回火溫度對20CrMo鋼組織性能的影響

李博文，張驍勇，荊 瑞

（西安石油大學 材料科學與工程學院，西安710065）

回火溫度對20CrMo鋼組織性能的影響

李博文，張驍勇，荊 瑞

（西安石油大學 材料科學與工程學院，西安710065）

研究了鐓鍛式空心抽油桿用20CrMo鋼經過二次淬火后在不同回火溫度下的組織和性能變化規律。結果表明，隨著回火溫度的升高，材料的抗拉強度、屈服強度等強度指標呈現下降趨勢，材料的斷后伸長率、斷面收縮率等塑性指標呈現上升趨勢，但均高于原始材料的性能。對20CrMo鋼進行二次淬火加高溫回火后可得到回火索氏體組織，具備較高的強韌性，可推薦作為超高強度空心抽油桿的開發工藝。

空心抽油桿；二次淬火；20CrMo；組織；性能

抽油桿是有桿泵采油系統中的主要部件之一，其作用是將地面抽油機輸出的能量傳遞給井底的抽油泵和把井下的原油提升到地面[1-4]。空心抽油桿由于其中空的特殊結構可以在傳遞載荷的同時完成采出或向井下注入等相關作業，因而在油田開發中得到了廣泛應用，具有廣闊的應用前景。近年來，隨著邊際油田（稠油區塊、高含蠟區塊等）的規模開發，可通過空心抽油桿向井內注入熱蒸汽、熱水或熱油、降粘劑和防腐劑，能有效地降低開采難度，可以增加分層開采計量層數[5-9]。目前國內常用的空心抽油桿兩端接箍段均采用熱鐓鍛工藝進行加工[10]，而目前空心抽油桿的失效就多發生在鐓粗段，因此提高鐓粗段的強韌性，對空心抽油桿的生產和應用有重要的意義。本研究就空心抽油桿制造過程中的淬火工藝進行了探討，通過改變不同原始組織形態研究對空心抽油桿20CrMo鋼強韌性的影響。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

本次研究選用試驗材料為國內某油田生產鐓鍛式空心抽油桿用20CrMo鋼，其主要化學成分見表1，供貨態力學性能見表2。

表1 20CrMo鋼的主要化學成分 %

表2 20CrMo鋼供貨態力學性能

1.2 試驗方法

采用ZTY-40-20箱式電阻爐進行熱處理試驗，將20CrMo鋼加熱到900℃保溫8 min，再水冷至室溫，反復兩次；再將四組20CrMo鋼分別加熱到500℃、550℃、600℃、650℃進行回火處理，保溫時間為30 min，熱處理工藝如圖1所示。拉伸和沖擊試樣均為橫向取樣。拉伸試樣原始尺寸為Φ5mm×65mm，標距長度25mm。沖擊試樣為尺寸5mm×10mm×55mm的V形缺口試樣，沖擊試驗溫度為10℃。利用MTS-880型萬能試驗機、NI500型沖擊試驗機和HVS-50型維氏硬度計檢測力學性能。在405M光學顯微鏡上對金相組織進行觀察和使用JSM-6390A型掃描電鏡觀察斷口形貌。

圖1 20CrMo鋼熱處理工藝曲線

2 試驗結果及分析

2.1 拉伸性能

20CrMo鋼在不同回火溫度下的拉伸性能測試結果見表3，各項力學性能與回火溫度的關系如圖2所示。

由表3和圖2可以看出，試驗鋼20CrMo在經過二次淬火工藝和不同回火溫度處理后的各項力學性能發生了不同程度的變化。二次淬火后的試驗材料經過回火處理后，試驗鋼20CrMo屈服強度、抗拉強度等強度指標隨著回火溫度的升高，呈現下降趨勢，但均高于供貨態材料的強度；斷后伸長率和斷面收縮率隨回火溫度的升高，呈現上升的規律，較原材料和未回火態均有一定程度的提高。

