回火溫度及時間對4330V鋼力學性能的影響

陳衛東 王濟生 孔永平

（1.河南中原重型鍛壓有限公司，河南 濟源 454650；2.河南省豫隆科學技術研究院有限公司，河南 鄭州 450001）

0 引言

隨著世界經濟的持續發展，特別是新興經濟體經濟的迅速增長，石油的需求和消費量逐步提升，推動國際鉆井裝備和鉆采技術的進步，更帶動了石油鉆具的開發和制造。隨著現代鉆采工藝的普遍實施，石油、金礦等鉆采鉆具的應用環境越來越復雜，鉆采鉆具行業對鉆具材料的要求也越來越高。傳統的4145H 鋼等材料因強度較低而被逐漸代替，AISI 4330V 鋼作為一種美標高強度低合金結構鋼，因其高強度、高韌性等優點，在鉆采行業的應用越來越廣泛，尤其是在鉆具生產方面。影響4330V 鋼力學性能的因素有很多［1］，本研究主要探討回火溫度及回火時間對4330V 鋼的力學性能的影響，通過不同回火溫度及回火時間對4330V 鋼進行處理，對其強度、硬度、韌性及塑性的變化情況進行研究，并探尋4330V 鋼的最佳回火工藝，以提高4330V 鋼的產品性能。

1 試驗材料及試驗方法

1.1 試驗材料

試驗時使用的材料為4330V 鋼退火態余料，4330V 鋼余料的尺寸為65 mm×65 mm×130 mm，其主要成分見表1，力學性能要求見表2［2］。

表1 4330V鋼的化學成分（質量分數）單位：%

表2 4330V鋼的力學性能要求

1.2 試驗方法

4330V 鋼試樣的加熱溫度為880 ℃，保溫時間為140 min，淬火后回火溫度分別為500 ℃、560 ℃、580 ℃、620 ℃、640 ℃、700 ℃，回火時間分別為120 min、240 min、360 min，完成后，水冷。上述處理完成后，按照《鋼及鋼產品力學性能試驗取樣位置及試樣制備》（GB∕T 2975—2018）標準在試樣的相應位置分別切取拉伸試樣、沖擊試樣及硬度測試塊。按照《金屬材料拉伸試驗方法第1 部分：室溫試驗方法》（GB∕T 228.1—2010）及《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》（GB∕T 229—2020）要求對切取的試樣分別進行拉伸試驗檢測及沖擊試驗檢測。

4330V鋼材料在經過不同的回火溫度后，在抗拉強度、屈服強度、硬度、韌性、塑性等方面發生變化。

2 試驗結果

2.1 回火溫度及時間對4330V鋼強度的影響

4330V 鋼分別經過500 ℃、560 ℃、580 ℃、620 ℃、640 ℃、700 ℃回火、時間分別為120 min、240 min、360 min，強度檢測結果如圖1、圖2所示。

圖1 回火溫度及時間對4 330V鋼抗拉強度的影響

圖2 回火溫度及時間對4330V鋼屈服強度的影響

由圖1、圖2 可知，4330V 鋼的抗拉強度及屈服強度均隨著回火溫度的升高而下降，不僅下降幅度較大，且下降速率較快。在回火溫度相同的條件下，隨著回火時間的不斷延長，4330V 鋼的抗拉強度及屈服強度會有不同程度的下降，但下降幅度不明顯。經700 ℃回火120 min 后，4330V 鋼的強度偏低，低于其力學性能要求；經640 ℃回火360 min后，4330V鋼的強度也低于其力學性能要求范圍；經640 ℃回火240 min 后，4330V 鋼的抗拉強度勉強達到力學性能要求范圍，但是其屈服強度較低，仍在要求值以下；當4330V 鋼經620 ℃回火240 min 后，其抗拉強度及屈服強度均達到力學性能的要求。

2.2 回火溫度及時間對4330V 鋼硬度及沖擊吸收能量的影響

4330V 鋼經500 ℃、560 ℃、580 ℃、620 ℃、640 ℃、700 ℃分別回火120 min、240 min、360 min后，硬度及韌性檢測結果如圖3所示。

圖3 回火溫度及時間對4330V鋼硬度和沖擊收縮能量的影響

由圖3 可知，4330V 鋼的硬度隨回火溫度的升高而明顯下降，4330V 鋼的沖擊吸收能量隨回火溫度的升高而明顯提高。此外，4330V 鋼的硬度隨回火時間的延長有一定程度的降低，而其沖擊收縮能量隨回火時間的延長有一定的升高。對4330V 鋼進行640 ℃及700 ℃回火時，其硬度已經下降至力學性能要求的硬度值以下，主要是因為回火溫度過高，造成了4330V 鋼材料的過回火。

高溫回火雖能消除鋼材料內部的殘余應力，但溫度過高會引起馬氏體的高溫回復，使其多邊化亞晶明顯長大，碳化物析出，硬度和強度進一步降低［3］。

2.3 回火溫度及時間對4330V鋼塑性的影響

4330V 鋼經500 ℃、560 ℃、580 ℃、620 ℃、640 ℃、700 ℃分別回火120 min、240 min、360 min后，其塑性檢測結果如圖4所示。

