仪器信息网APP

选仪器、听讲座、看资讯

立即体验

当前位置：仪器社区 >显微镜 > 金相显微镜 > 帖子详情

CrMo钢感应调质热处理研究

无敌大冰冰

2017/07/02

私聊

金相显微镜

对于普通碳钢及合金钢，调质处理可以改善钢的综合性能，调质工艺（高温淬火＋高温回火）已应用多年，工艺也比较成熟。调质工艺中的淬火过程是加热钢使其完全奥氏体化后快速冷却，使得碳和合金元素完全固溶到铁素体基体中而形成一种过饱和铁素体而形成马氏体，这种马氏体的强度很高，在随后的高温回火过程中使得碳化物析出，起到析出强化作用，改善钢的性能。通过控制回火处理的温度及时间来调配钢的强韧性。
CrMo钢主要应用于伴有腐蚀环境的油气田中，高钢级CrMo钢需要在保持高强度的同时满足抗腐蚀的条件，这就需要对钢管进行相应的处理，如细化晶粒、改善碳化物构成等。大量研究表明，使用感应热处理的方式可以明显的改善钢管的性能。感应热处理方式具有低成本、高效率的特点，并且在钢管制造中可以超越常规热处理，在提高晶粒度、改善析出相构成，降低位错密度等多方面有优良的表现。快速的加热淬火可以使晶粒度同比提高2级以上，快速的加热回火可以抑制析出相（碳化物）长大，使其更加细小、均匀、弥散分布于基体组织，有益于提高钢管的综合性能。
采用中频感应加热的方式对CrMo钢进行调质处理，通过细化试验钢的晶粒及调整回火过程中析出相的形态和分布，使感应热处理后的试验钢力学性能相对常规热处理有了较大的提高。
1 试验材料和方法
试验中采用CrMo作为试验钢，样管规格为88.9mm*6.45mm。试验钢经EAF电弧炉冶炼、LF炉精炼后使用VD炉真空脱气，采用连铸的方式制成管坯,，使用PQF三辊连轧机制成无缝钢管。采用中频感应炉对样管进行感应淬火和感应回火处理，从调质处理后的管材上切取样品，对所切取的样品进行粗磨、细磨、抛光、浸蚀（浸蚀剂采用4%HNO₃＋96％C₂H₅OH，浸蚀时间为5~10秒），然后在金相显微镜上进行显微组织观察。为了进一步观察回火索氏体中碳化物的形态，用扫描电子显微镜进行显微组织观察，采用X衍射仪进行X射线衍射试验并采用透射电镜确定析出相种类。
为了研究感应热处理过程中试验钢在感应淬火和感应回火两个不同阶段的变化以及方便和传统电阻炉加热热处理进行对比，我们采用以下热处理方式进行试验，分别为：I、中频感应炉淬火+电阻炉回火；II、电阻炉淬火+电阻炉回火；III、电阻炉淬火+中频感应炉回火；IV、中频感应炉淬火+中频感应炉回火。感应热处理过程中的加热时间，采用5~10分钟，短时间内的感应热处理加热方式可以避免试验钢的晶粒长大，保证试验钢通过热处理试验得到更好的宏观力学性能。
2 试验结果及讨论
2.1 感应淬火对试验钢的性能影响
使用中频感应炉和电阻加热炉对CrMo钢进行了感应淬火与常规淬火的比较试验，分别使用热处理方式I和II，结果如表一所示：
表一不同热处理淬火方式下试验钢的力学性能

试样号	热处理制度	屈服强度（Mpa）	抗拉强度（Mpa）	延伸率（%）	冲击功（J）
1	950°C×10min +670°C×60min	917	957	17.5	76
2	950°C× 5min +670°C×60min	934.5	965	16	70
3	950°C×40min +670°C×60min	830	847	16	75

表一采用了三种热处理制度，前两种都采用热处理方式I，不同的是淬火前的感应加热时间不同，1#试样采用10分钟的加热时间，2#试样采用5分钟的加热时间，用于比较在不同淬火加热时间情况下试验钢的力学性能变化。3#试样采用热处理方式II进行调质处理，主要用于和1#试样比较不同淬火热处理方式下试样钢的力学性能变化。通过比较可以发现，经过感应热处理淬火的1#试样在保持近似冲击功性能的同时，屈服强度比常规热处理淬火的3#试样提高近90Mpa，达到125ksi钢级，这主要是因为感应热处理淬火保温时间较短，奥氏体晶粒形核后长大时间相对较短，使淬火后的试验钢晶粒细化。

图1是1#和3#两种试样的原奥氏体晶粒图。从图1中可以看出，经过感应热处理淬火的试样相对常规热处理的试样，晶粒细化程度明显。为了准确评价试样的晶粒度级别，我们采用比较法对试验钢进行奥氏体晶粒度的评级，因为标准中没有9级以上的晶粒度评级，因此采用200倍金相评级+2的方法，得到1#试样的晶粒度为10级，3#试样的晶粒度为8.5级。晶粒度细化是提高钢管性能的主要因素，因此经过感应热处理的试样力学性能相对常规热处理有所提高。

图2是2#试样在200X显微镜下的晶粒度图，晶粒度为11级，通过对比1#和2#试样的感应热处理制度和晶粒度级别可见，随着感应淬火加热时间的减少，晶粒度呈细化的趋势。

