CN112281053B - 一种SiMnCrNiMo系低碳马氏体钢、钻机吊环及其制造方法 - Google Patents
一种SiMnCrNiMo系低碳马氏体钢、钻机吊环及其制造方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种SiMnCrNiMo系低碳马氏体钢、钻机吊环及其制造方法,属于石油装备制造领域。本发明钻机吊环的制造方法,通过化学元素之间的协同配合,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,大幅度降低夹杂物及有害组织的形成,保证了吊环的高强韧性;随后采用低温回火,充分消除了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。
Description
技术领域
本发明属于石油装备制造领域,尤其是一种SiMnCrNiMo系低碳马氏体钢、钻机吊环及其制造方法。
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。随着超深井钻机的推广应用,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。
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:0.2~0.40,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的吊环。目前,用于大截面吊环制造的材料主要有20SiMn2MoV和20Cr2Ni4,由于20SiMn2MoV在-20℃条件下的冲击功值不足42J,无法在低温条件下使用;20Cr2Ni4材料对于制造直径不超过120mm的吊环,其低温韧性能够满足要求,但打磨较为困难,生产效率较低,制造成本较高。针对20Cr2Ni4材料存在的不足,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≤1.7,0.4≤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左右的吊环,由于该材料回火温度较低,针对截面直径达120~140mm的吊环,其冲击吸收能较低,尤其是140mm直径的吊环试样,其-20℃条件下的冲击吸收能低于50J。
发明内容
本发明的目的在于克服现有钻机吊环材料低温条件下的冲击吸收能低的缺点,提供一种SiMnCrNiMo系低碳马氏体钢、钻机吊环及其制造方法,在保障吊环具有较高的低温冲击吸收能的前提下降低制造成本。
为达到上述目的,本发明采用以下技术方案予以实现:
一种SiMnCrNiMo系低碳马氏体钢,以质量百分比计,包括以下组分:
C:0.16%~0.20%、Si:0.30%~0.45%、Mn:1.2%~1.5%、Cr:0.4%~0.6%、Mo:0.35%-0.50%、Ni:3.5%~3.9%、Al:0.015%~0.030%、V:0.05%~0.08%、S≤0.01%、[N]:50ppm-90ppm、P≤0.01%和[H]≤1ppm,其余为铁和不可避免的杂质。
一种钻机吊环的制造方法,包括以下步骤:
(1)通过精炼得到权利要求1所述SiMnCrNiMo系低碳马氏体钢的钢坯铸锭,所述钢坯铸锭直径为600mm以上;
(2)将所述钢坯铸锭进行锻造,锻造后进行退火处理,获得直径为330~350mm圆钢;
(3)将所述圆钢进行锻造,锻造得到直径为130~140mm的吊环试样;
(4)将所述吊环试样加热至910~930℃,保温2.5~3h,空冷至室温;
随后进行淬火,得到含有板条马氏体组织的吊环试样;
随后进行去应力退火,得到钻机吊环。
进一步的,淬火处理的条件为:加热至880~900℃,保温2.5~3h,随后进行快冷。
进一步的,在步骤(4)中,去应力退火的条件为:
加热至190-210℃,保温5h以上,空冷至室温。
进一步的,在步骤(2)中,锻造时加热温度为1170-1190℃,锻造的终止温度在850℃以上。
进一步的,在步骤(3)中,锻造时加热温度为1170-1190℃,锻造的终止温度在850℃以上。
进一步的,在步骤(4)中,淬火处理采用水作为冷却介质。
本发明的制造方法得到的钻机吊环。
进一步的,屈服强度为1156~1215MPa,抗拉强度为1382~1522MPa,伸长率为14%~17%,-20℃条件下的冲击吸收能为71~77J。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
