一種低碳多元微合金化結(jié)構(gòu)鋼的應(yīng)用*

王觀禮，張亞昌，伍玉嬌，蔣世華，張 超，梁 柔，童慶安

(1貴州高峰石油機(jī)械股份有限公司，貴州 貴陽 550081；2貴州理工學(xué)院，貴州 貴陽 550003；3貴州大學(xué)，貴州 貴陽 550025)

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一種低碳多元微合金化結(jié)構(gòu)鋼的應(yīng)用*

王觀禮1，張亞昌1，伍玉嬌2▲，蔣世華1，張 超3，梁 柔1，童慶安1

(1貴州高峰石油機(jī)械股份有限公司，貴州 貴陽 550081；2貴州理工學(xué)院，貴州 貴陽 550003；3貴州大學(xué)，貴州 貴陽 550025)

石油機(jī)械重要零件用合金結(jié)構(gòu)鋼具有尺寸大、受力環(huán)境惡劣、受力形式復(fù)雜多樣，要求大截面、厚壁零件采用材料具有較高淬透性并兼有優(yōu)良的熱處理工藝性能，以獲得高而均勻的綜合機(jī)械性能，提高其疲勞壽命，減少井下事故帶來的巨大損失。利用低碳馬氏體的特點(diǎn)以及多元微合金化提高淬透性，利用強(qiáng)韌化機(jī)理研發(fā)設(shè)計(jì)并成功生產(chǎn)應(yīng)用的—相對于40CrMnMo和4145H具有較高淬透性，一種低碳多元微合金化結(jié)構(gòu)鋼(高峰2號鋼)，其明顯優(yōu)勢在于水淬不裂并具有更高的淬透性。

微合金化合金結(jié)構(gòu)鋼，大型零件，淬透性，淬裂傾向

1 石油機(jī)械用合金結(jié)構(gòu)鋼的特點(diǎn)

石油鉆井機(jī)械零件通常要在數(shù)千米至萬米的深井下工作，其受力形式包括拉、壓、彎曲、扭轉(zhuǎn)、沖擊、磨損等多種共同作用。為了保證鉆采系統(tǒng)的有效運(yùn)行并防止事故發(fā)生，這些零件尤其是重要零件尺寸都比較粗大，對綜合機(jī)械性能的要求都較高，對選材及其熱處理質(zhì)量要求也較高。在70年代末80年代初期，我國油田鉆井深度較淺，當(dāng)時(shí)采用的Cr-Mo合金結(jié)構(gòu)鋼如35CrMo、42CrMo淬火介質(zhì)就是水和油，也基本能夠滿足需要。到了80年代后期，隨著鉆井深度加深，地質(zhì)結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，對鋼的性能要求更高。尤其是由于井下斷裂事故發(fā)生的頻率增多，對大截面或厚壁零件的綜合機(jī)械性能提出了更明確的要求，特別是沖擊韌性。這就要求材料必須具有更好的淬透性[1]。通過試驗(yàn)探索及經(jīng)過權(quán)威機(jī)構(gòu)檢驗(yàn)取證，在上世紀(jì)80年代后期及90年代初，具有更高淬透性的合金結(jié)構(gòu)鋼如40CrMnMo及4145H之類逐漸成為石油鉆井工具重要零件的主選材料。與此同時(shí)，對于淬火介質(zhì)的選擇也發(fā)生了革命性的變化：由水和油為主的淬火介質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)橐运?水基和油為主的淬火介質(zhì)，并較早在石油機(jī)具行業(yè)得到應(yīng)用。其中，接近于理想淬火介質(zhì)的水基介質(zhì)對于降低淬裂風(fēng)險(xiǎn)、提高淬火質(zhì)量起到了至關(guān)重要的作用。而曾經(jīng)一度作為主要淬火介質(zhì)之一的油則歷史性地退居配角。并且由于淬火油用量減少，熱處理的生產(chǎn)環(huán)境也因此大為改善。進(jìn)入新世紀(jì)以來，隨著國內(nèi)外水平井、大位移井、超深井的迅速發(fā)展[2-3]，對鉆井、修井作業(yè)工藝和裝備提出了更高的要求，只有采用淬透性更好的材料，才能保證大截面、大壁厚零件的綜合性能更高，截面綜合性能更均勻，才能保證鉆井、修井工具具有高的疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命。而由于淬火烈度的增加，對材料純凈度的要求自然提高。試驗(yàn)、檢測綜合分析結(jié)果表明，40CrMnMo及4145H也不能完全滿足要求。問題表現(xiàn)在或者是強(qiáng)度略差或者是韌性稍遜、甚至還有很大的淬裂風(fēng)險(xiǎn)[4]?？傊瑦毫拥墓ぷ鳝h(huán)境、復(fù)雜的受力條件要求截面尺寸大的井下工具具有高的綜合機(jī)械性能，所采用的合金結(jié)構(gòu)鋼既要有高的淬透性，又要有好的熱處理工藝性?，F(xiàn)實(shí)呼喚淬透性更高、熱處理工藝性更好的合金結(jié)構(gòu)鋼。比較GB/T 3077中國產(chǎn)合金結(jié)構(gòu)鋼的牌號，尚未找到符合上述要求的理想材料。

