亚温淬火温度对27CrMo钢组织和性能的影响

杨晓峰

(上海海隆石油钻具有限公司，上海 200949)

在石油行业随着超深井、定向井等先进钻井技术的广泛应用，各大油田开始对深层油气资源进行勘探和开发，钻具承受更大的弯矩、扭矩、拉力、摩阻载荷和振动[1,2]，因此钻杆疲劳失效事故频繁发生，相关专家提出钻杆“先刺后断”理念，要求钻杆具有高强度高韧性[3]。27CrMo钢属于低碳合金钢，具有较好的淬透性、综合力学性能和工艺性能，因此广泛使用在石油钻具行业。铁素体具有低强度高塑性及高韧性的特性，传统理论认为铁素体存在会降低钢材强度提高塑性及韧性，因此淬火温度应选在Ac3以上。但近年来相关专家提出了亚温淬火理论，亚温淬火(Lamellarizing，L)是把钢加热到Ac1至Ac3之间双相区内某一温度时，保温一定时间后，用淬火液冷却的工艺过程[4,5]。亚温淬火温度比常规热处理温度低30～80℃，亚温淬火工艺具有不降低钢材强度提高韧性、减少裂纹倾向和降低能耗的优点，相关研究证实了亚温淬火工艺广泛应用在低、中碳合金钢等金属材料[6]。本文对27CrMo钢进行不同温度亚温淬火+回火试验，进行理化性能检测得出力学性能数据，通过试验数据对比分析找出27CrMo钢力学性能变化趋势，同时对试样金相组织进行观察分析，得出亚温淬火对27CrMo钢显微组织转变的影响。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

试验用139.7mm×9.17mm规格27CrMo无缝钢管，化学成分见表1。

表1 试样的化学分析结果 ωB/%

1.2 试验所用设备

ARL4460OES直读光谱仪、SX2-10-12箱式电阻加热炉、WAW-600电液伺服万能试验机、JBN-300摆锤式冲击试验机、600MRD数显洛氏硬度计、日产OLYMPUS-GX51金相显微镜。

1.3 试验工艺选择

亚温淬火是钢加热到Ac1至Ac3之间双相区的一种热处理工艺，故亚温淬火加热进入组织转变双相区有两种方式：一种方式是将钢由室温直接加热至双相区，可称为“正常进入”。 另一种方式是将钢加热至Ac3以上组织进行奥氏体化，然后降至双相区，可称为“逆向进入”。相关研究显示“正常进入”双相区优于“逆向进入”双相区，这两种进入双相区方式的不同，得到组织不同，故对其产生的强韧化效果也不同[4,7]。故本试验采用将钢由室温加热至双相区，即所谓“正常进入”的方式进行亚温淬火试验。

27CrMo钢通过经验公式计算Ac1为725℃，Ac3为835℃，常规淬火温度为860℃，故试验温度选 750℃、780℃、800℃、830℃和 860℃五种。采用箱式电阻炉淬火加热，试样达到预定淬火温度后，保温30min，水冷至室温，回火温度选用610℃，保温60min，空冷至室温。淬火温度750℃试样编号为A1,淬火温度780℃试样编号为A2,淬火温度800℃试样编号为A3,淬火温度830℃试样编号为A4，淬火温度860℃试样编号为A5。

2 试验结果分析和讨论

2.1 力学性能分析

按照上述27CrMo钢热处理工艺，通过试样力学性能检测得到了27CrMo钢相关力学性能数据，结果见表2、3所示，淬火温度与27CrMo钢力学性能的关系曲线见图1、图2、图3。通过图1、图2可看出27CrMo钢在750～830℃亚温淬火时，随着淬火温度的升高屈服强度、抗拉强度和硬度均升高；淬火温度到达常规淬火温度860℃时，27CrMo钢的屈服强度和抗拉强度较亚温淬火830℃时略有降低，但硬度升高。通过图2、图3可看出27CrMo钢在750～830℃亚温淬火时，随着淬火温度的升高伸长率和冲击功均降低；淬火温度到达常规淬火温度860℃时，27CrMo钢的伸长率和冲击功较亚温淬火830℃时均略有降低。

