CN110284062B - 一种具有高强度、高韧性的大直径圆钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有高强度、高韧性的大直径圆钢，化学成分为C：0.35～0.50％，Si：0.15～0.50％，Mn：0.60～1.40％，P：≤0.012％，S：≤0.005％，Cr：0.75～1.40％，Mo：0.15～0.50％，Ni：0.05～0.50％，Cu：0.05～0.50％，V：0.02～0.08％，Nb：0.02～0.08％，Ti：0.010～0.020％，N：≤0.004％，余量为Fe。本发明针对油井钻具用高强度、高韧性钻具钢的需求，以大断面连铸圆坯作为坯料，通过后续的控温轧制及整体调质热处理制造出较好的屈服强度与塑韧性匹配的大直径圆钢。

Description

一种具有高强度、高韧性的大直径圆钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及大规格圆钢及其制造方法，尤其涉及用于油田钻具的直径范围为180-280mm的大规格圆钢及其制造方法。

背景技术

4140、4145等CrMo钢系列为油田钻具及机械加工市场普遍使用的钢级，一般调质状态使用。因有较高含量的C、Mn、Cr及少量的Mo，这类钢材淬透性较高，在淬火后可得到较深的完全淬透层及较高的马氏体比例，回火后形成强度及韧性匹配较好的回火索氏体组织，适合生产强韧性要求较高，规格较大的零部件。

但随着零件规格增大，产品的淬透性变差，会出现淬不透的情况，越靠近芯部，贝氏体、铁素体等非马氏体组织比例含量越多，导致强度与韧性均有所降低。以要求在二分之一半径深度取样检验，屈服强度≥897MPa，-20℃冲击功≥60J的产品要求为例，传统4140可生产最大直径约为160mm，4145约为220mm，如规格进一步扩大，则无法同时保证高的强度与韧性(同等条件下强度指标越高，塑性、韧性指标越低)。此时一般会改用4330钢级，该钢级属CrNiMo钢，C含量适中，Mo、Ni含量高(C：0.28-0.34％，Mo：0.35-0.65％，Ni：1.65-3.10％)，淬透性好，强韧性综合指标较高，但因Mo、Ni为贵重金属，成本也相应更高。

公开号CN104975235A的发明专利公开了一种高强韧圆钢及其制造方法。化学成分为：C：0.35～0.50％，Si：0.15～0.40％，Mn：0.60～1.30％，P：≤0.015％，S：≤0.040％，Cr：0.75～1.30％，Mo：0.15～0.35％，Ni：≤0.25％，Cu：≤0.25％，Alt：0.015-0.040％，V：≤0.10％，Nb：≤0.10％，Ti：≤0.05％，N：≤0.008％，B：≤0.0010％，余量为Fe及不可避免的杂质元素，其中V、Nb、Ti的含量不同时≤0.010％；该发明可满足最大254mm规格二分之一半径深度屈服强度≥827MPa，-20℃夏比冲击功≥60J，扩大规格或提高屈服强度要求后，冲击韧性会有较为显著的降低。

专利号ZL 2014 1 0800518.3的发明专利公开了一种高强韧、抗硫化氢应力腐蚀钻具用圆钢，化学成分按质量百分比计为C：0.20～0.30％，Si：0.15～0.40％，Mn：0.20～0.70％，P：≤0.010％，S：≤0.005％，Cr：0.70～1.30％，Mo：0.40～0.95％，Ni：≤0.25％，Cu：0.05～0.10％，Alt：0.05～0.10％，V：≤0.1％，Nb：≤0.06％，Ti：≤0.010％，N：≤0.009％，B：0.001～0.003％，余量为Fe及不可避免的杂质元素，该发明着重提供一种在较低屈服强度(≥758MPa)下具有较好抗硫化氢应力腐蚀性能的棒材。因碳含量低(0.20-0.30％)，淬透性差，同样无法满足大规格棒材二分之一半径处高强度与高韧性，专利中也未公开低于室温时的冲击韧性指标；并且随着规格增大，Mo含量需不断提高(0.40-0.95％)，成本也会相应提高。

