淬火油溫對(duì)40Cr MnMo鋼鉆桿組織和性能的影響

鐘 彬，陳義慶，李 琳，高 鵬，傘宏宇，艾芳芳，田秀梅

（1.海洋裝備用金屬材料及其應(yīng)用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 鞍山 114009；2.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009）

鉆桿是鉆井或打地基時(shí)用于傳遞動(dòng)力、輸送泥漿的主要工具，需承受各種復(fù)雜交變的載荷，如拉、壓、扭、彎曲等應(yīng)力，需要鉆桿具有良好的抗扭和抗沖擊性能，既要保證高的強(qiáng)度，也要保證優(yōu)良的沖擊性能。40CrMnMo鋼是最常見(jiàn)的高端鉆桿用鋼，采用石油鉆桿的生產(chǎn)加工工藝，即對(duì)桿體管端加厚，端部螺紋車(chē)絲或與接頭焊接而成，具有很好的淬透性和良好的回火穩(wěn)定性，調(diào)質(zhì)狀態(tài)下具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能[1-3]。

淬火工藝是將鋼加熱到臨界溫度以上，完全奧氏體化后快速冷卻獲得高硬度馬氏體的熱處理工藝。為了獲得馬氏體組織，淬火冷卻速度必須大于臨界冷卻速度，但是冷卻速度又不能過(guò)大，否則容易引起表面開(kāi)裂或者變形[4-5]。為了保證鉆桿的安全可靠性，提高鉆桿的使用壽命，通常采用機(jī)油作為40CrMnMo鋼的淬火冷卻介質(zhì)，淬火后能夠完全獲得馬氏體組織，再經(jīng)過(guò)高溫回火獲得均勻的回火索氏體組織，綜合力學(xué)性能良好，滿足用戶需求。

目前，通過(guò)制定合適的熱處理工藝來(lái)滿足鉆桿材料的使用性能和研究淬火加熱溫度對(duì)鉆桿的組織和性能影響的研究較多[6-8]，而淬火介質(zhì)機(jī)油的溫度對(duì)鉆桿微觀組織的演化和力學(xué)性能的變化機(jī)理等研究較少，本文主要研究淬火冷卻過(guò)程中機(jī)油溫度對(duì)鉆桿的微觀組織和力學(xué)性能的影響，確定合適的機(jī)油溫度用作淬火處理，為制定鉆桿的熱處理工藝制度提供試驗(yàn)和理論支持。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試樣為某廠生產(chǎn)的40CrMnMo鋼鉆桿，規(guī)格為φ188 mm×25 mm，長(zhǎng)度700 mm，化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）為0.40C、0.25Si、0.95Mn、0.01P、0.01S、0.80～1.10Cr、0.10～0.25Mo、0.035Als和余量Fe。

按照YB/T 5127—2018《鋼的臨界點(diǎn)測(cè)定 膨脹閥》進(jìn)行相變點(diǎn)測(cè)試，得到奧氏體開(kāi)始形成溫度為741℃，鐵素體完全轉(zhuǎn)化為奧氏體溫度為780℃，冷卻中鐵素體開(kāi)始析出溫度為711℃，析出鐵素體和珠光體的溫度為651℃。最終確定淬火加熱溫度為850℃，淬火介質(zhì)為機(jī)油，完全奧氏體化后分別放入機(jī)油溫度為10、30、50和70℃的油槽中，試樣依次標(biāo)記為No.1、No.2、No.3和No.4，然后將上述試樣統(tǒng)一進(jìn)行回火處理，回火溫度為580℃，保溫180 min，最后針對(duì)淬火態(tài)和回火態(tài)試樣分別進(jìn)行相關(guān)分析。

1.2 試驗(yàn)方法

采用LINSEISL78 RITA相變儀進(jìn)行相變點(diǎn)測(cè)試；采用FM-7000顯微維氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度測(cè)定，載荷砝碼為10 kg；采用LR-200R進(jìn)行洛氏硬度HRC測(cè)試；利用ZEISSAxiovert 200MAT型光學(xué)顯微鏡進(jìn)行顯微組織分析和晶粒度觀察；采用Z600拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)其進(jìn)行拉伸性能測(cè)試；采用ZBC2602全自動(dòng)沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行沖擊性能測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 CCT曲線

不同冷卻速度下40CrMnMo鋼鉆桿的顯微組織和維氏硬度結(jié)果如表1所示，隨著冷卻速度的增大，試樣的顯微組織經(jīng)歷了F+P到F+P+B到F+B到B到B+M，最后完全轉(zhuǎn)變?yōu)镸單一組織的過(guò)程。結(jié)合相變點(diǎn)測(cè)試結(jié)果，繪制出過(guò)冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變（CCT）曲線見(jiàn)圖1。從圖1可知，冷卻速率必須大于5℃·s-1，鉆桿試樣才能保證完全轉(zhuǎn)換成馬氏體，同時(shí)，合理控制冷卻速度，有利于淬火過(guò)程中組織轉(zhuǎn)變均勻，避免淬火開(kāi)裂[4]。

