钻头用15CrNiMn钢奥氏体的连续冷却转变

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(河钢集团钢研总院，石家庄 050023)

0 引 言

随着石油、矿山行业的发展，深井采掘越来越普遍。牙轮钻头是钻井的主要破岩工具，由于油井钻头的工作条件极其恶劣，受力状况复杂，钻头承受着不同应力与磨损作用，所以对其材料性能的要求越来越高[1-3]。钻头质量的优劣直接关系到油田钻井速度，钻头用钢应具有高的淬透性、高的心部韧性，以及良好的耐磨性和耐腐蚀性能。作为油井钻头用钢，15CrNiMn钢常被用来制作牙轮钻头的牙掌，其性能要求以及热处理工艺要求很高。

奥氏体连续冷却转变(CCT)曲线能精确地反映不同冷却速率下钢的相转变温度、转变时间和转变量之间的关系，是制定和调整热加工工艺的重要依据[4-6]，但目前尚无15CrNiMn钢的CCT曲线的研究报道。为此，作者利用膨胀法结合金相-硬度法[7-8]，测定了15CrNiMn钢的相变点和CCT曲线，研究了显微组织和硬度在不同冷却速率下的变化规律，为其控轧控冷工艺和热处理工艺的制定提供试验依据。

1 试样制备与试验方法

试验材料为15CrNiMn钢棒，供货状态为热轧态，其化学成分(质量分数/%)为0.18C，0.21Si，0.92Mn，0.008S，0.012P，0.49Cr，0.74Ni，余Fe。

将试验钢机加工成φ4 mm×10 mm的试样，在DIL805L型膨胀仪上以10 ℃·s-1的速率升温至奥氏体化温度(950 ℃)，保温5 min，然后分别以0.05，0.5，1.5，2，2.5，10，60，120 ℃·s-1的速率冷至室温，测得膨胀曲线，得到不同冷却速率下相转变开始和转变结束的温度和时间。冷却后的试样经磨抛后，用体积分数4%硝酸酒精溶液腐蚀，采用ZeissM2M型光学显微镜观察显微组织，用Tukon2500 Minuteman型显微维氏硬度计测维氏硬度，试验载荷294.2 N，保载时间10 s。结合显微组织和维氏硬度，绘制15CrNiMn钢的CCT曲线。

图2 在不同速率下冷至室温后15CrNiMn钢的显微组织Fig.2 Microstructures of 15CrNiMn steel after cooling to room temperature at different rates

2 试验结果与讨论

2.1 静态CCT曲线

图1 15CrNiMn钢的CCT曲线Fig.1 CCT curves of 15CrNiMn steel

由图1可见：试验钢在连续冷却过程中，存在铁素体(F)转变区、珠光体(P)转变区、贝氏体(B)转变区和马氏体(M)转变区，且铁素体、珠光体转变区和贝氏体转变区完全分离；其CCT曲线总体呈扁平状，以贝氏体转变区为主，贝氏体转变区的冷却速率范围为0.05～120 ℃·s-1，这是因为试验钢含有较高含量的铬、镍元素，铬、镍元素均能提高过冷奥氏体的稳定性，增加钢的淬透性，促进中温区的贝氏体转变，在较宽的冷却速率范围内得到贝氏体组织[9-10]；在中温转变区，随着冷却速率的增大，贝氏体转变开始温度先升后降，在冷却速率2.5 ℃·s-1时达到最大，为601 ℃，在120 ℃·s-1时降至450 ℃；铁素体和珠光体转变区的冷却速率范围为0.05～2.5 ℃·s-1，在0.05 ℃·s-1的速率下冷却时，铁素体和珠光体转变开始温度分别为795 ℃和740 ℃，随着冷却速率的增大，铁素体和珠光体转变开始温度均逐渐降低，当冷却速率增大至2.5 ℃·s-1时，铁素体转变开始温度降至702 ℃；当冷却速率达到10 ℃·s-1时，低温转变区发生马氏体相变，随后随冷却速率增大，马氏体转变开始温度几乎不变，而贝氏体转变开始温度快速降低。