公开号CN102330027的发明专利公开了一种827MPa屈服强度下初级抗硫钻杆及制备方法，该发明为管材，各项性能均在管件上检测，贵重金属Mo含量最低0.50％，实施例中为0.6％，原料成本高，C含量介于0.24％～0.30％，淬透性差，难以满足大直径棒材或厚壁管材(如钻铤)的热处理需要，必须在加工成管件后采用内外层喷水的方式生产，加工及热处理成本很高，并且屈服强度仅能满足827MPa，该专利公开文件中没有明确最大可供货规格以及机械性能取样深度。

发明内容

本发明的目的是在低Mo、Ni的合金含量即尽可能降低成本更高的于淬透性有益的贵金属的条件下，提供一种能够更好的满足屈服强度与塑韧性匹配的大直径圆钢，可用于直接加工大规格油井钻铤、钻杆、钻杆接头、接箍等高强韧要求的部件。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种具有高强度、高韧性的大直径圆钢，该圆钢的化学成分按质量百分比计包括C：0.35～0.50％，Si：0.15～0.50％，Mn：0.60～1.40％，P：≤0.012％，S：≤0.005％，Cr：0.75～1.40％，Mo：0.15～0.50％，Ni：0.05～0.50％，Cu：0.05～0.50％，V：0.02～0.08％，Nb：0.02～0.08％，Ti：0.010～0.020％，N：≤0.004％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

进一步地，化学成分中Mo：0.15～0.40％，Ni：0.05～0.40％，Cu：0.05～0.40％。

本申请可适应生产直径为180-280mm的圆钢。

本发明的化学成分尊选如下设计原理:

C：增加材料淬透能力以及全截面强度和硬度，但降低塑性和韧性，升高韧脆转变温度，同时较高的C含量可促进比NbN和VN析出温度更低、尺寸更细小的NbC和VC的析出，本发明控制其含量为0.35～0.50％。

Si：是钢中的脱氧元素，并以固溶强化形式提高钢的强度。Si含量低于0.15％时，脱氧效果较差，Si含量较高时降低韧性。本发明Si含量控制在≤0.15～0.50％。

Mn：是提高钢淬透性的元素，并起固溶强化作用提高钢材的强度。但Mn易促进有害元素P等向晶界偏析，引起氢致沿晶断裂，并且过高的Mn会降低钢材冲击韧性。在进行大规格圆钢轧制或锻造时，控制Mn的含量极其重要，为了达到尺寸、强度和韧性的均衡，本发明Mn含量控制在0.60～1.40％。

Cr、Mo：增加材料淬透性及强韧性，Mo还具有降低韧脆转变温度，抑制回火脆性，提高碳、氮化铌沉淀强化效果，抑制块状铁素体，阻碍P偏析等作用，但Cr添加过高会导致塑韧性降低，Mo属于贵金属，添加量过高会拉高制造成本，因此，本发明将Cr含量控制在0.75～1.40％，Mo含量控制在0.15～0.40％。

Ni：是提高钢的淬透性并可以显著改善其低温韧性的元素，对冲击韧性和韧脆转变温度具有良好的作用。另外，Ni也是贵重金属，含量过高会增加成本。综合考虑，本发明Ni含量控制在0.05～0.40％，有利于达到最优的性价比。

Cu：因熔点较低并且在钢中溶解度小，易在凝固后期以单质的形式聚集于晶界，降低晶界强度，产生铜脆现象，恶化钢材的表面质量，一般在钢中作为有害残余元素进行严格控制。本发明以Cu部分取代价格昂贵的Ni元素，并与Ni形成无限互溶相，使熔点以及在钢中的溶解度提高，即避免了铜脆导致的表面缺陷，同时又改善了钢材的淬透性与低温韧性。本发明Cu含量为0.05～0.40％。

Nb：是一种在轧制过程中对晶粒细化起显著作用的元素。在再结晶轧制阶段，Nb通过拖曳作用及应变诱导析出阻碍形变奥氏体的回复、再结晶从而细化晶粒，并且在后续调质的奥氏体化过程中起到钉扎作用，阻止奥氏体晶粒长大，这就为圆钢在调质处理后仍然具有细小的组织提供了基础，有利于同时提高其强度与塑韧性。但过高的Nb含量降低第II脆性区间热塑性，使连铸坯出现表面或内部裂纹，同时原材料成本上升，因此，本发明控制其含量0.02～0.08％。

