楊曉峰

(上海海隆石油鉆具有限公司，上海 200949)

在石油行業(yè)隨著超深井、定向井等先進(jìn)鉆井技術(shù)的廣泛應(yīng)用，各大油田開始對(duì)深層油氣資源進(jìn)行勘探和開發(fā)，鉆具承受更大的彎矩、扭矩、拉力、摩阻載荷和振動(dòng)[1,2]，因此鉆桿疲勞失效事故頻繁發(fā)生，相關(guān)專家提出鉆桿“先刺后斷”理念，要求鉆桿具有高強(qiáng)度高韌性[3]。27CrMo鋼屬于低碳合金鋼，具有較好的淬透性、綜合力學(xué)性能和工藝性能，因此廣泛使用在石油鉆具行業(yè)。鐵素體具有低強(qiáng)度高塑性及高韌性的特性，傳統(tǒng)理論認(rèn)為鐵素體存在會(huì)降低鋼材強(qiáng)度提高塑性及韌性，因此淬火溫度應(yīng)選在Ac3以上。但近年來相關(guān)專家提出了亞溫淬火理論，亞溫淬火(Lamellarizing，L)是把鋼加熱到Ac1至Ac3之間雙相區(qū)內(nèi)某一溫度時(shí)，保溫一定時(shí)間后，用淬火液冷卻的工藝過程[4,5]。亞溫淬火溫度比常規(guī)熱處理溫度低30～80℃，亞溫淬火工藝具有不降低鋼材強(qiáng)度提高韌性、減少裂紋傾向和降低能耗的優(yōu)點(diǎn)，相關(guān)研究證實(shí)了亞溫淬火工藝廣泛應(yīng)用在低、中碳合金鋼等金屬材料[6]。本文對(duì)27CrMo鋼進(jìn)行不同溫度亞溫淬火+回火試驗(yàn)，進(jìn)行理化性能檢測(cè)得出力學(xué)性能數(shù)據(jù)，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析找出27CrMo鋼力學(xué)性能變化趨勢(shì)，同時(shí)對(duì)試樣金相組織進(jìn)行觀察分析，得出亞溫淬火對(duì)27CrMo鋼顯微組織轉(zhuǎn)變的影響。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用139.7mm×9.17mm規(guī)格27CrMo無縫鋼管，化學(xué)成分見表1。

表1 試樣的化學(xué)分析結(jié)果 ωB/%

1.2 試驗(yàn)所用設(shè)備

ARL4460OES直讀光譜儀、SX2-10-12箱式電阻加熱爐、WAW-600電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)、JBN-300擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)、600MRD數(shù)顯洛氏硬度計(jì)、日產(chǎn)OLYMPUS-GX51金相顯微鏡。

1.3 試驗(yàn)工藝選擇

亞溫淬火是鋼加熱到Ac1至Ac3之間雙相區(qū)的一種熱處理工藝，故亞溫淬火加熱進(jìn)入組織轉(zhuǎn)變雙相區(qū)有兩種方式：一種方式是將鋼由室溫直接加熱至雙相區(qū)，可稱為“正常進(jìn)入”。 另一種方式是將鋼加熱至Ac3以上組織進(jìn)行奧氏體化，然后降至雙相區(qū)，可稱為“逆向進(jìn)入”。相關(guān)研究顯示“正常進(jìn)入”雙相區(qū)優(yōu)于“逆向進(jìn)入”雙相區(qū)，這兩種進(jìn)入雙相區(qū)方式的不同，得到組織不同，故對(duì)其產(chǎn)生的強(qiáng)韌化效果也不同[4,7]。故本試驗(yàn)采用將鋼由室溫加熱至雙相區(qū)，即所謂“正常進(jìn)入”的方式進(jìn)行亞溫淬火試驗(yàn)。

