无缝钢管的组织变化对其淬透性的影响研究

李东远，吴光辉，周正平，周 勇，宋述鹏，吴 润

（1.武汉科技大学，湖北 武汉 430081；2.衡阳华菱钢管有限公司，湖南 衡阳 421001）

随着经济的发展，国家对能源的需求日益增加，油井向更深、更严苛环境发展，深层油田的开发要求油井用无缝管具有高强度高韧性。材料的成分配方是性能保证的根本，其中的淬透性决定了厚度方向性能的均匀性。之前也有关于油井管的研究，李红英［1］和乔志霞等［2］分别对钢管淬火应力和淬火相变机理进行了探讨，但都缺乏组织对淬透性的影响的系统研究。因此，本文研究了高强韧性HG05无缝钢管组织对淬透性的影响，通过热模拟方法确定了钢的静态过冷奥氏体连续冷却转变（CCT）曲线及其临界淬火冷却速度，并分析了热成形后钢管的组织，热模拟其临界淬火冷却速度下的组织，给实际生产热处理工艺提供参考。

1 试验过程及方法

试验钢为HG05，其化学成分见表1，为低合金高强钢。

表1 HG05 试验钢的化学成分（质量分数） %

使用Gleeble 3500 热模拟试验机对调质态HG05钢进行静态CCT 曲线和相变点的测定。静态相变试验：首先以5 ℃/s 的加热速度加热至1 280 ℃，保温6 min 进行奥氏体化，随后以10 ℃/s 冷却至880 ℃等温50 s，再分别以0.1，0.3，0.5，1，5，10，15，20，30，40，50，80，100，120 ℃/s 冷却至室温，记录膨胀量数据并观察金相组织。热模拟后的试样沿热电偶焊接点处切开，制成金相试样，用4%硝酸酒精溶液侵蚀。使用HV-1000A 型显微硬度计测定试样中不同显微组织的维氏硬度。分析各个工艺下的温度-膨胀曲线，结合金相照片和显微硬度结果判断相变类型和相变点，绘制出静态CCT 曲线。

从规格为直径254 mm，壁厚32 mm 的热成形钢管上截取试样，对内、中、外三层切割并制备成CCT 试样，按静态CCT 曲线中临界淬火冷却速度进行热模拟试验，然后用金相显微镜观察显微组织并进行硬度测定。

采用定量金相法分析热成形钢管各层的组织，依据GB/T 6394—2017《金属平均晶粒度测定方法》［3］测定其原奥氏体的晶粒度、铁素体块尺寸和体积分数；并用饱和苦味酸溶液显示热模拟后试样的原奥氏体，采用截点法测定其晶粒的大小。

2 结果与讨论

2.1 调质态HG05 钢的热模拟分析

2.1.1 调质态HG05 钢的相变点

CCT 试验整个过程膨胀量-温度曲线和不同冷却速度下的膨胀曲线如图1 所示。

图1 HG05 钢静态CCT 试验整个过程膨胀量-温度曲线和不同冷却速度下的膨胀曲线

钢的热模拟分析中测定的加热和冷却膨胀量-温度曲线如图1（a）所示，钢的加热相变点为加热时珠光体向奥氏体转变的温度Ac1和加热时转变为奥氏体的终了温度Ac3，测定CCT 曲线的加热条件相同，冷却相变有铁素体（F）、珠光体（P）、贝氏体（B）和马氏体（M）相变，其转变温度均不同，所以采用切线法测取14 组试样的加热奥氏体化的相变点，得到Ac1为761 ℃，Ac3为873 ℃。同时分析图1（b）～（f）得：当冷却速度为0.1 ℃/s，膨胀曲线中可观察到铁素体相变开始温度771 ℃，组织主要是铁素体和贝氏体；当冷却速度为5 ℃/s，可观察到贝氏体相变开始温度558 ℃，组织主要是贝氏体；冷却速度≥20 ℃/s 时，相变开始温度约370℃，判断组织中发生了马氏体相变（相变温度低于JMatPro 软件计算出的奥氏体向马氏体转变的开始温度Ms，即394 ℃）。

