CN103572176B - 一种低碳马氏体钢及其制备吊环的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低碳马氏体钢，由下述的组分按照Wt%组成：0.19≤C≤0.24、Si≤0.37、P≤0.015、S≤0.015、2≤Mn≤2.4、0.7≤Cr≤1、1.4≤Ni≤1.7、0.4≤Mo≤0.5、0.07≤V≤0.12，其余为Fe，合计为100%。本发明还公开了一种利用上述的低碳马氏体钢制备吊环的方法。本发明的低碳马氏体钢，不但保证了吊环钢的高强度，还具有良好的低温韧性，达到API？Spec8C和SY/T5035中规定的Akv（-20℃）≥42J的规范要求。使常规吊环产品（500吨以下）在不改变原设计图纸和原有锻造工艺的情况下能够生产出满足API8C和SY/T5035的低温性能要求，易于加工，能进行工业化批量生产。

Description

一种低碳马氏体钢及其制备吊环的方法

技术领域

本发明属于材料制备技术领域，用于制作APISpec8C中的高强韧性吊环产品，涉及一种低碳马氏体钢，本发明还涉及利用该种低碳马氏体钢制备吊环的方法。

背景技术

吊环是石油钻机装备游吊系统中的一个关键部件，目前吊环产品所采用的钢为20SiMn2MoVA和20Cr2Ni4。在不同的作业环境下，钻机零部件的使用状况也不同，尤其在一些寒冷的地区，对钻机零部件的低温性能要求就更高，最关键的力学指标就是低温冲击韧性。在零下20℃的环境下，现有的20SiMn2MoVA钢的平均冲击韧性值不足42J，达不到APISpec8C和SY/T5035中规定的Akv（-20℃）≥42J的规范要求；而20Cr2Ni4钢的低温性能虽然较好，-20℃的夏比冲击韧性Akv能满足APISpec8C和SY/T5035，但20Cr2Ni4钢在制造吊环产品的过程中可锻性差，打磨困难，成本又较高，生产效率低，所以不适用于工业化批量生产。

发明内容

本发明的目的是提供一种低碳马氏体钢，解决了现有高强钢在淬回火热处理工艺条件下的力学性能、尤其是低温韧性，不能满足石油钻采装备服役条件的问题。

本发明的另一目的是提供利用该种低碳马氏体钢制备吊环的方法。

本发明所采用的技术方案是，一种低碳马氏体钢，由下述的组分按照Wt%组成：0.19≤C≤0.24、Si≤0.37、P≤0.015、S≤0.015、2≤Mn≤2.4、0.7≤Cr≤1、1.4≤Ni≤1.7、0.4≤Mo≤0.5、0.07≤V≤0.12，其余为Fe，合计为100%。

本发明所采用的另一技术方案是，一种利用上述的低碳马氏体钢制备吊环的方法，按照以下步骤实施：

步骤1、按照以下质量百分比分别称量各个组分：0.19≤C≤0.24、Si≤0.37、P≤0.015、S≤0.015、2≤Mn≤2.4、0.7≤Cr≤1、1.4≤Ni≤1.7、0.4≤Mo≤0.5、0.07≤V≤0.12，其余为Fe，合计为100%，一起进行冶炼；

步骤2、将步骤1冶炼得到的钢液，在真空下采用电弧加热钢液和吹氩气搅拌钢液脱气，最后采用电渣重熔技术进行组织均匀化处理；

步骤3、钢液浇注时采用吹起式滑动水口吹入惰性气体，均匀成分和温度，净化钢水，浇注的钢锭经坑冷缓冷不少于48小时；

步骤4、钢锭锻造，对步骤3得到的钢锭锻造时要留有足够的切头切尾量，锻造比不小于3；锻后经退火处理，得到制备吊环产品所需的圆钢；

步骤5、毛坯加工，对步骤4得到的圆钢表面经机加工车光；

步骤6、热处理：对步骤5处理后的圆钢进行自由锻制成吊环产品，之后将吊环产品热处理，即成。

本发明的有益效果是，不但保证了吊环钢的高强度，还具有良好的低温韧性，达到APISpec8C和SY/T5035中规定的Akv（-20℃）≥42J的规范要求。使常规吊环产品（500吨以下）在不改变原设计图纸和原有锻造工艺的情况下能够生产出满足API8C和SY/T5035的低温性能要求，易于加工，能进行工业化批量生产。

