CN108286016A - 一种采矿钻杆用锻造钢及其制备方法 - Google Patents

一种采矿钻杆用锻造钢及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种采矿钻杆用锻造钢及其制备方法，涉及机械零件加工技术领域，该锻造钢包括以下元素成分：Fe、C、Si、Cr、Mn、Ni、Mo、P、S、N、B和不可去除的杂质元素。其制备方法是通过熔炼加热、锻造以及热处理制得的。本发明的锻造钢整体性能稳定优越，具有无磁性、高强度和优异耐腐蚀性能的特点，使用寿命长，应用宽泛，非常适用于采矿钻杆。

Description

一种采矿钻杆用锻造钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及机械零件加工技术领域，具体涉及一种采矿钻杆用锻造钢及其制备方法。
背景技术
在矿产开采的过程中，需要使用具有机械、物理及化学等方面有特殊性能的高品质 钢材。而目前用于矿产开采的钻探合金钢，不仅容易接触到各种形态的岩层，与腐蚀性介质发生反应，还需具备一定无磁性，从而根据地球的磁场确定钻探工具的确切位置， 然后控制钻探的方向，所以钻具要足够的强度及耐腐蚀性。考虑到地质岩层的复杂性， 钻铤合金锻造钢在操作中应具有更长的使用奉命，因此，提升合金锻造钢的性能尤为关 键。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种采矿钻杆用锻造钢及其制备方法， 该种锻造钢整体性能稳定优越，具有无磁性、高强度和优异耐腐蚀性能的特点，使用寿命长，应用宽泛，非常适用于采矿钻杆。
为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现的：
一种采矿钻杆用锻造钢，该锻造钢的锻造组织为奥氏体组织，包括以下按重量百分 比计的元素成分：C：0.03-0.08％，Si：0.4-1.0％，Cr：6.15-10.0％，Mn：5.40-8.36％，Ni：0.35-0.65％，Mo：0.25-0.45％，P：≤0.006％；S：≤0.005％；N：0.004-0.008％； B：0.002-0.005％；余量为Fe和不可去除的杂质元素。
进一步地，上述锻造钢包括以下按重量百分比计的元素成分：C：0.04-0.06％，Si：0.6-0.8％，Cr：7.0-9.0％，Mn：6.50-7.50％，Ni：0.45-0.55％，Mo：0.30-0.40％，P： ≤0.005％；S：≤0.003％；N：0.005-0.007％；B：0.003-0.005％；余量为Fe和不可 去除的杂质元素。
更进一步地，上述锻造钢包括以下按重量百分比计的元素成分：C：0.05％，Si：0.7％， Cr：8.0％，Mn：7.0％，Ni：0.50％，Mo：0.35％，P：≤0.003％；S：≤0.002％；N：0.006％；B：0.004％；余量为Fe和不可去除的杂质元素。
上述的一种采矿钻杆用锻造钢的制备方法，按照以下步骤进行：
(1)熔炼加热：将钢锭置于加热炉中，加热至1240-1380℃，保温8-10h；
(2)锻造：
初锻：将加热后的钢锭在温度960-1140℃范围内进行初次锻造，得锻坯；
保温成型：将所述锻坯置于加热炉中，在1020-1240℃条件下保温3-5h，然后锻造得到初步成型的锻件；
终锻：将所述初步成型的锻件在温度1050-1150℃范围内进行最终锻造，得到成品锻件；
(3)热处理：
预热：将所述成品锻件加热至880-1020℃，保温50-60min后风冷至340-380℃， 之后再加热至760-810℃，保温40-50min后出炉空冷至室温；
第一次回火：将预热后的锻件输送至回火炉中，加热至600-640℃，保温4-6h后随炉空冷至室温；
感应淬火：对所述锻件先后进行一段感应淬火处理和二段感应淬火处理；
第二次回火：将淬火后的锻件置于回火炉中，加热至480-520℃，保温8-12h后随炉空冷至室温。
进一步地，上述初锻的锻造比为1.2-1.4。
进一步地，上述终锻的锻造比为1.5-1.8。
