26CrMo4鋼的熱處理工藝

朱 林， 程向龍， 鄒喜洋

(衡陽華菱鋼管有限公司， 湖南 衡陽 421001)

在油氣田開采過程中，鋼鐵材料的腐蝕一直是嚴重的問題。據統計，大約1/3的油氣田中含有硫化氫氣體，在我國的西南、塔里木、延長、長慶等油田都含有不同程度的硫化氫氣體。而普通套管在用于含硫化氫的油氣資源開發時，因應力和硫化氫氣體的作用，往往會在受力遠低于其本身的屈服強度時突然發生硫化氫應力腐蝕(SSC)脆斷，造成套管柱或整口井報廢，甚至會造成井噴。因此，開采含硫化氫的油氣資源時必須使用抗硫化氫腐蝕套管，而其質量對油氣田的產能、安全和壽命影響較大[1]。在傳統Cr-Mo鋼基礎上，通過成分優化可獲得良好的抗硫化氫腐蝕材料[2]。26CrMo4鋼是一種在Cr-Mo鋼的基礎上通過降C增Mo、并添加微量元素B以及微合金元素Nb和Ti而開發的新鋼種。其中，降低C含量用以提高鋼的沖擊性能；微量元素B可使貝氏體轉變曲線變得扁平，并顯著提高鋼的淬透性[3-4]，從而消除C含量降低對材料淬透性的影響；增加Mo含量用以增加鋼的淬透性，并提高鋼的回火穩定性；Nb和Ti通過與鋼中C和N元素形成碳氮化物質點對奧氏體晶界起到釘扎作用，從而阻止奧氏體晶粒粗化并得到細小、均勻的組織[4-6]。本文研究了26CrMo4鋼的相變溫度以及調質工藝對組織結構和力學性能的影響，為抗硫化氫腐蝕套管的實際生產提供指導。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗用26CrMo4鋼經90 t超高功率電弧爐冶煉、LF二次精煉、VD爐脫氣、弧形連鑄生產，坯料規格為φ280 mm，化學成分(質量分數，%)為0.26C、0.18Si、0.51Mn、1.03Cr、0.42Mo、0.016Ti、0.042Nb、0.009P、0.002S、0.0013B。坯料經環形爐1280 ℃奧氏體均勻化加熱、斜軋穿孔、φ340 mm限動芯棒連軋機組軋管和定徑處理后，生產成規格為φ273.05 mm×12.57 mm(外徑×壁厚)的鋼管。從熱軋鋼管上鋸切長度為300 mm的樣管，用來研究不同熱處理狀態下鋼的組織和性能。

1.2 試驗方法

首先在熱軋鋼管上切取φ8 mm×12 mm的圓柱體試樣，采用Gleeble-1500熱模擬試驗機將試樣以0.05 ℃/s 的速率從室溫加熱到910 ℃，保溫15 min后再以0.05 ℃/s的速率冷卻至室溫。采用切線法在加熱和冷卻過程的膨脹曲線上測定鋼的相變點溫度Ac1、Ac3、Ar1、Ar3，分別為732、837、681和768 ℃。

將熱軋態樣管放入熱處理爐中進行910 ℃×60 min水淬和400～740 ℃×70 min回火。從熱軋態、淬火態和回火態樣管上分別取金相試樣、硬度試樣、φ8.9 mm圓棒狀拉伸試樣和55 mm×10 mm×10 mm橫向V型缺口沖擊試樣，進行顯微組織觀察和力學性能測試。金相試樣經預磨、拋光后，分別用2%硝酸酒精溶液和煮沸并添加洗潔精的飽和苦味酸水溶液腐蝕，然后用DM6000M全自動光學顯微鏡觀察顯微組織和淬火態試樣的原奧氏體晶界，并根據GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測定方法》中的單圓截點法測原奧氏體晶粒級別。分別采用1500MDX靜液式萬能試驗機和ZBC2602-CE擺錘式沖擊試驗機并按照ASTM A370-2019《鋼制品機械試驗的標準試驗方法和定義》測試熱軋態和不同回火溫度下試樣的力學性能。采用BRIN 200B-T布氏硬度計并按照ASTM E10-2019《金屬材料布氏硬度試驗方法》測試熱軋態和不同回火溫度下試樣的硬度。