V：是使V(C，N)析出的元素，能以弥散析出的形式显著提高钢的强度，当与Nb同时添加时，强化效果更佳，同时V在调质钢中还可提高回火稳定性，也就是说达到与不加V时相同的强度，需采用更高的回火温度，这样有利于获得更大的碳化物颗粒，从而在保证强度的同时改善钢材韧性。但若添加量过高，会降低钢材第III脆性区间热塑性，导致连铸裂纹，并降低钢材的韧性，本发明控制其含量0.02～0.08％。

Nb-V复合加入时，部分V结合成(NbV)CN，这类复合化合物比Nb和V各自的碳氮化物更细小，而且析出温度更宽，从而更能有效地阻止奥氏体晶粒长大和再结晶过程，最终同时提高强度和韧性。

Ti、N：N元素在低碳钢中常常用于与Al、Ti、Nb、V等形成稳定的氮化物，起到细化晶粒或析出强化的作用，但在本发明中，N作为有害元素尽量低控，并加Ti进行固氮，二者在连铸坯凝固前期发生反应，在晶粒内部形成TiN颗粒，减少粗大的NbN在凝固前沿产生，改善钢材的热塑性，避免裂纹产生，并促使Nb、V以碳化物而非氮化物的形式析出。与氮化物相比，Nb、V的碳化物析出温度更低，尺寸更细小，并且形状更接近于颗粒状而不是氮化物常有的针状，因此对钢材的塑韧性危害相对较小。而且碳化物在同样加热温度下更容易溶解，这样又会在后续轧制和热处理过程中带来以下几点好处：①在轧制前连铸坯加热过程中，Nb可充分溶解，在轧制过程中更有效的起到拖曳作用、推迟奥氏体的再结晶，随后应变诱导析出的碳化物又可钉扎晶界，阻止奥氏体晶粒的长大，从而起到细化晶粒的作用；②在棒材淬火后的回火过程中，比VN更加细小的VC析出强化效果更好，并且能够保证足够的塑性与韧性。在本发明中，Ti含量控制在0.010-0.020％，N含量控制在≤0.0040％。

S、P：磷、硫对钢材韧性不利。在本发明中尽量低控，本发明控制P≤0.015％、S≤0.005％。

结合化学成分的设计，本申请为圆钢的生产提供一种制备方法：将符合圆钢化学成分的钢水浇注成600-700mm直径的圆坯；将圆坯加热至1220～1260℃保温，出炉后在1080～1120℃温度区间开坯轧成边长300-350mm的方坯；随后在950～1000℃范围内开始连轧，终轧温度控制在880-950℃，将方坯轧制成直径180-280mm的圆钢；入坑缓冷，起坑后进行调质热处理获得调质圆钢。

调质工艺包括淬火和回火，奥氏体化温度为880～920℃，确保轧制过程中析出的V(C、N)充分溶解；奥氏体化保温结束后进入淬火环进行高压水淬火；回火加热温度为580～680℃，确保V(C、N)充分析出并满足屈服强度与抗拉强度要求，出炉后水冷至室温。

工艺中圆坯的加热温度高于理论加热温度的30～40℃，淬火和回火的加热温度均分别高于理论温度的30～40℃。

本发明具有如下生产特点：

化学成分设计：

(1)采用较高的C含量并增加合金元素V，减少贵重金属Mo、Ni含量，确保淬透性与强度的同时，控制较低的成本；

(2)复合添加Ni、Cu，即提高了钢材的淬透性与低温韧性，又避免了Cu导致的热脆性；

(3)采用微合金化元素Nb，细化轧材及最终调质棒材的晶粒，弥补C、V提高导致的塑韧性降低；

(4)采用转炉+RH真空脱气冶炼方式制备低N含量钢水，并进一步加Ti固N，抑制Nb、V的氮化物析出，改善碳化物析出条件，利用尺寸更加细小的Nb、V的碳化物而非氮化物细化晶粒并提供析出强化效果；

