鉆頭用15CrNiMn鋼奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變

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(河鋼集團(tuán)鋼研總院，石家莊 050023)

0 引 言

隨著石油、礦山行業(yè)的發(fā)展，深井采掘越來越普遍。牙輪鉆頭是鉆井的主要破巖工具，由于油井鉆頭的工作條件極其惡劣，受力狀況復(fù)雜，鉆頭承受著不同應(yīng)力與磨損作用，所以對(duì)其材料性能的要求越來越高[1-3]。鉆頭質(zhì)量的優(yōu)劣直接關(guān)系到油田鉆井速度，鉆頭用鋼應(yīng)具有高的淬透性、高的心部韌性，以及良好的耐磨性和耐腐蝕性能。作為油井鉆頭用鋼，15CrNiMn鋼常被用來制作牙輪鉆頭的牙掌，其性能要求以及熱處理工藝要求很高。

奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變(CCT)曲線能精確地反映不同冷卻速率下鋼的相轉(zhuǎn)變溫度、轉(zhuǎn)變時(shí)間和轉(zhuǎn)變量之間的關(guān)系，是制定和調(diào)整熱加工工藝的重要依據(jù)[4-6]，但目前尚無15CrNiMn鋼的CCT曲線的研究報(bào)道。為此，作者利用膨脹法結(jié)合金相-硬度法[7-8]，測(cè)定了15CrNiMn鋼的相變點(diǎn)和CCT曲線，研究了顯微組織和硬度在不同冷卻速率下的變化規(guī)律，為其控軋控冷工藝和熱處理工藝的制定提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為15CrNiMn鋼棒，供貨狀態(tài)為熱軋態(tài)，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)為0.18C，0.21Si，0.92Mn，0.008S，0.012P，0.49Cr，0.74Ni，余Fe。

將試驗(yàn)鋼機(jī)加工成φ4 mm×10 mm的試樣，在DIL805L型膨脹儀上以10 ℃·s-1的速率升溫至奧氏體化溫度(950 ℃)，保溫5 min，然后分別以0.05，0.5，1.5，2，2.5，10，60，120 ℃·s-1的速率冷至室溫，測(cè)得膨脹曲線，得到不同冷卻速率下相轉(zhuǎn)變開始和轉(zhuǎn)變結(jié)束的溫度和時(shí)間。冷卻后的試樣經(jīng)磨拋后，用體積分?jǐn)?shù)4%硝酸酒精溶液腐蝕，采用ZeissM2M型光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織，用Tukon2500 Minuteman型顯微維氏硬度計(jì)測(cè)維氏硬度，試驗(yàn)載荷294.2 N，保載時(shí)間10 s。結(jié)合顯微組織和維氏硬度，繪制15CrNiMn鋼的CCT曲線。

圖2 在不同速率下冷至室溫后15CrNiMn鋼的顯微組織Fig.2 Microstructures of 15CrNiMn steel after cooling to room temperature at different rates

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 靜態(tài)CCT曲線

圖1 15CrNiMn鋼的CCT曲線Fig.1 CCT curves of 15CrNiMn steel

由圖1可見：試驗(yàn)鋼在連續(xù)冷卻過程中，存在鐵素體(F)轉(zhuǎn)變區(qū)、珠光體(P)轉(zhuǎn)變區(qū)、貝氏體(B)轉(zhuǎn)變區(qū)和馬氏體(M)轉(zhuǎn)變區(qū)，且鐵素體、珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)和貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)完全分離；其CCT曲線總體呈扁平狀，以貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)為主，貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)的冷卻速率范圍為0.05～120 ℃·s-1，這是因?yàn)樵囼?yàn)鋼含有較高含量的鉻、鎳元素，鉻、鎳元素均能提高過冷奧氏體的穩(wěn)定性，增加鋼的淬透性，促進(jìn)中溫區(qū)的貝氏體轉(zhuǎn)變，在較寬的冷卻速率范圍內(nèi)得到貝氏體組織[9-10]；在中溫轉(zhuǎn)變區(qū)，隨著冷卻速率的增大，貝氏體轉(zhuǎn)變開始溫度先升后降，在冷卻速率2.5 ℃·s-1時(shí)達(dá)到最大，為601 ℃，在120 ℃·s-1時(shí)降至450 ℃；鐵素體和珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)的冷卻速率范圍為0.05～2.5 ℃·s-1，在0.05 ℃·s-1的速率下冷卻時(shí)，鐵素體和珠光體轉(zhuǎn)變開始溫度分別為795 ℃和740 ℃，隨著冷卻速率的增大，鐵素體和珠光體轉(zhuǎn)變開始溫度均逐漸降低，當(dāng)冷卻速率增大至2.5 ℃·s-1時(shí)，鐵素體轉(zhuǎn)變開始溫度降至702 ℃；當(dāng)冷卻速率達(dá)到10 ℃·s-1時(shí)，低溫轉(zhuǎn)變區(qū)發(fā)生馬氏體相變，隨后隨冷卻速率增大，馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度幾乎不變，而貝氏體轉(zhuǎn)變開始溫度快速降低。