關(guān)于低碳馬氏體的強(qiáng)韌性，在著名金屬材料科學(xué)家徐祖耀的著作《馬氏體及馬氏體相變》[5]中以及許多學(xué)者的學(xué)術(shù)論文中都有論述。為了探索究竟，我們采用強(qiáng)烈淬火的辦法，用20CrMnMo做試驗(yàn)，其結(jié)果如表1所示。

表1 20CrMnMo的熱處理性能

但是由于受淬透性的局限，對于大截面、大壁厚零件其綜合機(jī)械性能并不能達(dá)到我們期望的目標(biāo)。按照淬透性的定義，淬透性是指鋼接受淬火能夠獲得馬氏體組織深度的能力，這種能力一般以水淬或油淬中心能夠獲得50 %馬氏體組織的臨界直徑來衡量。而中心獲得50 %馬氏體組織不等于中心能獲得所需要的綜合性能。石油鉆井工具一般要求在零件壁厚的中心或?qū)嵭牧慵氤善肪啾砻?0 mm為中心取樣。根據(jù)不同油田用戶的井下地質(zhì)情況不同，部分要求較高的其屈服強(qiáng)度從80—90年代的690 MPa～760 MPa現(xiàn)在已經(jīng)逐步提高到827 MPa～964 MPa、相應(yīng)的抗拉強(qiáng)度則從930 MPa～965 MPa提高到965 MP～1 033 MPa、夏氏沖擊功由54 J提高到60 J～90 J、硬度由285～321 HB提高到300～360 HB。從金相組織觀察，取樣部位至少要獲得90 %以上的馬氏體才能保證性能達(dá)到要求。對于大規(guī)格零件，在強(qiáng)烈冷卻的條件下，往往因?yàn)榻M織轉(zhuǎn)變應(yīng)力和熱應(yīng)力都較大的原因，心部即便只有50 %馬氏體或者不足50 %的馬氏體，由于大規(guī)格材料心部往往存在顯微缺陷，這些缺陷降低了心部強(qiáng)度；一旦熱應(yīng)力超過心部組織的破斷強(qiáng)度時(shí)將發(fā)生橫斷，或者在組織應(yīng)力起主要作用時(shí)，在表面附近的切向最大應(yīng)力作用下心部將有發(fā)生縱劈的風(fēng)險(xiǎn)[6]，尤其是在原材料存在原始組織較為粗大，或者存在局部夾雜超標(biāo)，或者二者兼而有之的情況下更是如此(圖1-圖7)。

圖1 4145H原材料中的縮孔殘余

圖2 在縮孔殘余空洞附近的切片

圖3 4145H淬火后產(chǎn)生的縱劈斷裂

圖4 在縮孔殘余空洞附近取樣的粗大組織200 ×

圖5 在縮孔殘余空洞附近取樣：發(fā)現(xiàn)的夾雜物100 ×

100 ×

圖7 在圖3發(fā)生劈裂試樣上取樣：發(fā)現(xiàn)的夾雜物100 ×

能不能利用低碳馬氏體組織的強(qiáng)韌性和多元微合金化[7-8]原理設(shè)計(jì)并生產(chǎn)一種具有優(yōu)良的熱處理工藝性能、沒有淬裂傾向、淬透性又足夠高、同時(shí)又滿足資源節(jié)約成本可接受的低碳[9]低合金高淬透性合金結(jié)構(gòu)鋼？這就成為我們孜孜以求的愿景目標(biāo)。通過與其他科研院校、企業(yè)的合作攻關(guān)，分析比較國產(chǎn)合金結(jié)構(gòu)鋼的成分特點(diǎn)、熱處理工藝性、組織性能特點(diǎn)以及材料的純凈度，我們設(shè)計(jì)了后來被命名為高峰2號鋼的成分，并通過試驗(yàn)生產(chǎn)、以及投產(chǎn)試驗(yàn)使用證明：該材料不僅完全達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，而且使少氧化加熱(采用中頻感應(yīng)加熱)熱處理成為可能，由于可以水淬就進(jìn)一步減少了水基淬火介質(zhì)的用量進(jìn)一步降低了熱處理成本并改善了生產(chǎn)環(huán)境提高了生產(chǎn)效率。該材料化學(xué)成分如表2所示；該材料的熱處理性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖8-10所示；材料不同狀態(tài)的金相組織如圖11-14所示。

