钢管热处理工艺技术及现场工艺生产应急措施,主讲人：曹铜壁
新兴铸管股份有限公司特种管材分公司
2016年2月18日,目录,1、热处理发展史及国内发展现状
2、热处理原理及工艺
3、钢管热处理设备、工艺特点
4、公司钢管产品热处理工艺技术
5、钢管现场工艺生产应急措施,1、热处理发展史及国内发展现状,1.1热处理发展史,热处理发展史从古代铸剑开始的。公元前770~220年前，古人发现铜铁性能随温度和压力变形而变化。古代兵器时代剑制造应用淬火工艺，提高剑的锋利程度，古人已经很好掌握淬火工艺。
1863年英国金相学家在显微镜下发现钢铁存在六种金相组织。法国奥斯蒙德确立铁的同素异构转变，英国奥斯汀制定Fe-C相图奠定热处理工艺理论基础。,1.1 热处理发展史,1850~1880年，气体加热渗碳渗氮工艺，1889~1890年，光亮热处理技术大大提高零件表面性能和质量。
二十世纪以来，金属物理及其他新技术发展更快促进热处理工艺发展创新。30年代露点电位差计控制炉内碳势，CO2红外仪、氧探头、激光、电子束技术应用到金属热处理。,1.2 国内发展现状,在我国制造业中长期存在“重冷（机械加工变形）轻热（热处理）现象，陈旧落后的观念制约，致使热处理工艺行业工艺技术落后。
20世纪40年代热处理行业作坊式生产，50年代初借鉴学习苏联应用到实际生产中，50~60年代培养第一代热处理专业毕业生，开展热处理方面研究开发，逐渐得到重视，优化热处理工艺不仅大大节约成本，提高产品组织性能和工业制造水平。国内一些科研机构和院校建立了从事热处理专业学科，培养了一批专业热处理人才。,1.2 国内发展现状,热处理是锻件制造过程中重要工艺，99％以上锻件需进行热处理，保证锻件内部质量和使用寿命的重要因素，也是充分发挥材料潜力的关键因素。
凡是拥有著名品牌产品的制造企业都高度重视热处理技术的研发，通过大量投入、持续研究、不断改进和长期积累，形成独到的热处理技术并严加保密。国际工业界公认：热处理技术是决定制造业水平及其市场竞争力的核心要素。,2、热处理原理及工艺,2.1 热处理原理,材料的组织和性能：改善钢的组织性能主要通过合金化、热处理、塑性变形等途径。
金属热处理原理：在固态下将金属或合金加热到一定温度，保温一定时间，然后以一定冷却速度冷却，即通过加热速度、保温温度、保温时间、冷却速度等四个基本要素的有机配合，使金属或合金内部组织结构发生转变，从而获得一定性能的工艺方法。
四要素：加热速度、保温温度、保温时间、冷却速度,2.1热处理原理,钢在加热时的转变
钢在冷却时的转变
淬火钢的回火转变,2.1.1 钢在加热时的组织转变,加热是热处理的第一步，加热温度依据相图和热处理目的而定。
(钢)加热一般是为了获得晶粒细小、适当成分的奥氏体
加热以后得到的组织接近平衡组织——基本上可以根据相图来确定。
例如下图钢铁平衡组织转变相图。,钢铁平衡转变相图,钢铁转变特征点,钢铁转变组织分布图,2.1.1.1 钢的临界温度,A1、A3、Acm为相图上的平衡转变温度线。
实际生产中温度变化较快，转变出现滞后。
为了区分加热、冷却时的临界点，加热冠以“c”，冷却“r”。如AC1表示加热时由P→A的开始温度线
AC1是常数吗？
AC3是常数吗？,2.1.1.2 奥氏体的形成,奥氏体的形成是形核长大过程。
共析钢的原始组织为P，当加热到Acl以上温度时，发生P转变。
在转变过程中要发生晶格改组和碳原子的重新分布。包括如下四个基本环节,奥氏体形核 奥氏体长大 残余渗碳体的溶解 奥氏体均匀化,对于非共析钢，在继续升温时，先共析产物也会转化为A；
加热温度不同时，得到的组织、奥氏体的组成（含碳量）不同；
完全奥氏体化后，合金成分与奥氏体相同,2.1.1.3 影响奥氏体化速度的因素,加热条件：温度高，速度快；速度快?（高合金Cr、Mo）
合金成分：
C含量高-相界面积大-A形核率高；
合金元素影响相图、C等的扩散、碳化物稳定性等；
原始组织：
细小，碳化物分散度大，A形成容易；
片比球界面积更大；,2.1.1.4 奥氏体的晶粒度,奥氏体的晶粒度表示奥氏体晶粒的大小。在100X时，1in2内晶粒个数n与晶粒度等级G之间符合n=2G-1.
