热处理工艺对9Cr钢组织与力学性能的影响

随着中国油田开采年限的增加、海上油气开发以及油田高压开采等技术的推广，抽油杆的服役环境朝愈加恶劣的深井、腐蚀等方向发展。目前普遍采用的20CrMo、30CrMo和35CrMo材质制造的抽油杆断裂事故不断发生，严重影响了原油产量，增加了修井费用，提高了原油成本。因此，对抽油杆用钢的强度和耐腐蚀能力提出了更高的要求。科研人员设计了一种低碳中铬钢（9Cr钢），Cr的质量分数约为9%，这一含量高于耐候钢低于不锈钢，以保证在获得良好力学性能和耐蚀性的同时，可有效降低生产成本。通过研究其在不同冷速下的相变规律，以及不同奥氏体化温度下的显微组织和力学性能，总结冷却速度与奥氏体化温度对9Cr钢的影响，对未来生产这一新型抽油杆用设定热处理工艺提供指导。

试验用钢采用25kg真空感应炉冶炼，铸坯经1200℃保温1h后锻造成Φ25.4mm×2m的钢棒，终锻温度为900℃，锻后空冷至室温，试验钢化学成分（质量分数，%）：C0.082，Cr9.140，Si0.230，Mn0.150，P0.005，S0.002。

从钢棒上切取热膨胀试样，在100s升温时间内将热膨胀试样迅速加热至860℃，经过5min保温后，在5s时间内将温度降至Ac3温度，再分别以0.03、0.06、0.14、0.28、0.81、1.62、4.05、8.10和16.2℃/s连续冷却至室温，根据热膨胀曲线，利用切线法测定试验钢在不同冷却速度下的相变温度，结合金相和硬度试验作出连续冷却转变曲线，并根据相变规律估画组织演变鼻点。对钢棒分别加热至860和1000℃进行保温20min的奥氏体化处理，然后空冷至室温，最后加热至200℃回火1h。利用OM、SEM、TEM、XRD和室温拉伸对比研究不同热处理温度下9Cr钢的显微组织及力学性能。

研究表明，随着冷却速度增加，9Cr钢发生铁素体/珠光体相变、贝氏体相变，其中马氏体相变临界冷速为1.6℃/s；860℃热处理后9Cr钢的显微组织为板条贝氏体/马氏体和少量等轴铁素体，并有4%的残余奥氏体；奥氏体化温度升至1000℃后，奥氏体晶粒尺寸增加，9Cr钢中的铁素体几乎消失，板条特征更加明显，力学性能与860℃热处理后基本相同，均达到HL级抽油杆钢的要求，说明9Cr钢具有较宽的奥氏体化温度窗口。