CN112030066B - 一种低碳马氏体钢、万米钻机吊环及其制备方法 - Google Patents

一种低碳马氏体钢、万米钻机吊环及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于石油装备制造领域，具体公开了一种低碳马氏体钢，以质量百分比计，包括以下组分：C：0.17％～0.19％；Si：0.20％～0.25％；Mn：0.6％～0.7％；Cr：1.5％～1.6％；Mo：0.7％‑0.8％；Ni：4.1％～4.3％；V：0.13％～0.15％；S≤0.005％和P≤0.01％，其余为铁和不可避免的杂质，具有高的强度和韧性。本发明还公开了利用所述低碳马氏体钢制备的万米钻机吊环，直径可达到180mm，满足万米钻机吊环使用要求。本发明还公开了所述万米钻机吊环的制备方法，成本低，制造周期短。

Description

一种低碳马氏体钢、万米钻机吊环及其制备方法
技术领域
本发明属于石油装备制造领域，具体涉及一种低碳马氏体钢、万米钻机吊环及其制备方法。
背景技术
吊环是石油钻机的一种重要提升构件，是一种实心棒材锻件，主要承受拉伸载荷和疲劳载荷。随着超深层油气钻井开发和万米钻机的应用，对吊环提升能力的要求越来越高，吊环直径越来越大，为了确保吊环的整体服役安全，要求其整个截面具有一致的力学性能，尤其是心部位置材料具有高的强度和韧性，这就要求吊环用钢具有足够的淬透性和强韧性。目前，用于制造直径小于120mm吊环的材料主要有20SiMn2MoV和20Cr2Ni4。CN201310526082.9提出了一种制造吊环的马氏体钢组分为0.19≤C≤0.24，Si≤0.37，P≤0.015，S≤0.015，2≤Mn≤2.4，0.7≤Cr≤1，1.4≤Ni≤1.7，04≤Mo≤0.5，0.07≤V≤0.12，其余为Fe，合计为100％，可用于制造直径为90mm的吊环。CN100453683提出了一种可以用于制造吊环的低温高强度钢，其化学成分为C：0.16～0.24，Si：1.0～1.4，Cr：0.8～1.2，Ni：1.0～1.4，Mo:0.2～040，V：0.05～0.2，P≤0.035，S≤0.035，Cu≤0.05及余量铁，可用于制造直径约为76mm的150t吊环。综合分析，目前的钻机吊环材料对于直径小于120mm的吊环产品可以满足要求。针对12000m及以上超深井钻机用截面直径达180mm，甚至更大直径的吊环产品，目前的材料已无法满足使用要求。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种低碳马氏体钢及采用低碳马氏体钢制备的万米钻机吊环，具有高的强度和韧性，满足万米钻机吊环使用要求。
本发明的目的之二在于提供一种万米钻机吊环的制备方法，制造方法简单，制造周期短。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种低碳马氏体钢，以质量百分比计，包括以下组分：
C：0.17％～0.19％；Si：0.20％～0.25％；Mn：0.6％～0.7％；Cr：1.5％～1.6％；Mo：0.7％-0.8％；Ni：4.1％～4.3％；V：0.13％～0.15％；0<S≤0.005％和0<P≤0.01％，其余为铁和不可避免的杂质。
进一步，所述低碳马氏体钢的屈服强度为1210～1285MPa，抗拉强度为1395～1485MPa，伸长率为14％～16％，-20℃条件下的冲击吸收能为62～71J。
本发明还公开了采用所述的低碳马氏体钢制备的万米钻机吊环，万米钻机吊环的直径为160mm～180mm。
本发明还公开了所述万米钻机吊环的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)按照上述配比称取各组分，精炼成钢坯；
(2)将钢坯进行电渣重熔处理，获得直径不小于690mm的铸锭，将铸锭加热均匀，进行锻造，获得直径350mm～380mm圆钢，锻造后进行退火处理；
(3)将圆钢加热均匀后进行锻造，锻造获得直径为160mm～180mm的吊环试样；
(4)将吊环试样加热至870～900℃，保温3h～4h，空冷至室温，随后在850℃～870℃条件下进行淬火处理，保温3h～4h，随后再加热至250±20℃，保温4h以上，随炉冷却至室温，得到万米钻机吊环。
进一步，步骤(2)中，电渣重熔处理具体为：钢坯在350±20℃条件下烘烤并进行表面除锈，熔渣在830±20℃条件下烘烤，熔速控制为12～15kg/min。
进一步，步骤(2)中，退火处理的温度不低于400℃。
进一步，步骤(2)中，加热的温度控制在1180±10℃，锻造的终止温度控制在860℃以上。
进一步，步骤(3)中，加热的温度控制在1180±10℃，锻造的终止温度控制在860℃以上。
