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(fù)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(jì)，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(xué)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(qiáng)度和韌性都高的綜合力學(xué)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(fù)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(jī)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(yán)格控制其化學(xué)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(xué)曲線—CCT 圖的測定

1.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)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(diǎn)數(shù)據(jù)，進(jìn)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(shí)間和膨脹—時(shí)間曲線，可以得到膨脹拐點(diǎn)處對應(yīng)的溫度，由于奧氏體轉(zhuǎn)變發(fā)生體積膨脹效應(yīng)，故由測定的膨脹曲線的拐點(diǎn)，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(shí)膨脹—溫度曲線的拐點(diǎn)（奧氏體開始形成時(shí)體積收縮）確定Ac1和Ac3溫度。

1.2 試驗(yàn)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(shí)間曲線，可以得到膨脹拐點(diǎn)處對應(yīng)的溫度，從而得到轉(zhuǎn)變溫度—時(shí)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(gè)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(shí)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(shí)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(jìn)行硬度測定和金相組織觀察。測得的硬度標(biāo)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(dāng)冷速為2.5 ℃/s 時(shí)，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(yīng)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(shí)，得到貝氏體+馬氏體組織，且隨冷速增大馬氏體的分?jǐn)?shù)增大。當(dāng)冷速≤0.15 ℃/s 時(shí)，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?jǐn)?shù)增大，貝氏體分?jǐn)?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(shí)間應(yīng)該＜150 s，保守估計(jì)應(yīng)該控制在100 s 左右。如果冷卻時(shí)間過短，導(dǎo)致冷速過快，引起較大的內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)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(shí)，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(dāng)冷速≤0.15 ℃/s 時(shí)，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。