35CrMo钢低温韧性试验研究

张秋红;樊湘芳;赵健明;方稷丰;申龙章

【摘 要】针对35CrMo钢石油套管调质处理后低温冲击韧性偏低且不稳定的问题,对35CrMo钢进行“零保温”热处理试验.结果表明:与常规调质热处理相比,“零保温”热处理的35CrMo钢获得非常细小的回火索氏体,在不降低强度的前提下能有效改善其低温韧性.因节省了保温时间,能耗可较大程度降低.

【期刊名称】《南华大学学报（自然科学版）》

【年(卷),期】2017(031)003

【总页数】4页(P51-)

【关键词】零保温;35CrMo;热处理;低温冲击韧性

【作 者】张秋红;樊湘芳;赵健明;方稷丰;申龙章

【作者单位】南华大学 机械工程学院,湖南衡阳421001;南华大学 机械工程学院,湖南衡阳421001;衡阳市华菱钢管有限公司,湖南衡阳421001;南华大学 机械工程学院,湖南衡阳421001;南华大学 机械工程学院,湖南衡阳421001

【正文语种】中 文

【中图分类】TG156

“零保温”淬火是近年来出现的热处理新工艺，即工件表面达到淬火温度后，立即淬火冷却.传统的奥氏体化理论认为，工件在加热过程中必须有较长的保温时间，以便完成奥氏体晶粒的形成、长大及剩余渗碳体的溶解和奥氏体的均匀化.现行钢的淬火加热工艺都是在这一理论指导下制定的.

20世纪70年代，日本学者大和久重雄博士提出了结构钢“零保温”淬火的设想[1-2]，即工件表面达到淬火温度后，立即冷却处理，省去了工件透热和组织转变所需要的时间，不仅节约能源，提高劳动生产率，而且可减少或消除工件在保温过程中产生的晶粒粗化、氧化、脱碳等缺陷，有利于产品质量的提高.

35CrMo钢石油套管是石油钻井中连接钻柱、传递扭矩的重要构件，由于钻探地质条件不同，井下受力状态复杂，拉、压、弯、扭等复杂应力综合作用于管体，服役条件恶劣，尤其对石油套管的低温冲击韧性提出了较高要求.石油套管主要经过调质热处理来实现良好的综合力学性能[3]，但生产中发现，35CrMo钢制石油套管按规定的调质热处理工艺处理后，材料的冲击韧性偏低且不稳定.本文尝试用“零保温”取代常规热处理工艺，对比两种工艺下材料的金相组织、硬度、抗拉强度、屈服强度、低温冲击韧性，研究“零保温”淬火对35CrMo钢低温韧性的影响.

原始试验样为国内某钢厂轧制后的35CrMo钢，化学成分如表 1 所示，临界温度 Ac1 =755 ℃，Ac3 =800 ℃，Ms=370 ℃[4].

“零保温”热处理主要由两部分组成——淬火+高温回火[5].本试验考虑不同淬火保温时间对35CrMo钢低温冲击韧性的影响.将试样分成4组：1#、2#、3#、4#，各采用不同的淬火保温时间，并都进行850 ℃淬火水冷，和630 ℃高温回火+保温0 min空冷.表2为35CrMo钢的热处理工艺参数.其中试验组1#的淬火保温时间为0 min，即“零保温”热处理，2#的淬火保温时间为20 min，3#的淬火保温时间为40 min，4#的淬火保温时间为60 min，即常规热处理.试样进行淬火和回火均随炉升温，淬火升温时间为2 h，高温回火升温时间为1.5 h.

试样包括拉伸试样、硬度试块及冲击试样，拉伸试样为d0=10 mm，L0=5 d的短试样，金相(硬度)试块为10 mm×20 mm×30 mm的长方体，冲击试样为55 mm×10 mm×10 mm，V型缺口的长方体.执行标准：GB/T 229-2007《金属材料冲击试验方法》.将试验组1#、2#、3#、4#的35CrMo钢按标准加工成拉伸试样各3个，金相(硬度)试块各1个，在不同冲击温度下处理冲击试样各3个，测试性能后取平均值作为试验结果.

