CN108300941A

CN108300941A - 一种高压泥浆泵泵体用钢及其制造方法

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Publication number: CN108300941A
Application number: CN201810115059.3A
Authority: CN
Inventors: 王棣; 张灵通; 朱林林; 王涛; 王元明; 王俊利; 信霖; 张刚; 李文双; 付鹏冲; 张良; 刘菲; 郭金龙; 刘金池; 高攀峰; 刘梦亭; 张成连
Original assignee: Xi Wang Metal Technology Co Ltd
Current assignee: Xi Wang Metal Technology Co Ltd
Priority date: 2018-02-05
Filing date: 2018-02-05
Publication date: 2018-07-20
Anticipated expiration: 2038-02-05
Also published as: CN108300941B

Abstract

本发明涉及钢铁技术领域，尤其涉及一种高压泥浆泵泵体用钢及其制造方法，包括以下组分：碳0.27~0.33%，硅0.20~0.35%，锰0.75~1.00%，铬0.70~1.00%，镍1.65~2.00%，钼0.35~0.50%，钒0.05~0.15%，铜≤0.15%，铝0.010~0.035%，磷≤0.025%，硫≤0.025%，稀土0.05~0.07%。本发明所述的高压泥浆泵泵体用钢，作为国家页岩气重点工程用钢，钢牌号30CrNi2MoVREA，通过对成分进行微量元素稀土强化，以及制造过程中的各项控制措施，使得制造出的轴承钢具有更高的洁净度，更稳定的力学性能，更好的耐磨性，实现了更高的疲劳寿命。

Description

一种高压泥浆泵泵体用钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及钢铁技术领域，尤其涉及一种高压泥浆泵泵体用钢及其制造方法。

背景技术

30CrNi2MoVREA作为国家页岩气重点工程高压泥浆泵泵体主要的构成材料，其应用过程要承受住3000马力的高压泥浆的冲力及腐蚀，使用条件极其恶劣。

因此，如何设计并研发出一种具备更高性能稳定性和更高使用寿命的国家页岩气重点工程高压泥浆泵泵体用钢就成为了亟待解决的问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种高压泥浆泵泵体用钢，具体技术方案如下：

一种高压泥浆泵泵体用钢，包括以下组分：碳0.27～0.33％，硅0.20～0.35％，锰0.75～1.00％，铬0.70～1.00％，镍1.65～2.00％，钼0.35～0.50％，钒0.05～0.15％，铜≤0.15％，铝0.010～0.035％，磷≤0.025％，硫≤0.025％，稀土0.05～0.07％。

作为优选，所述高压泥浆泵泵体用钢的力学性能为：Rm≥885MPa，Rp0.2≥735MPa，A≥15％，Z≥45％，KV₂(-20℃)≥42J。

作为优选，所述稀土为纯度在99％以上的高纯稀土。

作为优选，所述高压泥浆泵泵体用钢的塑性夹杂物控制在≤50μm；脆性夹杂物控制在≤50μm。

作为优选，将产品逐支按GB/T6402-2008标准进行超声波探伤检查，其合格级别为4级，使产品符合以下要求：长度或密集型点状不连续的当量平底孔直径≤2mm，单个点状不连续的当量平底孔直径≤3mm。

本发明还公开了上述任一所述的高压泥浆泵泵体用钢的制造方法，具体方案

如下：

一种高压泥浆泵泵体用钢的制造方法，包括以下步骤：

(1)真空精炼：利用一次沉淀脱氧方式，结合精炼渣系及真空保持及软吹步骤，实现钢的高洁净度要求；

(2)加入稀土：在真空精炼处理后加入稀土，采用套筒装置将稀土进行压入式压入；

(3)热处理工艺：淬火870±10℃、保温4小时，油冷；回火630±20℃、保温6小时，空冷，使钢产品的强度、塑性、韧性、综合性能指标的稳定性达到高标准要求。

作为优选，所述真空精炼的具体步骤如下：首先利用初炼炉出钢采用铝锭进行深脱氧，并配加渣料，确保铝将钢中的溶解氧全部以氧化物的形式吸附到渣中，保持整个精炼过程的双透气砖吹氩操作，真空精炼过程将真空保持时间稳定在15-20min，软吹时间15-20min。

