石油鉆機(jī)大鉤鑄造合金鋼的性能研究*

黨 恩，曹曉宇，蘇東升，王高社，梁肖兵，王文君，楊豐博

（1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721000；2.中油國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心有限公司，陜西 寶雞 721000）

大鉤是鉆修井作業(yè)中必不可少的起重設(shè)備，不僅要承受鉆機(jī)起升系統(tǒng)和管柱的自重，還要承受遇阻遇卡處理事故時(shí)的沖擊力，服役條件十分惡劣[1]。一般情況下，大鉤需具備較高的強(qiáng)度，倘若鉆機(jī)所處的作業(yè)環(huán)境溫度非常低，還要求大鉤能抵抗住低溫沖擊[2]。因?yàn)榇筱^零件形狀特殊，按現(xiàn)有結(jié)構(gòu)采用鍛造成型工藝制作難度很大，但鑄造大鉤的優(yōu)越性在于成本低、質(zhì)量輕、生產(chǎn)周期短。鑒于此，國內(nèi)外普遍青睞于重力澆鑄的方法，并以鉻鎳鉬系低碳合金鋼為主要制造材質(zhì)[3-4]。

由于大鉤包含多個(gè)形狀復(fù)雜和截面尺寸相差較大的零件，即便在相同的熱處理?xiàng)l件下，不同截面尺寸的鑄件由于淬透性不同，往往表現(xiàn)出較大的力學(xué)性能差異[5-7]。而關(guān)于不同截面尺寸大鉤鋼的性能試驗(yàn)研究報(bào)道較少，給大鉤設(shè)計(jì)計(jì)算和制造帶來了不便。本研究通過分析不同的熱處理工藝條件下系列大鉤等效圓基爾試棒的力學(xué)性能，確定大鉤復(fù)雜截面的載荷值，為有限元分析計(jì)算提供參考，從而優(yōu)化大鉤零件結(jié)構(gòu)。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)用鋼的熔煉階段采用堿性電爐冶煉+LF爐精煉的方法，并嚴(yán)格控制P及S元素的含量。試驗(yàn)采用紅外碳硫儀以及直讀光譜儀對(duì)試驗(yàn)用鋼的化學(xué)成分進(jìn)行了檢測分析，結(jié)果見表1。

表1 試驗(yàn)用鋼的化學(xué)成分 %

等效圓基爾試棒如圖1所示，經(jīng)最終熱處理后進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，試樣軸線位于圖1陰影區(qū)的邊界線上，陰影區(qū)的直徑D見表2[8]。

圖1 等效圓基爾試棒模型

表2 等效圓基爾試棒尺寸

1.2 熱處理工藝方案

依據(jù)試驗(yàn)用鋼的主要元素特性，采取不同的熱處理工藝。首先，選用呈等差數(shù)列關(guān)系的4個(gè)淬火溫度（850℃、880℃、910℃及940℃），測試在該條件下大鉤鋼的性能；其次，還選用呈等差數(shù)列關(guān)系的4個(gè)回火溫度（550℃、600℃、650℃及700℃）和5個(gè)不同回火保溫時(shí)間（3 min/mm、5 min/mm、7 min/mm、9 min/mm、15 min/mm），研究該條件下大鉤鑄造合金鋼組織和性能的變化趨勢，具體熱處理工藝方案見表3。通過對(duì)ER80 mm～ER315 mm系列等效圓基爾試棒進(jìn)行熱處理，研究該條件下大鉤鑄造合金鋼力學(xué)性能的變化趨勢，系列基爾試棒熱處理工藝參數(shù)見表4。其中，油作為淬火的冷卻介質(zhì)，空氣作為回火的冷卻介質(zhì)。

表3 熱處理工藝方案

表4 系列基爾試棒熱處理工藝參數(shù)

1.3 試驗(yàn)方法

對(duì)試樣分別進(jìn)行拉伸及沖擊試驗(yàn)。拉伸試樣采用ASTM標(biāo)準(zhǔn)，試樣規(guī)格為Φ20 mm×250 mm，沖擊試驗(yàn)的V形缺口試樣依據(jù)GB/T 229—2007制備，試樣規(guī)格為10.5 mm×10.5 mm×250 mm。采用SHT 4605D電液伺服試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，分別在20℃和-20℃條件下進(jìn)行，采用擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，每組選取3個(gè)試樣，取平均值作為該溫度下的沖擊吸收功值，并觀察其金相組織。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 淬火溫度對(duì)力學(xué)性能的影響

