30CrMo熱處理工藝及低溫沖擊性能研究

■ 劉瓊

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隨著我公司出口俄羅斯石油鉆機日益增多，尤其近來北極、亞北極地區(qū)油氣資源的開發(fā)，低溫鉆機的研制已成為行業(yè)關注的重點。其中材料在低溫環(huán)境的適應性成為鉆井裝備越來越突出的問題。由于金屬材料在低溫下具有冷脆性，所以，低溫材料成為低溫鉆機研究的難點之一。本課題重點研究了合金結(jié)構鋼30CrMo在低溫環(huán)境的性能特征及熱處理工藝優(yōu)化方案，使其達到標準規(guī)定的低溫沖擊性能。

1. 問題的提出

井架是鉆機的主要承載件之一，其中銷軸是連接井架部件的關鍵零件。根據(jù)材料低溫冷脆性的評價指標——低溫沖擊吸收能量的指標要求，低溫材料選材方向就是提高低溫沖擊吸收能量。我公司主要采用Cr-Ni-Mo鋼作為銷軸材料，原工藝采用40CrNiMo材料，存在兩方面問題：一是由于材料淬透性太高，對≤φ80mm直徑銷軸淬火必須采用油淬，否則易開裂，造成環(huán)境污染，不符合行業(yè)逐步替代油槽的環(huán)保改造方向；二是材料價格較高。需要尋求一種既經(jīng)濟又有潛力的鋼種，通過熱處理工藝優(yōu)化提高低溫沖擊性能。

根據(jù)低碳馬氏體理論，淬火得到板條馬氏體組織是性能優(yōu)良的組織結(jié)構。我們選擇了含碳較低、淬透性適中的30CrMo進行試驗。分析了材料的金相組織變化特征，通過試驗對比和金相組織分析，確定材料的最佳熱處理工藝方案。

2. 試驗材料和試驗方法

（1）試驗鋼牌號及化學成分 試驗用鋼采用牌號為30CrMo的國內(nèi)某鋼廠生產(chǎn)的φ80mm和φ100mm規(guī)格熱軋圓鋼，截取長度300mm的試塊各3根。材料化學成分符合GB/T3077—2015《合金結(jié)構鋼》規(guī)定，具體化學成分如表1所示。

（2）試驗用鋼的熱處理工藝 合金鋼在高溫回火后，可獲得強度和韌性最佳配合的力學性能。根據(jù)30CrMo臨界點Ac3數(shù)據(jù)，試樣分別采用表2工藝進行調(diào)質(zhì)處理。

工藝曲線如圖1所示。

（3）力學性能試驗 兩種規(guī)格材料分別按兩種工藝進行調(diào)質(zhì)后，按距表面1/4直徑位置分別取一個拉伸試樣和三個沖擊試樣。拉伸試樣按GB/T228—2010進行加工，采用30t萬能試驗機進行試驗；沖擊試樣按GB/T229—2007進行加工，采用夏比V型缺口試樣，在擺錘式?jīng)_擊試驗機上進行。考慮到試樣從低溫槽取出到試驗會有溫度回升，根據(jù)GB/T229—2007設定低溫槽過冷度2℃作為溫度補償。

3. 試驗結(jié)果分析

（1）力學性能 兩種規(guī)格材料分別按兩種工藝進行調(diào)質(zhì)后，試驗數(shù)據(jù)如表3所示。

低溫鉆機銷軸材料執(zhí)行美國API 8C標準，要求在設計最低溫度下的沖擊吸收能量不低于27J（三個試樣平均值）。從表3試驗結(jié)果看出，強度基本滿足要求，在最低設計溫度-50℃下的沖擊吸收能量試驗數(shù)據(jù)：φ80mm規(guī)格工藝二、工藝三性能達到指標要求；φ100mm材料低溫沖擊吸收能量不合格。分析原因可能與材料淬透性不足存在混合組織有關。

（2）金相組織 分別對試樣進行金相分析，φ80mm試樣580℃回火組織如圖2所示，φ100mm試樣580℃回火組織如圖3所示。

試驗鋼的回火過程實質(zhì)上就是過飽和的α'固溶體的脫溶過程，這個過程受α'相中Cr、Mo等合金元素的擴散控制。隨回火溫度升高，α'基體的回復與再結(jié)晶的進行，C原子的固溶強化效應不斷下降，使硬度和強度不斷下降，塑性和韌性得到改善。