2 試驗結果與討論

2.1 熱軋態顯微組織和力學性能

圖1為熱軋態26CrMo4鋼的顯微組織，為均勻的羽毛狀上貝氏體。力學性能分析結果顯示，具有這種組織的26CrMo4鋼的抗拉強度和布氏硬度均較高，分別達到808 MPa和263 HBW，但其韌性較差，0 ℃下橫向試樣的沖擊吸收能量僅為5 J。

圖1 26CrMo4鋼熱軋態顯微組織

2.2 淬火態顯微組織

圖2所示為26CrMo4鋼910 ℃淬火后的顯微組織，可見其具有良好的淬透性，水淬后可得到全馬氏體組織，且原奧氏體晶粒較均勻細小，晶粒度達9級。

圖2 26CrMo4鋼經910 ℃淬火后的顯微組織(a)及原奧氏體晶粒形貌(b)

2.3 回火態顯微組織

圖3所示為26CrMo4鋼經910 ℃淬火、不同溫度回火后的典型顯微組織形貌。與圖2對比可知，回火后26CrMo4鋼中的馬氏體發生了分解。當回火溫度為400 ℃時，馬氏體組織發生分解，并形成典型的回火索氏體，極為細小的碳化物在基體中析出，但在金相顯微鏡下仍能看出淬火馬氏體組織的板條形貌。當回火溫度提高到640 ℃時，馬氏體組織充分分解并掩蓋了基體中的碳化物，其板條特征完全消失，僅在原始奧氏體晶界位置可以看出細小碳化物。當回火溫度繼續提高到700 ℃和730 ℃時，馬氏體組織進一步分解，且顯微組織基本相同，析出的碳化物顯著增多并均勻、彌散地分布在基體中。當回火溫度繼續提高到740 ℃時，馬氏體的組織特征完全消失，原始馬氏體的板條組織形貌粗化為微小的多邊形鐵素體，基體中的碳化物顯著地減少并發生明顯地聚集和長大，組織呈現為明顯的白亮色，并且在局部區域出現微小的馬氏體組織。

圖3 26CrMo4鋼經910 ℃淬火和不同溫度回火后的顯微組織

2.4 回火態拉伸性能與硬度

圖4所示為26CrMo4鋼經不同溫度回火后的強度和硬度。可以看出，隨著回火溫度的提高，26CrMo4鋼的抗拉強度、屈服強度和硬度總體呈下降趨勢，且下降趨勢相似。當回火溫度較低時，C、Cr、Mo等合金元素的擴散能力較弱，大部分合金元素仍然存在于基體中，主要強化機制為固溶強化，此時的強度和硬度均較高，在400 ℃回火時的抗拉強度高達1325 MPa。隨著回火溫度的提高，馬氏體組織逐漸發生分解，基體中碳化物的析出速率加快，導致固溶強化的效果減弱，強度快速降低，在600 ℃回火時的抗拉強度降低至988 MPa。在400～600 ℃之間抗拉強度隨回火溫度升高而降低的速率為1.685 MPa/℃。隨著回火溫度的提高，C原子的固溶強化作用已完全消失，但由于強碳化物形成元素Mo的合金碳化物彌散析出，成為固溶體的主要強化相[7]。材料的強度和硬度隨回火溫度升高而降低的趨勢有所下降，在600～640 ℃之間抗拉強度從988 MPa降低到928 MPa，抗拉強度隨回火溫度升高而降低的速率減小至1.500 MPa/℃。進一步提高回火溫度時，合金碳化物逐漸發生聚集和長大現象，對位錯運動的阻礙作用大大減弱，使得硬度和強度急劇降低[7-8]。同時，材料的基體發生高溫回復，位錯密度顯著地降低，導致強度和硬度進一步降低。在640～730 ℃之間抗拉強度從928 MPa降低到674 MPa，抗拉強度隨回火溫度升高而降低的速率大幅增加至2.822 MPa/℃。當回火溫度提高到740 ℃時，這時的回火溫度已超過26CrMo4鋼的相變溫度Ac1，此時處于α+γ兩相區，部分基體組織發生了奧氏體轉變，并且在后續的冷卻過程中形成馬氏體組織，使抗拉強度和硬度均有一定程度的提高，但屈服強度下降明顯。

