熱處理工藝對9Cr鋼組織與力學性能的影響

隨著中國油田開采年限的增加、海上油氣開發以及油田高壓開采等技術的推廣，抽油桿的服役環境朝愈加惡劣的深井、腐蝕等方向發展。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生，嚴重影響了原油產量，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鋼），Cr的質量分數約為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，可有效降低生產成本。通過研究其在不同冷速下的相變規律，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鋼的影響，對未來生產這一新型抽油桿用設定熱處理工藝提供指導。

試驗用鋼采用25kg真空感應爐冶煉，鑄坯經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，%）：C0.082，Cr9.140，Si0.230，Mn0.150，P0.005，S0.002。

從鋼棒上切取熱膨脹試樣，在100s升溫時間內將熱膨脹試樣迅速加熱至860℃，經過5min保溫后，在5s時間內將溫度降至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連續冷卻至室溫，根據熱膨脹曲線，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冷卻轉變曲線，并根據相變規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鋼的顯微組織及力學性能。

研究表明，隨著冷卻速度增加，9Cr鋼發生鐵素體/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鋼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鋼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鋼具有較寬的奧氏體化溫度窗口。