淬火溫度對鉻鉬鋼性能的影響
石油鉆桿的管體材料一般為低碳鉻鉬合金鋼，在鉆井作業過程中，鉆桿往往承受拉伸、彎曲、扭轉、沖擊、碰撞等復合載荷的作用，服役環境非常惡劣，從而要求鉆桿具有高強度、高沖擊韌性，鉆桿在不進行熱處理的情況下，很容易引起疲勞斷裂失效，因此其熱處理工藝顯得尤為重要。 由于熱處理工藝對鉆桿材料力學性能會產生較大的影響，國內外學者對此作了大量的研究。關于熱處理對X80 鋼彎管力學性能和組織的影響進行了細致的研究，結果表明經1100℃淬+560 ℃回火處理后，試驗X80 鋼彎管母材及焊接接頭的沖擊吸收能量和剪切斷面率均得到較大提高，強度及硬度下降，伸長率增加，熱處理后組織略增大，晶粒度下降。采用球化退火和調質處理作為Cr12MoV 鋼的預備熱處理，并對其顯微組織、力學性能進行了觀察與測定，研究表明采用調質處理為預備熱處理的試樣，其硬度、沖擊韌度、抗彎強度和耐磨性均高于采用球化退火為預備熱處理的試樣，其沖擊韌度、抗彎強度分別達到8.652 J.cm-2和2201.4 MPa，相對于球化退火試樣，分別提高了13.5% 和39.3% 。關于20CrMo 鋼石油鉆桿進行了受力分析與熱處理工藝研究，表明采用二次滲碳淬回火的熱處理工藝對石油鉆桿進行處理，可以達到其內在質量要求，二次滲碳淬火后，獲得了細針狀馬氏體（表面）和細板條狀馬氏體（心部），保證了石油鉆桿良好的綜合性能。研究了淬火溫度對鉻鉬馬氏體耐磨鋼組織和力學性能的影響，結果表明:隨著淬火溫度從880℃提高至920℃，鋼的沖擊吸收能量從31J增加到了58J，硬度先增加后降低，900℃淬火的鋼硬度最高，為52 HRC，900 ℃淬火+200 ℃回火的鋼馬氏體最細小，且有細小的含Ti、V 等合金元素的碳化物。 本文對鉻鉬鋼鉆桿管體材料進行不同的熱處理試驗，并對熱處理試驗后材料進行了拉伸、沖擊試驗，通過對試驗后鉆桿材料金相顯微組織觀察、常溫沖擊斷口形貌分析以及室溫力學性能分析，研究了不同調質熱處理工藝（淬火+高溫回火）對鉻鉬鋼鉆桿管體材料組織與性能的影響，最終得到鉻鉬鋼鉆桿材料熱處理工藝指標，滿足了鉆桿材料的標準及使用要求，并在生產現場得到大規模應用，取得了良好的效果。 試驗采用鉻鉬鋼管體材料，規格為Ф89×13，利用火花直讀光譜儀，并按照GB/T 4336—2016，測試其化學成分如表1 所示。
選擇4 種不同淬火溫度，每組間隔20℃，并保溫30 min，分別為: 860℃× 30min；880℃×30min；900℃×30 min；920℃×30min。淬火冷卻為混合液（乳化油、水按照一定的比例進行混合）冷卻，冷卻時間為1 min。根據生產實踐，將回火溫度確定為580 ℃，保溫時間確定為50min，回火后進行空冷。經過調質熱處理后的試樣按淬火溫度860 ℃、880 ℃、900 ℃和920 ℃從低到高分別編號為1#、2#、3# 和4#，共4 組試樣。拉伸試驗使用ETM305D 型微機控制電子萬能拉伸試驗機，按照GB/T 228.1—2021 規定，在室溫下（23±2 ℃）進行。沖擊試驗使用PIT452D-3 型金屬擺錘沖擊試驗機，在室溫下進行，試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，開V 型缺口，缺口深度為2 mm，并按照GB/T 229—2020 規定進行，每組試樣進行3 次實驗，并取3 次的平均值；試樣經粗磨、細磨、拋光后用4%硝酸酒精溶液腐蝕3 min 制得金相試樣，使用OLYMPUS—GX53 型光學顯微鏡觀察其顯微組織；并使用掃描電子顯微鏡觀察其常溫沖擊斷口形貌。具體熱處理工藝制度見表2。
