37CrMnMo石油钻杆热处理及摩擦焊接头性能

摘要

本文以37CrMnMo石油钻杆接头为研究对象，首先采用不同热处理工艺对其进行调质处理，确定了最佳热处理方案；并且采用惯性摩擦焊方法对钻杆管体与钻杆接头实施焊接。通过金相实验﹑力学性能实验等讨论了淬火温度与回火温度对37CrMnMo接头显微组织及力学性能的影响；分析了不同焊接参数与接头质量的关系，研究了摩擦焊接头的金属塑性流动特性、接头断裂机制、焊缝及热影响区处元素的扩散机理。
　　37CrMnMo接头用钢在860℃-890℃区间内设定四组加热温度实施淬火处理，回火温度均选择560℃。硬度实验结果表明，随淬火温度的不断升高其调质后硬度值逐渐增大。淬火温度为870℃，560℃回火后试样的冲击吸收功达到117.68J，硬度的均值为28.38HRC。在选定的淬火温度区间内，随着温度的阶梯上升，调质后的抗拉强度无明显变化，而屈服强度呈现增加后又降低的趋势，于870℃达到峰值。淬火温度继续增加，屈服强度值减小。在860℃淬火时，存在未熔铁素体组织，当温度达到890℃时因奥氏体晶粒有长大倾向，进而淬火后出现晶粒粗大的马氏体，导致回火后的回火索氏体晶粒也变得粗大，冲击吸收功略有降低。
　　37CrMnMo钢经870℃淬火后水冷，显微组织是以板条状马氏体为主同时存在针状马氏体的混合组织。500℃-640℃回火后，抗拉强度和屈服强度先升高后下降，试样冲击吸收功随回火温度的升高先迅速上升，600℃回火后逐渐下降。显微组织观察表明，其组织为回火索氏体。随着回火温度上升，碳化物形貌从分布不均的片状逐渐演变成弥散分布的粒状，提升了冲击韧性。640℃回火后，粒状碳化物粗化导致冲击韧性下降。从断口形貌观察，560℃和640℃回火处理后虽然都呈韧性断裂，但其韧窝不如600℃时冲击断口中的韧窝均匀且分布细小。为保证37CrMnMo钢工程应用的安全性，在600℃回火可以得到较好的强韧性配合。
　　惯性摩擦焊接工艺表明，其它参数不变的情况下，旋转速度增加时摩擦加剧，焊缝金属塑性流动增强，在轴向压力作用下会沿接头的径向方向不断被挤出，飞边形貌愈来愈大，也导致试样的轴向烧损量增大。
　　焊接接头的显微组织分析表明，焊缝向母材扩展方向可以划分为四个区域：完全塑性变形区(Zpl)、部分塑性变形区(Zpd)、未变形区(Zud)以及母材区(BM)。在扭矩与顶锻力的作用下金属在界面处作平面圆周运动以及在轴向扩展方位作螺旋式移动，导致了组织中存在了横、纵以及弯曲状金属流线。经摩擦焊接和焊后热处理后，接头处金属充分流动形成牢固接头。在焊缝界面出现大致“100μm”宽度的咬合，呈现凹凸状嵌入对方组织。元素在界面处发生了扩散，Si元素从管体侧向钻杆接头侧迁移扩散了约“30μm”，其它浓度梯度不大的元素在界面处经扩散作用，焊缝两侧成分较均匀。Zpl区焊后热处理后组织为回火索氏体，钻杆侧的未变形区的末端因受到高温作用存在软相铁素体，致使此处硬度降低，焊缝偏向管体侧的未变形区末端存在块状铁素体，较接头侧铁素体含量多且晶粒状粗大，导致此处易发生断裂。