熱處理工藝對(duì)采油樹用鋼F22組織及性能的影響*

曹天明汪開忠楊志強(qiáng)胡芳忠3

（1.馬鞍山鋼鐵股份有限公司特鋼公司；2.馬鞍山鋼鐵股份有限公司技術(shù)中心）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，我國(guó)石油消費(fèi)也呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，目前已成為全球第二大石油消費(fèi)國(guó)，2020 年我國(guó)原油對(duì)外依存度高達(dá)73%。為了提高我國(guó)石油的自給程度，除大力開發(fā)陸上油田外，還需充分挖掘深海豐富油氣資源的潛力，中石油、中石化、中海油三大公司均提出了“向深海要油”的問(wèn)題。世界范圍內(nèi)的傳統(tǒng)水下采油樹產(chǎn)品基本上出自Aker Solutions、FMC、Cameron、GE 等水下設(shè)備供應(yīng)商［1-2］。目前，國(guó)內(nèi)采用水下采油樹生產(chǎn)的油氣田有崖城13-4 氣田、荔灣3-1 氣田、流花11-1 油田等，其中崖城13-4氣田采用Aker Solution公司生產(chǎn)的采油樹，荔灣3-1 氣田采用Cameron 公司生產(chǎn)的采油樹，流花11-1油田、流花4-1 油田等采用FMC 公司生產(chǎn)的采油樹［3-4］。國(guó)內(nèi)水下采油樹基本依靠進(jìn)口，嚴(yán)重影響我國(guó)油氣使用安全。

F22 鋼是美國(guó)ASTM 標(biāo)準(zhǔn)中一種低碳低合金Cr-Mo 鋼，是代替4130 鋼生產(chǎn)深海采油樹閥體的首選鋼種。該鋼常用于電站鍋爐管，用于采油樹等厚壁鍛件較少［5］，針對(duì)該鋼在采油樹閥體的研究鮮見報(bào)告。由于該鋼碳含量較低，且含有較高的Cr、Mo，在冶煉連鑄時(shí)易發(fā)生包晶反應(yīng)，使鋼的心部易產(chǎn)生缺陷。由于采油樹鍛件的厚度一般超過(guò)200 mm，易產(chǎn)生壁厚效應(yīng)使鍛件的組織均勻性較差，1/4 壁厚處的性能不易達(dá)到。由于深海采油樹要求低溫韌性，根據(jù)APⅠ井口裝置和采油樹設(shè)備規(guī)范要求，采油樹需在-60 ℃溫度下服役，-60 ℃沖擊功最低為27 J［6］。油氣裝備制造商為保證裝備安全，均將低溫沖擊作為重要性能指標(biāo)，希望低溫沖擊功盡可能高。因此，如何提高采油樹鍛件用鋼的低溫韌性成為亟待解決的難題。目前，為提高材料的低溫韌性常采用提高Ni 含量，但Ni 極其昂貴，添加過(guò)多將增加成本。另外，可通過(guò)熱處理工藝優(yōu)化來(lái)提高韌性，優(yōu)化熱處理工藝具有操作簡(jiǎn)單、費(fèi)用低的特點(diǎn)［7］。熱處理工藝眾多，如正火、淬火、回火、退火等，如何通過(guò)簡(jiǎn)單的工藝實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的高性能成為熱處理研究者的課題。為此，通過(guò)傳統(tǒng)調(diào)質(zhì)工藝與淬火+調(diào)質(zhì)工藝的對(duì)比研究，明確采油樹鍛件用鋼獲得低溫韌性的關(guān)鍵工藝，為深海采油樹鍛件用鋼國(guó)產(chǎn)化提供數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用鋼為某鋼廠生產(chǎn)的改進(jìn)型F22鋼，其成分見表1。按APⅠ6A 21th技術(shù)要求，鑄坯經(jīng)加熱鍛造成200 mm×200 mm×250 mm 試塊，采用不同熱處理工藝處理后在試塊1/4厚度處取樣進(jìn)行性能分析。

