对AISI 4130材料力学性能影响因素的控制

王诚　许福东　廉培霞

摘 要：AISI 4130材料因其具有较高的强度、良好的低温冲击性能、耐硫化氢酸性介质应力腐蚀、性价比较高而在井口装置和采油树设备上得到了广泛使用，并可通过不同的炼钢、锻造和热处理控制方法获得不同的强度性能。文章从材料的选择、原材料、热处理三方面的控制来探讨，为得到稳定的AISI 4130 75K及以上级别的性能。

关键词：AISI 4130；力学性能；热处理

中图分类号：TG156 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）30-0001-04

Abstract： AISI 4130 is widely used in wellhead equipment and oil tree equipment because of its high strength， good low temperature impact property， hydrogen sulfide resistance to acid medium stress corrosion resistance， and high performance-price ratio. Different strength properties can be obtained by different control methods of steel-making， forging and heat treatment. This paper discusses the control of material selection， raw material and heat treatment in order to obtain stable properties of AISI 4130 75K and above.

Keywords： AISI 4130； mechanical properties； heat treatment

1 概述

AISI 4130 材料因为其较高的强度、良好的低温冲击性能、耐硫化氢酸性介质应力腐蚀、性价比较高而在井口装置和采油树设备上得到了广泛使用。AISI 4130通常有60K，75K，80K和85K四个强度等级，对于69.0MPa（10000psi）以上的井口装置和采油树设备，常用75K及以上的4130材料，以达到既满足性能要求，又降低产品重量和成本。

本文以AISI 4130力学性能从以下三方面进行探讨：材料的选择、原材料的控制、热处理的控制。

（1）材料的选择

（2）原材料的控制：

化学成分的控制

氢含量控制

偏析控制

钢的清洁度控制

（3）热处理：

热处理冷却能力的控制

热处理工艺控制

2 材料的选择

作为设计选材，首先要满足ER≤DI，即产品的尺寸不超过所用合金的淬透层深度，这个是保证整个截面材料完全淬透，继而达到整个截面力学性能符合的前提。API 6HT《大截面的关键截面的热处理和试验》作为API标准对热处理细节要求的补充，已经提出了关键零件或大截面零件不适当的热处理是导致油田失效的主要因素之一，主要是API 6A规范允许的小的QTC性能不能代表等效圆大于QTC的零件的机械性能，由于特定材料的淬透性，QTC的试验结果并不总是和实际产品横截面所有位置的性能保持一致。因此，如果设计的零件尺寸不超过所用材料的淬透直径，可以使用API 6A中要求的ER=5的标准试块，如果零件设计要求零件具有大的淬透性，应使用大尺寸试块或本体延长段取样。

综上，合金材料的选择主要基于零件的几何形状及相应的性能要求来确定。如果零件在锻态、轧态或者铸态条件下进行热处理，则零件在热处理调质前应进行粗加工，以保证获得尽可能大的淬透性。

3 原材料的控制

3.1 化学成分的控制

原材料的化学成分包括基本元素C、Si、Mn、Cr、Mo等元素，基本原则是这些元素能够保证材料具有足够的淬透性和淬硬性。

任何材料都具有一定的淬透性，材料的理想淬透直徑主要取决于其化学成分，按照ASTM A255，4130材料的理想淬透直径：

DI=（0.54C）（1+3.33Mn）（1+0.36Ni）（1+0.7Si）（1+2.16Cr）（1+3Mo）

此外，原材料化学成分的控制是对S、P含量的控制，对于S含量，最好是能够控制在0.005以下，因此技术规范中的S含量应控制在0.15以内。根据材料断裂力学，随着钢中S含量的增加，材料的KIC会降低，KIC表征临界或失稳状态的KI（应力强度因子），平面应变下的断裂韧度，同时S化物增加会提高材料的ITT（冲击转变温度）。S与KIC关系见图1，S化物与ITT关系见图2。

对于P，由于其与回火脆性有一定关系，随着钢中P含量提高，钢的回火脆性会随之增加，因此，对钢中P含量最好控制在0.015以内。

Al存在于钢中有一定的细化晶粒的效果，ALN作为第二相存在于钢中可作为形核质点并阻碍晶粒长大，对于4130材料，Al含量最好控制在0.015～0.03。但一旦形成的AL2O3，则氧化物夹杂对钢的性能产生不利影响。

其余参与元素如Cu、Sn、Sb、As等在钢中一般作为有害元素进行控制，对于4130材料，Cu主要是引起钢的脆性，而加入适量的Ni则可以防止铜对钢产生的脆性，一般Cu：Ni最好控制在1：2为佳。

