CN112048669A - 一种高强度高韧性钻杆接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韧性钻杆接头用钢及其制备方法，化学成分以质量百分比计含有：C：0.35‑0.38%、Si：0.20‑0.30%、Mn：0.90‑1.10%、P：≤0.010%、S：≤0.004%、Cr：0.90‑1.20%、Mo：0.25‑0.35%、Ni：0.05‑0.15%、Nb：0.01‑0.04%，Ti：0.010‑0.030%，余量为Fe和不可避免的杂质；制备方法包括电炉冶炼、LF精炼、VD真空脱气、连铸、轧制、分段锻压、正火、淬火以及回火工序；其中，LF精炼工序中通过在钢水中添加铌以控制铌重量百分比含量为0.01‑0.04%；VD真空脱气后喂入钛线进行钛合金化，控制钛重量百分比含量为0.010‑0.030%。本发明采用合理的合金元素成分设计，获得具有屈服强度≥920MPa，20℃纵向冲击吸收功≥100J，‑20℃纵向冲击吸收功≥90J的钻杆接头用钢，达到了超深井对钻杆接头的性能要求。

Description

一种高强度高韧性钻杆接头用钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及钻杆接头用钢及其制备方法，尤其涉及一种高强度高韧性钻杆接头用钢及其制备方法。
背景技术
石油钻杆接头是油气田勘探开发过程中连接钻杆传递动力、输送泥浆的重要工具。随着钻井深度的不断增加，对钻杆接头的强度、韧性的要求也在不断提高，普通钢级的钻杆产品已难以满足开采要求。为满足钻杆接头在井下失效时“先漏后破”的准则，钻杆接头的韧性水平应随着材料强度的增加而同步增长。目前普遍使用37CrMnMo制造石油钻杆接头，使用该牌号钢制造的石油钻杆接头屈服强度一般在865-920MPa、20℃纵向冲击吸收功AKV一般为90-100J，-20℃纵向冲击吸收功AKV一般为80-90J，强度和冲击韧性明显偏低，达不到超深井对钻杆接头的要求。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供一种高屈服强度、高韧性的石油钻杆接头用钢；本发明的第二目的在于提供上述钻杆接头用钢的制备方法。
技术方案：本发明的一种高强度高韧性钻杆接头用钢，化学成分以质量百分比计含有：C：0.35-0.38％、Si：0.20-0.30％、Mn：0.90-1.10％、P：≤0.010％、S：≤0.004％、Cr：0.90-1.20％、Mo：0.25-0.35％、Ni：0.05-0.15％、Nb：0.01-0.04％，Ti：0.010-0.030％，余量为Fe和不可避免的杂质。
本发明中各元素的作用及配比依据如下：
碳：碳在钢中能形成弥散析出的合金碳化物使钢得到强化，但碳含量超过0.40％会增加淬火液中淬火开裂的比例，因此，所述钢的碳含量范围控制为0.35～0.38％。
硅：硅是钢中脱氧元素之一，同时硅是非碳化物形成元素，以固溶体的形态存于铁素体或奥氏体中，具有较强的固溶强化作用，能提高钢的强度和硬度。因此，硅含量范围为0.05～0.20％。
锰：锰可显著提高钢的淬透性，同时具有一定的固溶强化作，当锰的含量低于0.90％时，由于含量较少而无法形成淬火组织转变，导致淬透性的变化不明显，当锰含量高于1.10％时，又会由于产生较多的淬火组织而残留在钢组分中，影响整体的性能，因此，锰含量范围为0.90-1.10％。
镍：镍具有降低钢韧脆转变温度的作用。镍能提高碳的活度，增强碳原子在位错周围的偏聚与沉淀，从而阻碍位错的移动而使钢得到强化，但其价格较为昂贵，应控制在0.05～0.15％。
