回火溫度及時間對4330V鋼力學(xué)性能的影響

陳衛(wèi)東 王濟(jì)生 孔永平

（1.河南中原重型鍛壓有限公司，河南 濟(jì)源 454650；2.河南省豫隆科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，河南 鄭州 450001）

0 引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，特別是新興經(jīng)濟(jì)體經(jīng)濟(jì)的迅速增長，石油的需求和消費量逐步提升，推動國際鉆井裝備和鉆采技術(shù)的進(jìn)步，更帶動了石油鉆具的開發(fā)和制造。隨著現(xiàn)代鉆采工藝的普遍實施，石油、金礦等鉆采鉆具的應(yīng)用環(huán)境越來越復(fù)雜，鉆采鉆具行業(yè)對鉆具材料的要求也越來越高。傳統(tǒng)的4145H 鋼等材料因強(qiáng)度較低而被逐漸代替，AISI 4330V 鋼作為一種美標(biāo)高強(qiáng)度低合金結(jié)構(gòu)鋼，因其高強(qiáng)度、高韌性等優(yōu)點，在鉆采行業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛，尤其是在鉆具生產(chǎn)方面。影響4330V 鋼力學(xué)性能的因素有很多［1］，本研究主要探討回火溫度及回火時間對4330V 鋼的力學(xué)性能的影響，通過不同回火溫度及回火時間對4330V 鋼進(jìn)行處理，對其強(qiáng)度、硬度、韌性及塑性的變化情況進(jìn)行研究，并探尋4330V 鋼的最佳回火工藝，以提高4330V 鋼的產(chǎn)品性能。

1 試驗材料及試驗方法

1.1 試驗材料

試驗時使用的材料為4330V 鋼退火態(tài)余料，4330V 鋼余料的尺寸為65 mm×65 mm×130 mm，其主要成分見表1，力學(xué)性能要求見表2［2］。

表1 4330V鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）單位：%

表2 4330V鋼的力學(xué)性能要求

1.2 試驗方法

4330V 鋼試樣的加熱溫度為880 ℃，保溫時間為140 min，淬火后回火溫度分別為500 ℃、560 ℃、580 ℃、620 ℃、640 ℃、700 ℃，回火時間分別為120 min、240 min、360 min，完成后，水冷。上述處理完成后，按照《鋼及鋼產(chǎn)品力學(xué)性能試驗取樣位置及試樣制備》（GB∕T 2975—2018）標(biāo)準(zhǔn)在試樣的相應(yīng)位置分別切取拉伸試樣、沖擊試樣及硬度測試塊。按照《金屬材料拉伸試驗方法第1 部分：室溫試驗方法》（GB∕T 228.1—2010）及《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》（GB∕T 229—2020）要求對切取的試樣分別進(jìn)行拉伸試驗檢測及沖擊試驗檢測。

4330V鋼材料在經(jīng)過不同的回火溫度后，在抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、硬度、韌性、塑性等方面發(fā)生變化。

2 試驗結(jié)果

2.1 回火溫度及時間對4330V鋼強(qiáng)度的影響

4330V 鋼分別經(jīng)過500 ℃、560 ℃、580 ℃、620 ℃、640 ℃、700 ℃回火、時間分別為120 min、240 min、360 min，強(qiáng)度檢測結(jié)果如圖1、圖2所示。

圖1 回火溫度及時間對4 330V鋼抗拉強(qiáng)度的影響

圖2 回火溫度及時間對4330V鋼屈服強(qiáng)度的影響

由圖1、圖2 可知，4330V 鋼的抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度均隨著回火溫度的升高而下降，不僅下降幅度較大，且下降速率較快。在回火溫度相同的條件下，隨著回火時間的不斷延長，4330V 鋼的抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度會有不同程度的下降，但下降幅度不明顯。經(jīng)700 ℃回火120 min 后，4330V 鋼的強(qiáng)度偏低，低于其力學(xué)性能要求；經(jīng)640 ℃回火360 min后，4330V鋼的強(qiáng)度也低于其力學(xué)性能要求范圍；經(jīng)640 ℃回火240 min 后，4330V 鋼的抗拉強(qiáng)度勉強(qiáng)達(dá)到力學(xué)性能要求范圍，但是其屈服強(qiáng)度較低，仍在要求值以下；當(dāng)4330V 鋼經(jīng)620 ℃回火240 min 后，其抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度均達(dá)到力學(xué)性能的要求。

