CN111074150B - 一种高强度高淬透性耐腐蚀钻头用钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强度高淬透性耐腐蚀钻头用钢及其制备方法，所述钻头用钢化学成分及质量百分含量为：C：0.38～0.40％、Si：0.20～0.30％、Mn：0.40～0.55％、Cr：1.12～1.16％、Mo：0.20～0.22％、Nb：0.01～0.015％、Cu≤0.20％、Al：0.015～0.030％、P≤0.020％、S≤0.015％、O≤20×10‑4％、N≤90×10‑4％、H≤2.0×10‑4％，其余为Fe和其他不可避免的杂质元素；制备方法包括电炉冶炼、LF精炼、VD真空脱气、连铸、轧制成棒材等工艺。本发明通过在Cr、Mo等微合金化元素加入的基础上，再加入微量Nb，不但可以进一步提高钢材的强度和淬透性，还起到抗H2S应力腐蚀的作用。

Description

一种高强度高淬透性耐腐蚀钻头用钢及其制备方法
技术领域
本发明属于冶金技术领域，涉及一种高强度高淬透性耐腐蚀钻头用钢及其制备方法。
背景技术
随着石油、矿山行业的发展，深井采掘越来越普遍。在深井石油的钻探过程中，石油钻头工作条件极其恶劣，不但承载着很大的振动与扭转，且高压和高速的泥浆也会对钻头不断冲击，因为泥浆中存在硫化氢、二氧化碳和氧等气体，很可能造成钻头的腐蚀，并且会产生蚀坑，更有甚者会引起钻头的氢脆，因此，对钻头基体的材料质量要求很高。钻头质量的优劣直接关系到油田钻井速度，钻头用钢应具有较高的强度、较好的纯度和耐磨性，并且化学成分稳定、晶粒均匀细小、抗H2S腐蚀、淬透性好、锻造工艺性能良好等优点。
中国专利申请CN103789678A公开了“一种钻头用合金钢材料及其制备方法”，中国专利申请CN108707827A公开了“一种高强度钻头用合金钢”，中国专利申请CN106086670A公开了“一种石油钻采用钻头的钢材”，上述三个专利申请所公开钻头的成分含钴、锆、钨、铌、钒等高成本合金，本发明中所加的合金成本较低。且上述专利涉及高强度、高硬度、高耐磨性、高韧性和耐高温等特征，但未给出具体指标数值，本发明的钻头不但给出强度、韧性、晶粒度、淬透性、非金属夹杂物、发纹等指标具体数值，还兼具抗H2S腐蚀的性能。
发明内容
基于上述不足，本发明的目的在于，提供了一种高强度高淬透性耐腐蚀钻头用钢及其制备方法，该钻头用钢相对成本低、强度高、淬透性好、耐腐蚀、综合力学性能良好。
为达到上述目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种高强度高淬透性耐腐蚀钻头用钢，所述高强度高淬透性耐腐蚀钻头用钢的化学成分及质量百分含量为：C 0.38～0.40％、Si 0.20～0.30％、Mn 0.40～0.55％、Cr 1.12～1.16％、Mo 0.20～0.22％、Nb 0.01～0.015％、Cu≤0.20％、Als 0.015～0.030％、P≤0.020％、S≤0.015％、O≤20×10-4％，N≤90×10-4％，H≤2.0×10-4％，其余为Fe和其他不可避免的杂质元素。
所述高强度高淬透性耐腐蚀钻头用钢规格为φ45～φ160mm。
Cr的作用不仅能够提高钢的淬火性能，还能改善材料组织的均匀性。当铬元素溶于渗碳体形成(Fe，Cr)3C的合金渗碳体时，又能起到细化晶粒，得到均匀细小的淬火组织，使材料的强韧性得到提高。但当钢中铬含量过高时，材料的力学性能会因为残余奥氏体的增多和不均匀碳化物的存在而降低。为了提高试验钢的淬透性和力学性能的均匀性，设计铬元素的含量最高取1.16％。
