37CrMnMoA 鋼奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線

李 真，劉智超，楊勇平，王青林

（中石油鉆井裝備渤海能克鉆桿有限公司，河北滄州 062658）

0 引言

37CrMnMoA 鋼是石油鉆桿接頭專用鋼，是調(diào)質(zhì)鋼。石油鉆桿用于石油鉆探，也可用于地球物理鉆探。石油鉆桿在鉆井過程中受到拉、壓、彎和扭力的復合作用，且工況苛刻，如：較大的內(nèi)壓、液體沖刷、腐蝕和溫度等作用，還有現(xiàn)場卸扣也較頻繁。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，鉆桿失效大部分發(fā)生在接頭。因此，研究接頭的熱處理工藝，提高其力學性能十分必要。金屬材料熱處理的關(guān)鍵是奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變規(guī)律，保證淬透性，最終獲得強度和韌性都高的綜合力學性能。具有粗螺紋、錐體螺紋和密封臺肩結(jié)構(gòu)的鉆桿接頭承受著鉆柱的重量，抵抗鉆井過程中重復連接斷開操作引起的形變及抗疲勞和抗意外連接操作，對鉆井泥漿泄漏具有密封作用，因此要求鉆桿接頭具有較好的綜合機械性能。中石油鉆井裝備渤海能克鉆桿有限公司采用的接頭材料是37CrMn－MoA 改良型，而非常用的40CrMnMo。改良后的接頭材料嚴格控制其化學成分，要求C 含量0.35%～0.38%。為在熱處理后獲得穩(wěn)定的組織和性能，為制定該鋼種的熱處理工藝提供依據(jù)，避免淬火裂紋的出現(xiàn)，為此測定37CrMnMoA 鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線（CCT），并觀測不同冷卻速度下轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的顯微組織和硬度。

1 轉(zhuǎn)變動力學曲線—CCT 圖的測定

1.1 試驗方法

試驗原料采用正火后的37CrMnMoA 毛坯接頭車削加工而成的Φ3 mm×10 mm，一端帶有Φ2 mm×2 mm 深盲孔的圓柱試樣，用于測定CCT 曲線；采用Φ6 mm×25 mm 的圓柱試樣以不同的冷卻速率測定Ac1和Ac3溫度。

CCT 曲線的測定：用熱膨脹法測定不同冷卻速度下接頭用鋼的相變溫度點數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)處理得到CCT 曲線，所用儀器為日本富士電波生產(chǎn)的Formastor-F 型相變測定儀。試樣以8.5℃/s 速率加熱至870 ℃，保溫10 min 后，以不同速率冷卻，記錄溫度—時間和膨脹—時間曲線，可以得到膨脹拐點處對應的溫度，由于奧氏體轉(zhuǎn)變發(fā)生體積膨脹效應，故由測定的膨脹曲線的拐點，得到相變開始和結(jié)束溫度。

相變溫度的測定：所用儀器為德國Netzsch DIL 402 C 型膨脹系數(shù)測定儀，以1.2 ℃/min 速率加熱至900 ℃。通過測定加熱時膨脹—溫度曲線的拐點（奧氏體開始形成時體積收縮）確定Ac1和Ac3溫度。

1.2 試驗結(jié)果

1.2.1 鉆桿接頭用鋼CCT 曲線

首先利用德國Netzsch DIL 402 C 型膨脹系數(shù)測定儀測定37CrMnMoA 鋼相對膨脹量—溫度關(guān)系曲線，如圖1 所示。由切線法確定Ac1=735 ℃，Ac3=795 ℃。

圖1 相對膨脹量—溫度曲線

由記錄的溫度—膨脹—時間曲線，可以得到膨脹拐點處對應的溫度，從而得到轉(zhuǎn)變溫度—時間—轉(zhuǎn)變曲線，即CCT 曲線，如圖2 所示。由圖2 可以看出，該鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線將轉(zhuǎn)變分為3 個區(qū)域：高溫的鐵素體+珠光體（F+P）轉(zhuǎn)變區(qū)、中溫的貝氏體（B）轉(zhuǎn)變區(qū)和低溫的馬氏體（M）轉(zhuǎn)變區(qū)。馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度Ms 為345 ℃，淬火臨界冷卻速度2.5 ℃/s，即由奧氏體化溫度冷卻到馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度的時間＜200 s 便可得到完全馬氏體組織。即，工件心部冷卻速度＞2.5 ℃/s 時便可淬透。這一參數(shù)可對制訂淬火冷卻工藝及淬火介質(zhì)的選擇提供參考。

1.2.2 不同冷卻速度冷卻試樣的硬度和金相顯微組織

對于測定CCT 曲線用的不同冷卻速度試樣，分別進行硬度測定和金相組織觀察。測得的硬度標注在CCT 曲線上（圖2）。典型的金相組織照片如圖3 所示，圖中給出了冷卻速度為30 ℃/s、2.5 ℃/s、1 ℃/s、0.6 ℃/s、0.25 ℃/s、0.15 ℃/s 和0.06 ℃/s試樣的金相組織照片。

圖2 37CrMnMoA 的CCT 曲線

圖3 典型冷卻試樣金相組織

由圖3 可知，當冷速為2.5 ℃/s 時，得到的組織還含有少量的貝氏體組織，說明臨界冷卻速度應該稍大于2.5 ℃/s；冷速30 ℃/s 試樣得到了完全馬氏體組織；冷速為0.25～2.5 ℃/s時，得到貝氏體+馬氏體組織，且隨冷速增大馬氏體的分數(shù)增大。當冷速≤0.15 ℃/s 時，得到塊狀的先共析鐵素體和貝氏體組織，且隨著冷速減小先共析鐵素體分數(shù)增大，貝氏體分數(shù)減小。冷速＞0.15 ℃/s，試樣組織中均含有少量的殘余奧氏體，但在金相顯微鏡中難于觀察到。

2 結(jié)論

（1）利用膨脹法結(jié)合金相—硬度法測得37CrMnMoA 的CCT 曲線，為加工熱處理特別是淬火工藝的制定提供依據(jù)。

（2）由CCT 曲線可以看出，得到完全馬氏體組織淬火冷卻時間應該＜150 s，保守估計應該控制在100 s 左右。如果冷卻時間過短，導致冷速過快，引起較大的內(nèi)應力，導致較高的淬火開裂傾向。

（3）根據(jù)CCT 圖和不同冷卻速度下的顯微組織照片可知，冷速為0.25～2.5 ℃/s 時，得到貝氏體+馬氏體組織，且隨著冷速增大馬氏體的占比增大。當冷速≤0.15 ℃/s 時，得到塊狀的先共析鐵素體和貝氏體組織，隨著冷速減小先共析鐵素體占比增大，貝氏體占比減小。