CN102628144A - 高强高韧无碳化物贝氏体无缝钢管及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高强高韧，低屈强比的无碳化物贝氏体无缝钢管，该钢管化学成分按质量百分含量为：C 0.26～0.35％、Si 0.9～1.6％、Mn 0.1～0.8％、Ni 2.0～3.7％、Cr 0.5～1.2％、Mo 0.1～0.4％、Al 0.01～0.1，余量为Fe。同时提供了一种上述无碳化物贝氏体无缝钢管的生产方法。本发明无缝钢管采用简单的生产工艺可以使屈服强度达到1000MPa以上，抗拉强度达到1300MPa以上，同时具有较好的韧性和较低的屈强比，可以应用到石油开采用油管、套管、射孔枪管、钻铤及钻杆等产品上，也可以应用到其它高强机械或结构用无缝钢管上。

Description

高强高韧无碳化物贝氏体无缝钢管及其生产方法

技术领域

本发明涉及一新型无碳化物贝氏体钢的无缝钢管，尤其是一种高强高韧低屈强比的无缝钢管及其生产方法。

现有技术

具有高强度的同时具有较好的韧性是石油钻探用无缝钢管的发展趋势，目前最常用的是使用铬钼钢进行调质处理的回火索氏体类型钢，最高钢级已经开发到屈服强度达1100MPa以上，虽然这类钢在强韧性方面有很好的表现，但这类钢的屈强比较高，一般在90％以上，有的甚至达到95％以上，这类钢并未考虑到长期使用过程中延迟断裂的影响，我们知道绝大多数合金钢在抗拉强度提到到1200MPa后会产生延迟断裂，在这种情况下进一步提高强度不仅失去了使用价值，反而造成更大的不安全性。

无碳化物贝氏体钢是兼有高强度，低屈强比的，同时具有较好韧性的一类钢种，其已应用到高强及耐磨钢板、铁路、重型钎杆、曲轴等方面，但对于无碳化物贝氏体钢在高强高韧无缝钢管方面上的研究与应用仍未见报道。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高强高韧无碳化物贝氏体无缝钢管及其生产方法，该无缝钢管的屈服强度达到1000MPa以上，屈强比低于80％，韧性好，抗延迟断裂性好，同时简化工艺，降低生产成本。

为实现本发明的目的，本发明采用的技术方案是提供一种高强高韧低屈强比的无碳贝氏体无缝钢管，其中：该无缝钢管的化学成分按重量％为：C0.26～0.35％、Si 0.9～1.6％、Mn 0.1～0.8％、Ni 2.0～3.7％、Cr 0.5～1.2％、Mo0.1～0.4％、Al 0.01～0.1，余量为Fe及不可避免元素。

同时提供上述高强高韧低屈强比的无碳贝氏体无缝钢管的生产方法。

本发明通过合理的成分设计，简单的生产工艺可生产出屈服强度超过1000MPa，屈强比低于80％的高强高韧管材，由于较低的屈强比，使得高强度管材在使用过程中的安全性大大提高，同时生产工艺简单，不需要调质处理，同时降低生产成本。避免了以往调质处理厚规格钢管时因淬不透而引起的组织不均匀的问题，可以应用到石油开采用油管、套管、射孔枪管、钻铤及钻杆等产品，也可以应用到其它高强机械或结构用无缝钢管上。

附图说明

图1为本发明的无碳化物贝氏体钢的CCT曲线；

图2为本发明的无碳化物贝氏体钢的金相组织。

具体实施方式

结合附图对本发明的高强高韧无碳化物贝氏体无缝钢管及其生产方法加以说明。

本发明的高强高韧无碳化物贝氏体无缝钢管采用C-Si-Ni-Cr系合金设计，该无缝钢管的化学成分按重量％为：C 0.26～0.35％、Si 0.9～1.6％、Mn0.1～0.8％、Ni 2.0～3.7％、Cr 0.5～1.2％、Mo 0.1～0.4％、Al 0.01～0.1，余量为Fe及不可避免元素。

该种钢管的屈服强度为：1000MPa以上，抗拉强度为：1300MPa以上，屈强比低于80％，0℃的韧性冲击功大于40J。

对上述合金元素种类及含量Wt％的选择上详述如下：

C：增加碳含量可显著降低贝氏体转变温度，从而细化贝氏体组织，但C含量过高又会影响钢的韧性，所以本发明确定的C含量范围为0.26～0.35％；

Si：硅是弱碳化物形成元素，可以抑制碳化物的析出，因此增加硅可以实现无碳化物贝氏体的形成，但Si过高会使韧性下降，因此本发明确定的Si含量范围为0.9～1.6％；

Mn：锰强烈增加钢的淬透性，稳定奥氏体组织，但Mn又是碳化物形成元素，是强偏析元素，不利于组织的均匀性，因此Mn含量不宜过多，本发明确定的Mn含量范围为0.1～0.8％；

P，S：磷、硫是杂质元素，越少越好，根据当前的冶炼水平，本发明确定的P含量范围为～0.020％、S含量范围为～0.010％；

Ni：镍强烈增加钢的淬透性，稳定奥氏体组织，而Ni又不是碳化物形成元素，不是强偏析元素，因此为了在空冷条件下得到贝氏体而不产生铁素体和珠光体，Ni元素要有足够的含量，本发明确定的Ni含量范围为2.0～3.7％；

