隨著較易開採的油氣田資源減少，人們開始轉向高溫、高壓、高鹽度、高腐蝕性、條件惡劣的油氣田。 雙相鋼和鎳基合金等高合金效能優良但價格昂貴，而9CR熱處理後具有優良的力學效能和耐腐蝕性，經濟實惠，廣泛用於石油機械裝置和管道的生產，具有良好的發展前景[1 4]。 9Cr鋼具有良好的耐CO2腐蝕性和優異的韌性，非常適合在高溫和CO2分壓高、微量H2S含量高的腐蝕性環境中使用，其綜合性能優於普通L80-13Cr，已成為油氣田開採環境的主要材料[5， 9]。 目前，9CR鋼管成熟的生產工藝為：鑄錠-鍛造坯料-坯料內外加工-熱射孔成形-調質處理，該工藝包括鍛造工藝、切削冒口、能耗高、產量低。 連鑄坯料+熱擠壓成型工藝生產9cr無縫管是一種新工藝，國內外文獻尚未報道，新工藝避免了鍛造工藝，可大大提高良品率，降低能耗和資源。 本文以一根150 mm 40 mm 9Cr鋼管為研究物件，用63 mn臥式擠出機將連鑄鋼坯擠出成鋼管，然後進行調質處理。 對鋼坯、鋼管的微觀組織、晶粒尺寸和力學效能進行了檢測分析，為連鑄鋼坯直接擠壓生產的馬氏體鋼管工業化生產提供基礎技術資料。
採用60T電弧爐+LF爐精煉+VD真空脫氣+連鑄的生產工藝，工藝先進，品質優良，以廢鋼為原料，電弧爐冶煉生產的鋼水溫度不低於1630°C，爐外精煉溫度不低於1620°C， 真空脫氣處理採用真空爐，真空度不大於67Pa，連鑄坯凝固後及時在850°C退火，以釋放應力，降低硬度。連鑄坯的外徑為380公釐，加工外徑為364公釐，內徑為80公釐，長度為850公釐的空心坯料。 在63 mn臥式擠出機上擠出，管徑為150 mm 40 mm，化學成分如表1所示。
實驗工藝路線如下：電弧爐冶煉-連鑄坯料-軟化退火-坯料分切-內鏜外車-加工端麵-感應爐加熱-內外表面玻璃粉潤滑-熱擠壓-堆垛環冷卻-調質處理-超聲波無損檢測-組織及效能檢測。
試樣的微腐蝕劑為王水，晶粒尺寸檢測標準為ASTM E112-2012，高溫鐵氧體檢測標準為YB T4402-2014，使用的顯微鏡型號為德國蔡司AXIO Imager A2M。 力學效能試驗取樣位置為淬火回火後鋼管壁厚的1 2，拉伸試樣方向為縱向，試驗標準為ASTM A370-2017，衝擊力試樣方向為橫向，檢測溫度為10°C，檢測標準為ASTM E23-2018，在鋼管橫截面內測定洛氏硬度， 測試標準為ASTM E18-2018。
由於連鑄坯存在氣孔和中心裂紋，取樣時避開了這些區域，在9Cr連鑄坯截面半徑附近的1 4和1 2處取了微觀組織樣品，圖1是9Cr連鑄坯退火100倍和放大500倍後的微觀組織**。
從圖1可以看出，9CR連鑄坯的結構比較粗糙，整體呈板條狀分布，在晶界處富集的硬質合金顆粒較多，組織不均勻，這是因為澆注後坯料直徑較大，凝固冷卻散熱速度較慢， 元素形成聚集和分離，穀物充分生長。毛坯中心最終凝固，起到金屬兩側的補氣收縮作用，聚集夾雜物、氣孔、偏析、收縮孔隙率等缺陷，經實際測量，直徑為380公釐的連鑄坯料中心缺陷的直徑範圍約為40-60公釐。 因此，只要加工直徑大於60公釐的內孔，理論上就有可能去除坯料的鑄造缺陷。 本研究在擠壓前將坯料加工成尺寸為80 mm的內孔，然後去除外表面的氧化皮、平坦端麵和喇叭口，以滿足擠壓坯的質量要求。 熱擠壓工藝是金屬材料在三向壓應力作用下形成，金屬經受高溫高壓，晶粒間會出現小裂紋、收縮孔隙等缺陷，更適合低塑性、高合金材料的塑性變形。
圖2是鋼管擠壓成型的模具裝配結構示意圖。 擠壓模具和用於潤滑的玻璃淬在擠壓方向上設定在坯料前方，坯料背面為擠壓墊，擠壓墊後方為擠壓棒。 首先對坯料進行加熱，然後內外塗上玻璃粉，擠出筒體通過輸送裝置載入，擠出棒將擠出墊和坯料向前推到擠出模具的前端，而芯軸則滲透到坯料內部。 鋼坯前端與靠近擠壓模具的玻璃墊接觸後，擠壓棒繼續向前推動，坯料被壓過擠壓墊，使坯墩粗變形，坯料外圓與擠壓筒內壁之間的間隙和坯料內表面與芯軸之間的間隙被消除，然後將高溫金屬擠壓成由擠壓模具和芯棒組成的環形孔腔，成為鋼管。當擠出棒前進到極限擋塊時，擠出過程結束，擠出筒中留下 25 50 mm 的未壓坯。 然後開啟擠壓筒鎖定狀態的開關，將擠壓筒抽出，同時將坯料剩餘、擠壓墊和擠壓棒一起抽出，用熱音切斷成品的鋼坯壓力，將鋼管從擠出機出口方向輸送到冷卻床進行下乙個迴圈。
