雙相鋼無縫鋼管的中頻感應熱處理工藝研究

以初始組織為鐵素體和珠光體的熱軋Q345B無縫鋼管為原料，通過中頻感應熱處理工藝，開發出基體組織為鐵素體和馬氏體的雙相鋼無縫鋼管，并通過循環處理工藝得到基體為超細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行中頻感應熱處理的工藝設計，熱處理工藝試驗的過程及試驗結果。研究表明：中頻感應淬火熱處理工藝應用于雙相鋼無縫鋼管的開發是完全可行的。

無縫鋼管由于其中空封閉結構，具有較大的抗彎曲和扭轉能力，被廣泛用于各種建筑及其他構件上。如果將具有良好強度和塑性組合的多相鋼制造工藝應用于無縫鋼管的工業生產，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，有望擴大無縫鋼管在抗大變形管線鋼、內高壓成形和冷彎異型管等眾多領域的應用范圍。

從熱處理過程的連續化、自動化及熱處理后鋼管表面質量良好且無嚴重氧化鐵皮的角度考慮，采用中頻感應加熱的方式對鋼管進行連續熱處理是最好的選擇。文獻通過大量的數據，從設備投資、生產成本以及熱處理后材料的綜合機械性能等方面比較分析后認為：中頻感應加熱熱處理具有產品質量好、控制精度高、設備投資小、生產成本低、勞動條件好、節能環保、設備維護簡單等優點，是一項值得推廣的技術。還有一些研究［2-7］驗證了中頻感應淬火可以使構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層，以防止構件繼續受到氧化。本研究旨在通過中頻感應加熱方法研究開發雙相鋼無縫鋼管的熱處理工藝，為雙相鋼無縫鋼管的工業化生產提供理論依據和技術支持。

1工藝設計

研究選用Q345B無縫鋼管為試驗材料，通過中頻感應加熱至臨界區溫度，并在爐內保溫一定時間，使基體內產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變，生成基體組織為鐵素體和馬氏體的雙相鋼管。由于感應加熱速度非?？?，且加熱時間很短，故在淬火后可獲得晶粒極為細小的馬氏體或隱晶馬氏體。由于采用的淬火介質為水，淬火后的鋼管各部位因冷卻速度的不同，可能會出現或多或少的彎曲，所以鋼管在熱處理過程中，采用軸向旋轉的方式向前運行可以減小彎曲程度。

將鋼管在2號感應線圈內加熱至臨界區溫度，通過控制電源的功率來控制加熱溫度，通過控制托輥的轉動速度來控制加熱時間；然后在2號冷卻段鋼管以大于發生奧氏體向馬氏體轉變的臨界冷卻速度進行快速冷卻，使基體中的奧氏體轉變為馬氏體；3號感應線圈可用作回火處理，鋼管在回火之后進行空冷，或者利用3號冷卻段的裝置進行快速冷卻。在經過上述感應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

2.1試驗材料

研究采用的試驗材料為普通熱軋Q345B無縫鋼管，規格為Φ42 mm×3.5 mm，化學成分（質量分數）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熱處理后試驗鋼管的顯微組織

真實臨界點對于特定合金在任何加熱速度下都應該是不變的，即狀態圖上所標定的相平衡溫度。只要加熱溫度稍高于平衡溫度，就會立即產生高溫奧氏體相，并不需要“等待”第一個奧氏體出現的“孕育期”。通常所測出的“孕育期”，實際上是達到一定奧氏體轉變量所要經過的時間。由于感應加熱的爐體較常規的步進式爐短，致使鋼管在爐內的停留時間短。為了保證加熱的均勻性，應適當降低托輥的轉運速度，以保證鋼管的加熱速率大約為33℃/s。