作为优选，所述步骤1中精炼渣系采用中碱度精炼渣系，渣料碱度R＝4-6,在渣料中加入出钢量0.86％-1％的精炼石灰，出钢量0.29％的高碱度高铝精炼渣，出钢量0.029％-0.043％的炉萤石调渣。

作为优选，所述步骤2中稀土的加入方式为：将稀土提前5分钟加入套筒中，用软棉布将上口塞紧，然后破空后，开盖，将套筒插入钢水中，静置3分钟，待套筒融化，取出套杆，从而实现稀土真正的强化。

微合金元素V(钒)在钢中的作用：

V在钢中具有较高的溶解度，是微合金化钢最常用也是最有效的强化元素之一，钢中V的加入量在0.04％-0.12％之间。V的作用是通过形成V(C，N)(见图1)影响钢的组织和性能，主要在奥氏体晶界的铁素体中沉淀析出，在轧制过程中能抑制奥氏体的再结晶并阻止晶粒长大，从而起到细化铁素体晶粒、提高钢的强度和韧性。

钢中加V后，强度可以增加150-300MPa，通过对含钒钢进行低温轧制，使钢的晶粒得以细化，提高了钢的强韧性，扩大了含钒钢的使用范围，使含钒钢能用于多种技术要求的重要结构部位。V与钢中的氮具有较强的亲和力，可以固定钢中的“自由”氮，在钢中，V与C和“自由”N结合形成V(C，N)化合物，大大降低了钢中的“自由”N含量，避免了钢的应变时效性。

微量元素稀土(RE)在钢中的作用：

稀土(RE)元素在钢中的主要作用是除去钢水中杂质元素，特别是钢中加入稀土后可使硫含量从0.025％降到0.01％，并能改变残留夹杂物，主要是硫化锰的形状，从而提高钢的纯净度。另外稀土能够细化钢的凝固组织，改变夹杂物的性质、形态和分布，提高钢的各项性能。概括稀土的作用：(1)提高钢的冲击韧性；(2)降低钢的脆性转变温度；(3)改善钢的各项异性；(4)抑制晶粒长大倾向，细化晶粒；(5)抑制回火脆性；(6)提高热强性；(7)提高耐磨性；(8)提高抗氢致脆性；(9)提高疲劳性能。

所述高压泥浆泵泵体用钢的力学性能，其结果符合表1规定。

表1 力学性能要求

结合稀土元素的脱硫、脱氧、净化钢液作用，钢中[O]、[S]与钢中加入的稀土极易生成稀土的氧硫化物。加入钢中的稀土首先形成RE₂O₃S型夹杂物，而后形成RE₃S₄或RES型硫化物，稀土化合物和其他一般化合物的物性不同(见图3)，组成的复合夹杂物或稀土硅酸盐化合物，熔点高且非常稳定，呈球状，钢液经过适当的镇静之后，这些稀土氧化物、硫化物及稀土硅酸盐化合物将从钢中排除，从而净化了钢液。

夹杂物的“形态控制”是稀土在钢中的主要作用，稀土可控制硫、氧夹杂物的形态，当稀土加入量适宜时，稀土化合物在钢热加工变形时，保持细小的球形或纺锤形(见图4)，较均匀地分布在钢材中，消除了原先存在的沿钢材轧制方向分布的呈长条状MnS等夹杂，从而明显地表现在改善钢的横向韧性、高温塑性、焊接性能、疲劳性能、耐大气腐蚀性能等。稀土夹杂物的热膨胀系数和钢的近似，可以避免钢材热加工冷却时在夹杂物周围产生大的附加应力，有利于提高钢的疲劳强度。