Mo元素与碳的结合能力较强，多以碳化物的形式存在，可以通过固溶强化、细晶强化和弥散强化的强化机制很好地提高钢的强韧性。为了最大限度的发挥钼元素多种强化机制的优势，同时也最大限度的降低合金成本，钼元素含量设计最高为0.22％。
Nb的作用主要有细化晶粒、阻止再结晶、延迟相变，可起到阻止奥氏体长大，细化奥氏体和铁素体晶粒，产生沉淀强化作用，进而提高钢的强度。且在Cr、Mo元素的基础上再加入微量Nb，不但可以进一步提高钢材的强度，还起到抗H2S应力腐蚀的作用。
本发明还提供了一种高强度高淬透性耐腐蚀钻头用钢的制备方法，所述制备方法包括电炉冶炼、LF精炼、VD真空脱气、连铸、轧制成棒材等工艺；
本发明所述冶炼工序，电炉原料选取精选废钢，入炉铁水温度不小于1250℃，铁水含量60％～85％。废钢熔清，全熔分析温度≥1540℃，取样全分析。出钢温度1630～1670℃，终点C≥0.10％，P≤0.015％。出钢时氩气压力0.4～1.2MPa，氩气流量490～505NL/min左右，钢水出钢量达1/4时，在钢包中合金化，每吨钢加入中锰合金5.70～7.83Kg、钼铁合金3.51～3.86Kg、高铬合金22.13～22.92Kg、铌铁合金0.17～0.25Kg，预脱氧每吨钢加入Al量为1.0～1.43Kg左右。出完钢后继续吹氩压力(0.20～0.40)Mpa，氩气流量(10～30)NL/min；
本发明所述精炼工序，在LF精炼工序中，到达LF炉钢水温度要求≥1510℃，钢水加热时吹氩气流量调整为(30～60)NL/min，保持渣面微动但钢水液面不裸露。向渣面加入碳化硅，喂入Al线、硅钙线，保持炉渣碱度(R)≥3.0。在白渣保持时间≥15min时，化学成分符合标准要求，LF出钢温度为1605℃～1640.23℃。
本发明所述VD真空脱气工序中的上钢温度为1550.23～1575.23℃。
本发明所述连铸工序，在连铸工序中中间包内钢水温度控制在1510.23～1530.23℃。中间包钢水达到3.5吨时，向中间包加入覆盖剂和碳化稻壳，保证不裸露钢液。结晶器液面控制采用液面自动控制，距结晶器上沿小于80mm，波动范围±3mm，浸入式水口插入钢水深度为(80～120)mm。结晶器进水温度不大于45℃，进出水温差不大于10℃。
本发明所述轧制工序，在轧制工序中，连铸坯料加热时间2.74～4h，可分为冷装连铸坯料和热装连铸坯料(热装连铸坯料温度应≥400℃)，冷装连铸坯料加热时间3.4～4h，热装连铸坯料加热时间2.7～3h，加热温度1150～1250℃；高压冷却水除氧化铁皮的工作压力为≥25MPa；粗轧温度控制在1120～1180℃，中轧温度控制在1070～1130℃，终轧温度控制在920～1020℃。
本发明提供了一种高强度高淬透性耐腐蚀石油深井钻头用钢，所述石油深井钻头用钢采用如上所述的制备方法得到。
本发明通过在Cr、Mo等微合金化元素加入的基础上，再加入微量Nb，不但可以进一步提高钢材的强度，还起到抗H2S应力腐蚀的作用。实现窄淬透带控制，确保钢材淬火后硬度分布均匀，且非金属夹杂物等级、酸洗塔形发纹单条最大长度和钢材的奥氏体晶粒度级别均良好的优异综合性能，满足石油深井钻头用钢高强度、高纯度、耐腐蚀、化学成分稳定、组织致密性、晶粒均匀细小、淬透性好的条件。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
运用上述合理成分设计、冶炼、控轧等简单的操作工艺，可以使低成本高强度高淬透性耐腐蚀钻头用钢的屈服强度达到ReL≥955MPa、抗拉强度1080～1250Mpa、20℃夏比冲击功≥70J，末端淬透性：J1.5：56～60HRC、J9：55～58HRC、J15：50～53HRC、J30：38～45HRC，非金属夹杂物等级A级≤2.0、B级≤1.5、C级≤1.0、D级≤1.5，钢材的奥氏体晶粒度级别＞6级，酸洗塔形发纹检测单条发纹长度≤1mm，在模拟H2S气氛的NACE Standard TM 0177-2005标准推荐的NACE溶液中在0.8ReL的水平应力下720小时，仍然保持不断。该钢种很好地适应了钻头用钢应具有高强度、高纯度、抗腐蚀、高淬透性的需求，为开发低成本、高性能的石油深井钻头用钢提供了技术支撑。
