回火温度对连续油管用钢组织与力学性能的影响

来源:莱芜钢铁集团有限公司技术研发中作者:李四军

对CT80连续油管用钢进行不同温度回火热处理,研究了回火温度对其显微组织与力学性能的影响。结果表明:不同回火温度下实验钢的显微组织主要为铁素体、回火索氏体和残留奥氏体;随回火温度的升高,显微组织中带状组织越明显,实验钢的屈服强度和抗拉强度呈下降趋势,延伸率逐渐升高,屈强比明显增加。

连续油管(CT)是相对于用螺纹连接下井的定尺常规油管而言的,长度一般达几百米至几千米,又称为挠性油管、蛇形管或盘管,指可缠绕在大直径卷筒上,由若干段钢带斜接在一起,经轧制成型焊接而成的无接头连续油管。在国外,连续油管应用领域非常广泛,用于冲砂、洗井、诱喷助排、酸化、扩眼、完井、集输、射孔、钻井(侧钻水平井、小井眼井、定向井、欠平衡钻井等)井下作业已经有很长的历史,最大下入深度已经高达6.2484km。我国目前的连续油管技术主要用于冲砂、洗井、诱喷助排、酸洗等一些简单的井下作业。连续油管用钢制造工艺如下:首先钢板按要求规格剪成钢板条,卷成圆筒状,并用对焊或斜焊工艺将若干个钢板条筒连接成一体;然后,将连续的钢板条卷成管状,再用高频电子加热滚焊焊成连续管;最后,对焊缝和整管进行热处理。连续油管用钢经热轧后性能并不能达到目标要求,因而,热处理制度是进一步提高连续油管用钢的关键因素之一。为此,本文探讨回火温度对连续油管用钢显微组织与性能的影响规律,以期为连续油管用钢实际生产提供依据。

1、实验内容及方法

实验用CT80连续油管用钢化学成分如表1所示。

表1 实验用连续油管用钢的化学成分(质量分数,%)

实验用连续油管用钢的化学成分

将铸锭热锻成80mm厚的钢坯,最后在轧机将钢坯轧制成4.5mm厚的钢板。具体轧制工艺:将钢坯加热至1200℃,保温1h后进行轧制。轧制分粗轧和精轧两个阶段,粗轧温度为1100℃,粗轧温度控制在1000℃以上;精轧温度为950℃,终轧温度为880℃。轧后进行850℃淬火。为了分析回火热处理对轧制后该钢显微组织和力学性能的影响,在热处理炉中将轧制钢板分别加热至550、600、650、700℃保温10min后空冷至室温。力学性能测试在CMT5105-SANS微型电子万能拉伸试验机上进行,并采用SSX-550型扫描电镜对断口形貌进行扫描,在Wilson-Wolpert401MVD维氏显微硬度计上采用静态压痕法来测量样品的硬度,显微组织采用4%硝酸酒精腐蚀后,在OlympusGX71型研究级倒置金相显微镜下观测。

2、实验结果与分析

2.1、回火温度对显微组织的影响

图1是CT80钢850℃淬火后,经550、600、650、700℃温度回火后的显微组织。组织中白色部分为未溶铁素体,黑色部分为回火索氏体加残留奥氏体的混合组织。

CT80钢在不同回火温度下的显微组织

图1 CT80钢在不同回火温度下的显微组织

(a)550℃;(b)600℃;(c)650℃;(d)700℃

从图中可以明显看出,随着温度的升高,组织中的未溶铁素体含量逐渐增多。这是因为回火温度的升高导致固溶于马氏体中的碳不断以碳化物的形式析出,使马氏体的含碳量不断下降,因此马氏体含量逐渐减少,铁素体含量不断增加。而且随着温度的升高,带状组织越来越明显。图1(a)与图1(b)带状组织最不明显,组织细小且分布均匀,这样的组织有利于材料均匀延伸,可以提高CT80连续油管用钢抵抗低周期疲劳裂纹的能力,而且不存在纵向、横向性能差别较大的问题。

2.2、回火温度对力学性能的影响

表2是CT80钢经850℃淬火后,在不同回火温度下的力学性能。可以看出,强度随着回火温度的升高而降低;而延伸率的变化则刚好相反,随着回火温度的升高而增大。随回火温度的升高,固溶于马氏体中的碳不断以碳化物的形式析出,使马氏体的含碳量不断下降,因此材料的强度呈下降趋势。由于650℃和700℃回火后的组织区别并不明显,因此这两个温度所对应的材料的力学性能差别很小。从表中的硬度值变化可以发现,硬度值上下波动范围不大,说明材料在高温回火后的稳定性较好。

表2 CT80钢在不同回火温度下的力学性能

CT80钢在不同回火温度下的力学性能

这是由于淬火使基体中合金化程度提高,在低温回火时,合金元素扩散困难,析出的碳化物中合金元素的含量与钢中合金元素含量相近;随着温度升高,合金元素的扩散速度增大,碳化物形成元素如Cr、V、Nb、Mo等逐渐从铁素体中扩散到碳化物中去,形成合金碳化物。这些合金碳化物的聚集长大是通过小颗粒碳化物的溶解,碳和合金元素扩散到大颗粒碳化物中去的方式进行的。Cr、V、Nb等合金元素与碳有较强的结合力,合金渗碳体比较稳定,减慢了合金渗碳体的溶解,因此对渗碳体的聚集长大过程起强烈阻碍作用;同时因为它们与碳的结合力较强,增加了碳在α相中的扩散激活能,阻碍碳原子的扩散。所以,经高温回火后组织仍然保持细小渗碳体颗粒,增加钢的回火稳定性。另一方面,Cr、V、Nb等元素能显著提高α铁再结晶温度,延缓淬火钢的回复和再结晶过程,从而提高钢的回火稳定性。

图2是CT80钢在不同回火温度热处理后的拉伸断口的SEM照片。可以看出,断口中均含有韧窝,为典型的韧性断裂。与图2(a)相比,图2(b)中的韧窝较大且有许多较深的韧窝存在,表现出良好的塑性。说明随着回火温度的升高,CT80连续油管用钢的塑性也越好。

CT80钢拉伸断口的SEM形貌

图2 CT80钢拉伸断口的SEM形貌

(a)550℃;(b)700℃

3、结论

(1)CT80钢淬火、回火后的显微组织由未溶铁素体、回火索氏体和残留奥氏体组成。随着回火温度的升高,未溶铁素体含量逐渐增多,带状组织越来越明显。

(2)随回火温度的升高,材料的屈服强度和抗拉强度呈下降趋势;硬度值也有所下降,但是变化不大;延伸率逐渐升高;屈强比明显增加。

(3)CT80连续油管用钢的最佳热处理工艺为850℃淬火+600℃×10min回火。