1.2 試驗(yàn)方法

采用2 種熱處理工藝進(jìn)行熱處理。工藝1 為調(diào)質(zhì)熱處理，為850～950 ℃淬火，600～750 ℃回火。工藝2 采用2 次淬火，為900～950 ℃淬火，850～900 ℃淬火，600～750 ℃回火。同爐放置金相小試樣，以便于檢驗(yàn)不同熱處理階段的晶粒大小。

試驗(yàn)鋼在熱處理后進(jìn)行了力學(xué)性能檢驗(yàn)和微觀組織觀察。參照ASTM A370 標(biāo)準(zhǔn)取樣進(jìn)行力學(xué)性能檢驗(yàn)，拉伸采用標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，沖擊試驗(yàn)采用夏比V型缺口試樣，試樣尺寸10 mm×10 mm×55 mm。晶粒度采用專用腐蝕劑腐蝕以顯現(xiàn)原奧氏體晶界，然后使用Axio Ⅰmager M2m 金相顯微鏡觀察，針對(duì)回火后組織采用QUANTA450 掃描電鏡、APOLLOX 能譜儀、EBSD等分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 不同熱處理后的力學(xué)性能

不同熱處理工藝后的性能見表2。

由表2 可知，采油樹鍛件采用2 種熱處理工藝的塑性基本相同，斷后伸長(zhǎng)率約21%，斷面收縮率約63%，均滿足技術(shù)要求；采用工藝1 處理后試樣的力學(xué)性能滿足技術(shù)要求，但強(qiáng)度和韌性富裕量均不足，工藝1 的沖擊性能雖平均值滿足要求，但波動(dòng)較大，存在風(fēng)險(xiǎn)；工藝2處理后試樣的抗拉強(qiáng)度達(dá)834 MPa，比工藝1提升約110 MPa，沖擊功均大于100 J且數(shù)據(jù)離散型較好，沖擊功比標(biāo)準(zhǔn)要求高87 J，性能優(yōu)良，能夠保證深海采油樹在水下服役的安全。

2.2 不同熱處理后的微觀組織

不同熱處理工藝后的晶粒形貌見圖1。

由圖1 可見，工藝1 處理后的晶粒尺寸不太均勻，晶粒最大可達(dá)103 μm，晶粒小的僅10 μm，整體晶粒不均勻且粗大，晶粒不均會(huì)導(dǎo)致鋼性能不均勻，尤其是鋼的低溫韌性［8］；工藝2 處理后的晶粒較為細(xì)小，晶粒尺寸較均勻。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，工藝1 的晶粒尺寸為30.6 μm，為6.5 級(jí)；工藝2 處理后的晶粒尺寸為21.8 μm，為8.0級(jí)；通過(guò)工藝2，晶粒尺寸下降了8.8 μm。

不同熱處理試樣在-60 ℃的沖擊斷口形貌見圖2。一般沖擊斷口會(huì)有纖維區(qū)、放射區(qū)與剪切唇3 個(gè)區(qū)域［9］。鋼在受到外力沖擊時(shí)，斷后會(huì)產(chǎn)生啟裂、擴(kuò)展及瞬斷，啟裂和擴(kuò)展區(qū)越大表明鋼具有較好的沖擊韌性，斷口的塑性變形越大則表明對(duì)裂紋擴(kuò)展有較強(qiáng)的阻礙能力。

由圖2 可見，工藝1 沖擊斷口的纖維區(qū)較小，約2.1 mm，工藝2 處理后的樣品纖維區(qū)較大，約3.8 mm；纖維區(qū)越大，表明鋼在受到?jīng)_擊后能夠具有加強(qiáng)的阻礙作用，產(chǎn)生較高的沖擊功；另外，從工藝2的沖擊斷口中可發(fā)現(xiàn)在邊緣處產(chǎn)生了較為顯著的沖擊變形，工藝2 處理后的樣品對(duì)裂紋擴(kuò)展的阻礙能力較強(qiáng)，且具有較高的沖擊韌性。