具体实施方式
本说明书中公开得任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或者类似特征中的一个例子而已。所述仅仅是为了帮助理解本发明，不应该视为对本发明的具体限制。
下面以具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
在本实施例中低成本高强度高淬透性耐腐蚀钻头用钢的生产工艺流程为电炉冶炼、LF精炼、VD真空脱气、连铸、轧制成棒材等工艺。
具体操作步骤如下：
电炉原料选取精选废钢，入炉铁水温度1252℃，铁水含量65％。废钢熔清，全熔分析温度1543℃，取样全分析。终点C 0.16％，P 0.013％时，1645℃时出钢。出钢时氩气压力0.8MPa，氩气流量490NL/min，钢水出钢量达1/4时，在钢包中合金化，每吨钢加入中锰合金7.55Kg、钼铁合金3.51Kg、高铬合金22.13Kg、铌铁合金0.18Kg，预脱氧每吨钢加入Al量为1.0Kg。出完钢后继续吹氩压力0.30Mpa，氩气流量25NL/min。
在LF精炼工序中，到达LF炉钢水温度1530℃，钢水加热时吹氩气流量调整为45NL/min，保持渣面微动但钢水液面不裸露。向渣面加入碳化硅，喂入Al线、硅钙线，保持炉渣碱度R＝3.2。白渣保持时间为20min，温度为1625.23℃时，LF出钢。
在VD真空脱气工序中，接通氩气，根据钢水液面波动情况调整氩气流量，同时测温。温度为1560.46℃时，工作压力达到67Pa，氩气流量20NL/min，抽真空并保持16min。解除真空、开盖、取样、测温、加覆盖剂、软吹，软吹时间15min，软吹时吹氩气流量20Nl/min。在连铸工序中中间包内钢水温度控制在1522.38℃。中间包钢水达到3.5吨时，向中间包加入覆盖剂和碳化稻壳，保证不裸露钢液。结晶器液面控制采用液面自动控制，距结晶器上沿80mm，浸入式水口插入钢水深度为92mm。结晶器进水温度42℃，进出水温差9℃。
经过以上步骤后，得到的钢水化学成份按重量百分比列于表1中，余量为Fe及不可避免杂质。
在轧制工序中冷装连铸坯料加热时间3.6h，热装连铸坯料(温度420℃)加热时间2.8h，加热温度1170℃；高压冷却水除氧化铁皮的工作压力为27MPa；粗轧温度控制在1140℃，中轧温度控制在1080℃，终轧温度控制在940℃。
本实施例的钢材化学成分结果见表1。钢材的屈服强度、抗拉强度和伸长率测试请参见GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验》，钢材的冲击功测试请参见GB/T229-2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》，结果见表2。钢材的淬透性测试请参见GB/T 225-2006《钢淬透性的末端淬火试验方法(Jominy试验)》，结果见表3。钢材的非金属夹杂物含量测试请参见ASTM E45-1997《钢中非金属夹杂物含量测定方法》，结果见表4。钢材的塔形发纹总条数测试请参见GB/T 15711-1995《钢材塔形发纹酸浸检验方法》，结果见表5。钢材的奥氏体晶粒度测试请参见ASTM E112《金属平均晶粒度测定方法》结果见表6。钢材的抗H2S应力腐蚀开裂试验请参见NACE Standard TM0177-2005《硫化氢环境中金属抗硫化物应力开裂和应力腐蚀开裂的实验室试验》，结果见表7。
