雙相鋼無縫鋼管的中頻感應(yīng)熱處理工藝研究

以初始組織為鐵素體和珠光體的熱軋Q345B無縫鋼管為原料，通過中頻感應(yīng)熱處理工藝，開發(fā)出基體組織為鐵素體和馬氏體的雙相鋼無縫鋼管，并通過循環(huán)處理工藝得到基體為超細(xì)晶組織的雙相鋼無縫鋼管。介紹了對這種雙相鋼無縫鋼管進(jìn)行中頻感應(yīng)熱處理的工藝設(shè)計(jì)，熱處理工藝試驗(yàn)的過程及試驗(yàn)結(jié)果。研究表明：中頻感應(yīng)淬火熱處理工藝應(yīng)用于雙相鋼無縫鋼管的開發(fā)是完全可行的。

無縫鋼管由于其中空封閉結(jié)構(gòu)，具有較大的抗彎曲和扭轉(zhuǎn)能力，被廣泛用于各種建筑及其他構(gòu)件上。如果將具有良好強(qiáng)度和塑性組合的多相鋼制造工藝應(yīng)用于無縫鋼管的工業(yè)生產(chǎn)，則可以大幅度提高無縫鋼管的冷變形能力和二次加工性能，有望擴(kuò)大無縫鋼管在抗大變形管線鋼、內(nèi)高壓成形和冷彎異型管等眾多領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。

從熱處理過程的連續(xù)化、自動(dòng)化及熱處理后鋼管表面質(zhì)量良好且無嚴(yán)重氧化鐵皮的角度考慮，采用中頻感應(yīng)加熱的方式對鋼管進(jìn)行連續(xù)熱處理是最好的選擇。文獻(xiàn)通過大量的數(shù)據(jù)，從設(shè)備投資、生產(chǎn)成本以及熱處理后材料的綜合機(jī)械性能等方面比較分析后認(rèn)為：中頻感應(yīng)加熱熱處理具有產(chǎn)品質(zhì)量好、控制精度高、設(shè)備投資小、生產(chǎn)成本低、勞動(dòng)條件好、節(jié)能環(huán)保、設(shè)備維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)，是一項(xiàng)值得推廣的技術(shù)。還有一些研究［2-7］驗(yàn)證了中頻感應(yīng)淬火可以使構(gòu)件表面的氧化鐵皮很少且致密，致密的氧化層可以作為防護(hù)層，以防止構(gòu)件繼續(xù)受到氧化。本研究旨在通過中頻感應(yīng)加熱方法研究開發(fā)雙相鋼無縫鋼管的熱處理工藝，為雙相鋼無縫鋼管的工業(yè)化生產(chǎn)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1工藝設(shè)計(jì)

研究選用Q345B無縫鋼管為試驗(yàn)材料，通過中頻感應(yīng)加熱至臨界區(qū)溫度，并在爐內(nèi)保溫一定時(shí)間，使基體內(nèi)產(chǎn)生一定比例的奧氏體和鐵素體，在隨后的淬火冷卻過程中，奧氏體將向馬氏體轉(zhuǎn)變，生成基體組織為鐵素體和馬氏體的雙相鋼管。由于感應(yīng)加熱速度非?？?，且加熱時(shí)間很短，故在淬火后可獲得晶粒極為細(xì)小的馬氏體或隱晶馬氏體。由于采用的淬火介質(zhì)為水，淬火后的鋼管各部位因冷卻速度的不同，可能會(huì)出現(xiàn)或多或少的彎曲，所以鋼管在熱處理過程中，采用軸向旋轉(zhuǎn)的方式向前運(yùn)行可以減小彎曲程度。

