回火温度及时间对4330V钢力学性能的影响

2023-10-10陈卫东王济生孔永平

河南科技 2023年17期

陈卫东王济生孔永平

（1.河南中原重型锻压有限公司，河南济源 454650；2.河南省豫隆科学技术研究院有限公司，河南郑州 450001）

0 引言

随着世界经济的持续发展，特别是新兴经济体经济的迅速增长，石油的需求和消费量逐步提升，推动国际钻井装备和钻采技术的进步，更带动了石油钻具的开发和制造。随着现代钻采工艺的普遍实施，石油、金矿等钻采钻具的应用环境越来越复杂，钻采钻具行业对钻具材料的要求也越来越高。传统的4145H 钢等材料因强度较低而被逐渐代替，AISI 4330V 钢作为一种美标高强度低合金结构钢，因其高强度、高韧性等优点，在钻采行业的应用越来越广泛，尤其是在钻具生产方面。影响4330V 钢力学性能的因素有很多［1］，本研究主要探讨回火温度及回火时间对4330V 钢的力学性能的影响，通过不同回火温度及回火时间对4330V 钢进行处理，对其强度、硬度、韧性及塑性的变化情况进行研究，并探寻4330V 钢的最佳回火工艺，以提高4330V 钢的产品性能。

1 试验材料及试验方法

1.1 试验材料

试验时使用的材料为4330V 钢退火态余料，4330V 钢余料的尺寸为65 mm×65 mm×130 mm，其主要成分见表1，力学性能要求见表2［2］。

表1 4330V钢的化学成分（质量分数）单位：%

表2 4330V钢的力学性能要求

1.2 试验方法

4330V 钢试样的加热温度为880 ℃，保温时间为140 min，淬火后回火温度分别为500 ℃、560 ℃、580 ℃、620 ℃、640 ℃、700 ℃，回火时间分别为120 min、240 min、360 min，完成后，水冷。上述处理完成后，按照《钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备》（GB∕T 2975—2018）标准在试样的相应位置分别切取拉伸试样、冲击试样及硬度测试块。按照《金属材料拉伸试验方法第1 部分：室温试验方法》（GB∕T 228.1—2010）及《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》（GB∕T 229—2020）要求对切取的试样分别进行拉伸试验检测及冲击试验检测。

4330V钢材料在经过不同的回火温度后，在抗拉强度、屈服强度、硬度、韧性、塑性等方面发生变化。

2 试验结果

2.1 回火温度及时间对4330V钢强度的影响

4330V 钢分别经过500 ℃、560 ℃、580 ℃、620 ℃、640 ℃、700 ℃回火、时间分别为120 min、240 min、360 min，强度检测结果如图1、图2所示。

图1 回火温度及时间对4 330V钢抗拉强度的影响

图2 回火温度及时间对4330V钢屈服强度的影响

由图1、图2 可知，4330V 钢的抗拉强度及屈服强度均随着回火温度的升高而下降，不仅下降幅度较大，且下降速率较快。在回火温度相同的条件下，随着回火时间的不断延长，4330V 钢的抗拉强度及屈服强度会有不同程度的下降，但下降幅度不明显。经700 ℃回火120 min 后，4330V 钢的强度偏低，低于其力学性能要求；经640 ℃回火360 min后，4330V钢的强度也低于其力学性能要求范围；经640 ℃回火240 min 后，4330V 钢的抗拉强度勉强达到力学性能要求范围，但是其屈服强度较低，仍在要求值以下；当4330V 钢经620 ℃回火240 min 后，其抗拉强度及屈服强度均达到力学性能的要求。

2.2 回火温度及时间对4330V 钢硬度及冲击吸收能量的影响

4330V 钢经500 ℃、560 ℃、580 ℃、620 ℃、640 ℃、700 ℃分别回火120 min、240 min、360 min后，硬度及韧性检测结果如图3所示。

图3 回火温度及时间对4330V钢硬度和冲击收缩能量的影响

由图3 可知，4330V 钢的硬度随回火温度的升高而明显下降，4330V 钢的冲击吸收能量随回火温度的升高而明显提高。此外，4330V 钢的硬度随回火时间的延长有一定程度的降低，而其冲击收缩能量随回火时间的延长有一定的升高。对4330V 钢进行640 ℃及700 ℃回火时，其硬度已经下降至力学性能要求的硬度值以下，主要是因为回火温度过高，造成了4330V 钢材料的过回火。