进一步，步骤(4)中，冷却的方式为空冷。
进一步，步骤(4)中，淬火处理过程采用水作为冷却介质。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开了一种低碳马氏体钢，采用0.17％～0.19％的C，C是决定钢强度的主要元素，可以提高钢强度，促进淬火过程中板条马氏体的形成，过高或过低则会显著影响马氏体组织的含量和性能，降低钢强韧性；采用0.20％～0.25％的Si作为脱氧剂，与钢液中的氧化物形成硅酸盐，使钢体致密，控制Si含量，既保证充分脱氧，又控制夹杂物的形成，提高组织均匀性，Si含量过高会降低钢的韧性；采用0.6％～0.7％的Mn，可以提高钢的淬透性，与C、Si、Cr和Mo协同配合，提高淬火组织中板条马氏体的含量和强度，含量过高时会影响钢的组织均匀性和韧性；加入1.5％～1.6％的Cr，是碳化物形成元素，与C、Mn和V元素配合，提高钢的强度，促进淬火过程中细小均匀马氏体组织的形成，过高时则容易形成碳化物析出，影响韧性；加入0.7％～0.8％的Mo，可以提高钢的淬透性，形成碳化物，提高钢的强度和低温韧性，与C、Mn、Cr和Ni元素协同配合，降低淬火过程中的残余应力，控制冷却过程中的变形，改善回火脆性，提高低温韧性；加入4.1％～4.3％的Ni，提高钢的淬透性，保证钢的低温韧性，与C、Mn、Cr和Mo元素协同配合，降低水冷过程中的变形；加入0.13％～0.15％V，与C、Cr和Ni元素协同配合，细化晶粒，形成强化相，提高钢的强韧性匹配，过高则易导致偏析降低钢的韧性；通过控制有害元素S≤0.005％，控制MnS夹杂的形成，保证钢的韧性；通过控制有害元素P≤0.01％，避免使钢产生偏析，提高热处理过程中的组织转变率，保证钢的微观组织和性能的均匀性。
进一步，本发明通过控制低碳马氏体钢的化学成分，各成分协同配合，所得吊环的屈服强度大于1200MPa，抗拉强度大于1350MPa，伸长率大于13％，-20℃条件下的冲击吸收能大于60J，确保超深井钻机用大截面吊环的强韧性。
本发明公开的采用上述低碳马氏体钢制备的万米钻机吊环，直径可达到180mm，满足万米钻机吊环使用要求。
本发明公开的万米钻机吊环的制备方法，工艺简单，制造周期短；通过控制钢化学成分的协同配合，大幅度提升了吊环用钢的淬透性，对吊环试样进行高温淬火处理，使得板条马氏体的含量明显高于目前使用材料，而且变形较小，为保证吊环的高强韧性提供条件，随后又采用250±10℃的低温回火，可以充分消除淬火过程中形成的残余应力，改善淬火马氏体的韧性，而且有效避免了回火脆性的出现，充分发挥淬火马氏体高强韧性的优势。本发明通过合理控制吊环用钢化学成分中的C、Si、Cr、Mn、Mo、Ni、V、S和P元素含量，通过化学元素之间的协同配合，采用高温淬火的方式获得板条马氏体组织，大幅度降低夹杂物及有害组织的形成，采用250±10℃低温回火，将变形和残余应力控制在较低的范围，保证钢吊环高强韧性。本发明通过控制材料化学成分，确保其采用空冷正火+淬火+低温回火的热处理工艺流程后获得优异的强度和韧性，相较于常规吊环采用空冷正火+高温回火+淬火+低温回火的热处理工艺流程，减少了高温回火工艺流程，大幅度降低了吊环的制造成本和制造周期。
进一步，淬火处理采用水作为冷却介质，获得均匀细小的板条马氏体组织，既可以保证吊环全截面性能优异而且不存在淬火开裂的风险，水作为冷却介质的成本显著低于目前使用的各类专用冷却液。
附图说明
图1为本发明实施例1得到的吊环的金相组织图；
图2为本发明实施例2得到的吊环的金相组织图；
图3为本发明实施例3得到的吊环的金相组织图；
图4为本发明实施例4得到的吊环的金相组织图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明公开的一种低碳马氏体钢，以质量百分比计，包括以下组分：
C：0.17％～0.19％；Si：0.20％～0.25％；Mn：0.6％～0.7％；Cr：1.5％～1.6％；Mo：0.7％-0.8％；Ni：4.1％～4.3％；V：0.13％～0.15％；S≤0.005％和P≤0.01％，其余为铁和不可避免的杂质。
本发明所述吊环的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)按下述成分进行精炼成钢坯，其成分按质量百分比计，包括以下组分：
C：0.17％～0.19％；Si：0.20％～0.25％；Mn：0.6％～0.7％；Cr：1.5％～1.6％；Mo：0.7％-0.8％；Ni：4.1％～4.3％；V：0.13％～0.15％；S≤0.005％和P≤0.01％，其余为铁和不可避免的杂质。
