CN112281054A - 一种SiMnNiMoV系中碳合金钢、钻机吊环及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种SiMnNiMoV系中碳合金钢、钻机吊环及其制造方法,属于石油装备制造领域。本发明的钻机吊环制造方法,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,热处理过程中的高温淬火采用水作为冷却介质,直径130~150mm大截面吊环淬火过程中全截面形成马氏体组织,而且变形较小,为保证吊环的高强韧性提供条件,采用550±20℃的中温回火,可以充分消除淬火过程中形成的残余应力,改善获得高强韧的回火组织,而且有效避免了回火脆性的出现。
Description
技术领域
本发明属于石油装备制造领域,尤其是一种SiMnNiMoV系中碳合金钢、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,用于吊环制造的材料主要采用20SiMn2MoV和20Cr2Ni4等低碳马氏体钢,由于20SiMn2MoV在-20℃条件下的冲击功值不足42J,所以无法在低温条件下使用,20Cr2Ni4材料对于制造直径小于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,伸长率为15%~16%,-20℃条件下的冲击吸收能为62~69J,针对截面直径达120~140mm的吊环,其冲击吸收能更低,尤其是140mm直径的吊环试样,在-20℃下的冲击吸收能低于50J。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150t吊环,伸长率大于15%,低温冲击吸收能大于52J,针对截面直径大于100mm的吊环,该种材料的强度明显偏低。综合分析,目前钻机吊环用钢主要为低碳马氏体钢,均采用淬火+低温回火工艺获得马氏体组织,从而确保材料的高强度,但这种热处理状态下,吊环钢的韧性和塑性受到一定的限制,很难显著提高,而且马氏体组织对于腐蚀环境较为敏感,越来越复杂的钻井作业环境对吊环服役安全提出了严峻挑战。
发明内容
本发明的目的在于克服钻机吊环钢的韧性、塑性及强度难以兼顾的缺点,提供一种SiMnNiMoV系中碳合金钢、钻机吊环及其制造方法,在保证强度的条件下,大幅提升钻机吊环的塑性和韧性。
为达到上述目的,本发明采用以下技术方案予以实现:
一种SiMnNiMoV系中碳合金钢,以质量百分比计,包括以下组分:
C:0.25%~0.28%、Si:0.9%~1.1%、Mn:0.8%~1.1%、Cr:0.1%~0.3%、Mo:0.5%-0.6%、Ni:2.1%~2.5%、Al:0.03%~0.05%、V:0.10%~0.15%、Nb:0.05%~0.1%、S≤0.01%、P≤0.01%、[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)精炼得到权利要求1所述的SiMnNiMoV系中碳合金钢的钢坯铸锭,所述钢坯铸锭的直径为700mm以上;
(2)将所述钢坯铸锭进行锻造,锻造为直径为340~350mm圆钢,之后进行退火处理;
(3)将退火后的圆钢进行锻造,锻造为直径为130~150mm的吊环试样;
(4)将所述吊环试样加热至950~970℃,保温3~4h,空冷至室温;
随后加热至920~940℃,保温3~4h,进行淬火处理;
随后加热至530~570℃,保温5~7h,空冷却至室温,得到钻机吊环。
进一步的,在步骤(2)中,锻造时的加热温度为1240~1260℃,锻造终止温度控制不低于900℃。
进一步的,在步骤(3)中,锻造时加热温度控制在1240~1260℃,锻造的温度控制在不低于900℃。
进一步的,步骤(4)中,淬火处理过程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1155~1250MPa,抗拉强度为1380~1575MPa,伸长率为18%~21%,-20℃条件下的冲击吸收能为82~88J。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
