣出水溫度為530℃，可避免F組織的大量析出；又由于控制了淬火時間，F組織未全部轉變為M組織，避免了鋼管表面硬度過高而超出要求。因此，將水淬時間控制在20 s可實現12Cr1MoVG厚壁鋼管的較佳硬度值。同時對比是否使用循環水進行水淬后的產品硬度，由于非循環水冷卻能力相對較弱，避免了大量M組織產生，水淬90 s后鋼管的出水溫度為254℃，經檢測其硬度值亦滿足要求。不同時間水淬后12Cr1MoVG厚壁鋼管的金相組織如圖3所示。

圖3 不同時間水淬后12Cr1MoVG厚壁鋼管的金相組織

由圖3可以看出：水淬時間越短，F含量越高，水淬20 s的產品組織為F+B，F、B的含量比例分別為55%、45%；由于非循環水冷卻能力相對較弱，回火后避免了大量S回組織的生成，F含量較高，硬度為181 HB。最終選擇淬火工藝為970℃淬火，保溫60 min，非循環水水淬20 s。

3.2 回火工藝的確定

3.2.1 試驗目的

對經以上工藝淬火后的試樣進行不同工藝回火處理，通過比較分析，找出最佳回火工藝。

3.2.2 試驗原理

試樣經過970℃×60min淬火，出爐后立即水淬，水淬時間20 s，控制回火保溫時間，對比分析不同回火時間后的試樣性能及硬度值，找出滿足硬度要求的最佳回火工藝。

3.2.3 試驗結果

不同回火工藝制度熱處理后12Cr1MoVG厚壁鋼管的硬度檢測結果見表3。

表3 不同回火工藝制度熱處理后12Cr1MoVG厚壁鋼管硬度檢測結果

3.2.4 結果分析

由表3可以看出：隨著回火保溫時間的延長，12Cr1MoVG厚壁鋼管的表面硬度逐漸降低，由185 HB降低至177 HB，產品硬度均滿足要求；回火時間由120min增加至150min過程中，硬度值明顯降低，繼續增加回火時間則硬度略有降低。考慮綜合生產成本與效率因素，確定最佳回火工藝為750 ℃×150min。

對以上淬火+回火新工藝生產的12Cr1MoVG厚壁鋼管進行內、中、外截面硬度檢測，檢測結果見表4。由表4可以看出：管體壁厚內、中、外截面硬度值較為均勻，且滿足產品硬度要求。

表4 淬火+回火后12Cr1MoVG厚壁鋼管硬度檢測結果 HB

對新工藝熱處理后12Cr1MoVG厚壁鋼管的常規力學性能進行檢測，結果見表5。由表5可以看出：淬火970℃×60min、水淬20 s，回火750℃×150 min的熱處理工藝生產的12Cr1MoVG厚壁鋼管力學性能滿足要求。

表5 淬火+回火新工藝熱處理后12Cr1MoVG厚壁鋼管的常規性能檢測結果

4 生產實踐

根據試驗結果，在生產12Cr1MoVG厚壁鋼管時執行新熱處理工藝：淬火970℃×60 min、水淬20 s，回火750℃×150min。為了避免因非循環水冷卻能力較低導致管體彎曲，采用循環水方式水淬。傳統工藝和新工藝生產的12Cr1MoVG厚壁鋼管硬度分布情況如圖4所示。

從圖4可以看出，采用傳統工藝時，淬火+回火工藝生產的鋼管硬度超出要求的上限值，最高達197 HB，超出上限要求的批量率為27%；正火+回火工藝生產的鋼管硬度低于要求的下限值，最低僅為137 HB，低于下限要求值的批量率為41%。執行新工藝熱處理后鋼管獲得的硬度值為161～182 HB，100%滿足用戶要求。檢測采用新工藝熱處理后的12Cr1MoVG厚壁鋼管的力學性能及組織，結果見表6，各項指標均滿足標準要求。

分析產品壁厚對水淬工藝的影響，當壁厚大于45 mm時適當延長水淬時間，當壁厚為36～45mm時縮短水淬時間，但不少于18 s，否則水淬均勻性難以保證。

5 結 論

（1）通過控制淬火時間，減少F析出量，避免大量M組織析出，實現產品硬度的控制，確定出Φ219 mm×45 mm 12Cr1MoVG厚壁無縫鋼管的最佳熱處理工藝為：淬火970℃×60min、水淬20 s，回火750℃×150min。采用該熱處理工藝后的產品組織為F+B，F、B組織的含量比例分別為55%、45%。

圖4 傳統工藝和新工藝生產的12Cr1MoVG厚壁鋼管硬度分布情況

表6 新工藝熱處理后12Cr1MoVG厚壁鋼管的力學性能及組織檢測結果

（2）新熱處理工藝實現了12Cr1MoVG厚壁鋼管硬度的有效控制，經批量生產驗證，產品硬度值為161～182 HB，表面硬度合格率達100%，且各項機械性能指標均滿足標準要求。

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