CN111041374A - 一种石油钻井高强度合金结构钢及其制备方法 - Google Patents

一种石油钻井高强度合金结构钢及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种石油钻井高强度合金结构钢，所述合金结构钢包含下述重量百分含量的成分：C为0.28‑0.36％；Si为≤0.50％；Mn为≤0.80％；Cr为1.40‑2.40％；Ni为1.0‑2.4％；Mo为0.50‑1.00％；V为≤0.20％；Nb为≤0.050％；Al为≤0.040％；P为≤0.020％；S为≤0.010；其余为Fe和不可避免的杂质。采用本发明制作的钻杆及传动轴，各合金元素配比优异、钢质纯净、组织均匀，强度高、韧性好、疲劳强度高，综合性能优异。解决了我国现常用制作钻杆及传动轴材料，强度低，疲劳强度差，使用寿命短，在遇到复杂的地质结构时容易发生意外断裂的问题。大大提高了钻杆及传动轴的使用寿命，避免发生意外断裂，提高生产效率，节约生产成本。

Description

一种石油钻井高强度合金结构钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及钢铁冶金领域，具体涉及一种石油钻井高强度合金结构钢及其制备方法，用于制作石油钻井开采设备中的钻杆及传动轴，以及其他需要高强度、高韧性、高疲劳强度的装备。
背景技术
石油钻杆及传动轴是石油钻井开采的装备中的重要部件，由于石油钻井设备载荷大，井下环境温度低，地下地质结构复杂，所以钻杆及传动轴需要同时具备高强度、高韧性和高疲劳强度等特性。
我国现在普遍用于制作钻杆及传动轴的钢种为40CrNiMo，但是用这种材料制作的传动轴疲劳强度差，使用寿命低，在遇到复杂的地质结构时容易发生意外断裂。进口石油钻杆及传动轴所用材料是HS220-27，虽然其性能优于40CrNiMo，但是价格昂贵、性价比低，大幅增加使用方的生产成本。
因此，需要研发一种具有优异综合性能，能够应对恶劣的井下作业环境的传动轴新材料。这种材料需要同时具备高强度、高韧性和高疲劳强度等特性，来增加传动轴的使用寿命，避免发生意外断裂，提高生产效率，减少生产成本。
发明内容
针对上述现有材料中存在的不足之处，本发明提供一种石油钻井高强度合金结构钢及其制备方法，采用合理的合金化配比和制作工艺，有效的解决现有材料，耐磨性低、淬透性差、强度和韧性不足等问题。
本发明是这样实现的，一种石油钻井高强度合金结构钢，所述合金结构钢包含下述重量百分含量的成分：C为0.28-0.36％；Si为≤0.50％；Mn为≤0.80％；Cr为1.40-2.40％；Ni为1.0-2.4％；Mo为0.50-1.00％；V为≤0.20％；Nb为≤0.050％；Al为≤0.040％；P为≤0.020％；S为≤0.010；其余为Fe和不可避免的杂质。
进一步地，C为0.30-0.34％；Si为0.10-0.26％；Mn为0.05-0.2％；Cr为1.78-2.1％；Ni为1.36-2.22％；Mo为0.65-0.88％；V为≤0.10％；Nb为≤0.020％；Al为≤0.010％；P为≤0.010％；S为≤0.005；其余为Fe和不可避免的杂质。
进一步地，所述合金结构钢的组织结构为：成品心部为均匀的回火索氏体，回火索氏体的体积率为95％以上，在距离材料表面材料整体厚度或直径的1/8位置处的马氏体的体积率为90％以上，贝氏体体积率在5％以上。
进一步地，成品心部为均匀的回火索氏体，回火索氏体的体积率为98％以上，在距离材料表面材料整体厚度或直径的1/8位置处的马氏体的体积率为92％以上，贝氏体体积率在6％以上。
进一步地，提供一种石油钻井高强度合金结构钢的制备方法，包括以下步骤：电炉冶炼或转炉冶炼、精炼(LF)和真空处理(VD)；电渣重熔；高温扩散热处理、多方向锻造加工；正火处理、高温退火处理；粗加；半精加工、880℃-930℃淬火、580℃-630℃回火；精加工；成品。
进一步地，包括以下步骤：
S10、冶炼：按该石油钻井高强度合金结构钢的化学成分及质量百分比进行配料电炉冶炼或转炉冶炼、精炼(LF)和真空处理(VD)，然后进行电渣重熔；
S20、高温扩散热处理：加热温度为1180℃～1300℃，保温5～15小时；
S30、经过高温扩散热处理的钢锭降温至1100℃～1250℃温度范围内进行多方向锻造加工，采用三镦三拔的锻造方式，总锻造压缩比≥6，终锻温度≥900℃；