將鋼管在2號感應(yīng)線圈內(nèi)加熱至臨界區(qū)溫度，通過控制電源的功率來控制加熱溫度，通過控制托輥的轉(zhuǎn)動(dòng)速度來控制加熱時(shí)間；然后在2號冷卻段鋼管以大于發(fā)生奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的臨界冷卻速度進(jìn)行快速冷卻，使基體中的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體；3號感應(yīng)線圈可用作回火處理，鋼管在回火之后進(jìn)行空冷，或者利用3號冷卻段的裝置進(jìn)行快速冷卻。在經(jīng)過上述感應(yīng)加熱熱處理后鋼管的基體組織具有典型的鐵素體和馬氏體雙相組織特征。

2熱處理工藝試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)材料

研究采用的試驗(yàn)材料為普通熱軋Q345B無縫鋼管，規(guī)格為Φ42 mm×3.5 mm，化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為：C 0.16%，Si 0.31%，Mn 1.36%，Nb 0.042%，V 0.09%，P 0.009%，S 0.001%。

熱軋Q345B無縫鋼管的金相組織及透射電子顯微像如圖2所示。初始金相顯微組織如圖2（a）所示，其中灰白色部分為鐵素體，灰黑色部分為珠光體；基體組織的透射電子顯微像如圖2（b）所示，其中P為珠光體，F為鐵素體。

從圖2可以看出：熱軋Q345B無縫鋼管的基體組織由多邊形鐵素體和片狀珠光體組成，沿晶界分布有少量的滲碳體組織，呈島狀或鏈狀的珠光體組織主要沿鐵素體晶界分布。

2.2熱處理后試驗(yàn)鋼管的顯微組織

真實(shí)臨界點(diǎn)對于特定合金在任何加熱速度下都應(yīng)該是不變的，即狀態(tài)圖上所標(biāo)定的相平衡溫度。只要加熱溫度稍高于平衡溫度，就會(huì)立即產(chǎn)生高溫奧氏體相，并不需要“等待”第一個(gè)奧氏體出現(xiàn)的“孕育期”。通常所測出的“孕育期”，實(shí)際上是達(dá)到一定奧氏體轉(zhuǎn)變量所要經(jīng)過的時(shí)間。由于感應(yīng)加熱的爐體較常規(guī)的步進(jìn)式爐短，致使鋼管在爐內(nèi)的停留時(shí)間短。為了保證加熱的均勻性，應(yīng)適當(dāng)降低托輥的轉(zhuǎn)運(yùn)速度，以保證鋼管的加熱速率大約為33℃/s。

表1為中頻感應(yīng)熱處理試驗(yàn)時(shí)所采用的不同工藝參數(shù)。

不同溫度中頻感應(yīng)熱處理后試樣的金相組織如圖3所示。

從圖3可以看出：在加熱溫度低于782℃時(shí)，因加熱溫度較低，均熱時(shí)間過短，鋼管基體內(nèi)的組織還未來得及長大就完成了加熱過程，大部分珠光體沒有發(fā)生轉(zhuǎn)變，晶粒大小幾乎還處于初始尺寸，即為較粗大的晶粒狀態(tài)，該晶粒組織的材料強(qiáng)度較低，且塑性也相對較差，這是典型的退火不充分表現(xiàn)；在加熱溫度達(dá)到860℃時(shí)，因?yàn)橥嘶饻囟雀咭约颁摴艿奶己枯^低，奧氏體相在退火過程中的不穩(wěn)定性增加，在隨后的快速冷卻過程中會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的第二相組織；鋼管在782℃和814℃退火時(shí)，得到的基體組織較均勻，且基體中僅有鐵素體和馬氏體相存在。

為了充分完成珠光體的轉(zhuǎn)變，增加組織的均勻性，應(yīng)提高加熱溫度并延長均熱時(shí)間；而為了獲得較細(xì)小的晶粒組織，應(yīng)增大加熱速度，減小均熱時(shí)間；這在工藝上存在著矛盾。解決此問題的方法是：以很快的加熱速度將試樣加熱到較高的溫度，縮短保溫時(shí)間，然后淬火后回火處理。在實(shí)際的操作過程中，鋼管是逐支加熱的，由于鋼管的頭部和尾部在感應(yīng)線圈內(nèi)加熱時(shí)所受的功率分配不均，導(dǎo)致鋼管的頭部和尾部受熱程度與鋼管其他部位有差別；因此，應(yīng)首先保證上料的連續(xù)性，盡量使鋼管在經(jīng)過感應(yīng)加熱線圈時(shí)頭、尾相連，以保證整支鋼管受熱的均勻性。