9CR連鑄坯加工成尺寸為364 mm 80 mm 850 mm的擠壓坯料，在頭部外圓加工R30 mm的圓角，表面質量重新研磨拋光，表面粗糙度不大於32公尺，去除坯料表面的油漬和劃痕;坯料在900°C以下的低功率感應爐中直接加熱，然後在外表面快速加熱到1160 1190°C，在內孔上以大功率快速加熱到1140 °C然後，在坯料的內表面和外表面塗上玻璃粉潤滑劑，形成熔融膜，將金屬與擠出模具分離擠出筒內徑為435公釐，長度為1500公釐，擠出模具內徑為154公釐，芯軸直徑為695公釐長1500公釐，每根管材在擠壓前進行磨削和清洗擠壓模具，擠壓速度為200-300公釐s，理論設計擠壓比約為7，在擠壓筒體中，擠壓模具和芯棒組成環形孔型腔，擠壓規格為40公釐40公釐鋼管，擠壓後堆放空氣冷卻。 然後，根據ASTM E213-2014標準，對擠壓9CR管進行超聲波無損檢測，同時對表面質量進行目視檢查，測試結果表明，擠壓管表面光滑，無褶皺，無裂紋，表面質量達到鍛造鋼坯生產管材的水平。
9CR合金的質量分數在10%以上，屬於高合金鋼，淬透性好，在風冷條件下可實現馬氏體的轉變。 鑑於本研究的厚壁鋼管較大，奧氏體化後材料中含有較大的能量，為了加快淬火冷卻速度，採用油作為淬火冷卻介質。 在2爐9CR擠出管上進行熱處理實驗，熱處理工藝設計如下：淬火加熱溫度980 °C，加熱160 min，油冷卻;700°C回火，加熱240min，風冷，爐後吹快速冷卻，有利於避免回火脆性，穩定結構，提高衝擊效能。
從表2可以看出，9Cr鋼管的抗拉強度為RM 751 779 MPa，屈服強度為05616 649 MPa，硬度值HRC 195~21.6、伸長率為23%-26%，平均衝擊能量在100J以上，強度、硬度和韌性符合API Spec 5CT技術規範的要求。 這說明，9CR連鑄坯加熱到高溫後，在擠壓筒、芯棒、擠壓模具等模具的作用下，發生較大的擠壓比變形，粗鑄組織被壓縮變形，充分破碎，然後結晶形成細小的等軸晶體，消除了偏析， 並經過後續的調質處理，形成細板條和馬氏體，碳化物顆粒分布均勻，獲得強度和韌性兼備的綜合性能。
對調質9Cr鋼管進行取樣觀察晶粒尺寸和微觀組織。 由於擠壓變形導致鋼管頭變形小，特別是先擠壓金屬保留了鑄件結構，鋼管頭尾在熱處理時散熱快，會影響管材整體效能的一致性，所以在取樣前，先切頭和尾部， 頭部切掉150 200 mm，尾部切掉50 150 mm，圖3是鋼管頭尾的微觀組織和晶粒尺寸，試樣位置為壁厚的1 2。
從圖3可以看出，連鑄坯料通過大擠壓比塑性轉化為鋼管後，材料經受高溫高壓，出現微觀收縮等缺陷，鑄造狀態的粗組織已完全破碎並重新結晶，板條經過調質後間距較小， 馬氏體緻密，細等軸晶粒分布均勻，平均晶粒尺寸約20 m，晶粒尺寸為8級別 0。 顯微組織以低碳回火馬氏體為主，碳化物在長期回火中析出成粒狀，均勻分布在鐵素體基體上，保證了高強度和高韌性的良好匹配。 從顯微組織檢測來看，9Cr馬氏體不鏽鋼中基本沒有明顯的高溫鐵素體，說明在鋼管成型和熱處理過程中，化學元素已經充分擴散，不同區域的成分變得一致，組分偏析減少，頭尾組織一致， 無差異，組織均勻性提高。
1）9CR連鑄坯結構比較粗糙，整體呈板條狀分布，組織不均勻。坯料的中心最終凝固，對金屬兩側的收縮起著作用，直徑為380公釐的連鑄坯料的中心缺陷直徑範圍約為40-60公釐。
2）9CR連鑄坯+熱擠壓工藝擠出150公釐40公釐鋼管，擠壓過程平穩，經過超聲波無損檢測和表面質量目視檢查，擠壓管表面光滑，無褶皺，無裂紋，表面質量合格。
3）9CR擠壓管經980°C、160 min油冷+700 °C 240 min風冷淬火回火，抗拉強度為751 779 MPa，屈服強度為616 649 MPa，伸長率23% 26%，硬度HRC 195~21.6、10°C橫向平均衝擊能量106-139焦耳，符合API Spec 5CT-2010標準要求。
4）連鑄坯擠壓管9cr的調質組織表明，在高溫高壓下通過熱擠壓焊接在一起，將微觀收縮等缺陷焊接在一起，鑄態的粗組織完全破碎，調質組織緻密，平均晶粒尺寸約為20 m， 晶粒尺寸可達80 級，及格。
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文章** — 金屬世界。