2.1.2 调质态HG05 钢静态CCT 曲线

调质态HG05 钢静态CCT 试样不同冷却速度下的金相组织如图2 所示。

图2 调质态HG05 钢静态CCT 试样在不同冷却速度下的金相组织

HG05 钢静态CCT 试验的膨胀曲线、显微组织类型，汇总结果见表2，并据此绘制试验钢的静态CCT 曲线（图3）。

图3 HG05 试验钢的静态CCT 曲线

表2 HG05 钢在不同冷却速度下不同组织转变的温度

从静态CCT 曲线中可以看出：当冷却速度≤0.5 ℃/s，转变产物为铁素体、贝氏体和珠光体；冷却速度为10～15 ℃/s 时，转变产物为贝氏体和马氏体。横截面金相组织表明，在20 ℃/s 冷却时，边部出现少量贝氏体，而心部未见贝氏体组织，为全马氏体。这是由于边部发生脱碳，临界淬火速度下降引起。故认为当冷却速度≥20 ℃/s，可以得到全马氏体组织，20 ℃/s 为临界淬火冷却速度。因此，调质钢的整个截面的金相组织全马氏体的临界淬火冷却速度应为20～30 ℃/s。

2.2 HG05 热成形钢管组织及其对淬透性的影响

图4（a）、4（c）和4（e）所示为热成形钢管的组织，贝氏体占大部分，铁素体占小部分。对比外中内三层发现，贝氏体的晶粒尺寸是中层略大，内外层稍小；而铁素体体积分数，则是内层铁素体的占比最多，达到12.40%（图5a）；铁素体晶粒尺寸平均约为10 μm，中间层相比内外层略大，这是由于内外壁的冷却速度较中间层更快，过冷度增大，细化晶粒［4-18］。

图4 HG05 钢热成形钢管原始组织和热模拟后的组织

图5 HG05 钢热成形钢管组织定量统计

调质态钢热模拟（按临界淬火冷却速度20 ℃/s下）后的组织为马氏体，而热成形钢管的组织中存在微量的铁素体。钢管的外层铁素体极少（图4b），中层铁素体量增加（图4d），内层铁素体最多（图4f），钢管内层的淬透性最弱。总之，热成形组织未淬透，其淬透性弱于调质态。

热成形钢管不同层级在热模拟中的奥氏体晶粒尺寸如图5（b）所示，平均尺寸为6 μm。热成形组织中铁素体和热模拟中奥氏体晶粒尺寸均是中层的晶粒尺寸略大于外层和内层，即热成形组织中铁素体晶粒尺寸越大，加热保温后生成的奥氏体晶粒越大；奥氏体晶粒尺寸增大能降低钢的临界冷却速度，进而提高淬透性。因此热成形组织中层的淬透性会强于内层。

而热成形组织的淬透性要弱于调质态，这是因为热成形钢管的组织基本都是铁素体和贝氏体，贝氏体是非平衡组织，碳含量高，铁素体是平衡组织，碳含量低，热模拟试验的加热和保温未能均匀组织碳含量，热轧态组织不均匀，而调质态组织均匀，加热奥氏体形核核心少，热模拟加热后奥氏体晶粒大，故其临界淬火冷却速度为20 ℃/s，而热成形组织的临界淬火冷却速度要大。

3 结语

（1）当冷却速度≥20 ℃/s，调质态可以得到全马氏体组织，20 ℃/s 为临界淬火冷却速度。

（2）热成形组织的铁素体晶粒尺寸是中间层略大于内外层，导致中间层加热保温后再结晶形成的奥氏体晶粒尺寸更大，淬透性较内层更好。

（3）热成形组织中的贝氏体是碳含量高的非平衡组织，而铁素体是碳含量低的平衡组织，组织不均匀，而调质组织均匀，加热奥氏体形核核心少，热模拟加热后奥氏体晶粒大，故其临界淬火冷却速度为20 ℃/s，而热成形组织的临界淬火冷却速度要大。