表2 高峰2號鋼的化學(xué)成分/%

圖8 高峰2號鋼滲碳淬火不同溫度回火沖擊功和表面硬度隨溫度變化的關(guān)系曲線

Fig.8 Change curve of absorbed energy and hardness of Ganfeng No.2 steel under different tempering temperatures

圖9 高峰2號鋼未滲碳淬火不同溫度回火硬度(HRC)與沖擊功(J)隨回火溫度變化的關(guān)系曲線

圖10 高峰2號鋼淬火溫度與淬火硬度的關(guān)系曲線

圖11 高峰2號鋼原材料組織：粒狀珠光體+少量鐵素體500 ×

圖12 高峰2號鋼原材料正火組織：細(xì)粒狀珠光體+少量鐵素體

圖13 高峰2號鋼原材料淬火組織：板條狀馬氏體500 ×

圖14 高峰2號鋼原材料調(diào)質(zhì)組織：回火索氏體500 ×

該材料具有如下特點(diǎn)：

1)碳含量低但由于采用了釩、鈦、鈮微量元素多元微合金化[10-12]的交互作用，同時(shí)鋼中還含有較高的鉻和鉬以及對提高淬透性效果明顯的微量元素硼，因此鋼的淬透性高而且淬裂傾向小，可以采用廉價(jià)并且成本低冷卻性能最好的水進(jìn)行淬火，獲得最大比例的以板條狀為主的混合馬氏體組織，最大限度降低非馬氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的比例。首先，低的碳含量可以確保正偏析區(qū)水淬不裂；其次，低碳馬氏體的亞結(jié)構(gòu)為位錯(cuò)，而位錯(cuò)運(yùn)動是塑性變形的主要方式之一；此外，顯微分析證明，低碳馬氏體板條及板條間有明顯殘余奧氏體薄膜，該薄膜為馬氏體和母相奧氏體，無界面碳化物析出。回火后由于較高的鉬提高回火穩(wěn)定性以及微量元素產(chǎn)生的細(xì)晶強(qiáng)化和彌散析出強(qiáng)化，因此低碳馬氏體具有很好的強(qiáng)韌性。與40CrMnMo及4145H比較：在相同條件下計(jì)算的淬透性帶[13]，該鋼都比40CrMnMo及4145H狹窄，而且其帶的下限值均比40CrMnMo及4145H的淬透性帶的上限值略高。這就決定了熱處理后截面的性能均勻性和綜合機(jī)械性能都比40CrMnMo及4145H高。

2)熱處理淬裂風(fēng)險(xiǎn)極低，回火沖擊韌性很高，綜合機(jī)械性能容易保證，合格率高、使用效果好，使用至今尚未有發(fā)生淬裂或使用斷裂的案例。部分產(chǎn)品零件熱處理后的性能檢測結(jié)果如表3所示：無論是壁厚43.5 mm～70 mm的厚壁零件還是直徑172 mm～235 mm的實(shí)心零件，其取樣部位的綜合機(jī)械性能都滿足了高強(qiáng)韌性的要求，并且具有水淬不裂的優(yōu)良的熱處理工藝性能。因此該鋼充分體現(xiàn)了多元微合金化鋼追求高潔凈度、超細(xì)晶粒、高均勻性的材質(zhì)目標(biāo)(圖11-圖14)。

表3 高峰2號鋼制作部分產(chǎn)品零件熱處理后的機(jī)械性能

3)通過對該鋼的熱處理性能進(jìn)行試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該鋼還可以用來制作機(jī)械式隨鉆震擊器的卡瓦，具有比35CrMo更好的表面硬度和整體韌性配合(表4)。由于該鋼的合金元素鉬及鉻較高，采用該鋼滲碳淬火585℃回火的表面硬度還有48 HRC，缺口沖擊功平均85 J，具有良好的強(qiáng)韌性。而如果是35CrMo滲碳淬火585℃回火的表面硬度就只有40 HRC，就滿足不了耐磨性要求。35CrMo滲碳淬火不同溫度回火缺口沖擊功和無缺口沖擊功隨回火溫度變化的關(guān)系曲線，如圖15，35CrMo滲碳淬火不同溫度回火表面硬度隨回火溫度變化的關(guān)系曲線如圖16。

