高強高韌40CrMnMo 無縫鋼管缺陷問題分析和措施研究

王錦永，曹洪波，祖興華，陳新河，王 錕，陳 輝，左晶晶

（邯鄲新興特種管材有限公司，河北 邯鄲 056000）

40CrMnMo 是GB/T 3077—2015《合金結構鋼》中的牌號，是一種C、Cr、Mn、Mo 為主要強化元素的合金結構鋼，是在42CrMo 的基礎上提高了Mn和Mo 含量，淬透性進一步提高，通過合理的熱處理能夠實現不同強度和韌性匹配的性能，廣泛應用于工程機械、模具制造、汽車制造、大型齒輪、油氣田開采工具［1-4］。40CrMnMo 無縫鋼管是通過熱軋工藝成型，再通過熱處理工藝，達到要求的性能。鋼管的生產過程中，常見的質量問題既有軋制成型導致的折疊，也有熱處理工藝不合理導致的淬不透或淬火裂紋，這兩類缺陷都會降低成材率，嚴重影響產品的質量穩定性［5-7］。本文研究了40CrMnMo無縫鋼管熱加工中常見的軋制成型導致的折疊和熱處理工藝不合理導致的淬不透或淬火裂紋兩類質量問題，分析了不同缺陷的形貌特點和產生原因，提出針對性的應對措施。通過研究，提出的措施可以解決生產過程中的質量問題，指導工廠設計合理的生產工藝，減少產品缺陷，提高成材率。

1 試驗材料與研究方法

1.1 試驗材料

40CrMnMo 圓坯變形比的要求：鑄坯經過變形比大于3.5 軋制成圓管坯。鋼管熱軋工藝：圓坯在環形爐中加熱到1 200～1 230 ℃，經過粗軋變成空心毛管，再經過精軋變形和精整成型生產出無縫鋼管?；瘜W成分試樣按照GB/T 20066—2006《鋼和鐵化學成分測定用試樣的取樣和制樣方法》加工，按照GB/T 4336—2002《碳素鋼和中低合金鋼火花源原子發射光譜分析方法（常規法）》進行成分檢測，40CrMnMo 試驗鋼的化學成分見表1，符合GB/T 3077—2015 要求。

表1 40CrMnMo 試驗鋼的化學成分（質量分數） %

1.2 研究步驟和方法

（1）研究步驟：成分分析→探傷檢驗查找缺陷→缺陷宏觀形貌→缺陷歸類→金相分析→推斷缺陷產生的工序和原因→提出措施→實際效果驗證。

（2）微觀組織觀測時用德國蔡司Axio Imager A2m 金相顯微鏡。拉伸試樣的平行段長度是50.0 mm，試樣直徑是10.0 mm，依據GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗第1 部分：室溫試驗方法》對試樣進行縱向拉伸強度檢測，拉伸檢測設備是SHT5605 微機控制電液伺服試驗機（60 t）。沖擊試驗一組3 個試樣，尺寸是55 mm×10 mm×10 mm，沿著鋼管軸線方向制樣，依據GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》在環境溫度21℃時進行沖擊功檢測，檢測設備是NI300F 沖擊試驗機。

2 缺陷特征和產生原因分析

2.1 鋼管內表面直道特征和產生原因

對熱處理后的40CrMnMo 鋼管進行探傷后發現，鋼管內表面存在深度較淺的缺陷。對缺陷區域進行取樣分析，鋼管內表面機加工后顯示出來的直道的宏觀形貌如圖1 所示。由圖1 可以看出，鋼管內表面存在直道缺陷，缺陷長度為15～60 mm，與管子的軸線方向交角30°～60°，深度比較淺，外觀呈斜向直道狀，缺陷方向與鋼管熱成型軋制時金屬流動方向一致，疑似軋制時產生的折疊。對鋼管內表面直道缺陷的微觀特征和鋼管熱成型軋制時的芯棒表面質量進行對比分析，進一步確認其形成原因。