冶金行业标准中，常用奥氏体晶粒度分为8级。1级最粗，8级最细（可拓展）。
起始晶粒度：奥氏体化刚完成时
实际晶粒度：实际加热条件下
本质晶粒度：规定加热条件下,本质晶粒度的标准测定法：930±10℃保温3~8小时(100×示意图),本质粗,本质细,实际晶粒度与本质晶粒度、加热条件有关。
本质细晶粒钢，加热温度超过950℃可能得到粗大晶粒；
本质粗晶粒钢，加热温度较低时，可能得到很细的晶粒。
实际用途：提供参考，指导工艺生产。,影响奥氏体晶粒大小的因素,加热条件
加热温度越高和保温时间越长，A晶粒越粗。其中加热温度是主要因素
加热速度大，过热度大，获得细小的初始晶粒
化学成分
随着奥氏体含碳量的增加，Fe、C原子的扩散速度增大，奥氏体晶粒长大的倾向增加。
强碳化物元素Nb、Ti等元素碳化物不易溶解、阻止C扩散等原因强烈阻止A晶粒粗化，可细化晶粒
Mn，P，O等促进晶粒长大（减小形核界面能）,2.1.2 钢在冷却时的组织转变,实际生产当中冷却速度较快，转变在较大过冷度下进行，不能用相图来分析。
转变的方式通常有两种,2.1.2.1 过冷奥氏体的等温转变,共析钢的TTT曲线（C，S曲线）
转变温度不同，产物不同，性能不同,共析钢等温转变,高温转变产物－珠光体类型,珠光体 2500 索氏体 5000 屈氏体 5000,,,,珠光体类型组织的性能,珠光体的片层间距=F和Fe3C片的厚度之和；
珠光体的片层间距取决于冷却速度；
珠光体的片层间距越小，P的力学性能越好。
与片状珠光体相比，粒状P的强度硬度较低，但是塑性韧性较好。,低温转变产物－马氏体,马氏体是碳在-Fe中的过饱和固溶体。马氏体的成分与过冷奥氏体完全相同。
很强的固溶强化效应，同时M内又存在大量晶体缺陷，具有很高的强度和硬度。,板条M,针状M,马氏体的性能,M的强度、硬度较高。强化机制：固溶强化、相变（亚结构）强化及时效强化。
M的硬度主要取决于它的含碳量，碳含量越高，强度和硬度越高，而塑性、韧性也越低。
M的塑性和韧性主要取决于其亚结构。
位错马氏体（板条状）：高强度、良好的韧性，脆性转变温度低，缺口敏感性小；
孪晶马氏体（针状）：硬而脆，少量控制出现。,中温转变产物－贝氏体,两相混合物(过饱和F,粒状碳化物Fe3C)
与M相比，上贝氏体强度低，不用。下贝氏体强度硬度较高、塑性韧性好。,下B针状,上B，羽毛,粒状贝氏体,形成时：由块状的铁素体和高碳岛状奥氏体组成；
岛状奥氏体在随后的冷却过程中转变成黑色的珠光体、马氏体或以残余奥氏体的形式存在。,粒B,亚共析钢和过共析钢的C曲线,亚共析钢和过共析钢的TTT曲线和共析钢相比多了一条先共析F和Fe3C的析出线
一条渐近线,,,,亚共析钢 共析钢 过共析钢,魏氏组织,魏氏组织是沿原奥氏体特定晶面形成的具有几何学特征的冷却转变组织，德国魏德曼施泰登(A．J．Widmannstatten)首先在陨铁中发现的，故名，亦称魏氏体。此类组织在钢和铝青铜中都有发现。它是一种先共析转变组织。
铁素体魏氏组织呈针（片）状，魏氏组织与母相之间保持严格的晶体学关系，并在试样磨面上呈现浮凸（切变特征）。,先共析组织量大，奥氏体晶粒粗大，冷速或温度适当时容易出现魏氏组织
铸、锻、焊低中碳钢零件和低碳钢渗碳零件经空冷或一定速度冷却后，都可能出现魏氏组织
对一般低、中碳钢来说，不论奥氏体晶粒粗细，只要冷却速度或者等温温度适宜应该都会有魏氏组织出现的可能。
当然，奥氏体晶粒粗大时，出现这种组织所对应的钢的碳含量范围要宽些，而且在较慢的冷速下就能形成。,在GB/T13299《钢的显微组织评定方法》中,根据针状铁素体数量、形状以及由铁素体网确定的奥氏体晶粒的大小，魏氏组织分为6级，对于碳含量在0.15-0.30%之间的钢种，其各个级别的魏氏组织的特征描述如下：
0级：均匀的铁素体和珠光体组织，无魏氏组织特征；
1级：铁素体组织中有呈现不规则的块状铁素体出现；
2级：呈现个别针状组织区；
3级：由铁素体网向晶内生长，分布于晶粒内部的细针状魏氏组织；
4级：明显的魏氏组织；
