回火溫度對20CrMo鋼組織性能的影響

李博文，張驍勇，荊 瑞

（西安石油大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安710065）

回火溫度對20CrMo鋼組織性能的影響

李博文，張驍勇，荊 瑞

（西安石油大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安710065）

研究了鐓鍛式空心抽油桿用20CrMo鋼經(jīng)過二次淬火后在不同回火溫度下的組織和性能變化規(guī)律。結(jié)果表明，隨著回火溫度的升高，材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度等強(qiáng)度指標(biāo)呈現(xiàn)下降趨勢，材料的斷后伸長率、斷面收縮率等塑性指標(biāo)呈現(xiàn)上升趨勢，但均高于原始材料的性能。對20CrMo鋼進(jìn)行二次淬火加高溫回火后可得到回火索氏體組織，具備較高的強(qiáng)韌性，可推薦作為超高強(qiáng)度空心抽油桿的開發(fā)工藝。

空心抽油桿；二次淬火；20CrMo；組織；性能

抽油桿是有桿泵采油系統(tǒng)中的主要部件之一，其作用是將地面抽油機(jī)輸出的能量傳遞給井底的抽油泵和把井下的原油提升到地面[1-4]。空心抽油桿由于其中空的特殊結(jié)構(gòu)可以在傳遞載荷的同時(shí)完成采出或向井下注入等相關(guān)作業(yè)，因而在油田開發(fā)中得到了廣泛應(yīng)用，具有廣闊的應(yīng)用前景。近年來，隨著邊際油田（稠油區(qū)塊、高含蠟區(qū)塊等）的規(guī)模開發(fā)，可通過空心抽油桿向井內(nèi)注入熱蒸汽、熱水或熱油、降粘劑和防腐劑，能有效地降低開采難度，可以增加分層開采計(jì)量層數(shù)[5-9]。目前國內(nèi)常用的空心抽油桿兩端接箍段均采用熱鐓鍛工藝進(jìn)行加工[10]，而目前空心抽油桿的失效就多發(fā)生在鐓粗段，因此提高鐓粗段的強(qiáng)韌性，對空心抽油桿的生產(chǎn)和應(yīng)用有重要的意義。本研究就空心抽油桿制造過程中的淬火工藝進(jìn)行了探討，通過改變不同原始組織形態(tài)研究對空心抽油桿20CrMo鋼強(qiáng)韌性的影響。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本次研究選用試驗(yàn)材料為國內(nèi)某油田生產(chǎn)鐓鍛式空心抽油桿用20CrMo鋼，其主要化學(xué)成分見表1，供貨態(tài)力學(xué)性能見表2。

表1 20CrMo鋼的主要化學(xué)成分 %

表2 20CrMo鋼供貨態(tài)力學(xué)性能

1.2 試驗(yàn)方法

采用ZTY-40-20箱式電阻爐進(jìn)行熱處理試驗(yàn)，將20CrMo鋼加熱到900℃保溫8 min，再水冷至室溫，反復(fù)兩次；再將四組20CrMo鋼分別加熱到500℃、550℃、600℃、650℃進(jìn)行回火處理，保溫時(shí)間為30 min，熱處理工藝如圖1所示。拉伸和沖擊試樣均為橫向取樣。拉伸試樣原始尺寸為Φ5mm×65mm，標(biāo)距長度25mm。沖擊試樣為尺寸5mm×10mm×55mm的V形缺口試樣，沖擊試驗(yàn)溫度為10℃。利用MTS-880型萬能試驗(yàn)機(jī)、NI500型沖擊試驗(yàn)機(jī)和HVS-50型維氏硬度計(jì)檢測力學(xué)性能。在405M光學(xué)顯微鏡上對金相組織進(jìn)行觀察和使用JSM-6390A型掃描電鏡觀察斷口形貌。

