分享：馬氏體不銹鋼管短流程生產(chǎn)工藝研發(fā)
隨著較易開采油氣田資源減少，人們開始轉(zhuǎn)向高溫高壓高礦化度高腐蝕性惡劣條件的油氣田開采，普通碳鋼管材已不能滿足使用要求，據(jù)文獻報道因腐蝕導(dǎo)致的油氣井停產(chǎn)、報廢事故很多，造成了很大的經(jīng)濟損失。雙相鋼和鎳基合金等高合金性能優(yōu)異，但是價格昂貴，而9Cr通過熱處理后具備優(yōu)異的力學(xué)性能和耐腐蝕性能，且經(jīng)濟型好，廣泛用于石油機械裝備和管材的生產(chǎn)領(lǐng)域，有著很好的發(fā)展前景[1−4]。9Cr鋼具有良好的耐CO2腐蝕性，且韌性優(yōu)異，非常適合用于高溫高CO2分壓和微量H2S含量的腐蝕性環(huán)境中，綜合性能優(yōu)于普通L80-13Cr，目前成為油氣田開采環(huán)境用鋼的主要材料[5−9]。目前9Cr鋼管成熟的生產(chǎn)工藝是：鑄錠—鍛坯—坯料內(nèi)外加工—熱穿孔成型—調(diào)質(zhì)處理，此工藝包括鍛造工序，切除冒口，能耗高且成材率低。用連鑄坯+熱擠壓成型工藝生產(chǎn)9Cr無縫管是新工藝，目前國內(nèi)外文獻還沒有報道，新工藝避免了鍛造工序，可以大大提高成材率，降低能耗和資源。本文以?150 mm×40 mm的9Cr鋼管為研究對象，研究通過63 MN臥式擠壓機將連鑄坯擠壓成鋼管，然后調(diào)質(zhì)處理。對坯料組織、鋼管組織、晶粒度和力學(xué)性能進行檢測分析，為連鑄坯直接擠壓生產(chǎn)馬氏體鋼管工業(yè)化生產(chǎn)提供基礎(chǔ)技術(shù)數(shù)據(jù)。
1. 實驗材料、工藝路線和檢測方法
1.1 實驗材料
采用60 t電弧爐+LF爐外精煉+VD真空脫氣+連鑄的生產(chǎn)流程，工藝先進、質(zhì)量優(yōu)良，以廢鋼為原料，電弧爐熔煉結(jié)出鋼水溫度不低于1630 °C，爐外精煉的溫度不低于1620 °C，真空脫氣處理采用真空爐，真空度不大于67 Pa，連鑄坯凝固后及時850 °C退火處理，釋放應(yīng)力和降低硬度。連鑄坯外徑380 mm，機加工到外徑364 mm內(nèi)徑80 mm長度850 mm的空心坯料。在63 MN臥式擠壓機上的擠壓成型，鋼管尺寸是?150 mm×40 mm，化學(xué)成分見表1。
1.2 實驗工藝路線
實驗的工藝路線如下：電弧爐冶煉—連鑄坯—軟化退火—坯料分切—內(nèi)鏜外車—加工端面—感應(yīng)爐加熱—玻璃粉潤滑內(nèi)外表面—熱擠壓—堆垛環(huán)冷—調(diào)質(zhì)處理—超聲波無損探傷—組織、性能檢測。
1.3 組織和力學(xué)性能檢測
試樣組織腐蝕劑是王水，晶粒度檢測標準是ASTM E112—2012，高溫鐵素體檢測標準是YB/T4402—2014，所用顯微鏡型號是德國蔡司Axio Imager A2m。力學(xué)性能檢測取樣位置在調(diào)質(zhì)后鋼管壁厚的1/2處，拉伸試樣方向是縱向，檢測標準是ASTM A370—2017，沖擊功試樣方向是橫向，檢測溫度是−10 °C，檢測標準是ASTM E23—2018，洛氏硬度在鋼管橫截面進行檢測，檢測標準是ASTM E18—2018。
2. 實驗過程和結(jié)果分析
2.1 9Cr連鑄坯的顯微情況
由于連鑄坯存在疏松和中心裂紋，取樣時避開這些區(qū)域，在9Cr連鑄坯橫截面靠近半徑的1/4和1/2處取組織樣，圖1是9Cr連鑄坯料退火后放大100倍和500倍的顯微組織照片。