5级：粗大针状及厚网状的非常明显的魏氏组织。,魏氏组织由于粗大的魏氏组织对珠光体基体的割裂作用，一般都伴随着原奥氏体晶粒粗大, 从而会引起钢的强度、韧性和塑性的降低。
消除魏氏组织常用的办法一般采用退火或正火；程度严重的工件可采用二次正火（较高温度+较低温度）。
淬火+回火也能消除魏氏组织。
控制锻造终轧温度、锻后冷却，可以防止出现魏氏组织,2.1.2.2 过冷奥氏体的连续冷却转变,CCT曲线在TTT的右下方；
（碳素钢中）共析钢和过共析钢的连续冷却无贝氏体转变；
上、下临界冷却速度，工艺应用,2.1.2.3 影响C曲线的因素,奥氏体的化学成分、均匀性、晶粒大小、第二相C曲线。
钢的化学成分:
正常加热条件下，共析钢的C曲线最右；
除Co以外，常用元素均使其右移；
一些碳化物形成元素还改变C曲线形状
加热温度与时间:越高，越长，C曲线右移。
原始组织：细，A均匀，C曲线右移，Ms。
应力和塑性变形：拉应力，变形，促进奥氏体转变，C左移。,2.1.3 淬火钢的回火转变,淬火后钢处于不稳定状态，加热时由于原子活动能力增强，发生如下转变。（温度对应于碳钢，典型保温时间）
(1)碳原子的偏聚（T<100℃）:碳原子由间隙位置逸出到位错线附近;
(2)马氏体分解: 在此温度间马氏体中的碳浓度不断降低并发生M的分解，即从碳的过饱和固溶体中析出碳化物。饱和M’
100～250℃析出 -Fe2.4C ；
250℃～400℃之间，-Fe2.4C溶解并重新析出Fe3C。,(3)残余奥氏体的转变:按 C曲线进行
例如高碳钢在200℃~300℃回火加热、保温或降温过程中，A’→M或B组织
(4)F的回复与再结晶及碳化物的聚集长大
当T ≥ 400℃时，M中的碳原子全部脱溶，变成F，但是保持M晶格、方向和缺陷。（屈氏体T’）
当T ≥ 600℃时，F发生回复和再结晶，Fe3C集聚长大并粗化。（索氏体S’）
温度－碳钢，几小时,淬火钢在回火时性能的变化,一般来说，淬火钢在回火时随着回火温度升高或时间延长，钢的硬度不断下降，塑性韧性、不断升高。,45钢的回火温度与力学性能,,钢的回火脆性,回火脆性：淬火钢在某一回火温度范围内，随着回火的升高，使钢的冲击韧性下降（脆性增大）的现象称为回火脆性。,第Ⅰ类回火脆性（低温回火脆性） ：250℃～400℃ 原因是由于沿马氏体条间析出Fe3C所致。
避免在此温度区间回火。重新淬火
第Ⅱ类回火脆性（高温回火脆性） ：含有Ni、Cr、Mn等元素的合金钢在450℃～650℃回火后缓慢冷却时表现韧性降低。脆性为可逆性。
回火后快冷可防止或予以消除。合金元素Mo可减轻第Ⅱ类回火脆性。,2.2 整体热处理工艺,热处理中“四把火”
正火与退火
淬火
回火,“四把火”,2.2.1 钢的退火和正火,应用于锻件毛坯生产：铸、锻、焊，冷变形等
消除或减轻缺陷：晶粒粗大、应力、成分不均、硬度偏高等
退火和正火是应用非常广泛的热处理，在机器零件或工模具等工件的加工制造过程中，经常作为预先热处理工序，安排在铸造或锻造之后、切削(粗)加工之前，用以消除前一工序所带来的某些缺陷，为随后的工序作准备。
对于一些普通铸件、焊接件以及不重要的工件，退火和正火也可以作为最终热处理工序。,2.2.1.1 退火和正火的目的,改变性能、组织为目标，例如下
调整硬度（经常是软化）以便进行后续加工；
经过适当退火或正火处理可使钢件的硬度达到170- 250HBS，而且比较均匀，从而改善钢件的切削加工性能，如球化退火、完全退火等。
冷拉之间再结晶退火消除加工硬化
消除残余应力，以防变形、开裂；
细化晶粒，改善组织以提高力学性能；
为最终热处理(淬火回火)作好组织上的准备，如球化退火。,2.2.1.2 钢的退火操作及应用,退火原理是通过将金属加热、保温，使金属或合金向（近）平衡状态转化的工艺过程。
分类方法比较乱，交叉存在不同退火。
按用途:球化退火、扩散退火和去应力退火等；按加热温度：完全退火、不完全退火；按介质：普通空气、真空、保护气氛；按转变条件：连续冷却、等温、循环退火等；按材料：钢、有色合金等,（1）完全退火,加热温度：T＝AC3+(30℃～50℃)
冷却方式：缓冷（炉冷、灰冷、坑冷）至550C后空冷。