表1 不同冷卻速度下40Cr MnMo鋼鉆桿的顯微組織和硬度Table 1 Microstructure and hardness of the 40Cr MnMo steel drill pipe at different cooling rates

圖1 40CrMnMo鋼鉆桿的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線Fig.1 Continuous cooling transition curves of the 40CrMnMo steel drill pipe

2.2 顯微組織

按照GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》，對(duì)不同油溫淬火后的鉆桿試樣進(jìn)行顯微組織觀察，如圖2所示。油溫為10℃時(shí)，No.1試樣淬火后的顯微組織為馬氏體，板條束較寬大、較長(zhǎng)，微觀組織不均勻；油溫為30℃和50℃時(shí)，No.2試樣和No.3試樣淬火后的顯微組織也為馬氏體，板條束相對(duì)細(xì)小、較短；油溫為70℃時(shí)，No.4試樣淬火后的顯微組織同樣為馬氏體，板條較細(xì)，有變大趨勢(shì)。

圖2 不同油溫淬火后40CrMnMo鋼鉆桿的顯微組織Fig.2 Microstructure of the 40CrMnMo steel drill pipe after quenching at different oil temperatures

2.3 截面硬度

不同油溫淬火后鉆桿試樣的淬硬性曲線如圖3所示。從圖3可知，試樣邊緣部分的硬度低于中間部分的硬度，這可能與內(nèi)外壁的表面脫碳有關(guān)[9-10]。油溫為30～70℃時(shí)，整個(gè)壁厚方向上硬度相對(duì)均勻，淬硬性曲線趨勢(shì)一致，整體來(lái)說(shuō)淬火效果較好。而油溫為10℃時(shí)，壁厚方向上的硬度波動(dòng)較大，且硬度較低，這與低溫機(jī)油的粘度大、流速慢影響傳熱使得冷卻能力不足有關(guān)。

圖3 不同油溫淬火后鉆桿試樣的淬硬性曲線Fig.3 Hardenability curves of the drill pipe specimens after quenching at different oil temperatures

2.4 力學(xué)性能

將油淬后的鉆桿試樣，統(tǒng)一經(jīng)過(guò)580℃高溫回火，然后分別對(duì)其進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。經(jīng)過(guò)不同油溫淬火和統(tǒng)一高溫回火后，鉆桿試樣的力學(xué)性能均符合要求。其中，油溫10℃試樣的屈服強(qiáng)度最低，抗拉強(qiáng)度較高，伸長(zhǎng)率最小，性能較差；油溫50℃試樣的屈服強(qiáng)度最高，抗拉強(qiáng)度最大，伸長(zhǎng)率最大，性能最好；油溫30℃試樣的屈服強(qiáng)度較高，抗拉強(qiáng)度最低，伸長(zhǎng)率較低，性能一般；而油溫70℃試樣的屈服強(qiáng)度較高，抗拉強(qiáng)度較高，伸長(zhǎng)率較高，性能較好。相比而言，油溫為50℃時(shí)，鉆桿的力學(xué)性能最好。

表2 不同油溫淬火、580℃回火后鉆桿試樣的拉伸性能Table 2 Tensile properties of the drill pipe specimens quenched at different oil temperatures and tempered at 580℃

屈強(qiáng)比是指材料的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的比值，與材料的塑性變形能力和應(yīng)變硬化能力密切相關(guān)，屈強(qiáng)比越大，材料抵抗變形能力越強(qiáng)，不易出現(xiàn)塑性變形。40CrMnMo鋼作為鉆桿材料對(duì)力學(xué)性能有要求，對(duì)屈強(qiáng)比同樣有要求，鉆桿材料要求具有較高的屈強(qiáng)比，預(yù)防使用過(guò)程中發(fā)生彎曲變形，甚至斷裂。圖4是鉆桿料的屈強(qiáng)比與淬火油溫的關(guān)系圖，從圖4可以看出，油溫為10℃時(shí)，試樣的屈強(qiáng)比最小，僅為0.898，而油溫為30℃時(shí)，試樣的屈強(qiáng)比最大，達(dá)到了0.912，隨著油溫繼續(xù)升高，屈強(qiáng)比隨之降低，屈強(qiáng)比從大到小的順序?yàn)椋篘o.2>No.3>No.4>No.1。

圖4 不同油溫淬火、580℃回火后鉆桿試樣的屈強(qiáng)比Fig.4 Yield ratio of the drill pipe specimens quenched at different oil temperatures and tempered at 580℃

