王旭明, 何文武, 魏海东, 常 鑫
(1. 兰州兰石集团有限公司 铸锻分公司, 甘肃 兰州 730300; 2. 甘肃省高端铸锻件工程技术研究中心, 甘肃 兰州 730300; 3. 太原科技大学 材料科学与工程学院, 山西 太原 030024)
页岩油气是一种非常规油气,国家能源局将加强页岩油勘探开发列入“十四五”能源、油气发展规划。水力压裂技术是页岩油气资源开发的重要工艺,随着中国的页岩油勘探开发不断提速,对压裂泵寿命提出了更高的要求。17-4PH钢属于马氏体沉淀硬化不锈钢,国内牌号为0Cr17Ni4Cu4Nb,具有良好的强韧性匹配和耐蚀性能,是提高压裂泵使用寿命的重要选材。为了深入研究热处理工艺对17-4PH不锈钢组织和性能的影响,本文采用不同的热处理工艺参数进行热处理试验,对比不同热处理工艺参数对17-4PH不锈钢组织和性能的影响,为提高压裂泵使用性能提供参考。
1.1 试验材料
试验用17-4PH不锈钢是经EAF-LF-VOD-ESR工艺路线冶炼,采用10MN快锻机组锻成6支尺寸为180 mm×180 mm×220 mm的试样。其化学成分见表1。
表1 17-4PH不锈钢的化学成分(质量分数,%)Table 1 Chemical composition of the 17-4PH stainless steel (mass fraction, %)
表2 热处理试验方案Table 2 Test procedures of heat treatment
1.2 热膨胀试验
采用Gleeble1500D热模拟试验机进行热膨胀试验,试样尺寸如图1所示,加热速度为2 ℃/s,加热到1100 ℃,获得热膨胀曲线如图2所示。由图2可知,17-4PH沉淀硬化不锈钢在加热过程从室温到710 ℃,直径随着变形温度的升高线性增加,710～800 ℃之间直径不随温度的升高而线性变化,由于马氏体组织比奥氏体组织体积大,因此在转变过程直径方向的尺寸随温度升高反而降低,当温度达到800 ℃后,马氏体组织全部转变为奥氏体组织,此后直径尺寸的变化随温度的升高呈现线性变化,因此17-4PH不锈钢的Ac1约710 ℃,Ac3约800 ℃。
图1 热膨胀试样尺寸Fig.1 Dimensions of thermal dilatometer specimen
图2 17-4PH不锈钢的热膨胀曲线Fig.2 Thermal dilatometric curve of the 17-4PH stainless steel
1.3 热处理试验
采用高精度程控箱式电阻炉,对6支锻造后的试样进行热处理试验。根据已测得17-4PH不锈钢的Ac1和Ac3温度,制定热处理试验方案[1],固溶和中间调整处理保温时间按照1 min/mm计算,时效保温时间按照2 min/mm计算。研究固溶温度、中间调整和时效温度对17-4PH不锈钢组织和性能的影响。
依据ASTM A370—2021《钢制品机械试验的标准试验方法和定义》在试样心部取样,制备拉伸、冲击试样,采用600 kN微机控制电液伺服万能试验机进行拉伸试验,采用洛氏硬度计进行硬度检测,每个试样测试5个点,去掉最高和最低值,其余3个取平均值。采用微机控制摆锤冲击试验机测定20 ℃冲击吸收能量。对热处理后的试样进行抛光,用高氯化铁盐酸溶液(5 g FeCl3+15 mL浓盐酸+75 mL蒸馏水)进行侵蚀,采用GX51光学显微镜对材料进行组织观察。
2.1 显微组织
锻后未经热处理的试样显微组织如图3(a)所示,为马氏体和残留奥氏体组织,马氏体板条宽、长,晶粒较粗。对试样1固溶后取样进行显微组织观察,为马氏体组织,马氏体板条位向关系清晰,板条粗大[2],如图3(b)所示。对试样2中间调整后取样进行显微组织观察,如图3(c)所示,马氏体组织均匀细小,晶界清晰呈网状,碳化物颗粒在马氏体和奥氏体内析出。可能是因为中间调整过程中原始奥氏体晶界产生逆转变奥氏体,弥散、均匀分布[3]。
对6组试样时效后的显微组织进行分析[4],如图4所示,显微组织均为马氏体和少量奥氏体组织,其中深色区域为回火马氏体组织,白色区域为残留奥氏体或逆转变奥氏体组织。对比试样1和试样2时效后的金相照片,发现试样1未进行中间调整,时效后回火马氏体呈板条状,板条束间夹角、相界面清晰;试样2及其他试样进行了中间调整处理,时效后组织细小,马氏体块较小,析出物弥散分布,这是因为中间调整降低了逆转变奥氏体析出峰温度,马氏体板条和奥氏体晶粒得到细化,马氏体发生逆转变形成的逆转变奥氏体较稳定,时效后组织遗传了中间调整处理组织特征[5]。试样2和试样3时效后显微组织没有明显差别,如图4(b,c)所示。对比试样2、4、5、6时效后显微组织,发现时效温度从500 ℃升高至560 ℃,随着时效温度的不断升高,在奥氏体和马氏体板条界-亚晶界更容易形成逆转变奥氏体;ε-Cu、NbC等析出相细小弥散分布于回火马氏体基体内[6],如图4(b,d～f)。
2.2 力学性能
表3为6组试样热处理后的力学性能。试样1的强度明显高于其余5组试样,抗拉强度达到1130 MPa,同时冲击吸收能量最低,为42.6 J;试样2的冲击吸收能量最高,达到137.0 J,强度最低,抗拉强度为970 MPa;试样3的抗拉强度为980 MPa,略高于试样2。分析数据可知,采用固溶时效工艺进行热处理,较在固溶后增加中间调整的试样,强度明显更高,韧性较差[7];调高固溶温度,金属化合物固溶度提高,强度略有提高[8]。在500～560 ℃温度区间内,随着时效温度的升高,抗拉强度逐渐下降,冲击性能提高,这是因为17-4PH不锈钢在480 ℃以上发生过时效,过时效温度越高,逆转变奥氏体转变速率越快,含量越多,ε-Cu、NbC等析出相在逆转变奥氏体中较粗大、稀疏,降低了析出相对位错的阻碍作用,从而降低屈服强度[9]。硬度也随着时效温度的升高有所下降[10]。
表3 17-4PH钢试样的力学性能Table 3 Mechanical properties of the 17-4PH steel specimens
1) 固溶后先进行中间调整处理,组织更均匀细小,可以显著提高17-4PH马氏体沉淀硬化不锈钢的冲击性能,但会明显降低材料强度,可以根据材料的使用工况条件,调整热处理工艺,增加中间调整处理。
2) 随着固溶温度的提高,17-4PH不锈钢的强度会有提高,但提升效果不明显,影响强度的主要因素是析出与基体共格沉淀的富铜相的数量和大小。
3) 随着时效温度的逐渐提高,淬火马氏体转变速率加快,逆转变奥氏体含量增加,提高了17-4PH不锈钢的冲击性能,同时会降低材料的强度。
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