熱處理對低溫油套管鋼的組織和性能的影響*

楊雪春

(黎明職業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，福建 泉州 362000)

熱處理對低溫油套管鋼的組織和性能的影響*

楊雪春

(黎明職業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，福建 泉州 362000)

對低溫油套管鋼HS110L進(jìn)行調(diào)質(zhì)、亞溫淬火和回火的熱處理試驗,對試驗后的試樣進(jìn)行力學(xué)性能測試，結(jié)合試驗得出的數(shù)據(jù)和金相顯微組織圖片,分析顯微組織的變化及影響HS110L鋼使用性能的因素，為提高鋼的整體性能提供了依據(jù).

低溫油套管；熱處理；調(diào)質(zhì)；亞溫淬火

石油是重要的戰(zhàn)略物資資源.全世界石油供應(yīng)形勢嚴(yán)峻，這使得有著豐富石油資源的高寒地區(qū)的石油相繼開采.油套管用于開采石油天然氣，主要起固井作用，其用量占油井管的73%～76%，是高技術(shù)含量和高附加值產(chǎn)品，同時又是高風(fēng)險產(chǎn)品，一旦在使用中出現(xiàn)質(zhì)量問題將會造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重時導(dǎo)致井毀人亡[1].

近年來，隨著能源需求和石油工業(yè)的發(fā)展，石油勘探開發(fā)逐漸向超深井方向拓展，愈加惡劣的服役條件對油套管的綜合力學(xué)性能尤其是強(qiáng)韌性匹配方面提出了更高的要求[2].當(dāng)油套管用鋼的強(qiáng)度達(dá)到超深井要求的指標(biāo)時，韌性不足問題突顯[3].精細(xì)化調(diào)質(zhì)處理是改善鋼管組織性能的重要工序，高溫回火對油套管的強(qiáng)韌性產(chǎn)生重要的影響[4]，淬火后進(jìn)行高溫回火，既可以得到回火索氏體，又可使基體發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶，并能基本消除鋼的內(nèi)應(yīng)力[5].在高寒地區(qū)使用的石油套管是低溫油套管，它的性能要求是高強(qiáng)度、高韌性及耐低溫.本文通過采用不同的熱處理方式，使低溫油套管達(dá)到高強(qiáng)度、高韌性及耐低溫的使用性能要求.

1 低溫油套管用鋼要求

1.1 低溫油套管鋼的化學(xué)成分范圍(表1)

1.2 低溫油套管鋼的力學(xué)性能要求(表2)

表1 低溫油套管的化學(xué)成分 (%)

表2 低溫油套管力學(xué)性能要求

2 低溫油套管鋼的熱處理試驗

按國標(biāo)GB/T 228.1-2010加工拉伸試樣，在力學(xué)實驗機(jī)進(jìn)行常規(guī)拉伸實驗，拉伸速度為1 m/min；根據(jù) GB/T 229-2007(《金屬材料夏比擺錘沖擊實驗方法》)加工全尺寸夏比 V 型缺口沖擊試樣，在 NAI500F 擺錘式?jīng)_擊實驗機(jī)上進(jìn)行 0 ℃沖擊實驗；采用 Leica DMI 3000M 型臥式金相顯微鏡觀察金相組織；金相樣品采用體積分?jǐn)?shù)為 4%的硝酸酒精溶液浸蝕[5].

最初生產(chǎn)低溫油套管HS110L采用的是完全淬火工藝,熱處理后，材料的強(qiáng)度、塑韌性不足，不能滿足HS110L鋼力學(xué)性能的要求.為此，我們嘗試采用調(diào)質(zhì)工藝對低溫套管進(jìn)行熱處理，進(jìn)一步改善其性能.

HS110L鋼級套管的AC1溫度設(shè)定為768℃，AC3溫度設(shè)定為855℃，Ar1溫度設(shè)定為650℃，Ar3溫度設(shè)定為790℃.