组织：接近平衡组织（F+P）
应用：适用于亚共析钢铸、锻、焊件。如ZG35铸造齿轮。,（2）不完全退火,加热至Ac1~Ac3(Accm)之间，然后缓慢冷却的退火方法；
目的：软化、消除应力、改善加工性能
主要用于过共析钢，消除锻轧应力、降低硬度、提高韧性，但是不能消除网状！
用于亚共析钢消除锻轧应力、降低硬度，利于切削加工，可以降低成本
球化？特殊不完全退火。,,（3）球化退火,加热温度：T＝AC1± (20～30℃)
冷却方式：缓冷、等温或循环
组织：球状P,球状P的强度、硬度稍低，塑性韧性好,球化退火工艺,球化退火工艺路线,球化退火的应用,任何钢种都可以采用。
球化退火主要用于降低高碳钢的硬度，以利于切削加工；
为淬火作组织准备，减小淬火时的变形和开裂倾向。
如果一次球化难以达到目的，可采用循环退火进行球化。,（4）扩散退火,加热至固相线以下较高温度，长时间保温，消除枝晶偏析。
适用于钢铁、有色合金等，如
亚共析钢：T＝Ac3 + （150℃～300℃)
过共析钢：T＝Accm+（150℃～300℃)
保温10－15h后空冷,（5）再结晶退火与去应力退火,较低温度加热（
0.4%C，不宜用正火代替调质。
3) T12钢中存在连续的网状Fe3CⅡ，为提高切削加工性能，先正火消除网Fe3CⅡ，再球化退火得到粒状的P，↓HB。
4）一些钢的最终热处理。,等温正火工艺举例,合金渗碳钢要求组织与硬度的良好配合
粗F+细片状P
160~180HBS
20CrMnTi得到以上组织性能的连续冷却工艺33~38℃/min（生产难控制）
常用等温正火工艺：装料厚度150mm，加热920～960℃，150min；风冷至620～630℃，25min，出炉。,2.2.2 钢的淬火,将钢加热到临界点（Ac3或Ac1）以上，保温后快速冷却得到马氏体或贝氏体组织的工艺过程。
淬火的目的：提高强度、硬度、耐磨性。,2.2.2.1 加热参数的选择,B和M均为A的转变产物，为了获得这些组织，首先要加热获得A。
加热的目的：获得适当成分、晶粒细小的奥氏体
加热温度（淬火温度）、保温时间都是以上面的目的为依据的，同时考虑
能源及设备消耗、
零件氧化脱碳，变形，晶粒长大,淬火温度的选择,亚共析钢: Ac3 ＋（30℃～50℃）
共、过共析钢:Ac1＋（30℃～50℃）
组织：为获得A，或A和少Fe3C
合金钢可适当提高淬火温度。
原因：合金元素原子扩散慢,保温时间的选择,保温是加热的继续，目的相同。
因为碳钢奥氏体转变所需的时间较短，热导率较大，保温至整个零件达到淬火温度(经常目测)即可；
合金元素扩散较慢，而且可能影响碳化物的溶解和C的扩散，合金钢可以适当延长保温时间（保温系数1.2-3min/mm）。
按装炉量、工件尺寸、材料种类经验估算，或查阅相关资料。,加热时间的估算,=KD
K=1~1.3 装炉修正系数；
-加热系数，与加热温度、介质有关；
D-工件有效厚度
工件的有效厚度
圆棒的直径；阶梯轴按大端尺寸计算；
扁平工件的厚度
实心圆椎：离大端1/3高度处的直径；
钢管按壁厚。其余热处理手册。,2.2.2.2 钢的淬透性与淬硬性,一定尺寸的工件，淬火时工件表面冷却较快，心部冷却较慢 。不同位置转变产物不同
钢的淬透性是指钢在淬火后获得马氏体或淬硬层深度（又称为淬透层深度）的能力。,淬透性通常用规定条件(试样形状、尺寸、冷却条件等）下的淬硬层深度表示，淬硬层深度越深，表明其淬透性越好。
临界直径
端淬实验,Jonomy曲线,,钢的淬透性取决于过冷奥氏体的稳定性
C曲线靠右的钢（上临界冷却速度较小），淬透性较好
淬透性与钢材成分、原始状态及加热条件有关，而与工件尺寸、淬火介质无关
在尺寸、形状、冷却条件均相同时，淬透性大的钢，淬透层深度越深。,,淬透性是选材制定工艺的依据,淬透性是选材和制定热处理工艺的重要依据。如
截面尺寸大、形状复杂、承受复杂应力、对心部性能要求高－较高淬透性材料
对于承受弯扭的轴类、齿轮类零件，可选用淬透性低、淬硬层浅（如为半径的1/3～1/2）的钢。
为了防止焊件变形和裂纹、强力冲击脆断，材料的淬透性不能太好。,不同尺寸的工件淬硬层深度不同－大直径零件淬硬层较薄；
