CN101096745A - 一种复合强化高强度高韧性调质钢及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种调质钢及其制备方法,特别是涉及一种可用于生产高抗挤毁套管的一种复合强化高强度高韧性调质钢及其制造方法。主要解决现有高强度高韧性钢无法满足深井开采的强度和韧性要求的技术问题。本发明调质钢其组成成分的重量百分配比为:C 0.23~0.31%,Si 0.23~0.55%,Cr 0.9~1.3%,Mn 0.75~1.0%,Ni 0~0.7%,Mo 0.15~0.5%,V 0.01~0.05%,Nb 0.01~0.06%,Cu 0.08~0.25%,Al 0.01~0.07%,Ti 0.01~0.08%,余量为Fe和不可避免的杂质。将按上述配比冶炼后钢锭在1200-1260℃均热,多道轧制,终轧温度大于800℃,累计压缩比4-7,轧后空冷,调质处理再加热温度为860-910℃保温5-60min后水淬,再于600-680℃回火。可用于生产深井开采用高抗挤毁套管。
Description
技术领域:本发明涉及一种调质钢及其制备方法,特别是涉及一种可用于生产高抗挤毁套管的一种复合强化高强度高韧性调质钢及其制造方法。
背景技术:高抗挤套管用钢、高钢级油套管用钢等对材料的性能一般有如下要求:(1)良好的淬透性;(2)优良的回火稳定性;(2)高的强韧性。目前广泛使用CrMo钢,如4130钢制造。由于这种钢含有较高的Cr、Mo、Mn等元素,钢的淬透性较好,Mo的加入又使其具有良好的回火稳定性。在600℃回火,屈服强度可达800MPa。随着我国西部的油井开采的难度增加,主要表现在井深增加,井压增大,从而对油井管的强韧性提出了更高的要求。为此,中国专利公开号CN1390972公开的“低合金超高强度钢种”,该钢种屈服强度σs达860Mpa,抗拉强度σb达1000-1300MPa,延伸率δ大于15%,0℃横向冲击韧性大于33J,晶粒度为7级;这种钢的成分与一种石油天然气开采中深井、超深井石油套管(CN1619005)所使用的钢的成分都不含Ti、Nb、Al等元素,见表1,而这些元素可以通过细化奥氏体晶粒来提高材料的强韧性。提高钢铁的强韧性,减轻构件的比重量也是建设节约型社会的必然要求。
众所周知,材料的强化一般分为析出强化、固溶强化、细晶强化等。析出强化是由于析出的细小弥散的第二相阻碍位错运动而产生的强化,是调质钢重要的强化机制;固溶强化则是由于溶质原子对位错运动产生阻碍。钢中普存的固溶强化元素有Si、Mn等,包括弹性交互作用(柯氏气团)、电交互作用(玲木气团)和化学交互作用;细晶强化,是由于晶粒减小,晶粒数量增多,增大了位错连续滑移的阻力导致的强化;同时由于滑移分散,也使塑性增大。该强化机制是唯一的同时增大强度和韧性的机制。
对于CrMo钢,一般关注的是其淬火回火后的力学性能,很少追溯到钢铁的原始奥氏体晶粒度。细小的原始奥氏体晶粒会为后续的相变过程提供更多的形核位置,有利于形成细小的铁素体和碳化物。因此,钢的原始奥氏体晶粒度会对钢的强度、韧性和疲劳抗力等性能指标有很大影响。在材料设计上,众所周知,钢液凝固后,在冷却及轧制过程中Ti、Nb、V等合金元素均能与钢中的C、N等元素分别形成TiN、TiC、NbN、NbC、VN、VC碳氮化合物,这几种化合物固溶度积依次增大,形成温度依次降低,(Nb,Ti)CN在奥氏体未再结晶区变形期间还可以诱发析出,这些存在的大量的小尺寸的粒子在加热过程中能够钉扎原始奥氏体晶界,有效地阻止原始奥氏体晶粒长大。传统的AlN冶金也可以获得细小的奥氏体晶粒;在工艺控制上,一般而言,细晶的获得有两种方法,即再结晶法和相变法。再结晶包括在奥氏体区和铁素体区的动态再结晶,而相变法则包括应变诱导相变和应变强化相变以获得细小的组织。应用这些方法,日本国家材料科学研究所已经成功获得直径达1μm的超细晶粒钢。由于调质钢在热轧后需要再加热到奥氏体化温度,适当的加热工艺不仅不会导致奥氏体晶粒长大,还能达到进一步细化的效果。但是,淬火时要减小变形避免开裂,因而,CrMo钢一般采用油淬工艺。因为油的冷却性能接近于理想冷却性能,然而油淬带来环境保护上的缺陷,特别是火灾危险性。水具有廉价、安全和环保的特点,但是它的最高冷却速度可以高达700-800℃/s,淬火导致的变形和裂纹的扩展就在所难免。