表4 高峰2號鋼與35CrMo滲碳淬火回火的性能

注：括號內(nèi)數(shù)值為35CrMo材料制作卡瓦的數(shù)值(Note：the value in scraping the number of 35CrMo material，the value of slip)。

圖15 35CrMo滲碳淬火沖擊功與回火溫度關(guān)系

圖16 35CrMo鋼不同回火溫度的硬度

2 進(jìn)一步提高石油機(jī)械用合金結(jié)構(gòu)鋼品質(zhì)的思考

1) 低碳多元微合金化合金結(jié)構(gòu)鋼具有很好的市場前景，還有待進(jìn)一步去開發(fā)利用。石油機(jī)械中的井下工具工作條件惡劣，受力情況復(fù)雜，較大截面的零件不僅綜合機(jī)械性能要求高，而且要求截面性能均勻，因此，選擇具有高淬透性、并且水淬不裂的優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼是大勢所趨。

2 )在目前各行各業(yè)需求不振，鋼企尤為困難的情況下，鋼企更應(yīng)該重視對品質(zhì)的控制；通過調(diào)研用戶市場需求，適度提高不同品種鋼材的純凈度。

3)我國鋼材的品質(zhì)與國外相比還存在比較明顯的差距。這種差距表現(xiàn)在幾個(gè)方面。

a)純凈度比較，同樣是合金結(jié)構(gòu)鋼，進(jìn)口鋼材的原始組織都比較細(xì)、夾雜物級別都比較低；無論是從提高產(chǎn)品質(zhì)量的角度還是從降低資源成本及制造成本的角度，切實(shí)采取措施提高鋼材的純凈度均十分必要：因?yàn)橹挥袖摬牡募儍舳忍岣吡耍拍芙档痛懔扬L(fēng)險(xiǎn)。

b)淬透性比較，國產(chǎn)合金結(jié)構(gòu)鋼淬透性帶較寬，導(dǎo)致性能穩(wěn)定性、截面性能均勻性較差。

c)淬裂風(fēng)險(xiǎn)比較，國產(chǎn)合金結(jié)構(gòu)鋼有孔零件水淬開裂的風(fēng)險(xiǎn)很大，而具有低碳特點(diǎn)而且具有更好淬透性的進(jìn)口合金結(jié)構(gòu)鋼可以做到水淬不裂。因此，綜合考慮廢品損失和事故損失，對于大尺寸零件，即便原材料成本相對高一些，采用具有較高淬透性、并且水淬不裂的優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼都是值得的。我們期望借助于國家供給側(cè)結(jié)構(gòu)改革的東風(fēng)，在市場的推動下、在科技創(chuàng)新的引領(lǐng)下，一方面研發(fā)具有較高淬透性、更好熱處理工藝性的優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼，另一方面通過技術(shù)進(jìn)步和強(qiáng)化管理，使我國現(xiàn)有鋼材品質(zhì)得到穩(wěn)步提升。

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▲通訊作者：伍玉嬌，教授，從事高性能結(jié)構(gòu)材料研究。

Application of a low-carbon micro-alloyed structural steel*

WANG Guanli1，ZHANG Yachang1，WU Yujiao2▲，JIANG Shihua1，ZHANG Chao3，LIANG Rou1，TONG Qingan1

(1GuizhouGaofengPetroleumMachineryCo.Ltd.，Guiyang550081，China；2GuizhouInstituteofTechnology，Guiyang550003，China；3GuizhouUniversity，Guiyang550025，China)

The alloyed structural steel used in important parts of petroleum machinery is large in size，works in harsh environment and under various farces，which requires the material to have high hardenability and good heat treatment performance，so that the fatigue life of the parts can be prolonged and downhole accidents can be avoided.In this study，we took advantage of the characteristics of low-carbon martensite and micro-alloying to improve the hardenability of the material，and developed 40CrMnMo and 4145H with relatively higher hardenability，which was a type of low-carbon micro-alloyed structural steel(Gaofeng No.2 Steel).The new material has the advantages of not cracking when water quenching，and higher hardenability.

micro-alloyed structural steel，large parts，hardenability，quench cracking tendency

TG

B

2016-07-20；

2016-08-31

貴州省工業(yè)攻關(guān)項(xiàng)目，合同號黔科合(2014)3034。

王觀禮，高級工程師，從事金屬材料及其熱處理工藝方法研究。