30CrMo鋼熱處理后性能影響因素分析

1、30CrMo 鋼熱處理后性能影響因素分析摘 要 30CrMo 鋼是一種合金結(jié)構(gòu)鋼，因其具有較高的靜力強度、疲勞極限和沖擊韌性，所以被廣泛應用于抽油桿的制造中。本文基于對抽油桿材料30CrMo 鋼的化學組成成分分析的基礎(chǔ)上，分析熱處理后30CrMo 鋼的性能以及其性能與各影響因素之間的關(guān)系，為30CrMo 鋼的熱處理工藝提供一個新的思路，以此來提高抽油桿的使用性能。關(guān)鍵詞 30CrMo ；熱處理；性能；影響因素中圖分類號： TG142 文獻標識碼： A 文章編號：1671-7597（2015）04-0265-02抽油桿作為一種承受疲勞載荷的工程構(gòu)件，在加工制造和使用過程中，往往會出現(xiàn)各種不同類型

2、的裂紋和缺陷。為 了盡可能地減少這些缺陷，延長抽油桿的使用壽命，需要對制造抽油桿的材料進行認真選擇，因為材料的機械性能和韌性決定了抽油桿的強度大小。在眾多的鋼材種類中，CrMo鋼具有很高的強度、 韌性和塑性， 是一種比較常見的結(jié)構(gòu)鋼，由于其性能良好， CrMo 鋼系列在各種壓力鍛件、吊桿和緊 列，是一種中碳中合金結(jié)構(gòu)鋼，具有很好的工藝性能和力學 性能，在價格方面也很占優(yōu)勢，目前在油田抽油桿制造領(lǐng)域固件制造中得到了廣泛的運用。 30CrMo 鋼屬于 CrMo 鋼系得到了充分的運用。然而， 30CrMo 鋼在熱處理后存在性能 不穩(wěn)定、力學性能也無法滿足加工要求的問題，通過金相組 織結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)

3、30CrMo 熱處理后存在反常組織。為了提 高 30CrMo 鋼熱處理后的性能，提高抽油桿的安全性，需要 對其反常組織的影響因素進行分析，從而采取有效措施加以 解決。1 30CrMo 鋼的熱處理1.1 成分的量對性能的影響鋼的組織結(jié)構(gòu)決定了它的性能。 30CrMo 鋼是中合金調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼，其中Cr 的含量有 0.8%-1.1% ，Mo 占有0.15%-0.25% ，所以具有很高的淬透性和韌性。對 30CrMo 進行調(diào)質(zhì)處理，利用油淬后再高溫回火，淬火溫度為860-900 C,上下可允許波動 20C，淬火后可以采用水冷或者油冷；回火溫度為490-590 C,上下可以波動 50C。根據(jù)某廠30CrM

4、o鋼原材料的性能測試資料，可以得到，在熱處理方式相同的情況下， 30CrMo 鋼的性能還是有 很大的波動，抗拉強度和屈服強度的變化波動較大，最大值 和最小值之間都相差 300 左右。這些變化主要是由于 30CrMo鋼的成分波動所造成的，所以 30CrMo 鋼的成分的量對熱處 理后的鋼的性能有很大的影響。1.2 微量元素對性能的影響 合金元素的加入，對鋼的性能有很大的影響。合金元素為了清楚地了解到熱處理工藝方式的不同對 30CrMo 鋼對提高鋼的熱硬性效果顯著，既可以提高鋼在高溫下保持高硬度的能力，也可以提高鋼的耐磨性；Cr、W、Mo、AL 、Si 可以提高鋼的耐熱性，其中Cr 可以提高鋼的耐蝕

5、性。30CrMo 鋼是調(diào)質(zhì)鋼，合金元素主要是對鋼的淬透性和回火穩(wěn)定性有影響。合金元素的加入可以提高 30CrMo 鋼的 淬透性，保證在淬火時容易獲得馬氏體。但合金元素對提高 馬氏體硬度的作用很有限，在完全獲得馬氏體的條件下，碳 含量相同時合金鋼和碳鋼的硬度基本上一樣。另一方面，合 金元素也能提高 30CrMo 鋼的回火穩(wěn)定性，使淬火鋼在回火 時析出的碳化物更細小、均勻和穩(wěn)定，并使馬氏體的細微晶 粒及高密度位錯保持到較高的溫度。在相同的條件下，合金 鋼比碳鋼具有更高的強度，此外，有些合金元素還可以使鋼 產(chǎn)生二次硬化， 得到很好的高溫性能。 在淬火形成馬氏體時， 馬氏體中的位錯密度增大，而屈服強度