3.2 原材料偏析的控制

钢中的偏析造成材料组织及性能不均匀。因此，对原材料偏析的控制主要是对钢厂的控制。对于钢锭（上大下小），锭模设计是控制钢偏析的一个有效手段，对于上大下小的钢锭，锭模斜度一般控制在6°～8°，对于上小下大的钢锭，锭模斜度一般控制在2°～5°。

对于原材料偏析的检验，比较有限的检验方法是：

（1）光谱检验-即对钢锭截面在沿纵横坐标方向上间

隔25mm用光谱进行化学成分检验，确定偏析程度。

（2）硬度检验法-对钢锭剖片进行淬火+回火处理后，

对截面在沿纵横坐标方向上间隔25mm进行布氏硬度检测，可确定偏析程度及可能对钢性能带来的影响。

偏析是世界上所有钢厂面临的问题，偏析的解决依赖于钢厂的技术，但偏析是钢中不可避免的一种现象，目前改善偏析比较有效的途径是以下两个：

（1）通过扩散退火（正火）。

（2）在材料热处理（调质）时，尽可能提高淬火的冷却速度，减少钢的偏析对材料性能带来的影响。

3.3 钢中气体含量的控制

3.3.1 钢中H含量的控制

H在钢中主要是容易产生白点和裂纹等缺陷，特别是在H2S环境中，一般情况下，H含量需要控制在1.6～2PPM以下。H含量除了取决于钢厂冶炼时的控制，包括真空脱气和钢包烘烤等，此外，H含量还与S含量与钢材截面积有关。如果钢中大的S化物越多，S化物与钢基体间容易形成孔洞，造成H吸附在这些孔洞周围，增大了开裂的风险。反之，如果钢中的S比较低，S化物较小，这些孔洞随之减少，吸附的氢含量也会减少，从这个角度来讲，如果要低H，前提则需要低S。

钢中H含量较可靠的测量方法是在浇注前液态钢中测量。也可以采用钢快速凝固之后，马上在-60℃环境下取样储存。

金属铸件产品缓慢冷却有助于氢的扩散，降低固态钢中氢含量的方法一般为去氢退火。同时应保存在仓库中，避免雨水。

对于所有工艺路线，尤其是对产品的最终氢含量有要求，应基于在每个工艺阶段的保温时间，计算总的氢含量损失。这可以推算出液体钢中氢含量要求，并当液态钢中氢含量超标时，可以按规范要求采取脱氢的措施。工件尺寸，保温时间与氢含量的关系见图3。

实际固态钢中氢含量的測量是非常困难的工作。在切割和提取样品时，需要在-60℃进行，以避免氢含量的损失。如果不这么做的话，报告中就显示出氢的含量低。

最好的方法是在热加工过程中，使用先进的软件预测钢中氢含量的扩散。

3.3.2 钢中O含量的控制

钢中氧含量过高一方面会影响钢的清洁度，另外降低钢的疲劳强度、降低钢的冲击韧性。因此，钢中氧含量一般需要控制在20～30PPM以下。

3.3.3 钢中N含量的控制

如果钢中的N2与Al结合形成AlN，则可以起到好的作用，但钢中游离的N2能形成其它类型的杂物物并对刚产生脆性。对于N2的控制，控制在30PPM以下应该是非常好了，一般控制在40～50PPM以下。

3.4 钢的清洁度

在早期，很多钢厂试图通过增加合金元素的途径来提高钢的性能表现，这种观念后来发生了转变，因为有发现高纯度微合金化钢在性能方面越来越具有了突出的性能优势，钢的清洁度对钢性能有重要的作用。按照夹杂物的形成方式，钢中的夹杂物主要分为内生夹杂物和外来夹杂物。

内生夹杂物：钢在冶炼过程中，脱氧反应会产生氧化物和硅酸盐等产物，若在钢液凝固前未浮出，将留在钢中。溶解在钢液中的氧、硫、氮杂质元素在降温和凝固时，由于溶解度的降低，与其他元素结合以化合物形式从液相或固溶体中析出，最后留在钢锭中，它是金属在熔炼过程中，各种物理和化学反应形成的夹杂物。内生夹杂物分布比较均匀，颗粒也比较小，正确的操作和合理的工艺可以减少其数量和改变其成分、大小和分布情况，但一般来说是不可避免的。

外来夹杂物：钢在冶炼和浇铸过程中悬浮在钢液表面的炉渣、或由炼钢炉、出钢槽和钢包等内壁脱落的耐火材料或其它夹杂物在钢液凝固前未及时清除而留于钢中。这类夹杂物一般外形不规则，尺寸比较大，分布没有规律，又称粗夹杂。