钼：钼能显著提高钢的淬透性，高温回火是提高钢韧、塑性最为简便、有效的途径。钼元素可以提高钢的回火抗力，在高温时能够提高强度，另外，钼能强化晶界，并抑制高温回火脆性的发生，因此，钼含量应控制在0.25-0.35％以内。
铌：铌具有细化组织的作用。Nb在钢中可以形成NbC或NbN等间隙中间相，起到对位错的钉扎及对亚晶界的迁移进行阻止等作用，细化晶粒。另外，奥氏体中的固溶铌能有效的提高钢的淬透性。因此，铌含量在0.01-0.04％以内。
钛：Ti能与Fe和C生成难溶的碳化物质点，富集于钢的晶界处,，阻止钢的晶粒粗化，在钢液凝固过程中形成的大量弥散分布的TiC颗粒，可以成为钢液凝固时的固体晶核，利于钢的结晶，细化钢的组织，减少粗大柱状晶和树枝状组织的生成,，可减少偏析降低带状组织级别。另外，Ti也能与N结合生成稳定的高弥散化合物，Ti还能减慢珠光体向奥氏体的转变过程。因此，钛含量控制在0.010-0.030％以内。
磷和硫：钢中杂质元素，容易恶化钢的性能，尤其是恶化钢的韧性，其含量应分别控制在0.010％和0.004％以内。
本发明还保护所述的高强度高韧性钻杆接头用钢的制备方法，包括电炉冶炼、LF精炼、VD真空脱气、连铸、轧制、分段锻压、正火、淬火以及回火工序；其中，LF精炼工序中通过在钢水中添加铌以控制铌重量百分比含量为0.01-0.04％；VD真空脱气后喂入钛线进行钛合金化，控制钛重量百分比含量为0.010-0.030％。
上述方案中，采用电炉炼钢，精炼步骤采用LF+VD炉外精炼，分别引入了适量的Nb、Ti等微合金化元素，Nb、Ti与钢中的碳结合形成各自的碳化物，可以在500℃以上二次析出，出现回火二次强化现象进而提高韧性；同时，依次采用正火、淬火以及回火工序，控制正火工序的温度为840～900℃，淬火工序的温度为860～915℃，回火工序的温度为560～630℃，控制正火保温时间为30～80min，淬火保温时间为40～80min，回火保温时间为60～150min，先通过正火保证钢材内部组织平衡，然后通过淬火形成用于提高强度的马氏体组织，最后通过回火消除钢材内部应力，降低钢材的脆性。由于Ti、Nb在560-630℃之前较宽的温度范围内强度和韧性同时稳定保持在较高水平，因此可以不降低韧性的前提下使钢的强度得到提高。制备出的钻杆接头用钢的屈服强度≥920MPa，20℃纵向冲击吸收功≥100J，-20℃纵向冲击吸收功≥90J，优选的，屈服强度为920-1020MPa，20℃纵向冲击吸收功为100-115J，-20℃纵向冲击吸收功为90J-110J；所述VD真空脱气工序中，真空处理时间为20～25min，真空压力小于1mbar。
有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著优点：本发明的钻杆接头用钢在屈服强度≥920Mpa的前提下，还能同时满足20℃纵向冲击吸收功≥100J，-20℃纵向冲击吸收功≥90J，达到了超深井对钻杆接头的性能要求；本发明通过加入适量的Ti、Nb等微合金化元素，既细化了钢的晶粒，又提高了材料抗回火稳定性，在不增加成本的前提下，使钢的强度和韧性大幅提高。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
一种高强度高韧性钻杆接头用钢，牌号为4137HM，元素组成以质量百分比计含有C：0.36％、Si：0.25％、Mn：0.93％、P：0.008％、S：0.003％、Cr：1.10％、Mo：0.26％、Ni：0.08％、Nb：0.01％、Ti：0.015％，余量为Fe和不可避免的杂质。
具体的加工工序如下：
(1)冶炼，精炼：冶炼步骤采用电炉炼钢，精炼步骤采用LF+VD炉外精炼；LF精炼工序中通过添加铌使钢水中的铌含量为0.01％，全程吹氩搅拌，以便夹杂物充分上浮；VD工序真空处理时间为20min，真空压力为0.5mbar；VD后喂入钛线，进行钛合金化，控制钛重量百分比含量为0.015％；