附图说明

图1是回火温度对本发明钢的强度影响曲线；

图2是回火温度对本发明钢的塑性影响曲线；

图3是回火温度对本发明钢的冲击性影响曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明的低碳马氏体钢，用于制作石油钻井吊环，由下述的组分按照Wt%组成：0.19≤C≤0.24、Si≤0.37、P≤0.015、S≤0.015、2≤Mn≤2.4、0.7≤Cr≤1、1.4≤Ni≤1.7、0.4≤Mo≤0.5、0.07≤V≤0.12，其余为Fe，合计为100%。

本发明低碳马氏体钢的组织结构因素是：位错亚结构，马氏体条束尺寸，马氏体条粗细；ε-碳化物、置换固溶和间隙固溶。低碳马氏体钢的第一类回火脆性的发生已推移到400℃以上的温度。当它的淬火马氏体组织在低于350℃的温度范围内回火时，抗拉强度与缺口冲击韧性AK和断裂韧性KIC的变化趋势是相一致的，表现出强韧性良好配合的特性，这是难能可贵的。而一般的中碳结构钢不是这样的，要经过调质处理以后才有明显的起色，但强度牺牲太多。由于低碳马氏体低温回火性能具有强韧性同步变化的特征，本发明给出的思路是：在保持低碳马氏体钢强韧性同步协调的变化特点下，设法提高其韧性，与此同时使强度也有所改善，以期其强韧性组合更趋完善。

本发明低碳马氏体钢为取得更高水平的韧性和强度，在成分设计上有以下特点：

首先，适当的增高马氏体的间隙固溶C含量，但C含量不能超过0.25%。第二，将C含量增多些，固然可以提高强度，但塑性和韧性将迅速下降，因此还需要在钢中加入适量的Ni、Mn元素，这种做法的指导思想是：稳定的残余奥氏体薄膜可使裂纹钝化或分叉，因而韧性相奥氏体的存在对改善韧性很有好处；Ni和Mn是奥氏体形成元素的代表，这两个扩大γ-区元素的加入能够保证钢中残余未转变的奥氏体具有足够的稳定性，直接的提高钢的塑性和韧性。当前现有的合金元素中还没有另外的元素能代替得了Ni这个角色。Ni和Mn亦兼顾的可发挥置换固溶强化作用，Ni的加入量控制在1.5%左右。第三，考虑到回火脆性问题，要用Mo来抑制回火脆性，Mo加入量要大于0.3%，Mo也可起一定的置换故溶强化作用。第四，Cr是提高淬透性和耐蚀性所需要的元素，低碳马氏体钢的推广应用曾因其差的马氏体淬透性而受到冷遇，因此必须考虑提高它的淬透性，Cr正是为着这个目的而添加的。第五，V的加入在于使奥氏体保持住细晶粒状态。所以，按上述微合金化思路，在原吊环钢的基础上通过加入Cr、Ni，降低Si含量，调整C、Mn、Mo等元素的成分，得到了高强韧性低碳低碳马氏体钢，具体成分参照表1中的3#钢。

本发明制备吊环的方法，利用上述的低碳马氏体钢，按照以下步骤实施：

步骤1、按照以下质量百分比分别称量各个组分：0.19≤C≤0.24、Si≤0.37、P≤0.015、S≤0.015、2≤Mn≤2.4、0.7≤Cr≤1、1.4≤Ni≤1.7、0.4≤Mo≤0.5、0.07≤V≤0.12，其余为Fe，合计为100%，一起进行冶炼；

步骤2、将步骤1冶炼得到的钢液，在真空下采用电弧加热钢液和吹氩气搅拌钢液脱气，最后采用电渣重熔技术进行组织均匀化处理，即得；

步骤3、钢锭浇注，钢液浇注时采用吹起式滑动水口吹入惰性气体，均匀成分和温度，净化钢水，浇注的钢锭经坑冷缓冷不少于48小时。吹起式滑动水口是一种冷却方式，就是将出炉的钢锭放置在类似坑一样的地方，让其缓慢冷却至常温。

步骤4、钢锭锻造，对步骤3得到的钢锭锻造时要留有足够的切头切尾量，以保证锻造质量，锻造比不小于3；锻后经退火处理，以避免造成氢致缺陷，并降低硬度便于机加工，得到制备吊环产品所需的圆钢；

步骤5、毛坯加工，对步骤4得到的圆钢表面经机加工车光，使其表面不得存在裂纹、折叠、氧化皮等缺陷，且保证圆钢质量达到要求；

步骤6、热处理：对步骤5处理后的圆钢进行自由锻制成吊环产品，并附带90mm的等效试棒，之后将吊环产品同等效试棒同炉热处理，热处理工艺参数为：淬水910±20℃保温不少于45分钟，回火150～200℃保温不少于180分钟，空冷。