发明内容:本发明的目的在于开发一种可以满足高抗挤套管用钢要求的利用复合强化机制达到高强度高韧性的、可以水淬的调质钢及其制造方法。
本发明的思路是:从材料的成分设计入手,采用适当的碳含量以减少水淬变形开裂的可能性。并采用多种强化手段,提高材料的强韧性,以适当的C、Cr、Mo的含量,以期获得最佳的相变强化效果,适当加入V、Nb、Ti、Cu以达到弥散强化、细晶强化的效果,加入适量的Al细化晶粒,加入适量的Ni以提高材料的韧性;控制终轧温度、再加热奥氏体化温度、回火温度以及保温时间,获得细小的原始奥氏体晶粒,细小弥散分布的析出物以达到最大的强韧化效果。
本发明的技术方案为:一种复合强化高强度高韧性调质钢,其组成成分的重量百分配比为:
C:0.23-0.31%
Mn:0.75-1.0%
Si:0.23-0.55%
Cr:0.9-1.3%
Mo:0.15-0.5%
Ni:0-0.7%
Cu:0.08-0.25%
Al:0.01-0.07%
Ti:0.01-0.08%
Nb:0.01-0.06%
V:0.01-0.05%
P:<0.02%
S:<0.015%
余量为Fe和不可避免的杂质。
本发明调质钢其组成成分的重量百分配比的优选范围为:C 0.25~0.29%,Si0.25~0.40%,Cr 0.9~1.1%,Mn 0.80~1.0%,Ni 0.10~0.30%,Mo 0.38~0.42%,V 0.03~0.05%,Nb 0.03~0.05%,Cu 0.18~0.22%,Al 0.02~0.05%,Ti0.03~0.05%,余量为Fe和不可避免的杂质。
成分设计原理如下:
C:为了减轻水淬开裂的敏感性,按重量百分比,C含量不宜大于0.31%,但是C含量太低将有损材料的强度,宜采用含碳量0.23-0.31%。
Mn:主要溶于铁素体起强化作用,用来提高钢的淬透性,但含量太高时偏析严重,按重量百分比,宜采用Mn含量为0.75-1.0%。
Si:固溶于铁素体以提高钢的屈服强度,但同时要损失塑性和韧性,按重量百分比,宜采用硅含量为0.23-0.55%。
Cr:强烈提高淬透性元素,强碳化物形成元素,回火时析出碳化物提高钢的强度,还提高钢的耐蚀性,按重量百分比,宜采用含量0.9-1.3%。
Mo:提高淬透性元素,强碳化物形成元素,可以有效的提高钢的回火稳定性,由于价格昂贵,含量不宜过高,按重量百分比,宜采用含量0.15-0.5%。
Ni:提高淬透性元素。可提高钢的强度而不显著降低其韧性。提高钢的低温韧性。镍还可以提高钢的抗腐蚀能力,不仅能耐酸,而且能抗碱和大气的腐蚀。按重量百分比,宜采用含量0-0.7%。
Cu:在室温基本不溶于α-Fe,而以ε-Cu或面心立方α-Cu的形式析出,并可使钢得以强化,还可以提高钢的耐腐蚀性能。按重量百分比,宜采用含量0.08-0.25%。
Al:传统固氮元素,形成AlN可以细化奥氏体晶粒,同时还可以提高钢的耐腐蚀性能,按重量百分比,宜采用含量0.01-0.07%。
Ti:强碳氮化物形成元素,形成TiN、TiC在均热和再加热过程中均可以阻止奥氏体晶粒长大,细化奥氏体晶粒;若含量太高,易形成粗大的TiN,达不到添加的目的。按重量百分比,宜采用含量0.01-0.08%。
Nb:热轧时可以推迟奥氏体再结晶而达到细化晶粒的目的,在随后的冷却及热轧过程中,Nb(C、N)粒子弥散析出,又能起到析出强化的作用。在再加热过程中,可以阻碍奥氏体晶粒长大,按重量百分比,宜采用含量0.01-0.06%。
V:钒的碳氮化物在铁素体中析出,可以在回火的过程中进一步达到析出强化的效果,按重量百分比,宜采用含量0.01-0.05%。
一种复合强化高强度高韧性调质钢的制造方法,包括配料熔炼、轧制和调质处理,将按上述配比冶炼后钢锭在1200-1260℃均热,在奥氏体再结晶区、非再结晶区以及形变诱导铁素体相变区轧制,1200℃开轧,终轧温度大于800℃,中间待温,以充分利用Al、Ti、Nb等元素析出物颗粒的拖曳作用细化奥氏体晶粒,累计压缩比4-7。轧后空冷。调质处理再加热温度为860-910℃保温5-60min水淬,于600-680℃回火。如果均热时间过长,部分析出物溶解,形成的奥氏体晶界将失去钉扎作用而异常长大,得到混晶组织,达不到预期的效果。