表1為中頻感應熱處理試驗時所采用的不同工藝參數。

不同溫度中頻感應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，因加熱溫度較低，均熱時間過短，鋼管基體內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生轉變，晶粒大小幾乎還處于初始尺寸，即為較粗大的晶粒狀態，該晶粒組織的材料強度較低，且塑性也相對較差，這是典型的退火不充分表現；在加熱溫度達到860℃時，因為退火溫度高以及鋼管的碳含量較低，奧氏體相在退火過程中的不穩定性增加，在隨后的快速冷卻過程中會產生復雜的第二相組織；鋼管在782℃和814℃退火時，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變，增加組織的均勻性，應提高加熱溫度并延長均熱時間；而為了獲得較細小的晶粒組織，應增大加熱速度，減小均熱時間；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，縮短保溫時間，然后淬火后回火處理。在實際的操作過程中，鋼管是逐支加熱的，由于鋼管的頭部和尾部在感應線圈內加熱時所受的功率分配不均，導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，應首先保證上料的連續性，盡量使鋼管在經過感應加熱線圈時頭、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：當加熱溫度低于兩相區時，由于珠光體未發生相變，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；當加熱溫度在兩相區時，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；當加熱溫度高于臨界區時，基體中就會出現其他相，圖4（d）中箭頭所指處為原富碳奧氏體區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：只要工藝參數控制合理，中頻感應加熱淬火完全能夠達到預期的目的，實現高效、節能且無污染的雙相鋼無縫鋼管連續在線熱處理。

2.3超細晶雙相鋼無縫鋼管循環熱處理工藝試驗

中頻感應熱處理裝置由于本身的特點，非常容易實現鋼管的連續加熱和冷卻循環熱處理，且多次循環加熱+淬火處理過程不會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行多次循環加熱+淬火處理，其基體內的組織將發生多次相變，從而使奧氏體淬火后轉變為超細化的馬氏體組織。晶粒的超細化將有利于充分發揮材料強度和塑性潛能，因此循環感應加熱+淬火處理工藝是獲得超細晶組織（高強韌性）雙相鋼無縫鋼管的有效方法之一。

試驗過程中，對4個Q345B無縫鋼管試樣采用相同的加熱速度和托輥轉動速度，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次數（分別為1、3、5和8次），再對循環熱處理后的試樣分別進行臨界區加熱+淬火+回火熱處理，然后分別對其組織進行比較分析。試驗結果表明：鋼管在每經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會遺傳給逆轉變奧氏體，為其再結晶提供了儲存能，增加了再結晶的驅動力，同時形核率也隨之增加，使得逆轉變奧氏體得到不斷細化。

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

為了改善循環熱處理后鋼管的塑性等綜合性能，對循環熱處理的均熱溫度等進行了優化，即試樣僅在臨界區溫度范圍內進行循環熱處理。本次循環熱處理選用的臨界區熱處理溫度為800℃，試樣分別經1、3、5和8次循環熱處理，試樣經臨界區加熱+淬火循環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：隨著循環熱處理次數的增加，鐵素體和馬氏體的晶粒尺寸都在逐漸減小，而且循環處理的次數越多，晶粒細化的效果越顯著；在有些鐵素體晶粒的內部或邊緣分布著許多小黑點，通過透射電子顯微鏡觀察發現，這些小黑點其實是更為細小的板條馬氏體。經不同次數臨界區加熱+淬火循環熱處理后的試樣電子顯微像如圖6所示（標有M字體的組織即是圖5中鐵素體內的小黑點），仔細觀察會發現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：隨著臨界區熱處理循環次數的增加，鐵素體的晶粒數目不斷增加，晶粒被不斷細化。

3結論

（1）用中頻感應加熱的方法可以開發出以普通

熱軋和冷拔Q345B無縫鋼管為原料的雙相鋼無縫鋼管，鋼管在感應加熱設備上非常容易實現循環熱處理工藝，進而獲得超細晶組織的雙相鋼無縫鋼管。雙相鋼無縫鋼管中馬氏體的細化主要是靠相變來實現，而鐵素體的細化是靠再結晶來實現。合理地控制熱處理工藝，可以實現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）中頻感應淬火熱處理工藝應用于雙相鋼無縫鋼管的開發是完全可行的。中頻感應加熱方法對鋼管進行在線熱處理，可以靈活地調整工藝，特別適用于小批量、多規格的產品生產，并且效率高、無污染、可重復性強。但該工藝目前仍處于初始研發階段，有待于進行更為深入的研究和推廣應用。