CN114941104A - 超高强度30CrNi2MoV锻制钻具材料及热处理工艺 - Google Patents

超高强度30CrNi2MoV锻制钻具材料及热处理工艺 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种能够承受高强度及高低温冲击的超高强度30CrNi2MoV锻制钻具材料及热处理工艺，包括材料化学成分设计、锻造后正火+等温退火，粗车后正火+调质的热处理工艺，化学成分设计为：C:0.28～0.33%；Si:0.15～0.35%；Mn:0.75～0.95%；Cr:0.80～1.00%；Ni:1.90～2.00%；Mo:0.40～0.50%；V:0.05～0.10%；P:≤0.012%；S:≤0.005%；Cu:≤0.10%；Al:0.020～0.040%，该材料Cr/Ni比1:2，淬透性高，较高的Mo含量可以防止杂质元素偏聚，有效减轻回火脆性，微量的V可起到细化晶粒的作用，该钢经调质处理后具有优良的常温及低温冲击性能，可以达到高强度高韧性的要求。

Description

超高强度30CrNi2MoV锻制钻具材料及热处理工艺
技术领域
本发明属于钻具材料生产技术领域，具体涉及一种能够承受高强度及高低温冲击的超高强度30CrNi2MoV锻制钻具材料及热处理工艺。
背景技术
钻具是石油钻探中不可或缺的重要工具，近年来，随着石油需求量不断攀升，世界各国纷纷加大开发力度，原油的开采逐步向地下深层和海洋转移的趋势。随着开采难度的不断加大，对石油钻具的要求也日益提高。钻具做为钻采设备的重要部件，直接关系到开采成功与否。因此，各石油开采厂家对钻具材料的强韧性要求逐渐提高，以满足在恶劣环境下使用的需求。高强度高低温冲击功的钻具材料的需求逐步加大，常规4145H材料力学性能无法满足要求，设计新材料及热处理工艺成为当务之急。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足而提供一种获得材料超高强韧性，进而提高钻具的使用寿命，满足恶劣环境下使用的超高强度30CrNi2MoV锻制钻具材料及热处理工。
本发明的目的是这样实现的：
一种超高强度30CrNi2MoV锻制钻具材料，钻具材料采用的设计为30CrNi2MoV，该材料Cr/Ni比1:2，钻具材料按照质量百分比包括的化学成分为：C:0.28～0.33%；Si:0.15～0.35%；Mn:0.75～0.95%；Cr:0.80～1.00%；Ni:1.90～2.00%；Mo:0.40～0.50%；V:0.05～0.10%；P:≤0.012%；S:≤0.005%；Cu:≤0.10%；Al:0.020～0.040%，余量为铁。
一种超高强度30CrNi2MoV锻制钻具材料的热处理工艺，包括如下步骤：
步骤1）、化学成分选择设计为C:0.28～0.33%；Si:0.15～0.35%；Mn:0.75～0.95%；Cr:0.80～1.00%；Ni:1.90～2.00%；Mo:0.40～0.50%；V:0.05～0.10%；P:≤0.012%；S:≤0.005%；Cu:≤0.10%；Al:0.020～0.040%，余量为铁；材料选择设计为30CrNi2MoV，该材料Cr/Ni比1:2，淬透性高，较高的Mo含量用于防止杂质元素偏聚，有效减轻回火脆性，微量的V用于起到细化晶粒的作用，该钢经调质处理后具有优良的常温及低温冲击性能，达到高强度高韧性的要求；
步骤2）、锻造后热处理工艺采用正火+等温退火：锻造后在600℃～650℃进行待料保温，保温后空冷至280℃～320℃，保温1.5～2.5h/100mm，然后全功率升温到860℃～880℃，保温1.5～2.5h/100mm，风冷至280℃～320℃，保温1.5～2.5h/100mm，全功率升温至690℃～710℃，保温4～5h/100mm，随炉降温至640℃～660℃，保温2～4h/100mm，以≤40℃/h降温到400℃，再以≤20℃/h降温到≤180℃出炉空冷；
步骤3）、正火：将执行完步骤2）的锻件进行粗加工，然后入正火炉，入炉温度≤500℃，在600℃～650℃下保温2～3h；然后升温到正火温度860℃～880℃，保温1.5～2.5h/100mm，保温结束后出炉空冷；
步骤4）、淬火：将执行完步骤3）的锻件入淬火炉，入炉温度≤500℃，在600℃～650℃下保温2～3h；然后升温到淬火温度850℃～870℃，保温1.5～2.5h/100mm，保温结束后出炉淬火；淬火介质为水；
步骤5）、性能回火：将结束步骤4）的锻件装入580℃～610℃的回火炉内进行性能回火，保温3～5h/100mm后空冷；
在步骤4）中，为得到超高强度及高韧性，淬火后冷却方式采用空冷-水冷-空冷-水冷的冷却方式，具体淬火冷却方式包含如下步骤：a、空冷：≤100S；b、水冷：2.5～3.5min/100mm，其中初始水温≤30℃；c、空冷1～2min；d、水冷：1.5～2.5min/100mm。
本发明的有益效果如下：
本发明提供一种超高强度30CrNi2MoV锻制钻具材料及热处理工艺，在保证锻件不发生开裂的情况下，获得强度与韧性的合理搭配，达到钻具材料的设计与使用要求。本发明的钻具材料采用30CrNi2MoV，材料化学成分为：C:0.28～0.33%；Si:0.15～0.35%；Mn:0.75～0.95%；Cr:0.80～1.00%；Ni:1.90～2.00%；Mo:0.40～0.50%；V:0.05～0.10%；P:≤0.012%；S:≤0.005%；Cu:≤0.10%；Al:0.020～0.040%。经过热处理设计，满足了钻具材料的设计及使用要求。
