30CrMo熱處理工藝及低溫沖擊性能研究

■ 劉瓊

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隨著我公司出口俄羅斯石油鉆機日益增多，尤其近來北極、亞北極地區油氣資源的開發，低溫鉆機的研制已成為行業關注的重點。其中材料在低溫環境的適應性成為鉆井裝備越來越突出的問題。由于金屬材料在低溫下具有冷脆性，所以，低溫材料成為低溫鉆機研究的難點之一。本課題重點研究了合金結構鋼30CrMo在低溫環境的性能特征及熱處理工藝優化方案，使其達到標準規定的低溫沖擊性能。

1. 問題的提出

井架是鉆機的主要承載件之一，其中銷軸是連接井架部件的關鍵零件。根據材料低溫冷脆性的評價指標——低溫沖擊吸收能量的指標要求，低溫材料選材方向就是提高低溫沖擊吸收能量。我公司主要采用Cr-Ni-Mo鋼作為銷軸材料，原工藝采用40CrNiMo材料，存在兩方面問題：一是由于材料淬透性太高，對≤φ80mm直徑銷軸淬火必須采用油淬，否則易開裂，造成環境污染，不符合行業逐步替代油槽的環保改造方向；二是材料價格較高。需要尋求一種既經濟又有潛力的鋼種，通過熱處理工藝優化提高低溫沖擊性能。

根據低碳馬氏體理論，淬火得到板條馬氏體組織是性能優良的組織結構。我們選擇了含碳較低、淬透性適中的30CrMo進行試驗。分析了材料的金相組織變化特征，通過試驗對比和金相組織分析，確定材料的最佳熱處理工藝方案。

2. 試驗材料和試驗方法

（1）試驗鋼牌號及化學成分 試驗用鋼采用牌號為30CrMo的國內某鋼廠生產的φ80mm和φ100mm規格熱軋圓鋼，截取長度300mm的試塊各3根。材料化學成分符合GB/T3077—2015《合金結構鋼》規定，具體化學成分如表1所示。

（2）試驗用鋼的熱處理工藝 合金鋼在高溫回火后，可獲得強度和韌性最佳配合的力學性能。根據30CrMo臨界點Ac3數據，試樣分別采用表2工藝進行調質處理。

工藝曲線如圖1所示。

（3）力學性能試驗 兩種規格材料分別按兩種工藝進行調質后，按距表面1/4直徑位置分別取一個拉伸試樣和三個沖擊試樣。拉伸試樣按GB/T228—2010進行加工，采用30t萬能試驗機進行試驗；沖擊試樣按GB/T229—2007進行加工，采用夏比V型缺口試樣，在擺錘式沖擊試驗機上進行。考慮到試樣從低溫槽取出到試驗會有溫度回升，根據GB/T229—2007設定低溫槽過冷度2℃作為溫度補償。

3. 試驗結果分析

（1）力學性能 兩種規格材料分別按兩種工藝進行調質后，試驗數據如表3所示。

低溫鉆機銷軸材料執行美國API 8C標準，要求在設計最低溫度下的沖擊吸收能量不低于27J（三個試樣平均值）。從表3試驗結果看出，強度基本滿足要求，在最低設計溫度-50℃下的沖擊吸收能量試驗數據：φ80mm規格工藝二、工藝三性能達到指標要求；φ100mm材料低溫沖擊吸收能量不合格。分析原因可能與材料淬透性不足存在混合組織有關。

（2）金相組織 分別對試樣進行金相分析，φ80mm試樣580℃回火組織如圖2所示，φ100mm試樣580℃回火組織如圖3所示。

試驗鋼的回火過程實質上就是過飽和的α'固溶體的脫溶過程，這個過程受α'相中Cr、Mo等合金元素的擴散控制。隨回火溫度升高，α'基體的回復與再結晶的進行，C原子的固溶強化效應不斷下降，使硬度和強度不斷下降，塑性和韌性得到改善。

表1 試驗用鋼的化學成分（質量分數） （%）

圖1 試樣工藝曲線

表2 試樣熱處理工藝

表3 試驗用鋼調質的力學性能

圖2 回火索氏體

圖3 回火索氏體+鐵素體

從金相組織可以看出，550℃以上高溫回火后得到的組織為鐵素體和粒狀分布的碳化物的混合物——回火索氏體組織，碳化物呈顆粒狀的組織使鋼的許多性能得到改善。這是由于片狀碳化物受力時會使基體產生應力集中，易使碳化物片產生脆斷或形成微裂紋。而粒狀碳化物造成的應力集中小，微裂紋不易產生，故鋼的塑性、韌性好。從理論上講，淬火得到馬氏體的高溫回火組織沖擊韌度最高，貝氏體次之，珠光體和鐵素體最低。因此，φ100mm圓鋼由于存在非馬氏體回火組織，導致沖擊吸收能量較差。

4. 進一步的試驗研究

經以上試驗得出了30CrMo的優化工藝在-50℃的性能指標。為了進一步研究30CrMo材料的冷脆轉變特征，在經優化工藝處理的φ80mm試塊上另取7組共21個沖擊試樣，分別進行-80～ -20℃的沖擊試驗，每個溫度試驗3個試樣。試驗結果如表4和圖4所示。

從試驗數據和曲線看出，沖擊吸收能量在-60～ -70℃出現急劇下降，沖擊吸收能量由-60℃平均值32J下降到-70℃的19J，而在-20～-60℃，沖擊吸收能量逐漸下降，由平均值45J下降到32J。從圖4曲線看出，上平臺約為45J，根據GB/T229—2007，達到上平臺50%的沖擊吸收能量值對應的溫度為-65～ -70℃，此溫度范圍為脆性轉變溫度區間。

表4 不同溫度下的沖擊吸收能量

圖4 韌脆轉變曲線

圖5是各個溫度（1#：-20℃；2#：-40℃；3#：-50℃；4#：-55℃；5#：-60℃；6#：-70℃；7#：-80℃）下的沖擊試樣斷口形貌。可以看出，隨著溫度降低，斷口纖維區面積逐步減少，結晶區面積逐步增大，到-70℃結晶區面積已接近50%，一般將此溫度附近定為脆性轉變溫度。到-80℃斷口結晶區已接近100%，塑性變形趨近于零。

圖5 不同溫度下的沖擊試樣斷口形貌照片

5. 生產應用效果

本課題研究的30CrMo熱處理工藝和低溫轉變特征成功應用在出口俄羅斯低溫鉆機井架和鉆臺銷軸，用于替代原40CrNiMo材料。僅此一項，為企業節約材料費共25萬元。同時，由于減少車間油煙污染，實現了清潔熱處理。

6. 結語

（1）30CrMo經熱處理工藝優化，采用水淬+高溫回火，用于-50℃低溫鉆機銷軸（φ80mm以下）沖擊性能穩定可靠。

（2）在優化的熱處理工藝下，材料在-60℃以上均保持了良好的低溫韌性，其低溫脆性轉變溫度為-65℃～ -70℃。

（3）由于淬透性的限制，30CrMo用于φ80mm以下銷軸性能優良。對于φ100mm以上軸類由于心部存在一些非馬氏體組織，低溫沖擊吸收能量不能穩定地達到標準要求，建議選高淬透性材料40CrNiMo等。

注：本課題由“國家重點研發計劃”極地冷海鉆機關鍵技術研究（項目編號：2016YFC0303302）資助。