一种低碳多元微合金化结构钢的应用*

王观礼，张亚昌，伍玉娇，蒋世华，张 超，梁 柔，童庆安

(1贵州高峰石油机械股份有限公司，贵州 贵阳 550081；2贵州理工学院，贵州 贵阳 550003；3贵州大学，贵州 贵阳 550025)



一种低碳多元微合金化结构钢的应用*

王观礼1，张亚昌1，伍玉娇2▲，蒋世华1，张 超3，梁 柔1，童庆安1

(1贵州高峰石油机械股份有限公司，贵州 贵阳 550081；2贵州理工学院，贵州 贵阳 550003；3贵州大学，贵州 贵阳 550025)

石油机械重要零件用合金结构钢具有尺寸大、受力环境恶劣、受力形式复杂多样，要求大截面、厚壁零件采用材料具有较高淬透性并兼有优良的热处理工艺性能，以获得高而均匀的综合机械性能，提高其疲劳寿命，减少井下事故带来的巨大损失。利用低碳马氏体的特点以及多元微合金化提高淬透性，利用强韧化机理研发设计并成功生产应用的—相对于40CrMnMo和4145H具有较高淬透性，一种低碳多元微合金化结构钢(高峰2号钢)，其明显优势在于水淬不裂并具有更高的淬透性。

微合金化合金结构钢，大型零件，淬透性，淬裂倾向

1 石油机械用合金结构钢的特点

石油钻井机械零件通常要在数千米至万米的深井下工作，其受力形式包括拉、压、弯曲、扭转、冲击、磨损等多种共同作用。为了保证钻采系统的有效运行并防止事故发生，这些零件尤其是重要零件尺寸都比较粗大，对综合机械性能的要求都较高，对选材及其热处理质量要求也较高。在70年代末80年代初期，我国油田钻井深度较浅，当时采用的Cr-Mo合金结构钢如35CrMo、42CrMo淬火介质就是水和油，也基本能够满足需要。到了80年代后期，随着钻井深度加深，地质结构更复杂，对钢的性能要求更高。尤其是由于井下断裂事故发生的频率增多，对大截面或厚壁零件的综合机械性能提出了更明确的要求，特别是冲击韧性。这就要求材料必须具有更好的淬透性[1]。通过试验探索及经过权威机构检验取证，在上世纪80年代后期及90年代初，具有更高淬透性的合金结构钢如40CrMnMo及4145H之类逐渐成为石油钻井工具重要零件的主选材料。与此同时，对于淬火介质的选择也发生了革命性的变化：由水和油为主的淬火介质转变为以水+水基和油为主的淬火介质，并较早在石油机具行业得到应用。其中，接近于理想淬火介质的水基介质对于降低淬裂风险、提高淬火质量起到了至关重要的作用。而曾经一度作为主要淬火介质之一的油则历史性地退居配角。并且由于淬火油用量减少，热处理的生产环境也因此大为改善。进入新世纪以来，随着国内外水平井、大位移井、超深井的迅速发展[2-3]，对钻井、修井作业工艺和装备提出了更高的要求，只有采用淬透性更好的材料，才能保证大截面、大壁厚零件的综合性能更高，截面综合性能更均匀，才能保证钻井、修井工具具有高的疲劳强度和疲劳寿命。而由于淬火烈度的增加，对材料纯净度的要求自然提高。试验、检测综合分析结果表明，40CrMnMo及4145H也不能完全满足要求。问题表现在或者是强度略差或者是韧性稍逊、甚至还有很大的淬裂风险[4]。总之，恶劣的工作环境、复杂的受力条件要求截面尺寸大的井下工具具有高的综合机械性能，所采用的合金结构钢既要有高的淬透性，又要有好的热处理工艺性。现实呼唤淬透性更高、热处理工艺性更好的合金结构钢。比较GB/T 3077中国产合金结构钢的牌号，尚未找到符合上述要求的理想材料。

关于低碳马氏体的强韧性，在著名金属材料科学家徐祖耀的著作《马氏体及马氏体相变》[5]中以及许多学者的学术论文中都有论述。为了探索究竟，我们采用强烈淬火的办法，用20CrMnMo做试验，其结果如表1所示。