2.3 微觀組織與強(qiáng)韌性變化原因研究

鋼的強(qiáng)化機(jī)理有細(xì)晶強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化、第二相強(qiáng)化及加工硬化［10］。由于鋼的成分相同，僅熱處理工藝不同，故考慮強(qiáng)度提高與晶粒和第二相有關(guān)。鋼中的第二相主要與鋼的回火工藝有關(guān)，回火溫度高，鋼中析出相的析出動(dòng)力增加，更有利于析出相達(dá)到穩(wěn)態(tài)值?；鼗鸨貢r(shí)間延長(zhǎng)，鋼中析出相的析出時(shí)間增加，析出相將會(huì)進(jìn)一步長(zhǎng)大。由于試驗(yàn)鋼采用的回火工藝相同，故2種工藝的第二相種類及大小應(yīng)基本一致。圖3 為不同熱處理后微觀組織的掃描照片，由圖可知，2 種組織的碳化物均較細(xì)小，通過(guò)統(tǒng)計(jì)尺寸基本一致，這也表明鋼的強(qiáng)度提升和韌性增加與第二相無(wú)關(guān)。

由上述分析可知，2 種工藝對(duì)材料的晶粒度影響較顯著，工藝2 能使晶粒細(xì)化8.8 μm，初步認(rèn)為晶粒細(xì)化是強(qiáng)度提高的原因。晶粒細(xì)化不但能提高材料的強(qiáng)度，且由于晶界增多導(dǎo)致裂紋在擴(kuò)展時(shí)受到更多的阻礙，能有效提高材料的韌性［11］。由于工藝2采用了淬火+調(diào)質(zhì)工藝，第1 次淬火時(shí)晶粒像工藝1 調(diào)質(zhì)中的淬火一樣，晶粒不均勻。經(jīng)淬火后鋼的組織為馬氏體，馬氏體由許多亞結(jié)構(gòu)組成，通過(guò)再一次加熱成奧氏體后，馬氏體中的一些亞結(jié)構(gòu)將會(huì)成為形核點(diǎn)，促進(jìn)鋼的奧氏體化，從而使晶粒進(jìn)一步細(xì)化。淬火+調(diào)質(zhì)細(xì)化晶粒示意見圖4。

另外有研究表明，鋼的板條馬氏體具有多尺度結(jié)構(gòu)，原奧氏體晶粒由若干個(gè)板條束組成，板條束由具有同一慣習(xí)面的板條組成，而板條束可進(jìn)一步分成板條塊，板條塊由相同或相近取向的板條組成，每個(gè)板條塊也可再細(xì)分為亞板條塊，亞板條塊由相同取向的板條組成［12］。而晶粒細(xì)化的同時(shí)會(huì)使微觀組織細(xì)化，從而導(dǎo)致馬氏體的板條束、板條塊、板條等均細(xì)化。又有研究表明，馬氏體韌性有效單元是板條塊，因?yàn)樵阡撌艿經(jīng)_擊后板條塊能有效阻礙裂紋擴(kuò)展使鋼的韌性提高［13］。因此，對(duì)2種不同熱處理工藝后試驗(yàn)鋼的微觀組織進(jìn)行了EBSD 分析，結(jié)果見圖5。通過(guò)軟件統(tǒng)計(jì)，2 種熱處理狀態(tài)的板條塊尺寸分別為1.85，1.62 μm，工藝2 在細(xì)化晶粒的同時(shí)也細(xì)化了晶粒的亞結(jié)構(gòu)，從而有效提高了鋼的強(qiáng)度和韌性。

3 結(jié) 論

（1）通過(guò)對(duì)優(yōu)化成分后的F22鋼采用傳統(tǒng)調(diào)質(zhì)工藝及淬火+調(diào)質(zhì)工藝處理后的研究表明，鋼的性能滿足技術(shù)要求。

（2）傳統(tǒng)調(diào)質(zhì)工藝使鋼的性能滿足要求，但鋼的沖擊性能波動(dòng)較大，富裕量不足。

（3）通過(guò)采用淬火+調(diào)質(zhì)工藝處理后的試驗(yàn)鋼強(qiáng)度和韌性均顯著提升。

（4）淬火+調(diào)質(zhì)工藝使鋼的晶粒度和板條塊均細(xì)化，從而使鋼受到?jīng)_擊時(shí)能夠有效地阻礙裂紋擴(kuò)展，使沖擊韌性提升。