高頻焊管熱處理工藝的研究

摘　要　研究了高頻焊管連續(xù)退火的工藝,通過實(shí)驗(yàn)指出了退火溫度及退火冷卻速度對焊管性能的影響,并對生產(chǎn)過程中的一些問題進(jìn)行了分析。

1　前　言

??? 隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,高頻焊管的用途越來越廣泛。與無縫管相比較,焊管生產(chǎn)具有以下優(yōu)點(diǎn):設(shè)備重量輕,建設(shè)投資少,成本低;而且生產(chǎn)的機(jī)械化和自動化程度高,可進(jìn)行連續(xù)生產(chǎn),因此高頻焊管在鋼管工業(yè)中占有重大的比例。

??? 為了提高焊管的質(zhì)量,改善其使用性能和工藝性能,在高頻焊管生產(chǎn)的過程中,一般有相應(yīng)的焊后熱處理工序。對于一些重要用途的焊管,必須同時具有良好的強(qiáng)度和塑性;而且用途不同,其性能要求也不一致,所以熱處理是焊管生產(chǎn)過程中一個重要的環(huán)節(jié)。為了給實(shí)際生產(chǎn)中制訂工藝提供依據(jù),詳細(xì)地研究了熱處理工藝對高頻焊管性能的影響。

2　試驗(yàn)方法

??? 試驗(yàn)材料為寶鋼生產(chǎn)的ST14冷軋帶鋼,化學(xué)成分如表1所示。0.7mm厚的帶鋼通過高頻焊接制成8mm的鋼管。

第一批熱處理實(shí)驗(yàn)在生產(chǎn)用的連續(xù)退火爐中進(jìn)行。連續(xù)退火爐的電機(jī)轉(zhuǎn)速為800r/min;調(diào)節(jié)電壓參數(shù)使實(shí)驗(yàn)溫度在所需的范圍內(nèi),溫度由紅外線測溫儀測出。第二批熱處理實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)用的氣體保護(hù)爐中進(jìn)行,模擬生產(chǎn)使用連續(xù)退火。其具體熱處理工藝如表2所示。

試驗(yàn)試樣取長度為300mm的整段鋼管,處理完后的試樣在50kN液壓萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行抻拉試驗(yàn),測出其機(jī)械性能。同時,在光學(xué)顯微鏡下對試樣進(jìn)行金相觀察。

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3　結(jié)果與分析

3.1　退火溫度對性能的影響

該實(shí)驗(yàn)是在連續(xù)退火爐中進(jìn)行的,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。可以看出:當(dāng)退火溫度較低時,試樣的強(qiáng)度較高,但塑性較差。隨著退火溫度的升高,抗拉強(qiáng)度逐漸下降,延伸率不斷提高,這主要是焊管中應(yīng)力和硬化在退火過程中逐漸被消除的結(jié)果。但是退火溫度超過800℃以后,不僅強(qiáng)度繼續(xù)下降,而且延伸率也開始降低。.

??? 我們知道,焊管在成型和焊接的過程中,會導(dǎo)致加工硬化和焊接應(yīng)力。如果退火溫度較低,應(yīng)力和硬化得不到充分消除,所以退火后的焊管強(qiáng)度較高但塑性較差。隨著退火溫度的升高,應(yīng)力和硬化逐漸消除,從而使焊管強(qiáng)度降低,塑性提高。但是為什么當(dāng)退火溫度超過800℃時塑性開始下降呢?從鐵碳相圖中我們知道,在這個溫度范圍內(nèi),該材料處于鐵素體和奧氏體兩相區(qū),原始組織部分轉(zhuǎn)變成奧氏體,但還有部分鐵素體并未發(fā)生轉(zhuǎn)變。通過計算可以知道,在焊管成型時,材料發(fā)生了10%左右的冷變形;由于冷變形程度不大,材料在退火時很少有再結(jié)晶發(fā)生[1]。這些未轉(zhuǎn)變的鐵素體在退火過程中要長大,而且溫度越高晶粒越粗,退火冷卻后這些粗大的鐵素體晶粒依然保留下來。另一方面,加熱到高溫形成的奧氏體,冷卻后形成細(xì)小鐵素體晶粒,從而又造成晶粒尺寸的不均勻(如圖2所示),從而使強(qiáng)度和塑性均下降。

