石油鉆機大鉤鑄造合金鋼的性能研究*

黨 恩，曹曉宇，蘇東升，王高社，梁肖兵，王文君，楊豐博

（1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721000；2.中油國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心有限公司，陜西 寶雞 721000）

大鉤是鉆修井作業中必不可少的起重設備，不僅要承受鉆機起升系統和管柱的自重，還要承受遇阻遇卡處理事故時的沖擊力，服役條件十分惡劣[1]。一般情況下，大鉤需具備較高的強度，倘若鉆機所處的作業環境溫度非常低，還要求大鉤能抵抗住低溫沖擊[2]。因為大鉤零件形狀特殊，按現有結構采用鍛造成型工藝制作難度很大，但鑄造大鉤的優越性在于成本低、質量輕、生產周期短。鑒于此，國內外普遍青睞于重力澆鑄的方法，并以鉻鎳鉬系低碳合金鋼為主要制造材質[3-4]。

由于大鉤包含多個形狀復雜和截面尺寸相差較大的零件，即便在相同的熱處理條件下，不同截面尺寸的鑄件由于淬透性不同，往往表現出較大的力學性能差異[5-7]。而關于不同截面尺寸大鉤鋼的性能試驗研究報道較少，給大鉤設計計算和制造帶來了不便。本研究通過分析不同的熱處理工藝條件下系列大鉤等效圓基爾試棒的力學性能，確定大鉤復雜截面的載荷值，為有限元分析計算提供參考，從而優化大鉤零件結構。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

本試驗用鋼的熔煉階段采用堿性電爐冶煉+LF爐精煉的方法，并嚴格控制P及S元素的含量。試驗采用紅外碳硫儀以及直讀光譜儀對試驗用鋼的化學成分進行了檢測分析，結果見表1。

表1 試驗用鋼的化學成分 %

等效圓基爾試棒如圖1所示，經最終熱處理后進行力學性能試驗，試樣軸線位于圖1陰影區的邊界線上，陰影區的直徑D見表2[8]。

圖1 等效圓基爾試棒模型

表2 等效圓基爾試棒尺寸

1.2 熱處理工藝方案

依據試驗用鋼的主要元素特性，采取不同的熱處理工藝。首先，選用呈等差數列關系的4個淬火溫度（850℃、880℃、910℃及940℃），測試在該條件下大鉤鋼的性能；其次，還選用呈等差數列關系的4個回火溫度（550℃、600℃、650℃及700℃）和5個不同回火保溫時間（3 min/mm、5 min/mm、7 min/mm、9 min/mm、15 min/mm），研究該條件下大鉤鑄造合金鋼組織和性能的變化趨勢，具體熱處理工藝方案見表3。通過對ER80 mm～ER315 mm系列等效圓基爾試棒進行熱處理，研究該條件下大鉤鑄造合金鋼力學性能的變化趨勢，系列基爾試棒熱處理工藝參數見表4。其中，油作為淬火的冷卻介質，空氣作為回火的冷卻介質。

表3 熱處理工藝方案

表4 系列基爾試棒熱處理工藝參數

1.3 試驗方法

對試樣分別進行拉伸及沖擊試驗。拉伸試樣采用ASTM標準，試樣規格為Φ20 mm×250 mm，沖擊試驗的V形缺口試樣依據GB/T 229—2007制備，試樣規格為10.5 mm×10.5 mm×250 mm。采用SHT 4605D電液伺服試驗機進行拉伸試驗，分別在20℃和-20℃條件下進行，采用擺錘沖擊試驗機進行沖擊試驗，每組選取3個試樣，取平均值作為該溫度下的沖擊吸收功值，并觀察其金相組織。

2 試驗結果及分析

2.1 淬火溫度對力學性能的影響

當回火溫度一定時，淬火溫度與大鉤鋼力學性能的關系如圖2所示。由圖2可知，淬火溫度的變化對大鉤鋼的強度及塑性并未產生顯著影響，但對沖擊韌性有顯著影響。若淬火溫度處于880～940℃，隨著溫度不斷升高，大鉤鋼的強度及塑性并未發生大幅度的波動。一般情況下，若溫度上升至900℃左右，大鉤鋼的低溫沖擊性能呈現最佳水平。淬火溫度處于850～910℃時，隨著溫度的升高，韌性也相應增強。但當溫度超過910℃時，淬火溫度越高，沖擊韌性反而越低。

圖2 不同淬火溫度下大鉤鑄造合金鋼的力學性能

造成上述現象的原因在于，淬火溫度會直接對碳及合金元素在奧氏體中的溶解和分布以及奧氏體晶粒的大小產生影響，繼而影響馬氏體的形態和數量。提高大鉤鋼熱處理溫度和延長保溫時間，鋼中的合金元素才能充分地溶入奧氏體內。當淬火溫度逐漸上升時，大鉤鋼內的碳及合金元素會逐步溶入奧氏體中，奧氏體均勻化程度也不斷提升[9]。而當溫度達到910℃之后，碳及合金元素已經完全溶進奧氏體，此時進行回火處理，便可以得到組織均一的回火索氏體，大鉤鋼的綜合力學性能處于最佳狀態。而當淬火溫度繼續上升，超過940℃后，碳化物已經全部溶解，無法再組織奧氏體晶粒的變大。奧氏體晶粒的粗化導致馬氏體轉變組織粗大，由此導致材料韌性和塑性降低[10]。

