熱處理工藝對摩擦焊接鉆桿力學(xué)性能的影響

穆海龍

（勝利石油工程有限公司井下作業(yè)公司 山東東營 257000）

摘 要：石油鉆桿是石油行業(yè)必不可少的工具，摩擦焊是鉆桿管體和接頭最有效、最可靠的連接方法。石油鉆桿摩擦焊后力學(xué)性能不達(dá)標(biāo)，必須通過熱處理改善其綜合力學(xué)性能。本文通過拉伸、沖擊和硬度試驗測試了不同熱處理工藝參數(shù)下26CrMoNbTiB鋼石油鉆桿的力學(xué)性能。得出了淬火溫度、回火溫度、回火保溫時間對鉆桿力學(xué)性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明熱處理工藝為淬火溫度900℃+保溫時間30min+回火溫度590℃+回火保溫時間30min時26CrMoNbTiB鋼石油鉆桿的綜合力學(xué)性能最好，滿足了API 5DP標(biāo)準(zhǔn)對S級鉆桿的使用要求。

關(guān)鍵詞：摩擦焊；熱處理工藝；26CrMoNbTiB鋼；力學(xué)性能

一、緒論

主要研究內(nèi)容

為了探索不同的熱處理參數(shù)對石油鉆桿的力學(xué)性能影響規(guī)律，本課題需要詳細(xì)開展以下方面的研究。

根據(jù)理論分析確定石油鉆桿摩擦焊后的退火溫度、淬火溫度、回火溫度、回火保溫時間。設(shè)計出8種不同的熱處理工藝，對8根摩擦焊接鉆桿進(jìn)行熱處理。然后分別從8根鉆桿每根上選取3個拉伸試樣和3個沖擊試樣進(jìn)行試驗。

試驗結(jié)果取平均值進(jìn)行研究分析，通過對試樣的力學(xué)性能測試結(jié)果分析淬火溫度，回火溫度，回火保溫對鉆桿力學(xué)性能影響規(guī)律，最后結(jié)合金相組織研究篩選出一組摩擦焊鉆桿最佳熱處理工藝參數(shù)。

二、試驗結(jié)果及分析

1、焊區(qū)力學(xué)性能檢測結(jié)果

對每組熱處理工藝參數(shù)的鉆桿取3個樣進(jìn)行試驗，得到了鉆桿不同熱處理工藝下焊區(qū)的力學(xué)性能數(shù)據(jù)

2、回火溫度對材料力學(xué)性能的影響規(guī)律

當(dāng)淬火溫度為900℃，淬火保溫時間為30min、回火保溫時間為30min時，結(jié)果表明隨著回火溫度升高，材料強度和硬度下降，延伸率和沖擊吸收功增大。鋼的回火過程實質(zhì)上就是過飽和的α固溶體的脫溶過程，而這個過程還要受到中Mo，Cr，Ti，Nb等合金元素的擴散控制，由于碳化物形成元素、合金碳化物Mo，Cr的彌散析出，起到釘扎位錯運動，形成彌散強化的作用。但由于一方面碳原子的固溶強化作用隨回火溫度提高而下降，另一方面高溫回火時材料中合金碳化物逐漸聚集成較大的顆粒，降低了位錯的阻礙作用。兩方面作用使得材料強度和硬度隨回火溫度升高而降低。同時材料高溫回火時馬氏體的針狀形態(tài)消失，形成多邊形的鐵素體，最終出現(xiàn)粗粒狀滲碳體和鐵素體的機械混合物回火索氏體，提高了材料的沖擊韌性。回火溫度越高，得到的組織晶粒越細(xì)。530℃回火時基體出現(xiàn)了細(xì)小的針狀碳化物；590℃回火時該碳化物開始長大，并且板條馬氏體邊界出現(xiàn)一定數(shù)量的條狀棒狀碳化物；650℃回火時該條狀棒狀碳化物數(shù)量增多且開始長大粗化；當(dāng)回火溫度過高達(dá)到710℃時，該滲碳體逐漸向晶界偏聚，并且變成粒狀滲碳體，開始球化，長大。這一系列組織轉(zhuǎn)變使得材料塑性韌性增大而使強度大大下降。根據(jù)綜合力學(xué)變化規(guī)律，回火溫度為590℃比較合適。