表3 不同回火溫度下試驗鋼的拉伸性能測試結果

圖2 回火溫度與20CrMo鋼拉伸性能間的關系

2.2 沖擊韌性

20CrMo鋼在不同回火溫度下的沖擊功見表4，夏比沖擊功隨回火溫度的變化規律如圖3所示。

由表4和圖3可以看出，與原材料的的沖擊功相比，經不同回火溫度后試樣的沖擊功均有不同程度增加，隨著回火溫度的升高，沖擊功呈現上升趨勢。

表4 不同回火溫度下20CrMo鋼的沖擊功

圖3 回火溫度與20CrMo鋼夏比沖擊功的關系

圖4所示為不同回火溫度下20CrMo鋼的沖擊斷口形貌。由圖4可以觀察到，經不同溫度回火后的試樣的掃描斷口形貌都為韌窩和撕裂棱，材料的斷裂類型為微孔聚集型，說明所有試樣的斷裂都是韌性斷裂。進一步對比分析可以發現，隨著回火溫度的升高，韌窩數量增加，尺寸增大，撕裂棱數量減少，表明材料的韌性逐漸增強。

圖4 不同回火溫度下20CrMo鋼的的沖擊斷口形貌

2.3 顯微組織分析

試驗鋼20CrMo在不同回火溫度下的掃描電子顯微組織形貌如圖5所示。

圖5 不同回火溫度下20CrMo鋼的SEM形貌

由圖5可以看出，隨著回火溫度的變化，雖然二次淬火+回火后的顯微組織都是回火索氏體，但組織的組成、形態、大小和分布都發生了一些不同的變化。隨著回火溫度的升高，原奧氏體晶界仍隱約可見，但已有部分不清晰了，仔細觀察還可發現，各晶粒的方向性減少，均勻性得以改善，鐵素體板條的寬度有所增加[6]。

通過對550℃回火試樣的TEM形貌（圖6）觀察可以看出，在該溫度下，鐵素體板條已經發生一定程度的寬化，碳化物析出聚集長大，同時，鐵素體中仍然存在著較高密度的位錯，因而具有較好的強韌性配合。

表5為20CrMo鋼在二次淬火+550℃高溫回火的工藝下和一次淬火+550℃高溫回火工藝下力學性能的對比。

可以看出試驗鋼20CrMo在二次淬火+550℃高溫回火的方式下所獲得的性能，與一次淬火相比，在強度有了大幅度增加的同時，韌性和塑性也有了一定程度的提升，具備了優良的強韌性配合，達到了超高強度抽油桿所需的各項技術指標。綜合上述分析結果認為，在二次淬火+550℃高溫回火工藝下試驗鋼20CrMo的組織和性能符合超高強度空心抽油桿的性能要求，可推薦作為超高強度空心抽油桿的開發工藝方案。

圖6 550℃回火試樣的TEM形貌

表5 兩種淬火工藝下20CrMo鋼力學性能的對比

3 結 論

通過對空心抽油桿用鋼20CrMo進行兩次淬火加不同溫度的高溫回火處理，研究了試驗鋼20CrMo在不同回火溫度下組織性能的變化規律，得出如下結論：

（1）隨著回火溫度的升高，材料的抗拉強度、屈服強度等強度指標呈現下降趨勢，材料的斷后伸長率、斷面收縮率等塑性指標呈現上升趨勢，均高于原材料的性能。

（2）綜合強韌性因素認為，進行二次淬火加高溫回火后20CrMo鋼經過二次淬火+550℃高溫回火后，可得到回火索氏體組織，具備較高的強韌性，可推薦作為超高強度空心抽油桿的開發工藝。

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Influence of Tempering Temperature on Microstructure and Properties of 20CrMo

LI Bowen,ZHANG Xiaoyong,JING Rui
（School of Materials Science and Engineering,Xi’an Shiyou University,Xi’an 710065,China）

The microstructure and properties change rules of 20CrMo steel used for upsetting type hollow sucker rod under different tempering temperature after the secondary quenching process were investigated.The results showed that with the increase of tempering temperature,the strength indexes such as tensile strength,yield strength present a downward trend,and the plasticity indexes such as elongation after fracture and impact toughness increase,and higher than that of material under initial state.It can obtain tempered sorbite structure with better strength and impact toughness of 20CrMo steel after the secondary quenching and high temperature tempering process,and this process can be recommended as an development process of ultra-high strength hollow sucker rod.

hollow sucker rod;secondary quenching;20CrMo;microstructure;properties

TE973.1 文獻標志碼：B DOI:10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.05.002

李博文（1990—），男，碩士研究生，主要從事金屬材料組織性能方面的研究工作。

2016-03-18

羅 剛