通过对比1#和2#试样的力学性能发现，在同样的感应淬火热处理中，缩短加热时间虽然可以使晶粒度进一步细化，但这种晶粒度的细化无法同时提高试样钢的屈服强度和冲击功。从表一中可以看出，随着缩短感应淬火加热时间，试样钢的屈服强度有所提高，但冲击功性能相对降低，因此，试样钢要得到满意的力学性能需要合理的制定感应淬火加热时间。同时我们也可以看出，在感应热处理中通过灵活的调整感应淬火加热时间，可以控制试验钢力学性能的配比。
2.2 感应回火对试验钢的性能影响
感应淬火热处理可以通过细化晶粒提高试验钢的力学性能，感应回火热处理则通过改变析出相的形态和位错密度来改善试验钢的性能。试验中同样使用中频感应炉和电阻加热炉对抗腐蚀无缝钢管27CrMo27Vs进行了感应回火与常规回火的比较试验，分别使用热处理方式III和II。在感应热处理回火前，三种样品都采用常规热处理淬火的方式，热处理制度为950°C×40min，不同回火制度的试验结果如表二所示：
表二不同热处理回火方式下试验钢的力学性能

试样号	热处理制度	屈服强度（Mpa）	抗拉强度（Mpa）	延伸率（%）	冲击功（J）
4	950°C×40min +670°C×5min	902	949	18.0	73
5	950°C×40min +670°C×3min	922	968	18.0	70
3	950°C×40min +670°C×60min	830	847	16	75

表二采用了三种热处理制度，前两种都采用热处理方式III，不同的感应回火热处理的加热时间不同，4#试样采用5分钟的加热时间，5#试样采用3分钟的加热时间，用于比较在不同回火加热时间情况下试验钢的力学性能变化。3#试样采用热处理方式II进行调质处理，主要用于和4#、5#试样比较不同回火热处理方式下试样钢的力学性能变化。通过比较可以发现，经过感应热处理回火的4#、5#试样在保持近似冲击功性能的同时，屈服强度比常规热处理回火的3#试样提高70Mpa以上，达到125ksi钢级。
在感应热处理回火过程中，不同于传统热处理。传统热处理需要较长的时间使在淬火过程中固溶的碳及合金元素充分析出，从而满足冲击性能，而感应热处理方式可以在短时间内提供试验钢较高的能量，造成短时间内就可以满足析出相的充分析出。图3是使用扫描电镜得到的3#和4#试验钢的析出相形貌照片，照片中3#试样的析出相形态以棒状和带有尖端的条状为主，球状及椭圆状析出相很少，而4#试样的析出相形态以球状和椭圆状为主，很少出现棒状和带有尖端的条状形态，这是因为传统热处理是一个渐变的过程，满足性能必然要提高加热时间，提高加热时间伴随着析出相的长大和偏聚，形成棒状或带有尖端的条状，增加材料的脆性；而感应热处理的回火过程时间很短，析出相来不及长大，形成分布均匀，偏重于球形或椭圆形的形态，使试验钢减少由于析出相的偏聚而带来的性能下降，从而达到提高力学性能的目的。

2.3 感应热处理对试验钢的影响
通过以上的分析，我们可以看出感应热处理淬火和回火都可以利用不同的微观机理达到提高试验钢力学性能的目的。表三中的6#试样是采用IV热处理方式的力学性能结果，与3#试验钢对比发现两种热处理方式下冲击功变化较小。采用感应调质热处理（淬火和回火）后的试验钢相对传统调质处理，屈服强度可以提高超过100Mpa。
表三不同方式调质处理后试验钢的力学性能

试样号

热处理制度

屈服强度

（Mpa）

抗拉强度（Mpa）

延伸率

（%）

冲击功

（J）

950°C×10min

+670°C×5min

945

998

18.5

950°C×40min

+670°C×60min

830

847

使用感应热处理的方式对抗腐蚀无缝钢管进行热处理不仅仅可以提高材料的力学性能，同时需要值得注意的是感应加热这种热处理方式带来的析出相及位错密度的改变。图4是3#试样和4#试样的透射电镜图象，通过图4可知，经过感应回火热处理的4#试样具有更低的位错密度。27CrMo27Vs钢主要以抗H₂S为目的，在腐蚀过程中H离子往往存在于材料的位错位置，位错密度高会引起H离子的聚集并形成氢分子，随着氢气团的增大使材料产生氢致开裂，在使用中会出现材料失效的现象，因此更低的位错密度有利于提高油井管的抗腐蚀能力。
图4 3#和4#试样的析出相的TEM图
3 结论
通过以上研究，可以看到感应热处理方式可以提高CrMo钢性能、改善微观析出相的形态、降低材料位错密度。感应热处理的特点使CrMo钢在感应淬火后得到晶粒的细化，在感应回火过程中得到更为适合抗腐蚀性能的析出相形态，有利于提高材料的抗腐蚀性能。
本论文从试验的角度比较了感应热处理方法与常规热处理方法在材料力学性能、微观析出相、微观位错形态等方面的不同，并提出了感应热处理的优势，在机理性研究和最终产品的抗腐蚀试验性能方面仍需进一步的研究。
CrMo钢的感应热处理试验结果为油井管的生产提供了很好的借鉴，推动了同类产品的工艺进步。对油井管感应热处理的深入研究，系统的掌握感应热处理工艺的相关规律，可以提高产品性能以能使CrMo钢得到更好的应用。

附件：

CrMo钢感应调质热处理研究.doc

精
该帖子已被管理者-牛牛0322设置为精华，下面是奖励记录：加10积分,加5声望