圖1中我們還可以看到,當(dāng)退火溫度為920℃時,焊管同時具有較好的強(qiáng)度和塑性。由于焊接的過程中,不僅在焊縫形成少量馬氏體等非平衡焊縫組織,而且使熱影響區(qū)的晶粒粗大[2],這些均對性能有不利的影響。只有加熱到Ac3以上的溫度,使組織全部奧氏體化,才能消除這些影響,使焊縫與母材的組織趨于一致,即得到細(xì)小的組織(如圖3所示),從而改善焊管的機(jī)械性能。

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2　冷卻速度對性能的影響

為了模擬連續(xù)退火的情況,試樣在920℃加熱2min后,以不同速度冷卻,其機(jī)械性能如圖4所示。正如前面所提到的,在920℃加熱時,焊管的母材金屬和焊縫金屬均要發(fā)生奧氏體化,冷卻時奧氏體再轉(zhuǎn)變成新的組織。冷卻速度不同,形成的組織會不同性能也就不一樣。

??? 在隨爐冷卻的情況下,冷卻速度很慢,形成了大量的鐵素體和少量珠光體。隨著冷卻速度的增加,強(qiáng)度有很大的提高。8#、9#和11#試樣分別采用了空冷、風(fēng)冷和噴淋冷卻,冷卻速度依次增加,強(qiáng)度相應(yīng)地提高,但它們的延伸率卻依次下降。這主要是由于在快冷的過程中,會形成少量貝氏體或馬氏體,而且還會產(chǎn)生熱應(yīng)力;冷卻速度越快,貝氏體或馬氏體的量就越多,并且熱應(yīng)力也越大,所以導(dǎo)致強(qiáng)度提高,塑性下降。

??? 而10#試樣在高溫階段快冷(風(fēng)冷),650℃后在保護(hù)氣氛中冷卻,這樣可以形成細(xì)小的鐵素體和珠光體,從而使焊管得到較高的強(qiáng)度和較好的塑性。

4　生產(chǎn)中應(yīng)注意的問題

???? 從以上的研究結(jié)果來看,如果用戶要求焊管具有較好的塑性,而對強(qiáng)度沒有過高要求時,我們可以采用700～800℃之間的溫度進(jìn)行連續(xù)退火,在這種情況下,溫度范圍較寬,生產(chǎn)過程中容易控制。???? 如果用戶要求焊管同時具有較高的強(qiáng)度和較好的塑性,那么在700～800℃之間退火是達(dá)不到要求的。因?yàn)樵诟哳l焊接過程中,由于趨膚效應(yīng)、臨近效應(yīng)和熱傳導(dǎo)的共同作用,造成了焊接熱循環(huán)峰值溫度在管坯開口邊緣的梯度分布,出現(xiàn)了熔化區(qū)、部分熔化區(qū)及過熱組織區(qū)等特征區(qū)域[3]。因此焊縫周圍的非平衡組織及粗大組織對焊管的性能產(chǎn)生了不利的影響;要消除這些影響就必須將熱處理溫度提高到Ac3以上。但是溫度又不宜過高,否則也會使性能惡化。這就要求在實(shí)際生產(chǎn)過程中嚴(yán)格地控制退火溫度,使退火溫度保證在920℃左右。而一般的連續(xù)退火爐中不能直接顯示加熱溫度,而是通過電壓參數(shù)來控制溫度,因此如何準(zhǔn)確地控制溫度是實(shí)際生產(chǎn)過程中的一個關(guān)鍵。另一方面,在冷卻的開始階段要求快冷,這就要求循環(huán)水有足夠的冷卻能力,以保證熱處理后得到均勻細(xì)化的組織,從而保證產(chǎn)品的質(zhì)量。

5　結(jié)　論

??? 材料為ST14的高頻焊管可以在連續(xù)退火爐中退火。如果要求焊管具有較好的塑性、一般的強(qiáng)度時,可以采用700～800℃之間的溫度。但要求焊管同時具有較高的強(qiáng)度和較好的塑性時,建議采用920℃的溫度,并使冷卻水槽的水溫較低,以保證一定的冷卻速度。