根据工件的淬透性优化热处理工艺。 如正火代替调质。
安排工艺路线考虑淬透性；,淬硬性,钢在理想条件下淬火所能达到的最高硬度称为钢的淬硬性。
钢的淬硬性主要取决于马氏体中的碳含量，也就是淬火前奥氏体中碳含量，碳含量越高，淬硬性越好。,2.2.2.3 常用淬火冷却介质与淬火方法,淬火介质与方法的选择要考虑两方面的因素：
避免奥氏体分解，满足性能要求
降低淬火应力，减小变形、防止开裂
理想介质的冷却特性如图。,理想冷却速度,常用淬火介质,水，（5-15%）盐水，碱水
冷却速度快，经济、环保
10-20号机油
冷却速度较慢，成本高，易污染
硝盐浴（50%KNO3,50%NaNO2）等温淬火，分级淬火
成本高，高危险、易污染,常用淬火方法,单液淬火1（最常用）：一种介质冷却到底或一定温度。如碳钢在水中、合金钢在油中，高速钢在空气。
为了减小淬火应力，可以采用：
双液淬火2：如水淬油冷、油淬空冷
分级淬火3：在Ms以上等温－均温后冷却
等温淬火4：得到B
冷处理：淬火的继续，残余A转变，
一般0℃以下。,冷却操作方法,复杂零件，预冷可减小变形；
淬火方向
轴类，套筒垂直入水；
长板，横向侧面入水；
凹面，槽口向上；
截面相差较大时，大头先入水等
不摆动或只沿着淬入方向直线运动，可减小变形；,淬火应用实例,临界直径的零件容易开裂，如5-11的45钢零件水淬。尤其是6-9最容易开裂。
裂纹起源于最先入水的部位或缺陷处。
避免危险尺寸（本质问题）；
改进淬火工艺
改变淬火介质,2.2.3 钢的回火 2.2.3.1 回火的目的,淬火钢内应力较大、组织不稳定、塑性和韧性较低，必须进行回火。
回火是将淬火钢加热到Ac1以下某一温度，经保温适当时间后冷却到室温的热处理工艺。
回火可以减小淬火内应力，稳定工件组织和形状尺寸，提高零件的塑性和韧性。,2.2.3.2 回火的分类和应用,根据回火时发生的转变，回火分为三类
低温回火：发生马氏体分解，产物为回火马氏体M’；
中温回火：碳化物没有过分聚集长大，F没有再结晶，产物为回火屈氏体T’(回火F+点状Fe3C)；
高温回火：F发生再结晶，产物为回火索氏体S’(回火F+球状的Fe3C),低温回火,温度：（碳钢在150－250°C）
组织：M’+少粒Fe3C
性能：高硬度、较高强度，塑性及韧性较差，耐磨性好（如高碳钢达58～64HRC）。
应用：用于工模具，轴承、齿轮等。,中温回火,温度：（碳钢350～500 ℃）
组织：回火屈氏体（T回），微细粒状碳化物弥散分布在回火F基体上
性能特点：高弹性极限及屈服极限，一定的韧性，一般硬度35～45 HRC
应用：各种弹簧。如：60Si2Mn、65Mn、 60、65、85钢。,高温回火,温度 （ 碳钢500～650 ℃）
组织：回火索氏体（S’） ，粒状碳化物分布在回火F基体上
性能特点：较高的强度和硬度（HB200～350），良好的塑性和韧性。即具有良好的综合机械性能。
应用：各种轴类、连杆、螺栓等。如： 45、 40Cr、40CrNiMo钢等。
调质处理 ＝淬火＋高温回火,45钢（ 20～40mm）调质和正火组织及机械性能比较,由此表可以看出：45钢调质处理的性能比正火后性能综合机械性能好。,3、钢管热处理设备及工艺特点,3.1钢管热处理设备,钢管热处理设备：加热设备、冷却设备、矫直设备（辅助）。
加热设备：热处理炉、感应加热、火焰加热、激光加热等。
冷却设备：淬火槽、淬火机床、步进冷床、吹气喷雾风机等。
辅助设备：清洗设备、循环冷却装置、输送装置、夹具、质量检测设备、除尘设备、矫直设备等。,3.1.1 热处理炉,钢管热处理炉：
台车式电阻炉
台车式燃气炉
井式电阻炉
滚底式燃气炉
步进式燃气炉,台车式炉：周期式；装炉量大，最大60t；能耗少；密封较差，炉膛气氛较差；工件形状适应性强；加热易变形，受热不均匀；吊运需要专用夹具；适用于大型钢管及管件。,井式电阻炉：周期式；装炉量较大；加热速度快，效率高；能耗较少；烘炉时间短，密封较好，氧化较少；需专用夹具；加热不易变形，受热均匀；适用于轴类、大型钢管及管件。,辊底式燃气炉：连续式；装炉量少；局部加热冷却，易变形，冷却组织不均；能耗较高；炉膛密封性好；氧化少；气氛可控；适用于轴类、小直径钢管,步进式燃气炉：连续式；装炉量较大；加热冷却组织均匀，工艺稳定；能耗较大；不易变形；烘炉时间较长；炉膛气氛较差，氧化较重；适用于较大直径钢管,3.1.2 冷却设备,钢管冷却设备：