高温回火虽能消除钢材料内部的残余应力，但温度过高会引起马氏体的高温回复，使其多边化亚晶明显长大，碳化物析出，硬度和强度进一步降低［3］。

2.3 回火温度及时间对4330V钢塑性的影响

4330V 钢经500 ℃、560 ℃、580 ℃、620 ℃、640 ℃、700 ℃分别回火120 min、240 min、360 min后，其塑性检测结果如图4所示。

图4 回火温度及时间对4330V钢塑性的影响

由图4 可知，随着回火温度的升高，4330V 钢的塑性（延伸率、断面收缩率）有所提高，断面收缩率比延伸率提高的幅度大一些。在相同回火温度条件下，4330V 钢的塑性随着回火时间的延长而提高。当回火温度为580～620 ℃时，4330V 钢塑性升高的速率最快；当温度超过620 ℃时，其塑性升高的速率明显降低。回火温度升高时，会使淬火过程形成的铁素体发生回复和重结，进而铁素体得以长大，材料的韧性得到进一步增强，塑性得到进一步提高。

综上所述，当回火温度为500 ℃时，由于温度过低，4330V 钢材料回火不充分，合金元素无法扩散，致使材料的塑性偏低，而强度和硬度却偏高，无法为钻具生产提供合适的材料；当回火温度为700 ℃及640 ℃时，由于回火温度过高，致使4330V钢材料过回火，4330V 钢的强度及硬度值降至力学性能的要求值以下。在实际应用中，通常不采用低温回火，而是通过高温回火来提高4330V 钢的性能，但过高的回火温度也不利于4330V 钢的强度及硬度性能的保持。

2.4 回火温度及时间对4330V 钢断口形貌的影响

不同回火温度保温240 min 后4330V 钢的拉伸断口微观形貌如图5所示。

图5 不同回火温度下4330V钢的拉伸断口形貌

由图5（a）和（b）可知，4330V 钢在500 ℃和560 ℃回火后，可观察到少量韧窝和撕裂棱，推测其断口形貌以准解理断裂为主，此时钢材的延伸率最低。由图5（d）和(e)可知，当回火温度提高到640 ℃时，4330 钢的断口形貌主要以细小韧窝为主，此时的断裂方式为韧性断裂，且随着回火温度的升高，韧窝也变得多而深，材料的塑性和韧性不断提高。当回火温度达到700 ℃时，韧窝的数量明显下降，材料的塑性也会随之下降。

3 分析与讨论

石油钻使用的稳定器一直是用4145HMOD 材料制造的，由于石油钻采工具的服役环境比较恶劣，在服役过程中钻采工具要承受拉伸、扭转、弯曲、振动、冲击等外部载荷的作用，这就要求钻具所选的材料具有较高的强度和良好的韧性。随着深井、超深井、水平井等现代钻井工艺的应用，钻采工具的服役条件愈发恶劣，高扭矩钻具显得越来越重要。这就要求钻具具有更高的塑性和韧性。4145HMOD 材料虽然价格相对便宜，但其强度较低，无法满足实际需要。由于4330V 钢具有较高的强度及韧性，且经过适当热处理后，其性能可以达到更高的水平，能满足钻采工具恶劣服役条件的要求。因此，4330V 钢在钻具行业的应用越来越广泛，对4330V钢性能的研究愈加深入。

当材料的回火温度不断升高时，会引起合金碳和基体的关系破裂，并不断聚集、球化，有助于提高材料的性能，进而使其达到应用要求。研究表明，当回火温度处在500～650 ℃时，4330V 钢的强度及硬度会有一定程度的降低，而其韧性及塑性却会有一定程度的增强或提高，对4330V 钢在钻采行业的广泛应用有极大的帮助［4-6］，与本研究的研究结果一致。因此，当4330V 钢的回火温度过低时，不利于钢材料的塑性提升；而当4330V 钢的回火温度过高时，钢材料的硬度及强度等性能达不到应用的需求。在选择回火温度时，要选择适宜的回火温度，使4330V 钢既有较好的硬度及强度性能，同时又有良好的韧性和塑性性能。

当回火温度升高时，原先淬火形成的马氏体由于脱碳重组而形成的铁素体也因为回复与重结晶而不断长大，故而钢材料的韧性和塑性进一步增强［7-8］。

综合来看，4330V 钢材料的强度（包括屈服强度和抗拉强度）及硬度都会随着回火温度的升高而逐步降低，而其韧性、塑性则会随着回火温度的升高而逐步增强［9-12］。经过试验后发现，4330V 钢经过620 ℃回火240 min 后，各种性能匹配较好。在实际生产中，综合各方面考虑，需要选择强度硬度高、韧性好等综合机械性能较好［13-15］的产品来满足深度钻井的需要。