將油淬后的鉆桿試樣，統(tǒng)一經(jīng)過(guò)580℃高溫回火處理，然后分別對(duì)其進(jìn)行沖擊性能測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。從表3可知，油溫為10℃時(shí)，試樣的沖擊吸收能量最低，韌性最差，油溫為50℃時(shí)，試樣的沖擊吸收能量最大，韌性最好，沖擊吸收能量從大到小的順序?yàn)椋篘o.3>No.2>No.4>No.1。

表3 不同油溫淬火、580℃回火后鉆桿試樣的沖擊吸收能量Table 3 Impact absorbed energy of the drill pipe specimens quenched at different oil temperatures and tempered at 580℃

3 分析與討論

根據(jù)相變點(diǎn)測(cè)試結(jié)果，確定40CrMnMo鋼鉆桿的加熱溫度為850℃，完全奧氏體化后放入機(jī)油槽中淬火，機(jī)油溫度對(duì)鉆桿試樣的組織和截面硬度影響顯著，進(jìn)而影響回火后鉆桿試樣的力學(xué)性能、屈強(qiáng)比和沖擊吸收能量。為了滿足鉆桿材料的性能要求，延長(zhǎng)使用壽命，必須合理控制淬火介質(zhì)機(jī)油的溫度，才能保證鉆桿綜合性能優(yōu)良，同時(shí)，保證淬火油溫的穩(wěn)定，有利于淬火過(guò)程中組織轉(zhuǎn)變均勻，避免淬火開(kāi)裂。

油溫較低時(shí)，機(jī)油粘度大，流動(dòng)速度變慢，影響傳熱導(dǎo)致冷卻能力降低，熱量傳導(dǎo)效率不高，使得微觀組織中的馬氏體板條束較寬，晶粒相對(duì)較大。淬火后的截面硬度存在波動(dòng)，數(shù)值較低，可能與微觀組織轉(zhuǎn)變相對(duì)不均和飽和碳的固溶強(qiáng)化效應(yīng)有關(guān)[11]；經(jīng)過(guò)進(jìn)一步高溫回火后，馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹚魇象w，微觀組織中遺傳了淬火組織的缺陷和不足，使得10℃油溫淬火試樣的力學(xué)性能最差，屈強(qiáng)比最低，且沖擊吸收能量?jī)H為52.6 J，鉆桿料的綜合性能較差。

淬火油溫較高時(shí)，雖然粘度很小，流動(dòng)速度較快，但冷卻能力同樣降低，熱量傳導(dǎo)效率不高，油淬冷卻速度勉強(qiáng)大于臨界冷卻速度，鉆桿試樣可以完全轉(zhuǎn)化成馬氏體組織，馬氏體板條束較細(xì)，微觀組織相對(duì)均勻，晶粒有細(xì)化趨勢(shì)，高溫回火后No.4試樣的力學(xué)性能較好，但是屈強(qiáng)比較低，沖擊吸收能量數(shù)值僅為59.8 J，鉆桿的綜合性能僅僅優(yōu)于No.1試樣的綜合性能。

油溫為30～50℃時(shí)，粘度較小，機(jī)油的流動(dòng)速度適宜，熱量傳遞效果好，冷卻速率能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于5℃·s-1，保證了鉆桿完全轉(zhuǎn)換成馬氏體組織，板條束細(xì)小，晶粒細(xì)化，微觀組織均勻；經(jīng)過(guò)高溫回火后隨之轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹚魇象w，微觀組織得到進(jìn)一步均勻化，綜合性能顯著提高。No.2試樣的力學(xué)性能較好，屈強(qiáng)比最高，沖擊吸收能量達(dá)到了63.4 J，No.3試樣的力學(xué)性能較好，屈強(qiáng)比數(shù)值較高，沖擊吸收能量最高，達(dá)到了65.9 J。兩種油溫條件下，鉆桿材料的微觀組織和力學(xué)性能較好，屈強(qiáng)比較高，同時(shí)，鉆桿具有較高的沖擊性能和較好的韌性，綜合性能良好。

4 結(jié)論

1）淬火介質(zhì)的油溫對(duì)鉆桿料的淬火態(tài)組織和回火態(tài)性能影響顯著。

2）隨著油溫的升高，熱量傳遞順暢，冷卻速度先升高后降低，油溫30～50℃為宜，可以保證冷卻速率大于5℃·s-1，使得鉆桿試樣完全轉(zhuǎn)換成馬氏體，板條束細(xì)小，微觀組織均勻，鉆桿材料的微觀組織和力學(xué)性能較好，具有較高的屈強(qiáng)比，以及較高的沖擊性能和較好的韌性，綜合性能良好。

3）建議用戶保證機(jī)油的溫度穩(wěn)定，有利于淬火過(guò)程中組織轉(zhuǎn)變均勻。