42CrMo无缝钢管水淬热处理工艺优化研究

王锦永，齐希伦，费志伟，叶丙义

新兴铸管股份有限公司马头特种管材分公司 河北邯郸 056001

42CrMo无缝钢管的成熟热处理工艺采用油或淬火液进行淬火，但是成本高，且淬火裂纹是一种严重的质量问题，出现就会导致钢管零件报废。本文研究用水作为淬火冷却介质，提出针对42CrMo无缝钢管的热处理工艺[1-3]。

1 用水作为淬火冷却介质

首先进行了42CrMo无缝钢管的小批量热处理试验，钢管尺寸为φ98.43mm（外径）×11.93mm（壁厚），材料性能要求抗拉强度＞655MPa，屈服强度552~665MPa，伸长率＞20%。小批量热处理数量12支，淬火加热温度920℃，保温50min，淬火冷却介质是水，淬火采取浸入内喷方式，淬后管子温度40℃以下，回火温度735℃，保温105min。钢管调质后，力学性能合格，但是发现8支管子内表面出现大量的裂纹，导致钢管报废。

裂纹照片如图1所示，为了分析裂纹特征，推断裂纹产生的阶段和原因，提出针对性防止措施，进行了工艺改进和效果验证。

图1 初始工艺热处理后的钢管裂纹

（1）微观组织观察 微观组织显示剂为4%的硝酸酒精，用德国蔡司Axio ImagerA2m金相显微镜进行观察。

（2）力学性能检验 依据ASTM A370标准对试样进行纵向拉伸性能检测，检验设备型号：SHT5605 60t。依据ASTM E23标准对试样进行0℃纵向冲击试验，检验设备型号：NI300F。

2 裂纹的特征和产生原因分析

2.1 裂纹宏观特征

裂纹都在内表面，笔直有力，深度为2~5mm，长度为20~200mm，裂口尖锐，说明开裂时应力较大，是典型的淬火裂纹。图2是裂纹在显微镜下的照片。

图2 裂纹在显微镜下的特征（50×）

2.2 裂纹区域的显微组织

裂纹区的组织是正常的回火索氏体，裂纹处无明显氧化脱碳，说明是在淬火过程中产生的开裂，与淬火裂纹特征一致。

2.3 裂纹原因分析

此规格钢管口径小，壁厚较薄，奥氏体化后存储的热能小，加上42CrMo淬透性较强，水冷却速度快，很容易完全淬透。马氏体形态分为板条马氏体和片状马氏体。板条马氏体具有高强度、高硬度，且相当高的塑性和韧性，而片状马氏体具有高强度，但是韧性差，比较脆。wC≤0.2%时，基本是板条马氏体，wC=0.2%~1%时，是板条马氏体和片状马氏体混合组织，42CrMo淬火后是板条马氏体和片状马氏体混合组织[4]。钢管在冷却过程中存在温度应力和组织应力。过冷奥氏体转变为马氏体不久后，裂纹才开始出现。温度应力可以导致钢管的变形，此阶段奥氏体的塑性好，通过变形得到应力释放。奥氏体的密度小于马氏体的密度，转变为马氏体后，要发生体积膨胀，产生组织应力，转变为马氏体的程度越充分，应力就越大，钢管表面受应力也越大，从而产生裂纹。

3 热处理工艺的优化和应用效果

根据淬火裂纹产生的原因分析，提出以下优化的淬火工艺措施：

1）降低钢管淬火加热温度到880℃，以减小温度应力。

2）适当降低内喷头水泵的压力，减小水的流动速度，从而降低组织应力。

3）降低淬水深度，使得圆周方向1/4的钢管在水面，3/4的钢管在水下，以降低组织应力。

4）减少钢管在水中的冷却时间，提高钢管的出水温度到120~160℃。

5）利用余温自回火，降低应力集中。

6）回火工艺仍然按735℃保温105min[5-6]。

采用优化的热处理工艺进行60支钢管热处理生产，钢管经过超声波检测和表面质量检查后发现，质量良好，合格率100%。图3是采用改进的热处理工艺生产的钢管显微组织和晶粒度照片。

采用改进的热处理工艺进行生产的钢管组织是回火索氏体，淬透性良好，没有条状或块状铁素体存在，碳化物均匀分布，组织致密，晶粒尺寸平均20μm，平均晶粒度8.0级，为获得良好的力学性能提供了基础。力学性能检测结果见表1。

由表1可以看出，强度和韧性都在技术协议要求范围内，改进的热处理工艺并没有降低材料的强度和韧性，利用余温自回火有效降低了淬火过程中的应力集中，确保了钢管质量。

图3 热处理工艺优化后的42CrMo组织和晶粒度（500×）

表1 热处理工艺优化后的性能结果

4 结束语

采用水作为淬火冷却介质，降低了42CrMo钢管热处理生产成本的工艺。水淬最大风险是淬火裂纹，针对淬火裂纹，提出了改进的淬火工艺，为用水作为淬火冷却介质进行42CrMo钢管热处理提供了指导性数据。