S40、正火处理：加热温度为880℃～950℃，保温时间为5～15小时，快速冷却后装退火炉300℃保温5～10小时；
S50、高温退火处理：退火温度为660～680℃，保温时间50～150小时；
S60、调质热处理：淬火温度为880℃～930℃，保温时间为5～15小时，采用淬火液或油冷至200℃以下；随后进行580～630℃的回火处理，保温时间为10～20小时。
进一步地，S20、高温扩散热处理：加热温度为1200℃～1275℃，保温8～10小时；
S30、经过高温扩散热处理的钢锭降温至1120℃～1230℃温度范围内进行多方向锻造加工，采用三镦三拔的锻造方式，总锻造压缩比≥6，终锻温度≥1020℃；
S40、正火处理：加热温度为890℃～935℃，保温时间为8～12小时，快速冷却后装退火炉300℃保温5～10小时；
S50、高温退火处理：退火温度为670～675℃，保温时间80～120小时；
S60、调质热处理：淬火温度为890℃～915℃，保温时间为7～12小时，采用淬火液或油冷至180℃以下；随后进行605～625℃的回火处理，保温时间为12～18小时。
本发明的优点及效果：
1、本发明充分考虑了钻杆及传动轴的工作环境和其需要具备的性能，在发挥各合金元素优点的基础上，通过合金间的相互作用，优化合金的组成和含量，有效避免了合金元素的缺点所带来的危害；
通过对C、Cr、Ni、Mo含量的调整，同时加入了V、Nb以提高材料的淬透性和抗变形能力，细化晶粒，即提高了材料的抗拉强度和疲劳强度；
2.本发明的组织结构使钻杆及传动轴材料的综合机械性能增强，使其能够承受较大的冲击力，并且能够有效抑制疲劳裂纹的扩展，有助于加强使用的安全性。
3、本发明的制备方法中通过电炉冶炼或转炉冶炼、精炼(LF)、真空处理(VD)、电渣重熔充分去除钢种的有害元素；通过高温扩散热处理和多方向锻造加工消除了产品的各项异性；通过正火处理使晶粒尺寸更加细小、化学成分更加均匀；通过高温退火处理消除锻造和正火产生的应力、降低硬度利于切削加工；通过调质热处理提高基体强度和韧性。
4、采用本发明制作的钻杆及传动轴，各合金元素配比优异、钢质纯净、组织均匀，强度高、韧性好、疲劳强度高，综合性能优异。解决了我国现常用制作钻杆及传动轴材料，强度低，疲劳强度差，使用寿命短，在遇到复杂的地质结构时容易发生意外断裂的问题。大大提高了钻杆及传动轴的使用寿命，避免发生意外断裂，提高生产效率，节约生产成本。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书来实现和获得。
附图说明
图1是本发明的实施例1、实施例2、实施例3、实施例4、实施
例5与对比例1、对比例2的末端淬透性对比曲线示意图；
图2是本发明的实施例1、实施例2、实施例3、实施例4、实施
例5与对比例1、对比例2的疲劳强度S-N对比曲线示意图；
图3是本发明的实施例1的心部组织示意图(X500)；
图4是本发明的实施例2的心部组织示意图(X500)；
图5是本发明的实施例3的心部组织示意图(X500)；
图6是本发明的实施例4的心部组织示意图(X500)；
图7是本发明的实施例5的心部组织示意图(X500)；
图8是对比例1的心部组织示意图(X500)；
图9是对比例2的心部组织示意图(X500)；
图10是本发明的实施例1的晶粒度示意图(X100)；
图11是本发明的实施例2的晶粒度示意图(X100)；
图12是本发明的实施例3的晶粒度示意图(X100)；
图13是本发明的实施例4的晶粒度示意图(X100)；
图14是本发明的实施例5的晶粒度示意图(X100)；
图15是对比例1的晶粒度示意图(X100)；
图16是对比例2的晶粒度示意图(X100)；
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下结合具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的解释和说明。
本发明中各个组成成分作用如下：
1)、碳能够扩大γ相区，随含量的增加，提高钢的硬度和强度；提高钢的淬透性。但是因不能无限固溶，过高的碳量易形成一次渗碳体和网状二次渗碳体；随含量的增加降低其塑性、韧性和降低Ms点。故本发明C为0.28-0.36％。