(2)对精炼后的钢水进行连铸、轧制得到棒材；
(3)将棒材分段锻压后制得钻杆接头毛坯；
(4)对毛坯先进行正火处理，控制正火温度840℃，控制正火保温时间为30min；
(5)对正火后的坯料进行淬火处理，控制淬火温度860℃，控制淬火保温时间为40min；
(6)对淬火后的坯料进行回火处理，控制回火温度为560℃，控制回火时间为60min，得到钻杆接头用钢。
实施例2
一种高强度高韧性钻杆接头用钢，牌号为4137HM，元素组成以质量百分比计含有C：0.38％、Si：0.30％、Mn：0.97％、P：0.010％、S：0.004％、Cr：1.20％、Mo：0.32％、Ni：0.11％、Nb：0.03％、Ti：0.020％，余量为Fe和不可避免的杂质。
具体的加工工序如下：
(1)冶炼，精炼：冶炼步骤采用电炉炼钢，精炼步骤采用LF+VD炉外精炼；LF精炼工序中通过添加铌使钢水中的铌含量为0.11％，全程吹氩搅拌，以便夹杂物充分上浮；VD工序真空处理时间为25min，真空压力为0.8mbar；VD后喂入钛线，进行钛合金化，控制钛重量百分比含量为0.020％；
(2)对精炼后的钢水进行连铸、轧制得到棒材；
(3)将棒材分段锻压后制得钻杆接头毛坯；
(4)对毛坯先进行正火处理，控制正火温度900℃，控制正火保温时间为80min；
(5)对正火后的坯料进行淬火处理，控制淬火温度915℃，控制淬火保温时间为80min；
(6)对淬火后的坯料进行回火处理，控制回火温度630℃，控制回火时间为150min，得到钻杆接头用钢。
实施例3
一种高强度高韧性钻杆接头用钢，牌号为4137HM，元素组成以质量百分比计含有C：0.35％、Si：0.20％、Mn：1.10％、P：0.009％、S：0.002％、Cr：1.00％、Mo：0.33％、Ni：0.12％、Nb：0.02％、Ti：0.025％，余量为Fe和不可避免的杂质。
具体的加工工序如下：
(1)冶炼，精炼：冶炼步骤采用电炉炼钢，精炼步骤采用LF+VD炉外精炼；LF精炼工序中通过添加铌使钢水中的铌含量为0.12％，全程吹氩搅拌，以便夹杂物充分上浮；VD工序真空处理时间为20min，真空压力为0.5mbar；VD后喂入钛线，进行钛合金化，控制钛重量百分比含量为0.025％；
(2)对精炼后的钢水进行连铸、轧制得到棒材；
(3)将棒材分段锻压后制得钻杆接头毛坯；
(4)对毛坯先进行正火处理，控制正火温度880℃，控制正火保温时间为55min；
(5)对正火后的坯料进行淬火处理，控制淬火温度885℃，控制淬火保温时间为60min；
(6)对淬火后的坯料进行回火处理，控制回火温度为590℃，控制回火时间为110min，得到钻杆接头用钢。
实施例4
一种高强度高韧性钻杆接头用钢，牌号为4137HM，元素组成以质量百分比计含有C：0.38％、Si：0.30％、Mn：1.00％、P：0.007％、S：0.003％、Cr：0.90％、Mo：0.34％、Ni：0.09％、Nb：0.03％、Ti：0.020％，余量为Fe和不可避免的杂质。
具体的加工工序同实施例1，不同之处在于LF精炼工序中控制铌含量为0.09％；VD后喂入钛线，进行钛合金化，控制钛重量百分比含量为0.020％；控制正火温度890℃，控制正火保温时间为60min；控制淬火温度900℃，控制淬火保温时间为70min；控制回火温度为620℃，控制回火时间为130min。
实施例5
一种高强度高韧性钻杆接头用钢，牌号为4137HM，元素组成以质量百分比计含有C：0.37％、Si：0.25％、Mn：1.00％、P：0.008％、S：0.004％、Cr：1.10％、Mo：0.28％、Ni：0.10％、Nb：0.04％、Ti：0.010％，余量为Fe和不可避免的杂质。
