30CrMo熱處理工藝及低溫沖擊性能研究

■ 劉瓊

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隨著我公司出口俄羅斯石油鉆機(jī)日益增多，尤其近來(lái)北極、亞北極地區(qū)油氣資源的開(kāi)發(fā)，低溫鉆機(jī)的研制已成為行業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)。其中材料在低溫環(huán)境的適應(yīng)性成為鉆井裝備越來(lái)越突出的問(wèn)題。由于金屬材料在低溫下具有冷脆性，所以，低溫材料成為低溫鉆機(jī)研究的難點(diǎn)之一。本課題重點(diǎn)研究了合金結(jié)構(gòu)鋼30CrMo在低溫環(huán)境的性能特征及熱處理工藝優(yōu)化方案，使其達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的低溫沖擊性能。

1. 問(wèn)題的提出

井架是鉆機(jī)的主要承載件之一，其中銷(xiāo)軸是連接井架部件的關(guān)鍵零件。根據(jù)材料低溫冷脆性的評(píng)價(jià)指標(biāo)——低溫沖擊吸收能量的指標(biāo)要求，低溫材料選材方向就是提高低溫沖擊吸收能量。我公司主要采用Cr-Ni-Mo鋼作為銷(xiāo)軸材料，原工藝采用40CrNiMo材料，存在兩方面問(wèn)題：一是由于材料淬透性太高，對(duì)≤φ80mm直徑銷(xiāo)軸淬火必須采用油淬，否則易開(kāi)裂，造成環(huán)境污染，不符合行業(yè)逐步替代油槽的環(huán)保改造方向；二是材料價(jià)格較高。需要尋求一種既經(jīng)濟(jì)又有潛力的鋼種，通過(guò)熱處理工藝優(yōu)化提高低溫沖擊性能。

根據(jù)低碳馬氏體理論，淬火得到板條馬氏體組織是性能優(yōu)良的組織結(jié)構(gòu)。我們選擇了含碳較低、淬透性適中的30CrMo進(jìn)行試驗(yàn)。分析了材料的金相組織變化特征，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比和金相組織分析，確定材料的最佳熱處理工藝方案。

2. 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法

（1）試驗(yàn)鋼牌號(hào)及化學(xué)成分 試驗(yàn)用鋼采用牌號(hào)為30CrMo的國(guó)內(nèi)某鋼廠(chǎng)生產(chǎn)的φ80mm和φ100mm規(guī)格熱軋圓鋼，截取長(zhǎng)度300mm的試塊各3根。材料化學(xué)成分符合GB/T3077—2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》規(guī)定，具體化學(xué)成分如表1所示。

（2）試驗(yàn)用鋼的熱處理工藝 合金鋼在高溫回火后，可獲得強(qiáng)度和韌性最佳配合的力學(xué)性能。根據(jù)30CrMo臨界點(diǎn)Ac3數(shù)據(jù)，試樣分別采用表2工藝進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。

工藝曲線(xiàn)如圖1所示。

（3）力學(xué)性能試驗(yàn) 兩種規(guī)格材料分別按兩種工藝進(jìn)行調(diào)質(zhì)后，按距表面1/4直徑位置分別取一個(gè)拉伸試樣和三個(gè)沖擊試樣。拉伸試樣按GB/T228—2010進(jìn)行加工，采用30t萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)；沖擊試樣按GB/T229—2007進(jìn)行加工，采用夏比V型缺口試樣，在擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。考慮到試樣從低溫槽取出到試驗(yàn)會(huì)有溫度回升，根據(jù)GB/T229—2007設(shè)定低溫槽過(guò)冷度2℃作為溫度補(bǔ)償。

3. 試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）力學(xué)性能 兩種規(guī)格材料分別按兩種工藝進(jìn)行調(diào)質(zhì)后，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

低溫鉆機(jī)銷(xiāo)軸材料執(zhí)行美國(guó)API 8C標(biāo)準(zhǔn)，要求在設(shè)計(jì)最低溫度下的沖擊吸收能量不低于27J（三個(gè)試樣平均值）。從表3試驗(yàn)結(jié)果看出，強(qiáng)度基本滿(mǎn)足要求，在最低設(shè)計(jì)溫度-50℃下的沖擊吸收能量試驗(yàn)數(shù)據(jù)：φ80mm規(guī)格工藝二、工藝三性能達(dá)到指標(biāo)要求；φ100mm材料低溫沖擊吸收能量不合格。分析原因可能與材料淬透性不足存在混合組織有關(guān)。