2)、硅能够提高钢中固溶体的强度。Si是提高回火抗力的有效元素，Si降低碳在铁素体中的扩散速度,使回火析出的碳化物不易聚集,增加了回火稳定性；提高钢的高温抗氧化性能；硅含量过高易使钢呈现带状组织,使钢的横向性能降低。增加钢中的碳偏析和冷加工硬化程度使钢的韧性和塑性降低。故本发明Si为≤0.5％。
3)、锰能够提高钢的淬透性。锰和铁形成固溶体，提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度，Mn又可形成碳化物，从而提高钢的强度、硬度和耐磨性。锰对钢的高温瞬时强度有所提高。但是含锰较高时，有较明显的回火脆性现象；锰有促进晶粒长大的作用，因此锰钢对过热较敏感，需加入细化晶粒元素如钼、钒、钛等来克服。故本发明Mn为≤0.8％,并加入一定量的V。
4)、铬能够可提高钢的强度、硬度和淬透性；提高钢的高温机械性能。使钢具有良好的抗腐蚀性和抗氧化性阻止石墨化。形成碳化物,提高耐磨性，增加回火稳定性。故本发明Cr为1.4-2.40％。
5)、镍能够提高钢的强度、淬透性，且提高其韧性，改善疲劳抗力。降低钢的脆性转变温度，即可提高钢的低温韧性。镍可以提高钢的抗腐蚀能力，不仅能耐酸，而且能抗碱和大气的腐蚀。增加树枝晶,提高横向性能、加速碳在奥氏体中的扩散，Ni为非碳化物形成元素,提高碳在奥氏体中的扩散系数,降低了一次碳化物，并使二次碳化物不易长大。但是过高的镍含量会增加淬火钢中的残余奥氏体量,增加变形量。故本发明Ni为1.0-2.4％。
6)、钼对铁素体有固溶强化作用。提高钢热强性，提高高温强度，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力。细化晶粒，提高钢的高韧性、淬透性。形成碳化物,提高耐麻磨性，增加回火稳定性，可抑制钢的回火脆性。故本发明Mo为0.5-1.0％。
7)、钒能够提高钢热强性，细化晶粒，形成碳化物,提高耐麻磨性。但是钒含量过高会形成大量难溶的一次碳化物，从而降低韧性。故本发明V为≤0.20％。
8)、铌和碳、氮、氧有极强的亲和力，与之形成极为稳定的化合物，提高钢的硬度。同时弥散的化合物可以细化晶粒，提高晶粒的粗化温度，降低钢的过热敏感性和回火脆性。故本发明Nb为≤0.050％。
实施例1
本实施例中新型石油钻井高强度合金结构钢材料组成成分及其质量百分比如下:C为0.28％；Si为0.50％；Mn为0.80％；Cr为2.40％；Ni为1.0％；Mo为1.0％；V为0.03％；Nb为0.050％；Al为0.040％；P为0.015％；S为0.005；其余为Fe。
用上述成分配比生产的新型石油钻井高强度合金结构钢材料的工艺过程如下：
(1)电炉冶炼：按上述施例中的组成成分及其质量百分比配料进行电炉冶炼熔炼温度大于1500℃、精炼(LF)和真空处理(VD)，浇铸成Φ330～Φ380的电极坯料并行退火。
(2)电渣重熔：将电极坯料进行电渣重熔，造渣时间：20min电流3500A，精炼30min电流7000A。重熔电压：73V电流：8000A～13000A。补缩电压：61V电流时间40min模冷时间50分钟，电渣钢锭退火。
(3)高温扩散热处理：将电渣重熔后的电渣锭多级升温加热至1180℃～1300℃，保温5～15小时；均匀组织，改善合金成分偏析和消除液析碳化物。
(4)锻造加工：经过高温扩散热处理的钢锭降温至1100℃～1250℃温度范围内进行多方向锻造加工，采用三镦三拔的锻造方式，总锻造压缩比≥6，终锻温度≥900℃；
(5)正火处理：加热温度为880℃～950℃，保温时间为5～15小时，快速冷却至280℃～300℃后装退火炉300℃保温5～10小时；
(6)高温退火处理：退火温度为660～680℃，保温时间50～150小时；
(7)调质热处理：淬火温度为880℃～930℃，保温时间为5～15小时，采用淬火液或油冷至200℃以下；随后进行580～630℃的回火处理，保温时间为10～20小时；
本实施例中新型石油钻井高强度合金结构钢材料经过上述生产工艺后，最终制成φ190*200成品试样，取样进行测试，结果为：
末端淬透性：
表面至距离表面50mm范围内硬度检验如下表、曲线如图1：
Figure BDA0002363884420000081
由图1可见本发明新型石油钻井高强度合金结构钢材料的淬透性要优于对比例1和对比例2。