表1 試驗用鋼的化學成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

圖1 試樣工藝曲線

表2 試樣熱處理工藝

表3 試驗用鋼調(diào)質(zhì)的力學性能

圖2 回火索氏體

圖3 回火索氏體+鐵素體

從金相組織可以看出，550℃以上高溫回火后得到的組織為鐵素體和粒狀分布的碳化物的混合物——回火索氏體組織，碳化物呈顆粒狀的組織使鋼的許多性能得到改善。這是由于片狀碳化物受力時會使基體產(chǎn)生應力集中，易使碳化物片產(chǎn)生脆斷或形成微裂紋。而粒狀碳化物造成的應力集中小，微裂紋不易產(chǎn)生，故鋼的塑性、韌性好。從理論上講，淬火得到馬氏體的高溫回火組織沖擊韌度最高，貝氏體次之，珠光體和鐵素體最低。因此，φ100mm圓鋼由于存在非馬氏體回火組織，導致沖擊吸收能量較差。

4. 進一步的試驗研究

經(jīng)以上試驗得出了30CrMo的優(yōu)化工藝在-50℃的性能指標。為了進一步研究30CrMo材料的冷脆轉(zhuǎn)變特征，在經(jīng)優(yōu)化工藝處理的φ80mm試塊上另取7組共21個沖擊試樣，分別進行-80～ -20℃的沖擊試驗，每個溫度試驗3個試樣。試驗結(jié)果如表4和圖4所示。

從試驗數(shù)據(jù)和曲線看出，沖擊吸收能量在-60～ -70℃出現(xiàn)急劇下降，沖擊吸收能量由-60℃平均值32J下降到-70℃的19J，而在-20～-60℃，沖擊吸收能量逐漸下降，由平均值45J下降到32J。從圖4曲線看出，上平臺約為45J，根據(jù)GB/T229—2007，達到上平臺50%的沖擊吸收能量值對應的溫度為-65～ -70℃，此溫度范圍為脆性轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間。

表4 不同溫度下的沖擊吸收能量

圖4 韌脆轉(zhuǎn)變曲線

圖5是各個溫度（1#：-20℃；2#：-40℃；3#：-50℃；4#：-55℃；5#：-60℃；6#：-70℃；7#：-80℃）下的沖擊試樣斷口形貌?？梢钥闯?，隨著溫度降低，斷口纖維區(qū)面積逐步減少，結(jié)晶區(qū)面積逐步增大，到-70℃結(jié)晶區(qū)面積已接近50%，一般將此溫度附近定為脆性轉(zhuǎn)變溫度。到-80℃斷口結(jié)晶區(qū)已接近100%，塑性變形趨近于零。

圖5 不同溫度下的沖擊試樣斷口形貌照片

5. 生產(chǎn)應用效果

本課題研究的30CrMo熱處理工藝和低溫轉(zhuǎn)變特征成功應用在出口俄羅斯低溫鉆機井架和鉆臺銷軸，用于替代原40CrNiMo材料。僅此一項，為企業(yè)節(jié)約材料費共25萬元。同時，由于減少車間油煙污染，實現(xiàn)了清潔熱處理。

6. 結(jié)語

（1）30CrMo經(jīng)熱處理工藝優(yōu)化，采用水淬+高溫回火，用于-50℃低溫鉆機銷軸（φ80mm以下）沖擊性能穩(wěn)定可靠。

（2）在優(yōu)化的熱處理工藝下，材料在-60℃以上均保持了良好的低溫韌性，其低溫脆性轉(zhuǎn)變溫度為-65℃～ -70℃。

（3）由于淬透性的限制，30CrMo用于φ80mm以下銷軸性能優(yōu)良。對于φ100mm以上軸類由于心部存在一些非馬氏體組織，低溫沖擊吸收能量不能穩(wěn)定地達到標準要求，建議選高淬透性材料40CrNiMo等。

注：本課題由“國家重點研發(fā)計劃”極地冷海鉆機關鍵技術研究（項目編號：2016YFC0303302）資助。