圖1 20CrMo鋼熱處理工藝曲線

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 拉伸性能

20CrMo鋼在不同回火溫度下的拉伸性能測試結(jié)果見表3，各項(xiàng)力學(xué)性能與回火溫度的關(guān)系如圖2所示。

由表3和圖2可以看出，試驗(yàn)鋼20CrMo在經(jīng)過二次淬火工藝和不同回火溫度處理后的各項(xiàng)力學(xué)性能發(fā)生了不同程度的變化。二次淬火后的試驗(yàn)材料經(jīng)過回火處理后，試驗(yàn)鋼20CrMo屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等強(qiáng)度指標(biāo)隨著回火溫度的升高，呈現(xiàn)下降趨勢，但均高于供貨態(tài)材料的強(qiáng)度；斷后伸長率和斷面收縮率隨回火溫度的升高，呈現(xiàn)上升的規(guī)律，較原材料和未回火態(tài)均有一定程度的提高。

表3 不同回火溫度下試驗(yàn)鋼的拉伸性能測試結(jié)果

圖2 回火溫度與20CrMo鋼拉伸性能間的關(guān)系

2.2 沖擊韌性

20CrMo鋼在不同回火溫度下的沖擊功見表4，夏比沖擊功隨回火溫度的變化規(guī)律如圖3所示。

由表4和圖3可以看出，與原材料的的沖擊功相比，經(jīng)不同回火溫度后試樣的沖擊功均有不同程度增加，隨著回火溫度的升高，沖擊功呈現(xiàn)上升趨勢。

表4 不同回火溫度下20CrMo鋼的沖擊功

圖3 回火溫度與20CrMo鋼夏比沖擊功的關(guān)系

圖4所示為不同回火溫度下20CrMo鋼的沖擊斷口形貌。由圖4可以觀察到，經(jīng)不同溫度回火后的試樣的掃描斷口形貌都為韌窩和撕裂棱，材料的斷裂類型為微孔聚集型，說明所有試樣的斷裂都是韌性斷裂。進(jìn)一步對比分析可以發(fā)現(xiàn)，隨著回火溫度的升高，韌窩數(shù)量增加，尺寸增大，撕裂棱數(shù)量減少，表明材料的韌性逐漸增強(qiáng)。

圖4 不同回火溫度下20CrMo鋼的的沖擊斷口形貌

2.3 顯微組織分析

試驗(yàn)鋼20CrMo在不同回火溫度下的掃描電子顯微組織形貌如圖5所示。

圖5 不同回火溫度下20CrMo鋼的SEM形貌

由圖5可以看出，隨著回火溫度的變化，雖然二次淬火+回火后的顯微組織都是回火索氏體，但組織的組成、形態(tài)、大小和分布都發(fā)生了一些不同的變化。隨著回火溫度的升高，原奧氏體晶界仍隱約可見，但已有部分不清晰了，仔細(xì)觀察還可發(fā)現(xiàn)，各晶粒的方向性減少，均勻性得以改善，鐵素體板條的寬度有所增加[6]。

通過對550℃回火試樣的TEM形貌（圖6）觀察可以看出，在該溫度下，鐵素體板條已經(jīng)發(fā)生一定程度的寬化，碳化物析出聚集長大，同時(shí)，鐵素體中仍然存在著較高密度的位錯(cuò)，因而具有較好的強(qiáng)韌性配合。

表5為20CrMo鋼在二次淬火+550℃高溫回火的工藝下和一次淬火+550℃高溫回火工藝下力學(xué)性能的對比。

可以看出試驗(yàn)鋼20CrMo在二次淬火+550℃高溫回火的方式下所獲得的性能，與一次淬火相比，在強(qiáng)度有了大幅度增加的同時(shí)，韌性和塑性也有了一定程度的提升，具備了優(yōu)良的強(qiáng)韌性配合，達(dá)到了超高強(qiáng)度抽油桿所需的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。綜合上述分析結(jié)果認(rèn)為，在二次淬火+550℃高溫回火工藝下試驗(yàn)鋼20CrMo的組織和性能符合超高強(qiáng)度空心抽油桿的性能要求，可推薦作為超高強(qiáng)度空心抽油桿的開發(fā)工藝方案。