圖4 回火溫度及時間對4330V鋼塑性的影響

由圖4 可知，隨著回火溫度的升高，4330V 鋼的塑性（延伸率、斷面收縮率）有所提高，斷面收縮率比延伸率提高的幅度大一些。在相同回火溫度條件下，4330V 鋼的塑性隨著回火時間的延長而提高。當回火溫度為580～620 ℃時，4330V 鋼塑性升高的速率最快；當溫度超過620 ℃時，其塑性升高的速率明顯降低。回火溫度升高時，會使淬火過程形成的鐵素體發生回復和重結，進而鐵素體得以長大，材料的韌性得到進一步增強，塑性得到進一步提高。

綜上所述，當回火溫度為500 ℃時，由于溫度過低，4330V 鋼材料回火不充分，合金元素無法擴散，致使材料的塑性偏低，而強度和硬度卻偏高，無法為鉆具生產提供合適的材料；當回火溫度為700 ℃及640 ℃時，由于回火溫度過高，致使4330V鋼材料過回火，4330V 鋼的強度及硬度值降至力學性能的要求值以下。在實際應用中，通常不采用低溫回火，而是通過高溫回火來提高4330V 鋼的性能，但過高的回火溫度也不利于4330V 鋼的強度及硬度性能的保持。

2.4 回火溫度及時間對4330V 鋼斷口形貌的影響

不同回火溫度保溫240 min 后4330V 鋼的拉伸斷口微觀形貌如圖5所示。

圖5 不同回火溫度下4330V鋼的拉伸斷口形貌

由圖5（a）和（b）可知，4330V 鋼在500 ℃和560 ℃回火后，可觀察到少量韌窩和撕裂棱，推測其斷口形貌以準解理斷裂為主，此時鋼材的延伸率最低。由圖5（d）和(e)可知，當回火溫度提高到640 ℃時，4330 鋼的斷口形貌主要以細小韌窩為主，此時的斷裂方式為韌性斷裂，且隨著回火溫度的升高，韌窩也變得多而深，材料的塑性和韌性不斷提高。當回火溫度達到700 ℃時，韌窩的數量明顯下降，材料的塑性也會隨之下降。

3 分析與討論

石油鉆使用的穩定器一直是用4145HMOD 材料制造的，由于石油鉆采工具的服役環境比較惡劣，在服役過程中鉆采工具要承受拉伸、扭轉、彎曲、振動、沖擊等外部載荷的作用，這就要求鉆具所選的材料具有較高的強度和良好的韌性。隨著深井、超深井、水平井等現代鉆井工藝的應用，鉆采工具的服役條件愈發惡劣，高扭矩鉆具顯得越來越重要。這就要求鉆具具有更高的塑性和韌性。4145HMOD 材料雖然價格相對便宜，但其強度較低，無法滿足實際需要。由于4330V 鋼具有較高的強度及韌性，且經過適當熱處理后，其性能可以達到更高的水平，能滿足鉆采工具惡劣服役條件的要求。因此，4330V 鋼在鉆具行業的應用越來越廣泛，對4330V鋼性能的研究愈加深入。

當材料的回火溫度不斷升高時，會引起合金碳和基體的關系破裂，并不斷聚集、球化，有助于提高材料的性能，進而使其達到應用要求。研究表明，當回火溫度處在500～650 ℃時，4330V 鋼的強度及硬度會有一定程度的降低，而其韌性及塑性卻會有一定程度的增強或提高，對4330V 鋼在鉆采行業的廣泛應用有極大的幫助［4-6］，與本研究的研究結果一致。因此，當4330V 鋼的回火溫度過低時，不利于鋼材料的塑性提升；而當4330V 鋼的回火溫度過高時，鋼材料的硬度及強度等性能達不到應用的需求。在選擇回火溫度時，要選擇適宜的回火溫度，使4330V 鋼既有較好的硬度及強度性能，同時又有良好的韌性和塑性性能。

當回火溫度升高時，原先淬火形成的馬氏體由于脫碳重組而形成的鐵素體也因為回復與重結晶而不斷長大，故而鋼材料的韌性和塑性進一步增強［7-8］。

綜合來看，4330V 鋼材料的強度（包括屈服強度和抗拉強度）及硬度都會隨著回火溫度的升高而逐步降低，而其韌性、塑性則會隨著回火溫度的升高而逐步增強［9-12］。經過試驗后發現，4330V 鋼經過620 ℃回火240 min 后，各種性能匹配較好。在實際生產中，綜合各方面考慮，需要選擇強度硬度高、韌性好等綜合機械性能較好［13-15］的產品來滿足深度鉆井的需要。

4 結論

本研究針對4330V 低合金結構鋼進行不同溫度及時間的回火試驗，探討不同的回火溫度及回火時間對4330V 鋼的力學性能和組織結構的影響。通過試驗得到以下結論。

①回火溫度為700 ℃、回火時間為120 min 時，4330V 鋼材料的抗拉強度及屈服強度過低，不符合4330V鋼的力學性能要求。

②回火溫度為640 ℃，回火溫度為360 min 時，4330V 鋼材料的抗拉強度及屈服強度偏低，不符合力學性能要求。

③回火溫度為640 ℃及700 ℃時，回火溫度過高，過回火使4330V鋼材料硬度偏低。

④回火溫度為500 ℃時，回火不充分，合金元素無法擴散，4330V鋼的塑性偏低，強度及硬度偏高。

⑤4330V 鋼在500 ℃和580 ℃回火后，其斷口形貌以準解理斷裂為主，此時4330V 鋼的延伸率最低。當回火溫度升至640 ℃時，其斷口形貌以細小韌窩為主，此時4330V 鋼的斷裂方式為韌性斷裂。4330V 鋼材料的塑性和韌性隨著回火溫度的升高也不斷提高，斷口形貌的韌窩也變得越大越深。