(2)将钢坯进行电渣重熔处理，获得直径不小于690mm的铸锭，将铸锭加热均匀，加热温度控制在1180±10℃，进行锻造，锻造的终止温度控制在860℃以上，获得直径350mm～380mm圆钢，锻造后进行不低于400℃的退火处理，以便于消除锻造缺陷和残余应力；
(3)将圆钢加热至1180±10℃，加热均匀后进行锻造，锻造作业温度控制在860℃～1170℃，锻造获得直径为160mm～180mm的吊环试样；
(4)将吊环试样加热至870～900℃，保温3h～4h，空冷至室温，随后在850℃～870℃条件下进行淬火处理，保温3h～4h，随后再加热至250±20℃，保温4h以上，随炉冷却至室温，得到吊环。
所述低碳马氏体钢的屈服强度为1210～1285MPa，抗拉强度为1395～1485MPa，伸长率为14％～16％，-20℃条件下的冲击吸收能为62～71J。
实施例1
本发明公开了一种吊环的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)如表1所示，按下述成分进行精炼成钢坯，其成分按质量百分比计，包括以下组分：
C：0.17％；Si：0.20％；Mn：0.6％；Cr：1.5％；Mo：0.7％；Ni：4.1％；V：0.13％；S：0.005％和P：0.01％，其余为铁和不可避免的杂质。
(2)将钢坯进行电渣重熔处理，获得直径为690mm铸锭，将铸锭加热均匀，加热温度至1170℃进行锻造，锻造温度控制为860℃～1170℃，锻造获得直径350mm～360mm圆钢，完成锻造后表面温度降低至400℃进炉退火处理；
(4)将圆钢重新加热至1170℃，进行锻造，锻造温度控制为860℃～1170℃，锻造获得直径为160mm的吊环试样；
(5)将吊环试样加热至870℃，保温3h，空冷至室温，随后再加热至850℃，保温3h，进行淬火处理，淬火介质为水，随后再加热至230℃，保温4h，随炉冷却至室温，得到吊环。
对本实施例获得的吊环进行力学性能测试，如表2所所示，屈服强度为1255MPa，抗拉强度为1425MPa，伸长率为15％，-20℃条件下的冲击吸收能为68J，金相显微组织如图1所示。
实施例2
本发明公开了一种吊环的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)如表1所示，按下述成分进行精炼成钢坯，其成分按质量百分比计，包括以下组分：
C：0.19％；Si：0.25％；Mn：0.7％；Cr：1.6％；Mo：0.8％；Ni：4.3％；V：0.15％；S：0.005％和P：0.008％，其余为铁和不可避免的杂质。
(2)将钢坯进行电渣重熔处理，获得直径为870mm铸锭，将铸锭加热均匀，加热温度至1190℃进行锻造，锻造温度860℃～1170℃，锻造获得直径360mm～380mm圆钢，完成锻造后表面温度降低至450℃进炉退火处理；
(4)将圆钢重新加热至1190℃，进行锻造，锻造开始温度控制为860℃～1170℃，锻造获得直径为170mm的吊环试样；
(5)将吊环试样加热至900℃，保温4h，空冷至室温，随后再加热至870℃，保温4h，进行淬火处理，淬火介质为水，随后再加热至270℃，保温6h，随炉冷却至室温，得到吊环。
对本实施例获得的吊环试样进行力学性能测试，如表2所所示，屈服强度为1285MPa，抗拉强度为1485MPa，伸长率为16％，-20℃条件下的冲击吸收能为62J，金相显微组织如图2所示。
实施例3
本发明公开了一种吊环的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)如表1所示，按下述成分进行精炼成钢坯，其成分按质量百分比计，包括以下组分：
C：0.18％；Si：0.21％；Mn：0.65％；Cr：1.52％；Mo：0.79％；Ni：4.17％；V：0.13％；S：0.002％和P：0.006％，其余为铁和不可避免的杂质。
(2)将钢坯进行电渣重熔处理，获得直径为810mm铸锭，将铸锭加热均匀，加热温度至1180℃进行锻造，锻造温度控制为860℃～1170℃，锻造获得直径355mm～370mm圆钢，完成锻造后表面温度降低至430℃进炉退火处理；
(4)将圆钢重新加热至1180℃进行锻造，锻造温度控制为860℃～1170℃，锻造获得直径为175mm的吊环试样；
(5)将吊环试样加热至880℃，保温3.5h，空冷至室温，随后再加热至850℃，保温3.5h，进行淬火处理，淬火介质为水，随后再加热至250℃，保温6h，随炉冷却至室温，得到吊环。
对本实施例获得的吊环进行力学性能测试，如表2所示，屈服强度为1210MPa，抗拉强度为1395MPa，伸长率为14％，-20℃条件下的冲击吸收能为65J，金相显微组织如图3所示。
实施例4
本发明公开了一种吊环的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)如表1所示，按下述成分进行精炼成钢坯，其成分按质量百分比计，包括以下组分：