实施例2
在本实施例中低成本高强度高淬透性耐腐蚀钻头用钢的生产工艺流程为电炉冶炼、LF精炼、VD真空脱气、连铸、轧制成棒材等工艺。
具体操作步骤如下：
电炉原料选取精选废钢，入炉铁水温度1258℃，铁水含量70％。废钢熔清，全熔分析温度1553℃，取样全分析。终点C 0.14％，P 0.012％时，1655℃时出钢。出钢时氩气压力0.7MPa，氩气流量505NL/min，钢水出钢量达1/4时，在钢包中合金化，每吨钢加入中锰合金7.69Kg、钼铁合金3.68Kg、高铬合金22.33Kg、铌铁合金0.20Kg，预脱氧每吨钢加入Al量为1.43Kg。出完钢后继续吹氩压力0.35Mpa，氩气流量22NL/min。
在LF精炼工序中，到达LF炉钢水温度1525℃，钢水加热时吹氩气流量调整为39NL/min，保持渣面微动但钢水液面不裸露。向渣面加入碳化硅，喂入Al线、硅钙线，保持炉渣碱度R＝3.3。白渣保持时间为18min，温度为1629.57℃时，LF出钢。
在VD真空脱气工序中，接通氩气，根据钢水液面波动情况调整氩气流量，同时测温。温度为1559.36℃时，工作压力达到67Pa，氩气流量22NL/min，抽真空并保持17min。解除真空、开盖、取样、测温、加覆盖剂、软吹，软吹时间14min，软吹时吹氩气流量24Nl/min。在连铸工序中中间包内钢水温度控制在1518.46℃。中间包钢水达到3.5吨时，向中间包加入覆盖剂和碳化稻壳，保证不裸露钢液。结晶器液面控制采用液面自动控制，距结晶器上沿78mm，浸入式水口插入钢水深度为87mm。结晶器进水温度43℃，进出水温差8℃。
经过以上步骤后，得到的钢水化学成份按重量百分比列于表1中，余量为Fe及不可避免杂质。
在轧制工序中冷装连铸坯料加热时间3.7h，热装连铸坯料(温度425℃)加热时间2.75h，加热温度1190℃；高压冷却水除氧化铁皮的工作压力为28MPa；粗轧温度控制在1160℃，中轧温度控制在1120℃，终轧温度控制在960℃。
本实施例的钢材化学成分结果见表1。钢材的屈服强度、抗拉强度和伸长率测试请参见GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验》，钢材的冲击功测试请参见GB/T229-2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》，结果见表2。钢材的淬透性测试请参见GB/T 225-2006《钢淬透性的末端淬火试验方法(Jominy试验)》，结果见表3。钢材的非金属夹杂物含量测试请参见ASTM E45-1997《钢中非金属夹杂物含量测定方法》，结果见表4。钢材的塔形发纹总条数测试请参见GB/T 15711-1995《钢材塔形发纹酸浸检验方法》，结果见表5。钢材的奥氏体晶粒度测试请参见ASTM E112《金属平均晶粒度测定方法》结果见表6。钢材的抗H2S应力腐蚀开裂试验请参见NACE Standard TM0177-2005《硫化氢环境中金属抗硫化物应力开裂和应力腐蚀开裂的实验室试验》，结果见表7。
实施例3
在本实施例中低成本高强度高淬透性耐腐蚀钻头用钢的生产工艺流程为电炉冶炼、LF精炼、VD真空脱气、连铸、轧制成棒材等工艺。
具体操作步骤如下：
电炉原料选取精选废钢，入炉铁水温度1255℃，铁水含量73％。废钢熔清，全熔分析温度1547℃，取样全分析。终点C 0.13％，P 0.014％时，1648℃时出钢。出钢时氩气压力0.9MPa，氩气流量496NL/min，钢水出钢量达1/4时，在钢包中合金化，每吨钢加入中锰合金7.83Kg、钼铁合金3.68Kg、高铬合金22.13Kg、铌铁合金0.17Kg，预脱氧每吨钢加入Al量为1.28Kg。出完钢后继续吹氩压力0.29Mpa，氩气流量24NL/min。
