隨著中國油田開采年限的增加、海上油氣開發(fā)以及油田高壓開采等技術的推廣,抽油桿的服役環(huán)境朝愈加惡劣的深井、腐蝕等方向發(fā)展。目前普遍采用的20CrMo、30CrMo和35CrMo材質制造的抽油桿斷裂事故不斷發(fā)生,嚴重影響了原油產(chǎn)量,增加了修井費用,提高了原油成本。因此,對抽油桿用鋼的強度和耐腐蝕能力提出了更高的要求。科研人員設計了一種低碳中鉻鋼(9Cr耐磨板),Cr的質量分數(shù)約為9%,這一含量高于耐候鋼低于不銹鋼,以保證在獲得良好力學性能和耐蝕性的同時,可有效降低生產(chǎn)成本。通過研究其在不同冷速下的相變規(guī)律,以及不同奧氏體化溫度下的顯微組織和力學性能,總結冷卻速度與奧氏體化溫度對9Cr耐磨板的影響,對未來生產(chǎn)這一新型抽油桿用設定熱處理工藝提供指導。
試驗用耐磨板采用25kg真空感應爐冶煉,鑄坯經(jīng)1200℃保溫1h后鍛造成Φ25.4mm×2m的鋼棒,終鍛溫度為900℃,鍛后空冷至室溫,試驗鋼化學成分(質量分數(shù),%):C0.082,Cr9.140,Si0.230,Mn0.150,P0.005,S0.002。
從耐磨板上切取熱膨脹試樣,在100s升溫時間內(nèi)將熱膨脹試樣迅速加熱至860℃,經(jīng)過5min保溫后,在5s時間內(nèi)將溫度降至Ac3溫度,再分別以0.03、0.06、0.14、0.28、0.81、1.62、4.05、8.10和16.2℃/s連續(xù)冷卻至室溫,根據(jù)熱膨脹曲線,利用切線法測定試驗鋼在不同冷卻速度下的相變溫度,結合金相和硬度試驗作出連續(xù)冷卻轉變曲線,并根據(jù)相變規(guī)律估畫組織演變鼻點。對鋼棒分別加熱至860和1000℃進行保溫20min的奧氏體化處理,然后空冷至室溫,最后加熱至200℃回火1h。利用OM、SEM、TEM、XRD和室溫拉伸對比研究不同熱處理溫度下9Cr耐磨板的顯微組織及力學性能。
研究表明,隨著冷卻速度增加,9Cr耐磨板發(fā)生鐵素體/珠光體相變、貝氏體相變,其中馬氏體相變臨界冷速為1.6℃/s;860℃熱處理后9Cr耐磨板的顯微組織為板條貝氏體/馬氏體和少量等軸鐵素體,并有4%的殘余奧氏體;奧氏體化溫度升至1000℃后,奧氏體晶粒尺寸增加,9Cr耐磨板中的鐵素體幾乎消失,板條特征更加明顯,力學性能與860℃熱處理后基本相同,均達到HL級抽油桿鋼的要求,說明9Cr耐磨板具有較寬的奧氏體化溫度窗口。