鉆桿接頭淬火裂紋分析

李慧, 張偉, 馬韋華

(1.渤海能克鉆桿有限公司,河北 青縣062658; 2.渤海石油裝備巨龍鋼管有限公司,河北 青縣062658)

0 引 言

鉆桿接頭（以下簡稱接頭） 所用材料一般為37CrMnMoA，淬火的目的是獲得馬氏體，再配合一定溫度的回火，以提高鋼的力學性能，滿足鉆井生產需求。接頭淬火就是將接頭加熱到臨界溫度Ac3(亞共析鋼)以上溫度，保溫一段時間，使之全部奧氏體均勻化，然后浸入冷卻液中快速冷卻，使之轉變成馬氏體。在快速冷卻過程中，接頭內部會產生應力，當達到一定程度時，就會開裂，產生裂紋。如圖1、圖2所示，接頭在調質處理后，產生了肉眼可見的貫穿性裂紋和長度25 mm左右的弧形裂紋。

1 淬火裂紋產生的原因

淬火后產生的裂紋分為淬火裂紋和非淬火裂紋，后者是由于原材料本身存在一定的缺陷造成的，可以根據裂紋的形狀和特征來加以區分。接頭由于淬火產生裂紋的原因有很多，通常情況下，可以考慮從接頭尺寸設計和熱處理工藝兩個方面進行分析。

圖1 肉眼可見的貫穿性裂紋

圖2 螺紋根部裂紋

1.1 原材料缺陷引起的非淬火裂紋

淬火后產生的裂紋，不一定都是由淬火引起的。如果接頭本身有非金屬夾雜、晶粒度大或者是存在細小裂紋，則極易在淬火后出現裂紋。可以對裂紋部位剖開做金相分析和夾雜物試驗來確定。接頭本身有夾雜且過大的，在金相顯微分析下，夾雜物呈現出分散的點狀、間斷的線狀等，顏色明顯比合金鋼顏色要深，且界限明顯，夾雜物試驗的結果也會超過鉆桿標準要求。如果是晶粒度過大引起的裂紋，通過金相分析能明顯觀察出過大的顆粒組織；若剖開的裂紋兩側有氧化脫碳現象，則證明接頭本身就存在微裂紋。

《SY/T 5561-2014鉆桿》標準中明確要求鉆桿接頭材料的晶粒度應為6級或比6級更細, 鉆桿接頭材料的非金屬夾雜物應符合表1的規定。

表1 非金屬夾雜物要求

我們對熱處理前的接頭和裂紋組織分別取樣，非金屬夾雜物情況如表2所示，金相試驗結果如圖3～圖5所示。由此可知，該批接頭非金屬夾雜物未超標。對比熱處理前后金相試驗結果，熱處理前存在較大晶粒，但是在熱處理后晶粒度為8級，高于標準要求，且分布均勻，說明組織正常。反觀裂紋兩側組織沒有明顯脫碳或氧化，說明裂紋的出現與接頭原材料無關。

1.2 接頭尺寸不合理

眾所周知，鋼材在淬火過程中經過熱脹冷縮，發生了體積變化，在內部產生了應力。如果接頭尺寸設計或加工不合理，在某些有凹槽、棱角的部位就會產生應力集中，從而開裂，裂紋形狀為弧形。如圖6所示，設計要求公接頭螺紋根部圓弧半徑為5 mm，我們對發生裂紋的接頭進行實際測量后發現，螺紋根部圓弧半徑僅為1.6 mm，遠小于圖樣設計要求。此圓弧為公接頭螺紋表面與螺紋密封面的過渡圓弧，這兩個面之間的夾角接近90°，在熱處理過程中過渡圓弧處產生了較大的應力，因此產生了裂紋，如圖2 所示。

表2 非金屬夾雜物

圖3 未熱處理金相(×500倍)

圖4 熱處理后金相(×500倍)

圖5 裂紋端部金相圖（×500倍）

圖6 圖樣要求

1.3 熱處理工藝

工藝方面引起接頭淬火裂紋的原因有：淬火溫度過高，保溫時間過長；淬火冷卻方式不合理，冷卻介質選擇不當，冷速過快，未淬透；沒有及時進行回火等。

1.3.1 淬火溫度過高，保溫時間過長

圖7 870 ℃，加熱2 h

圖8 870 ℃，加熱1 h

圖9 880 ℃，加熱1 h

根據金屬材料熱處理原理，碳素鋼淬火要求加熱奧氏體化時碳化物完全溶入奧氏體，以保證合金元素的作用。淬火加熱溫度過高，會使奧氏體晶粒長大，增加內應力，從而降低材料的力學性能，并且在淬火冷卻過程中，因晶粒尺寸變大而使接頭開裂。該接頭屬于亞共析鋼，日常生產時將淬火溫度選擇在Ac3+(30～50)℃，保溫時間1 h。為了驗證淬火工藝不是導致接頭裂紋的根本原因，我們進行了碳化物在奧氏體中的溶解試驗，試驗溫度分別為870 ℃、880 ℃和890 ℃，由試驗結果可知，在870～890 ℃，加熱時間超過1 h碳化物均可完全溶解，見圖7～圖10。由此可見，我們日常生產的工藝是沒有問題的，淬火溫度和保溫時間選擇比較合理。

