SA106C毛管等温正火组织和力学性能分析
曹铜壁，张建民，李文亮
（河北宏润重工股份有限公司，河北 盐山 061300）
摘 要：在SA106C毛管常规正火处理工艺的基础上，介绍了等温正火处理工艺，并对比分析了SA106C毛管经常规正火及等温正火处理后的金相组织与力学性能。分析认为，与常规正火处理相比，SA106C毛管经等温正火处理后，其晶粒组织更加细化，晶粒度提高2级，屈服强度和抗拉强度约提高30 MPa，冲击韧性略有提高，材料综合力学性能较好。
关键词：SA106C毛管；等温正火；常规正火；先共析铁素体；组织不均；晶粒细化；力学性能 中图分类号：TG162.84 文献表示码：A 文章编号：
河北宏润重工股份有限公司（宏润重工）采用多次加热冲孔—拔伸的锻造工艺生产SA106C高温用无缝钢管，其锻造毛坯一般都应进行正火处理，目的是为了细化晶粒，减轻成分偏析，消除组织残余应力等，提高材料的综合力学性能。但是，常规正火处理在实际生产中不能稳定的控制，使得SA106C毛管的力学性能不能达到ASME SA-106/SA-106M《高温用无缝碳钢公称管》标准要求。在实际生产中，冲孔—拔伸过程中每次变形不均，金相组织不均匀，成分存在局部严重偏析，大块状铁素体和珠光体尺寸配合相差较大，且珠光体分布不均。研究[2-5]表明，采用等温正火处理工艺，可较大地提高珠光体析出，且分布均匀，消除组织不均匀性，在一定程度上控制铁素体析出速度，使得最终组织中铁素体和珠光体之间达到较佳的配合。
本文主要对SA106C毛坯的常规正火和等温正火处理后的显微组织与力学性能进行分析，以期得到满足标准要求的产品。
1 试验方法
1.1 试验材料及设备
采用宏润重工生产的锻造SA106C毛管，规格为Φ620 mm×130 mm，主要化学成分见表1，在锻造毛管尾部锯切弧长为300 mm、厚度为30 mm的2个试样。
表1 SA106C毛管的主要化学成分（质量分数） ％
C 0.22
Si 0.25
Mn 0.90
Cr 0.07
Mo 0.04
Ni 0.06
工艺流程：钢锭加热→压力冲孔→再加热→挤压拔伸→自然空冷。其中钢锭加热3次完成冲孔，冲孔坯再加热5次完成挤压拔伸得到锻造毛坯管。
试验设备：HLX-12D智能箱式电阻炉、Axio Scope.A1金相显微镜、WAW-300C微机控制电液伺服万能试验机、JB-300B冲击试验机、MetalLab 75/80直读式光谱仪。 1.2 试验工艺方案
（1）常规正火处理：随炉快速升温，加热至910～920 ℃保温40 min，然后出炉空冷。
（2）等温正火处理：随炉快速升温，加热至910～920 ℃保温40 min，然后出炉强风冷却，待等温冷却至600～630 ℃时保温60 min，再出炉空冷。
热处理试验后制备横向金相试样和力学性能试样，依据常规正火和等温正火处理方式，将试样分为2组。
2 试验结果与分析
2.1显微组织
SA106C毛管经常规正火和等温正火处理后的金相组织如图1所示。其中，图1中(a)~(b)为常规正火处理的显微组织，晶粒度为6级；图1中(c)~(d)为等温正火处理的显微组织，晶粒度为8级。
（a）常规正火 ×100 （b）常规正火 ×200 （c）等温正火 ×100 （d）等温正火 ×200
图1 SA106C毛管经常规正火和等温正火后的显微组织
(a)
(b)
(c)
(d)
从图1可以看出，图1(a)的显微组织不均，晶粒大小不一，并且珠光体析出部分不均匀，连接成片，尺寸较大；而图1(c)的显微组织均匀，晶粒细化，珠光体分布均匀，综合力学性能较好。珠光体晶粒的尺寸和分布决定于先共析铁素体晶粒。图1(b)中奥氏体在自然空冷连续冷却过程中，先共析铁素体析出并逐渐长大，温度下降至珠光体形成温度时，先共析铁素体晶粒已经比较粗大，而珠光体则沿着铁素体的三角晶界处析出。图1(d)等温正火处理则避开由奥氏体到珠光体形成温度区间的缓冷阶段，直接快速冷却至珠光体形成温度进行珠光体转化，先共析铁素体在快速冷却过程中的晶粒长大阶段消失或很短，铁素体晶粒较细小。由此可见，经等温正火处理后，SA106C毛管的组织显著细化，主要是因为先共析铁素体晶粒的细化。在强风高速冷却下先共析铁素体处于刚析出完成阶段，晶粒还没完全来得及长大，因此晶粒尺寸较小，细化效果显著；等温保温时，剩余的奥氏体转变为珠光体，渗碳体和铁素体沿着先共析铁素体晶界不断交替析出。因此，先共析铁素体晶粒细化析出决定最终材料显微组织。 2.2力学性能