C：0.17％；Si：0.25％；Mn：0.6％；Cr：1.6％；Mo：0.8％；Ni：4.1％；V：0.15％；S：0.004％和P：0.007％，其余为铁和不可避免的杂质。
(2)将钢坯进行电渣重熔处理，获得直径为810mm铸锭，将铸锭加热均匀，加热温度至1180℃进行锻造，锻造温度控制为860℃～1170℃，锻造获得直径350mm～360mm圆钢，锻造后进行退火处理；
(4)将圆钢重新加热至1180℃进行锻造，锻造温度控制为860℃～1170℃，锻造获得直径为180mm的吊环试样；
(5)将吊环试样加热至880℃，保温3.5h，空冷至室温，随后再加热至850℃，保温3.5h，进行淬火处理，淬火介质为水，随后再加热至250℃，保温6h，随炉冷却至室温，得到吊环。
对本实施例获得的吊环进行力学性能测试，如表2所示，屈服强度为1225MPa，抗拉强度为1437MPa，伸长率为15％，-20℃条件下的冲击吸收能为71J，金相显微组织如图4所示。
本发明的电渣重熔处理工艺具体为：钢坯在350±20℃条件下烘烤并进行表面除锈，熔渣在830±20℃条件下烘烤，熔速控制为12～15kg/min。
表1钢的化学成分(Wt，％)
Figure GDA0003294076970000081
Figure GDA0003294076970000091
表2钢的力学性能
抗拉强度(MPa) 屈服强度/MPa 伸长率/％ 冲击吸收能(-20℃)/J
实施例1 1425 1255 15 68
实施例2 1485 1285 16 62
实施例3 1395 1210 14 65
实施例4 1437 1225 15 71

Claims (9)

1.一种低碳马氏体钢，其特征在于，以质量百分比计，由以下组分组成：
C：0.17％～0.19％；Si：0.20％～0.25％；Mn：0.6％～0.7％；Cr：1.5％～1.6％；Mo：0.7％-0.8％；Ni：4.1％～4.3％；V：0.13％～0.15％；0<S≤0.005％和0<P≤0.01％，其余为铁和不可避免的杂质；
所述低碳马氏体钢的屈服强度为1210～1285MPa，抗拉强度为1395～1485MPa，伸长率为14％～16％，-20℃条件下的冲击吸收能为62～71J。
2.采用权利要求1所述的低碳马氏体钢制备的万米钻机吊环，其特征在于，万米钻机吊环的直径为160mm～180mm。
3.权利要求2所述万米钻机吊环的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
(1)按照上述配比称取各组分，精炼成钢坯；
(2)将钢坯进行电渣重熔处理，获得直径不小于690mm的铸锭，将铸锭加热均匀，进行锻造，获得直径350mm～380mm圆钢，锻造后进行退火处理；
(3)将圆钢加热均匀后进行锻造，锻造获得直径为160mm～180mm的吊环试样；
(4)将吊环试样加热至870～900℃，保温3h～4h，空冷至室温，随后在850℃～870℃条件下进行淬火处理，保温3h～4h，随后再加热至250±20℃，保温4h以上，随炉冷却至室温，得到万米钻机吊环。
4.根据权利要求3所述的万米钻机吊环的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，电渣重熔处理具体为：钢坯在350±20℃条件下烘烤并进行表面除锈，熔渣在830±20℃条件下烘烤，熔速控制为12～15kg/min。
5.根据权利要求3所述的万米钻机吊环的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，退火处理的温度不低于400℃。
6.根据权利要求3所述的万米钻机吊环的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，加热的温度控制在1180±10℃，锻造的终止温度控制在860℃以上。
7.根据权利要求3所述的万米钻机吊环的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，加热的温度控制在1180±10℃，锻造的终止温度控制在860℃以上。
8.根据权利要求3所述的万米钻机吊环的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，冷却的方式为空冷。
9.根据权利要求3所述的万米钻机吊环的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，淬火处理过程采用水作为冷却介质。
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