對AISI 4130材料力學性能影響因素的控制

王誠　許福東　廉培霞

摘 要：AISI 4130材料因其具有較高的強度、良好的低溫沖擊性能、耐硫化氫酸性介質(zhì)應力腐蝕、性價比較高而在井口裝置和采油樹設備上得到了廣泛使用，并可通過不同的煉鋼、鍛造和熱處理控制方法獲得不同的強度性能。文章從材料的選擇、原材料、熱處理三方面的控制來探討，為得到穩(wěn)定的AISI 4130 75K及以上級別的性能。

關(guān)鍵詞：AISI 4130；力學性能；熱處理

中圖分類號：TG156 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）30-0001-04

Abstract： AISI 4130 is widely used in wellhead equipment and oil tree equipment because of its high strength， good low temperature impact property， hydrogen sulfide resistance to acid medium stress corrosion resistance， and high performance-price ratio. Different strength properties can be obtained by different control methods of steel-making， forging and heat treatment. This paper discusses the control of material selection， raw material and heat treatment in order to obtain stable properties of AISI 4130 75K and above.

Keywords： AISI 4130； mechanical properties； heat treatment

1 概述

AISI 4130 材料因為其較高的強度、良好的低溫沖擊性能、耐硫化氫酸性介質(zhì)應力腐蝕、性價比較高而在井口裝置和采油樹設備上得到了廣泛使用。AISI 4130通常有60K，75K，80K和85K四個強度等級，對于69.0MPa（10000psi）以上的井口裝置和采油樹設備，常用75K及以上的4130材料，以達到既滿足性能要求，又降低產(chǎn)品重量和成本。

本文以AISI 4130力學性能從以下三方面進行探討：材料的選擇、原材料的控制、熱處理的控制。

（1）材料的選擇

（2）原材料的控制：

化學成分的控制

氫含量控制

偏析控制

鋼的清潔度控制

（3）熱處理：

熱處理冷卻能力的控制

熱處理工藝控制

2 材料的選擇

作為設計選材，首先要滿足ER≤DI，即產(chǎn)品的尺寸不超過所用合金的淬透層深度，這個是保證整個截面材料完全淬透，繼而達到整個截面力學性能符合的前提。API 6HT《大截面的關(guān)鍵截面的熱處理和試驗》作為API標準對熱處理細節(jié)要求的補充，已經(jīng)提出了關(guān)鍵零件或大截面零件不適當?shù)臒崽幚硎菍е掠吞锸У闹饕蛩刂?，主要是API 6A規(guī)范允許的小的QTC性能不能代表等效圓大于QTC的零件的機械性能，由于特定材料的淬透性，QTC的試驗結(jié)果并不總是和實際產(chǎn)品橫截面所有位置的性能保持一致。因此，如果設計的零件尺寸不超過所用材料的淬透直徑，可以使用API 6A中要求的ER=5的標準試塊，如果零件設計要求零件具有大的淬透性，應使用大尺寸試塊或本體延長段取樣。

綜上，合金材料的選擇主要基于零件的幾何形狀及相應的性能要求來確定。如果零件在鍛態(tài)、軋態(tài)或者鑄態(tài)條件下進行熱處理，則零件在熱處理調(diào)質(zhì)前應進行粗加工，以保證獲得盡可能大的淬透性。

3 原材料的控制

3.1 化學成分的控制

原材料的化學成分包括基本元素C、Si、Mn、Cr、Mo等元素，基本原則是這些元素能夠保證材料具有足夠的淬透性和淬硬性。

任何材料都具有一定的淬透性，材料的理想淬透直徑主要取決于其化學成分，按照ASTM A255，4130材料的理想淬透直徑：

DI=（0.54C）（1+3.33Mn）（1+0.36Ni）（1+0.7Si）（1+2.16Cr）（1+3Mo）

此外，原材料化學成分的控制是對S、P含量的控制，對于S含量，最好是能夠控制在0.005以下，因此技術(shù)規(guī)范中的S含量應控制在0.15以內(nèi)。根據(jù)材料斷裂力學，隨著鋼中S含量的增加，材料的KIC會降低，KIC表征臨界或失穩(wěn)狀態(tài)的KI（應力強度因子），平面應變下的斷裂韌度，同時S化物增加會提高材料的ITT（沖擊轉(zhuǎn)變溫度）。S與KIC關(guān)系見圖1，S化物與ITT關(guān)系見圖2。

對于P，由于其與回火脆性有一定關(guān)系，隨著鋼中P含量提高，鋼的回火脆性會隨之增加，因此，對鋼中P含量最好控制在0.015以內(nèi)。

Al存在于鋼中有一定的細化晶粒的效果，ALN作為第二相存在于鋼中可作為形核質(zhì)點并阻礙晶粒長大，對于4130材料，Al含量最好控制在0.015～0.03。但一旦形成的AL2O3，則氧化物夾雜對鋼的性能產(chǎn)生不利影響。