进一步地，上述一段感应淬火温度为880-960℃，淬火时间为35-45min。
进一步地，上述二段感应淬火温度为980-1120℃，淬火时间为30-40min。
本发明具有如下的有益效果：
(1)本发明的采矿钻杆用锻造钢通过对钢材的熔炼加热、锻造以及热处理，消除了杆件表面的应力，消除了各向同性及剩磁，降低了输入功率，使得成品锻造钢内部结 构晶粒均匀，表面裂纹小，各种晶体分布合理，整体性能良好，性能波动范围小，与现 有常规锻造及调质热处理相比，该种方法制得的锻造钢性能指标集中度高，性能稳定， 同一钢级的热处理性能：该种锻造钢屈服强度波动范围可≤40MPa，钢管性能合格率可 达99％以上；
(2)本发明通过对锻造钢成分元素的调控优化，将锻造钢中碳含量控制在 0.03-0.08wt％以下，铬含量控制在6.15-10.0wt％、锰含量控制在5.40-8.36wt％等，扩 大了氮在钢中的溶解度，提高了钢材的强度和耐腐蚀性能并具有稳定的奥氏体组织，保 证了无磁特性；另将钢中硫含量控制在0.005wt％以下、磷含量控制0.006wt％以下，减 少了产品的偏析现象；还在钢中添加了0.002-0.005wt％的硼，解决了锻造钢机械加工和 热处理中易开裂问题，提高了高锰高氮钢的热加工塑性，并细化了晶粒，提高了材料力 学强度，使用寿命长，应用宽泛。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步描述，以下实施例仅用于更加清 楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1
一种采矿钻杆用锻造钢，包括下表1中的元素成分：
表1
元素 重量百分比(％)
C 0.03
Si 0.4
Cr 6.15
Mn 5.40
Ni 0.35
Mo 0.25
P ≤0.006％
S ≤0.005％
N 0.004
B 0.002
其它 Fe和不可去除的杂质元素
上述的一种采矿钻杆用锻造钢的制备方法，按照以下步骤进行：
(1)熔炼加热：将钢锭置于加热炉中，加热至1240℃，保温8h；
(2)锻造：
初锻：将加热后的钢锭在温度960℃范围内进行初次锻造，锻造比为1.2，得锻坯；
保温成型：将所述锻坯置于加热炉中，在1020℃条件下保温3h，然后锻造得到初步成型的锻件；
终锻：将所述初步成型的锻件在温度1050℃范围内进行最终锻造，锻造比为1.5，得到成品锻件；
(3)热处理：
预热：将所述成品锻件加热至880℃，保温50min后风冷至340℃，之后再加热至760℃，保温40min后出炉空冷至室温；
第一次回火：将预热后的锻件输送至回火炉中，加热至600℃，保温4h后随炉空冷至室温；
感应淬火：将第一次回火后的锻件输送至高频淬火设备中进行两段感应淬火处理， 其中，一段感应淬火温度为880℃，淬火时间为35min；上述二段感应淬火温度为980℃，淬火时间为30min；
第二次回火：将淬火后的锻件置于回火炉中，加热至480℃，保温8h后随炉空冷至室温，最后经检验入库即完成对采矿钻杆用锻造钢的制备。
实施例2
一种采矿钻杆用锻造钢，包括下表2中的元素成分：
表2
元素 重量百分比(％)
C 0.04
Si 0.6
Cr 7.0
Mn 6.50
Ni 0.45
Mo 0.30
P ≤0.005％
S ≤0.003％
N 0.005
B 0.003
其它 Fe和不可去除的杂质元素
上述的一种采矿钻杆用锻造钢的制备方法，按照以下步骤进行：
(1)熔炼加热：将钢锭置于加热炉中，加热至1260℃，保温8.5h；
(2)锻造：
初锻：将加热后的钢锭在温度1000℃范围内进行初次锻造，锻造比为1.3，得锻坯；
保温成型：将所述锻坯置于加热炉中，在1080℃条件下保温3.5h，然后锻造得到初步成型的锻件；
终锻：将所述初步成型的锻件在温度1080℃范围内进行最终锻造，锻造比为1.6，得到成品锻件；
(3)热处理：
预热：将所述成品锻件加热至900℃，保温55min后风冷至350℃，之后再加热至770℃，保温45min后出炉空冷至室温；