制备方法：

(1)采用连铸连轧代替模铸锻造或轧制生产大断面180mm以上圆钢，从而提高成材率与生产效率；

(2)采用600-700mm大断面连铸圆坯保证最终轧制圆钢的大压缩比，从而确保圆钢的致密性与细小的晶粒；

(3)以大断面圆坯先轧成方坯，再轧成圆坯，不仅组织更为致密，而且有助于发挥Nb(C、N)及V(C、N)的钉扎作用，驱使奥氏体的形变。

(4)充分利用Ti、Nb在各个阶段的细化晶粒作用，确保轧制圆钢的细小晶粒，①提高保温温度使钢中Nb、V的碳氮化物充分溶解，以利于后续轧制过程中Nb(C、N)及V(C、N)的细小析出；②在1080℃—1120℃开坯阶段，通过固溶于奥氏体中的Nb的拖曳作用及析出的Nb(C、N)的钉扎作用抑制奥氏体再结晶，结合开坯工艺，使奥氏体晶粒发生大形变延伸成薄“铁饼”状，有利于再结晶后获得细小的奥氏体晶粒；③在950～1000℃开始连轧，880～950℃结束的轧制阶段，更多的Nb(C、N)在应变诱导作用下析出，继续通过钉扎晶界作用使奥氏体晶粒变形而推迟再结晶，这些被拉长的奥氏体晶粒在γ→α转变时为α形核提供大量界面，进一步细化晶粒。通过以上母材细化晶粒措施，提高调质后棒材晶粒度与强韧性匹配。

热处理工艺：

通过提高奥氏体化温度与回火温度，使高于理论温度30-40℃，使V充分溶解后在较高温度下析出颗粒状VC，在析出强化的同时避免了韧性降低。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

与4330类CrNiMo钢比较，减少了贵重金属Mo、Ni的使用，实现成本降低。

与模铸锻造或轧制棒材相比，连铸连轧工艺成材率更高，加工成本更低。

与4140、4145等CrMo、CrMnMo钢相比，在不增加贵合金的基础上，产品晶粒度更细小，因此在强度水平相当的情况下、屈服强度、延伸率、断面收缩率、冲击韧性尤其是低温冲击韧性提高十分明显；在相同塑性与冲击韧性要求下，可达到更高的屈服强度与抗拉强度；在相同的强度、塑性、韧性匹配要求下，可生产的极限直径更大。如在同样280mm规格、屈服强度130KSI的情况下，常规4140、4145钢-20℃冲击功仅40J左右，无法满足API标准及客户54J的高韧性要求，而本发明该规格的圆钢的-20℃冲击功可达到80J，完全满足客户要求。

附图说明

图1为本发明实施例1组织晶粒示意图；

图2为对比例4145钢的组织晶粒示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1

本实施例涉及直径为280mm的圆钢生产，其化学成分见表1，余量为铁及不可避免的杂质元素。

上述圆钢的制造工艺为：按表1化学组成配置冶炼原料依次进行转炉冶炼、LF精炼、真空脱气以获得低N钢水，钢水中加Ti至0.015％；钢水浇注成700mm连铸圆坯；将连铸圆坯加热至最高1250℃保温；在1070～1110℃的温度范围内经过11道次开坯成350×350mm方坯，随后在980-1000℃范围开始连轧，930-950℃完成连轧，轧成280mm直径圆钢棒材；棒材送入辊底式连续炉进行调质，调质包括淬火和回火，淬火最高加热温度910℃，使用淬火环水淬，回火加热最高温度为630℃，出炉后水冷至室温，获得调质圆钢。该圆钢与对比钢级4330及4145的成分及力学性能对比分别见表1、表2；

可看出实施例1与对比例4330相比，虽然强韧性匹配较差，但因Ni含量减少1.61％，成本大幅度降低；与对比例4145相比，采用少量Ti、Nb、V代替部分Mo、Ni、Cu，成本未变，但晶粒度较为细小，参见图1，通过表2可以看出，强度、屈强比尤其是-20℃低温冲击均有较明显的提升。

表1实施例1与对比例4330及4145化学成分对比(wt％)

表2对比例1与实施例1力学性能对比

实施例2

本实施例涉及直径为254mm的圆钢，其化学成分按质量百分比计为：C：0.45％，Si：0.25％，Mn：1.15％，P：0.009％，S：0.003％，Cr：1.14％，Mo：0.32％，Ni：0.05％，Cu：0.05％，Ti：0.013，V：0.04％，Nb：0.025％，N：0.0357％，余量为铁及不可避免的杂质元素。