本发明的SiMnNiMoV系中碳合金钢,采用0.25%~0.28%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0.9%~1.1%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,固溶强化,保障钢的强度,但Si含量过高会降低钢的韧性,控制合理的Si含量,既保证充分脱氧,又改善钢的淬透性和回火脆性;采用0.8%~1.1%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韧性;加入0.1%~0.3%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0.5%~0.6%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2.1%~2.5%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0.10%~0.15%的V,0.05%~0.1%的Nb,0.03%~0.05%的Al,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≤0.01%,控制MnS夹杂的形成,保证钢的韧性;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,避免制造过程中H破坏的发生。
本发明的钻机吊环制造方法,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,热处理过程中的高温淬火采用水作为冷却介质,直径130~150mm大截面吊环淬火过程中全截面形成马氏体组织,而且变形较小,为保证吊环的高强韧性提供条件,采用550±20℃的中温回火,可以充分消除淬火过程中形成的残余应力,改善获得高强韧的回火组织,而且有效避免了回火脆性的出现;通过控制合金钢的化学成分,在钢坯冶炼阶段直接采用精炼方式,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+中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。
进一步的,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,采用一定量的Ni,适量的C、Cr、Si和Mn元素和细晶强化元素V、Nb和Al,各成分协同配合,采用正火+淬火+中温回火的热处理工艺,获得均匀的回火马氏体组织,既保留了淬火钢高强度的优势,又显著提升了钢的塑性和韧性。
进一步的,吊环的屈服强度大于1150MPa,伸长率大于18%,-20℃条件下的冲击吸收能大于82J,确保钻机用130~150mm直径吊环的强度、韧性和塑性,同时也有效控制了吊环用钢的制造成本。
附图说明
图1为实施例1的金相组织图;
图2为实施例1的金相组织图;
图3为实施例1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)按表1中的实施例1的中碳钢进行精炼,得到700mm直径钢坯铸锭,按质量百分比计,实施例1的中碳钢,包括以下组分:
C:0.25%;Si:1.1%;Mn:1.0%;Cr:0.3%;Mo:0.5%;Ni:2.3%;Al:0.03%、V:0.10%、Nb:0.1%、S:0.01%和P:0.01%,[H]:1ppm,其余为铁和不可避免的杂质;
(2)将钢坯铸锭加热至1250℃进行锻造,锻造终止温度控制在900℃,锻造获得直径为340~348mm圆钢,完成锻造后,待其表面温度降低至450℃时,进行炉冷;
(4)将圆钢重新加热至1250℃,进行锻造,锻造终止温度控制在900℃,得到直径为130~140mm的吊环试样;
(5)将吊环试样加热至970℃,保温3h,空冷至室温;随后再加热至940℃,保温4h,进行淬火处理,淬火介质为水;随后再加热至550℃,保温5h,空冷室温,得到吊环。
对实施例1得到的吊环进行力学性能测试,如表2所示,屈服强度为1155MPa,抗拉强度为1380MPa,伸长率为20%,-20℃条件下的冲击吸收能为88J,金相显微组织如图1所示,组织为回火马氏体组织,晶粒度等级为8.5级,析出碳化物分布铁素体基体上,既保证钢在回火条件的高强度,同时也使得韧性和塑性明显升高。
实施例2
一种吊环的制造方法,包括以下步骤:
(1)按表1中的实施例2的中碳钢进行精炼,得到800mm直径钢坯铸锭,按质量百分比计,实施例2的中碳钢,包括以下组分:
C:0.28%;Si:0.9%;Mn:0.8%;Cr:0.2%;Mo:0.6%;Ni:2.4%;Al:0.04%、V:0.15%、Nb:0.05%、S:0.007%和P:0.006%,[H]:0.5ppm,其余为铁和不可避免的杂质。
(2)将钢坯铸锭加热温度至1260℃进行锻造,锻造终止温度控制在900℃,锻造获得直径为345~350mm的圆钢,完成锻造后,待其表面温度降低至460℃时,进行炉冷;
