8620與4715滲碳鋼力學(xué)性能研究與應(yīng)用

張向松

中石化四機(jī)石油機(jī)械有限公司 湖北荊州 434024

1 序言

8620、4715兩種材料都具有較好的淬透性，在石油機(jī)械行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用，但隨著近幾年油氣田的不斷開發(fā)，特別是頁(yè)巖氣的大力開發(fā)，出現(xiàn)了更高的壓力及更復(fù)雜的工況，對(duì)石油裝備提出了更高的要求。在工程應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)8620表現(xiàn)出過早失效，失效形式多為脆性斷裂，4715在滿足使用壽命前提下，失效形式多為疲勞失效，現(xiàn)從材料、熱處理工藝、力學(xué)性能方面入手研究如何在工程應(yīng)用中合理選用材料 。

2 化學(xué)成分

8620與4715是美國(guó)鋼鐵牌號(hào)[1]，8620相當(dāng)于GB/T 3077—2015的20CrNiMo鋼，4715相當(dāng)于15CrNiMo鋼，具體化學(xué)成分見表1。從表1中可以看出，兩種材料的C、Ni、Mo含量不同，其他成分差別不大。

表1 8620、4715化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

圖1 用于試驗(yàn)的試樣

圖2 滲碳工藝曲線

3 滲碳工藝與力學(xué)性能

根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)范要求，兩種材料各取3個(gè)試塊進(jìn)行編號(hào)，加工成40mm×40mm×180mm的試樣（見圖1），在井式氣體滲碳爐中隨產(chǎn)品進(jìn)行滲碳處理，滲劑為甲醇+異丙醇，工藝如圖2所示。滲碳后檢測(cè)試樣的表面硬度，兩種材料硬度值在60～62HRC，平均值為60.7HRC，隨后將每個(gè)試樣按ASTM A370標(biāo)準(zhǔn)加工一個(gè)拉伸、三個(gè)沖擊共六組試樣進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)（見圖3），結(jié)果見表2。由表2可以看出兩種材料的強(qiáng)度指標(biāo)都符合技術(shù)要求，8620低溫沖擊韌度不合格，造成差別的原因主要是Ni與Mo含量不同。Ni含量增加提高鋼的強(qiáng)度，降低臨界點(diǎn)，增加奧氏體的穩(wěn)定性，進(jìn)而在提高鋼的淬透性的同時(shí)又保持良好的塑性和韌性，這是4715強(qiáng)度比8620要高的原因之一；Mo可以細(xì)化鋼的晶粒，提高沖擊韌度和馬氏體回火穩(wěn)定性，在一定范圍內(nèi)提高M(jìn)o含量（低于1%），可以降低鋼的回火脆性。當(dāng)多種合金元素加入鋼中，對(duì)其綜合性能的影響更加復(fù)雜，由表2可以看出，Cr、Mo含量一定程度的增加提高了4715的強(qiáng)度和韌性。

圖3 試樣取樣部位

表2 8620、4715試樣滲碳后220℃回火力學(xué)性能

為了提高8620、4715的沖擊韌度性能，探究提高回火溫度對(duì)兩種材料性能的影響，另取每種材料三組編號(hào)為3、4進(jìn)行試驗(yàn)，在上述滲碳工藝不變前提下，260℃進(jìn)行回火保溫4h，出爐空冷[2]，所得結(jié)果見表3。從表中可以看出，提高回火溫度，兩種材料強(qiáng)度值都下降了，而沖擊吸收能量值并沒有明顯地提升，說明在低溫回火范圍內(nèi)，提高回火溫度，韌性并不能達(dá)到理想中的要求，況且又犧牲了強(qiáng)度，這在滲碳工藝中不可取。

表3 8620、4715試樣滲碳后260℃回火力學(xué)性能

4 工程上的應(yīng)用

結(jié)合前面的試驗(yàn)結(jié)果及工程上的應(yīng)用可以看出，4715的力學(xué)性能優(yōu)于8620，但8620低溫（-29℃）沖擊吸收能量較低，表明此溫度已接近或低于8620的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。為了驗(yàn)證由于低溫導(dǎo)致8620沖擊吸收能量較低，取8620、4715同尺寸的沖擊試樣各三組進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見表4。從表4可以看出，室溫的沖擊吸收能量，兩種材料的差別不大，都符合要求。在石油機(jī)械行業(yè)中，根據(jù)長(zhǎng)期大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)及現(xiàn)場(chǎng)使用情況來看，在高壓作業(yè)環(huán)境（≥70MPa）下，材料具備較低韌脆轉(zhuǎn)變溫度能具有更好的使用性能。

表4 8620、4715常溫下的沖擊性能

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過對(duì)8620、4715兩種材料滲碳后的力學(xué)性能進(jìn)行取樣，分別得出不同回火溫度下及不同沖擊溫度下的力學(xué)性能值，通過對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出的結(jié)論如下：

1）兩種材料滲碳后都有較高的強(qiáng)度值，4715的沖擊性能好于8620。

2）兩種材料在滲碳淬火完成后，稍微提高低溫回火的溫度，并不能顯著增加材料的韌性，同時(shí)會(huì)犧牲材料過多的強(qiáng)度值。

3）兩種材料在工程中都有廣泛的應(yīng)用，但對(duì)使用工況的壓力有不同要求，高壓力作用工況下，4715使用性能優(yōu)于8620。