關于高抗疲勞鉆鋌用鋼化學成分改良與熱處理工藝設計的探討

張劍

（山西風雷鉆具有限公司，山西侯馬，043013）

1 鋼中合金元素對鉆鋌疲勞強度的影響

在合金鋼中，碳是形成鋼鐵材料的最基本元素之一，也是影響疲勞強度的重要元素。碳含量對材料的組織和性能有重要的影響，當硬度>HRC40,疲勞強度隨碳的含量增加而增加，但碳含量過高，塑性和韌性會降低，疲勞強度則會下降，而且碳會與材料中的夾雜或添加元素形成碳化物，碳化物的不同形態也會對鋼的性能產生不同影響。所以鉆鋌材料中的碳含量不能太高。普通鉆鋌用鋼含碳量均在0.42%～0.49%之間，為了提高鉆鋌的強度，可以適當調節鋼中的碳含量。

合金元素在鋼中的作用，主要是通過提高鋼的淬透性和改善鋼的強韌性來影響疲勞強度。合金元素能改變鋼中各組成相的性質，又可通過熱處理改變鋼的組織狀態，從而可以改變鋼的性能。許多合金元素都能提高鋼材的韌性，主要通過改變顯微組織和改善基體本身的韌性。如Mn和Ni均可提高鋼的淬透性，并能使緩冷后晶界所出現的滲碳體變小從而提高鋼的韌性；Ni使基體本身在低溫下易于交叉滑移來提高韌性。其他的合金元素當然也能提高韌性，需要從多方面綜合考慮。

表1 高抗疲勞鉆鋌用鋼的成分范圍（wt，%）

本文通過鉆鋌用鋼材料組分配比，即控制碳及其它合金元素的含量來提高鋼的疲勞強度與沖擊韌性

2 鋼種化學成分改良設計及鋼廠冶煉條件確定

2.1 鋼種及化學成分改良設計

結合以上鋼中合金元素對鉆鋌疲勞強度的影響，改良設計擬選合金的成分見表1所示，此鋼為AISI4145H改良型鋼。

2.2 鋼廠冶煉條件

將上述合金粉末混合在偏心爐底電爐冶煉（EBT）+鋼包精煉（LF）+真空脫氣（VD）+鋼包喂線（FW）+模鑄（IC）+鍛造（將鋼液澆注成700KG鋼錠，再用奧地利1800噸精鍛機鍛造成φ300mm圓鋼），之后剪定成9.7m合金結構鋼棒體，空冷到室溫，進行500℃退火處理。

3 高抗疲勞鉆鋌用鋼熱處理工藝設計

根據以上設計的高抗疲勞鉆鋌用鋼的化學成分范圍,本文選擇了兩套化學成分組成及其熱處理方案。

（1）方案一

各元素化學成分組成如下表所示:

表2 方案一化學組分 單位: %

采用貫通式天然氣熱處理爐，其熱處理工按下表執行:

表3 方案一工藝參數 單位：℃

外噴水打開將壓力調整到5Mpa。將工件放置在淬火料架上，等爐內溫度達到設定溫度后，工件在熱處理過程中旋轉進給,走速根據試驗最終確定，通過貫通式天然氣熱處理爐邊旋進邊加熱至設定的溫度，走出加熱爐后利用噴水裝置噴水以360℃/min冷卻，淬火完成后，將工件放置到回火料架上，重復以上步驟按照所設定的回火溫度進行回火。

（2）方案二

各元素化學成分組成如下表所示:

表4 方案二化學組分 單位: %

采用貫通式天然氣熱處理爐，其熱處理工藝按下表執行：

表5 方案二工藝參數 單位：℃

其他步驟同方案一。

4 成分改良型高抗疲勞鉆鋌用鋼熱處理后金相組織和力學性能

4.1 顯微組織分析

先將金相試樣放入苦味酸加洗滌劑的保和水溶液中，在50℃恒溫下腐蝕足夠長時間后，在金相顯微鏡下觀察其晶粒度。再將金相試樣進行研磨拋光，經4%硝酸酒精溶液腐蝕后，在400X金相顯微鏡下觀察其組織。

圖1為方案1的熱處理后金相組織，晶粒度7.5級，組織為回火索氏體，圖2為方案2的熱處理后金相組織，晶粒度8.0級，組織回火索氏體。

圖1 方案一金相組織 400X

圖2 方案二金相組織400X

4.2 力學性能試驗

從經調質后方案一、方案二的工件上分別截取試樣進行拉伸試驗和沖擊試驗，結果見表6。

表6 兩種方案力學性能與石油行業標準比較

5 結論

本文改良設計成分后的高抗疲勞鉆鋌用鋼，提高了細晶組分含量，控制了雜質元素含量，經特制的轉筒式天然氣熱處理爐調質處理，強度和韌性達到了最佳配合，綜合力學性能超過國內行業標準，且獲得了均勻細小的理想金相組織，最終提高了鉆鋌產品的抗疲勞失效能力。