(4)将圆钢重新加热至1260℃,进行锻造,锻造终止温度控制在900℃,锻造获得直径为135~145mm的吊环试样;
(5)将吊环试样加热至950℃,保温4h,空冷至室温;随后再加热至920℃,保温4h,进行淬火处理,淬火介质为水;随后再加热至570℃,保温7h,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,屈服强度为1250MPa,抗拉强度为1575MPa,伸长率为18%,-20℃条件下的冲击吸收能为82J,金相显微组织如图2所示,组织为回火马氏体组织,晶粒度等级为9.0级,析出碳化物分布铁素体基体上,既保证钢在回火条件的高强度,同时也使得韧性和塑性明显升高。
实施例3
一种吊环的制造方法,包括以下步骤:
(1)按表1中的实施例3的中碳钢进行精炼,得到800mm直径的钢坯铸锭,按质量百分比计,实施例3的中碳钢,包括以下组分:
C:0.26%;Si:1.1%;Mn:1.1%;Cr:0.1%;Mo:0.52%;Ni:2.1%;Al:0.05%、V:0.13%、Nb:0.07%、S:0.005%和P:0.008%,[H]:0.8ppm,其余为铁和不可避免的杂质;
(2)将钢坯铸锭加热温度至1240℃进行锻造,锻造终止温度控制在900℃,锻造获得直径为342~346mm圆钢,完成锻造后,待其表面温度降低至455℃进行炉冷;
(4)将圆钢重新加热至1240℃,进行锻造,锻造终止温度控制在900℃,锻造获得直径为140~150mm的吊环试样;
(5)将吊环试样加热至960℃,保温3.5h,空冷至室温;随后再加热至920℃,保温3h,进行淬火处理,淬火介质为水;随后再加热至530℃,保温6h,随炉冷却至室温,得到吊环。
对实施例3的吊环进行力学性能测试,如表3所示,屈服强度为1190MPa,抗拉强度为1472MPa,伸长率为21%,-20℃条件下的冲击吸收能为85J,金相显微组织如图3所示,组织为回火马氏体组织,晶粒度等级为8.0级,析出碳化物分布铁素体基体上,既保证钢在回火条件的高强度,同时也使得韧性和塑性明显升高。。
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 (7)
1.一种SiMnNiMoV系中碳合金钢,其特征在于,以质量百分比计,包括以下组分:
C:0.25%~0.28%、Si:0.9%~1.1%、Mn:0.8%~1.1%、Cr:0.1%~0.3%、Mo:0.5%-0.6%、Ni:2.1%~2.5%、Al:0.03%~0.05%、V:0.10%~0.15%、Nb:0.05%~0.1%、S≤0.01%、P≤0.01%、[H]≤1ppm,其余为铁和不可避免的杂质。
2.一种钻机吊环的制造方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)精炼得到权利要求1所述的SiMnNiMoV系中碳合金钢的钢坯铸锭,所述钢坯铸锭的直径为700mm以上;
(2)将所述钢坯铸锭进行锻造,锻造为直径为340~350mm圆钢,待圆钢温度降至450℃以上时进行炉冷;
(3)将退火后的圆钢进行锻造,锻造为直径为130~150mm的吊环试样;
(4)将所述吊环试样加热至950~970℃,保温3~4h,空冷至室温;
随后加热至920~940℃,保温3~4h,进行淬火处理;
随后加热至530~570℃,保温5~7h,空冷却至室温,得到钻机吊环。
3.根据权利要求2所述的钻机吊环的制造方法,其特征在于,在步骤(2)中,锻造时的加热温度为1240~1260℃,锻造终止温度控制不低于900℃。
4.根据权利要求2所述的钻机吊环的制造方法,其特征在于,在步骤(3)中,锻造时加热温度控制在1240~1260℃,锻造的温度控制在不低于900℃。
5.根据权利要求2所述的钻机吊环的制造方法,其特征在于,步骤(4)中,淬火处理过程采用水作为冷却介质。
6.一种根据权利要求2-5任一项所述的制造方法得到的钻机吊环。
7.根据权利要求6所述的钻机吊环,其特征在于,屈服强度为1155~1250MPa,抗拉强度为1380~1575MPa,伸长率为18%~21%,-20℃条件下的冲击吸收能为82~88J。
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PB01 | Publication | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210129 |
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