2024年9月4日发(作者：朱同甫)
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.
2024年9月4日发(作者：朱同甫)
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
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[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.