淬火槽
淬火机床
步进冷床
吹气喷雾风机等。,淬火槽：水槽和油槽
形状：矩形和圆筒形
淬火方式：横向和垂直竖向
一般有搅拌装置。,淬火机床：压紧旋转
淬火方式：内喷外淋式、内喷浸入式,内喷外淋,内喷浸入,步进冷床：定梁和动梁
步进方式：斜坡式滚动
淬火方式：自然空冷或吹风、喷雾冷却,,,3.1.3 矫直机,矫直机：压力矫直和六辊矫直（热矫直）,压力矫直,六辊矫直,3.2 钢管热处理工艺特点,钢管热处理工艺特点：
依据产品要求适用于调质、退火、正火等
属于空心轴类工件
全长组织性能均匀性
内外冷却差别大
淬火畸变倾向大
炉温均匀性要求高
淬火机床压紧、旋转精度要求高,4、公司钢管产品热处理工艺技术,前言,钢管：无缝钢管和焊管，主要应用在石油钻采、冶炼、输送等行业需求大，其次是地质钻探、化工、建筑、机械等。
目前钢管外径：0.1-4500mm；壁厚：0.01-250mm。
钢管产品标准是现场组织生产的的技术和检验依据，不同用途下对钢管外观、尺寸、化学成分、力学性能、及其他特殊性能等，提出不同技术要求。
焊管与无缝管竞争局面，焊管大部分可以替代无缝管，成本低核心竞争点。无缝管趋向应用于高温、高压、抗拉、抗压、高抗腐蚀、高耐磨等方向发展。,4.1公司钢管产品,公司钢管产品标准：锅炉管GB5310、油井管线管API 5CT/5L、高温用管ASTM A335、高压化肥管GB6479、石油裂化管GB9948、相关特种管等。
材质：42CrMo、30CrMo、35CrMo、P91/P92、T9/P9、P11/P22/P5、15CrMo、12Cr1MoVG、12Cr2Mo、12Cr5MoI、1Cr13/2Cr13、9Cr、40Cr、20Cr、4140、4130、40CrMnMo、40CrNiMo、P110H、C110、双金属等。,4.2公司钢管产品热处理工艺技术,公司钢管产品热处理工艺方式：
完全退火A
淬火+回火（调质处理）QT
正火+回火NT
去应力退火（高温退火）M,4.2.1 材质42CrMo/4140/40CrMnMo等,涉及标准：石油套管API 5CT和螺杆钻具协议（C-067等)要求
性能要求：
L80-1、P110
抗拉≥1080,屈服≥910，延伸率12％，Akv≥54J，HRC300-360，难点为冲击功控制。
工艺：QT,工艺技术重点：
成分对比分析
轧制比
厚径比（≥0.3淬透性）
淬火温度
淬后温度
钢管内外冷却控制
回火温度与时间配合,化学成分（GB3077) 42CrMo
化学成分 4140
两者关键合金元素基本相同，工艺一致性较好，但是4140的Mn元素含量高0.2左右，淬透性和淬硬度高。回温高10-15度。,现场工艺关键点：
L80-1和P110根据不同壁厚和成分微调回火温度，注意保温时间。L80-1：730-740℃;P110：610-625，成熟工艺。
淬裂性较大，S≥40mm或S≤15mm。
C-067螺杆生产，关键点厚壁S≥40，回火温度和时间把控，工艺不稳定，差别较大，回温560-580，范围宽。措施：坯料提高Mo含量0.17；提高淬火温度10-20℃；改善淬火机搅拌效果，提高组织淬透性、均匀性。,4.2.2 材质30CrMo/35CrMo,工艺技术重点
工艺技术重点：
成分对比分析
轧制比
厚径比（≥0.3淬透性）
淬火温度
淬后温度
钢管内外冷却控制
回火温度与时间配合,涉及标准：石油套管API 5CT及特种机械管。
性能要求：
N80Q、L80-1、P110、Q125
工艺：QT,化学成分（GB3077) 30CrMo
化学成分 （GB3077) 35CrMo
两者差别元素只有C，一般工业控制差别0.03。不同钢级回温，35CrMo要提高8-15℃。淬透性基本相同。,现场工艺关键点：