疲劳试验：
条件疲劳极限和有限寿命的疲劳寿命如下、曲线如图2:
条件疲劳极限:587.6MPa
序数i σ<sub>i</sub>/mpa N<sub>i</sub>＝N<sub>50</sub>/10<sup>3</sup> lgN<sub>i</sub>
1 820 206 5.3138
2 780 312 5.4941
3 750 474 5.6757
4 720 685 5.8367
5 690 751 5.8756
由图2可见本发明新型石油钻井高强度合金结构钢材料的疲劳寿命要优于对比例1和对比例2。
显微组织：
成品试样心部组织如图3所示；成品试样心部晶粒度如图9所示；经过以上工艺过程生产出的新型石油钻井高强度合金结构钢材料φ190*200成品试样心部为均匀的回火索氏体组织，说明在调质热处理的过程中心部已经完全淬透，晶粒度细于等于8级，与对比例相比较，心部组织优势明显。
心部硬度及力学性能：
硬度：37.5HRC；屈服强度：1060N/㎜2；抗拉强度：1160N/㎜2；伸长率：17.2％；收缩率：65.2％；室温(20℃)冲击韧性AKV2：137J。与对比例相比较，经过以上工艺过程生产出的新型石油钻井高强度合金结构钢材料心部性能更加突出。
对比例1
对比例40CrNiMo的组成成分及其质量百分比如下：
C为0.41％；Si为0.23％；Mn为0.56％；Cr为0.77％；Ni为1.33％；Mo为0.19％；S为0.010％；P为0.010％；其余为Fe。
采用常规方法制备，最终制成φ190*200成品试样，取样进行测试，结果为：
末端淬透性：
表面至距离表面50mm范围内硬度检验如下表、曲线如图1：
距表面距离(mm) 1.5 3 6 9 12 15 20 25 30 35 40 45 50
硬度(HRc) 53 53 52.5 52 52.5 51 46.5 43 40.75 39.75 38.5 38 37.75
疲劳试验：
条件疲劳极限和有限寿命的疲劳寿命如下、曲线如图2:
条件疲劳极限:508.9MPa
序数i σ<sub>i</sub>/mpa N<sub>i</sub>＝N<sub>50</sub>/10<sup>3</sup> lgN<sub>i</sub>
1 700 159 5.2014
2 660 274 5.4378
3 630 428 5.6314
4 600 639 5.8055
5 570 709 5.8506
显微组织：
成品试样心部组织如图8所示；成品试样心部晶粒度如图15所示；采用常规方法制备40CrNiMoφ190*200成品试样心部，为铁素体、珠光体，索氏体的混合组织，说明在调质热处理的过程中心部没有形成马氏体或贝氏体，心部没有完全淬透，晶粒度细于等于7级。
心部硬度及力学性能：
硬度：203HB；屈服强度：510N/㎜2；抗拉强度：670N/㎜2；伸长率：10.6％；收缩率：54.4％；室温(20℃)冲击韧性AKV2：12J。
对比例2
对比例进口HS220-27钢材的组成成分及其质量百分比如下：
C为0.30％；Si为0.25％；Mn为0.90％；Cr为0.90％；Ni为1.80％；Mo为0.43％；V为0.08％；％；P为0.012％；S为0.001；其余为Fe。
采用常规方法制备，最终制成φ190*200成品试样，取样进行测试，结果为：
末端淬透性：
表面至距离表面50mm范围内硬度检验如下表、曲线如图1：
Figure BDA0002363884420000101
疲劳试验：
条件疲劳极限和有限寿命的疲劳寿命如下、曲线如图2:
条件疲劳极限:551.4MPa
序数i σ<sub>i</sub>/mpa N<sub>i</sub>＝N<sub>50</sub>/10<sup>3</sup> lgN<sub>i</sub>
1 770 204 5.3096
2 740 303 5.4814
3 710 471 5.6730
4 680 679 5.8318
5 650 738 5.8680
显微组织：
成品试样心部组织如图9所示；成品试样心部晶粒度如图16所示；经过采用常规方法制备的HS220-27材料φ190*200成品试样心部为均匀的回火索氏体组织，说明在调质热处理的过程中心部已经完全淬透，晶粒度7-8级。
心部硬度及力学性能：