在LF精炼工序中，到达LF炉钢水温度1521℃，钢水加热时吹氩气流量调整为42NL/min，保持渣面微动但钢水液面不裸露。向渣面加入碳化硅，喂入Al线、硅钙线，保持炉渣碱度R＝3.2。白渣保持时间为20min，温度为1624.67℃时，LF出钢。
在VD真空脱气工序中，接通氩气，根据钢水液面波动情况调整氩气流量，同时测温。温度为1563.41℃时，工作压力达到67Pa，氩气流量24NL/min，抽真空并保持20min。解除真空、开盖、取样、测温、加覆盖剂、软吹，软吹时间16min，软吹时吹氩气流量27Nl/min。在连铸工序中中间包内钢水温度控制在1523.55℃。中间包钢水达到3.5吨时，向中间包加入覆盖剂和碳化稻壳，保证不裸露钢液。结晶器液面控制采用液面自动控制，距结晶器上沿81mm，浸入式水口插入钢水深度为93mm。结晶器进水温度40℃，进出水温差6℃。
经过以上步骤后，得到的钢水化学成份按重量百分比列于表1中，余量为Fe及不可避免杂质。
在轧制工序中冷装连铸坯料加热时间3.9h，热装连铸坯料(温度419℃)加热时间2.8h，加热温度1210℃；高压冷却水除氧化铁皮的工作压力为27MPa；粗轧温度控制在1150℃，中轧温度控制在1090℃，终轧温度控制在965℃。
本实施例的钢材化学成分结果见表1。钢材的屈服强度、抗拉强度和伸长率测试请参见GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验》，钢材的冲击功测试请参见GB/T229-2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》，结果见表2。钢材的淬透性测试请参见GB/T 225-2006《钢淬透性的末端淬火试验方法(Jominy试验)》，结果见表3。钢材的非金属夹杂物含量测试请参见ASTM E45-1997《钢中非金属夹杂物含量测定方法》，结果见表4。钢材的塔形发纹总条数测试请参见GB/T 15711-1995《钢材塔形发纹酸浸检验方法》，结果见表5。钢材的奥氏体晶粒度测试请参见ASTM E112《金属平均晶粒度测定方法》结果见表6。钢材的抗H2S应力腐蚀开裂试验请参见NACE Standard TM0177-2005《硫化氢环境中金属抗硫化物应力开裂和应力腐蚀开裂的实验室试验》，结果见表7。
表1实施例1-3钻头用钢的化学成分组成
Figure BDA0002324424270000071
表2实施例1-3钻头用钢的力学性能
Figure BDA0002324424270000072
Figure BDA0002324424270000081
表3实施例1-3钻头用钢的末端淬透性
Figure BDA0002324424270000082
表4实施例1-3钻头用钢中的非金属夹杂物(级)
Figure BDA0002324424270000083
表5实施例1-3钻头用钢的酸洗塔形发纹检测数据(级)
Figure BDA0002324424270000084
表6实施例1-3钻头用钢的奥氏体晶粒度(级)
实施例 奥氏体晶粒度
1 7
2 7
3 8
表7实施例1-3钻头用钢的H2S应力腐蚀开裂试验结果
Figure BDA0002324424270000085
Figure BDA0002324424270000091
