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侯彪正，霍进良，黄 柯，屈 瑛，李 烨，张利峰 (中国兵器内蒙古北方重工业集团有限公司，内蒙古 包头 014033) 摘 要：针对AISI 4145H钢9 3/4 in钻铤采用井式热处理成本大、生产效率低和力学性能较差等问题，研究了中频感应调质热处理工艺。通过对钢的化学成分、淬透性、热透性及零件尺寸等进行分析，制定了相应的中频感应热处理工艺，并进行了多次工艺试验，通过产品力学性能指标进行了验证，找出了最佳的4145H钢中钼、碳等微量元素含量的内控指标，确定了合理的中频感应热处理工艺，解决了9 3/4 in钻铤的热处理问题，获得了优良的综合力学性能。 关键词：9 3/4 in钻铤；4145H钢；热处理；综合力学性能；中频感应热处理炉 9 3/4 in钻铤属于管类产品，采用AISI 4145H钢实心棒材加工制造，通过调质热处理获得满足技术指标要求的综合力学性能，在传统热处理中通常采用井式炉热处理，很少采用中频感应炉热处理。然而井式炉热处理时，为了避免产品淬裂，要求产品状态应为实心棒材，因而造成热处理成本大，生产效率低；而且，因为材料淬透性差，在截面方向上综合力学性能差异很大。 本文研究9 3/4 in钻铤的中频感应调质热处理工艺，通过工艺试验，分析材料化学成分、产品尺寸和淬透性等条件的影响，规定出4145H钢中钼、碳等微量元素含量的内控指标，制定合理的热处理工艺，以此实现9 3/4 in钻铤的中频感应调质热处理生产，降低成本，提高生产效率，同时也为大规格钻铤的中频感应调质热处理工艺研究与批量生产奠定基础。 1 工艺分析9 3/4 in钻铤的材料为AISI 4145H钢，标准要求化学成分见表1，非金属夹杂物单项值≤2.5级；低倍组织：一般疏松和锭型偏析≤2.0级。产品热处理后综合力学性能指标见表2，产品外观尺寸见表3[1]。 表1 化学成分(质量分数) (%)  CSiMnMoCrPSCu0.42～0.480.15～0.350.65～1.100.25～0.350.75～1.20≤0.030≤0.030≤0.20 表2 综合力学性能指标  屈服强度/MPa抗拉强度/MPa延伸率/%布氏硬度/HBW冲击吸收能量/J68993113285～34154 表3 外观尺寸  外径/mm内径/mm理论壁厚/mm长度/mm247.65+6.35 076.2+1.6 085.79450±150 9 3/4 in钻铤属于大规格石油钻具，其特点是直径大、壁厚大，壁厚相当于小规格钻铤与加重钻杆壁厚的2～4倍，而且AISI 4145H钢淬透性较差，导致产品的热透性和淬透性差，很难满足综合力学性能指标，且在淬火冷却时因冷却不均匀容易产生淬裂现象；因此，需要研究带孔大直径、大壁厚4145H钢钻铤的中频感应调质热处理，制定出合理的热处理工艺，获得满足技术指标要求的优良综合力学性能。 2 工艺试验及结果分析2.1 第1次工艺试验 根据化学成分、综合力学性能指标分析及中小规格石油钻具4145H材料的热处理经验，制定试制调质工艺如下：淬火温度为(890±20) ℃，产品行走速度为(200±10) mm/min，20～30 ℃喷淋水冷透；回火温度为(655±5) ℃，回火后水冷[2]。经此工艺调质后，最终检验结果见表4和表5。 表4 调质后力学性能  产品编号取样位置屈服强度/MPa抗拉强度/MPa延伸率/%冲击吸收能量/J布氏硬度/HBW1头端8349621745、43、46289尾端1013115419.566、65、683372头端8629841852、49、47293尾端98011031971、69、72332 表5 调质后金相组织、晶粒度  取样位置金相组织晶粒度/级头端回火索氏体+贝氏体回火组织6尾端回火索氏体6 由表4和表5可以看出，产品调质后两端性能差异较大，产品头端强度较低，冲击吸收能量不合格；产品头端的金相组织中存在贝氏体回火组织；产品整体的晶粒度较低；其他技术指标满足设计要求。 产品头端的淬火效果差是由于头端淬火加热温度低、均热不充分，奥氏体没有完全转变，致使在冷却时没有完全得到淬火马氏体组织。其综合力学性能整体上看较差，可能是由材料原始组织及化学成分中钼、碳含量控制不好造成的。 改进措施如下：1)规范4145H钢9 3/4 in钻铤的内控技术指标，控制ω(C)=0.43%～0.47%，ω(Mo)=0.30%～0.35%，各类非金属夹杂物含量之和≤4.0级，单项指标≤1.0级，低倍组织：一般疏松和锭型偏析≤1.5级；2)淬火加热时，提高淬火加热温度，同时增加对产品头端预热，使头端淬火温度提升至与产品整体温度一致；3)淬火加热时，降低产品行走速度，有效提高均温时间，保证材料完全奥氏体化转变；4)提高回火温度，保证力学性能达到技术指标要求。 2.2 第2次工艺试验 第2次工艺试验调整调质工艺如下：淬火温度为(910±20) ℃，产品行走速度为(170±10) mm/min，产品外表面20～30 ℃喷淋水冷却，内孔压缩空气冷却；回火温度为(670±5) ℃，回火后水冷。经此工艺调质后的检验结果见表6，晶粒度、金相组织见表7。 