回火工藝對Cr-Mo-V鋼組織和力學性能的影響

王景琨，黃海，樊湘芳，王浩

（南華大學機械工程學院，湖南 衡陽 421001）

0 引言

Cr-Mo-V鋼屬于低合金鋼，具有高強度、高抗氧化性、高耐蝕性能和優異的熱疲勞性及良好的強韌性匹配，被廣泛應用于環境條件惡劣要求苛刻的深井及超深井石油開采設備制造等行業[1-3]。Cr-Mo-V鋼在使用前進行適當的熱處理，可使其強度和韌性達到合理的匹配，以保證油氣井在運行時的安全可靠。文獻[4]～[7]介紹了Cr-Mo-V鋼在使用前進行的精細化調質處理，特別是在回火工藝過程中合理控制回火工藝參數，可以直接影響Cr-Mo-V鋼最終的微觀組織特征，從而使Cr-Mo-V鋼獲得所需要的強度與韌性的最佳組合。本文對國內某鋼管廠生產的一種低合金Cr-Mo-V油套管鋼進行回火工藝試驗，探討了回火溫度和回火時間對其顯微組織特征及力學性能的影響規律，找到最合適的回火工藝參數，為企業生產提供實驗依據。

1 試驗材料及方法

試驗材料為軋制態低合金Cr-Mo-V鋼，化學元素組成如表1所示。其生產要求為：抗拉強度≥1034 MPa，屈服強度為965～1172 MPa，延伸率≥12%，0 ℃時橫向沖擊性能≥60 J（期望不小于100 J）。依據化學成分利用JMatPro軟件進行模擬計算[8-9]，得到材料的固態相變臨界點為：Ac3=895.8 ℃，Ac1=844.5 ℃，Bs=602.6 ℃，Ms=402 ℃，Mf=291.2 ℃。

表1 試驗材料的化學成分質量分數%

對Cr-Mo-V鋼進行熱處理。淬火：910 ℃+30 min，水冷。回火：660 ℃+不同回火時間，如表2所示。熱處理采用KSW-4D-11電阻爐。用WAW-300萬能試驗機進行拉伸試驗，拉伸試樣按照規定制成標準樣。沖擊韌性的測試在JB-30B沖擊試驗機上，沖擊試樣按照標準制成V形缺口標準試樣。對熱處理后的試樣利用砂紙逐級打磨、拋光后進行腐蝕，吹干后再利用DM 600M金相顯微鏡和JSM- IT100掃描電鏡觀察其微觀組織形貌。

表2 不同回火時間工藝方案

2 試驗結果及分析

2.1 回火時間對力學性能及組織的影響

經過910 ℃淬火30 min后，分別回火保溫不同的時間，空冷后對試驗樣品進行拉伸試驗和沖擊試驗，檢測的結果如表3和圖1所示。為了保證試驗檢測數據的可靠性，做3次低溫沖擊試驗，綜合其數據進行分析。從圖2中可以看出，在回火溫度為660 ℃的情況下，隨著回火時間的增加，抗拉強度和屈服強度（Rt0.7）的變化趨勢大致相同：隨著回火時間的增加，強度值先減小，然后再增加，最后再減小。同時從圖2中也能得出，隨著回火溫度的不斷升高，沖擊功先增加、后減少。從表3可以看出，在回火時間為60 min的情況下的屈服強度和抗拉強度最高，符合試驗鋼要求，但沖擊功最小滿足不了期望值。在回火時間為120 min時，雖然屈服強度與抗拉強度都減小了150 MPa左右，但沖擊功卻達到了最大值，而試驗鋼需要比較好的強度和韌性匹配，因此回火時間120 min為最佳回火時間。