2.2 顯微組織

結(jié)合圖1和圖2分析可知：當(dāng)冷卻速率為0.05 ℃·s-1時(shí)，試驗(yàn)鋼依次發(fā)生鐵素體、珠光體和貝氏體轉(zhuǎn)變，其室溫顯微組織為鐵素體、珠光體和少量的貝氏體；隨著冷卻速率的增大，鐵素體和珠光體組織變細(xì)，且珠光體含量減少，貝氏體含量增多；當(dāng)冷卻速率為2 ℃·s-1時(shí)，室溫組織中只有鐵素體和貝氏體，未發(fā)現(xiàn)珠光體；當(dāng)冷卻速率為10 ℃·s-1時(shí)，試驗(yàn)鋼開始發(fā)生馬氏體相變，其室溫組織為馬氏體和貝氏體，隨著冷卻速率的繼續(xù)增大，馬氏體組織變細(xì)且含量增加，貝氏體含量減少。

圖3 15CrNiMn鋼的硬度隨冷卻速率的變化曲線Fig.3 Hardness vs cooling rate curve of 15CrNiMn steel

2.3 顯微硬度

結(jié)合圖2和圖3分析可見：當(dāng)冷卻速率為0.05～2.5 ℃·s-1時(shí)，試驗(yàn)鋼中的珠光體和鐵素體隨冷卻速率的增大而細(xì)化，貝氏體含量逐漸增加，因此硬度增大；當(dāng)冷卻速率高于2.5 ℃·s-1時(shí)，試驗(yàn)鋼的室溫組織由最初的鐵素體、珠光體和貝氏體逐漸變?yōu)轳R氏體和貝氏體，具有體心四方結(jié)構(gòu)的馬氏體的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于具有體心立方結(jié)構(gòu)的鐵素體的，且貝氏體強(qiáng)度也高于鐵素體和珠光體的，因此試驗(yàn)鋼的硬度明顯增大；當(dāng)冷卻速率為120 ℃·s-1時(shí)，試驗(yàn)鋼的硬度增至420 HV30。

2.4 分析與討論

油井鉆頭用15CrNiMn鋼為低碳合金結(jié)構(gòu)鋼，添加的合金元素有鉻、鎳、錳等，而鉻、鎳、錳都是能提高鋼淬透性的元素。碳化物形成元素鉻能顯著增強(qiáng)過冷奧氏體在600～650 ℃的穩(wěn)定性，使珠光體轉(zhuǎn)變開始溫度升高，推遲奧氏體向貝氏體轉(zhuǎn)變，使得貝氏體轉(zhuǎn)變開始溫度向更低溫度方向移動(dòng)，試驗(yàn)鋼可在較低的冷卻速率下獲得貝氏體，CCT曲線圖的貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)增大，這有效改善了試驗(yàn)鋼的強(qiáng)韌性[10-11]。錳是擴(kuò)大奧氏體區(qū)的元素，錳元素的加入分開了高溫轉(zhuǎn)變區(qū)和中溫轉(zhuǎn)變區(qū)，能延長珠光體孕育期，推遲珠光體轉(zhuǎn)變，還能降低鋼的馬氏體轉(zhuǎn)變溫度。此外，錳還可以細(xì)化鐵素體晶粒和珠光體團(tuán)片間距[10]。鎳的加入可以通過固溶強(qiáng)化作用提高鋼的強(qiáng)度，降低脆性轉(zhuǎn)變溫度，提高淬透性[12]。錳、鎳均能提高過冷奧氏體中珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)的穩(wěn)定性，二者對(duì)細(xì)化晶粒也有積極的作用。正是因?yàn)殄i、鉻、鎳元素的共同作用，試驗(yàn)鋼CCT曲線圖中的鐵素體、珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)和貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)發(fā)生分離。過冷奧氏體穩(wěn)定性的提高有效促進(jìn)了貝氏體轉(zhuǎn)變的進(jìn)行，在冷卻速率為0.05～120 ℃·s-1時(shí)均可得到貝氏體組織。

隨著冷卻速率的增大，鉆頭用15CrNiMn鋼的過冷奧氏體轉(zhuǎn)變開始溫度逐漸降低，而硬度明顯升高。究其原因，過冷奧氏體的高溫轉(zhuǎn)變?yōu)榈湫偷臄U(kuò)散型相變：冷卻速率的增大降低了碳的擴(kuò)散速率，碳原子難以進(jìn)行較大距離的遷移，導(dǎo)致鐵素體、珠光體的形核率增加，組織細(xì)化；當(dāng)溫度降低至一定值時(shí)，鐵原子和碳原子都不能發(fā)生擴(kuò)散，只能通過切變發(fā)生晶格改組從而發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，使得試驗(yàn)鋼的硬度變大。

3 結(jié) 論

(1) 試驗(yàn)鋼的CCT曲線圖上存在鐵素體轉(zhuǎn)變區(qū)、珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)、貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)和馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)。

(2) 試驗(yàn)鋼的貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)和鐵素體、珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)完全分離，貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)較寬，在0.05～120 ℃·s-1的冷卻速率范圍內(nèi)均可得到貝氏體組織。

(3) 隨冷卻速率增大，試驗(yàn)鋼的室溫組織細(xì)化，硬度增大；當(dāng)冷卻速率為10 ℃·s-1時(shí)，試驗(yàn)鋼開始發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，其室溫組織中出現(xiàn)高硬度馬氏體，使得鋼的硬度明顯增大。

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