2.1 調(diào)質(zhì)處理

(1)調(diào)質(zhì)處理工藝.對HS110L進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，調(diào)質(zhì)方案見表3.

表3 HS110L調(diào)質(zhì)處理工藝方案

(2)調(diào)質(zhì)處理性能結(jié)果.對HS110L進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理的性能結(jié)果如表4.

表4 HS110L調(diào)質(zhì)后的性能

注：HS110L的規(guī)格為Φ139mm×17mm, 縱向及其橫向沖擊試樣尺寸為10mm×10mm×55mm.

(3)調(diào)質(zhì)處理性能分析.①HS110L的-60℃縱向沖擊韌性能為105J，韌脆轉(zhuǎn)變溫度FATT(50)低于-60℃.②HS110L的0℃縱向沖擊性能為177J，比同等強(qiáng)度的HS110H要高45J左右.

2.2 亞溫淬火

(1)亞溫淬火工藝方案.對經(jīng)調(diào)質(zhì)后的HS110L試樣分別在775℃、785℃、795℃、805℃、815℃溫度下進(jìn)行亞溫淬火處理.其亞溫淬火工藝如表5.

(2)亞溫淬火試驗結(jié)果.為了保證試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，每個試樣取外側(cè)、中壁和內(nèi)側(cè)三個位置來測試硬度，每個位置測三個點，然后求三個位置的平均值作為結(jié)果.硬度試驗結(jié)果(表6).采用4%的硝酸酒精和Lepera試劑對試樣進(jìn)行腐蝕，用金相顯微鏡觀察試樣金相組織得到顯微組織圖(圖1-圖5).

圖1 HS110L-A顯微組織(500×)圖2 HS110L-B顯微組織(500×)

圖3 HS110L-C顯微組織(500×)圖4 HS110L-D顯微組織(500×)

圖5 HS110L-E顯微組織(500×)

(3)亞溫淬火性能結(jié)果分析.①HS110L-E的平均硬度值最高.對應(yīng)的亞溫淬火溫度為815℃.②鐵素體的分布均呈球狀、小塊狀分布，沒有觀察到明顯細(xì)針狀鐵素體.

亞溫淬火后的組織應(yīng)是細(xì)小而均勻分布的鐵素體，細(xì)小而均勻分布的鐵素體可抑制可逆回火脆性，顯著改善鋼的韌性；亞溫淬火后的基體組織不允許存在塊狀鐵素體，而應(yīng)有一定取向的細(xì)針狀鐵素體.

2.3 亞溫淬火回火

對于油套管，回火的主要目的是消除或減小淬火應(yīng)力，防止鋼管變形或開裂，獲得穩(wěn)定的組織和較好的強(qiáng)韌性配合.鋼的回火實際上是α過飽和固溶體的轉(zhuǎn)變過程，過飽和的碳以碳化物的形式沉淀出來，降低晶格畸變，降低淬火應(yīng)力，從而使鋼的脆性降低[6].

(1)亞溫淬火回火工藝.將試樣進(jìn)行不同溫度的亞溫淬火和不同溫度的回火，其熱處理工藝如表7.

表7 亞溫處理工藝

(2)試驗結(jié)果.機(jī)械性能結(jié)果如表8.

表8 亞溫淬火回火試驗性能結(jié)果

注：試樣的尺寸亦為10mm×10mm×55mm.

由結(jié)果可知，除HS110L-6因回火溫度較低導(dǎo)致韌性較低外，其他試樣在-60℃沖擊下韌性均達(dá)到了120J以上.韌性剪切面積SA%均為100%，說明采用亞溫淬火工藝提高了HS110L的低溫沖擊韌性，并降低了FATT50的韌脆轉(zhuǎn)變溫度.

采用4%的硝酸酒精和Lepera試劑對試樣進(jìn)行腐蝕，用金相顯微鏡觀察試樣金相組織，得到顯微組織圖(圖6-圖10).