表1 20CrMnMo的热处理性能

但是由于受淬透性的局限，对于大截面、大壁厚零件其综合机械性能并不能达到我们期望的目标。按照淬透性的定义，淬透性是指钢接受淬火能够获得马氏体组织深度的能力，这种能力一般以水淬或油淬中心能够获得50 %马氏体组织的临界直径来衡量。而中心获得50 %马氏体组织不等于中心能获得所需要的综合性能。石油钻井工具一般要求在零件壁厚的中心或实心零件半成品距表面30 mm为中心取样。根据不同油田用户的井下地质情况不同，部分要求较高的其屈服强度从80—90年代的690 MPa～760 MPa现在已经逐步提高到827 MPa～964 MPa、相应的抗拉强度则从930 MPa～965 MPa提高到965 MP～1 033 MPa、夏氏冲击功由54 J提高到60 J～90 J、硬度由285～321 HB提高到300～360 HB。从金相组织观察，取样部位至少要获得90 %以上的马氏体才能保证性能达到要求。对于大规格零件，在强烈冷却的条件下，往往因为组织转变应力和热应力都较大的原因，心部即便只有50 %马氏体或者不足50 %的马氏体，由于大规格材料心部往往存在显微缺陷，这些缺陷降低了心部强度；一旦热应力超过心部组织的破断强度时将发生横断，或者在组织应力起主要作用时，在表面附近的切向最大应力作用下心部将有发生纵劈的风险[6]，尤其是在原材料存在原始组织较为粗大，或者存在局部夹杂超标，或者二者兼而有之的情况下更是如此(图1-图7)。

图1 4145H原材料中的缩孔残余

图2 在缩孔残余空洞附近的切片

图3 4145H淬火后产生的纵劈断裂

图4 在缩孔残余空洞附近取样的粗大组织200 ×

图5 在缩孔残余空洞附近取样：发现的夹杂物100 ×

100 ×

图7 在图3发生劈裂试样上取样：发现的夹杂物100 ×

能不能利用低碳马氏体组织的强韧性和多元微合金化[7-8]原理设计并生产一种具有优良的热处理工艺性能、没有淬裂倾向、淬透性又足够高、同时又满足资源节约成本可接受的低碳[9]低合金高淬透性合金结构钢？这就成为我们孜孜以求的愿景目标。通过与其他科研院校、企业的合作攻关，分析比较国产合金结构钢的成分特点、热处理工艺性、组织性能特点以及材料的纯净度，我们设计了后来被命名为高峰2号钢的成分，并通过试验生产、以及投产试验使用证明：该材料不仅完全达到了预期的目标，而且使少氧化加热(采用中频感应加热)热处理成为可能，由于可以水淬就进一步减少了水基淬火介质的用量进一步降低了热处理成本并改善了生产环境提高了生产效率。该材料化学成分如表2所示；该材料的热处理性能试验数据如图8-10所示；材料不同状态的金相组织如图11-14所示。

表2 高峰2号钢的化学成分/%

图8 高峰2号钢渗碳淬火不同温度回火冲击功和表面硬度随温度变化的关系曲线

Fig.8 Change curve of absorbed energy and hardness of Ganfeng No.2 steel under different tempering temperatures

图9 高峰2号钢未渗碳淬火不同温度回火硬度(HRC)与冲击功(J)随回火温度变化的关系曲线

图10 高峰2号钢淬火温度与淬火硬度的关系曲线

图11 高峰2号钢原材料组织：粒状珠光体+少量铁素体500 ×

图12 高峰2号钢原材料正火组织：细粒状珠光体+少量铁素体

图13 高峰2号钢原材料淬火组织：板条状马氏体500 ×

图14 高峰2号钢原材料调质组织：回火索氏体500 ×

该材料具有如下特点：

1)碳含量低但由于采用了钒、钛、铌微量元素多元微合金化[10-12]的交互作用，同时钢中还含有较高的铬和钼以及对提高淬透性效果明显的微量元素硼，因此钢的淬透性高而且淬裂倾向小，可以采用廉价并且成本低冷却性能最好的水进行淬火，获得最大比例的以板条状为主的混合马氏体组织，最大限度降低非马氏体转变产物的比例。首先，低的碳含量可以确保正偏析区水淬不裂；其次，低碳马氏体的亚结构为位错，而位错运动是塑性变形的主要方式之一；此外，显微分析证明，低碳马氏体板条及板条间有明显残余奥氏体薄膜，该薄膜为马氏体和母相奥氏体，无界面碳化物析出。回火后由于较高的钼提高回火稳定性以及微量元素产生的细晶强化和弥散析出强化，因此低碳马氏体具有很好的强韧性。与40CrMnMo及4145H比较：在相同条件下计算的淬透性带[13]，该钢都比40CrMnMo及4145H狭窄，而且其带的下限值均比40CrMnMo及4145H的淬透性带的上限值略高。这就决定了热处理后截面的性能均匀性和综合机械性能都比40CrMnMo及4145H高。