根据壁厚和炉批次成分调整，L80-1：710-725℃；P110：600-620；Q125：550-565(根据C、Cr元素含量调整）。
30CrMo与42CrMo、4140比较，对回火保温时间延迟更敏感。生产要注意。延迟30min，就影响性能。
淬裂畸变较轻，基本不存在淬裂，水温0-45℃。
淬透性较好，S≤45mm应没有问题。90％M保证硬度要求。,4.2.3 材质12Cr5MoI/P5,涉及产品标准：高压化肥管GB6479、石油裂化管GB9948、高温用管ASTM A335
性能要求:抗拉415-590，屈服≥205，延伸≥22，硬度≤163HBW
工艺：A或NT,工艺技术重点：
轧制比
化学成分分析
退火温度
随炉冷却速度
出炉温度
硬度控制,化学成分
8月份生产该材质，两个炉号性能不合格，后经检测化学元素，H、O、N均较高造成。重视化学元素影响，严控微量元素。,现场生产控制关键点：
退火温度910-930
随炉冷却速度70-100℃/h
炉冷至500-600℃，出炉。
退火保温延迟不超过工艺30min。,4.2.4材质15CrMo/12Cr1MoV/12Cr2Mo/ P11/P12/P22等,涉及产品标准：高压化肥管GB6479、石油裂化管GB9948、高压锅炉管GB5310、高温合金管ASTM A335
工艺：NT,工艺技术重点：
轧制比
化学成分分析
回火温度
GB9948的硬度控制,化学成分 15CrMo
化学成分 12Cr1MoV
该类材质为低碳低合金高温用管，特点是淬火温度高于900度，保证高温元素Cr/Mo充分固溶均匀。晶粒不易长大。,现场生产控制关键点：
正火温度930-950
针对GB9948产品硬度控制，注意回火保温时间延长些，一般保温系数2.5-3.5，至少保温60min.
该材质工艺成熟。,4.2.5 材质13Cr/9Cr/P91/P92,涉及产品标准：石油套管API 5CT、高温合金管ASTM A335、高压锅炉管GB5310
性能要求：L80-13Cr、L80-9Cr、P91、P92
工艺：一般NT，也可QT,工艺技术重点：
轧制比
加工状态：斜轧或挤压
化学成分分析：C含量
控制风冷或自然冷
回火温度,化学成分 L80-13Cr
化学成分 P91
该类材质为高Cr合金钢，淬火一般空冷组织相同为马氏体，淬透性相同，回火工艺性能相似。,现场生产控制关键点：（API5CT)
正火温度980 ℃ -1000 ℃,超过40mm，采取风冷至120 ℃ 以下。
回火L80-13Cr/9Cr：725-740（挤压715-725固溶炉）；P91/P92：770-785.
回火保温系数为2.5-4min/mm，至少保温60min。
该材质工艺成熟。
A335退火，随炉冷却，控制650以上冷却速度60-80/h,4.2.6 材质P110H/C110/L80H,涉及产品标准：石油套管API 5CT及热采管特殊协议要求。
性能要求：屈服≥600MPa，硬度≤30HRC（P110H）；屈服758-828MPa（C110)；屈服560-650MPa（L80H）。
工艺：QT,工艺技术重点：
成分对比分析
轧制比
厚径比（≥0.3淬透性）
淬火温度
淬后温度
钢管内外冷却控制
回火温度与时间配合,化学成分 P110H
化学成分 C110
该类材质为含V、Ti、Mo等强碳化物元素，析出强化作用。各性能指标配合制约，工艺达标较精确控制。,现场生产控制关键点：
P110H目前设计材料特性，350 ℃高温强度工艺调整偏下限。工艺需完善、改进。增加一次去应力退火。
C110回温控制严格，680-690，保温系数3-4.5min/mm，至少保温90min，增加组织均匀化效果。
L80H回火温度670-685，保温系数同上，保温时间长。
以上3种材质淬火加热保温时间应严格控制，1-2min/mm
目前该3种材质工艺不成熟、不稳定，操作缺乏规范。,4.3 钢管热处理工艺操作,淬火、正火工艺温度确定
一般合金结构钢，一般奥氏体化温度：Ac3+30℃
提高淬透性或缩短加热时间，提高奥氏体化温度：Ac3+50-100℃.