圖6 550℃回火試樣的TEM形貌

表5 兩種淬火工藝下20CrMo鋼力學(xué)性能的對比

3 結(jié) 論

通過對空心抽油桿用鋼20CrMo進(jìn)行兩次淬火加不同溫度的高溫回火處理，研究了試驗(yàn)鋼20CrMo在不同回火溫度下組織性能的變化規(guī)律，得出如下結(jié)論：

（1）隨著回火溫度的升高，材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度等強(qiáng)度指標(biāo)呈現(xiàn)下降趨勢，材料的斷后伸長率、斷面收縮率等塑性指標(biāo)呈現(xiàn)上升趨勢，均高于原材料的性能。

（2）綜合強(qiáng)韌性因素認(rèn)為，進(jìn)行二次淬火加高溫回火后20CrMo鋼經(jīng)過二次淬火+550℃高溫回火后，可得到回火索氏體組織，具備較高的強(qiáng)韌性，可推薦作為超高強(qiáng)度空心抽油桿的開發(fā)工藝。

[1]陳建國,高嵩,劉軍.抽油桿失效原因探討[J].油氣田地面工程,2006,25（6）:43.

[2]李瑞彬,史艷兵,李嵐.35Mn2鋼抽油桿失效分析[J].熱處理技術(shù)與裝備,2007,28（4）:45-47.

[3]姜玲.抽油桿失效原因分析及預(yù)防措施[J].石油工業(yè)技術(shù)監(jiān)督,2003,19（10）:17-18，21.

[4]師偉華.抽油桿斷裂原因及預(yù)防措施[J].國外油田工程,2002,18（10）:29-30.

[5]魏新春.一體式空心抽油桿采油技術(shù)研究[D].成都:西南石油大學(xué),2008:1-2.

[6]趙曉,邢慶河,張士誠.空心抽油桿在油井舉升中的應(yīng)用[J].油氣田地面工程,2006,25（7）:5-6.

[7]張朋舉,王語,殷志杰.D級鐓鍛式空心抽油桿的熱處理工藝[J].金屬熱處理,2015,40（1）:70-74.

[8]張朋舉,韓軍,鞠漢良.空心抽油桿螺紋黏結(jié)原因分析及預(yù)防[J].鋼管,2014,43（5）:48-51.

[9]王國正,張朋舉,汪繼剛.油井空心抽油桿桿頭斷裂失效分析[J].金屬熱處理,2015,40(2）:200-203.

[10]俞彥勤,黃早文,鄧小山.空心抽油桿鐓鍛工藝的實(shí)驗(yàn)研究[J].模具工業(yè),2000（11）:23.

[11]張驍勇,田晨超,高惠臨.回火溫度對X80鋼級熱煨彎管組織性能的影響[J].材料熱處理學(xué)報(bào),2012,33（5）:59-63.

Influence of Tempering Temperature on Microstructure and Properties of 20CrMo

LI Bowen,ZHANG Xiaoyong,JING Rui
（School of Materials Science and Engineering,Xi’an Shiyou University,Xi’an 710065,China）

The microstructure and properties change rules of 20CrMo steel used for upsetting type hollow sucker rod under different tempering temperature after the secondary quenching process were investigated.The results showed that with the increase of tempering temperature,the strength indexes such as tensile strength,yield strength present a downward trend,and the plasticity indexes such as elongation after fracture and impact toughness increase,and higher than that of material under initial state.It can obtain tempered sorbite structure with better strength and impact toughness of 20CrMo steel after the secondary quenching and high temperature tempering process,and this process can be recommended as an development process of ultra-high strength hollow sucker rod.

hollow sucker rod;secondary quenching;20CrMo;microstructure;properties

TE973.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI:10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.05.002

李博文（1990—），男，碩士研究生，主要從事金屬材料組織性能方面的研究工作。

2016-03-18

羅 剛