淬火油溫對40Cr MnMo鋼鉆桿組織和性能的影響

鐘 彬，陳義慶，李 琳，高 鵬，傘宏宇，艾芳芳，田秀梅

（1.海洋裝備用金屬材料及其應用國家重點實驗室，遼寧 鞍山 114009；2.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009）

鉆桿是鉆井或打地基時用于傳遞動力、輸送泥漿的主要工具，需承受各種復雜交變的載荷，如拉、壓、扭、彎曲等應力，需要鉆桿具有良好的抗扭和抗沖擊性能，既要保證高的強度，也要保證優良的沖擊性能。40CrMnMo鋼是最常見的高端鉆桿用鋼，采用石油鉆桿的生產加工工藝，即對桿體管端加厚，端部螺紋車絲或與接頭焊接而成，具有很好的淬透性和良好的回火穩定性，調質狀態下具有優良的綜合力學性能[1-3]。

淬火工藝是將鋼加熱到臨界溫度以上，完全奧氏體化后快速冷卻獲得高硬度馬氏體的熱處理工藝。為了獲得馬氏體組織，淬火冷卻速度必須大于臨界冷卻速度，但是冷卻速度又不能過大，否則容易引起表面開裂或者變形[4-5]。為了保證鉆桿的安全可靠性，提高鉆桿的使用壽命，通常采用機油作為40CrMnMo鋼的淬火冷卻介質，淬火后能夠完全獲得馬氏體組織，再經過高溫回火獲得均勻的回火索氏體組織，綜合力學性能良好，滿足用戶需求。

目前，通過制定合適的熱處理工藝來滿足鉆桿材料的使用性能和研究淬火加熱溫度對鉆桿的組織和性能影響的研究較多[6-8]，而淬火介質機油的溫度對鉆桿微觀組織的演化和力學性能的變化機理等研究較少，本文主要研究淬火冷卻過程中機油溫度對鉆桿的微觀組織和力學性能的影響，確定合適的機油溫度用作淬火處理，為制定鉆桿的熱處理工藝制度提供試驗和理論支持。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試樣為某廠生產的40CrMnMo鋼鉆桿，規格為φ188 mm×25 mm，長度700 mm，化學成分（質量分數，%）為0.40C、0.25Si、0.95Mn、0.01P、0.01S、0.80～1.10Cr、0.10～0.25Mo、0.035Als和余量Fe。

按照YB/T 5127—2018《鋼的臨界點測定 膨脹閥》進行相變點測試，得到奧氏體開始形成溫度為741℃，鐵素體完全轉化為奧氏體溫度為780℃，冷卻中鐵素體開始析出溫度為711℃，析出鐵素體和珠光體的溫度為651℃。最終確定淬火加熱溫度為850℃，淬火介質為機油，完全奧氏體化后分別放入機油溫度為10、30、50和70℃的油槽中，試樣依次標記為No.1、No.2、No.3和No.4，然后將上述試樣統一進行回火處理，回火溫度為580℃，保溫180 min，最后針對淬火態和回火態試樣分別進行相關分析。

1.2 試驗方法

采用LINSEISL78 RITA相變儀進行相變點測試；采用FM-7000顯微維氏硬度計進行硬度測定，載荷砝碼為10 kg；采用LR-200R進行洛氏硬度HRC測試；利用ZEISSAxiovert 200MAT型光學顯微鏡進行顯微組織分析和晶粒度觀察；采用Z600拉伸試驗機對其進行拉伸性能測試；采用ZBC2602全自動沖擊試驗機進行沖擊性能測試。

2 試驗結果

2.1 CCT曲線

不同冷卻速度下40CrMnMo鋼鉆桿的顯微組織和維氏硬度結果如表1所示，隨著冷卻速度的增大，試樣的顯微組織經歷了F+P到F+P+B到F+B到B到B+M，最后完全轉變為M單一組織的過程。結合相變點測試結果，繪制出過冷奧氏體連續冷卻轉變（CCT）曲線見圖1。從圖1可知，冷卻速率必須大于5℃·s-1，鉆桿試樣才能保證完全轉換成馬氏體，同時，合理控制冷卻速度，有利于淬火過程中組織轉變均勻，避免淬火開裂[4]。

