不同热处理工艺处理后AISI4330V钢的力学性能变化

不同热处理工艺处理后AISI4330V钢的力学性能变化

刘伟强

河南中原重型锻压有限公司，河南省济源市,454650

摘要：通过对AISI4330V钢冶炼锻造后采用不同的热处理工艺研究其力学性能变化情况探索其最佳的热处理工艺。结果表明：Ac3+80℃正火、Ac3+40℃淬火、640℃高温回火工艺处理后AISI4330V钢的冲击吸收能量及延伸率较高，综合力学性能较好。屈服强度903MPa，抗拉强度1007MPa，延伸率20%，冲击吸收能量102J。

关键词：4330V钢; 正火; 回火; 力学性能;

工业的发展加速了对石油和天然气的消耗，随着生产的持续进行，油井的产能和渗透率会有一定程度的降低，为了增强排油能力，提高油井产量，利用压裂技术扩大和疏通地层空隙来增加油气的渗透能力。在石油等开采领域，采用压裂技术能够有效地改善产能低的问题，进而提高石油、页岩气的开采量，提高油井产能。压裂泵是压裂的主要设备，作为能够直接影响压裂过程质量及进度的关键因素，压裂泵的性能、质量及可靠性至关重要。其中泥浆泵阀体是压裂泵的重要结构，也是易损件[1]。在恶劣的工作环境下，泵头体容易发生开裂，影响正常运作[2-3]。目前，泥浆泵阀体的强度、塑性和韧性低，耐腐蚀性能、耐磨性能等性能较差，现有的泥浆泵阀体使用寿命短，严重影响了压裂的效果。

本文针对泥浆泵阀体AISI4330V的锻造工艺进行研究，使钢的性能得到最大限度的发挥，提高产品的竞争优势。

1.试验材料及方法

AISI4330V钢种小试样的主要成分为0.32%C，0.97%Cr，0.45%Mo，2.53%Ni，0.20%Si，0.61%Mn，采购时严格控制P、S含量，其中P≤0.015%，S≤0.015%，P+S＜0.025%。

AISI4330V-6采用电弧炉冶炼、钢包精炼、双真空处理的冶炼工艺；采用两镦两拔工艺方法进行锻造，锻造终锻温度在Ac3以下，扩氢退火温度为Ac3+70℃，热处理采用Ac3+80℃正火、Ac3+40℃淬火、640℃高温回火；Ac3+60℃正火、Ac3+60℃淬火、610℃高温回火；Ac3+40℃正火、Ac3+40℃淬火、610℃高温回火三种热处理工艺。

上述处理完成后，按照GB/T2975标准在试样的相应位置切取拉伸试样及冲击试样、硬度测试块。按照GB/T 228.1-2010《金属材料拉伸试验方法》及GB/T 229-2020《金属材料夏比摆锤实验方法》要求对试样进行拉伸试验检测及冲击试验检测。

泵头体要求机械性能如下：抗拉强度≧950MPa；屈服强度≧850MPa；延伸率： A≥15%；冲击功：AKV2≥34J；硬度HBS≥280HB。

2.试验结果与分析

AISI4330V钢经过冶炼、锻造后采用不同的工艺进行处理，其力学性能也不相同。具体结果如下：

经过Ac3+80℃正火、Ac3+40℃淬火、640℃高温回火工艺处理后AISI4330V钢的力学性能分别为：屈服强度903MPa，抗拉强度1007MPa，延伸率20%，冲击吸收能量102J。

经过Ac3+60℃正火、Ac3+60℃淬火、610℃高温回火工艺处理后AISI4330V钢的力学性能分别为：屈服强度958MPa，抗拉强度1067MPa，延伸率17%，冲击吸收能量82J。

经过Ac3+40℃正火、Ac3+40℃淬火、610℃高温回火工艺处理后AISI4330V钢的力学性能分别为：屈服强度984MPa，抗拉强度1126MPa，延伸率15%，冲击吸收能量49J。