表6 调质后力学性能  产品编号取样位置屈服强度/MPa抗拉强度/MPa延伸率/%冲击吸收能量/J布氏硬度/HBW3头端91310451794、93、94310尾端961106917.598、89、853254头端94510562098、95、100320尾端96110681993、100、94325 表7 调质后金相组织、晶粒度  取样位置金相组织晶粒度/级头端回火索氏体71/2尾端回火索氏体71/2 由表6和表7可以看出，采用内控指标要求的4145H钢按照完善后的工艺经过调质，屈服强度、抗拉强度、冲击吸收能量和布氏硬度等力学性能均满足技术指标，且均匀、稳定，达到了工艺设计要求。 3 结语AISI 4145H钢9 3/4 in钻铤可用中频感应热处理方式进行调质热处理，在保证如下5个条件时，工艺方案更可靠，能获得优良的综合力学性能，产品质量及生产过程稳定，热处理成本低，生产效率高。 1)AISI 4145H钢的化学元素含量为：ω(C)=0.43%～0.47%，ω(Mo)=0.30%～0.35%；各类非金属夹杂物含量之和≤4.0级，单项指标≤1.0级；低倍组织：一般疏松和锭型偏析≤1.5级。 2)产品热处理状态为：加工通孔、外径至产品尺寸。 3)淬火加热温度为910 ℃，同时增加产品头端预热；产品行走速度为(170±10) mm/min。 4)冷却方式：采用产品外表面20～30 ℃喷淋水冷却，内孔压缩空气冷却。 5)回火温度为(670±5) ℃，回火后水冷。 参考文献： [1] API Spec 7-1—2006，旋转钻柱构件规范[S]. [2] 王广生，等. 金属热处理手册[M]. 北京：机械工业出版社，2000. 责任编辑 郑练 Technological Investigation and Application of Intermediate Frequency Induction Heat-treatment for Drill Collar 9 3/4 in HOU Biaozheng, HUO Jinliang, HUANG Ke, QU Ying, LI Ye, ZHANG Lifeng (Norinco Group Inner Mongolia North Heavy Industries Group Co., Ltd., Baotou 014033, China) Abstract：The intermediate frequency induction tempering technique is studied, with high cost, low production efficiency and worse physical performance of the drill collar 9 3/4 in from steel grade AISI 4145H heat-treated by well-type furnace. Thus, the relevant heat treatment process of the intermediate frequency induction tempering is made, by the analysis for chemical elements, hardening ability, diathermic heating of the steel and sizes of parts. The technological process tests for many times is carried out and the results from the data of physical performance of the product is got. It is found out that the data of the contents of the microelements as Mo, C and so on in steel of 4145H that are controlled at the best state as specified from the manufacturer, to establish the reasonable intermediate frequency induction heat treatment process and perform the heat treatment process for the drill collar 9 3/4 in, to obtain the excellent comprehensive physical performance. Key words：drill collar 9 3/4 in, steel grade 4145H, heat treatment, comprehensive physical performance, intermediate frequency induction heat treatment furnace 中图分类号：TG 156 文献标志码：A 作者简介：侯彪正(1981-)，男，工程师，大学本科，主要从事热处理工艺及设备工程技术、高性能石油钻具等方面的研究。 收稿日期：2017-03-28 |
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