SA106C毛管经常规正火和等温正火后的力学性能见表2。从表2可以看出，与常规正火处理相比，经过等温正火处理后材料的力学性能较高，这是因为等温正火处理使晶粒细化，且在晶界强化和析出相弥散强化的作用，材料的力学性能较高。经等温正火处理后，试样的屈服强度提高30 MPa，抗拉强度提高35 MPa，伸长率变化不明显，冲击功提高12 J。
从SA106C毛管等温正火处理后的力学性能测试可以看出，晶粒细化是强度较高的原因；但是晶粒细化，析出珠光体均匀分布的显微组织对伸长率影响不大，影响最大的是强度和冲击功。经多次不同等温正火处理后发现，其材料整体受热截面的组织转化较均匀，受材料内外冷却条件不同和变形不均而造成的组织缺陷基本消除，奥氏体转化较彻底，材料内部残余组织应力少，生产工艺稳定性较高，材料整体综合力学性能好。
表2 SA106C毛管经常规正火和等温正火后的力学性能
项目 标准ASME 常规正火 等温正火
屈服强度/MPa
(≥275) 306 336
抗拉强度/MPa
(≥485) 502 537
伸长率/% (≥12) 27 28
冲击功/J (≥27) 61 73
3 讨 论
等温正火处理的理论依据是奥氏体连续冷却转变曲线。要想获得理想均匀分布的铁素体和珠光体组织，对冷却速度的控制至关重要，这是常规正火处理很难实现的。冷却速度不同，材料表面与心部组织不同。
等温正火处理的原理是将工件加热到Ac3或Accm以上30～50 ℃[6]，基本与常规正火处理相同；保温适当时间后，以合适的方式快速冷却到珠光体转变区域某一合适温度，并在此温度下保温，使材料的不同部位温度均匀化，并在该温度下奥氏体均匀地完成铁素体和珠光体转变，然后在空气中冷却。材料的不同部位基本上是在同一温度下完成组织转变的，所以转变产物及应力、硬度分布是均匀的，从而克服了常规正火处理过程中冷却速度难以控制、冷却不均匀的问题。
从奥氏体化温度到等温温度之间，冷却速度的控制对于最终产品组织影响极为重要，一般进行强风冷却。根据有关文献[4]，针对壁厚50 mm以上的管坯，允许采取喷雾风冷办法进行强制冷却，或采取循环冷风流动，尽量增加冷却效果，使得先共析铁素体晶粒长大缓慢，而将大部分相变组织转化放在等温处理阶段，从而使后续铁素体和珠光体析出均匀、彻底。
等温温度的选择是根据材料的等温转变曲线、规格、装炉量等来选择，原则是选取先共析铁素体与珠光体转变的“鼻子”附近温度范围。
等温时间的选择往往根据实际生产经验来确定。文献[3]中提出了确定等温时间简单而有效的方法，具体是：从等温出炉的一批零件中取出一件，放在水中冷却，然后比较等温后和正常空冷条件下零件的硬度，如果水冷零件的硬度明显高于空冷零件的硬度，则说明等温过程不足，需要延长等温时间。等温温度和保温时间一般根据小试样试验和生产经验总结得出。
[7-10]
4 结 语
（1）SA106C毛管经过等温正火工艺（快速至910～920 ℃保温40 min，出炉强风冷却至600～630 ℃保温60 min，出炉空冷）热处理后组织、力学性能均满足标准要求。
（2）中间冷却速度、等温温度、保温时间等因素是等温正火工艺的关键。 （3）等温正火较常规正火处理的晶粒组织更加细化，晶粒度提高2级，屈服、抗拉强度提高约30 MPa，冲击韧性略有提高，生产稳定性更强，材料综合力学性能较好。
（4）以上在箱式电阻炉加热的小试样试验数据与实际车间井式炉或台车炉的大锻件正火处理必存在差异，还需结合车间设备自身特点和生产经验来调整，最终制定出合理稳定的生产工艺。
5 参考文献
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（收稿日期：2012-05-21）
作者简介：
曹铜壁(1982-)，男，研究生，主要从事无缝钢管挤压加工及热处理的工艺研发。