由以上结果可知，三种工艺处理后AISI4330V钢的性能均符合泵头体要求的机械性能。Ac3+80℃正火、Ac3+40℃淬火、640℃高温回火工艺处理后AISI4330V钢的冲击吸收能量及延伸率较高，综合力学性能较好。

3.讨论

AISI4330V钢属于碳铬镍钼钒系列钢，是一种本质粗晶粒钢，其晶粒遗传现象较强，并且很容易产生混晶现象，产品研发难度大[4]。锻件在热处理之前，由于晶粒粗大并且处于混晶状态，所以锻造后不能采用直接空冷的办法至过冷保温温度，而是必须先入炉均温，然后再炉冷至过保温度，以使奥氏体尽量分解转变为珠光体或贝氏体，再升温正火达到充分细化晶粒的目的[5-6]。第一次过冷目的是使锻造后组织充分发生转变。第二次过冷不仅有利于锻件内部氢的扩散，而且可促使晶粒的进一步细化。所以为确保得到均匀、细小的组织，在正火与退火过程中进行二次过冷[7]。

高温正火处理，可以细化组织晶粒，改善材料组织，增强钻具的韧性、改善材料的切削性能，提高材料的冲击吸收能量值[8]。当正火温度分别为Ac3+40℃、Ac3+60℃、Ac3+80℃时，AISI4330V钢的冲击吸收能量分别为49J、82J、102J。

有研究表明，回火温度升高时，钢材料的强度及硬度反而会不断降低，而冲击吸收能量及延伸率会随之升高[9]。当回火温度时640℃时，AISI4330V钢钢材料的延伸率和冲击吸收能量处于最高状态，分别为20%、102J。

回火温度升高时会使淬火过程形成的铁素体发生回复和重结，进而铁素体得以长大，使材料的韧性和塑性能得到进一步的增强[10]。同时，合金碳化物会不断聚集并发生球化，形成固溶强化相，进而产生二次硬化的效果，能够有效地抑制强度和硬度降低[11]。

参考文献：

[1]陈泓业, 李伟刚, 王滕等. 退火工艺对Ti-IF钢力学性能的影响[J]. 鞍钢技术, 2022(02): 23-27.

[2]张俊喜, 郭小汝, 李晶. 热处理对Vanadis 4 Extra模具钢组织与性能的影响[J]. 化工机械, 2019, 46(04): 386-389+404.

[3]李峰, 李双喜, 李纪强等. 18Cr2Ni4WA钢渗碳淬火后回火温度对力学性能的影响[J]. 金属热处理, 2021, 46(12): 256-261.

[4]张行刚, 石晓霞, 米永峰等. 热处理工艺对BT140TT抗挤毁套管组织性能的影响[J]. 包钢科技, 2020, 46(06): 56-60.

[5]徐磊. 高温回火对4330V钢组织及力学性能的影响分析[J]. 石化技术, 2020, 27(10): 46-47.

[6]欧阳峥容. 深井高强度石油钻铤用AISI4145H钢的开发生产[J]. 山东冶金, 2017, 39(05): 29-31.

[7]王博涵, 程礼, 崔文斌等. 锻造工艺对TC4钛合金组织和力学性能的影响[J]. 热加工工艺, 2021, 50(23): 17-21.

[8]吴丽萍, 刘顺洪, 王磊等. E4330钢模拟粗晶区组织与性能的研究[J]. 电焊机, 2014, 44(04): 122-127.

[9]马圆圆, 包汉生, 龚志华等. 热处理对0Cr13钢力学性能和磁性能的影响[J]. 金属热处理, 2021, 46(12): 87-93.

[10]孟祥冰, 刘道喜, 赵丽. 4330V钢顶驱旋塞热处理工艺探讨[J].金属加工(热加工), 2022(01): 67-69.

[11]孙荣, 赵钧羡, 段隆臣等. 高温回火对4330V钢组织及力学性能的影响[J]. 热加工工艺, 2016, 45(12): 187-189.