超深井鉆桿接頭用鋼的連續冷卻轉變研究

張正波

（寶武杰富意特殊鋼有限公司，廣東 韶關 512100）

0 引言

鉆桿接頭主要用于煤炭、石油天然氣等領域，是開展資源勘探、開采過程中重要連接件，一般在極為復雜的地質環境下鉆井過程中使用，承擔著扭轉、牽拉、擠壓、撞擊等綜合力的作用，而且還承受瞬間的變形負荷，受力條件相當復雜，這就對鉆桿接頭的強韌性匹配[1]提出了較高的要求。熱處理是改善鉆桿強韌性的重要手段，對于鉆桿接頭用鋼，在成分設計基礎上必須進行精確化調質處理，探討各種熱處理工藝對鋼材性能的影響，力求其得到最佳強韌性匹配。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗設備器材

利用Gleeble-3800 型號熱模擬機可以測定膨脹系數和溫度曲線[2-3]；用進口的萊卡DM-4000M 光學顯微鏡檢驗金相組織。

1.2 試驗材料

試驗用鉆桿接頭用鋼材料的化學成分如表1 所示，材料生產工藝流程為：高爐鐵水→轉爐→LF 爐精煉→RH 或VD 真空精煉→大方坯連鑄機→加熱爐→大棒軋制Φ95 mm 規格圓鋼→緩冷。軋制圓鋼緩冷結束后，在圓鋼四分之一直徑部位取樣，加工成尺寸為直徑為Φ6 mm，長81 mm 的試樣，加工18 個試樣。

表1 材料成分

1.3 試驗方法

鉆桿接頭用鋼材料的CCT 曲線的測定以膨脹法[4-5]為主，光學顯微鏡金相輔助分析。

2 不同冷卻速度連續冷卻轉變試驗

2.1 材料Ac1、Ac3 相變點溫度測定

在Gleeble-3800 型號熱模擬機上測定試驗鋼臨界相變溫度，采用Φ6 mm×81 mm試樣，在真空狀態下，按10 ℃/s 的升溫速度加熱到500 ℃，再以0.05 ℃/s的升溫速度加熱到1 000 ℃，保溫10 min，再以10 ℃/s的冷卻速度冷卻到常溫。測定出試樣膨脹量隨時間變化的溫度曲線，測定相變點溫度，Ac1 相變溫度為770 ℃，Ac3 相變溫度為840 ℃，如圖1 所示。

圖1 鉆桿接頭用鋼膨脹系數與溫度曲線

2.2 不同冷卻速度連續冷卻轉變試驗方法

將檢測試樣以10 ℃/s 的速度加熱到1 000 ℃，保溫10 min，隨后依次按0.05、0.1、0.2、0.3、0.5、0.8、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、8.0 ℃/s 的降溫速度，將試樣冷卻到25 ℃左右，通過測量每個冷卻速度工藝下的試樣組織，繪制靜態CCT 曲線。試樣冷卻后經磨制拋光，再用硝酸酒精溶液進行腐蝕，試樣吹干后在光學顯微鏡觀察組織。

3 試驗結果

不同冷卻速度連續冷卻下的組織轉變產物和顯微組織如表2 及圖2 所示。

圖2 鉆桿接頭用鋼不同連續冷卻速度下顯微組織

表2 不同連續冷速度下轉變組織

測定各相轉變的臨界點溫度，各相變的轉變類型及臨界點溫度如表3 所示。將表3 所述的連續相轉變過程中不同冷卻速度下，各相轉變起始和結束溫度為縱坐標，以時間對數為橫坐標繪制成靜態CCT 曲線，如圖3。

圖3 靜態CCT 曲線

表3 相變轉變類型及臨界點溫度

4 試驗分析

當冷卻速度小于0.2 ℃/s 時，材料首先發生鐵素體、珠光體、貝氏體轉變；當冷卻速度大于0.3 ℃/s 時，則不會發生鐵素體和珠光體的轉變；當冷卻速度大于0.3 ℃/s 且小于3 ℃/s 時，只發生貝氏體和馬氏體轉變；當冷卻速度大于3 ℃/s 時，只發生馬氏體轉變。根據顯微組織分析結果表明：在高溫區有鐵素體轉變和珠光體轉變，在中溫區有貝氏體轉變，在低溫區有馬氏體轉變；當冷卻速度為0.05～0.2 ℃/s 時，轉變產物為多邊形鐵素體和珠光體。

5 力學性能及熱處理工藝研究

通過熱模擬機試驗得到該超深井鉆桿接頭用鋼相變點Ac3 溫度為840 ℃，根據靜態CCT 曲線，制定拉伸沖、擊樣的熱處理淬火溫度為890 ℃，研究強韌性匹配情況。通過工藝試驗，綜合力學性能最好的熱處理工藝為：890 ℃±5 ℃淬火，保溫35 min，水冷；660 ℃±5 ℃回火，保溫60 min，空冷。該工藝條件下，力學性能滿足要求，具體力學性能見表4。鉆桿接頭用鋼屈服強度在1 000 MPa 以上，抗拉強度在1 100 MPa 以上，強度高。V 型沖擊功在常溫、0 ℃、-20 ℃都保持在125 J 以上，韌性較好。材料的強韌性匹配良好，完全適用于超深井鉆探用鉆桿接頭，在井下復雜環境下能大大延長鉆探設備的使用壽命。

6 結論

1）通過熱模擬試驗，完成不同冷速下膨脹曲線，繪制靜態CCT 曲線，確認該鉆桿接頭用鋼相變點溫度，Ac1 為770 ℃，Ac3 為840 ℃。

2）根據測定的Ac3 相變溫度及靜態CCT 曲線，制定材料的拉伸、沖擊熱處理工藝：890 ℃±5 ℃淬火，保溫35 min，水冷；660±5 ℃回火，保溫60 min，空冷。該工藝條件下，材料的強韌性匹配最佳，材料的強韌性匹配良好，完全適用于鉆桿接頭，在井下復雜環境下能大大延長鉆探設備的使用壽命。

表4 超深井鉆桿接頭用鋼力學性能