圖1可以看出，9Cr連鑄坯的組織比較粗大，整體呈板條狀分布，晶界處富集較多碳化物顆粒，組織不均勻，這是因為坯料澆注后直徑較大，凝固冷卻散熱速度比較慢，元素形成聚集、偏析，晶粒充分長大。坯料中心最后凝固，對兩側(cè)金屬起到補縮作用，聚集夾雜、氣孔、偏析、縮孔等缺陷，經(jīng)過實際測量，直徑380 mm的連鑄坯中心缺陷的直徑范圍約40~60 mm。因此只要加工出直徑大于60 mm的內(nèi)孔，理論上就可以把坯料鑄造缺陷去掉。本研究擠壓前先把坯料加工出尺寸80 mm的內(nèi)孔，再車掉外表面的氧化皮、平端面、加工喇叭口，達到擠壓用坯料的質(zhì)量要求。熱擠壓工藝是金屬材料在三向壓應(yīng)力作用下成形，金屬受到高溫高壓的作用，晶間微小裂紋、縮松等缺陷會被焊合，比較適合低塑性高合金材質(zhì)的塑性變形。
2.2 鋼管熱擠壓成形模具結(jié)構(gòu)示意圖
圖2是鋼管擠壓成形的模具組裝結(jié)構(gòu)示意圖。在擠出方向的坯料前面設(shè)置擠壓模和潤滑用玻璃墊，坯料后面是擠壓墊，擠壓墊后面是擠壓桿。首先給坯料加熱，然后內(nèi)外涂上玻璃粉，通過傳輸裝置裝進擠壓筒，擠壓桿推動擠壓墊和坯料向前移動到擠壓模的前端，同時芯棒穿入坯料內(nèi)部。坯料前端接觸到緊貼擠壓模的玻璃墊后，擠壓桿繼續(xù)向前推動，通過擠壓墊對坯料施壓，先使坯料墩粗變形，消除坯料外圓與擠壓筒內(nèi)壁的間隙以及坯料內(nèi)表面與芯棒的間隙，然后高溫金屬被擠壓進入擠壓模與芯棒組成的環(huán)形孔腔而變成鋼管。待擠壓桿前進到限位停止處時，擠壓過程結(jié)束，擠壓筒內(nèi)留下25~50 mm沒有壓完的坯料。然后擠壓筒鎖緊狀態(tài)的開關(guān)打開，擠壓筒后撤，同時把坯料壓余、擠壓墊、擠壓桿一起后撤，將坯料壓余從成品上用熱據(jù)切掉，鋼管從擠壓機出口方向輸送到冷床，進行下一個循環(huán)。
2.3 9Cr鋼管擠壓成型工藝參數(shù)和表面質(zhì)量
9Cr連鑄坯加工到尺寸為?364 mm/?80 mm×850 mm的擠壓用坯料，頭部外圓處加工R30 mm的圓角，修磨拋光表面質(zhì)量，表面粗糙度不大于3.2 μm，去除坯料表面油污和劃傷；將坯料在感應(yīng)爐中直接加熱，900 °C以下用低功率加熱，然后用高功率快速加熱到外表面1160~1190 °C，內(nèi)孔溫度加熱到1140 °C以上；然后用玻璃粉潤滑劑涂覆坯料的內(nèi)外表面，形成熔融狀態(tài)的薄膜，隔開金屬與擠壓模具；送入擠壓筒，擠壓筒內(nèi)徑435 mm長度1500 mm，擠壓模內(nèi)徑154 mm，芯棒直徑69.5 mm長度1500 mm，每一支管子擠壓前修磨清理擠壓模具，擠壓速度200~300 mm/s，理論設(shè)計擠壓比約7，在擠壓筒、擠壓模和芯棒組成的環(huán)形孔腔里，擠壓出規(guī)格?150 mm×40 mm鋼管，擠壓后堆垛空冷。然后依據(jù)標準ASTM E213—2014，對擠壓后的9Cr管超聲波無損探傷，同時進行表面質(zhì)量目視檢查，檢測結(jié)果表明：擠壓管表面平整，無折疊、無裂紋，表面質(zhì)量達到了鍛坯生產(chǎn)管子的水平。
2.4 9Cr鋼管熱處理工藝參數(shù)和性能檢測
9Cr合金質(zhì)量分數(shù)超過10%，屬于高合金鋼，淬透性好，空冷條件下就可以實現(xiàn)馬氏體的轉(zhuǎn)變。鑒于本研究鋼管的厚壁較大，材料奧氏體化后蓄含的能量較多，為加快淬火冷速，采用油作為淬火冷卻介質(zhì)。對2個爐號的9Cr擠壓管進行熱處理實驗，熱處理工藝設(shè)計為：淬火加熱溫度980 °C，加熱160 min，油冷；回火700 °C，加熱240 min，空冷，出爐后吹風(fēng)快速冷卻，利于避免回火脆性，穩(wěn)定組織，提高沖擊性能。