本发明与现有技术相比具有如下显而易见的突出特点的显著的优点:本发明通过利用合金元素在钢中的作用,综合控制从冶炼凝固、轧制、热处理等各个环节以获得最大强韧化效果。发明的调质钢原始奥氏体晶粒度可达10级以上,在600℃以上回火,屈服强度在940MPa以上,延伸率不低于20%,冲击韧性大于70J。
附图说明:
图1为本发明钢的金相组织图
图2为本发明与对比例的淬透性比较图
具体实施方式:
根据本发明技术方案调质钢的组分配比,在实验室使用50Kg真空感应炉熔炼与轧制试验,化学成分见表2。工艺路线见表3。力学性能见表4,典型金相组织为回火索氏体,见附图1。其中B0、B1、B2为对比例1-3的化学成分,Al、A2、A3、A4为发明实施例1-4的化学成分。本发明钢的淬透性优良,根据GB/T225-1988规定试验方法测定,本发明与对比例的淬透性比较见附图2,没有淬火开裂的现象发生。在相同的轧制和热处理工艺下,由于所添加元素所起到的复合强化作用,本发明钢较传统的CrMo钢的屈服强度高25%;原始奥氏体晶粒度的细化对冲击韧性的影响是非常显著的,当奥氏体晶粒度由原来的8级细化到10级,横向冲击韧性提高了100%,纵向冲击韧性提高了50%。
表1国内外类似产品的成份与本发明钢的成份对比(wt.%)
C | Si | Mn | P | S | Cr | Mo | Ni | V | Cu | Al | Ti | Nb | |
4130钢 | 0.27-0.33 | 0.4-0.6 | 0.8-1.2 | 0.15-0.35 | |||||||||
CN1390972CN1619005发明钢 | 0.3-0.40.2-0.30.23-0.31 | 0.15-0.40.15-0.40.23-0.55 | 0.8-1.20.3-1.20.75-1.0 | <0.02<0.015<0.02 | <0.015<0.012<0.015 | 0.8-1.250.5-1.50.9-1.3 | <0.30.4-1.20.15-0.5 | <0.1<0.80-0.7 | <0.15<0.150.01-0.05 | <0.20.08-0.25 | 0.01-0.07 | 0.01-0.08 | 0.01-0.06 |
表2对比例和实施例化学成分(wt.%)
钢号 | C | Si | Mn | P | S | Cr | Mo | Ni | Cu | Nb | V | Al | Ti |
B0 | 0.27 | 0.30 | 0.90 | 0.009 | 0.0025 | 1.0 | 0.40 | ||||||
B1 | 0.28 | 0.25 | 0.88 | 0.0054 | 0.0046 | 1.0 | 0.20 | 0.21 | 0.20 | 0.040 | 0.024 | ||
B2 | 0.28 | 0.27 | 0.93 | 0.0063 | 0.0048 | 1.0 | 0.39 | 0.65 | 0.19 | 0.041 | 0.025 | ||
A1 | 0.29 | 0.49 | 0.80 | 0.0053 | 0.0040 | 1.2 | 0.21 | 0 | 0.11 | 0.02 | 0.03 | 0.01 | 0.02 |
A2 | 0.27 | 0.27 | 0.90 | 0.009 | 0.005 | 0.97 | 0.43 | 0.40 | 0.21 | 0.04 | 0.02 | 0.03 | 0.01 |
A3 | 0.27 | 0.31 | 0.93 | 0.0095 | 0.0020 | 1.0 | 0.40 | 0.20 | 0.20 | 0.04 | 0.03 | 0.06 | 0.04 |
A4 | 0.25 | 0.31 | 0.95 | 0.0085 | 0.0020 | 1.1 | 0.40 | 0.61 | 0.20 | 0.05 | 0.04 | 0.03 | 0.05 |
表3工艺制度
序号 | 钢号 | 加热温度℃ | 轧制温度℃ | 终轧温度℃ | 再加热温度与保温时间 | 回火温度与保温时间 |
1 | B0 | 1240 | 1200 | 870 | 900℃×20min | 620℃×40min |
2 | B1 | 1240 | 1200 | 900 | 900℃×20min | 620℃×40min |
3 | B2 | 1240 | 1200 | 900 | 900℃×20min | 620℃×40min |