本发明的SiMnCrNiMo系低碳马氏体钢,采用0.16%~0.20%的C,C是决定钢强度的主要元素,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0.30%~0.45%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,同时适量的Si也可以改善钢的淬透性,提高回火稳定性,但Si含量过高会降低钢的韧性;采用1.2%~1.5%的Mn,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韧性;加入0.4%~0.6%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0.35%~0.5%的Mo,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,控制水冷过程中的变形,改善回火脆性,提高低温韧性和加工性能;加入3.6%~3.9%的Ni,提高钢的淬透性,充分保证钢的低温韧性,与C、Mn、Cr和Mo元素协同配合,降低水冷过程中的变形;加入0.05%~0.08%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;加入0.015%~0.030%Al,细化晶粒,改善钢材的强韧性,过高则以形成夹杂物,降低材料性能;[N]:50-90ppm,起到提高材料强度作用,过高则将降低钢材韧性;通过控制有害元素S≤0.01%,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;控制[H]≤1ppm,改善材料韧性,避免缺陷的形成。
本发明钻机吊环的制造方法,通过控制吊环用钢化学成分中的C、Si、Mn、Cr、Mo、Ni、V、N、H、S和P元素含量,通过化学元素之间的协同配合,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,大幅度降低夹杂物及有害组织的形成,保证了吊环的高强韧性;随后采用低温回火,充分消除了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;本发明在钢坯冶炼阶段直接采用精炼,相较于常规吊环钢采用精炼+电渣重熔的冶炼方式,减少了电渣重熔环节,在吊环产品热处理阶段采用正火+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周期和制造成本。本发明的制造方法步骤简单,制造周期短。
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。
本发明的钻机吊环,通过控制吊环用钢的化学成分和制备工艺,获得均匀细小的板条马氏体组织,具有高强韧性的特点。
进一步的,吊环的屈服强度大于1150MPa,伸长率大于13%,-20℃条件下的冲击吸收能大于45J,确保了130~140mm大截面吊环的强韧性。
附图说明
图1为实施例1的吊环的金相组织图;
图2为实施例2的吊环的金相组织图;
图3为实施例3的吊环的金相组织图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是,本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象,而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换,以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外,术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形,意图在于覆盖不排他的包含,例如,包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元,而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述:
实施例1
一种吊环的制造方法,包括以下步骤:
(1)如表1中实施例1的组分进行精炼,获得直径为600mm钢坯铸锭,按质量百分比计,包括以下组分:
C:0.16%;Si:0.30%;Mn:1.5%;Cr:0.4%;Mo:0.50%;Ni:3.5%;V:0.05%;[N]:90ppm;S:0.01%和P:0.01%,[H]:0.5ppm,其余为铁和不可避免的杂质;
(2)将钢坯铸锭加热均匀,加热温度至1180℃进行锻造,锻造终止温度控制为850℃,锻造获得直径330~340mm圆钢,完成锻造后表面温度降低至400℃进行炉冷;
(4)将圆钢重新加热至1180℃,进行锻造,锻造终止温度控制为850℃,锻造获得直径为130~135mm的吊环试样;
(5)将吊环试样加热至910~920℃,保温3h,空冷至室温,随后再加热至880~890℃,保温3h,进行淬火处理,淬火介质为水,随后再加热至200℃,保温5h,空冷至室温,得到吊环。
实施例1的吊环进行力学性能测试,如表2所所示,实施例1的吊环的屈服强度为1156MPa,抗拉强度为1382MPa,伸长率为15%,-20℃条件下的冲击吸收能为77J,金相显微组织如图1所示,主体组织为板条马氏体,约占90%,局部有极少量的贝氏体和铁素体组织,晶粒度等级为8.0。
实施例2
一种吊环的制造方法,包括以下步骤:
(1)按表1实施例2的组分进行精炼,获得直径为620mm钢坯铸锭,按质量百分比计,包括以下组分:
C:0.18%;Si:0.45%;Mn:1.4%;Cr:0.5%;Mo:0.45%;Ni:3.8%;Al:0.03%,V:0.07%;[N]:80ppm;S:0.007%和P:0.01%,[H]:1ppm,其余为铁和不可避免的杂质;
(2)将钢坯铸锭加热均匀,加热温度至1170℃进行锻造,锻造终止温度控制为850℃,锻造获得直径340~350mm圆钢,完成锻造后表面温度降低至420℃进行炉冷;
(4)将圆钢重新加热至1170℃,进行锻造,锻造终止温度控制为850℃,锻造获得直径为136~140mm的吊环试样;