结合强化机理，设计出材料独特的热处理工艺：淬火870±10℃、保温4小时，油冷；回火630±20℃、保温6小时，空冷，从而使钢的性能达到设计要求。

本发明的有益效果

本发明公开了一种高压泥浆泵泵体用钢，可作为国家页岩气重点工程用钢，钢牌号30CrNi2MoVREA，通过对成分进行微量元素稀土强化，以及制造过程中的各项控制措施，使得制造出的轴承钢具有更高的洁净度，更稳定的力学性能，更好的耐磨性，实现了更高的疲劳寿命，高的性能稳定性及抗疲劳性能，达到了高寿命的使用要求。

附图说明

图1：VN促进晶内铁素体的形成图；

图2：套筒装置结构示意图；

图3：钢中稀土化合物和其他一般化合物的物性比较；

图4：球形和纺锤形夹杂物电镜形貌图；

图5：塑性夹杂物和脆性夹杂物级别图；

图6：稀土强化后晶界形貌；

图7：屈服强度波动曲线图(单位：MPa)；

图8：抗拉强度波动曲线图(单位：MPa)；

图9：-20℃，KV₂波动曲线图(单位：J)；

图2中，1：套筒2：套杆。

具体实施方式：

为了更好地理解本发明，下面用具体实例来详细说明本发明的技术方案，但是本发明并不局限于此。

实施例1

一种高压泥浆泵泵体用钢，可作为国家页岩气重点工程用钢，钢牌号30CrNi2MoVREA，包括以下组分：碳0.27～0.33％，硅0.20～0.35％，锰0.75～1.00％，铬0.70～1.00％，镍1.65～2.00％，钼0.35～0.50％，钒0.05～0.15％，铜≤0.15％，铝0.010～0.035％，磷≤0.025％，硫≤0.025％，稀土0.05～0.07％。

作为优选，所述高压泥浆泵泵体用钢的力学性能为：Rm≥885MPa，Rp0.2≥735MPa，A≥15％，Z≥45％，KV2(-20℃)≥42J。

作为优选，所述稀土为纯度在99％以上的高纯稀土。

作为优选，所述高压泥浆泵泵体用钢的塑性夹杂物控制在≤2.5级；脆性夹杂物控制在2.5级。

因此，根据以上的成份设计，实施过程中的成分控制实测值见表2：

表2 化学成分内控控制范围

在制造30CrNi2MoVREA钢的过程中，实际控制成分的过程能力控制指数Cpk≥1.7，达到A+级水平，达到了设计要求，具体试验炉号成分见表3。

表3 实测化学成分控制值

实施例2

一种高压泥浆泵泵体用钢的制造方法，包括以下步骤：

作为优选，所述步骤1中精炼渣系采用中碱度精炼渣系，渣料碱度R＝4-6,在渣料中加入出钢量0.86％-1％的精炼石灰，出钢量0.29％的高碱度高铝精炼渣，出钢量0.029％-0.043％的炉萤石调渣。按照出钢量70吨计算，精炼石灰配入600公斤-700公斤/炉，高碱度高铝精炼渣200公斤/炉,配加20公斤/炉-30公斤/炉萤石调渣。从而实现了30CrNi2MoVREA钢塑性夹杂物控制在≤2.5级；脆性夹杂物控制在≤2.5级的设计要求，具体的见图5。

作为优选，所述步骤2中稀土的加入方式为：将稀土提前5分钟加入套筒1中，用软棉布将上口塞紧，然后破空后，开盖，将套筒插入钢水中，静置3分钟，待套筒融化，取出套杆2，从而实现稀土真正的强化。

稀土加入后，随着凝固的进行，主要富集在晶界，会与低熔点的有害元素(S和P)产生交互作用，抑制晶界的偏聚，从而强化了晶界，阻碍了晶界裂纹的形成和扩散，改善了钢的性能。具体强化后的晶界见图6。