硬度：35.5HRC；屈服强度：910N/㎜2；抗拉强度：1110N/㎜2；伸长率：15.6％；收缩率：61.2％；室温(20℃)冲击韧性AKV2：92J。
实施例2
本实施例中新型石油钻井高强度合金结构钢材料组成成分及其质量百分比如下:C为0.30％；Si为0.40％；Mn为0.60％；Cr为2.10％；Ni为1.4％；Mo为0.9％；V为0.05％；Nb为0.040％；Al为0.030％；P为0.012％；S为0.003；其余为Fe。
用上述成分配比生产的新型石油钻井高强度合金结构钢材料的工艺过程如下：
(1)电炉冶炼：按上述施例中的组成成分及其质量百分比配料进行电炉冶炼熔炼温度大于1500℃、精炼(LF)和真空处理(VD)，浇铸成Φ330～Φ380的电极坯料并行退火。
(2)电渣重熔：将电极坯料进行电渣重熔，造渣时间：20min电流3500A，精炼30min电流7000A。重熔电压：73V电流：8000A～13000A。补缩电压：61V电流时间40min模冷时间50分钟，电渣钢锭退火。
(3)高温扩散热处理：将电渣重熔后的电渣锭多级升温加热至1180℃～1300℃，保温5～15小时；均匀组织，改善合金成分偏析和消除液析碳化物。
(4)锻造加工：经过高温扩散热处理的钢锭降温至1100℃～1250℃温度范围内进行多方向锻造加工，采用三镦三拔的锻造方式，总锻造压缩比≥6，终锻温度≥900℃；
(5)正火处理：加热温度为880℃～950℃，保温时间为5～15小时，快速冷却至280℃～300℃后装退火炉300℃保温5～10小时；
(6)高温退火处理：退火温度为660～680℃，保温时间50～150小时；
(7)调质热处理：淬火温度为880℃～930℃，保温时间为5～15小时，采用淬火液或油冷至200℃以下；随后进行580～630℃的回火处理，保温时间为10～20小时；
本实施例中新型石油钻井高强度合金结构钢材料经过上述生产工艺后，最终制成φ190*200成品试样，取样进行测试，结果为：
末端淬透性：
表面至距离表面50mm范围内硬度检验如下表、曲线如图1：
Figure BDA0002363884420000121
由图1可见本发明新型石油钻井高强度合金结构钢材料的淬透性要优于对比例1和对比例2。
疲劳试验：
条件疲劳极限和有限寿命的疲劳寿命如下、曲线如图2:
条件疲劳极限:595.9MPa
序数i σ<sub>i</sub>/mpa N<sub>i</sub>＝N<sub>50</sub>/10<sup>3</sup> lgN<sub>i</sub>
1 830 201 5.3032
2 790 304 5.4829
3 750 468 5.6702
4 710 689 5.8382
5 680 764 5.8831
由图2可见本发明新型石油钻井高强度合金结构钢材料的疲劳寿命要优于对比例1和对比例2。
显微组织：
成品试样心部组织如图4所示；成品试样心部晶粒度如图11所示；经过以上工艺过程生产出的新型石油钻井高强度合金结构钢材料φ190*200成品试样心部为均匀的回火索氏体组织，说明在调质热处理的过程中心部已经完全淬透，晶粒度细于等于8级，与对比例相比较，心部组织优势明显。
心部硬度及力学性能：
硬度：37.5HRC；屈服强度：1060N/㎜2；抗拉强度：1170N/㎜2；伸长率：17.0％；收缩率：64.4％；室温(20℃)冲击韧性AKV2：126J。与对比例相比较，经过以上工艺过程生产出的新型石油钻井高强度合金结构钢材料心部性能更加突出。
实施例3
本实施例中新型石油钻井高强度合金结构钢材料组成成分及其质量百分比如下:C为0.32％；Si为0.30％；Mn为0.40％；Cr为1.90％；Ni为1.7％；Mo为0.70％；V为0.10％；Nb为0.030％；Al为0.020％；P为0.010％；S为0.002；其余为Fe。
用上述成分配比生产的新型石油钻井高强度合金结构钢材料的工艺过程如下：
(1)电炉冶炼：按上述施例中的组成成分及其质量百分比配料进行电炉冶炼熔炼温度大于1500℃、精炼(LF)和真空处理(VD)，浇铸成Φ330～Φ380的电极坯料并行退火。
(2)电渣重熔：将电极坯料进行电渣重熔，造渣时间：20min电流3500A，精炼30min电流7000A。重熔电压：73V电流：8000A～13000A。补缩电压：61V电流时间40min模冷时间50分钟，电渣钢锭退火。