根据及杂物的成分，钢中的夹杂物主要分为硫化物（MnS）、氧化铝（Al2O3）、硅酸盐和球状氧化物四类。常见的硫化物、氧化铝是导致材料在油田失效的主要夹杂物。下表为S化物含量与断裂韧性关系表，随着S化物含量增加，KIC降低，S与KIC对应值见表1。

文献报导，氢致裂纹HIC主要萌生于Al2O3或MnS等非金属夹杂物与基体的界面，主要是H2S溶液中产生的氢原子通过金属表面，深入基体内部，氢原子在金属内部沿锻造变形方向在非金属夹杂物处聚集，并结合成氢分子，产生巨大的内应力。当氢浓度很高时，夹杂物处的氢压可以超过材料的断裂强度，即使不存在残余应力也可以形成氢致裂纹，这些裂纹能够向前扩展，夹杂物与夹杂物之间的扩展裂纹互相连接，形成长的裂纹。可见，当夹杂物级别越高，数量越多时，其扩展裂纹越多，导致相互连接所形成的裂纹越长，裂纹敏感率则越大。因此，S、Al类夹杂物级别越高，钢的HIC敏感性越大，抗HIC性能越低。

4 热处理控制

4.1 热处理冷却能力的控制

根据API 6A的要求，对水溶液的温度是淬前不大于40℃，淬后不大于50℃，这种要求是基本的要求，实际生产情况下的水温一定是要远远低于这个温度才能满足热处理生产条件要求，最好应控制冷却水的温度在15～20℃之间，水温与冷却能力的关系见图4。

除了控制水温外，热处理的淬火能力可以通过淬火烈度来表征。

Grossman 淬火烈度，淬火烈度方法是在1940年发展起来的，为了获得淬透性的标准值或正常值，Grossman测量设定淬火烈度无限大（H=∞）。这个概念是基于热传导性中的热量传导速率得出的，假定热传导因子h取高值，热量就可以无限地传导。

淬火烈度H通过热传导因子h和热扩散系数λ计算：

在实际的淬火条件下，实际淬透直径受淬火条件的影响，主要是淬火烈度。DI为X轴，DC为Y轴的坐标，DI可通过H转变成DC，基于多条线对应于多个H值。DI，H和Dc之间的关系见图5。

4.2 热处理工艺参数

对于热处理工艺参数，如保温时间，装炉量等的控制，实际上需要根据不同产品，不同要求来制定每一种产品的热处理工艺。同时为确保产品与产品间距足够大以保证炉内气氛良好循环，实际上根据不同产品来确定，可参考AMS 2759标准来进行热处理操作，一般至少为75mm。

5 结束语

根据对以上影响AISI 4130力学性能的因素分析，制定了表3的化学成分要求，并选取了符合成分要求的原材料试制了100*100*200的QTC试块取样试验。

本次选取4个冶炼炉号，共8组试验，试验结果都符合75K的性能要求。详见表4。

综上分析和试验，为使AISI 4130达到符合涉及的75K及以上级别的性能，可从以下方面控制：

（1）根据AISI 4130的淬透性，反推设计和控制产品外形和尺寸，满足ER≤DI，以保证获得尽可能大的淬透性。

（2）技术规范中的S含量应控制在0.15以内，钢中P含量最好控制在0.015以内。Al含量最好控制在0.015～0.03，一般Cu：Ni最好控制在1：2为佳。

（3）通过扩散退火（正火）或尽可能提高淬火的冷却速度，减少钢的偏析对材料性能带来的影响。

（4）H含量需要控制在1.6～2PPM以下，O含量一般需要控制在20～30PPM以下。对于N2的控制，控制在30PPM以下應该是非常好了，一般控制在40～50PPM以下。

（5）热处理过程中，产品的间距可参考AMS 2759标准来操作，一般至少为75mm。淬火时最好应控制冷却水的温度在15～20℃之间。

参考文献：

[1]AMS 2750 材料性能高温测定法AEROSPACE MATERIAL SPECIFICATION PYROMETRY[S].

[2]AMS 2759 低合金碳钢零件的热处理HEAT TREATMENT OF STEEL PARTS GENERAL REQUIREMWNT[S].

[3]ASTM A255 测定钢淬透性的试验方法Standard Test Methods for Determining Hardenability of Steel[S].

[4]API 6A 井口装置和采油树设备规范Specification for Wellhead and Christmas Tree Equipment[S].

[5]API 6HT碳钢和低合金钢大断面和关键部件的热处理和测试Heat Treatment and Testing of Carbon and Low Alloy Steel Large Cross Section and Critical Section Components [S].