2)热处理淬裂风险极低，回火冲击韧性很高，综合机械性能容易保证，合格率高、使用效果好，使用至今尚未有发生淬裂或使用断裂的案例。部分产品零件热处理后的性能检测结果如表3所示：无论是壁厚43.5 mm～70 mm的厚壁零件还是直径172 mm～235 mm的实心零件，其取样部位的综合机械性能都满足了高强韧性的要求，并且具有水淬不裂的优良的热处理工艺性能。因此该钢充分体现了多元微合金化钢追求高洁净度、超细晶粒、高均匀性的材质目标(图11-图14)。

表3 高峰2号钢制作部分产品零件热处理后的机械性能

3)通过对该钢的热处理性能进行试验发现，该钢还可以用来制作机械式随钻震击器的卡瓦，具有比35CrMo更好的表面硬度和整体韧性配合(表4)。由于该钢的合金元素钼及铬较高，采用该钢渗碳淬火585℃回火的表面硬度还有48 HRC，缺口冲击功平均85 J，具有良好的强韧性。而如果是35CrMo渗碳淬火585℃回火的表面硬度就只有40 HRC，就满足不了耐磨性要求。35CrMo渗碳淬火不同温度回火缺口冲击功和无缺口冲击功随回火温度变化的关系曲线，如图15，35CrMo渗碳淬火不同温度回火表面硬度随回火温度变化的关系曲线如图16。

表4 高峰2号钢与35CrMo渗碳淬火回火的性能

注：括号内数值为35CrMo材料制作卡瓦的数值(Note：the value in scraping the number of 35CrMo material，the value of slip)。

图15 35CrMo渗碳淬火冲击功与回火温度关系

图16 35CrMo钢不同回火温度的硬度

2 进一步提高石油机械用合金结构钢品质的思考

1) 低碳多元微合金化合金结构钢具有很好的市场前景，还有待进一步去开发利用。石油机械中的井下工具工作条件恶劣，受力情况复杂，较大截面的零件不仅综合机械性能要求高，而且要求截面性能均匀，因此，选择具有高淬透性、并且水淬不裂的优质合金结构钢是大势所趋。

2 )在目前各行各业需求不振，钢企尤为困难的情况下，钢企更应该重视对品质的控制；通过调研用户市场需求，适度提高不同品种钢材的纯净度。

3)我国钢材的品质与国外相比还存在比较明显的差距。这种差距表现在几个方面。

a)纯净度比较，同样是合金结构钢，进口钢材的原始组织都比较细、夹杂物级别都比较低；无论是从提高产品质量的角度还是从降低资源成本及制造成本的角度，切实采取措施提高钢材的纯净度均十分必要：因为只有钢材的纯净度提高了，才能降低淬裂风险。

b)淬透性比较，国产合金结构钢淬透性带较宽，导致性能稳定性、截面性能均匀性较差。

c)淬裂风险比较，国产合金结构钢有孔零件水淬开裂的风险很大，而具有低碳特点而且具有更好淬透性的进口合金结构钢可以做到水淬不裂。因此，综合考虑废品损失和事故损失，对于大尺寸零件，即便原材料成本相对高一些，采用具有较高淬透性、并且水淬不裂的优质合金结构钢都是值得的。我们期望借助于国家供给侧结构改革的东风，在市场的推动下、在科技创新的引领下，一方面研发具有较高淬透性、更好热处理工艺性的优质合金结构钢，另一方面通过技术进步和强化管理，使我国现有钢材品质得到稳步提升。

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▲通讯作者：伍玉娇，教授，从事高性能结构材料研究。

Application of a low-carbon micro-alloyed structural steel*

WANG Guanli1，ZHANG Yachang1，WU Yujiao2▲，JIANG Shihua1，ZHANG Chao3，LIANG Rou1，TONG Qingan1

(1GuizhouGaofengPetroleumMachineryCo.Ltd.，Guiyang550081，China；2GuizhouInstituteofTechnology，Guiyang550003，China；3GuizhouUniversity，Guiyang550025，China)

The alloyed structural steel used in important parts of petroleum machinery is large in size，works in harsh environment and under various farces，which requires the material to have high hardenability and good heat treatment performance，so that the fatigue life of the parts can be prolonged and downhole accidents can be avoided.In this study，we took advantage of the characteristics of low-carbon martensite and micro-alloying to improve the hardenability of the material，and developed 40CrMnMo and 4145H with relatively higher hardenability，which was a type of low-carbon micro-alloyed structural steel(Gaofeng No.2 Steel).The new material has the advantages of not cracking when water quenching，and higher hardenability.

micro-alloyed structural steel，large parts，hardenability，quench cracking tendency

TG

B

2016-07-20；

2016-08-31

贵州省工业攻关项目，合同号黔科合(2014)3034。

王观礼，高级工程师，从事金属材料及其热处理工艺方法研究。