第一次回火：将预热后的锻件输送至回火炉中，加热至610℃，保温4.5h后随炉空冷至室温；
感应淬火：将第一次回火后的锻件输送至高频淬火设备中进行两段感应淬火处理， 其中，一段感应淬火温度为900℃，淬火时间为40min；上述二段感应淬火温度为1020℃， 淬火时间为35min；
第二次回火：将淬火后的锻件置于回火炉中，加热至490℃，保温9h后随炉空冷至室温，最后经检验入库即完成对采矿钻杆用锻造钢的制备。
实施例3
一种采矿钻杆用锻造钢，包括下表3中的元素成分：
表3
上述的一种采矿钻杆用锻造钢的制备方法，按照以下步骤进行：
(1)熔炼加热：将钢锭置于加热炉中，加热至1310℃，保温9h；
(2)锻造：
初锻：将加热后的钢锭在温度1050℃范围内进行初次锻造，锻造比为1.3，得锻坯；
保温成型：将所述锻坯置于加热炉中，在1160℃条件下保温4h，然后锻造得到初步成型的锻件；
终锻：将所述初步成型的锻件在温度1100℃范围内进行最终锻造，锻造比为1.6，得到成品锻件；
(3)热处理：
预热：将所述成品锻件加热至950℃，保温55min后风冷至360℃，之后再加热至780℃，保温45min后出炉空冷至室温；
第一次回火：将预热后的锻件输送至回火炉中，加热至620℃，保温5h后随炉空冷至室温；
感应淬火：将第一次回火后的锻件输送至高频淬火设备中进行两段感应淬火处理， 其中，一段感应淬火温度为920℃，淬火时间为40min；上述二段感应淬火温度为1050℃， 淬火时间为35min；
第二次回火：将淬火后的锻件置于回火炉中，加热至500℃，保温10h后随炉空冷至室温，最后经检验入库即完成对采矿钻杆用锻造钢的制备。
实施例4
一种采矿钻杆用锻造钢，包括下表4中的元素成分：
表4
上述的一种采矿钻杆用锻造钢的制备方法，按照以下步骤进行：
(1)熔炼加热：将钢锭置于加热炉中，加热至1360℃，保温9.5h；
(2)锻造：
初锻：将加热后的钢锭在温度1100℃范围内进行初次锻造，锻造比为1.3，得锻坯；
保温成型：将所述锻坯置于加热炉中，在1200℃条件下保温4.5h，然后锻造得到初步成型的锻件；
终锻：将所述初步成型的锻件在温度1120℃范围内进行最终锻造，锻造比为1.7，得到成品锻件；
(3)热处理：
预热：将所述成品锻件加热至980℃，保温55min后风冷至370℃，之后再加热至800℃，保温45min后出炉空冷至室温；
第一次回火：将预热后的锻件输送至回火炉中，加热至630℃，保温5.5h后随炉空冷至室温；
感应淬火：将第一次回火后的锻件输送至高频淬火设备中进行两段感应淬火处理， 其中，一段感应淬火温度为940℃，淬火时间为40min；上述二段感应淬火温度为1100℃， 淬火时间为35min；
第二次回火：将淬火后的锻件置于回火炉中，加热至510℃，保温11h后随炉空冷至室温，最后经检验入库即完成对采矿钻杆用锻造钢的制备。
实施例5
一种采矿钻杆用锻造钢，包括下表5中的元素成分：
表5
元素 重量百分比(％)
C 0.08
Si 1.0
Cr 10.0
Mn 8.36
Ni 0.65
Mo 0.45
P ≤0.006
S ≤0.005
N 0.008
B 0.005
其它 Fe和不可去除的杂质元素
上述的一种采矿钻杆用锻造钢的制备方法，按照以下步骤进行：
(1)熔炼加热：将钢锭置于加热炉中，加热至1380℃，保温10h；
(2)锻造：
初锻：将加热后的钢锭在温度1140℃范围内进行初次锻造，锻造比为1.4，得锻坯；
保温成型：将所述锻坯置于加热炉中，在1240℃条件下保温5h，然后锻造得到初步成型的锻件；
终锻：将所述初步成型的锻件在温度1150℃范围内进行最终锻造，锻造比为1.8，得到成品锻件；
(3)热处理：
预热：将所述成品锻件加热至1020℃，保温60min后风冷至380℃，之后再加热至810℃，保温50min后出炉空冷至室温；
第一次回火：将预热后的锻件输送至回火炉中，加热至640℃，保温6h后随炉空冷至室温；
感应淬火：将第一次回火后的锻件输送至高频淬火设备中进行两段感应淬火处理， 其中，一段感应淬火温度为960℃，淬火时间为45min；上述二段感应淬火温度为1120℃， 淬火时间为40min；