具体的加工工序同是实施例2，不同之处在于LF精炼工序中控制铌含量为0.10％；VD后喂入钛线，进行钛合金化，控制钛重量百分比含量为0.010％；控制正火温度850℃，控制正火保温时间为40min；控制淬火温度870℃，控制淬火保温时间为50min；控制回火温度为570℃，控制回火时间为70min。
对比例1
制备一种37CrMnMo钢，元素组成以质量百分比计含有C：0.35％、Si：0.26％、Mn：0.92％、P：0.009％、S：0.002％、Cr：1.10％、Mo：0.27％，余量为Fe和不可避免的杂质。制备方法同实施例1，唯一不同在于不经过正火、淬火和回火的工序。
对比例2
制备一种37CrMnMo钢，元素组成以质量百分比计含有C：0.37％、Si：0.28％、Mn：0.94％、P：0.007％、S：0.001％、Cr：1.12％、Mo：0.30％，余量为Fe和不可避免的杂质。备方法同实施例2，唯一不同在于不经过正火、淬火和回火的工序。
对上述的实施例和对比例制备的钻杆接头用钢进行力学性能测试，将相关数据列于表1中。
表1实施例1-5以及对比例1-2的性能数据
Figure BDA0002654567240000051
Figure BDA0002654567240000061
从表1可以看出，实施例1-5制备的钻杆接头用钢的屈服强度明显高于对比例1和对比例2制备的钻杆接头用钢，因此可以说明Ti、Nb等微合金化元素在组分中起到了细化了晶粒，提高强度的作用，且工序中依次进行火、淬火和回火的工序也进一步起到了提高强度的作用；同时，实施例1-5的20℃纵向冲击吸收功以及-20℃纵向冲击吸收功均较高，说明Ti、Nb的微合金元素的碳化物出现回火二次强化现象，提高了材料抗回火稳定性，从而提升了材料韧性。

Claims (6)

1.一种高强度高韧性钻杆接头用钢，其特征在于：化学成分以质量百分比计含有：C：0.35-0.38％、Si：0.20-0.30％、Mn：0.90-1.10％、P：≤0.010％、S：≤0.004％、Cr：0.90-1.20％、Mo：0.25-0.35％、Ni：0.05-0.15％、Nb：0.01-0.04％，Ti：0.010-0.030％，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的高强度高韧性钻杆接头用钢，其特征在于：所述钻杆接头用钢的屈服强度为920-1020MPa，20℃纵向冲击吸收功为100-115J，-20℃纵向冲击吸收功为90J-110J。
3.权利要求1-2任一项所述的高强度高韧性钻杆接头用钢的制备方法，其特征在于，包括电炉冶炼、LF精炼、VD真空脱气、连铸、轧制、分段锻压、正火、淬火以及回火工序；其中，LF精炼工序中通过在钢水中添加铌以控制铌重量百分比含量为0.01-0.04％；VD真空脱气后喂入钛线进行钛合金化，控制钛重量百分比含量为0.010-0.030％。
4.根据权利要求3所述的高强度高韧性钻杆接头用钢的制备方法，其特征在于：正火工序的温度为840～900℃，淬火工序的温度为860～915℃，回火工序的温度为560～630℃。
5.根据权利要求4所述的高强度高韧性钻杆接头用钢的制备方法，其特征在于：所述正火、淬火以及回火工序依次进行，正火保温时间为30～80min，淬火保温时间为40～80min，回火保温时间为60～150min。
6.根据权利要求3所述的高强度高韧性钻杆接头用钢的制备方法，其特征在于：所述VD真空脱气工序中，真空处理时间为20～25min，真空压力小于1mbar。
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