表1 不同冷卻速度下40Cr MnMo鋼鉆桿的顯微組織和硬度Table 1 Microstructure and hardness of the 40Cr MnMo steel drill pipe at different cooling rates

圖1 40CrMnMo鋼鉆桿的連續冷卻轉變曲線Fig.1 Continuous cooling transition curves of the 40CrMnMo steel drill pipe

2.2 顯微組織

按照GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗方法》，對不同油溫淬火后的鉆桿試樣進行顯微組織觀察，如圖2所示。油溫為10℃時，No.1試樣淬火后的顯微組織為馬氏體，板條束較寬大、較長，微觀組織不均勻；油溫為30℃和50℃時，No.2試樣和No.3試樣淬火后的顯微組織也為馬氏體，板條束相對細小、較短；油溫為70℃時，No.4試樣淬火后的顯微組織同樣為馬氏體，板條較細，有變大趨勢。

圖2 不同油溫淬火后40CrMnMo鋼鉆桿的顯微組織Fig.2 Microstructure of the 40CrMnMo steel drill pipe after quenching at different oil temperatures

2.3 截面硬度

不同油溫淬火后鉆桿試樣的淬硬性曲線如圖3所示。從圖3可知，試樣邊緣部分的硬度低于中間部分的硬度，這可能與內外壁的表面脫碳有關[9-10]。油溫為30～70℃時，整個壁厚方向上硬度相對均勻，淬硬性曲線趨勢一致，整體來說淬火效果較好。而油溫為10℃時，壁厚方向上的硬度波動較大，且硬度較低，這與低溫機油的粘度大、流速慢影響傳熱使得冷卻能力不足有關。

圖3 不同油溫淬火后鉆桿試樣的淬硬性曲線Fig.3 Hardenability curves of the drill pipe specimens after quenching at different oil temperatures

2.4 力學性能

將油淬后的鉆桿試樣，統一經過580℃高溫回火，然后分別對其進行力學性能測試，試驗結果如表2所示。經過不同油溫淬火和統一高溫回火后，鉆桿試樣的力學性能均符合要求。其中，油溫10℃試樣的屈服強度最低，抗拉強度較高，伸長率最小，性能較差；油溫50℃試樣的屈服強度最高，抗拉強度最大，伸長率最大，性能最好；油溫30℃試樣的屈服強度較高，抗拉強度最低，伸長率較低，性能一般；而油溫70℃試樣的屈服強度較高，抗拉強度較高，伸長率較高，性能較好。相比而言，油溫為50℃時，鉆桿的力學性能最好。

表2 不同油溫淬火、580℃回火后鉆桿試樣的拉伸性能Table 2 Tensile properties of the drill pipe specimens quenched at different oil temperatures and tempered at 580℃

屈強比是指材料的屈服強度與抗拉強度的比值，與材料的塑性變形能力和應變硬化能力密切相關，屈強比越大，材料抵抗變形能力越強，不易出現塑性變形。40CrMnMo鋼作為鉆桿材料對力學性能有要求，對屈強比同樣有要求，鉆桿材料要求具有較高的屈強比，預防使用過程中發生彎曲變形，甚至斷裂。圖4是鉆桿料的屈強比與淬火油溫的關系圖，從圖4可以看出，油溫為10℃時，試樣的屈強比最小，僅為0.898，而油溫為30℃時，試樣的屈強比最大，達到了0.912，隨著油溫繼續升高，屈強比隨之降低，屈強比從大到小的順序為：No.2>No.3>No.4>No.1。