從圖4可以清晰地看出：當(dāng)加熱溫度低于兩相區(qū)時(shí)，由于珠光體未發(fā)生相變，最終得到的組織依然由鐵素體和珠光體組成，如圖4（a）所示；當(dāng)加熱溫度在兩相區(qū)時(shí)，最終的組織只有鐵素體和馬氏體相，如圖4（b）和4（c）所示，其中板條組織為馬氏體，非板條組織全為鐵素體；當(dāng)加熱溫度高于臨界區(qū)時(shí)，基體中就會(huì)出現(xiàn)其他相，圖4（d）中箭頭所指處為原富碳奧氏體區(qū)在冷卻的過程中逐漸分解成的鐵素體和碳化物，其均熱溫度為860℃，接近臨界區(qū)溫度的上限。以上4種加熱溫度下所獲得的金相組織表明：只要工藝參數(shù)控制合理，中頻感應(yīng)加熱淬火完全能夠達(dá)到預(yù)期的目的，實(shí)現(xiàn)高效、節(jié)能且無污染的雙相鋼無縫鋼管連續(xù)在線熱處理。

2.3超細(xì)晶雙相鋼無縫鋼管循環(huán)熱處理工藝試驗(yàn)

中頻感應(yīng)熱處理裝置由于本身的特點(diǎn)，非常容易實(shí)現(xiàn)鋼管的連續(xù)加熱和冷卻循環(huán)熱處理，且多次循環(huán)加熱+淬火處理過程不會(huì)給鋼管表面帶來過多的氧化和脫碳缺陷。以特定的加熱速度對鋼管進(jìn)行多次循環(huán)加熱+淬火處理，其基體內(nèi)的組織將發(fā)生多次相變，從而使奧氏體淬火后轉(zhuǎn)變?yōu)槌?xì)化的馬氏體組織。晶粒的超細(xì)化將有利于充分發(fā)揮材料強(qiáng)度和塑性潛能，因此循環(huán)感應(yīng)加熱+淬火處理工藝是獲得超細(xì)晶組織（高強(qiáng)韌性）雙相鋼無縫鋼管的有效方法之一。

試驗(yàn)過程中，對4個(gè)Q345B無縫鋼管試樣采用相同的加熱速度和托輥轉(zhuǎn)動(dòng)速度，并保證電源的功率及頻率也相同，僅改變試樣的相變熱處理循環(huán)次數(shù)（分別為1、3、5和8次），再對循環(huán)熱處理后的試樣分別進(jìn)行臨界區(qū)加熱+淬火+回火熱處理，然后分別對其組織進(jìn)行比較分析。試驗(yàn)結(jié)果表明：鋼管在每經(jīng)過一次相變熱處理之后，馬氏體通過相變冷作硬化，所增加的高密度位錯(cuò)會(huì)遺傳給逆轉(zhuǎn)變奧氏體，為其再結(jié)晶提供了儲(chǔ)存能，增加了再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力，同時(shí)形核率也隨之增加，使得逆轉(zhuǎn)變奧氏體得到不斷細(xì)化。