2.2 回火溫度對力學性能的影響

回火溫度與大鉤鋼力學性能的關系如圖3所示。由圖3可見，當溫度在500～700℃時，溫度越高，大鉤鋼的強度越低；而當溫度超過650℃，大鉤鋼的抗拉強度降幅比較緩慢，屈服強度降幅較大。與大鉤鋼的強度指標變化不同的是，其塑性及沖擊功和溫度之間呈正比關系，當溫度達到650℃時，沖擊功處于最佳狀態，隨著回火溫度的繼續升高，沖擊功逐漸降低。

圖3 不同回火溫度下大鉤鑄造合金鋼的力學性能

不同回火溫度大鉤鋼的顯微組織如圖4所示。圖4（a）和圖4（b）均可以看到回火索氏體等組織。由此可見，在550℃回火處理后，大鉤鋼內還保留有馬氏體相，而當溫度超過600℃時，回火馬氏體的飽和度明顯下降，受其影響，大鉤鋼強度伴隨著溫度的升高而減弱，塑韌性卻有所改善[11]；溫度超過650℃之后，馬氏體板條內析出了許多碳化物顆粒，且處于彌散狀態，如圖4（c）所示，回火馬氏體的飽和度不斷降低，固溶強化作用也隨之減弱，大鉤鋼的強度反而趨向穩定，不再有大幅度的變化。此時析出的碳化物顆粒對大鉤鋼韌性的減弱作用低于馬氏體固溶對大鉤鋼韌性的強化作用，結果是大鉤鋼韌性不再隨回火溫度的升高而大幅度增加，在該階段大鉤鋼的韌性達到了最佳[12]。以上試驗表明，當回火溫度在650℃時，大鉤鋼的韌性較好，且不會隨溫度的升高而增加，在這個溫度進行回火處理，能夠保證大鉤鋼的韌性是最佳水平；當回火溫度高于650℃，碳化物顆粒體積逐漸變大，如圖4（d）所示，此時溫度上升大鉤鋼韌性反而有所降低[13]。

圖4 不同回火溫度下大鉤鑄造合金鋼的顯微組織

2.3 回火保溫時間對力學性能的影響

回火保溫時間與大鉤鋼力學性能的關系如圖5所示。由圖5（a）可知，保溫時間和大鉤鋼的強度二者呈反比。隨著保溫時間的增加，大鉤鋼抗拉強度逐漸減弱。當保溫時長大于7 min/mm之后，大鉤鋼的強度變化幅度逐漸平穩，下降趨勢減緩；保溫時間在3～15 min/mm時，保溫時間對大鉤鋼的塑性影響不大，大鉤鋼的塑性無明顯變化；而這一階段中大鉤鋼沖擊韌性變化較為明顯，時間越長，韌性越好。獲得最佳沖擊韌性的保溫時長在7～9 min/mm之間，當超過9 min/mm之后，反而會慢慢減弱。

圖5 不同回火保溫時間下大鉤鑄造合金鋼的力學性能

不同回火保溫時間的大鉤鋼顯微組織如圖6所示。由圖6（a）可以看出，回火保溫時間小于3 min/mm時，淬火組織尚未達到平穩狀態，因而還保留著淬火馬氏體形態；而當保溫時間達到7～9 min/mm時，淬火馬氏體分解的比較充分，此時調質組織達到了相對穩定的狀態。由此可見，回火保溫時長對回火組織起重要作用，繼而影響大鉤鋼的力學性能。但另一方面，回火保溫時間過長，會導致碳原子長時間擴散，造成碳化物顆粒增大，引起大鉤鋼沖擊性能的下降[14]。

圖6 不同回火保溫時間的大鉤鑄造合金鋼顯微組織

2.4 等效圓基爾試棒直徑對力學性能的影響

不同直徑等效圓基爾試棒對大鉤鋼力學性能的影響如圖7所示。回火溫度一定時，隨著試棒直徑的增大，大鉤鋼強度逐漸減少，當試棒直徑大于160 mm時，強度減少的幅度變大，屈服強度的減小較明顯，如圖7（a）所示。與此不同的是，當試棒直徑增大時，塑性逐漸增大，如圖7（b）、圖7（c）所示。沖擊吸收功的變化與圖7（a）強度變化存在同樣的規律，當試棒直徑增至200 mm時，低溫沖擊吸收功下降趨于平緩。由此可見，當熱處理條件一致時，基爾試棒的直徑決定著鋼的力學性能變化趨勢。當等效圓基爾試棒的直徑增大時，強度和沖擊韌性指標會逐漸降低，而塑性卻呈現出明顯的上升趨勢[15]。在給定的熱處理工藝條件下（如淬火溫度、淬火介質等），其淬透層深度受截面尺寸影響較大。隨著鋼的截面尺寸增大，越往心部獲得的馬氏體組織越少，非馬氏體組織較多，經高溫回火后鋼的強塑性指標變化趨于平緩。

圖7 基爾試棒直徑與力學性能的關系

3結論

（1）大鉤鋼在較高的溫度下回火，對提高大鉤鋼的綜合力學性能具有重要的影響。回火保溫一定時間后，大鉤鋼的組織趨于穩定，大鉤鋼的綜合力學性能不再受回火保溫時間的影響，但長時間回火會對大鉤的綜合性能產生不利影響，回火保溫時間宜為3～15 min/mm。

（2）大鉤鋼最佳熱處理工藝是在880～900℃淬火、650℃保溫5～9 min/mm回火。此工藝下，大鉤鋼析出的碳化物顆粒呈彌散分布且體積很小，實現了強度和塑韌性的最佳匹配。

（3）大鉤鋼的有效淬透層深度在ER160 mm～ER200 mm等效圓之間。當等效圓的尺寸超過ER200 mm時，隨著熱處理工藝參數的變化，大鉤鋼強韌性指標變化不明顯。