鉻鉬鋼鉆桿材料經過不同熱處理后，1#～4#試樣的強度變化如圖1 所示，由圖1 可知，在保證回火溫度580 ℃不變的前提下，經過不同淬火條件（860～920 ℃）處理，鉆桿材料1#～4#的抗拉強度分別為924 MPa、911 MPa、933 MPa 和915 MPa，滿足G105 鋼級API 標準，可以看出，抗拉強度變化不明顯，材料的抗拉強度越高，表明材料實際承載能力越大，即抵抗破壞的能力越強；1#—4#試樣的屈服強度分別為834 MPa、824 MPa、857 MPa 和810 MPa，即經淬火900 ℃×30 min+回火580 ℃×50 min 時，該鉆桿材料的屈服強度最高。屈服強度反映了材料抵抗塑性變形的能力，屈服強度越高，材料在受力時越不容易發生塑性變形。
圖2 顯示了鉆桿材料經過不同熱處理后，1#—4#試樣的斷后伸長率變化。從圖中可以看到，1#—4#試樣的斷后伸長率分別為22%、23%、24%、25%，即在保持回火溫度580 ℃不變的條件下，隨著淬火溫度的升高，斷后伸長率也逐漸升高。斷后伸長率反映了材料受力情況下能夠發生塑性變形并延展的程度，斷后伸長率越高，材料的延展性越好，其大小對于材料安全性和可靠性的選擇具有很大的指導意義。
表3 顯示了不同熱處理試驗后鉻鉬鋼鉆桿材料的平均常溫沖擊功。可知，1#樣的常溫沖擊功最大，3#樣的次之，4#樣的最低，原因可能是隨著淬火溫度的上升，試樣的晶粒尺寸長大，從而引起沖擊韌性的下降，沖擊韌性是材料在沖擊載荷作用下吸收塑性變形功和斷裂功能力的體現，反映了材料內部的細微缺陷和抗沖擊性能，一般認為沖擊功越高，材料吸收能量的能力越強，即材料的韌性越好。
圖3 為不同淬火溫度下（保持回火溫度相同）鉻鉬鋼鉆桿材料的顯微組織圖。從圖中可以看出，該鉻鉬鋼鉆桿材料經調質處理（860~920 ℃×30min 淬火+580 ℃×50 min 回火）后的組織均為回火索氏體，圖3（a）860 ℃×30 min 淬火+580 ℃×50min 回火后，基體組織為回火索氏體+一定量的分散的塊狀鐵素體，由于鐵素體具有良好的可塑性和加工性能，因此該1#樣沖擊功較高，即韌性較好，（b）（c）（d）的基體組織均為細小的回火索氏體，無塊狀分散的鐵素體組織存在，而且組織差異較小，回火索氏體是片層的鐵素體與滲碳體的雙相混合組織，其實質是片層的細珠光體，層間距很小，因而其擁有良好的綜合力學性能。
圖4 為不同淬火溫度下（回火溫度580 ℃保持不變）鉻鉬鋼的沖擊斷口形貌。可見，經不同溫度淬火（860~900 ℃）后回火的斷口均為韌窩特征，斷口表面有明顯的撕裂痕，屬于微孔聚集引起的斷裂，說明在斷裂前已經出現了較大的塑性變形，在900 ℃×30 min 淬火+580 ℃×50 min 回火時，其韌窩最小，也最密集，當淬火溫度上升到920 ℃時，斷口形貌的韌窩特征已不夠明顯，處于韌性向脆性轉變的過渡階段。
因此，在綜合考慮鉻鉬鋼鉆桿材料熱處理后抗拉強度、屈服強度、斷后伸長率、沖擊韌性、金相顯微組織及沖擊斷口形貌情況后，可以得出，在淬火900 ℃×30 min、回火580 ℃×50 min 熱處理后鉆桿材料的綜合力學性能較好，顯微組織為均勻細小的回火索氏體，沖擊斷口為典型的韌性斷裂，韌窩較多也密集，滿足鉆桿正常使用標準要求。（1）在保持回火溫度580 ℃不變的前提下，鉻鉬鋼鉆桿材料在900 ℃保溫30 min 淬火時，具有較好的綜合力學性能，其抗拉強度為933 MPa，屈服強度為857 MPa，斷后伸長率24%，常溫沖擊功194.8 J，可以滿足鉆桿的正常使用。（2）鉻鉬鋼鉆桿材料經860~920 ℃×30 min 淬火+580 ℃×50 min 回火后，其顯微組織均為回火索氏體，但在淬火溫度為860 ℃時，有一定量的塊狀鐵素體出現，從而導致其綜合力學性能較差。（3）通過電子顯微鏡觀察各試樣的沖擊斷口形貌，發現淬火（860~900 ℃）后回火的斷口均為韌窩特征，斷口表面有明顯的撕裂痕，說明在斷裂前出現了較大的塑性變形，在900 ℃×30 min 淬火+580 ℃×50 min 回火時，其韌窩最小，也最密集，當淬火溫度上升到920 ℃時，斷口的韌窩特征已不夠明顯，處于韌性向脆性轉變的過渡階段。