27CrMo鋼通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算Ac1為725℃，Ac3為835℃，常規(guī)淬火溫度為860℃，故試驗(yàn)溫度選 750℃、780℃、800℃、830℃和 860℃五種。采用箱式電阻爐淬火加熱，試樣達(dá)到預(yù)定淬火溫度后，保溫30min，水冷至室溫，回火溫度選用610℃，保溫60min，空冷至室溫。淬火溫度750℃試樣編號(hào)為A1,淬火溫度780℃試樣編號(hào)為A2,淬火溫度800℃試樣編號(hào)為A3,淬火溫度830℃試樣編號(hào)為A4，淬火溫度860℃試樣編號(hào)為A5。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析和討論

2.1 力學(xué)性能分析

按照上述27CrMo鋼熱處理工藝，通過試樣力學(xué)性能檢測(cè)得到了27CrMo鋼相關(guān)力學(xué)性能數(shù)據(jù)，結(jié)果見表2、3所示，淬火溫度與27CrMo鋼力學(xué)性能的關(guān)系曲線見圖1、圖2、圖3。通過圖1、圖2可看出27CrMo鋼在750～830℃亞溫淬火時(shí)，隨著淬火溫度的升高屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和硬度均升高；淬火溫度到達(dá)常規(guī)淬火溫度860℃時(shí)，27CrMo鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度較亞溫淬火830℃時(shí)略有降低，但硬度升高。通過圖2、圖3可看出27CrMo鋼在750～830℃亞溫淬火時(shí)，隨著淬火溫度的升高伸長(zhǎng)率和沖擊功均降低；淬火溫度到達(dá)常規(guī)淬火溫度860℃時(shí)，27CrMo鋼的伸長(zhǎng)率和沖擊功較亞溫淬火830℃時(shí)均略有降低。

圖1 淬火溫度與27CrMo鋼強(qiáng)度的關(guān)系曲線

圖2 淬火溫度與27CrMo鋼伸長(zhǎng)率和硬度的關(guān)系曲線

圖3 淬火溫度與27CrMo鋼沖擊韌性的關(guān)系曲線

通過以上數(shù)據(jù)對(duì)比可看出，27CrMo鋼隨著亞溫淬火溫度的升高綜合力學(xué)性能逐漸變好，在略低于Ac3溫度時(shí)的綜合力學(xué)性能最佳。其原因?yàn)樵趤啘卮慊鸺訜釙r(shí)，鋼的組織為鐵素體+奧氏體，且鐵素體和奧氏體的相對(duì)含量受淬火溫度的影響，淬火溫度低，奧氏體含量少，鐵素體含量越多；而淬火溫度高，奧氏體含量多，鐵素體含量越少。亞溫淬火溫度在Ac1溫度附近時(shí)，組織中存在大量大條塊狀鐵素體，隨著淬火溫度的升高，碳原子不斷擴(kuò)散，奧氏體逐漸向鐵素體內(nèi)延伸，鐵素體的相對(duì)含量、尺寸逐漸減少，鐵素體晶粒之間的間距逐漸加大，當(dāng)淬火溫度在Ac3附近時(shí)，組織中鐵素體未完全溶解，只留下少量均勻彌散分布的細(xì)小的顆粒狀或針狀鐵素體，對(duì)生成的奧氏體晶粒起阻割作用，并抑制奧氏體晶粒長(zhǎng)大，同時(shí)彌散分布的未溶鐵素體以第二相粒子存在，起沉淀強(qiáng)化的作用，彌補(bǔ)了殘留鐵素體帶來的負(fù)效應(yīng)，因而大大提高了鋼的強(qiáng)韌性。

通過表2和表3數(shù)據(jù)可看出，27CrMo鋼常規(guī)860℃淬火較亞溫830℃淬火綜合力學(xué)性能略有下降。這是因?yàn)槌Ｒ?guī)淬火加熱時(shí)鐵素體全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，淬火冷卻時(shí)組織中的鐵素體以兩種形態(tài)析出，一種沿奧氏體晶界析出，另一種在奧氏體晶內(nèi)成對(duì)析出，并且兩種鐵素體析出形態(tài)分布不均勻并且較粗大，從而降低了鋼的強(qiáng)韌性。