(3)高温扩散热处理：将电渣重熔后的电渣锭多级升温加热至1180℃～1300℃，保温5～15小时；均匀组织，改善合金成分偏析和消除液析碳化物。
(4)锻造加工：经过高温扩散热处理的钢锭降温至1100℃～1250℃温度范围内进行多方向锻造加工，采用三镦三拔的锻造方式，总锻造压缩比≥6，终锻温度≥900℃；
(5)正火处理：加热温度为880℃～950℃，保温时间为5～15小时，快速冷却至280℃～300℃后装退火炉300℃保温5～10小时；
(6)高温退火处理：退火温度为660～680℃，保温时间50～150小时；
(7)调质热处理：淬火温度为880℃～930℃，保温时间为5～15小时，采用淬火液或油冷至200℃以下；随后进行580～630℃的回火处理，保温时间为10～20小时；
本实施例中新型石油钻井高强度合金结构钢材料经过上述生产工艺后，最终制成φ190*200成品试样，取样进行测试，结果为：
末端淬透性：
表面至距离表面50mm范围内硬度检验如下表、曲线如图1：
Figure BDA0002363884420000151
由图1可见本发明新型石油钻井高强度合金结构钢材料的淬透性要优于对比例1和对比例2。
疲劳试验：
条件疲劳极限和有限寿命的疲劳寿命如下、曲线如图2:
条件疲劳极限:605.1MPa
序数i σ<sub>i</sub>/mpa N<sub>i</sub>＝N<sub>50</sub>/10<sup>3</sup> lgN<sub>i</sub>
1 850 197 5.2944
2 810 222 5.3463
3 770 309 5.4899
4 730 667 5.8241
5 690 742 5.8704
由图2可见本发明新型石油钻井高强度合金结构钢材料的疲劳寿命要优于对比例1和对比例2。
显微组织：
成品试样心部组织如图5所示；成品试样心部晶粒度如图12所示；经过以上工艺过程生产出的新型石油钻井高强度合金结构钢材料φ190*200成品试样心部为均匀的回火索氏体组织，说明在调质热处理的过程中心部已经完全淬透，晶粒度细于等于8级，与对比例相比较，心部组织优势明显。
心部硬度及力学性能：
硬度：38HRC；屈服强度：1090N/㎜2；抗拉强度：1210N/㎜2；伸长率：16.6％；收缩率：63.8％；室温(20℃)冲击韧性AKV2：118J。与对比例相比较，经过以上工艺过程生产出的新型石油钻井高强度合金结构钢材料心部性能更加突出。
实施例4
本实施例中新型石油钻井高强度合金结构钢材料组成成分及其质量百分比如下:C为0.34％；Si为0.20％；Mn为0.30％；Cr为1.60％；Ni为2.1％；Mo为0.60％；V为0.15％；Nb为0.020％；Al为0.020％；P为0.011％；S为0.002；其余为Fe。
用上述成分配比生产的新型石油钻井高强度合金结构钢材料的工艺过程如下：
(1)电炉冶炼：按上述施例中的组成成分及其质量百分比配料进行电炉冶炼熔炼温度大于1500℃、精炼(LF)和真空处理(VD)，浇铸成Φ330～Φ380的电极坯料并行退火。
(2)电渣重熔：将电极坯料进行电渣重熔，造渣时间：20min电流3500A，精炼30min电流7000A。重熔电压：73V电流：8000A～13000A。补缩电压：61V电流时间40min模冷时间50分钟，电渣钢锭退火。
(3)高温扩散热处理：将电渣重熔后的电渣锭多级升温加热至1180℃～1300℃，保温5～15小时；均匀组织，改善合金成分偏析和消除液析碳化物。
(4)锻造加工：经过高温扩散热处理的钢锭降温至1100℃～1250℃温度范围内进行多方向锻造加工，采用三镦三拔的锻造方式，总锻造压缩比≥6，终锻温度≥900℃；
(5)正火处理：加热温度为880℃～950℃，保温时间为5～15小时，快速冷却至280℃～300℃后装退火炉300℃保温5～10小时；
(6)高温退火处理：退火温度为660～680℃，保温时间50～150小时；
(7)调质热处理：淬火温度为880℃～930℃，保温时间为5～15小时，采用淬火液或油冷至200℃以下；随后进行580～630℃的回火处理，保温时间为10～20小时；
本实施例中新型石油钻井高强度合金结构钢材料经过上述生产工艺后，最终制成φ190*200成品试样，取样进行测试，结果为：
末端淬透性：
表面至距离表面50mm范围内硬度检验如下表、曲线如图1：