上述钻具用圆钢的制造工艺为，按上述化学组成配置冶炼原料依次进行转炉冶炼、LF精炼、真空脱气以获得低N钢水，钢水中加Ti至0.013％；钢水浇注成600mm直径连铸圆坯；将连铸圆坯加热至1260℃；在1070～1120℃的温度范围内经过9道次开坯成300×300mm方坯，随后在960-980℃范围开始连轧，910-930℃完成连轧轧成254mm直径圆钢棒材；棒材送入辊底式连续炉进行调质，调质包括淬火和回火，淬火保温温度900℃，使用淬火环水淬，回火加热温度为600℃，获得调质圆钢。该圆钢与公开号CN104975235A发明专利中公开的成分及性能数据对比见表3、表4。本发明实施例中Mo含量略低，仅增加了微量Ti，但屈服强度、抗拉强度、屈强比、以及-20℃冲击功均有较明显的提升。

表3实施例1与对比例4330及4145化学成分对比(wt％)

表4对比例2与实施例2力学性能对比

本申请在圆坯开坯阶段通过固溶于奥氏体中的Nb的拖曳作用及析出的Nb(C、N)的钉扎作用阻止奥氏体再结晶，结合大压下开坯工艺，使奥氏体晶粒达到高形变延伸而成薄“铁饼”状，有利于再结晶后获得细小的奥氏体晶粒；随后在控轧阶段，将方坯轧制成直径180-280mm的圆钢，此阶段，更多的Nb(C、N)在应变诱导作用下析出，继续通过钉扎晶界作用使奥氏体晶粒变形而抑制再结晶，这些被拉长的奥氏体晶粒在γ→α转变时为α形核提供大量界面，从而起到细化晶粒的作用。

针对油井钻具用高强度、高韧性钻具钢的需求，本发明制造出较好的屈服强度与塑韧性匹配的大直径圆钢。

除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种具有高强度、高韧性的大直径圆钢，其特征在于：该圆钢的化学成分按质量百分比计为C：0.35～0.50%，Si：0.15～0.50%，Mn：0.60～1.40%，P：≤0.012%，S：≤0.005%，Cr：0.75～1.40%，Mo：0.15～0.50%，Ni：0.05～0.50%，Cu：0.05～0.50%，V：0.02～0.08%，Nb：0.02～0.08%，Ti：0.010～0.020%， N：≤ 0.004%，余量为Fe 及不可避免的杂质元素；

该圆钢的制备方法：将符合圆钢化学成分的钢水浇注成600-700mm直径的圆坯；将圆坯加热至1220～1260℃保温，出炉后在1080～1120℃温度区间开坯轧成边长300-350mm的方坯；随后在950～1000℃范围内开始连轧，终轧温度控制在880-950℃，将方坯轧制成直径180-280mm的圆钢；入坑缓冷，起坑后进行调质热处理获得调质圆钢。

2.根据权利要求1所述具有高强度、高韧性的大直径圆钢，其特征在于：Mo：0.15～0.40%，Ni：0.05～0.40%，Cu：0.05～0.40%。

3.根据权利要求1所述的具有高强度、高韧性的大直径圆钢，其特征在于：所述圆钢的直径为180-280mm。

4.根据权利要求1所述的具有高强度、高韧性的大直径圆钢，其特征在于：所述调质工艺包括淬火和回火，奥氏体化温度为880～920℃；奥氏体化保温结束后进入淬火环进行高压水淬火；回火加热温度为580～680℃，出炉后水冷至室温。

5.根据权利要求1所述的具有高强度、高韧性的大直径圆钢，其特征在于：冶炼原料经转炉冶炼、LF精炼、脱气获得氮含量≤0.0040%的钢水，钢水中加Ti至0.010-0.030%。

6.根据权利要求1所述的具有高强度、高韧性的大直径圆钢，其特征在于：所述圆坯为连铸坯。

7.根据权利要求1所述的具有高强度、高韧性的大直径圆钢，其特征在于：圆坯采用往复式开坯机经7-11道大压下量变形将圆坯轧制成方坯。

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