（2）金相組織 分別對(duì)試樣進(jìn)行金相分析，φ80mm試樣580℃回火組織如圖2所示，φ100mm試樣580℃回火組織如圖3所示。

試驗(yàn)鋼的回火過(guò)程實(shí)質(zhì)上就是過(guò)飽和的α'固溶體的脫溶過(guò)程，這個(gè)過(guò)程受α'相中Cr、Mo等合金元素的擴(kuò)散控制。隨回火溫度升高，α'基體的回復(fù)與再結(jié)晶的進(jìn)行，C原子的固溶強(qiáng)化效應(yīng)不斷下降，使硬度和強(qiáng)度不斷下降，塑性和韌性得到改善。

表1 試驗(yàn)用鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

圖1 試樣工藝曲線(xiàn)

表2 試樣熱處理工藝

表3 試驗(yàn)用鋼調(diào)質(zhì)的力學(xué)性能

圖2 回火索氏體

圖3 回火索氏體+鐵素體

從金相組織可以看出，550℃以上高溫回火后得到的組織為鐵素體和粒狀分布的碳化物的混合物——回火索氏體組織，碳化物呈顆粒狀的組織使鋼的許多性能得到改善。這是由于片狀碳化物受力時(shí)會(huì)使基體產(chǎn)生應(yīng)力集中，易使碳化物片產(chǎn)生脆斷或形成微裂紋。而粒狀碳化物造成的應(yīng)力集中小，微裂紋不易產(chǎn)生，故鋼的塑性、韌性好。從理論上講，淬火得到馬氏體的高溫回火組織沖擊韌度最高，貝氏體次之，珠光體和鐵素體最低。因此，φ100mm圓鋼由于存在非馬氏體回火組織，導(dǎo)致沖擊吸收能量較差。

4. 進(jìn)一步的試驗(yàn)研究

經(jīng)以上試驗(yàn)得出了30CrMo的優(yōu)化工藝在-50℃的性能指標(biāo)。為了進(jìn)一步研究30CrMo材料的冷脆轉(zhuǎn)變特征，在經(jīng)優(yōu)化工藝處理的φ80mm試塊上另取7組共21個(gè)沖擊試樣，分別進(jìn)行-80～ -20℃的沖擊試驗(yàn)，每個(gè)溫度試驗(yàn)3個(gè)試樣。試驗(yàn)結(jié)果如表4和圖4所示。

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)和曲線(xiàn)看出，沖擊吸收能量在-60～ -70℃出現(xiàn)急劇下降，沖擊吸收能量由-60℃平均值32J下降到-70℃的19J，而在-20～-60℃，沖擊吸收能量逐漸下降，由平均值45J下降到32J。從圖4曲線(xiàn)看出，上平臺(tái)約為45J，根據(jù)GB/T229—2007，達(dá)到上平臺(tái)50%的沖擊吸收能量值對(duì)應(yīng)的溫度為-65～ -70℃，此溫度范圍為脆性轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間。

表4 不同溫度下的沖擊吸收能量

圖4 韌脆轉(zhuǎn)變曲線(xiàn)

圖5是各個(gè)溫度（1#：-20℃；2#：-40℃；3#：-50℃；4#：-55℃；5#：-60℃；6#：-70℃；7#：-80℃）下的沖擊試樣斷口形貌。可以看出，隨著溫度降低，斷口纖維區(qū)面積逐步減少，結(jié)晶區(qū)面積逐步增大，到-70℃結(jié)晶區(qū)面積已接近50%，一般將此溫度附近定為脆性轉(zhuǎn)變溫度。到-80℃斷口結(jié)晶區(qū)已接近100%，塑性變形趨近于零。

圖5 不同溫度下的沖擊試樣斷口形貌照片

5. 生產(chǎn)應(yīng)用效果

本課題研究的30CrMo熱處理工藝和低溫轉(zhuǎn)變特征成功應(yīng)用在出口俄羅斯低溫鉆機(jī)井架和鉆臺(tái)銷(xiāo)軸，用于替代原40CrNiMo材料。僅此一項(xiàng)，為企業(yè)節(jié)約材料費(fèi)共25萬(wàn)元。同時(shí)，由于減少車(chē)間油煙污染，實(shí)現(xiàn)了清潔熱處理。

6. 結(jié)語(yǔ)

（1）30CrMo經(jīng)熱處理工藝優(yōu)化，采用水淬+高溫回火，用于-50℃低溫鉆機(jī)銷(xiāo)軸（φ80mm以下）沖擊性能穩(wěn)定可靠。

（2）在優(yōu)化的熱處理工藝下，材料在-60℃以上均保持了良好的低溫韌性，其低溫脆性轉(zhuǎn)變溫度為-65℃～ -70℃。

（3）由于淬透性的限制，30CrMo用于φ80mm以下銷(xiāo)軸性能優(yōu)良。對(duì)于φ100mm以上軸類(lèi)由于心部存在一些非馬氏體組織，低溫沖擊吸收能量不能穩(wěn)定地達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，建議選高淬透性材料40CrNiMo等。

注：本課題由“國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃”極地冷海鉆機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究（項(xiàng)目編號(hào)：2016YFC0303302）資助。