(5)将吊环试样加热至920~930℃,保温2.5h,空冷至室温,随后再加热至890~900℃,保温2.5h,进行淬火处理,淬火介质为水,随后再加热至210℃,保温5.5h,空冷至室温,得到吊环;
对实施例2的吊环进行力学性能测试,如表2所示,实施例2的吊环的屈服强度为1215MPa,抗拉强度为1522MPa,伸长率为17%,-20℃条件下的冲击吸收能为73J,金相显微组织如图2所示,主体组织为板条马氏体,约占95%,局部有少量的贝氏体组织,晶粒度等级约为9.0,局部有黑色碳化物析出。
实施例3
一种吊环的制造方法,包括以下步骤:
(1)按表1中实施例3的组分进行精炼,获得直径为660mm钢坯铸锭,其按质量百分比计,包括以下组分:
C:0.20%;Si:0.45%;Mn:1.2%;Cr:0.6%;Mo:0.35%;Ni:3.9%;Al:0.02%,V:0.08%;[N]:50ppm;S:0.008%和P:0.007%,[H]:0.3ppm,其余为铁和不可避免的杂质;
(2)将钢坯铸锭加热均匀,加热温度至1190℃进行锻造,锻造终止温度控制为850℃,锻造获得直径335~350mm圆钢,完成锻造后表面温度降低至450℃进行炉冷;
(4)将圆钢重新加热至1190℃,进行锻造,锻造终止温度控制为850℃,锻造获得直径为135~140mm的吊环试样;
(5)将吊环试样加热至915~930℃,保温2.8h,空冷至室温,随后再加热至885~900℃,保温2.7h,进行淬火处理,淬火介质为水,随后再加热至190℃,保温6h,空冷至室温,得到吊环。
对本实施例3的吊环进行力学性能测试,如表2所所示,实施例3的吊环屈服强度为1215MPa,抗拉强度为1520MPa,伸长率为16%,-20℃条件下的冲击吸收能为71J,金相显微组织如图3所示,主体组织为板条马氏体,约占95%,局部有少量的贝氏体组织条分布,晶粒度等级约为9.0。
表1钢的化学成分(Wt,%)
C | Si | Mn | Cr | Mo | Ni | V | Al | N | S | P | H | |
实施例1 | 0.16 | 0.30 | 1.5 | 0.4 | 0.5 | 3.5 | 0.05 | 0.015 | 90ppm | 0.01 | 0.009 | 0.5ppm |
实施例2 | 0.18 | 0.45 | 1.4 | 0.5 | 0.45 | 3.8 | 0.07 | 0.03 | 80ppm | 0.007 | 0.01 | 1ppm |
实施例3 | 0.20 | 0.45 | 1.2 | 0.6 | 0.35 | 3.9 | 0.08 | 0.02 | 50ppm | 0.008 | 0.007 | 0.3ppm |
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 | 1382 | 1156 | 15 | 77 |
实施例2 | 1522 | 1215 | 17 | 73 |
实施例3 | 1520 | 1215 | 16 | 71 |
以上内容仅为说明本发明的技术思想,不能以此限定本发明的保护范围,凡是按照本发明提出的技术思想,在技术方案基础上所做的任何改动,均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种钻机吊环的制造方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)通过精炼SiMnCrNiMo系低碳马氏体钢的钢坯铸锭,所述钢坯铸锭直径为600mm以上;
所述SiMnCrNiMo系低碳马氏体钢,以质量百分比计,包括以下组分:C:0.16%~0.20%、Si:0.30%~0.45%、Mn:1.2%~1.5%、Cr:0.4%~0.6%、Mo:0.35%-0.50%、Ni:3.5%~3.9%、Al:0.015%~0.030%、V:0.05%~0.08%、S≤0.01%、[N]:50ppm-90ppm、P≤0.01%和[H]≤1ppm,其余为铁和不可避免的杂质;
(2)将所述钢坯铸锭进行锻造,锻造后待温度降至400℃以上时进行炉冷,获得直径为330~350mm圆钢;
锻造时加热温度为1170-1190℃,锻造的终止温度在850℃以上;
(3)将所述圆钢进行锻造,锻造得到直径为130~140mm的吊环试样;锻造时加热温度为1170-1190℃,锻造的终止温度在850℃以上;
(4)将所述吊环试样加热至910~930℃,保温2.5~3h,空冷至室温;
随后进行淬火,得到含有板条马氏体组织的吊环试样;
随后进行去应力退火,得到钻机吊环;
在步骤(4)中,淬火处理的条件为:加热至880~900℃,保温2.5~3h,随后进行快冷;
去应力退火的条件为:
加热至190-210℃,保温5h以上,空冷至室温。
2.根据权利要求1所述的钻机吊环的制造方法,其特征在于,在步骤(4)中,淬火处理采用水作为冷却介质。
3.根据权利要求1或2所述的制造方法得到的钻机吊环。
4.根据权利要求3所述的钻机吊环,其特征在于,屈服强度为1156~1215MPa,抗拉强度为1382~1522MPa,伸长率为14%~17%,-20℃条件下的冲击吸收能为71~77J。
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