Cr：铬能减缓奥氏体的分解速度，显著提高钢的淬透性，Cr还使奥氏体中碳的极限溶解度减少，但Cr降低伸长率和断面收缩率不宜过高，因此本发明确定的Cr含量范围为0.5～1.2％；

Mo：钼在钢中能提高淬透性，适当的Mo含量可以改善钢的延展性和韧性，在本发明中确定的Mo含量范围为0.1～0.4％；

Al：铝是钢良好的脱氧剂，另外还可以细化晶粒，降低了钢的脆性转变温度，改善钢的韧性，在本发明中确定的Al含量范围为0.01～0.1％；

本发明的高强高韧无碳化物贝氏体无缝钢管采用的是C-Si-Ni-Cr系合金钢，具体的生产工艺如下：

冶炼工艺：采用超高频电弧炉冶炼，为保证冶炼质量，采用90t以上的大电炉，为保证尽量少的杂质元素，原料采用铁水+优质废钢，在电炉冶炼初期形成钢水，在后续的工序中完成合金化，并将钢水中P含量降低到0.020％以下；采用LF炉进行去夹杂物处理和深脱S，使S含量降低到0.010％以下，并进行合金化微调；采用真空精炼设备为VD、VOD或RH，脱除钢水中的有害气体，将N含量降低到100ppm以下，H含量降低到2ppm及以下；本发明将钢水铸成管坯采用连铸方法，为改善管坯内部质量，采用结晶器电磁搅拌。

轧管工艺：为防止高合金钢穿孔时升温过高造成的毛管内壁开裂等缺陷，管坯在环形加热炉加热到1050～1200℃进行穿孔，多机架连轧温度为1000～1100℃，定减径机定径温度保持在900～1000℃范围内，冷却采用自然空冷。

热处理工艺：为进一步改善轧态钢管的韧性，将钢管在回火炉中，对热轧无缝钢管进行250～350℃的回火处理，回火保温时间根据钢管规格为60～90min，出炉后自然空冷。

根据本发明的无缝钢管成分范围及生产工艺，冶炼轧制本发明的无缝钢管的实际化学成分如表1，由图1所示的该类钢CCT曲线可以看出在1～0.1℃/s的空冷速度下可以得到贝氏体而不产生铁素体。由图2所示该类钢管的金相组织可知，其金相组织为无碳化物贝氏体+回火马氏体+残余奥氏体。表中实例钢管的力学性能见表2，由表中可知，该类钢管的屈服强度达到了1000～1250MPa，相当于美标140～175Psi钢级，且韧性均超过了50J。

另外，该钢管的另一特点就是较低的屈强比，表3列出了一些高钢级钢管的屈强比与本发明的无缝钢管屈强比的比较，由表中可以看出，本发明钢管的屈强比明显比其他高钢级产品的屈强比低，由于较低的屈强比，使得本发明的高强度管材在使用过程中的安全性大大提高。同时该发明钢管的生产工艺简单，不需要调质处理，避免了以往调质处理厚规格钢管时因淬不透而引起的组织不均匀的问题。

综合上述本发明的特点，本发明的高强高韧低屈强比无碳贝氏体无缝钢管可以应用到石油开采用油管、套管、射孔枪管、钻铤及钻杆等产品，也可以应用到其它高强机械或结构用无缝钢管上。

表1本发明实例无缝钢管实际化学成分(质量百分比/％)

表2无碳化物贝氏体无缝钢管的力学性能

表3一些高钢级无缝钢管的屈强比与本发明的屈强比的比较

Claims (3)

1.一种高强高韧低屈强比的无碳贝氏体无缝钢管，其特征是：该无缝钢管的化学成分按重量％为：C 0.26～0.35％、Si 0.9～1.6％、Mn 0.1～0.8％、Ni 2.0～3.7％、Cr 0.5～1.2％、Mo 0.1～0.4％、Al 0.01～0.1，余量为Fe及不可避免元素。

2.根据权利要求1所述的无缝钢管，其特征是：该钢管的屈服强度为：1000MPa以上，抗拉强度为：1300MPa以上，屈强比低于80％，0℃的韧性冲击功大于40J。

3.一种所述高强高韧低屈强比的无碳贝氏体无缝钢管的生产方法，该方法包括以下步骤：

冶炼：采用90t以上超高频电弧炉冶炼，原料采用铁水+优质废钢，在电炉冶炼初期形成钢水，在后续的工序中完成合金化和钢水脱不可避免元素中的P；采用LF炉进行去夹杂物处理和钢水脱不可避免元素中的S；采用真空精炼设备VD、VOD或RH脱除钢水中的有害气体；采用连铸方法将钢水铸成管坯，连铸采用结晶器电磁搅拌；

轧管：管坯在环形加热炉加热到1050～1200℃进行穿孔，多机架连轧温度为1000～1100℃，定减径机定径温度保持在900～1000℃范围内，冷却采用自然空冷；

热处理：经上述热轧的无缝钢管进行温度为250～350℃的低温回火处理，根据钢管规格回火保温时间为60～90min，出炉后自然空冷。

Images