1.3.2 淬火冷卻方式不合理

淬火液是用噴射泵對準接頭內外面噴射，起到淬火液循環流動，均勻冷卻的效果。如果噴射泵的壓力過大或是淬火液在熱處理爐內循環不好，淬火液不能準確地噴射在接頭內外面，而是噴在接頭螺紋根部，容易造成局部裂紋。對爐膛內部進行查看，淬火液噴淋管均是正對接頭內孔，再對比以往的生產記錄，噴射泵在規定壓力下接頭并沒有產生裂紋。

1.3.3 冷卻介質選擇不當

一般可選擇的淬火冷卻介質分為水淬或油淬，從普遍意義來講，碳素鋼由于淬透性較差，為獲得較高的力學性能，一般需選用冷卻能力較強的介質。接頭熱處理淬火液采用的是水溶性淬火劑，屬于PAG淬火液。這種淬火液是目前國內外生產使用最普遍、效果最好的水性淬火介質。這種淬火液剛投入使用時效果非常好，但是如果掌握不了PAG淬火液濃度的變化規律，累積到一定時期，接頭就會大批量出現裂紋。

圖10 890 ℃，加熱1 h

1.3.4 冷卻速度快，接頭未淬透

上面提到接頭淬火液是PAG淬火液，在這種工作方式下，接頭的硬化層更深，馬氏體化更充分，但是淬火液濃度和溫度的選擇至關重要。淬火液的濃度、溫度、循環流動和冷卻性能有一定的關系，淬火液濃度越高，冷卻速度越慢，相反，冷卻速度越快；提升淬火液的溫度，可以降低冷卻速度，相反，可以提高冷卻速度；淬火液的循環流動可以增大接頭淬火冷卻速度。公司規定的淬火液濃度為20%～25%，當出現圖1所示的貫穿性大裂紋后，公司立即抽出淬火液送檢分析，發現淬火液實際濃度為16%，證明了該裂紋的產生就是冷速過快導致的。

1.3.5 接頭未及時進入回火爐

公司的熱處理爐是輥底式淬火爐，能夠自動控制爐溫，生產期間都是連續生產，即使設備出現故障，也僅僅是在淬火爐內出現卡頓，也不會出現淬火后長時間暴露在室溫下，未進入回火爐的情況。如果真出現設備故障，淬火后的接頭只要在1 h之內進入回火爐，也能保證質量。

2 淬火裂紋的預防

通過上述分析，我們知道了本批接頭之所以產生裂紋，一是由于公接頭螺紋根部尺寸加工不合理，沒有達到圖樣的要求；二是淬火液濃度過低，導致接頭冷卻速度過快而產生裂紋。針對本批接頭出現裂紋的原因，我們采取了以下控制措施，來減少淬火裂紋的產生。

2.1 接頭尺寸設計

通過對接頭所受應力的有限元分析，可知接頭螺紋根部是整個接頭所受應力最大的地方，其次是刻印槽等部位。根據以往的生產經驗，可將接頭螺紋根部、刻印槽等有凹槽、直角的部位，設計出過渡圓弧，圓弧半徑不小于3.2 mm，避免淬火后應力集中而產生裂紋。生產時嚴格控制該尺寸，有效地減少了公接頭螺紋根部裂紋。

2.2 控制淬火液濃度

為了實時監控淬火液濃度，公司采用折光儀檢測濃度，每日檢測一次，以便生產時能夠及時補充淬火液，使淬火液濃度維持在20%～25%。同時，為了保證淬火液的質量，每月抽取1000 mL淬火液，送淬火液廠家檢測樣液濃度、冷卻特性、pH值和腐敗性能。另外，考慮到自來水中含有雜質，接頭淬火也會產生氧化皮等雜質，需要操作人員定期對淬火液進行過濾，清理雜質，保證正常生產。通過實踐，摸索淬火液的特性，當淬火液使用到一定時間后，整爐更換淬火液。

2.3 原材料的控制

雖然本批接頭坯料不存在缺陷，但是在日常生產過程中，還是應該考慮接頭的鍛造控制。棒料經過鋸切、鍛造（鐓粗、沖孔）、冷卻、正火等工序，加工成接頭毛坯料，在此過程中容易產生微裂紋。預防微裂紋的產生，只有從鍛造工藝入手，控制其變形量、加熱方式和鍛后冷卻速度的控制。這些都是由鍛造廠來進行控制，對于使用單位來說，只能在毛坯料加工前進行超聲波檢測，來甄別原料是否合格。

3 結 語

公司實施了預防措施后，有效地減少了裂紋的產生。總之，接頭產生淬火裂紋有各方面原因，只要弄清楚原理，小心控制，就可以有效預防和減少淬火裂紋的產生。