無縫鋼管的組織變化對其淬透性的影響研究

李東遠，吳光輝，周正平，周 勇，宋述鵬，吳 潤

（1.武漢科技大學，湖北 武漢 430081；2.衡陽華菱鋼管有限公司，湖南 衡陽 421001）

隨著經濟的發展，國家對能源的需求日益增加，油井向更深、更嚴苛環境發展，深層油田的開發要求油井用無縫管具有高強度高韌性。材料的成分配方是性能保證的根本，其中的淬透性決定了厚度方向性能的均勻性。之前也有關于油井管的研究，李紅英［1］和喬志霞等［2］分別對鋼管淬火應力和淬火相變機理進行了探討，但都缺乏組織對淬透性的影響的系統研究。因此，本文研究了高強韌性HG05無縫鋼管組織對淬透性的影響，通過熱模擬方法確定了鋼的靜態過冷奧氏體連續冷卻轉變（CCT）曲線及其臨界淬火冷卻速度，并分析了熱成形后鋼管的組織，熱模擬其臨界淬火冷卻速度下的組織，給實際生產熱處理工藝提供參考。

1 試驗過程及方法

試驗鋼為HG05，其化學成分見表1，為低合金高強鋼。

表1 HG05 試驗鋼的化學成分（質量分數） %

使用Gleeble 3500 熱模擬試驗機對調質態HG05鋼進行靜態CCT 曲線和相變點的測定。靜態相變試驗：首先以5 ℃/s 的加熱速度加熱至1 280 ℃，保溫6 min 進行奧氏體化，隨后以10 ℃/s 冷卻至880 ℃等溫50 s，再分別以0.1，0.3，0.5，1，5，10，15，20，30，40，50，80，100，120 ℃/s 冷卻至室溫，記錄膨脹量數據并觀察金相組織。熱模擬后的試樣沿熱電偶焊接點處切開，制成金相試樣，用4%硝酸酒精溶液侵蝕。使用HV-1000A 型顯微硬度計測定試樣中不同顯微組織的維氏硬度。分析各個工藝下的溫度-膨脹曲線，結合金相照片和顯微硬度結果判斷相變類型和相變點，繪制出靜態CCT 曲線。

從規格為直徑254 mm，壁厚32 mm 的熱成形鋼管上截取試樣，對內、中、外三層切割并制備成CCT 試樣，按靜態CCT 曲線中臨界淬火冷卻速度進行熱模擬試驗，然后用金相顯微鏡觀察顯微組織并進行硬度測定。

采用定量金相法分析熱成形鋼管各層的組織，依據GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測定方法》［3］測定其原奧氏體的晶粒度、鐵素體塊尺寸和體積分數；并用飽和苦味酸溶液顯示熱模擬后試樣的原奧氏體，采用截點法測定其晶粒的大小。

2 結果與討論

2.1 調質態HG05 鋼的熱模擬分析

2.1.1 調質態HG05 鋼的相變點

CCT 試驗整個過程膨脹量-溫度曲線和不同冷卻速度下的膨脹曲線如圖1 所示。

圖1 HG05 鋼靜態CCT 試驗整個過程膨脹量-溫度曲線和不同冷卻速度下的膨脹曲線

鋼的熱模擬分析中測定的加熱和冷卻膨脹量-溫度曲線如圖1（a）所示，鋼的加熱相變點為加熱時珠光體向奧氏體轉變的溫度Ac1和加熱時轉變為奧氏體的終了溫度Ac3，測定CCT 曲線的加熱條件相同，冷卻相變有鐵素體（F）、珠光體（P）、貝氏體（B）和馬氏體（M）相變，其轉變溫度均不同，所以采用切線法測取14 組試樣的加熱奧氏體化的相變點，得到Ac1為761 ℃，Ac3為873 ℃。同時分析圖1（b）～（f）得：當冷卻速度為0.1 ℃/s，膨脹曲線中可觀察到鐵素體相變開始溫度771 ℃，組織主要是鐵素體和貝氏體；當冷卻速度為5 ℃/s，可觀察到貝氏體相變開始溫度558 ℃，組織主要是貝氏體；冷卻速度≥20 ℃/s 時，相變開始溫度約370℃，判斷組織中發生了馬氏體相變（相變溫度低于JMatPro 軟件計算出的奧氏體向馬氏體轉變的開始溫度Ms，即394 ℃）。

