37CrMnMoA 钢奥氏体连续冷却转变曲线

2019-05-03刘智超杨勇平王青林

设备管理与维修 2019年19期

李真，刘智超，杨勇平，王青林

（中石油钻井装备渤海能克钻杆有限公司，河北沧州 062658）

0 引言

37CrMnMoA 钢是石油钻杆接头专用钢，是调质钢。石油钻杆用于石油钻探，也可用于地球物理钻探。石油钻杆在钻井过程中受到拉、压、弯和扭力的复合作用，且工况苛刻，如：较大的内压、液体冲刷、腐蚀和温度等作用，还有现场卸扣也较频繁。据有关资料统计，钻杆失效大部分发生在接头。因此，研究接头的热处理工艺，提高其力学性能十分必要。金属材料热处理的关键是奥氏体连续冷却转变规律，保证淬透性，最终获得强度和韧性都高的综合力学性能。具有粗螺纹、锥体螺纹和密封台肩结构的钻杆接头承受着钻柱的重量，抵抗钻井过程中重复连接断开操作引起的形变及抗疲劳和抗意外连接操作，对钻井泥浆泄漏具有密封作用，因此要求钻杆接头具有较好的综合机械性能。中石油钻井装备渤海能克钻杆有限公司采用的接头材料是37CrMn－MoA 改良型，而非常用的40CrMnMo。改良后的接头材料严格控制其化学成分，要求C 含量0.35%～0.38%。为在热处理后获得稳定的组织和性能，为制定该钢种的热处理工艺提供依据，避免淬火裂纹的出现，为此测定37CrMnMoA 钢的连续冷却转变曲线（CCT），并观测不同冷却速度下转变产物的显微组织和硬度。

1 转变动力学曲线—CCT 图的测定

1.1 试验方法

试验原料采用正火后的37CrMnMoA 毛坯接头车削加工而成的Φ3 mm×10 mm，一端带有Φ2 mm×2 mm 深盲孔的圆柱试样，用于测定CCT 曲线；采用Φ6 mm×25 mm 的圆柱试样以不同的冷却速率测定Ac1和Ac3温度。

CCT 曲线的测定：用热膨胀法测定不同冷却速度下接头用钢的相变温度点数据，进行数据处理得到CCT 曲线，所用仪器为日本富士电波生产的Formastor-F 型相变测定仪。试样以8.5℃/s 速率加热至870 ℃，保温10 min 后，以不同速率冷却，记录温度—时间和膨胀—时间曲线，可以得到膨胀拐点处对应的温度，由于奥氏体转变发生体积膨胀效应，故由测定的膨胀曲线的拐点，得到相变开始和结束温度。

相变温度的测定：所用仪器为德国Netzsch DIL 402 C 型膨胀系数测定仪，以1.2 ℃/min 速率加热至900 ℃。通过测定加热时膨胀—温度曲线的拐点（奥氏体开始形成时体积收缩）确定Ac1和Ac3温度。

1.2 试验结果

1.2.1 钻杆接头用钢CCT 曲线

首先利用德国Netzsch DIL 402 C 型膨胀系数测定仪测定37CrMnMoA 钢相对膨胀量—温度关系曲线，如图1 所示。由切线法确定Ac1=735 ℃，Ac3=795 ℃。

图1 相对膨胀量—温度曲线

由记录的温度—膨胀—时间曲线，可以得到膨胀拐点处对应的温度，从而得到转变温度—时间—转变曲线，即CCT 曲线，如图2 所示。由图2 可以看出，该钢连续冷却转变曲线将转变分为3 个区域：高温的铁素体+珠光体（F+P）转变区、中温的贝氏体（B）转变区和低温的马氏体（M）转变区。马氏体转变开始温度Ms 为345 ℃，淬火临界冷却速度2.5 ℃/s，即由奥氏体化温度冷却到马氏体转变开始温度的时间＜200 s 便可得到完全马氏体组织。即，工件心部冷却速度＞2.5 ℃/s 时便可淬透。这一参数可对制订淬火冷却工艺及淬火介质的选择提供参考。

1.2.2 不同冷却速度冷却试样的硬度和金相显微组织

对于测定CCT 曲线用的不同冷却速度试样，分别进行硬度测定和金相组织观察。测得的硬度标注在CCT 曲线上（图2）。典型的金相组织照片如图3 所示，图中给出了冷却速度为30 ℃/s、2.5 ℃/s、1 ℃/s、0.6 ℃/s、0.25 ℃/s、0.15 ℃/s 和0.06 ℃/s试样的金相组织照片。

图2 37CrMnMoA 的CCT 曲线

图3 典型冷却试样金相组织

由图3 可知，当冷速为2.5 ℃/s 时，得到的组织还含有少量的贝氏体组织，说明临界冷却速度应该稍大于2.5 ℃/s；冷速30 ℃/s 试样得到了完全马氏体组织；冷速为0.25～2.5 ℃/s时，得到贝氏体+马氏体组织，且随冷速增大马氏体的分数增大。当冷速≤0.15 ℃/s 时，得到块状的先共析铁素体和贝氏体组织，且随着冷速减小先共析铁素体分数增大，贝氏体分数减小。冷速＞0.15 ℃/s，试样组织中均含有少量的残余奥氏体，但在金相显微镜中难于观察到。