第二次回火：将淬火后的锻件置于回火炉中，加热至520℃，保温12h后随炉空冷至室温，最后经检验入库即完成对采矿钻杆用锻造钢的制备。
性能检测
对上述实施例1-5制得的锻造钢批次进行性能检测，检测结果见下表6所示：
表6
上述中，腐蚀率的检测，采用晶间腐蚀敏感性的测定，包括硝酸试验(240小时， 沸腾溶液)，硫酸-硫酸铁试验(120小时，沸腾溶液)，铜屑-硫酸铜-硫酸试验(15 小时，沸腾溶液)以及铜屑-硫酸铜-50％硫酸试验(沸腾溶液)。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施 例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的 精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围 之内。

Claims (8)

1.一种采矿钻杆用锻造钢，所述锻造钢的锻造组织为奥氏体组织，其特征在于，包括以下按重量百分比计的元素成分：C：0.03-0.08％，Si：0.4-1.0％，Cr：6.15-10.0％，Mn：5.40-8.36％，Ni：0.35-0.65％，Mo：0.25-0.45％，P：≤0.006％；S：≤0.005％；N：0.004-0.008％；B：0.002-0.005％；余量为Fe和不可去除的杂质元素。
2.根据权利要求1所述的一种采矿钻杆用锻造钢，其特征在于，包括以下按重量百分比计的元素成分：C：0.04-0.06％，Si：0.6-0.8％，Cr：7.0-9.0％，Mn：6.50-7.50％，Ni：0.45-0.55％，Mo：0.30-0.40％，P：≤0.005％；S：≤0.003％；N：0.005-0.007％；B：0.003-0.005％；余量为Fe和不可去除的杂质元素。
3.根据权利要求1所述的一种采矿钻杆用锻造钢，其特征在于，包括以下按重量百分比计的元素成分：C：0.05％，Si：0.7％，Cr：8.0％，Mn：7.0％，Ni：0.50％，Mo：0.35％，P：≤0.003％；S：≤0.002％；N：0.006％；B：0.004％；余量为Fe和不可去除的杂质元素。
4.一种如权利要求1-3任意一项所述的采矿钻杆用锻造钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)熔炼加热：将钢锭置于加热炉中，加热至1240-1380℃，保温8-10h；
(2)锻造：
初锻：将加热后的钢锭在温度960-1140℃范围内进行初次锻造，得锻坯；
保温成型：将所述锻坯置于加热炉中，在1020-1240℃条件下保温3-5h，然后锻造得到初步成型的锻件；
终锻：将所述初步成型的锻件在温度1050-1150℃范围内进行最终锻造，得到成品锻件；
(3)热处理：
预热：将所述成品锻件加热至880-1020℃，保温50-60min后风冷至340-380℃，之后再加热至760-810℃，保温40-50min后出炉空冷至室温；
第一次回火：将预热后的锻件输送至回火炉中，加热至600-640℃，保温4-6h后随炉空冷至室温；
感应淬火：对所述锻件先后进行一段感应淬火处理和二段感应淬火处理；
第二次回火：将淬火后的锻件置于回火炉中，加热至480-520℃，保温8-12h后随炉空冷至室温。
5.根据权利要求4所述的一种采矿钻杆用锻造钢的制备方法，其特征在于，所述初锻的锻造比为1.2-1.4。
6.根据权利要求4所述的一种采矿钻杆用锻造钢的制备方法，其特征在于，所述终锻的锻造比为1.5-1.8。
7.根据权利要求4所述的一种采矿钻杆用锻造钢的制备方法，其特征在于，所述一段感应淬火温度为880-960℃，淬火时间为35-45min。
8.根据权利要求4所述的一种采矿钻杆用锻造钢的制备方法，其特征在于，所述二段感应淬火温度为980-1120℃，淬火时间为30-40min。
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