回火溫度對(duì)ZG20CrNiMo強(qiáng)韌性的影響

許敬月 馬 升 袁玲道 石佩瓔 李嵐峰

(1.蘭州蘭石能源裝備工程研究院，甘肅730314；2.甘肅省高端鑄鍛件工程技術(shù)研究中心，甘肅730314)

鉆井及采油設(shè)備主承載件產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)由API 8A升級(jí)為API 8C，新標(biāo)準(zhǔn)對(duì)設(shè)備的設(shè)計(jì)、材料、焊接、質(zhì)量進(jìn)行了全面的要求，并制定了產(chǎn)品規(guī)范等級(jí)，提出SR2低溫試驗(yàn)補(bǔ)充要求。對(duì)于屈服強(qiáng)度在585～655 MPa之間的材料，普通鑄鋼材料難以滿足其低溫沖擊韌性的要求，需要對(duì)低溫用高強(qiáng)鑄鋼的化學(xué)成分、熔煉和熱處理工藝進(jìn)行系統(tǒng)研究，以滿足石油鉆采設(shè)備在高寒地區(qū)使用時(shí)高強(qiáng)高韌的要求。

鑄鋼件的最終性能主要取決于冶煉、澆注、熱處理，尤其是合理的熱處理工藝對(duì)鑄鋼件強(qiáng)韌性的實(shí)現(xiàn)、匹配和改善起著至關(guān)重要的作用。本文采用調(diào)質(zhì)工藝對(duì)ZG20CrNiMo進(jìn)行熱處理，在確定最佳淬火溫度和保溫時(shí)間的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究了回火溫度對(duì)其低溫沖擊韌性的影響，確定了最佳回火溫度，使ZG20CrNiMo的強(qiáng)度和低溫沖擊韌性都達(dá)到了API 8C標(biāo)準(zhǔn)的要求，滿足其在低溫環(huán)境使用的要求。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

ZG20CrNiMo的化學(xué)成分如表1所示，除合金Cr、Ni、Mo外加入了V、Ti微合金化成分，細(xì)化晶粒。采用200 kg真空感應(yīng)爐冶煉，降低雜質(zhì)S、P及氣體元素含量，提高鋼液純凈度。澆注?127 mm(5 in)基爾試樣。其力學(xué)性能要求如表2所示。

1.2 熱處理工藝方案

ZG20CrNiMo預(yù)備熱處理采用退火工藝，性能熱處理采用調(diào)質(zhì)工藝。在前期試驗(yàn)確定退火溫度、淬火溫度、保溫時(shí)間的基礎(chǔ)上，為了確保低溫沖擊達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，選擇3種不同回火溫度的調(diào)質(zhì)熱處理工藝方案進(jìn)行試驗(yàn)。具體的調(diào)質(zhì)熱處理試驗(yàn)方案為：①880℃×6 h水淬+620℃×8 h回火空冷；②880℃×6 h水淬+640℃×8 h回火空冷；③880℃×6 h水淬+660℃×8 h回火空冷。

熱處理試驗(yàn)完成后，按照ASTM A370標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行不同試驗(yàn)方案的力學(xué)性能檢測(cè)，按照GB/T 229進(jìn)行-20℃、-45℃的低溫沖擊試驗(yàn)。根據(jù)性能檢測(cè)結(jié)果確定調(diào)質(zhì)熱處理的最佳回火溫度，并對(duì)金相組織、斷口形貌進(jìn)行觀察分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 力學(xué)性能結(jié)果與討論

經(jīng)3種不同回火溫度熱處理的試樣按照標(biāo)準(zhǔn)要求取樣檢測(cè)，結(jié)果如表3所示。隨著回火溫度的升高，材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度逐漸降低，660℃回火時(shí)強(qiáng)度已達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求。伸長(zhǎng)率和收縮率在620℃回火時(shí)達(dá)不到要求，660℃回火剛好達(dá)標(biāo)，640℃回火時(shí)塑性最好。

表1 ZG20CrNiMo化學(xué)成分要求Table 1 Chemical compositions requirement of ZG20CrNiMo

表2 ZG20CrNiMo力學(xué)性能要求Table 2 Mechanical properties requirement of ZG20CrNiMo

表3 力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果Table 3 Mechanical properties testing results

表4 低溫沖擊檢測(cè)結(jié)果Table 4 Low temperature impact testing results

2.2 低溫沖擊結(jié)果與討論

對(duì)3種不同回火溫度處理的試樣分別檢測(cè)-20℃、-45℃的低溫沖擊韌性，結(jié)果見表4。620℃回火，-20℃和-45℃的沖擊值偏低，遠(yuǎn)達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求；660℃回火，沖擊值數(shù)值不穩(wěn)定，單個(gè)值出現(xiàn)偏低現(xiàn)象，造成平均值的不達(dá)標(biāo)；640℃回火，沖擊韌性良好，單值和平均值都達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證640℃回火是材料強(qiáng)韌性達(dá)到最佳匹配的溫度，采用880℃×6 h水淬+640℃×8 h回火空冷工藝熱處理另一個(gè)基爾試樣，按照標(biāo)準(zhǔn)取樣分析，結(jié)果如表5所示。材料的強(qiáng)度、塑韌性都達(dá)到要求，匹配良好，完全滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3 金相顯微組織

按照不同回火溫度進(jìn)行熱處理試驗(yàn)后，選擇640℃回火、沖擊性能達(dá)標(biāo)的試樣進(jìn)行金相組織觀察。試樣顯微組織如圖1所示?？芍摻M織為保留著馬氏體位相的回火索氏體，是正常的調(diào)質(zhì)處理組織。該組織本質(zhì)上是滲碳體與鐵素體的機(jī)械混合物，淬火得到針狀馬氏體，然后通過高溫回火，促使馬氏體中析出的碳化物向針葉邊緣聚集，致使其易浸蝕變黑，而馬氏體中心貧碳區(qū)呈灰白色。

表5 性能檢測(cè)結(jié)果Table 5 Properties testing results

圖1 試樣顯微組織
Figure 1 Microstructure of the sample

2.4 斷口形貌

同樣選擇640℃回火的試樣進(jìn)行斷口形貌分析，試樣斷口掃描照片如圖2所示。從圖2可看出，斷口形貌呈大面積的尺寸相近的等軸韌窩，均勻分布，說明材料在正應(yīng)力作用下發(fā)生了較緩慢的塑性變形，以微孔聚集并長(zhǎng)大的機(jī)理發(fā)生了斷裂，是變形能力較強(qiáng)的韌性斷裂，進(jìn)一步從微觀角度驗(yàn)證了640℃回火是最佳的材料塑韌性提高溫度。

圖2 試樣斷口掃描照片
Figure 2 Microstructure of the sample fracture by scanning

3 結(jié)論

(1)ZG20CrNiMo鋼經(jīng)過退火+調(diào)質(zhì)熱處理，在640℃回火可得到強(qiáng)韌性良好匹配，材料的強(qiáng)度和低溫沖擊韌性都達(dá)到API 8C標(biāo)準(zhǔn)的要求。

(2)試驗(yàn)確定880℃水淬+640℃回火的調(diào)質(zhì)工藝，-45℃低溫沖擊韌性良好，完全滿足鑄件在低溫環(huán)境使用的要求。

(3)ZG20CrNiMo經(jīng)640℃回火后，金相組織為回火索氏體，斷口形貌為韌窩狀，從微觀組織上保證了材質(zhì)強(qiáng)韌性的良好匹配。