鉆頭用15CrNiMn鋼奧氏體的連續冷卻轉變

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(河鋼集團鋼研總院，石家莊 050023)

0 引 言

隨著石油、礦山行業的發展，深井采掘越來越普遍。牙輪鉆頭是鉆井的主要破巖工具，由于油井鉆頭的工作條件極其惡劣，受力狀況復雜，鉆頭承受著不同應力與磨損作用，所以對其材料性能的要求越來越高[1-3]。鉆頭質量的優劣直接關系到油田鉆井速度，鉆頭用鋼應具有高的淬透性、高的心部韌性，以及良好的耐磨性和耐腐蝕性能。作為油井鉆頭用鋼，15CrNiMn鋼常被用來制作牙輪鉆頭的牙掌，其性能要求以及熱處理工藝要求很高。

奧氏體連續冷卻轉變(CCT)曲線能精確地反映不同冷卻速率下鋼的相轉變溫度、轉變時間和轉變量之間的關系，是制定和調整熱加工工藝的重要依據[4-6]，但目前尚無15CrNiMn鋼的CCT曲線的研究報道。為此，作者利用膨脹法結合金相-硬度法[7-8]，測定了15CrNiMn鋼的相變點和CCT曲線，研究了顯微組織和硬度在不同冷卻速率下的變化規律，為其控軋控冷工藝和熱處理工藝的制定提供試驗依據。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為15CrNiMn鋼棒，供貨狀態為熱軋態，其化學成分(質量分數/%)為0.18C，0.21Si，0.92Mn，0.008S，0.012P，0.49Cr，0.74Ni，余Fe。

將試驗鋼機加工成φ4 mm×10 mm的試樣，在DIL805L型膨脹儀上以10 ℃·s-1的速率升溫至奧氏體化溫度(950 ℃)，保溫5 min，然后分別以0.05，0.5，1.5，2，2.5，10，60，120 ℃·s-1的速率冷至室溫，測得膨脹曲線，得到不同冷卻速率下相轉變開始和轉變結束的溫度和時間。冷卻后的試樣經磨拋后，用體積分數4%硝酸酒精溶液腐蝕，采用ZeissM2M型光學顯微鏡觀察顯微組織，用Tukon2500 Minuteman型顯微維氏硬度計測維氏硬度，試驗載荷294.2 N，保載時間10 s。結合顯微組織和維氏硬度，繪制15CrNiMn鋼的CCT曲線。

圖2 在不同速率下冷至室溫后15CrNiMn鋼的顯微組織Fig.2 Microstructures of 15CrNiMn steel after cooling to room temperature at different rates

2 試驗結果與討論

2.1 靜態CCT曲線

圖1 15CrNiMn鋼的CCT曲線Fig.1 CCT curves of 15CrNiMn steel

由圖1可見：試驗鋼在連續冷卻過程中，存在鐵素體(F)轉變區、珠光體(P)轉變區、貝氏體(B)轉變區和馬氏體(M)轉變區，且鐵素體、珠光體轉變區和貝氏體轉變區完全分離；其CCT曲線總體呈扁平狀，以貝氏體轉變區為主，貝氏體轉變區的冷卻速率范圍為0.05～120 ℃·s-1，這是因為試驗鋼含有較高含量的鉻、鎳元素，鉻、鎳元素均能提高過冷奧氏體的穩定性，增加鋼的淬透性，促進中溫區的貝氏體轉變，在較寬的冷卻速率范圍內得到貝氏體組織[9-10]；在中溫轉變區，隨著冷卻速率的增大，貝氏體轉變開始溫度先升后降，在冷卻速率2.5 ℃·s-1時達到最大，為601 ℃，在120 ℃·s-1時降至450 ℃；鐵素體和珠光體轉變區的冷卻速率范圍為0.05～2.5 ℃·s-1，在0.05 ℃·s-1的速率下冷卻時，鐵素體和珠光體轉變開始溫度分別為795 ℃和740 ℃，隨著冷卻速率的增大，鐵素體和珠光體轉變開始溫度均逐漸降低，當冷卻速率增大至2.5 ℃·s-1時，鐵素體轉變開始溫度降至702 ℃；當冷卻速率達到10 ℃·s-1時，低溫轉變區發生馬氏體相變，隨后隨冷卻速率增大，馬氏體轉變開始溫度幾乎不變，而貝氏體轉變開始溫度快速降低。