本发明的生产工艺路线设计为：锻造后正火+等温退火→正火+调质；技术方案的实施主要在于对化学成分设计、锻造后热处理及最终热处理过程进行控制。化学成分设计为30CrNi2MoV，该材料Cr/Ni比1:2，淬透性高，较高的Mo含量可以防止杂质元素偏聚，有效减轻回火脆性，微量的V可起到细化晶粒的作用，该钢经调质处理后具有优良的常温及低温冲击性能，可以达到高强度高韧性的要求。
锻造后热处理的设计：因此钢种白点敏感性高易混晶，锻造后采用正火+等温退火并采用两次预冷，获得铁素体+碳化物的平衡组织，易于氢的溢出及阻断组织遗传；通过正火+等温退火细化晶粒、改善内部组织、消除锻造应力、避免产生白点及阻断组织遗传的目的。
最终热处理设计：采用正火+调质，淬火冷却采用强冷，减少残余奥氏体组织，淬火介质选用水，冷却方式采用空冷-水冷-空冷-水冷-的冷却方式。通过正火+调质处理，获得细小晶粒及均匀的回火索氏体组织。
利用本发明工艺生产的30CrNi2MoV钢锻件屈服强度158～160KSI，室温V型冲击功平均大于90J，-20℃V型冲击功平均大于80J，实际晶粒度≥7级。
本发明针对新材料设计热处理工艺，充分挖掘材料潜力，满足钻具设计及使用要求。
常规4145H材料与该专利要求力学性能见下表。
Figure DEST_PATH_IMAGE001
附图说明
图1为本发明的锻后退火工艺。
图2为本发明的最终热处理工艺。
图3为实施例1金相组织及实际晶粒度。
图4为实施例2金相组织及实际晶粒度。
具体实施方式
实施例1：钻具材料为30CrNi2MoV，材料化学成分为C:0.28～0.33%；Si:0.15～0.35%；Mn:0.75～0.95%；Cr:0.80～1.00%；Ni:1.90～2.00%；Mo:0.40～0.50%；V:0.05～0.10%；P:≤0.012%；S:≤0.005%；Cu:≤0.10%；Al:0.020～0.040%，余量为铁。锻件规格为φ180mm。
热处理包括如下工序：步骤1）、锻造后热处理采用正火+等温退火：锻造后在600℃～650℃进行待料保温，保温后空冷至280℃～320℃，保温4h，然后全功率升温到870℃，保温4h，风冷至280℃～320℃，保温4h，全功率升温至700℃，保温9h，随炉降温650℃，保温4h，以30℃/h降温到400℃，再以15℃/h降温到130℃出炉空冷；通过正火+等温退火细化晶粒，促进氢的溢出，为随后的调质处理准备合适的组织；
步骤2）、正火：将执行完步骤1）的锻件进行粗加工，然后入正火炉，入炉温度480℃，在600℃～650℃下保温2h；然后升温到正火温度870℃保温4h，保温结束后出炉空冷，通过再次正火进一步细化晶粒与组织；
步骤3）、淬火：将执行完步骤2）的锻件入淬火炉，入炉温度450℃，在600℃～650℃下保温2h；然后升温到淬火温度860℃保温4h，保温结束后出炉淬火，淬火介质为水，淬火冷却：a、空冷：60S；b、水冷：540min，其中初始水温18℃；c、空冷60S；d、水冷：360min；
步骤4）、性能回火：将结束步骤3）的锻件装入回火炉内加热到597℃，保温7h后出炉空冷。
经过正火组织细化及淬火强冷处理，完成马氏体转变及残余奥氏体的分解，随后高温回火，获得细小晶粒及均匀的回火索氏体组织，力学性能满足使用要求。
经检测实施例1力学性能见下表：
Figure 3491DEST_PATH_IMAGE002
实施例2：钻具材料为30CrNi2MoV，材料化学成分为C:0.28～0.33%；Si:0.15～0.35%；Mn:0.75～0.95%；Cr:0.80～1.00%；Ni:1.90～2.00%；Mo:0.40～0.50%；V:0.05～0.10%；P:≤0.012%；S:≤0.005%；Cu:≤0.10%；Al:0.020～0.040%，余量为铁。锻件规格为φ260mm。
热处理包括如下工序：步骤1）、锻造后热处理采用正火+等温退火：锻造后在600℃～650℃进行待料保温，保温后空冷至280℃～320℃，保温5h，然后全功率升温到870℃，保温5h，风冷至280℃～320℃，保温5h，全功率升温至700℃，保温12h，随炉降温650±10℃，保温5h，以30℃/h降温到400℃，再以15℃/h降温到170℃出炉空冷；通过正火+等温退火细化晶粒，促进氢的溢出，为随后的调质处理准备合适的组织；
步骤2）、正火：将执行完步骤1）的锻件进行粗加工，然后入正火炉，入炉温度470℃，在600℃～650℃下保温3h；然后升温到正火温度870℃保温5h，保温结束后出炉空冷，通过再次正火进一步细化晶粒与组织；
步骤3）、淬火：将执行完步骤2）的锻件入淬火炉，入炉温度460℃，在600℃～650℃下保温3h；然后升温到淬火温度850℃保温5h，保温结束后出炉淬火，淬火介质为水，淬火冷却：a、空冷：70S；b、水冷：780min，其中初始水温19℃；c、空冷80S；d、水冷：520min；
步骤4）、性能回火：将结束步骤3）的锻件装入回火炉内加热到592℃，保温10h后出炉空冷。
经过正火组织细化及淬火强冷处理，完成马氏体转变及残余奥氏体的分解，随后高温回火，获得细小均匀的回火索氏体组织，力学性能满足使用要求。
实施例2力学性能见下表：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
。