3、回火保溫時間對材料力學(xué)性能的影響規(guī)律

當(dāng)淬火溫度為900℃，淬火保溫時間為30min、回火溫度為590℃時，結(jié)果表明隨著保溫時間延長，材料的屈服強度抗拉強度略微下降，延伸率和沖擊吸收功略微增大。分析可知：材料在淬火后回火保溫初期，由于Mo、Ni、V等元素有減弱回火脆性的作用，組織為板條馬氏體，保溫初期馬氏體中析出會ε碳化物。隨著回火保溫時間增加，ε碳化物會轉(zhuǎn)變?yōu)闈B碳體型碳化物并且在馬氏體界面發(fā)生聚集現(xiàn)象。進(jìn)一步延長保溫時間合金碳化物發(fā)生粗化、球化，高溫保溫過程中材料的強度指標(biāo)不斷下降，韌性指標(biāo)不斷上升。但是幅度不是很大。根據(jù)綜合力學(xué)變化規(guī)律，保溫30min材料力學(xué)性能完全符合API 5DP標(biāo)準(zhǔn)。

4、淬火溫度對材料力學(xué)性能的影響規(guī)律

當(dāng)淬火保溫時間為30min、回火溫度為590℃、回火保溫時間為30min時，材料的屈服強度、抗拉強度、硬度，延伸率和沖擊吸收功都變化不大。分析可知，一方面隨淬火溫度升高，合金中的碳化物會逐漸分解，合金元素C，Mn在奧氏體中溶解度增大，起到固溶強化作用。另外微量元素Nb，Ti，B能抑制奧氏體長大，細(xì)化晶粒，提高粗晶化溫度。另一方面，隨著淬火溫度的提高，奧氏體晶粒會逐步增大，淬火后得到更為粗大的馬氏體，從而使材料的力學(xué)性能下降。綜合兩方面的作用，當(dāng)淬火溫度在一定溫度提高不是很大時，碳化物的溶解和奧氏體成分的均勻化大于奧氏體晶粒有限長大的不利影響，因此材料的強度和硬度會稍微增大，沖擊功略微下降。但是過高的淬火溫度則會使奧氏體晶粒長大的不利影響占據(jù)主導(dǎo)。根據(jù)綜合力學(xué)變化規(guī)律，淬火溫度為900℃比較合適。

三、結(jié)論

本文以級別為S級，材質(zhì)為26CrMoNbTiB鋼的石油鉆桿為對象進(jìn)行了不同熱處理工藝對其力學(xué)性能的影響的研究。采用拉伸試驗，硬度試驗、沖擊試驗等力學(xué)性能測試手段研究了淬火溫度、回火溫度、回火保溫時間這三個不同熱處理參數(shù)分別對26CrMoNbTiB鋼石油鉆桿摩擦焊后熱處理工藝的力學(xué)性能影響規(guī)律。通過試驗結(jié)果得出以下結(jié)論：

（1）隨回火溫度從530℃提高到710℃，鉆桿的強度和硬度逐漸減小，延伸率和沖擊吸收功逐漸增大。590℃的回火溫度最為合適。

（2）隨回火保溫時間從10min提高到50min，鉆桿的強度和硬度逐漸減小，延伸率和沖擊吸收功逐漸增大。30min的淬火保溫時間最為合適。

（3）隨淬火溫度從860℃提高到900℃，鉆桿的強度和硬度逐漸增大，延伸率和沖擊吸收功逐漸減?。坏?dāng)淬火溫度從900℃增大到940℃，各個力學(xué)性能指標(biāo)基本不變。900℃的淬火溫度最為合適。

（4）最終確定26CrMoNbTiB鋼石油鉆桿熱處理工藝為淬火溫度900℃+保溫時間30min+回火溫度590℃+回火保溫時間30min。其力學(xué)性能達(dá)到屈服強度為1041MPa，抗拉強度為1106MPa，延伸率為20.3%，焊區(qū)硬度為35.9HRC，沖擊吸收功為82J，綜合機械性能良好，滿足了API 5DP標(biāo)準(zhǔn)對S級鉆桿的使用要求。

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