2.2 回火溫度及時間對4330V 鋼硬度及沖擊吸收能量的影響

4330V 鋼經(jīng)500 ℃、560 ℃、580 ℃、620 ℃、640 ℃、700 ℃分別回火120 min、240 min、360 min后，硬度及韌性檢測結(jié)果如圖3所示。

圖3 回火溫度及時間對4330V鋼硬度和沖擊收縮能量的影響

由圖3 可知，4330V 鋼的硬度隨回火溫度的升高而明顯下降，4330V 鋼的沖擊吸收能量隨回火溫度的升高而明顯提高。此外，4330V 鋼的硬度隨回火時間的延長有一定程度的降低，而其沖擊收縮能量隨回火時間的延長有一定的升高。對4330V 鋼進(jìn)行640 ℃及700 ℃回火時，其硬度已經(jīng)下降至力學(xué)性能要求的硬度值以下，主要是因為回火溫度過高，造成了4330V 鋼材料的過回火。

高溫回火雖能消除鋼材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力，但溫度過高會引起馬氏體的高溫回復(fù)，使其多邊化亞晶明顯長大，碳化物析出，硬度和強(qiáng)度進(jìn)一步降低［3］。

2.3 回火溫度及時間對4330V鋼塑性的影響

4330V 鋼經(jīng)500 ℃、560 ℃、580 ℃、620 ℃、640 ℃、700 ℃分別回火120 min、240 min、360 min后，其塑性檢測結(jié)果如圖4所示。

圖4 回火溫度及時間對4330V鋼塑性的影響

由圖4 可知，隨著回火溫度的升高，4330V 鋼的塑性（延伸率、斷面收縮率）有所提高，斷面收縮率比延伸率提高的幅度大一些。在相同回火溫度條件下，4330V 鋼的塑性隨著回火時間的延長而提高。當(dāng)回火溫度為580～620 ℃時，4330V 鋼塑性升高的速率最快；當(dāng)溫度超過620 ℃時，其塑性升高的速率明顯降低。回火溫度升高時，會使淬火過程形成的鐵素體發(fā)生回復(fù)和重結(jié)，進(jìn)而鐵素體得以長大，材料的韌性得到進(jìn)一步增強(qiáng)，塑性得到進(jìn)一步提高。

綜上所述，當(dāng)回火溫度為500 ℃時，由于溫度過低，4330V 鋼材料回火不充分，合金元素?zé)o法擴(kuò)散，致使材料的塑性偏低，而強(qiáng)度和硬度卻偏高，無法為鉆具生產(chǎn)提供合適的材料；當(dāng)回火溫度為700 ℃及640 ℃時，由于回火溫度過高，致使4330V鋼材料過回火，4330V 鋼的強(qiáng)度及硬度值降至力學(xué)性能的要求值以下。在實際應(yīng)用中，通常不采用低溫回火，而是通過高溫回火來提高4330V 鋼的性能，但過高的回火溫度也不利于4330V 鋼的強(qiáng)度及硬度性能的保持。

2.4 回火溫度及時間對4330V 鋼斷口形貌的影響

不同回火溫度保溫240 min 后4330V 鋼的拉伸斷口微觀形貌如圖5所示。

圖5 不同回火溫度下4330V鋼的拉伸斷口形貌

由圖5（a）和（b）可知，4330V 鋼在500 ℃和560 ℃回火后，可觀察到少量韌窩和撕裂棱，推測其斷口形貌以準(zhǔn)解理斷裂為主，此時鋼材的延伸率最低。由圖5（d）和(e)可知，當(dāng)回火溫度提高到640 ℃時，4330 鋼的斷口形貌主要以細(xì)小韌窩為主，此時的斷裂方式為韌性斷裂，且隨著回火溫度的升高，韌窩也變得多而深，材料的塑性和韌性不斷提高。當(dāng)回火溫度達(dá)到700 ℃時，韌窩的數(shù)量明顯下降，材料的塑性也會隨之下降。