结合稀土在钢中的变性作用，设计独特的热处理工艺：具体的将锻造的φ530mm圆钢每炉取2支，从试样心部半径的1/2范围内取拉伸缓冲击试样进行试验，采用淬火870±10℃、保温4小时，油冷；回火630±20℃、保温6小时，空冷的热处理制度，从而使30CrNi2MoVREA钢的性能达到设计要求。

实际检测的力学性能均高出设计要求，具体的波动曲线见图7-9，屈服强度、抗拉强度的波动均控制在50MPa以内，-20℃冲击波动控制在30J之内，总体性能指标稳定性良好。

本发明的一种高压泥浆泵泵体用钢，作为国家页岩气重点工程用钢，钢牌号30CrNi2MoVREA，通过对成分进行微量元素稀土强化，以及制造过程中的各项控制措施，使得制造出的轴承钢具有更高的洁净度，更稳定的力学性能，更好的耐磨性，实现了更高的疲劳寿命。

Claims

1.一种高压泥浆泵泵体用钢，其特征在于，包括以下组分：碳0.27~0.33%，硅0.20~0.35%，锰0.75~1.00%，铬0.70~1.00%，镍1.65~2.00%，钼0.35~0.50%，钒0.05~0.15%，铜≤0.15%，铝0.010~0.035%，磷≤0.025%，硫≤0.025%，稀土 0.05~0.07%。

2.根据权利要求1所述的高压泥浆泵泵体用钢，其特征在于，所述高压泥浆泵泵体用钢的力学性能为：Rm≥885MPa，Rp0.2≥735MPa，A≥15%，Z≥45%，KV₂（-20℃）≥42J。

3.根据权利要求1所述的高压泥浆泵泵体用钢，其特征在于，所述稀土为纯度在99%以上的高纯稀土。

4.根据权利要求1所述的高压泥浆泵泵体用钢，其特征在于，所述高压泥浆泵泵体用钢的塑性夹杂物控制在≤50μm；脆性夹杂物控制在≤50μm。

5.根据权利要求1所述的高压泥浆泵泵体用钢，其特征在于，将产品逐支按GB/T6402-2008标准进行超声波探伤检查，使产品符合以下要求：长度或密集型点状不连续的当量平底孔直径≤2mm，单个点状不连续的当量平底孔直径≤3mm。

6.如权利要求1-5任一所述的高压泥浆泵泵体用钢的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）真空精炼：利用一次沉淀脱氧方式，结合精炼渣系及真空保持及软吹步骤，实现钢的高洁净度要求；

（2）加入稀土：在真空精炼处理后加入稀土，采用套筒装置将稀土进行压入式压入；

（3）热处理工艺：淬火870±10℃、保温4小时，油冷；回火630±20℃、保温6小时，空冷。

7.根据权利要求6所述的高压泥浆泵泵体用钢的制造方法，其特征在于，所述真空精炼的具体步骤如下：首先利用初炼炉出钢采用铝锭进行深脱氧，并配加渣料，确保铝将钢中的溶解氧全部以氧化物的形式吸附到渣中，保持整个精炼过程的双透气砖吹氩操作，真空精炼过程将真空保持时间稳定在15-20min，软吹时间15-20min。

8.根据权利要求6所述的高压泥浆泵泵体用钢的制造方法，其特征在于，所述步骤1中精炼渣系采用中碱度精炼渣系，渣料碱度R=4-6,在渣料中加入出钢量0.86%-1%的精炼石灰，出钢量0.29%的高碱度高铝精炼渣，出钢量0.029%-0.043%的炉萤石调渣。

9.根据权利要求6所述的高压泥浆泵泵体用钢的制造方法，其特征在于，所述步骤2中稀土的加入方式为：将稀土提前5分钟加入套筒中，用软棉布将上口塞紧，然后破空后，开盖，将套筒插入钢水中，静置3分钟，待套筒融化，取出套杆。