Claims (3)

1.一种超高强度30CrNi2MoV锻制钻具材料，其特征在于：钻具材料采用的设计为30CrNi2MoV，该材料Cr/Ni比1:2，钻具材料按照质量百分比包括的化学成分为：C:0.28～0.33%；Si:0.15～0.35%；Mn:0.75～0.95%；Cr:0.80～1.00%；Ni:1.90～2.00%；Mo:0.40～0.50%；V:0.05～0.10%；P:≤0.012%；S:≤0.005%；Cu:≤0.10%；Al:0.020～0.040%，余量为铁。
2.一种超高强度30CrNi2MoV锻制钻具材料的热处理工艺，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1）、化学成分选择设计为C:0.28～0.33%；Si:0.15～0.35%；Mn:0.75～0.95%；Cr:0.80～1.00%；Ni:1.90～2.00%；Mo:0.40～0.50%；V:0.05～0.10%；P:≤0.012%；S:≤0.005%；Cu:≤0.10%；Al:0.020～0.040%，余量为铁；材料选择设计为30CrNi2MoV，该材料Cr/Ni比1:2，淬透性高，较高的Mo含量用于防止杂质元素偏聚，有效减轻回火脆性，微量的V用于起到细化晶粒的作用，该钢经调质处理后具有优良的常温及低温冲击性能，达到高强度高韧性的要求；
步骤2）、锻造后热处理工艺采用正火+等温退火：锻造后在600℃～650℃进行待料保温，保温后空冷至280℃～320℃，保温1.5～2.5h/100mm，然后全功率升温到860℃～880℃，保温1.5～2.5h/100mm，风冷至280℃～320℃，保温1.5～2.5h/100mm，全功率升温至690℃～710℃，保温4～5h/100mm，随炉降温至640℃～660℃，保温2～4h/100mm，以≤40℃/h降温到400℃，再以≤20℃/h降温到≤180℃出炉空冷；
步骤3）、正火：将执行完步骤2）的锻件进行粗加工，然后入正火炉，入炉温度≤500℃，在600℃～650℃下保温2～3h；然后升温到正火温度860℃～880℃，保温1.5～2.5h/100mm，保温结束后出炉空冷；
步骤4）、淬火：将执行完步骤3）的锻件入淬火炉，入炉温度≤500℃，在600℃～650℃下保温2～3h；然后升温到淬火温度850℃～870℃，保温1.5～2.5h/100mm，保温结束后出炉淬火；淬火介质为水；
步骤5）、性能回火：将结束步骤4）的锻件装入580℃～610℃的回火炉内进行性能回火，保温3～5h/100mm后空冷。
3.如权利要求2所述的一种超高强度30CrNi2MoV锻制钻具材料及热处理工艺，其特征在于：在步骤4）中，为得到超高强度及高韧性，淬火后冷却方式采用空冷-水冷-空冷-水冷的冷却方式，具体淬火冷却方式包含如下步骤：a、空冷：≤100S；b、水冷：2.5～3.5min/100mm，其中初始水温≤30℃；c、空冷1～2min；d、水冷：1.5～2.5min/100mm。
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