2.2 显微组织

结合图1和图2分析可知：当冷却速率为0.05 ℃·s-1时，试验钢依次发生铁素体、珠光体和贝氏体转变，其室温显微组织为铁素体、珠光体和少量的贝氏体；随着冷却速率的增大，铁素体和珠光体组织变细，且珠光体含量减少，贝氏体含量增多；当冷却速率为2 ℃·s-1时，室温组织中只有铁素体和贝氏体，未发现珠光体；当冷却速率为10 ℃·s-1时，试验钢开始发生马氏体相变，其室温组织为马氏体和贝氏体，随着冷却速率的继续增大，马氏体组织变细且含量增加，贝氏体含量减少。

图3 15CrNiMn钢的硬度随冷却速率的变化曲线Fig.3 Hardness vs cooling rate curve of 15CrNiMn steel

2.3 显微硬度

结合图2和图3分析可见：当冷却速率为0.05～2.5 ℃·s-1时，试验钢中的珠光体和铁素体随冷却速率的增大而细化，贝氏体含量逐渐增加，因此硬度增大；当冷却速率高于2.5 ℃·s-1时，试验钢的室温组织由最初的铁素体、珠光体和贝氏体逐渐变为马氏体和贝氏体，具有体心四方结构的马氏体的强度远大于具有体心立方结构的铁素体的，且贝氏体强度也高于铁素体和珠光体的，因此试验钢的硬度明显增大；当冷却速率为120 ℃·s-1时，试验钢的硬度增至420 HV30。

2.4 分析与讨论

油井钻头用15CrNiMn钢为低碳合金结构钢，添加的合金元素有铬、镍、锰等，而铬、镍、锰都是能提高钢淬透性的元素。碳化物形成元素铬能显著增强过冷奥氏体在600～650 ℃的稳定性，使珠光体转变开始温度升高，推迟奥氏体向贝氏体转变，使得贝氏体转变开始温度向更低温度方向移动，试验钢可在较低的冷却速率下获得贝氏体，CCT曲线图的贝氏体转变区增大，这有效改善了试验钢的强韧性[10-11]。锰是扩大奥氏体区的元素，锰元素的加入分开了高温转变区和中温转变区，能延长珠光体孕育期，推迟珠光体转变，还能降低钢的马氏体转变温度。此外，锰还可以细化铁素体晶粒和珠光体团片间距[10]。镍的加入可以通过固溶强化作用提高钢的强度，降低脆性转变温度，提高淬透性[12]。锰、镍均能提高过冷奥氏体中珠光体转变区的稳定性，二者对细化晶粒也有积极的作用。正是因为锰、铬、镍元素的共同作用，试验钢CCT曲线图中的铁素体、珠光体转变区和贝氏体转变区发生分离。过冷奥氏体稳定性的提高有效促进了贝氏体转变的进行，在冷却速率为0.05～120 ℃·s-1时均可得到贝氏体组织。

随着冷却速率的增大，钻头用15CrNiMn钢的过冷奥氏体转变开始温度逐渐降低，而硬度明显升高。究其原因，过冷奥氏体的高温转变为典型的扩散型相变：冷却速率的增大降低了碳的扩散速率，碳原子难以进行较大距离的迁移，导致铁素体、珠光体的形核率增加，组织细化；当温度降低至一定值时，铁原子和碳原子都不能发生扩散，只能通过切变发生晶格改组从而发生马氏体转变，使得试验钢的硬度变大。

3 结 论

(1) 试验钢的CCT曲线图上存在铁素体转变区、珠光体转变区、贝氏体转变区和马氏体转变区。

(2) 试验钢的贝氏体转变区和铁素体、珠光体转变区完全分离，贝氏体转变区较宽，在0.05～120 ℃·s-1的冷却速率范围内均可得到贝氏体组织。

(3) 随冷却速率增大，试验钢的室温组织细化，硬度增大；当冷却速率为10 ℃·s-1时，试验钢开始发生马氏体转变，其室温组织中出现高硬度马氏体，使得钢的硬度明显增大。

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