图1 淬火温度与27CrMo钢强度的关系曲线

图2 淬火温度与27CrMo钢伸长率和硬度的关系曲线

图3 淬火温度与27CrMo钢冲击韧性的关系曲线

通过以上数据对比可看出，27CrMo钢随着亚温淬火温度的升高综合力学性能逐渐变好，在略低于Ac3温度时的综合力学性能最佳。其原因为在亚温淬火加热时，钢的组织为铁素体+奥氏体，且铁素体和奥氏体的相对含量受淬火温度的影响，淬火温度低，奥氏体含量少，铁素体含量越多；而淬火温度高，奥氏体含量多，铁素体含量越少。亚温淬火温度在Ac1温度附近时，组织中存在大量大条块状铁素体，随着淬火温度的升高，碳原子不断扩散，奥氏体逐渐向铁素体内延伸，铁素体的相对含量、尺寸逐渐减少，铁素体晶粒之间的间距逐渐加大，当淬火温度在Ac3附近时，组织中铁素体未完全溶解，只留下少量均匀弥散分布的细小的颗粒状或针状铁素体，对生成的奥氏体晶粒起阻割作用，并抑制奥氏体晶粒长大，同时弥散分布的未溶铁素体以第二相粒子存在，起沉淀强化的作用，弥补了残留铁素体带来的负效应，因而大大提高了钢的强韧性。

通过表2和表3数据可看出，27CrMo钢常规860℃淬火较亚温830℃淬火综合力学性能略有下降。这是因为常规淬火加热时铁素体全部转变为奥氏体，淬火冷却时组织中的铁素体以两种形态析出，一种沿奥氏体晶界析出，另一种在奥氏体晶内成对析出，并且两种铁素体析出形态分布不均匀并且较粗大，从而降低了钢的强韧性。

表2 试样的力学性能

表3 试样的冲击韧性

2.2 金相组织分析

27CrMo钢经过不同温度淬火610℃回火后的金相组织如图4所示，从图a～d可看出，随着亚温淬火温度的升高，钢中的铁素体相对含量逐渐减少，而回火索氏体逐渐增多；即随着亚温淬火温度的升高钢中奥氏体的相对含量逐渐增多，铁素体减少，淬火冷却后马氏体的相对含量增加，所以27CrMo钢力学性能上表现为的强度和硬度不断提高(见图1)。随着亚温淬火温度的升高，铁素体含量不断减少，冲击韧性和伸长率逐渐降低，所以铁素体的含量对钢的塑韧性起着主要的作用。同时观察图a～d可以发现，27CrMo钢中铁素体在减少的同时，组织形态也在不断细化，由大块状转变为细小针状，组织变得更细小并均匀分布。故27CrMo钢亚温淬火时，淬火温度在Ac3附近830℃时综合力学性能最优，见表2。

常规热处理后金相组织见图4e，组织为小块状铁素体+回火索氏体，860℃淬火加热时，铁素体全部溶于奥氏体，当淬火冷却时，铁素体沿奥氏体晶界析出，同时由于淬火温度较高，也会导致奥氏体晶粒变粗大。图4d为830℃亚温淬火后金相组织，组织为针状铁素体+回火索氏体，可见亚温淬火加热时，钢中存在较多的未溶的均匀弥散分布的细小针状铁素体，淬火冷却时这些韧性好的铁素体相包围了高强度的马氏体，在高温回火过程中，马氏体组织转变为回火索氏体，但铁素体组织没有变化，依然分布在回火索氏体的周围，这种结构在提高强度的同时，针状铁素体相也成为裂纹扩展的障碍，使裂纹钝化，大大提高了其韧性。故830℃亚温淬火综合力学性能优于较常规860℃淬火，见表2。

3 结论

（1）27CrMo钢随着亚温淬火温度的升高屈服强度、抗拉强度和硬度逐渐升高，但是伸长率和冲击功逐渐降低，淬火温度在Ac3附近830℃时综合力学性能最佳。

（2）27CrMo钢830℃亚温淬火后综合力学性能略优于常规860℃淬火后综合力学性能。

（3）27CrMo钢随着亚温淬火温度的提高，钢中的铁素体含量不断减少，组织形态也在不断的细化，由大块状转变为细小针状，组织变得更细小并均匀分布。

（4）27CrMo钢常规淬火加热时铁素体完全转变为奥氏体，淬火时析出了块状铁素体。而亚温淬火加热时，组织中有少量未溶铁素体，但由于铁素体呈弥散细针状分布，阻止奥氏体组织晶粒长大，得到细小的晶粒，细针状铁素体相也成为裂纹扩展的障碍，同时弥补了铁素体本身带来的负效应，因此亚温淬火综合力学性能优于常规淬火。

图4 27CrMo钢不同温度淬火610℃回火后的金相组织