按照表1的成分和技术条件进行对照例（1#、2#）与实施例（3#、4#、5#）五种编号配比的冶炼，钢液须采用炉外精炼和电渣重熔工艺，对比实验时，同时制作五种直径为250mm的吊环钢，编号分别为1#、2#、3#、4#、5#，具体成分参照表1。

表1本发明实施例3-5的低碳马氏体钢与对照例1-2的成分对照表。

对应表1中五种吊环钢的编号，分别锻造了一只90mm等效圆试棒，并进行了930℃正火及690℃高温回火前期热处理。

另外，对应表1中五种吊环钢的化学组分，计算出各自的相变点，制定合理的热处理工艺对90mm等效圆试棒进行热处理，并进行力学性能试验，其结果见表2。

表2淬火温度对五种实施例钢力学性能的影响

由表2可看出，1#钢-20℃冲击吸收功低，2#钢屈服强度Rp0.2较差，3#钢各项性能指标较好，因此选3#、4#、5#钢进行以下的回火温度试验，其中的3#钢具体试样参数见表3及表4。

表3热处理回火温度参数

表4回火温度试验结果

回火温度对3#钢的力学性能影响如下：

见图1、图2、图3，试验结果表明，回火温度对钢的强度和韧性有较大的影响，而对钢的塑性影响较小。在150～300℃回火范围内，随着回火温度的上升，强度随之下降，从变化趋势来看，抗拉强度下降的幅度较大，而屈服强度下降缓慢（见图1）；塑性变化不大，但存在一个不明显的峰值（见图2）；回火温度对冲击韧性有显著的影响，存在一个明显的峰值，峰值出现在150～200℃，超过200℃时，冲击韧性明显下降，300℃回火时降至最低点（见图3）。引起250℃、300℃回火后韧性急剧降低的原因是由于3#钢Si含量较低，降低了ε碳化物和残余奥氏体的稳定性，把钢的回火马氏体脆性低谷移向更低的温度，导致了残余奥氏体薄膜失稳分解和碳化物沉淀。据有关文献表明，残余奥氏体薄膜分解和碳化物析出有致脆作用。

回火温度对3#钢组织的影响如下：

对3#钢经910℃淬火、150℃和250℃回火后的金相组织分析，两种回火温度后的金相组织基本为板条马氏体，并存在有少量下贝氏体。综合上述分析，同时考虑强度、塑性和冲击韧性，回火温度在150℃～200℃，3#钢的综合力学性能最佳。

4#、5#钢经上述热处理工艺试验后，其结果与3#钢类似，在此不再重复。

综上所述，本发明低碳马氏体钢在原有的吊环钢20SiMn2MoVA的基础上，降低合金元素Si含量、添加适量Cr和Ni元素、适当提高C含量，制作出了高强韧性低碳马氏体钢，并对该钢种的热处理工艺进行了分析，探讨了毛坯尺寸等条件对组织和性能的影响，通过对其进行的强度试验、低温冲击和淬透性对其性能进行了检测。

Claims (1)

1.一种利用低碳马氏体钢制备吊环的方法，其特征在于，按照以下步骤实施：

步骤1、按照以下质量百分比分别称量各个组分：0.19≤C≤0.24、Si≤0.37、P≤0.015、S≤0.015、2≤Mn≤2.4、0.7≤Cr≤1、1.4≤Ni≤1.7、0.4≤Mo≤0.5、0.07≤V≤0.12，其余为Fe，合计为100％，一起进行冶炼；

步骤2、将步骤1冶炼得到的钢液，在真空下采用电弧加热钢液和吹氩气搅拌钢液脱气，最后采用电渣重熔技术进行组织均匀化处理；

步骤3、钢液浇注时采用吹起式滑动水口吹入惰性气体，均匀成分和温度，净化钢水，浇注的钢锭经坑冷缓冷不少于48小时；

步骤4、钢锭锻造，对步骤3得到的钢锭锻造时要留有足够的切头切尾量，锻造比不小于3；锻后经退火处理，得到制备吊环产品所需的圆钢；

步骤5、毛坯加工，对步骤4得到的圆钢表面经机加工车光；

步骤6、热处理：对步骤5处理后的圆钢进行自由锻制成吊环产品，之后将吊环产品热处理，热处理工艺参数为：淬水910±20℃保温不少于45分钟，回火150～200℃保温不少于180分钟，空冷，即成。