Figure BDA0002363884420000171
由图1可见本发明新型石油钻井高强度合金结构钢材料的淬透性要优于对比例1和对比例2。
疲劳试验：
条件疲劳极限和有限寿命的疲劳寿命如下、曲线如图2:
条件疲劳极限:616.3MPa
序数i σ<sub>i</sub>/mpa N<sub>i</sub>＝N<sub>50</sub>/10<sup>3</sup> lgN<sub>i</sub>
1 860 183 5.2624
2 820 217 5.3364
3 780 266 5.4248
4 740 651 5.8135
5 700 747 5.8733
由图2可见本发明新型石油钻井高强度合金结构钢材料的疲劳寿命要优于对比例1和对比例2。
显微组织：
成品试样心部组织如图6所示；成品试样心部晶粒度如图13所示；经过以上工艺过程生产出的新型石油钻井高强度合金结构钢材料φ190*200成品试样心部为均匀的回火索氏体组织，说明在调质热处理的过程中心部已经完全淬透，晶粒度细于等于8级，与对比例相比较，心部组织优势明显。
心部硬度及力学性能：
硬度：38.5HRC；屈服强度：1110N/㎜2；抗拉强度：1230N/㎜2；伸长率：16.6％；收缩率：63.0％；室温(20℃)冲击韧性AKV2：109J。与对比例相比较，经过以上工艺过程生产出的新型石油钻井高强度合金结构钢材料心部性能更加突出。
实施例5
本实施例中新型石油钻井高强度合金结构钢材料组成成分及其质量百分比如下:C为0.36％；Si为0.30％；Mn为0.30％；Cr为1.40％；Ni为2.4％；Mo为0.50％；V为0.20％；Nb为0.010％；Al为0.010％；P为0.009％；S为0.001；其余为Fe。
用上述成分配比生产的新型石油钻井高强度合金结构钢材料的工艺过程如下：
(1)电炉冶炼：按上述施例中的组成成分及其质量百分比配料进行电炉冶炼熔炼温度大于1500℃、精炼(LF)和真空处理(VD)，浇铸成Φ330～Φ380的电极坯料并行退火。
(2)电渣重熔：将电极坯料进行电渣重熔，造渣时间：20min电流3500A，精炼30min电流7000A。重熔电压：73V电流：8000A～13000A。补缩电压：61V电流时间40min模冷时间50分钟，电渣钢锭退火。
(3)高温扩散热处理：将电渣重熔后的电渣锭多级升温加热至1180℃～1300℃，保温5～15小时；均匀组织，改善合金成分偏析和消除液析碳化物。
(4)锻造加工：经过高温扩散热处理的钢锭降温至1100℃～1250℃温度范围内进行多方向锻造加工，采用三镦三拔的锻造方式，总锻造压缩比≥6，终锻温度≥900℃；
(5)正火处理：加热温度为880℃～950℃，保温时间为5～15小时，快速冷却至280℃～300℃后装退火炉300℃保温5～10小时；
(6)高温退火处理：退火温度为660～680℃，保温时间50～150小时；
(7)调质热处理：淬火温度为880℃～930℃，保温时间为5～15小时，采用淬火液或油冷至200℃以下；随后进行580～630℃的回火处理，保温时间为10～20小时；
本实施例中新型石油钻井高强度合金结构钢材料经过上述生产工艺后，最终制成φ190*200成品试样，取样进行测试，结果为：
末端淬透性：
表面至距离表面50mm范围内硬度检验如下表、曲线如图1：
Figure BDA0002363884420000201
由图1可见本发明新型石油钻井高强度合金结构钢材料的淬透性要优于对比例1和对比例2。
疲劳试验：
条件疲劳极限和有限寿命的疲劳寿命如下、曲线如图2:
条件疲劳极限:625.9MPa
序数i σ<sub>i</sub>/mpa N<sub>i</sub>＝N<sub>50</sub>/10<sup>3</sup> lgN<sub>i</sub>
1 880 175 5.2430
2 840 234 5.3692
3 800 277 5.4424
4 760 622 5.7938
5 720 713 5.8531
由图2可见本发明新型石油钻井高强度合金结构钢材料的疲劳寿命要优于对比例1和对比例2。
显微组织：
成品试样心部组织如图6所示；成品试样心部晶粒度如图13所示；经过以上工艺过程生产出的新型石油钻井高强度合金结构钢材料φ190*200成品试样心部为均匀的回火索氏体组织，说明在调质热处理的过程中心部已经完全淬透，晶粒度细于等于8级，与对比例相比较，心部组织优势明显。