亞溫處理后金相分析結(jié)果如表9所示.①HS110L-6試樣經(jīng)過260℃低溫回火后的組織主要由低溫回火馬氏體+針狀鐵素體+殘余奧氏體組成；用Lepera試劑腐蝕后，馬氏體彌散分布，鐵素體成針狀彌散分布在馬氏體界面間.

圖6 HS110L-6顯微組織

圖7 HS110L-7顯微組織

圖8 HS110L-8顯微組織

圖9 HS110L-9顯微組織

圖10 HS110L-10顯微組織

熱處理工藝編號金相結(jié)果備注HS110L-6回火M+針狀F+殘余奧氏體見圖6HS110L-7針狀M+針狀F見圖7HS110L-8回火S+條狀F見圖8HS110L-9回火S+條狀F見圖9HS110L-10回火S+條狀F見圖10

②HS110L-7試樣的亞溫淬火溫度為795℃，回火溫度為410℃，金相組織主要由針狀馬氏體+針狀鐵素體組成；由金相照片可見，鐵素體含量約為40%，鐵素體呈條狀均勻分布在基體內(nèi).

③HS110L-8亞溫淬火溫度為795℃，回火溫度610℃，金相組織主要由回火索氏體+條狀鐵素體組成；由于經(jīng)過高溫回火，索氏體條間及其鐵素體內(nèi)部均有碳化物彌散析出.

④HS110L-9亞溫淬火溫度為805℃，回火溫度625℃，金相組織主要由回火索氏體+條狀鐵素體組成；鐵素體有聚集長大，并呈現(xiàn)等軸化的趨勢.

⑤HS110L-10的亞溫淬火溫度為810℃，回火溫度610℃，金相組織主要由回火索氏體+條狀鐵素體組成；由于提高了亞溫淬火溫度，鐵素體含量減少；但鐵素體仍然彌散分布在基體內(nèi).

馬氏體和殘余奧氏體轉(zhuǎn)變的程度隨鋼的成分、淬火組織和回火工藝參數(shù)不同而異，隨著回火溫度的不斷升高或回火時間的不斷延長，原子擴(kuò)散速度增大，原子擴(kuò)散的積累程度隨之增大，淬火組織最終轉(zhuǎn)變成平衡態(tài)的鐵素體及碳化物[7].

3 結(jié)論

(1)含碳量高于0.2%的低溫油套管鋼，淬火后得到板條狀和片狀馬氏體的混合體，回火過程既有馬氏體分解及碳化物的析出長大，也有α固溶體的回復(fù)、再結(jié)晶及晶粒長大.在回火初始階段，碳原子從馬氏體中迅速脫溶，導(dǎo)致強(qiáng)度急劇下降，析出數(shù)量較少的細(xì)小碳化物，消除了淬火應(yīng)力，馬氏體板條的斷裂阻力增大，韌性得到一定程度提高[8].

(2)試驗證明，亞溫淬火后的回火工藝對低溫油套管的性能有很大影響.經(jīng)試驗確定最佳的回火溫度為625℃，在這個溫度回火得到的金相組織主要由回火索氏體+條狀鐵素體組成，鐵素體聚集長大，并呈現(xiàn)等軸化的趨勢.

(3)經(jīng)過625℃回火55min后，淬火應(yīng)力得到充分釋放，影響韌性的組織比較徹底地消除.大量不連續(xù)的球狀碳化物存在于α固溶體的晶界，從而抑制了α晶粒的長大，使回火組織更細(xì)小，在性能上是強(qiáng)韌性配合的最好狀態(tài)，-60℃縱向沖擊功超過120J，強(qiáng)度滿足低溫油套管鋼的性能要求[5].

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10.13877/j.cnki.cn22-1284.2015.08.014

2015-06-04

楊雪春,女，遼寧沈陽人，高級工程師，大學(xué)本科.

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1008-7974(2015)04-0033-04