关于高抗疲劳钻铤用钢化学成分改良与热处理工艺设计的探讨

张剑

（山西风雷钻具有限公司，山西侯马，043013）

1 钢中合金元素对钻铤疲劳强度的影响

在合金钢中，碳是形成钢铁材料的最基本元素之一，也是影响疲劳强度的重要元素。碳含量对材料的组织和性能有重要的影响，当硬度>HRC40,疲劳强度随碳的含量增加而增加，但碳含量过高，塑性和韧性会降低，疲劳强度则会下降，而且碳会与材料中的夹杂或添加元素形成碳化物，碳化物的不同形态也会对钢的性能产生不同影响。所以钻铤材料中的碳含量不能太高。普通钻铤用钢含碳量均在0.42%～0.49%之间，为了提高钻铤的强度，可以适当调节钢中的碳含量。

合金元素在钢中的作用，主要是通过提高钢的淬透性和改善钢的强韧性来影响疲劳强度。合金元素能改变钢中各组成相的性质，又可通过热处理改变钢的组织状态，从而可以改变钢的性能。许多合金元素都能提高钢材的韧性，主要通过改变显微组织和改善基体本身的韧性。如Mn和Ni均可提高钢的淬透性，并能使缓冷后晶界所出现的渗碳体变小从而提高钢的韧性；Ni使基体本身在低温下易于交叉滑移来提高韧性。其他的合金元素当然也能提高韧性，需要从多方面综合考虑。

表1 高抗疲劳钻铤用钢的成分范围（wt，%）

本文通过钻铤用钢材料组分配比，即控制碳及其它合金元素的含量来提高钢的疲劳强度与冲击韧性

2 钢种化学成分改良设计及钢厂冶炼条件确定

2.1 钢种及化学成分改良设计

结合以上钢中合金元素对钻铤疲劳强度的影响，改良设计拟选合金的成分见表1所示，此钢为AISI4145H改良型钢。

2.2 钢厂冶炼条件

将上述合金粉末混合在偏心炉底电炉冶炼（EBT）+钢包精炼（LF）+真空脱气（VD）+钢包喂线（FW）+模铸（IC）+锻造（将钢液浇注成700KG钢锭，再用奥地利1800吨精锻机锻造成φ300mm圆钢），之后剪定成9.7m合金结构钢棒体，空冷到室温，进行500℃退火处理。

3 高抗疲劳钻铤用钢热处理工艺设计

根据以上设计的高抗疲劳钻铤用钢的化学成分范围,本文选择了两套化学成分组成及其热处理方案。

（1）方案一

各元素化学成分组成如下表所示:

表2 方案一化学组分 单位: %

采用贯通式天然气热处理炉，其热处理工按下表执行:

表3 方案一工艺参数 单位：℃

外喷水打开将压力调整到5Mpa。将工件放置在淬火料架上，等炉内温度达到设定温度后，工件在热处理过程中旋转进给,走速根据试验最终确定，通过贯通式天然气热处理炉边旋进边加热至设定的温度，走出加热炉后利用喷水装置喷水以360℃/min冷却，淬火完成后，将工件放置到回火料架上，重复以上步骤按照所设定的回火温度进行回火。

（2）方案二

各元素化学成分组成如下表所示:

表4 方案二化学组分 单位: %

采用贯通式天然气热处理炉，其热处理工艺按下表执行：

表5 方案二工艺参数 单位：℃

其他步骤同方案一。

4 成分改良型高抗疲劳钻铤用钢热处理后金相组织和力学性能

4.1 显微组织分析

先将金相试样放入苦味酸加洗涤剂的保和水溶液中，在50℃恒温下腐蚀足够长时间后，在金相显微镜下观察其晶粒度。再将金相试样进行研磨抛光，经4%硝酸酒精溶液腐蚀后，在400X金相显微镜下观察其组织。

图1为方案1的热处理后金相组织，晶粒度7.5级，组织为回火索氏体，图2为方案2的热处理后金相组织，晶粒度8.0级，组织回火索氏体。

图1 方案一金相组织 400X

图2 方案二金相组织400X

4.2 力学性能试验

从经调质后方案一、方案二的工件上分别截取试样进行拉伸试验和冲击试验，结果见表6。

表6 两种方案力学性能与石油行业标准比较

5 结论

本文改良设计成分后的高抗疲劳钻铤用钢，提高了细晶组分含量，控制了杂质元素含量，经特制的转筒式天然气热处理炉调质处理，强度和韧性达到了最佳配合，综合力学性能超过国内行业标准，且获得了均匀细小的理想金相组织，最终提高了钻铤产品的抗疲劳失效能力。