由表2可以看出，9Cr鋼管調(diào)質(zhì)處理后，抗拉強度Rm 751~779 MPa，屈服強度Rt0.5616~649 MPa，硬度值HRC 19.5~21.6，伸長率23%~26%，平均沖擊功都在100 J以上，強度、硬度和韌性都滿足API SPEC 5CT技術(shù)規(guī)范指標要求。這表明，9Cr連鑄坯加熱到高溫后，在擠壓筒、芯棒和擠壓模等模具的作用下，經(jīng)過了大的擠壓比變形，粗大鑄態(tài)組織壓縮變形、充分破碎，再結(jié)晶形成了細小等軸晶，消除了偏析，經(jīng)過隨后的調(diào)質(zhì)處理，形成細小板條馬氏體，碳化物顆粒均勻分布，獲得了強度和韌性同時兼?zhèn)涞木C合性能。
2.5 9Cr鋼管晶粒度和組織情況
對調(diào)質(zhì)后的9Cr鋼管取樣，觀察晶粒度和微觀組織。由于擠壓變形存在鋼管頭部變形量小，特別是最先擠出的金屬保留了鑄態(tài)組織，同時熱處理時鋼管頭尾散熱較快，會影響到管子整體性能的一致性，因此取樣前，首先進行切頭尾，頭部切掉150~200 mm，尾部切掉50~150 mm，圖3是鋼管頭部和尾部的顯微組織和晶粒度照片，試樣位置是壁厚的1/2處。
圖3可以看出，連鑄坯經(jīng)過大擠壓比塑性變形成鋼管后，材料受到高溫高壓作用，微觀縮松等缺陷被焊合，鑄態(tài)粗大組織已完全破碎，再結(jié)晶，調(diào)質(zhì)后板條組織間距小，馬氏體致密，細小等軸晶均勻分布，晶粒平均尺寸約20 μm，晶粒度8.0級。顯微組織主要是低碳回火馬氏體，碳化物在長時間回火中析出成顆粒狀，在鐵素體基體上均勻分布，保證了高強度和高韌性的良好匹配。從顯微組織檢測看，9Cr馬氏體不銹鋼中基本不存在明顯的高溫鐵素體，這表明在鋼管成形和熱處理過程中，化學(xué)元素得到了充分擴散，不同區(qū)域成分變得一致，減小了成分偏析，頭部和尾部的組織一致，沒有區(qū)別，提高了組織均勻性。
3. 結(jié)束語
（1）9Cr連鑄坯的組織比較粗大，整體呈板條狀分布，組織不均勻。坯料中心最后凝固，對兩側(cè)金屬起到補縮作用，直徑380 mm的連鑄坯中心缺陷的直徑范圍約40~60 mm。
（2）9Cr連鑄坯+熱擠壓工藝擠壓出規(guī)格?150 mm×40 mm的鋼管，擠壓過程順利，經(jīng)過超聲波無損探傷和表面質(zhì)量目視檢查，擠壓管表面平整，無折疊、無裂紋，表面質(zhì)量合格。
（3）9Cr擠壓管經(jīng)過980 °C×160 min油冷+700 °C×240 min空冷的調(diào)質(zhì)處理，抗拉強度751~779 MPa，屈服強度616~649 MPa，伸長率23%~26%，硬度HRC 19.5~21.6，−10 °C橫向平均沖擊功106~139 J，滿足標準API SPEC 5CT—2010的要求。
（4）連鑄坯擠壓管9Cr調(diào)質(zhì)組織顯示，經(jīng)熱擠壓高溫高壓作用，微觀縮松等缺陷被焊合，鑄態(tài)粗大組織完全破碎，調(diào)質(zhì)組織致密，晶粒平均尺寸約20 μm，晶粒度達8.0級，合格。
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文章來源——金屬世界
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