其余參與元素如Cu、Sn、Sb、As等在鋼中一般作為有害元素進行控制，對于4130材料，Cu主要是引起鋼的脆性，而加入適量的Ni則可以防止銅對鋼產(chǎn)生的脆性，一般Cu：Ni最好控制在1：2為佳。

3.2 原材料偏析的控制

鋼中的偏析造成材料組織及性能不均勻。因此，對原材料偏析的控制主要是對鋼廠的控制。對于鋼錠（上大下?。V模設計是控制鋼偏析的一個有效手段，對于上大下小的鋼錠，錠模斜度一般控制在6°～8°，對于上小下大的鋼錠，錠模斜度一般控制在2°～5°。

對于原材料偏析的檢驗，比較有限的檢驗方法是：

（1）光譜檢驗-即對鋼錠截面在沿縱橫坐標方向上間

隔25mm用光譜進行化學成分檢驗，確定偏析程度。

（2）硬度檢驗法-對鋼錠剖片進行淬火+回火處理后，

對截面在沿縱橫坐標方向上間隔25mm進行布氏硬度檢測，可確定偏析程度及可能對鋼性能帶來的影響。

偏析是世界上所有鋼廠面臨的問題，偏析的解決依賴于鋼廠的技術(shù)，但偏析是鋼中不可避免的一種現(xiàn)象，目前改善偏析比較有效的途徑是以下兩個：

（1）通過擴散退火（正火）。

（2）在材料熱處理（調(diào)質(zhì)）時，盡可能提高淬火的冷卻速度，減少鋼的偏析對材料性能帶來的影響。

3.3 鋼中氣體含量的控制

3.3.1 鋼中H含量的控制

H在鋼中主要是容易產(chǎn)生白點和裂紋等缺陷，特別是在H2S環(huán)境中，一般情況下，H含量需要控制在1.6～2PPM以下。H含量除了取決于鋼廠冶煉時的控制，包括真空脫氣和鋼包烘烤等，此外，H含量還與S含量與鋼材截面積有關(guān)。如果鋼中大的S化物越多，S化物與鋼基體間容易形成孔洞，造成H吸附在這些孔洞周圍，增大了開裂的風險。反之，如果鋼中的S比較低，S化物較小，這些孔洞隨之減少，吸附的氫含量也會減少，從這個角度來講，如果要低H，前提則需要低S。

鋼中H含量較可靠的測量方法是在澆注前液態(tài)鋼中測量。也可以采用鋼快速凝固之后，馬上在-60℃環(huán)境下取樣儲存。

金屬鑄件產(chǎn)品緩慢冷卻有助于氫的擴散，降低固態(tài)鋼中氫含量的方法一般為去氫退火。同時應保存在倉庫中，避免雨水。

對于所有工藝路線，尤其是對產(chǎn)品的最終氫含量有要求，應基于在每個工藝階段的保溫時間，計算總的氫含量損失。這可以推算出液體鋼中氫含量要求，并當液態(tài)鋼中氫含量超標時，可以按規(guī)范要求采取脫氫的措施。工件尺寸，保溫時間與氫含量的關(guān)系見圖3。

實際固態(tài)鋼中氫含量的測量是非常困難的工作。在切割和提取樣品時，需要在-60℃進行，以避免氫含量的損失。如果不這么做的話，報告中就顯示出氫的含量低。

最好的方法是在熱加工過程中，使用先進的軟件預測鋼中氫含量的擴散。

3.3.2 鋼中O含量的控制

鋼中氧含量過高一方面會影響鋼的清潔度，另外降低鋼的疲勞強度、降低鋼的沖擊韌性。因此，鋼中氧含量一般需要控制在20～30PPM以下。

3.3.3 鋼中N含量的控制

如果鋼中的N2與Al結(jié)合形成AlN，則可以起到好的作用，但鋼中游離的N2能形成其它類型的雜物物并對剛產(chǎn)生脆性。對于N2的控制，控制在30PPM以下應該是非常好了，一般控制在40～50PPM以下。

3.4 鋼的清潔度

在早期，很多鋼廠試圖通過增加合金元素的途徑來提高鋼的性能表現(xiàn)，這種觀念后來發(fā)生了轉(zhuǎn)變，因為有發(fā)現(xiàn)高純度微合金化鋼在性能方面越來越具有了突出的性能優(yōu)勢，鋼的清潔度對鋼性能有重要的作用。按照夾雜物的形成方式，鋼中的夾雜物主要分為內(nèi)生夾雜物和外來夾雜物。

內(nèi)生夾雜物：鋼在冶煉過程中，脫氧反應會產(chǎn)生氧化物和硅酸鹽等產(chǎn)物，若在鋼液凝固前未浮出，將留在鋼中。溶解在鋼液中的氧、硫、氮雜質(zhì)元素在降溫和凝固時，由于溶解度的降低，與其他元素結(jié)合以化合物形式從液相或固溶體中析出，最后留在鋼錠中，它是金屬在熔煉過程中，各種物理和化學反應形成的夾雜物。內(nèi)生夾雜物分布比較均勻，顆粒也比較小，正確的操作和合理的工藝可以減少其數(shù)量和改變其成分、大小和分布情況，但一般來說是不可避免的。