表3 不同回火時間力學性能檢測結果

為了進一步研究回火時間對試驗鋼力學性能的影響，對回火時間60 min 和 120 min 進行顯微組織觀察，以1號試樣和2 號試樣為例，如圖2所示。由圖2 可見，1號試樣和2號試樣的微觀組織均為典型的回火馬氏體、碳化物和殘余奧氏體。從圖中可以看出，隨著回火時間的延長，碳化物不斷析出，且析出物尺寸增加會占據先前板條馬氏體邊界的位置，促使馬氏體不斷合并變粗，總量減少，促使板條邊界變模糊。從圖中可看出，與回火時間120 min相比，回火時間60 min析出物的數量比較少，尺寸也小，因而彌散強化的作用較低，因而屈服抗拉強度高，韌性比較差。同時，隨著馬氏體板條寬度的增加，界面的面積減小，而界面可以延緩位錯的運動，使得馬氏體得到軟化，從基體中析出的小碳化物可以增強微裂紋萌生的臨界解理應力，因此屈服強度和抗拉強度降低，沖擊功變大[10]。另一方面，在回火時間增加到120 min時析出物不斷增加，碳原子不斷地與試驗鋼中的合金元素結合，以碳化物的形式從飽和α固溶體中析出，使基體中的固溶碳含量減少，促使碳原子固溶強化的效果減弱。而析出的碳化物所產生的彌散強化不足以匹配先前碳原子固溶強化的作用，所以最終導致屈服強度和抗拉強度減小[11]。

圖2 不同回火時間顯微組織圖

2.2 回火溫度對力學性能及組織的影響

由前面試驗可知，回火時間為120 min時，試驗鋼綜合性能最好，因此選擇回火時間為120 min，研究回火溫度對力學及組織性能的影響。詳細的工藝方案如表4所示。對不同回火溫度過后的試驗樣品進行拉伸試驗和沖擊試驗，試驗檢測結果如表5所示。

表4 不同回火溫度工藝方案

表5 不同回火溫度下力學性能檢測結果

由表5和圖3可以總結得出，隨著回火溫度的增加，抗拉強度和屈服強度（Rt0.7）先增加，然后逐漸減小。在回火溫度為660 ℃時，試驗鋼的抗拉強度為1039 MPa，屈服強度為990 MPa；當回火溫度增加到665 ℃時，抗拉強度和屈服強度分別增加了79、82 MPa，達到了峰值，繼續增加回火溫度，強度會逐漸下降。同時不難看出，隨著回火溫度的增加，沖擊功先增加，在回火溫度為665 ℃時沖擊功為一個小峰值，回火溫度在665～670 ℃時沖擊功開始下降，當回火溫度大于670 ℃時沖擊功又開始不斷上升。通過對比分析可以看出，在力學性能均達到要求時，回火溫度為665 ℃時沖擊功達到最大（144 J），能更好地滿足試驗鋼強度與韌性的匹配。

圖3 不同回火溫度力學性能趨勢

圖5（a）為試驗中最佳回火溫度665 ℃的顯微組織，從金相圖中可以看出其顯微組織分布比較均勻，且大多數為回火索氏體，且原馬氏體邊界十分模糊, 難以分辨。馬氏體板條寬度、位錯密度、尺寸和碳化物類型是影響鋼強度和韌性的主要因素[12-13]。利用掃描電鏡進一步觀察（如圖5（b））可以看到，原相鄰板條狀的淬火馬氏體的板條邊界隨著碳化物沿邊界的析出分解并且相互合并，先前的馬氏體位向開始消失，由于缺陷組織的再結晶和恢復，板條組織的邊界幾乎消失，馬氏體片間模糊不清，其界面特征消失[14-15]。隨著過飽和碳原子的不斷析出和擴散，以大量細小碳化物的形式存在于晶界和基體上，沒有發生明顯的回復再結晶現象，因此得到了較好的強韌性。

圖4 回火工藝665 ℃+120 min微觀組織圖

3 結論

1）隨著回火時間的逐漸延長，Cr-Mo-V鋼的抗拉強度和屈服強度先減小，后增加，最后再減小。隨著回火溫度的增加，Cr-Mo-V鋼的沖擊功先增加，后減少。在回火時間為120 min時，Cr-Mo-V鋼綜合性能達到最佳。

2）隨著回火溫度的逐漸增加，Cr-Mo-V鋼的屈服強度和抗拉強度先增加，然后開始減小，當回火溫度為665 ℃時，兩種強度同時都達到峰值。隨著回火溫度增加，沖擊功先變大，后減小，最后再增加。綜合Cr-Mo-V鋼要求，在回火溫度665 ℃時，性能最佳。

3）在回火工藝過程中，回火的溫度和時間影響Cr-Mo-V鋼的微觀組織特征的變化，從而影響其力學性能，且Cr-Mo-V鋼在回火工藝為665 ℃+120 min時綜合性能最佳。