心部硬度及力学性能：
硬度：40HRC；屈服强度：1130N/㎜2；抗拉强度：1260N/㎜2；伸长率：15.8％；收缩率：61.8％；室温(20℃)冲击韧性AKV2：94J。与对比例相比较，经过以上工艺过程生产出的新型石油钻井高强度合金结构钢材料心部性能更加突出。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (7)

1.一种石油钻井高强度合金结构钢，其特征在于，所述合金结构钢包含下述重量百分含量的成分：C为0.28-0.36％；Si为≤0.50％；Mn为≤0.80％；Cr为1.40-2.40％；Ni为1.0-2.4％；Mo为0.50-1.00％；V为≤0.20％；Nb为≤0.050％；Al为≤0.040％；P为≤0.020％；S为≤0.010；其余为Fe和不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述的石油钻井高强度合金结构钢，其特征在于，C为0.30-0.34％；Si为0.10-0.26％；Mn为0.05-0.2％；Cr为1.78-2.1％；Ni为1.36-2.22％；Mo为0.65-0.88％；V为≤0.10％；Nb为≤0.020％；Al为≤0.010％；P为≤0.010％；S为≤0.005；其余为Fe和不可避免的杂质。
3.如权利要求1或2所述的石油钻井高强度合金结构钢，其特征在于，所述合金结构钢的组织结构为：成品心部为均匀的回火索氏体，回火索氏体的体积率为95％以上，在距离材料表面材料整体厚度或直径的1/8位置处的马氏体的体积率为90％以上，贝氏体体积率在5％以上。
4.如权利要求3所述的石油钻井高强度合金结构钢，其特征在于，成品心部为均匀的回火索氏体，回火索氏体的体积率为98％以上，在距离材料表面材料整体厚度或直径的1/8位置处的马氏体的体积率为92％以上，贝氏体体积率在6％以上。
5.如权利要求1-4所述的石油钻井高强度合金结构钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：电炉冶炼或转炉冶炼、精炼(LF)和真空处理(VD)；电渣重熔；高温扩散热处理、多方向锻造加工；正火处理、高温退火处理；粗加；半精加工、880℃-930℃淬火、580℃-630℃回火；精加工；成品。
6.如权利要求5所述的石油钻井高强度合金结构钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S10、冶炼：按该石油钻井高强度合金结构钢的化学成分及质量百分比进行配料电炉冶炼或转炉冶炼、精炼(LF)和真空处理(VD)，然后进行电渣重熔；
S20、高温扩散热处理：加热温度为1180℃～1300℃，保温5～15小时；
S30、经过高温扩散热处理的钢锭降温至1100℃～1250℃温度范围内进行多方向锻造加工，采用三镦三拔的锻造方式，总锻造压缩比≥6，终锻温度≥900℃；
S40、正火处理：加热温度为880℃～950℃，保温时间为5～15小时，快速冷却后装退火炉300℃保温5～10小时；
S50、高温退火处理：退火温度为660～680℃，保温时间50～150小时；
S60、调质热处理：淬火温度为880℃～930℃，保温时间为5～15小时，采用淬火液或油冷至200℃以下；随后进行580～630℃的回火处理，保温时间为10～20小时。
7.如权利要求6所述的石油钻井高强度合金结构钢的制备方法，其特征在于，
S20、高温扩散热处理：加热温度为1200℃～1275℃，保温8～10小时；
S30、经过高温扩散热处理的钢锭降温至1120℃～1230℃温度范围内进行多方向锻造加工，采用三镦三拔的锻造方式，总锻造压缩比≥6，终锻温度≥1020℃；
S40、正火处理：加热温度为890℃～935℃，保温时间为8～12小时，快速冷却后装退火炉300℃保温5～10小时；
S50、高温退火处理：退火温度为670～675℃，保温时间80～120小时；
S60、调质热处理：淬火温度为890℃～915℃，保温时间为7～12小时，采用淬火液或油冷至180℃以下；随后进行605～625℃的回火处理，保温时间为12～18小时。
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