張正波

（寶武杰富意特殊鋼有限公司，廣東 韶關(guān) 512100）

0 引言

鉆桿接頭主要用于煤炭、石油天然氣等領(lǐng)域，是開展資源勘探、開采過程中重要連接件，一般在極為復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境下鉆井過程中使用，承擔(dān)著扭轉(zhuǎn)、牽拉、擠壓、撞擊等綜合力的作用，而且還承受瞬間的變形負(fù)荷，受力條件相當(dāng)復(fù)雜，這就對(duì)鉆桿接頭的強(qiáng)韌性匹配[1]提出了較高的要求。熱處理是改善鉆桿強(qiáng)韌性的重要手段，對(duì)于鉆桿接頭用鋼，在成分設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上必須進(jìn)行精確化調(diào)質(zhì)處理，探討各種熱處理工藝對(duì)鋼材性能的影響，力求其得到最佳強(qiáng)韌性匹配。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備器材

利用Gleeble-3800 型號(hào)熱模擬機(jī)可以測(cè)定膨脹系數(shù)和溫度曲線[2-3]；用進(jìn)口的萊卡DM-4000M 光學(xué)顯微鏡檢驗(yàn)金相組織。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用鉆桿接頭用鋼材料的化學(xué)成分如表1 所示，材料生產(chǎn)工藝流程為：高爐鐵水→轉(zhuǎn)爐→LF 爐精煉→RH 或VD 真空精煉→大方坯連鑄機(jī)→加熱爐→大棒軋制Φ95 mm 規(guī)格圓鋼→緩冷。軋制圓鋼緩冷結(jié)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(zhǎng)81 mm 的試樣，加工18 個(gè)試樣。

表1 材料成分

1.3 試驗(yàn)方法

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

2 不同冷卻速度連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變?cè)囼?yàn)

2.1 材料Ac1、Ac3 相變點(diǎn)溫度測(cè)定

在Gleeble-3800 型號(hào)熱模擬機(jī)上測(cè)定試驗(yàn)鋼臨界相變溫度，采用Φ6 mm×81 mm試樣，在真空狀態(tài)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(cè)定出試樣膨脹量隨時(shí)間變化的溫度曲線，測(cè)定相變點(diǎn)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(shù)與溫度曲線

2.2 不同冷卻速度連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變?cè)囼?yàn)方法

將檢測(cè)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(cè)量每個(gè)冷卻速度工藝下的試樣組織，繪制靜態(tài)CCT 曲線。試樣冷卻后經(jīng)磨制拋光，再用硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕，試樣吹干后在光學(xué)顯微鏡觀察組織。

3 試驗(yàn)結(jié)果

不同冷卻速度連續(xù)冷卻下的組織轉(zhuǎn)變產(chǎn)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(xù)冷卻速度下顯微組織

表2 不同連續(xù)冷速度下轉(zhuǎn)變組織

測(cè)定各相轉(zhuǎn)變的臨界點(diǎn)溫度，各相變的轉(zhuǎn)變類型及臨界點(diǎn)溫度如表3 所示。將表3 所述的連續(xù)相轉(zhuǎn)變過程中不同冷卻速度下，各相轉(zhuǎn)變起始和結(jié)束溫度為縱坐標(biāo)，以時(shí)間對(duì)數(shù)為橫坐標(biāo)繪制成靜態(tài)CCT 曲線，如圖3。

圖3 靜態(tài)CCT 曲線

表3 相變轉(zhuǎn)變類型及臨界點(diǎn)溫度

4 試驗(yàn)分析

當(dāng)冷卻速度小于0.2 ℃/s 時(shí)，材料首先發(fā)生鐵素體、珠光體、貝氏體轉(zhuǎn)變；當(dāng)冷卻速度大于0.3 ℃/s 時(shí)，則不會(huì)發(fā)生鐵素體和珠光體的轉(zhuǎn)變；當(dāng)冷卻速度大于0.3 ℃/s 且小于3 ℃/s 時(shí)，只發(fā)生貝氏體和馬氏體轉(zhuǎn)變；當(dāng)冷卻速度大于3 ℃/s 時(shí)，只發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。根據(jù)顯微組織分析結(jié)果表明：在高溫區(qū)有鐵素體轉(zhuǎn)變和珠光體轉(zhuǎn)變，在中溫區(qū)有貝氏體轉(zhuǎn)變，在低溫區(qū)有馬氏體轉(zhuǎn)變；當(dāng)冷卻速度為0.05～0.2 ℃/s 時(shí)，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為多邊形鐵素體和珠光體。

5 力學(xué)性能及熱處理工藝研究

通過熱模擬機(jī)試驗(yàn)得到該超深井鉆桿接頭用鋼相變點(diǎn)Ac3 溫度為840 ℃，根據(jù)靜態(tài)CCT 曲線，制定拉伸沖、擊樣的熱處理淬火溫度為890 ℃，研究強(qiáng)韌性匹配情況。通過工藝試驗(yàn)，綜合力學(xué)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(xué)性能滿足要求，具體力學(xué)性能見表4。鉆桿接頭用鋼屈服強(qiáng)度在1 000 MPa 以上，抗拉強(qiáng)度在1 100 MPa 以上，強(qiáng)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(qiáng)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(fù)雜環(huán)境下能大大延長(zhǎng)鉆探設(shè)備的使用壽命。

6 結(jié)論

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

2）根據(jù)測(cè)定的Ac3 相變溫度及靜態(tài)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(qiáng)韌性匹配最佳，材料的強(qiáng)韌性匹配良好，完全適用于鉆桿接頭，在井下復(fù)雜環(huán)境下能大大延長(zhǎng)鉆探設(shè)備的使用壽命。

表4 超深井鉆桿接頭用鋼力學(xué)性能