圖1 40CrMnMo 鋼管內表面斜向直道的宏觀形貌

直道缺陷深度約1 mm，平滑不尖銳，灰色氧化物充滿了內部，缺陷內部區域脫碳都比較明顯，呈現出清晰的白色塊狀鐵素體晶粒，脫碳層厚度為0.1～0.2 mm，缺陷方向與軋制時金屬流動趨勢一致，與鋼管軸向有一定夾角，說明缺陷是熱軋過程中產生，高溫下與空氣結合氧化嚴重。芯棒疲勞后表面會產生大量開裂，表面變得凹凸不平。40CrMnMo 鋼管熱軋時，是在軋輥、芯棒和導盤等模具組成的環形孔型中螺旋軸向延伸的，此時鋼管內表面與開裂的芯棒接觸后在軋制力的作用下形成直道，然后再繼續輾軋、延伸和扭轉。對比直道缺陷的宏觀特征和微觀特征，結合鋼管成型的工藝特點，內表面直道缺陷是熱軋工具表面疲勞裂紋導致其表面粗糙，在軋制力的作用下形成缺陷。

2.2 鋼管嚴重裂紋特征和產生原因分析

40CrMnMo 鋼管調質后的力學性能要求達到759 MPa 以上，其設計標準性能為：抗拉強度≥882 MPa，屈服強度≥770 MPa，伸長率≥15%，21℃下檢測的全尺寸縱向沖擊性能≥40 J。熱處理工藝是：淬火加熱溫度890 ℃，保溫80 min，采用水作為淬火介質，淬火后鋼管溫度38 ℃以下，回火溫度630 ℃，保溫150 min。鋼管在按上述熱處理工藝處理并經過機加工后發現嚴重的裂紋。對裂紋部位取樣并在光學顯微鏡下觀察，腐蝕前裂紋的微觀特征照片如圖2 所示。

圖2 腐蝕前40CrMnMo 鋼管嚴重裂紋的微觀特征

由圖2 可以看出，裂紋處未發現夾雜物存在，說明不是夾雜導致的缺陷。裂紋發源于鋼管外壁，從外壁往內部方向延伸，垂直于軸線方向，環向分布，裂紋深度為2～7 mm，覆蓋管子外徑的1/3 周長區域，裂口尖銳，缺陷嚴重，剛勁有力，屬于淬火裂紋的典型特征。腐蝕后鋼管裂紋區域的微觀特征如圖3 所示。

圖3 腐蝕后40CrMnMo 鋼管裂紋區域的微觀特征

由圖3 看出，裂紋周圍顯微組織細小均勻，是調質處理后的回火索氏體；裂紋起始端兩側存在輕微脫碳，脫碳層深度都在0.1 mm 以下，這說明裂紋產生后經過了加熱過程；而裂紋末端內部干凈，基本無脫碳，說明裂紋產生后加熱溫度并不高。綜合裂紋宏觀特征和微觀特征，開裂時內應力較大，符合淬火裂紋特征，裂紋區域的脫碳情況也證實了是在回火階段發生，所以這類裂紋是在鋼管淬火過程中產生的淬火裂紋。

對40CrMnMo 淬火裂紋產生的原因從理論上進行分析。鋼的馬氏體形態主要取決于奧氏體的化學成分，即碳和合金元素的含量，其中碳的影響較明顯。隨著碳和合金元素的增加，板條馬氏體數量減少，片狀馬氏體數量增加。40CrMnMo 合金碳含量高，加上合金元素的促進作用，淬透性高，屬于淬火裂紋敏感性鋼種，淬火后形成板條馬氏體和片狀馬氏體的混合組織。板條馬氏體的亞結構主要是高密度位錯，碳化物分布均勻，大多在200 ℃以上形成，淬火應力小，韌性好；而片狀馬氏體的亞結構主要是孿晶，大大減少了有效滑移系，晶格畸變大，主要在200 ℃以下形成，淬火應力大，存在大量的顯微裂紋，韌性差，此階段冷速過快的時候易產生裂紋［8］。