2.1.2 調質態HG05 鋼靜態CCT 曲線

調質態HG05 鋼靜態CCT 試樣不同冷卻速度下的金相組織如圖2 所示。

圖2 調質態HG05 鋼靜態CCT 試樣在不同冷卻速度下的金相組織

HG05 鋼靜態CCT 試驗的膨脹曲線、顯微組織類型，匯總結果見表2，并據此繪制試驗鋼的靜態CCT 曲線（圖3）。

圖3 HG05 試驗鋼的靜態CCT 曲線

表2 HG05 鋼在不同冷卻速度下不同組織轉變的溫度

從靜態CCT 曲線中可以看出：當冷卻速度≤0.5 ℃/s，轉變產物為鐵素體、貝氏體和珠光體；冷卻速度為10～15 ℃/s 時，轉變產物為貝氏體和馬氏體。橫截面金相組織表明，在20 ℃/s 冷卻時，邊部出現少量貝氏體，而心部未見貝氏體組織，為全馬氏體。這是由于邊部發生脫碳，臨界淬火速度下降引起。故認為當冷卻速度≥20 ℃/s，可以得到全馬氏體組織，20 ℃/s 為臨界淬火冷卻速度。因此，調質鋼的整個截面的金相組織全馬氏體的臨界淬火冷卻速度應為20～30 ℃/s。

2.2 HG05 熱成形鋼管組織及其對淬透性的影響

圖4（a）、4（c）和4（e）所示為熱成形鋼管的組織，貝氏體占大部分，鐵素體占小部分。對比外中內三層發現，貝氏體的晶粒尺寸是中層略大，內外層稍??；而鐵素體體積分數，則是內層鐵素體的占比最多，達到12.40%（圖5a）；鐵素體晶粒尺寸平均約為10 μm，中間層相比內外層略大，這是由于內外壁的冷卻速度較中間層更快，過冷度增大，細化晶粒［4-18］。

圖4 HG05 鋼熱成形鋼管原始組織和熱模擬后的組織

圖5 HG05 鋼熱成形鋼管組織定量統計

調質態鋼熱模擬（按臨界淬火冷卻速度20 ℃/s下）后的組織為馬氏體，而熱成形鋼管的組織中存在微量的鐵素體。鋼管的外層鐵素體極少（圖4b），中層鐵素體量增加（圖4d），內層鐵素體最多（圖4f），鋼管內層的淬透性最弱?？傊?，熱成形組織未淬透，其淬透性弱于調質態。

熱成形鋼管不同層級在熱模擬中的奧氏體晶粒尺寸如圖5（b）所示，平均尺寸為6 μm。熱成形組織中鐵素體和熱模擬中奧氏體晶粒尺寸均是中層的晶粒尺寸略大于外層和內層，即熱成形組織中鐵素體晶粒尺寸越大，加熱保溫后生成的奧氏體晶粒越大；奧氏體晶粒尺寸增大能降低鋼的臨界冷卻速度，進而提高淬透性。因此熱成形組織中層的淬透性會強于內層。

而熱成形組織的淬透性要弱于調質態，這是因為熱成形鋼管的組織基本都是鐵素體和貝氏體，貝氏體是非平衡組織，碳含量高，鐵素體是平衡組織，碳含量低，熱模擬試驗的加熱和保溫未能均勻組織碳含量，熱軋態組織不均勻，而調質態組織均勻，加熱奧氏體形核核心少，熱模擬加熱后奧氏體晶粒大，故其臨界淬火冷卻速度為20 ℃/s，而熱成形組織的臨界淬火冷卻速度要大。

3 結語

（1）當冷卻速度≥20 ℃/s，調質態可以得到全馬氏體組織，20 ℃/s 為臨界淬火冷卻速度。

（2）熱成形組織的鐵素體晶粒尺寸是中間層略大于內外層，導致中間層加熱保溫后再結晶形成的奧氏體晶粒尺寸更大，淬透性較內層更好。

（3）熱成形組織中的貝氏體是碳含量高的非平衡組織，而鐵素體是碳含量低的平衡組織，組織不均勻，而調質組織均勻，加熱奧氏體形核核心少，熱模擬加熱后奧氏體晶粒大，故其臨界淬火冷卻速度為20 ℃/s，而熱成形組織的臨界淬火冷卻速度要大。