4 | A1 | 1240 | 1200 | 900 | 900℃×60min | 620℃×40min |
5 | A2 | 1240 | 1200 | 900 | 900℃×40min | 620℃×40min |
6 | A3 | 1240 | 1200 | 870 | 900℃×20min | 620℃×40min |
7 | A4 | 1240 | 1200 | 870 | 900℃×20min | 620℃×40min |
8 | A3 | 1240 | 1200 | 870 | 900℃×20min | 650℃×40min |
9 | A4 | 1240 | 1200 | 850 | 900℃×10min | 650℃×40min |
10 | A3 | 1240 | 1200 | 800 | 900℃×10min | 650℃×40min |
11 | A3 | 1240 | 1200 | 900 | 880℃×30min | 650℃×40min |
12 | A4 | 1240 | 1200 | 900 | 860℃×30min | 650℃×40min |
表4力学性能检测结果
序号 | 钢号 | σs/MPa | σb/MPa | δ/% | Akv/J | 原始奥氏体晶粒度 | |
横向 | 纵向 | ||||||
1 | B0 | 781 | 902 | 27.5 | 142 | 206 | 8级 |
2 | B1 | 941 | 1003 | 24.5 | 41 | 79 | 8级 |
3 | B2 | 1026 | 1080 | 23 | 37 | 91 | 8级 |
4 | A1 | 960 | 995 | 24 | 47 | 90 | 8级 |
5 | A2 | 991 | 1092 | 25.5 | 45 | 85 | 8级 |
6 | A3 | 982 | 1035 | 24 | 81 | 125 | 10级 |
7 | A4 | 999 | 1060 | 21.5 | 76 | 107 | 10级 |
8 | A3 | 944 | 1010 | 22 | 91 | 137 | 11级 |
9 | A4 | 967 | 1018 | 24 | 80 | 105 | 10级 |
10 | A3 | 951 | 1002 | 25 | 97 | 116 | 11级 |
11 | A3 | 951 | 991 | 22.5 | 81 | 119 | 10级 |
12 | A4 | 971 | 999 | 22.5 | 78 | 103 | 10级 |
Claims (4)
1、一种复合强化高强度高韧性调质钢,其组成成分的重量百分配比为:
C:0.23-0.31%
Mn:0.75-1.0%
Si:0.23-0.55%
Cr:0.9-1.3%
Mo:0.15-0.5%
Ni:0-0.7%
Cu:0.08-0.25%
Al:0.01-0.07%
Ti:0.01-0.08%
Nb:0.01-0.06%
V:0.01-0.05%
P:<0.02%
S:<0.015%
余量为Fe和不可避免的杂质。
2、根据权利要求1所述的一种复合强化高强度高韧性调质钢,其特征是,其组成成分的重量百分配比为:C 0.25~0.29%,Si 0.25~0.40%,Cr 0.9~1.1%,Mn 0.80~1.0%,Ni 0.10~0.30%,Mo 0.38~0.42%,V 0.03~0.05%,Nb 0.03~0.05%,Cu 0.18~0.22%,Al 0.02~0.05%,Ti 0.03~0.05%,余量为Fe和不可避免的杂质。
3、权利要求1所述的一种复合强化高强度高韧性调质钢的制造方法,包括配料熔炼、轧制和调质处理,其特征是,将按上述配比冶炼后钢锭在1200-1260℃均热,多道轧制,终轧温度大于800℃,累计压缩比4-7,轧后空冷,调质处理再加热温度为860-910℃保温5-60min后水淬,再于600-680℃回火。
4、根据权利要求3所述的一种复合强化高强度高韧性调质钢的制造方法,其特征是,所述的多道轧制为在奥氏体再结晶区、非再结晶区以及形变诱导铁素体相变区轧制。
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