當(dāng)回火溫度一定時(shí)，淬火溫度與大鉤鋼力學(xué)性能的關(guān)系如圖2所示。由圖2可知，淬火溫度的變化對(duì)大鉤鋼的強(qiáng)度及塑性并未產(chǎn)生顯著影響，但對(duì)沖擊韌性有顯著影響。若淬火溫度處于880～940℃，隨著溫度不斷升高，大鉤鋼的強(qiáng)度及塑性并未發(fā)生大幅度的波動(dòng)。一般情況下，若溫度上升至900℃左右，大鉤鋼的低溫沖擊性能呈現(xiàn)最佳水平。淬火溫度處于850～910℃時(shí)，隨著溫度的升高，韌性也相應(yīng)增強(qiáng)。但當(dāng)溫度超過910℃時(shí)，淬火溫度越高，沖擊韌性反而越低。

圖2 不同淬火溫度下大鉤鑄造合金鋼的力學(xué)性能

造成上述現(xiàn)象的原因在于，淬火溫度會(huì)直接對(duì)碳及合金元素在奧氏體中的溶解和分布以及奧氏體晶粒的大小產(chǎn)生影響，繼而影響馬氏體的形態(tài)和數(shù)量。提高大鉤鋼熱處理溫度和延長保溫時(shí)間，鋼中的合金元素才能充分地溶入奧氏體內(nèi)。當(dāng)淬火溫度逐漸上升時(shí)，大鉤鋼內(nèi)的碳及合金元素會(huì)逐步溶入奧氏體中，奧氏體均勻化程度也不斷提升[9]。而當(dāng)溫度達(dá)到910℃之后，碳及合金元素已經(jīng)完全溶進(jìn)奧氏體，此時(shí)進(jìn)行回火處理，便可以得到組織均一的回火索氏體，大鉤鋼的綜合力學(xué)性能處于最佳狀態(tài)。而當(dāng)淬火溫度繼續(xù)上升，超過940℃后，碳化物已經(jīng)全部溶解，無法再組織奧氏體晶粒的變大。奧氏體晶粒的粗化導(dǎo)致馬氏體轉(zhuǎn)變組織粗大，由此導(dǎo)致材料韌性和塑性降低[10]。

2.2 回火溫度對(duì)力學(xué)性能的影響

回火溫度與大鉤鋼力學(xué)性能的關(guān)系如圖3所示。由圖3可見，當(dāng)溫度在500～700℃時(shí)，溫度越高，大鉤鋼的強(qiáng)度越低；而當(dāng)溫度超過650℃，大鉤鋼的抗拉強(qiáng)度降幅比較緩慢，屈服強(qiáng)度降幅較大。與大鉤鋼的強(qiáng)度指標(biāo)變化不同的是，其塑性及沖擊功和溫度之間呈正比關(guān)系，當(dāng)溫度達(dá)到650℃時(shí)，沖擊功處于最佳狀態(tài)，隨著回火溫度的繼續(xù)升高，沖擊功逐漸降低。

圖3 不同回火溫度下大鉤鑄造合金鋼的力學(xué)性能

不同回火溫度大鉤鋼的顯微組織如圖4所示。圖4（a）和圖4（b）均可以看到回火索氏體等組織。由此可見，在550℃回火處理后，大鉤鋼內(nèi)還保留有馬氏體相，而當(dāng)溫度超過600℃時(shí)，回火馬氏體的飽和度明顯下降，受其影響，大鉤鋼強(qiáng)度伴隨著溫度的升高而減弱，塑韌性卻有所改善[11]；溫度超過650℃之后，馬氏體板條內(nèi)析出了許多碳化物顆粒，且處于彌散狀態(tài)，如圖4（c）所示，回火馬氏體的飽和度不斷降低，固溶強(qiáng)化作用也隨之減弱，大鉤鋼的強(qiáng)度反而趨向穩(wěn)定，不再有大幅度的變化。此時(shí)析出的碳化物顆粒對(duì)大鉤鋼韌性的減弱作用低于馬氏體固溶對(duì)大鉤鋼韌性的強(qiáng)化作用，結(jié)果是大鉤鋼韌性不再隨回火溫度的升高而大幅度增加，在該階段大鉤鋼的韌性達(dá)到了最佳[12]。以上試驗(yàn)表明，當(dāng)回火溫度在650℃時(shí)，大鉤鋼的韌性較好，且不會(huì)隨溫度的升高而增加，在這個(gè)溫度進(jìn)行回火處理，能夠保證大鉤鋼的韌性是最佳水平；當(dāng)回火溫度高于650℃，碳化物顆粒體積逐漸變大，如圖4（d）所示，此時(shí)溫度上升大鉤鋼韌性反而有所降低[13]。