2.2 顯微組織

結合圖1和圖2分析可知：當冷卻速率為0.05 ℃·s-1時，試驗鋼依次發生鐵素體、珠光體和貝氏體轉變，其室溫顯微組織為鐵素體、珠光體和少量的貝氏體；隨著冷卻速率的增大，鐵素體和珠光體組織變細，且珠光體含量減少，貝氏體含量增多；當冷卻速率為2 ℃·s-1時，室溫組織中只有鐵素體和貝氏體，未發現珠光體；當冷卻速率為10 ℃·s-1時，試驗鋼開始發生馬氏體相變，其室溫組織為馬氏體和貝氏體，隨著冷卻速率的繼續增大，馬氏體組織變細且含量增加，貝氏體含量減少。

圖3 15CrNiMn鋼的硬度隨冷卻速率的變化曲線Fig.3 Hardness vs cooling rate curve of 15CrNiMn steel

2.3 顯微硬度

結合圖2和圖3分析可見：當冷卻速率為0.05～2.5 ℃·s-1時，試驗鋼中的珠光體和鐵素體隨冷卻速率的增大而細化，貝氏體含量逐漸增加，因此硬度增大；當冷卻速率高于2.5 ℃·s-1時，試驗鋼的室溫組織由最初的鐵素體、珠光體和貝氏體逐漸變為馬氏體和貝氏體，具有體心四方結構的馬氏體的強度遠大于具有體心立方結構的鐵素體的，且貝氏體強度也高于鐵素體和珠光體的，因此試驗鋼的硬度明顯增大；當冷卻速率為120 ℃·s-1時，試驗鋼的硬度增至420 HV30。

2.4 分析與討論

油井鉆頭用15CrNiMn鋼為低碳合金結構鋼，添加的合金元素有鉻、鎳、錳等，而鉻、鎳、錳都是能提高鋼淬透性的元素。碳化物形成元素鉻能顯著增強過冷奧氏體在600～650 ℃的穩定性，使珠光體轉變開始溫度升高，推遲奧氏體向貝氏體轉變，使得貝氏體轉變開始溫度向更低溫度方向移動，試驗鋼可在較低的冷卻速率下獲得貝氏體，CCT曲線圖的貝氏體轉變區增大，這有效改善了試驗鋼的強韌性[10-11]。錳是擴大奧氏體區的元素，錳元素的加入分開了高溫轉變區和中溫轉變區，能延長珠光體孕育期，推遲珠光體轉變，還能降低鋼的馬氏體轉變溫度。此外，錳還可以細化鐵素體晶粒和珠光體團片間距[10]。鎳的加入可以通過固溶強化作用提高鋼的強度，降低脆性轉變溫度，提高淬透性[12]。錳、鎳均能提高過冷奧氏體中珠光體轉變區的穩定性，二者對細化晶粒也有積極的作用。正是因為錳、鉻、鎳元素的共同作用，試驗鋼CCT曲線圖中的鐵素體、珠光體轉變區和貝氏體轉變區發生分離。過冷奧氏體穩定性的提高有效促進了貝氏體轉變的進行，在冷卻速率為0.05～120 ℃·s-1時均可得到貝氏體組織。

隨著冷卻速率的增大，鉆頭用15CrNiMn鋼的過冷奧氏體轉變開始溫度逐漸降低，而硬度明顯升高。究其原因，過冷奧氏體的高溫轉變為典型的擴散型相變：冷卻速率的增大降低了碳的擴散速率，碳原子難以進行較大距離的遷移，導致鐵素體、珠光體的形核率增加，組織細化；當溫度降低至一定值時，鐵原子和碳原子都不能發生擴散，只能通過切變發生晶格改組從而發生馬氏體轉變，使得試驗鋼的硬度變大。

3 結 論

(1) 試驗鋼的CCT曲線圖上存在鐵素體轉變區、珠光體轉變區、貝氏體轉變區和馬氏體轉變區。

(2) 試驗鋼的貝氏體轉變區和鐵素體、珠光體轉變區完全分離，貝氏體轉變區較寬，在0.05～120 ℃·s-1的冷卻速率范圍內均可得到貝氏體組織。

(3) 隨冷卻速率增大，試驗鋼的室溫組織細化，硬度增大；當冷卻速率為10 ℃·s-1時，試驗鋼開始發生馬氏體轉變，其室溫組織中出現高硬度馬氏體，使得鋼的硬度明顯增大。

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