圖4 不同油溫淬火、580℃回火后鉆桿試樣的屈強比Fig.4 Yield ratio of the drill pipe specimens quenched at different oil temperatures and tempered at 580℃

將油淬后的鉆桿試樣，統一經過580℃高溫回火處理，然后分別對其進行沖擊性能測試，試驗結果如表3所示。從表3可知，油溫為10℃時，試樣的沖擊吸收能量最低，韌性最差，油溫為50℃時，試樣的沖擊吸收能量最大，韌性最好，沖擊吸收能量從大到小的順序為：No.3>No.2>No.4>No.1。

表3 不同油溫淬火、580℃回火后鉆桿試樣的沖擊吸收能量Table 3 Impact absorbed energy of the drill pipe specimens quenched at different oil temperatures and tempered at 580℃

3 分析與討論

根據相變點測試結果，確定40CrMnMo鋼鉆桿的加熱溫度為850℃，完全奧氏體化后放入機油槽中淬火，機油溫度對鉆桿試樣的組織和截面硬度影響顯著，進而影響回火后鉆桿試樣的力學性能、屈強比和沖擊吸收能量。為了滿足鉆桿材料的性能要求，延長使用壽命，必須合理控制淬火介質機油的溫度，才能保證鉆桿綜合性能優良，同時，保證淬火油溫的穩定，有利于淬火過程中組織轉變均勻，避免淬火開裂。

油溫較低時，機油粘度大，流動速度變慢，影響傳熱導致冷卻能力降低，熱量傳導效率不高，使得微觀組織中的馬氏體板條束較寬，晶粒相對較大。淬火后的截面硬度存在波動，數值較低，可能與微觀組織轉變相對不均和飽和碳的固溶強化效應有關[11]；經過進一步高溫回火后，馬氏體轉變為回火索氏體，微觀組織中遺傳了淬火組織的缺陷和不足，使得10℃油溫淬火試樣的力學性能最差，屈強比最低，且沖擊吸收能量僅為52.6 J，鉆桿料的綜合性能較差。

淬火油溫較高時，雖然粘度很小，流動速度較快，但冷卻能力同樣降低，熱量傳導效率不高，油淬冷卻速度勉強大于臨界冷卻速度，鉆桿試樣可以完全轉化成馬氏體組織，馬氏體板條束較細，微觀組織相對均勻，晶粒有細化趨勢，高溫回火后No.4試樣的力學性能較好，但是屈強比較低，沖擊吸收能量數值僅為59.8 J，鉆桿的綜合性能僅僅優于No.1試樣的綜合性能。

油溫為30～50℃時，粘度較小，機油的流動速度適宜，熱量傳遞效果好，冷卻速率能遠遠大于5℃·s-1，保證了鉆桿完全轉換成馬氏體組織，板條束細小，晶粒細化，微觀組織均勻；經過高溫回火后隨之轉變為回火索氏體，微觀組織得到進一步均勻化，綜合性能顯著提高。No.2試樣的力學性能較好，屈強比最高，沖擊吸收能量達到了63.4 J，No.3試樣的力學性能較好，屈強比數值較高，沖擊吸收能量最高，達到了65.9 J。兩種油溫條件下，鉆桿材料的微觀組織和力學性能較好，屈強比較高，同時，鉆桿具有較高的沖擊性能和較好的韌性，綜合性能良好。

4 結論

1）淬火介質的油溫對鉆桿料的淬火態組織和回火態性能影響顯著。

2）隨著油溫的升高，熱量傳遞順暢，冷卻速度先升高后降低，油溫30～50℃為宜，可以保證冷卻速率大于5℃·s-1，使得鉆桿試樣完全轉換成馬氏體，板條束細小，微觀組織均勻，鉆桿材料的微觀組織和力學性能較好，具有較高的屈強比，以及較高的沖擊性能和較好的韌性，綜合性能良好。

3）建議用戶保證機油的溫度穩定，有利于淬火過程中組織轉變均勻。