热电偶在钢管上方，上部比下部温度高。因此，炉子设定温度高于奥氏体化温度，不同厂家类型炉子存在差别。
注意炉压微正压，淬炉60-80Pa，回炉40-60Pa，经验温度。,高压水除鳞装置,作用：钢管表面质量；减轻矫直辊磨损；淬火冷却均匀，减少变形；保证良好无损探伤效果。
操作：合适喷嘴环，89-139,139-219,219-273
喷嘴控制：压力18-22MPa
辊速：之间配合，表面氧化清除，淬透性影响。,淬火机床操作,介质原则：保证淬透性组织和变形小
淬火方式：水平旋转、全长内外冷却，内喷+外淋或浸入，内喷水速大于10m/s，水槽内必须有搅拌
影响变形因素及措施：壁厚偏差大，轧制注意；加热温度全长不均，调整头尾温度高5-10℃；适当提高淬后温度60-120；增加预冷时间10-20S;合适延时浸入时间3-10S；合适压紧力和旋转速度
原则：全长内外冷却均匀一致，保证全长淬后温度一致。,回火温度工艺,回火温度：Ac1以下（PSK线）
回火时间：转变充分，组织均匀，性能稳定。
控制原则：以性能中上限原则，保证成分、原状态、温度波动、设备、人工、故障等带来的偏差，不超过标准要求。二次回火备案。,定径和温矫直,定径作用：保证外径、椭圆度，对螺纹加工油管有利。一般工厂不用。
温矫直：强塑性变形过程，大于屈服才能矫直。斜辊矫直消除弯曲和椭圆度，鹅头弯，需压力矫直。
影响矫直效果因素：钢种、规格、矫直速度、矫直温度、各辊压下量、下中辊挠度。
因为矫直问题经常出现，下面分析一下。（我没有实操经验，帮大家梳理启发。）,矫直问题影响分析,不同钢种：高温下强度不同造成，Cr-Mo系钢辊压下量、中下辊挠度大于Mn系钢。
因低温下强度高造成，低温或冷矫压下量和挠度要大于热矫直。
不同规格：随规格减小，压下量和挠度加大。随规格增大，矫直速度减小。,压下量：前、后辊大大小于中辊。
接触弧线：1/2-3/4辊长，中辊取上限，前后辊取下限。
影响多方面，需要反复试验，实践经验性强。,5、钢管现场工艺生产应急措施,热处理生产看似简单，钢管进炉加热一下，出来就好了。有这种认识的，行业普遍存在。因此，车间基层管理不重视，钢铁经济不景气，专业人才流失，造成生产不规范，现场工艺不重视，执行不到位，生产工艺质量不稳定等。
如今钢铁产能过剩，国家出台一系列政策干预，进行去产能化，重点是煤炭和钢铁，国家国土资源部已不批准任何新建占地建设项目。热处理经验性很强，需要专业操作技术人员，在此形势下，愿意潜心从事热处理技能人员越来越少了。,钢管行业同质化严重，大家都向高端领域发展，重视新技术、新产品、新市场开发。而其中，大部分高端钢管产品基本离不开热处理，只有通过热处理才能大大提高产品的组织与性能。
热处理是一门理论与经验结合非常紧密的专业学科。影响因素多方面，与冶炼、锻造、热处理设备、测量仪表、检验检测、热处理工艺、人员操作等有很大关系。同类产品不同厂家热处理工艺有共性之处，但也存在一定产异化。这与现场设备和人员操作关系最大。,既然热处理质量影响因素很多，因此，下达工艺现场不是简单的执行，需要加大监督和指导，一些应急处理等。生产中，订单规格多、人员少、容易疲劳作业、容易出现设备故障，更需要根据实际情况采取应急工艺技术措施。
结合生产中经常出现的问题，我总结一些现场工艺生产的应急措施，希望引起大家注意。,多次停炉点炉，烘炉升温快,烘炉升温太快，低温下大于150℃/h，对炉体损伤最大，且出现炉温不均匀，误差大，达不到工艺温度，容易出现黑钢现象。
鉴于公司实际，出现多次点炉，必须采取快速升温措施。
原则如下：必须在300℃时，保温1h后，再快速升温至工艺温度。,小直径、薄壁钢管不易进钢,小直径（一般小于114）、薄壁钢管不易进淬火炉和卡钢。
在进炉内辊道上，需等待步进到时才能翻钢，受热不均和升温快易弯曲。
采取措施：炉门专人查看进钢情况，确定下进钢节奏。采取提前快速进钢措施。批量较大时，按工艺保温时间执行。,设备故障，两炉暂停出钢（关键！）,实际生产中经常出现暂停出钢事故，但是，对此常常习惯待之。以至于严重影响质量问题，才能引起重视。
分情况采取措施：
见《热处理车间岗位工艺纪律》,设备故障，两炉暂停出钢（关键！）,淬火炉出现故障不能出钢时，必须及时打开烧嘴控制“手动”降温。待故障修复后，再转为“自动”升温，保温一定时间测温枪测温达到钢温（炉子工艺温度比实际测量钢温大20-30℃）要求即可出钢。
回火炉出现故障不能出钢时，必须及时打开烧嘴控制“手动”降温。待故障修复后，再转为“自动”升温，此时不用保温，按规定步进时间出钢。注意此操作故障修复时间不得超过1h。若故障超时1h，则应及时通知热处理工艺监督人员。,设备原因，两炉超工艺温度（关键！）,炉子检测维护不到位，温控和燃烧系统不稳定，经常出现工艺温度控制不当。
淬火炉超温上限，不大于30℃，不超时30min，则采取降温至工艺温度。
回火炉超温下限，则升温至工艺温度，按工艺保温时间；超温上限，不大于5℃，则不处理。若大于5℃，则采取手动快速出钢，并单独检测。
若超出以上范围，则需重新处理，或单独检测。,