综上，本发明所得低成本高强度高淬透性耐腐蚀钻头用钢的屈服强度达到ReL≥955MPa、抗拉强度1080～1250Mpa、20℃夏比冲击功≥70J，末端淬透性：J1.5：56～60HRC、J9：55～58HRC、J15：50～53HRC、J30：38～45HRC，非金属夹杂物等级A级≤2.0、B级≤1.5、C级≤1.0、D级≤1.5，钢材的奥氏体晶粒度级别＞6级，酸洗塔形发纹检测单条发纹长度≤1mm；抗H2S应力腐蚀。
本发明的工艺参数(如温度、时间等)区间上下限取值以及区间值都能实现本法，在此不一一列举实施例。
本发明未详细说明的内容均可采用本领域的常规技术知识。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应该理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种高强度高淬透性耐腐蚀钻头用钢，其特征在于，所述高强度高淬透性耐腐蚀钻头用钢的化学成分及质量百分含量为：C：0.38～0.40％、Si：0.20～0.30％、Mn：0.40～0.55％、Cr：1.12～1.16％、Mo：0.20～0.22％、Nb：0.01～0.015％、Cu≤0.20％、Al：0.015～0.030％、P≤0.020％、S≤0.015％、O≤20×10-4％、N≤90×10-4％、H≤2.0×10-4％，其余为Fe和其他不可避免的杂质元素；
所述高强度高淬透性耐腐蚀钻头用钢规格为
Figure FDA0002820122240000011
钢材试样屈服强度ReL≥955MPa，抗拉强度1080～1250MPa，20℃夏比冲击功≥70J；末端淬透性：J1.5：56～60HRC、J9：55～58HRC、J15：50～53HRC、J30：38～45HRC；非金属夹杂物等级A级≤2.0、B级≤1.5、C级≤1.0、D级≤1.5；钢材的奥氏体晶粒度级别＞6级；酸洗塔形发纹检测单条发纹长度≤1mm；抗H2S应力腐蚀。
2.一种权利要求1所述高强度高淬透性耐腐蚀钻头用钢的制备方法，所述制备方法包括电炉冶炼、LF精炼、VD真空脱气、连铸、轧制成棒材；
其中，
在电炉冶炼过程中，出钢时氩气压力0.4～1.2MPa，氩气流量490～505NL/min，钢水出钢量达1/4时，加入中锰合金、钼铁合金、高铬合金和铌铁合金在钢包中合金化，预脱氧每吨钢加入Al量为1.0～1.43Kg；
在LF精炼工序中，到达LF炉钢水温度要求≥1510℃，钢水加热时吹氩气流量调整为30～60NL/min，向渣面加入碳化硅，喂入Al线、硅钙线，保持炉渣碱度≥3.0，在白渣保持时间≥15min时，化学成分符合要求，LF炉出钢温度1605℃～1640.23℃；
在VD真空脱气工序中，上钢温度为1550.23℃～1575.23℃；
在连铸工序中，中间包内钢水温度控制在1510.23～1530.23℃，结晶器液面控制在距结晶器上沿的距离不大于80mm，波动范围±3mm，浸入式水口插入钢水深度为80～120mm，结晶器进水温度不大于45℃，进出水温差不大于10℃；
在轧制工序中，连铸坯料加热时间2.7～4h，加热温度1150～1250℃；粗轧温度控制在1120～1180℃，中轧温度控制在1070～1130℃，终轧温度控制在920～1020℃。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，在电炉冶炼过程中，合金化时，每吨钢加入中锰合金5.70～7.83Kg、钼铁合金3.51～3.86Kg、高铬合金22.13～22.92Kg、铌铁合金0.17～0.25Kg。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，在连铸工序中，高压冷却水除氧化铁皮的工作压力为≥25MPa。
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