回火温度对ZG20CrNiMo强韧性的影响

2018-09-05许敬月袁玲道石佩璎李岚峰

大型铸锻件 2018年5期

许敬月马升袁玲道石佩璎李岚峰

(1.兰州兰石能源装备工程研究院，甘肃730314；2.甘肃省高端铸锻件工程技术研究中心，甘肃730314)

钻井及采油设备主承载件产品标准由API 8A升级为API 8C，新标准对设备的设计、材料、焊接、质量进行了全面的要求，并制定了产品规范等级，提出SR2低温试验补充要求。对于屈服强度在585～655 MPa之间的材料，普通铸钢材料难以满足其低温冲击韧性的要求，需要对低温用高强铸钢的化学成分、熔炼和热处理工艺进行系统研究，以满足石油钻采设备在高寒地区使用时高强高韧的要求。

铸钢件的最终性能主要取决于冶炼、浇注、热处理，尤其是合理的热处理工艺对铸钢件强韧性的实现、匹配和改善起着至关重要的作用。本文采用调质工艺对ZG20CrNiMo进行热处理，在确定最佳淬火温度和保温时间的基础上，重点研究了回火温度对其低温冲击韧性的影响，确定了最佳回火温度，使ZG20CrNiMo的强度和低温冲击韧性都达到了API 8C标准的要求，满足其在低温环境使用的要求。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

ZG20CrNiMo的化学成分如表1所示，除合金Cr、Ni、Mo外加入了V、Ti微合金化成分，细化晶粒。采用200 kg真空感应炉冶炼，降低杂质S、P及气体元素含量，提高钢液纯净度。浇注∅127 mm(5 in)基尔试样。其力学性能要求如表2所示。

1.2 热处理工艺方案

ZG20CrNiMo预备热处理采用退火工艺，性能热处理采用调质工艺。在前期试验确定退火温度、淬火温度、保温时间的基础上，为了确保低温冲击达到标准要求，选择3种不同回火温度的调质热处理工艺方案进行试验。具体的调质热处理试验方案为：①880℃×6 h水淬+620℃×8 h回火空冷；②880℃×6 h水淬+640℃×8 h回火空冷；③880℃×6 h水淬+660℃×8 h回火空冷。

热处理试验完成后，按照ASTM A370标准进行不同试验方案的力学性能检测，按照GB/T 229进行-20℃、-45℃的低温冲击试验。根据性能检测结果确定调质热处理的最佳回火温度，并对金相组织、断口形貌进行观察分析。

2 试验结果与讨论

2.1 力学性能结果与讨论

经3种不同回火温度热处理的试样按照标准要求取样检测，结果如表3所示。随着回火温度的升高，材料的屈服强度和抗拉强度逐渐降低，660℃回火时强度已达不到标准要求。伸长率和收缩率在620℃回火时达不到要求，660℃回火刚好达标，640℃回火时塑性最好。

表1 ZG20CrNiMo化学成分要求Table 1 Chemical compositions requirement of ZG20CrNiMo

表2 ZG20CrNiMo力学性能要求Table 2 Mechanical properties requirement of ZG20CrNiMo

表3 力学性能检测结果Table 3 Mechanical properties testing results

表4 低温冲击检测结果Table 4 Low temperature impact testing results

2.2 低温冲击结果与讨论

对3种不同回火温度处理的试样分别检测-20℃、-45℃的低温冲击韧性，结果见表4。620℃回火，-20℃和-45℃的冲击值偏低，远达不到标准要求；660℃回火，冲击值数值不稳定，单个值出现偏低现象，造成平均值的不达标；640℃回火，冲击韧性良好，单值和平均值都达到标准要求。

为了进一步验证640℃回火是材料强韧性达到最佳匹配的温度，采用880℃×6 h水淬+640℃×8 h回火空冷工艺热处理另一个基尔试样，按照标准取样分析，结果如表5所示。材料的强度、塑韧性都达到要求，匹配良好，完全满足标准要求。

2.3 金相显微组织

按照不同回火温度进行热处理试验后，选择640℃回火、冲击性能达标的试样进行金相组织观察。试样显微组织如图1所示。可知，该组织为保留着马氏体位相的回火索氏体，是正常的调质处理组织。该组织本质上是渗碳体与铁素体的机械混合物，淬火得到针状马氏体，然后通过高温回火，促使马氏体中析出的碳化物向针叶边缘聚集，致使其易浸蚀变黑，而马氏体中心贫碳区呈灰白色。

表5 性能检测结果Table 5 Properties testing results

图1 试样显微组织
Figure 1 Microstructure of the sample

2.4 断口形貌

同样选择640℃回火的试样进行断口形貌分析，试样断口扫描照片如图2所示。从图2可看出，断口形貌呈大面积的尺寸相近的等轴韧窝，均匀分布，说明材料在正应力作用下发生了较缓慢的塑性变形，以微孔聚集并长大的机理发生了断裂，是变形能力较强的韧性断裂，进一步从微观角度验证了640℃回火是最佳的材料塑韧性提高温度。