热处理对低温油套管钢的组织和性能的影响*

杨雪春

(黎明职业大学 机电工程学院，福建 泉州 362000)

热处理对低温油套管钢的组织和性能的影响*

杨雪春

(黎明职业大学 机电工程学院，福建 泉州 362000)

对低温油套管钢HS110L进行调质、亚温淬火和回火的热处理试验,对试验后的试样进行力学性能测试，结合试验得出的数据和金相显微组织图片,分析显微组织的变化及影响HS110L钢使用性能的因素，为提高钢的整体性能提供了依据.

低温油套管；热处理；调质；亚温淬火

石油是重要的战略物资资源.全世界石油供应形势严峻，这使得有着丰富石油资源的高寒地区的石油相继开采.油套管用于开采石油天然气，主要起固井作用，其用量占油井管的73%～76%，是高技术含量和高附加值产品，同时又是高风险产品，一旦在使用中出现质量问题将会造成巨大经济损失，严重时导致井毁人亡[1].

近年来，随着能源需求和石油工业的发展，石油勘探开发逐渐向超深井方向拓展，愈加恶劣的服役条件对油套管的综合力学性能尤其是强韧性匹配方面提出了更高的要求[2].当油套管用钢的强度达到超深井要求的指标时，韧性不足问题突显[3].精细化调质处理是改善钢管组织性能的重要工序，高温回火对油套管的强韧性产生重要的影响[4]，淬火后进行高温回火，既可以得到回火索氏体，又可使基体发生回复和再结晶，并能基本消除钢的内应力[5].在高寒地区使用的石油套管是低温油套管，它的性能要求是高强度、高韧性及耐低温.本文通过采用不同的热处理方式，使低温油套管达到高强度、高韧性及耐低温的使用性能要求.

1 低温油套管用钢要求

1.1 低温油套管钢的化学成分范围(表1)

1.2 低温油套管钢的力学性能要求(表2)

表1 低温油套管的化学成分 (%)

表2 低温油套管力学性能要求

2 低温油套管钢的热处理试验

按国标GB/T 228.1-2010加工拉伸试样，在力学实验机进行常规拉伸实验，拉伸速度为1 m/min；根据 GB/T 229-2007(《金属材料夏比摆锤冲击实验方法》)加工全尺寸夏比 V 型缺口冲击试样，在 NAI500F 摆锤式冲击实验机上进行 0 ℃冲击实验；采用 Leica DMI 3000M 型卧式金相显微镜观察金相组织；金相样品采用体积分数为 4%的硝酸酒精溶液浸蚀[5].

最初生产低温油套管HS110L采用的是完全淬火工艺,热处理后，材料的强度、塑韧性不足，不能满足HS110L钢力学性能的要求.为此，我们尝试采用调质工艺对低温套管进行热处理，进一步改善其性能.

HS110L钢级套管的AC1温度设定为768℃，AC3温度设定为855℃，Ar1温度设定为650℃，Ar3温度设定为790℃.

2.1 调质处理

(1)调质处理工艺.对HS110L进行调质处理，调质方案见表3.

表3 HS110L调质处理工艺方案

(2)调质处理性能结果.对HS110L进行调质处理的性能结果如表4.

表4 HS110L调质后的性能

注：HS110L的规格为Φ139mm×17mm, 纵向及其横向冲击试样尺寸为10mm×10mm×55mm.

(3)调质处理性能分析.①HS110L的-60℃纵向冲击韧性能为105J，韧脆转变温度FATT(50)低于-60℃.②HS110L的0℃纵向冲击性能为177J，比同等强度的HS110H要高45J左右.

2.2 亚温淬火

(1)亚温淬火工艺方案.对经调质后的HS110L试样分别在775℃、785℃、795℃、805℃、815℃温度下进行亚温淬火处理.其亚温淬火工艺如表5.

(2)亚温淬火试验结果.为了保证试验结果的准确性，每个试样取外侧、中壁和内侧三个位置来测试硬度，每个位置测三个点，然后求三个位置的平均值作为结果.硬度试验结果(表6).采用4%的硝酸酒精和Lepera试剂对试样进行腐蚀，用金相显微镜观察试样金相组织得到显微组织图(图1-图5).

图1 HS110L-A显微组织(500×)图2 HS110L-B显微组织(500×)

图3 HS110L-C显微组织(500×)图4 HS110L-D显微组织(500×)

图5 HS110L-E显微组织(500×)

(3)亚温淬火性能结果分析.①HS110L-E的平均硬度值最高.对应的亚温淬火温度为815℃.②铁素体的分布均呈球状、小块状分布，没有观察到明显细针状铁素体.

亚温淬火后的组织应是细小而均匀分布的铁素体，细小而均匀分布的铁素体可抑制可逆回火脆性，显著改善钢的韧性；亚温淬火后的基体组织不允许存在块状铁素体，而应有一定取向的细针状铁素体.

2.3 亚温淬火回火

对于油套管，回火的主要目的是消除或减小淬火应力，防止钢管变形或开裂，获得稳定的组织和较好的强韧性配合.钢的回火实际上是α过饱和固溶体的转变过程，过饱和的碳以碳化物的形式沉淀出来，降低晶格畸变，降低淬火应力，从而使钢的脆性降低[6].