3 分析與討論

石油鉆使用的穩(wěn)定器一直是用4145HMOD 材料制造的，由于石油鉆采工具的服役環(huán)境比較惡劣，在服役過程中鉆采工具要承受拉伸、扭轉(zhuǎn)、彎曲、振動、沖擊等外部載荷的作用，這就要求鉆具所選的材料具有較高的強(qiáng)度和良好的韌性。隨著深井、超深井、水平井等現(xiàn)代鉆井工藝的應(yīng)用，鉆采工具的服役條件愈發(fā)惡劣，高扭矩鉆具顯得越來越重要。這就要求鉆具具有更高的塑性和韌性。4145HMOD 材料雖然價格相對便宜，但其強(qiáng)度較低，無法滿足實際需要。由于4330V 鋼具有較高的強(qiáng)度及韌性，且經(jīng)過適當(dāng)熱處理后，其性能可以達(dá)到更高的水平，能滿足鉆采工具惡劣服役條件的要求。因此，4330V 鋼在鉆具行業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛，對4330V鋼性能的研究愈加深入。

當(dāng)材料的回火溫度不斷升高時，會引起合金碳和基體的關(guān)系破裂，并不斷聚集、球化，有助于提高材料的性能，進(jìn)而使其達(dá)到應(yīng)用要求。研究表明，當(dāng)回火溫度處在500～650 ℃時，4330V 鋼的強(qiáng)度及硬度會有一定程度的降低，而其韌性及塑性卻會有一定程度的增強(qiáng)或提高，對4330V 鋼在鉆采行業(yè)的廣泛應(yīng)用有極大的幫助［4-6］，與本研究的研究結(jié)果一致。因此，當(dāng)4330V 鋼的回火溫度過低時，不利于鋼材料的塑性提升；而當(dāng)4330V 鋼的回火溫度過高時，鋼材料的硬度及強(qiáng)度等性能達(dá)不到應(yīng)用的需求。在選擇回火溫度時，要選擇適宜的回火溫度，使4330V 鋼既有較好的硬度及強(qiáng)度性能，同時又有良好的韌性和塑性性能。

當(dāng)回火溫度升高時，原先淬火形成的馬氏體由于脫碳重組而形成的鐵素體也因為回復(fù)與重結(jié)晶而不斷長大，故而鋼材料的韌性和塑性進(jìn)一步增強(qiáng)［7-8］。

綜合來看，4330V 鋼材料的強(qiáng)度（包括屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度）及硬度都會隨著回火溫度的升高而逐步降低，而其韌性、塑性則會隨著回火溫度的升高而逐步增強(qiáng)［9-12］。經(jīng)過試驗后發(fā)現(xiàn)，4330V 鋼經(jīng)過620 ℃回火240 min 后，各種性能匹配較好。在實際生產(chǎn)中，綜合各方面考慮，需要選擇強(qiáng)度硬度高、韌性好等綜合機(jī)械性能較好［13-15］的產(chǎn)品來滿足深度鉆井的需要。

4 結(jié)論

本研究針對4330V 低合金結(jié)構(gòu)鋼進(jìn)行不同溫度及時間的回火試驗，探討不同的回火溫度及回火時間對4330V 鋼的力學(xué)性能和組織結(jié)構(gòu)的影響。通過試驗得到以下結(jié)論。

①回火溫度為700 ℃、回火時間為120 min 時，4330V 鋼材料的抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度過低，不符合4330V鋼的力學(xué)性能要求。

②回火溫度為640 ℃，回火溫度為360 min 時，4330V 鋼材料的抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度偏低，不符合力學(xué)性能要求。

③回火溫度為640 ℃及700 ℃時，回火溫度過高，過回火使4330V鋼材料硬度偏低。

④回火溫度為500 ℃時，回火不充分，合金元素?zé)o法擴(kuò)散，4330V鋼的塑性偏低，強(qiáng)度及硬度偏高。

⑤4330V 鋼在500 ℃和580 ℃回火后，其斷口形貌以準(zhǔn)解理斷裂為主，此時4330V 鋼的延伸率最低。當(dāng)回火溫度升至640 ℃時，其斷口形貌以細(xì)小韌窩為主，此時4330V 鋼的斷裂方式為韌性斷裂。4330V 鋼材料的塑性和韌性隨著回火溫度的升高也不斷提高，斷口形貌的韌窩也變得越大越深。