外來夾雜物：鋼在冶煉和澆鑄過程中懸浮在鋼液表面的爐渣、或由煉鋼爐、出鋼槽和鋼包等內(nèi)壁脫落的耐火材料或其它夾雜物在鋼液凝固前未及時清除而留于鋼中。這類夾雜物一般外形不規(guī)則，尺寸比較大，分布沒有規(guī)律，又稱粗夾雜。

根據(jù)及雜物的成分，鋼中的夾雜物主要分為硫化物（MnS）、氧化鋁（Al2O3）、硅酸鹽和球狀氧化物四類。常見的硫化物、氧化鋁是導致材料在油田失效的主要夾雜物。下表為S化物含量與斷裂韌性關(guān)系表，隨著S化物含量增加，KIC降低，S與KIC對應值見表1。

文獻報導，氫致裂紋HIC主要萌生于Al2O3或MnS等非金屬夾雜物與基體的界面，主要是H2S溶液中產(chǎn)生的氫原子通過金屬表面，深入基體內(nèi)部，氫原子在金屬內(nèi)部沿鍛造變形方向在非金屬夾雜物處聚集，并結(jié)合成氫分子，產(chǎn)生巨大的內(nèi)應力。當氫濃度很高時，夾雜物處的氫壓可以超過材料的斷裂強度，即使不存在殘余應力也可以形成氫致裂紋，這些裂紋能夠向前擴展，夾雜物與夾雜物之間的擴展裂紋互相連接，形成長的裂紋。可見，當夾雜物級別越高，數(shù)量越多時，其擴展裂紋越多，導致相互連接所形成的裂紋越長，裂紋敏感率則越大。因此，S、Al類夾雜物級別越高，鋼的HIC敏感性越大，抗HIC性能越低。

4 熱處理控制

4.1 熱處理冷卻能力的控制

根據(jù)API 6A的要求，對水溶液的溫度是淬前不大于40℃，淬后不大于50℃，這種要求是基本的要求，實際生產(chǎn)情況下的水溫一定是要遠遠低于這個溫度才能滿足熱處理生產(chǎn)條件要求，最好應控制冷卻水的溫度在15～20℃之間，水溫與冷卻能力的關(guān)系見圖4。

除了控制水溫外，熱處理的淬火能力可以通過淬火烈度來表征。

Grossman 淬火烈度，淬火烈度方法是在1940年發(fā)展起來的，為了獲得淬透性的標準值或正常值，Grossman測量設定淬火烈度無限大（H=∞）。這個概念是基于熱傳導性中的熱量傳導速率得出的，假定熱傳導因子h取高值，熱量就可以無限地傳導。

淬火烈度H通過熱傳導因子h和熱擴散系數(shù)λ計算：

在實際的淬火條件下，實際淬透直徑受淬火條件的影響，主要是淬火烈度。DI為X軸，DC為Y軸的坐標，DI可通過H轉(zhuǎn)變成DC，基于多條線對應于多個H值。DI，H和Dc之間的關(guān)系見圖5。

4.2 熱處理工藝參數(shù)

對于熱處理工藝參數(shù)，如保溫時間，裝爐量等的控制，實際上需要根據(jù)不同產(chǎn)品，不同要求來制定每一種產(chǎn)品的熱處理工藝。同時為確保產(chǎn)品與產(chǎn)品間距足夠大以保證爐內(nèi)氣氛良好循環(huán)，實際上根據(jù)不同產(chǎn)品來確定，可參考AMS 2759標準來進行熱處理操作，一般至少為75mm。

5 結(jié)束語

根據(jù)對以上影響AISI 4130力學性能的因素分析，制定了表3的化學成分要求，并選取了符合成分要求的原材料試制了100*100*200的QTC試塊取樣試驗。

本次選取4個冶煉爐號，共8組試驗，試驗結(jié)果都符合75K的性能要求。詳見表4。

綜上分析和試驗，為使AISI 4130達到符合涉及的75K及以上級別的性能，可從以下方面控制：

（1）根據(jù)AISI 4130的淬透性，反推設計和控制產(chǎn)品外形和尺寸，滿足ER≤DI，以保證獲得盡可能大的淬透性。

（2）技術(shù)規(guī)范中的S含量應控制在0.15以內(nèi)，鋼中P含量最好控制在0.015以內(nèi)。Al含量最好控制在0.015～0.03，一般Cu：Ni最好控制在1：2為佳。

（3）通過擴散退火（正火）或盡可能提高淬火的冷卻速度，減少鋼的偏析對材料性能帶來的影響。

（4）H含量需要控制在1.6～2PPM以下，O含量一般需要控制在20～30PPM以下。對于N2的控制，控制在30PPM以下應該是非常好了，一般控制在40～50PPM以下。

（5）熱處理過程中，產(chǎn)品的間距可參考AMS 2759標準來操作，一般至少為75mm。淬火時最好應控制冷卻水的溫度在15～20℃之間。

參考文獻：

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