表2 試樣的力學(xué)性能

表3 試樣的沖擊韌性

2.2 金相組織分析

27CrMo鋼經(jīng)過不同溫度淬火610℃回火后的金相組織如圖4所示，從圖a～d可看出，隨著亞溫淬火溫度的升高，鋼中的鐵素體相對(duì)含量逐漸減少，而回火索氏體逐漸增多；即隨著亞溫淬火溫度的升高鋼中奧氏體的相對(duì)含量逐漸增多，鐵素體減少，淬火冷卻后馬氏體的相對(duì)含量增加，所以27CrMo鋼力學(xué)性能上表現(xiàn)為的強(qiáng)度和硬度不斷提高(見圖1)。隨著亞溫淬火溫度的升高，鐵素體含量不斷減少，沖擊韌性和伸長(zhǎng)率逐漸降低，所以鐵素體的含量對(duì)鋼的塑韌性起著主要的作用。同時(shí)觀察圖a～d可以發(fā)現(xiàn)，27CrMo鋼中鐵素體在減少的同時(shí)，組織形態(tài)也在不斷細(xì)化，由大塊狀轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小針狀，組織變得更細(xì)小并均勻分布。故27CrMo鋼亞溫淬火時(shí)，淬火溫度在Ac3附近830℃時(shí)綜合力學(xué)性能最優(yōu)，見表2。

常規(guī)熱處理后金相組織見圖4e，組織為小塊狀鐵素體+回火索氏體，860℃淬火加熱時(shí)，鐵素體全部溶于奧氏體，當(dāng)淬火冷卻時(shí)，鐵素體沿奧氏體晶界析出，同時(shí)由于淬火溫度較高，也會(huì)導(dǎo)致奧氏體晶粒變粗大。圖4d為830℃亞溫淬火后金相組織，組織為針狀鐵素體+回火索氏體，可見亞溫淬火加熱時(shí)，鋼中存在較多的未溶的均勻彌散分布的細(xì)小針狀鐵素體，淬火冷卻時(shí)這些韌性好的鐵素體相包圍了高強(qiáng)度的馬氏體，在高溫回火過程中，馬氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹚魇象w，但鐵素體組織沒有變化，依然分布在回火索氏體的周圍，這種結(jié)構(gòu)在提高強(qiáng)度的同時(shí)，針狀鐵素體相也成為裂紋擴(kuò)展的障礙，使裂紋鈍化，大大提高了其韌性。故830℃亞溫淬火綜合力學(xué)性能優(yōu)于較常規(guī)860℃淬火，見表2。

3 結(jié)論

（1）27CrMo鋼隨著亞溫淬火溫度的升高屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和硬度逐漸升高，但是伸長(zhǎng)率和沖擊功逐漸降低，淬火溫度在Ac3附近830℃時(shí)綜合力學(xué)性能最佳。

（2）27CrMo鋼830℃亞溫淬火后綜合力學(xué)性能略優(yōu)于常規(guī)860℃淬火后綜合力學(xué)性能。

（3）27CrMo鋼隨著亞溫淬火溫度的提高，鋼中的鐵素體含量不斷減少，組織形態(tài)也在不斷的細(xì)化，由大塊狀轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小針狀，組織變得更細(xì)小并均勻分布。

（4）27CrMo鋼常規(guī)淬火加熱時(shí)鐵素體完全轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，淬火時(shí)析出了塊狀鐵素體。而亞溫淬火加熱時(shí)，組織中有少量未溶鐵素體，但由于鐵素體呈彌散細(xì)針狀分布，阻止奧氏體組織晶粒長(zhǎng)大，得到細(xì)小的晶粒，細(xì)針狀鐵素體相也成為裂紋擴(kuò)展的障礙，同時(shí)彌補(bǔ)了鐵素體本身帶來的負(fù)效應(yīng)，因此亞溫淬火綜合力學(xué)性能優(yōu)于常規(guī)淬火。

圖4 27CrMo鋼不同溫度淬火610℃回火后的金相組織