試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)：中頻感應(yīng)淬火工藝熱處理無縫鋼管時(shí)，馬氏體轉(zhuǎn)變的下限溫度對晶粒大小有很大的影響。下限溫度過高時(shí)，過冷度減小，相變驅(qū)動(dòng)力減弱，使得形成馬氏體的同時(shí)會(huì)形成一部分殘余奧氏體，而且馬氏體中的位錯(cuò)密度會(huì)下降，導(dǎo)致下一次相變生成奧氏體的驅(qū)動(dòng)力減弱，影響逆轉(zhuǎn)變奧氏體的再結(jié)晶行為。因此，為了通過中頻感應(yīng)淬火循環(huán)熱處理細(xì)化晶粒，每次的冷卻過程都采用水淬，以保證奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)能冷卻到室溫。這樣每次相變熱處理的最高溫度都會(huì)在臨界區(qū)溫度以上，只是在完成規(guī)定的循環(huán)次數(shù)之后進(jìn)行了一次臨界區(qū)感應(yīng)熱處理，并且臨界區(qū)均熱時(shí)間很短，均熱之后、淬火之前，幾乎沒有緩冷過程，鐵素體生成的時(shí)間也很短，所以最終導(dǎo)致超細(xì)晶無縫鋼管中的鐵素體含量很少。馬氏體相的細(xì)化以及鐵素體含量的不斷降低，將使材料的屈服強(qiáng)度不斷升高，塑性卻顯著降低。

為了改善循環(huán)熱處理后鋼管的塑性等綜合性能，對循環(huán)熱處理的均熱溫度等進(jìn)行了優(yōu)化，即試樣僅在臨界區(qū)溫度范圍內(nèi)進(jìn)行循環(huán)熱處理。本次循環(huán)熱處理選用的臨界區(qū)熱處理溫度為800℃，試樣分別經(jīng)1、3、5和8次循環(huán)熱處理，試樣經(jīng)臨界區(qū)加熱+淬火循環(huán)處理后的顯微組織如圖5所示（白色的組織為鐵素體，灰黑色組織為馬氏體）。

從圖5可以看出：隨著循環(huán)熱處理次數(shù)的增加，鐵素體和馬氏體的晶粒尺寸都在逐漸減小，而且循環(huán)處理的次數(shù)越多，晶粒細(xì)化的效果越顯著；在有些鐵素體晶粒的內(nèi)部或邊緣分布著許多小黑點(diǎn)，通過透射電子顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，這些小黑點(diǎn)其實(shí)是更為細(xì)小的板條馬氏體。經(jīng)不同次數(shù)臨界區(qū)加熱+淬火循環(huán)熱處理后的試樣電子顯微像如圖6所示（標(biāo)有M字體的組織即是圖5中鐵素體內(nèi)的小黑點(diǎn)），仔細(xì)觀察會(huì)發(fā)現(xiàn)里面有清晰的板條組織，可以斷定其為馬氏體。

從圖6可以看出：隨著臨界區(qū)熱處理循環(huán)次數(shù)的增加，鐵素體的晶粒數(shù)目不斷增加，晶粒被不斷細(xì)化。

3結(jié)論

（1）用中頻感應(yīng)加熱的方法可以開發(fā)出以普通

熱軋和冷拔Q345B無縫鋼管為原料的雙相鋼無縫鋼管，鋼管在感應(yīng)加熱設(shè)備上非常容易實(shí)現(xiàn)循環(huán)熱處理工藝，進(jìn)而獲得超細(xì)晶組織的雙相鋼無縫鋼管。雙相鋼無縫鋼管中馬氏體的細(xì)化主要是靠相變來實(shí)現(xiàn)，而鐵素體的細(xì)化是靠再結(jié)晶來實(shí)現(xiàn)。合理地控制熱處理工藝，可以實(shí)現(xiàn)鐵素體基體上彌散分布的納米級析出物呈相間析出分布。

（2）中頻感應(yīng)淬火熱處理工藝應(yīng)用于雙相鋼無縫鋼管的開發(fā)是完全可行的。中頻感應(yīng)加熱方法對鋼管進(jìn)行在線熱處理，可以靈活地調(diào)整工藝，特別適用于小批量、多規(guī)格的產(chǎn)品生產(chǎn)，并且效率高、無污染、可重復(fù)性強(qiáng)。但該工藝目前仍處于初始研發(fā)階段，有待于進(jìn)行更為深入的研究和推廣應(yīng)用。