圖4 不同回火溫度下26CrMo4鋼的力學性能

2.5 回火態沖擊性能

圖5所示為26CrMo4鋼經不同溫度回火后的沖擊性能。26CrMo4鋼經910 ℃淬火后形成的組織具有高的位錯密度，同時合金元素完全固溶在基體中形成過飽和固溶體，而使其韌性較差。隨回火溫度的提高，馬氏體組織發生分解，組織中的位錯密度不斷降低，同時合金元素不斷從過飽和固溶體中析出，使晶格畸變降低[9]，因此，26CrMo4鋼在400～620 ℃回火時的0 ℃ 沖擊吸收能量隨回火溫度的升高近似呈線性增加，如圖5(a)所示。進一步提高回火溫度時，由于合金碳化物析出引起的析出強化機制占主導作用，不利于沖擊性能的提高，因此在620～640 ℃之間沖擊吸收能量沒有明顯地提高，保持在180 J左右。繼續提高回火溫度至640～700 ℃時，沖擊吸收能量再次隨著回火溫度的提高呈線性的增高。當回火溫度進一步提高到700～730 ℃時，基體中的碳化物已充分析出和球化，使得沖擊吸收能量達到極大值(227 J)。繼續提到回火溫度到740 ℃時，由于基體中產生了新的馬氏體組織，使得沖擊吸收能量有所降低。另外，由圖5(b)可以看出，當回火溫度為640 ℃和700 ℃時，26CrMo4鋼在0 ℃的沖擊性能最好，在0～-70 ℃下沖擊性能隨溫度的降低而下降，其-70 ℃沖擊吸收能量分別為81 J和110 J，表明26CrMo4鋼具有較好的低溫沖擊性能。

圖5 不同回火溫度下26CrMo4鋼的沖擊吸收能量

3 結論

1) 26CrMo4鋼具有優良的淬透性，熱軋態組織為完全的貝氏體，910 ℃水淬可得到原奧氏體晶粒細小均勻的馬氏體組織。

2) 26CrMo4鋼的強度和硬度隨回火溫度的提高而下降。在400 ℃回火時的抗拉強度可達1325 MPa；400～600 ℃回火時抗拉強度隨回火溫度升高而降低的速率為1.685 MPa/℃；由于合金元素Mo的析出強化作用，600～640 ℃回火時抗拉強度降低的速率減小至1.500 MPa/℃；繼續提高回火溫度至640～730 ℃時，抗拉強度降低的速率大幅增加至2.822 MPa/℃。當回火溫度達到740 ℃時，26CrMo4鋼進入α+γ兩相區，抗拉強度和硬度均有所提高，但屈服強度下降。

3) 26CrMo4鋼的沖擊性能隨回火溫度的升高而大幅提高。但由于析出強化作用，620～640 ℃回火時的沖擊吸收能量變化不明顯。繼續提高回火溫度時沖擊吸收能量隨之提高，當回火溫度為700 ℃時，26CrMo4鋼的0 ℃沖擊吸收能量達到極大值227 J。繼續提高回火溫度至730 ℃時，沖擊吸收能量基本保持不變，但回火溫度提高至740 ℃時，沖擊吸收能量下降明顯。

4) 26CrMo4鋼經640 ℃和700 ℃回火后具有較好的低溫沖擊性能，-70 ℃沖擊吸收能量仍可分別達81 J和110 J。