KBF1600箱式电阻炉、XJP-200金相显微镜、P-2抛光机、BRIN200B-T布氏硬度计、JBD-30型冲击试验、WAW-300微机控制电液伺服万能试验机、CST-6冲击试样缺口拉床、CST-50冲击试样缺口投影仪、CDW-B0冲击试验低温仪.

不同淬火保温时间的35CrMo钢金相组织如图1所示，可以看出，随淬火保温时间的缩短，金相组织越细.图1(a)为试验组1#的金相组织，即“零保温”热处理后35CrMo钢的金相组织，图1(d)为试验组4#的金相组织，即常规热处理后35CrMo钢的金相组织，“零保温”热处理组织与常规热处理组织均为回火索氏体，马氏体的板条形态被保留，但

前者组织更细.这是因为保温时间为零，所以奥氏体化时间非常短，晶粒来不及长大；此外，碳原子不能充分扩散，奥氏体中有碳不均匀度时，将使马氏体形核位置增多，从而马氏体组织得到细化[6-8].

淬火保温20、40 min的35CrMo钢的金相组织局部粗大，见图1(b)、(c)，保温20～40 min淬火得到的贝氏体形态被保留，C原子不能充分扩散.

各试样的试验参数及性能检测结果见表3.

由试验结果，可得出：35CrMo钢的硬度随保温时间缩短，硬度值减小，数值较稳定，试验组1#的硬度相比4#的硬度小很多，与常规热处理相比，“零保温”热处理后的Rm、Rp0.2、δ完全可以达到常规热处理的性能指标.试验组2#的硬度高于试验组1#，且强度最大，这与金相组织分析中，淬火保温20 min热处理后35CrMo钢的金相组织局部粗大，导致强度增大的结论是一致的[9].

为便于分析经不同保温时间的35CrMo钢在不同冲击温度下的冲击韧性，绘制了如图2所示的试验组1#、2#、3#、4#在各温度下冲击功的折线图.由图2可以得出：热处理后的35CrMo钢随冲击温度的降低，其冲击韧性呈降低趋势，而“零保温”热处理试样的冲击韧性在-10 ℃呈上升趋势，冲击功增大，到-40 ℃时同比其他热处理达到最大87.7 J，且“零保温”热处理试样的冲击功在常温和10 ℃时要高于任何淬火保温时间的冲击功.所以，“零保温”热处理完全可以达到常规热处理的冲击韧性指标，且使35CrMo钢的低温冲击韧性有了明显提高.

从折线图中可以得出，淬火保温20 min热处理后35CrMo钢的冲击韧性随冲击温度的降低变化很大，且在-40 ℃时冲击功低至41 J，“零保温”热处理试样的冲击功几乎是其2倍，这跟金相组织结果也是一致的，说明淬火保温20 min不能使35CrMo钢的低温冲击韧性得到提高.从强度来看，淬火保温20 min的效果最好，但为提高35CrMo钢的综合力学性能，“零保温”热处理工艺最佳.

1)“零保温”热处理与常规热处理后35CrMo钢组织均为回火索氏体，“零保温”热处理组织更加细小，主要原因是奥氏体晶粒细化和奥氏体中碳浓度分布不均匀.淬火保温20 min热处理后35CrMo钢的金相组织局部粗大，碳原子不能充分扩散.

2)35CrMo钢经850 ℃“零保温”热处理，强度和硬度完全能达到常规热处理的性能指标，常温冲击韧性和低温冲击性均优于常规热处理.淬火保温20 min提高了35CrMo钢的强度，与金相组织分析结果一致，但为使35CrMo钢获得良好的综合力学性能，且极大提高了低温冲击韧性，“零保温”热处理工艺最佳.

3)“零保温”热处理不仅改善35CrMo钢的低温韧性，同时，因大大缩短了常规的保温时间，可以节约能源.

【相关文献】

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[2] 李安铭.“零保温”淬火温度对25MnV钢组织性能的影响[J].煤炭学

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[3] 成海涛,崔润炯.浅谈我国微合金非调质油井管的发展[J].钢管,2002,31(3):7-10.

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[6] 李安铭,黄丽娟,王向杰,等.25MnV钢“零保温”淬火状态下的组织与性能[J].热加工工艺,2007,36(6):36-38.

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