由于40CrMnMo 淬火溫度高，采用的淬火介質是水，且淬火過程中水不停地攪拌，冷卻速度很快，管子冷卻過程中產生極大的淬火內應力。馬氏體轉變的起始溫度（Ms）以下時，過冷奧氏體開始向馬氏體轉變，產生體積膨脹，組織應力就開始出現，在溫度200 ℃以上時，板條馬氏體的塑性好，通過變形得到應力釋放［9］。隨著管子溫度的不斷降低，片狀馬氏體含量越來越高，應力逐漸增大，加上水冷淬火降溫較快，片狀馬氏體瞬間形核，瞬間長大，互相高速撞擊，塑性低的淬火組織協調變形能力差，應力釋放受阻，應力集中瞬間增加且得不到釋放，超過材料強度極限時就會導致裂紋。

3 改進建議

通過以上兩種不同類型缺陷產生原因分析，分別提出針對性的消除缺陷措施。

3.1 提高模具質量，解決內表面直道缺陷

對于內表面直道折疊缺陷：提高熱軋模具的表面質量，生產前對軋輥、芯棒等主要模具的表面質量進行檢查，生產過程中，及時檢查鋼管表面質量和主要模具表面質量，如果有影響質量的問題及時修磨或更換相應工具。

3.2 改進淬火工藝，消除淬火裂紋

降低管子淬火加熱溫度到870 ℃，減少溫度應力；采用水淬/空冷循環淬火冷卻方式［10-13］，當管子表面溫度200 ℃左右，提出水面空冷，心部溫度向表層溫度傳遞，生成的馬氏體組織得到及時自回火，表層和心部應力集中狀態得到改善，隨后再及時淬入水中，進行第二階段淬火冷卻，當管子外表面溫度160 ℃左右，再提出水面轉為空冷，表層和心部應力集中狀態得到改善，隨后再進行第三階段淬火冷卻，淬后溫度90 ℃以下，提出水面，淬火過程結束。采用改進的熱處理工藝生產鋼管，鋼管經過探傷和表面質量檢查后發現，質量良好，無軋折和裂紋，合格率100%。采用改進工藝生產的鋼管顯微組織和晶粒照片如圖4 所示。

圖4 采用改進工藝生產的40CrMnMo 鋼管的組織和晶粒

由圖4 可以看出，采用改進的熱處理工藝生產的鋼管組織是回火索氏體，碳化物均勻分布，組織細小，晶粒平均直徑20 μm，平均晶粒度8.0 級，為良好的力學性能提供了基礎。采用改進工藝生產鋼管的力學性能見表2。

表2 采用改進工藝生產的40CrMnMo 鋼管的力學性能

由表2 可以看出，采用改進后的熱處理方案生產的鋼管強度和韌性優異，力學性能與初始工藝基本一致，這說明通過適當降低淬火溫度，采用水淬/空冷循環淬火方式，不但有效降低了淬火過程中的應力集中，有效避免了淬火裂紋，而且材料力學性能合格且穩定，為類似材料的生產提供了參考工藝。

4 結語

（1）鋼管內表面直道缺陷的深度約1 mm，脫碳層厚度為0.1～0.2 mm，是軋制工模具表面缺陷導致的軋折；淬火裂紋缺陷的深度為2～7 mm，脫碳層厚度不大于0.1 mm，是淬火冷速過快導致的缺陷。

（2）鋼管內表面直道缺陷解決措施：提高鋼管和主要工模具表面質量的檢查頻次，提高工模具的表面質量，及時修磨和更換。淬火裂紋缺陷解決措施：降低淬火加熱溫度，采用水淬/空冷循環淬火方式，降低淬火應力。

（3）經過改進熱處理工藝生產的鋼管力學性能：抗拉強度、屈服強度、沖擊功和伸長率都符合技術協議要求，有效避免了淬火裂紋，而且材料力學性能合格且穩定。