6、隨位錯密度增大而提 高。馬氏體形成時，奧氏體被分割成許多較小的、取向不同 的區(qū)域，產(chǎn)生相當于晶體細化的作用。馬氏體中的合金元素 也有固溶強化的作用。馬氏體是過飽和固溶液，回火時析出 碳化物，使得韌性大大得到提高，析出的碳化物粒子能造成 強烈的第二相強化。2 熱處理對性能的影響2.1 30CrMo 鋼金相顯微結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)的影響，對 30CrMo 鋼采用不同的熱處理工藝，然后對比 30CrMo 的洛氏硬度；再利用顯微鏡觀察 30CrMo 鋼的組織結(jié)構(gòu)。 在實驗中,30CrMo鋼采用850 C淬火工藝后，鋼結(jié)構(gòu)組織的洛氏硬度最大，隨著回火溫度的逐漸降低，洛氏硬 度反而逐漸在增加；而采用淬火 +840 C

7、正火處理后，洛氏硬度最低。為了能更加直觀地表現(xiàn) 30CrMo 鋼不同熱處理后的組織結(jié)構(gòu)，通過金相分析，得到如下所示的圖。圖 1 30CrMo 鋼不同工藝熱處理后的顯微組織圖 從圖1可以看出，30CrMo鋼采用850C的溫度淬火后，得到淬火馬氏體，其組成結(jié)構(gòu)是條狀型的馬氏體和少量的殘 余奧氏體，即金相組織為 a 所示。因為形態(tài)結(jié)構(gòu)呈條狀的馬 氏體，在結(jié)構(gòu)上是位錯的，所以它的硬度很大。經(jīng)過正火處 理后， 晶粒變大， 即圖 b 所示， 結(jié)構(gòu)為鐵素體和珠光體組成。在這段保溫時間內(nèi)，過冷奧氏體會轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w。貝氏體是鐵碳化合物分布在碳過飽和的鐵素體基體上的兩相混合物。由于轉(zhuǎn)變溫度的不同，貝氏體的形態(tài)也不

8、相同，對30CrMo鋼的性能也有很大的影響。上貝氏體在溫度較高時形成，其 鐵素體葉片較大，塑性變形抗性較低；同時，滲碳體分布在 鐵素體葉片之間， 容易引起脆斷， 因此， 強度和韌性都較差。貝氏體形成的溫度較低， 其鐵素體的葉片較小， 無方向性，碳的過飽和度較大，位錯密度高，且碳化物分布均勻，彌散 度大，所以硬度高，韌性好，具有較好的綜合力學性能。因 此，控制好溫度，減少上貝氏體的形成，對 30CrMo 鋼的力 學性能改善有很大的幫助作用。2.2 回火溫度的影響30CrMo 鋼的性能會根據(jù)回火溫度的不同而發(fā)生改變，當回火溫度增加時，鋼的韌性和塑性提高，而強度和硬度會 降低。下面通過采用不同的回火

9、溫度，對 30CrMo 鋼試樣的 硬度進行分析，如下圖所示。圖 2 不同回火溫度下 30CrMo 鋼硬度對比圖 從上圖可以看出， 30CrMo 鋼在低溫回火時，硬度基本沒有什么變化；中溫回火時，硬度顯著下降，但是在 500 C時，出現(xiàn)一個直線段，這是由于二次硬化造成的；高溫回火 階段， 30CrMo 的硬度持續(xù)下降。這是因為在高溫時晶粒長 大和溶質(zhì)溶解，這樣會造成固溶強化和細晶強化等強化機制 的減弱，進而使得 30CrMo 的強度下降而塑性升高。3 總結(jié) 本文通過對 30CrMo 鋼熱處理后的性能進行分析，明確了熱處理后影響 30CrMo 鋼性能的因素， 這更有助于 30CrMo鋼在抽油桿制造方面的應用和鋼材熱處理方式的選擇，