(1)亚温淬火回火工艺.将试样进行不同温度的亚温淬火和不同温度的回火，其热处理工艺如表7.

表7 亚温处理工艺

(2)试验结果.机械性能结果如表8.

表8 亚温淬火回火试验性能结果

注：试样的尺寸亦为10mm×10mm×55mm.

由结果可知，除HS110L-6因回火温度较低导致韧性较低外，其他试样在-60℃冲击下韧性均达到了120J以上.韧性剪切面积SA%均为100%，说明采用亚温淬火工艺提高了HS110L的低温冲击韧性，并降低了FATT50的韧脆转变温度.

采用4%的硝酸酒精和Lepera试剂对试样进行腐蚀，用金相显微镜观察试样金相组织，得到显微组织图(图6-图10).

亚温处理后金相分析结果如表9所示.①HS110L-6试样经过260℃低温回火后的组织主要由低温回火马氏体+针状铁素体+残余奥氏体组成；用Lepera试剂腐蚀后，马氏体弥散分布，铁素体成针状弥散分布在马氏体界面间.

图6 HS110L-6显微组织

图7 HS110L-7显微组织

图8 HS110L-8显微组织

图9 HS110L-9显微组织

图10 HS110L-10显微组织

热处理工艺编号金相结果备注HS110L-6回火M+针状F+残余奥氏体见图6HS110L-7针状M+针状F见图7HS110L-8回火S+条状F见图8HS110L-9回火S+条状F见图9HS110L-10回火S+条状F见图10

②HS110L-7试样的亚温淬火温度为795℃，回火温度为410℃，金相组织主要由针状马氏体+针状铁素体组成；由金相照片可见，铁素体含量约为40%，铁素体呈条状均匀分布在基体内.

③HS110L-8亚温淬火温度为795℃，回火温度610℃，金相组织主要由回火索氏体+条状铁素体组成；由于经过高温回火，索氏体条间及其铁素体内部均有碳化物弥散析出.

④HS110L-9亚温淬火温度为805℃，回火温度625℃，金相组织主要由回火索氏体+条状铁素体组成；铁素体有聚集长大，并呈现等轴化的趋势.

⑤HS110L-10的亚温淬火温度为810℃，回火温度610℃，金相组织主要由回火索氏体+条状铁素体组成；由于提高了亚温淬火温度，铁素体含量减少；但铁素体仍然弥散分布在基体内.

马氏体和残余奥氏体转变的程度随钢的成分、淬火组织和回火工艺参数不同而异，随着回火温度的不断升高或回火时间的不断延长，原子扩散速度增大，原子扩散的积累程度随之增大，淬火组织最终转变成平衡态的铁素体及碳化物[7].

3 结论

(1)含碳量高于0.2%的低温油套管钢，淬火后得到板条状和片状马氏体的混合体，回火过程既有马氏体分解及碳化物的析出长大，也有α固溶体的回复、再结晶及晶粒长大.在回火初始阶段，碳原子从马氏体中迅速脱溶，导致强度急剧下降，析出数量较少的细小碳化物，消除了淬火应力，马氏体板条的断裂阻力增大，韧性得到一定程度提高[8].

(2)试验证明，亚温淬火后的回火工艺对低温油套管的性能有很大影响.经试验确定最佳的回火温度为625℃，在这个温度回火得到的金相组织主要由回火索氏体+条状铁素体组成，铁素体聚集长大，并呈现等轴化的趋势.

(3)经过625℃回火55min后，淬火应力得到充分释放，影响韧性的组织比较彻底地消除.大量不连续的球状碳化物存在于α固溶体的晶界，从而抑制了α晶粒的长大，使回火组织更细小，在性能上是强韧性配合的最好状态，-60℃纵向冲击功超过120J，强度满足低温油套管钢的性能要求[5].

[1]李平全，史交齐，赵国仙，等．油套管的服役条件及产品研制开发现状上[J]．钢管，2008，37(4)：6-12．

[2]殷国茂.我国无缝钢管技术装备的限制及发展前景[J]．钢管,2011, 40(6)：11-19．

[3]李鹤林, 田伟. 面向 “十二五” 的油井管[J]. 钢管, 2012,41(1): 1-6.

[4] ZOU Dening，HAN Ying，ZHANG Wei，et al．Influence oftempering process on mechanical properties of 00Cr13Ni4Mosupermartensitic stainless steel[J]．Journal of Iron and SteelResearch，2010，17(8)：50-54．

[5]李阳华，李红英，王晓峰，等．回火工艺对超深井用V150油套管强韧性的影响[J]．中南大学学报，2013(6)：2250．

[6]Balan K P，Reddy A V，Sarma D S．Austenite precipitation duringtempering in 16Cr-2Ni martensitic stainless steels[J]．ScriptaMaterialia，1998，39(7)：901-905．

[7]杨静，李桂艳，韩鹏，等．钼对高强度船板钢变形后连续冷却转变的影响[J]．机械工程材料，2009(8)：10-12．

[8]Podder A S，Bhadeshia H K．Thermal stability of austeniteretained in bainitic steels[J]．Materials Science and EngineeringA，2010，527(7/8)：2121-2128．

10.13877/j.cnki.cn22-1284.2015.08.014

2015-06-04

杨雪春,女，辽宁沈阳人，高级工程师，大学本科.

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1008-7974(2015)04-0033-04