圖4 不同回火溫度下大鉤鑄造合金鋼的顯微組織

2.3 回火保溫時(shí)間對(duì)力學(xué)性能的影響

回火保溫時(shí)間與大鉤鋼力學(xué)性能的關(guān)系如圖5所示。由圖5（a）可知，保溫時(shí)間和大鉤鋼的強(qiáng)度二者呈反比。隨著保溫時(shí)間的增加，大鉤鋼抗拉強(qiáng)度逐漸減弱。當(dāng)保溫時(shí)長大于7 min/mm之后，大鉤鋼的強(qiáng)度變化幅度逐漸平穩(wěn)，下降趨勢減緩；保溫時(shí)間在3～15 min/mm時(shí)，保溫時(shí)間對(duì)大鉤鋼的塑性影響不大，大鉤鋼的塑性無明顯變化；而這一階段中大鉤鋼沖擊韌性變化較為明顯，時(shí)間越長，韌性越好。獲得最佳沖擊韌性的保溫時(shí)長在7～9 min/mm之間，當(dāng)超過9 min/mm之后，反而會(huì)慢慢減弱。

圖5 不同回火保溫時(shí)間下大鉤鑄造合金鋼的力學(xué)性能

不同回火保溫時(shí)間的大鉤鋼顯微組織如圖6所示。由圖6（a）可以看出，回火保溫時(shí)間小于3 min/mm時(shí)，淬火組織尚未達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)，因而還保留著淬火馬氏體形態(tài)；而當(dāng)保溫時(shí)間達(dá)到7～9 min/mm時(shí)，淬火馬氏體分解的比較充分，此時(shí)調(diào)質(zhì)組織達(dá)到了相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。由此可見，回火保溫時(shí)長對(duì)回火組織起重要作用，繼而影響大鉤鋼的力學(xué)性能。但另一方面，回火保溫時(shí)間過長，會(huì)導(dǎo)致碳原子長時(shí)間擴(kuò)散，造成碳化物顆粒增大，引起大鉤鋼沖擊性能的下降[14]。

圖6 不同回火保溫時(shí)間的大鉤鑄造合金鋼顯微組織

2.4 等效圓基爾試棒直徑對(duì)力學(xué)性能的影響

不同直徑等效圓基爾試棒對(duì)大鉤鋼力學(xué)性能的影響如圖7所示?；鼗饻囟纫欢〞r(shí)，隨著試棒直徑的增大，大鉤鋼強(qiáng)度逐漸減少，當(dāng)試棒直徑大于160 mm時(shí)，強(qiáng)度減少的幅度變大，屈服強(qiáng)度的減小較明顯，如圖7（a）所示。與此不同的是，當(dāng)試棒直徑增大時(shí)，塑性逐漸增大，如圖7（b）、圖7（c）所示。沖擊吸收功的變化與圖7（a）強(qiáng)度變化存在同樣的規(guī)律，當(dāng)試棒直徑增至200 mm時(shí)，低溫沖擊吸收功下降趨于平緩。由此可見，當(dāng)熱處理?xiàng)l件一致時(shí)，基爾試棒的直徑?jīng)Q定著鋼的力學(xué)性能變化趨勢。當(dāng)?shù)刃A基爾試棒的直徑增大時(shí)，強(qiáng)度和沖擊韌性指標(biāo)會(huì)逐漸降低，而塑性卻呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢[15]。在給定的熱處理工藝條件下（如淬火溫度、淬火介質(zhì)等），其淬透層深度受截面尺寸影響較大。隨著鋼的截面尺寸增大，越往心部獲得的馬氏體組織越少，非馬氏體組織較多，經(jīng)高溫回火后鋼的強(qiáng)塑性指標(biāo)變化趨于平緩。

圖7 基爾試棒直徑與力學(xué)性能的關(guān)系

3結(jié)論

（1）大鉤鋼在較高的溫度下回火，對(duì)提高大鉤鋼的綜合力學(xué)性能具有重要的影響。回火保溫一定時(shí)間后，大鉤鋼的組織趨于穩(wěn)定，大鉤鋼的綜合力學(xué)性能不再受回火保溫時(shí)間的影響，但長時(shí)間回火會(huì)對(duì)大鉤的綜合性能產(chǎn)生不利影響，回火保溫時(shí)間宜為3～15 min/mm。

（2）大鉤鋼最佳熱處理工藝是在880～900℃淬火、650℃保溫5～9 min/mm回火。此工藝下，大鉤鋼析出的碳化物顆粒呈彌散分布且體積很小，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)度和塑韌性的最佳匹配。

（3）大鉤鋼的有效淬透層深度在ER160 mm～ER200 mm等效圓之間。當(dāng)?shù)刃A的尺寸超過ER200 mm時(shí)，隨著熱處理工藝參數(shù)的變化，大鉤鋼強(qiáng)韌性指標(biāo)變化不明顯。