一種120ksi鋼級(jí)高強(qiáng)韌中碳調(diào)質(zhì)圓鋼及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及120KSI鋼級(jí)圓鋼及制造方法，具體涉及一種采用連鑄連軋工藝生產(chǎn) 的、在屈服強(qiáng)度達(dá)到120KSI鋼級(jí)時(shí)仍具有較高的塑性及常溫、低溫沖擊韌性的調(diào)質(zhì)圓鋼及 其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 4140、4137、4145等中碳調(diào)質(zhì)鋼淬透性高，強(qiáng)度、塑性及韌性等綜合機(jī)械性能好，廣 泛應(yīng)用于油田、風(fēng)電、機(jī)械等領(lǐng)域。但隨著各行業(yè)的發(fā)展，客戶對(duì)材料的要求越來越高，采用 傳統(tǒng)方式生產(chǎn)的這些鋼材已很難滿足使用要求。如用于油井鉆具設(shè)備上的調(diào)質(zhì)鋼，目前國(guó) 內(nèi)及國(guó)外絕大多數(shù)鉆鋌機(jī)械性能均采用美國(guó)石油協(xié)會(huì)API標(biāo)準(zhǔn)。近年來隨著石油能源的逐 步消耗，深井、超深井及高寒地區(qū)油井的開發(fā)需求原來越迫切，以美國(guó)國(guó)民油井、斯倫貝謝 等世界5大油田設(shè)備及服務(wù)公司為代表的客戶在原API標(biāo)準(zhǔn)要求的基礎(chǔ)上不斷提高鉆鋌鋼 強(qiáng)度及韌性要求，以4145鉆鋌鋼為例，傳統(tǒng)API及客戶高強(qiáng)韌要求如下表所示： 表1 API 7-1標(biāo)準(zhǔn)及高強(qiáng)韌4145力學(xué)性能要求對(duì)比
對(duì)比表1中數(shù)據(jù)可知，高強(qiáng)韌4145的取樣位置由表面下25mm加深至1/2半徑，以 241. 3mm棒材為例，取樣深度由表面下25mm變?yōu)?0mm。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高了屈服強(qiáng)度 指標(biāo)，并增加了 1/2半徑硬度及_20°C低溫沖擊要求，可以看出，棒材規(guī)格越大，對(duì)原材料及 設(shè)備的淬透能力要求越高，生產(chǎn)難度越大，目前國(guó)內(nèi)各鋼廠及熱處理廠家均不能保證如此 高的性能要求。
[0003]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)提供一種120KSI鋼級(jí)，屈服強(qiáng) 度達(dá)到827MPa的高強(qiáng)韌中碳調(diào)質(zhì)鋼，其直徑可達(dá)254mm，在距表面二分之一半徑以內(nèi)取樣 檢驗(yàn)，屈服強(qiáng)度彡827MPa，抗拉強(qiáng)度彡965MPa，延伸率彡16%，斷面收縮率彡45%，室溫 及-20°C夏比沖擊功彡60J，表面硬度可控制在341HB以下，可用于制造大規(guī)格油井鉆鋌、鉆 桿、鉆桿接頭、接箍等高強(qiáng)韌要求的部件。
[0005] 本發(fā)明所要解決的另一技術(shù)問題是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)現(xiàn)狀提供一種制造上述 120KSI鋼級(jí)、高強(qiáng)韌中碳調(diào)質(zhì)圓鋼的煉鋼方法。
[0006] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為，一種120KSI鋼級(jí)高強(qiáng)韌中碳調(diào) 質(zhì)圓鋼，該圓鋼的化學(xué)成分按質(zhì)量百分比計(jì)為C :0. 35~0. 50%，Si :0. 15~0. 40%，Mn : 0· 60 ~L 30%，P :彡 0· 015%，S :彡 0· 040%，Cr :0· 75 ~L 30%，Mo :0· 15 ~0· 35%，Ni : 彡 0· 25%，Cu :彡 0· 25%，Alt :0· 015-0. 040%，V :彡 0· 10%，Nb :彡 0· 10%，Ti :彡 0· 05%，N : 彡0.008%，B :彡0.0010%，余量為Fe及不可避免的雜質(zhì)元素，其中V、Nb的含量不同時(shí) ^ 0. 010%〇
[0007] 優(yōu)選地，所述V、Nb、Ti的添加組合方式：Nb，或V，或Ti、Nb，或Nb、V，或Ti、Nb、V。
[0008] 本發(fā)明高強(qiáng)韌、抗硫化氫應(yīng)力腐蝕鉆具用圓鋼的化學(xué)成分是這樣確定的： C :增加材料淬透性、強(qiáng)度和硬度，但降低塑性和韌性，升高韌脆轉(zhuǎn)變溫度，使材料HIC 敏感性增強(qiáng)，為了達(dá)到120KSI鋼級(jí)強(qiáng)度的要求，本發(fā)明采用中碳含量。本發(fā)明控制其含量 為 0· 35 ~0· 50%。
[0009] Si :是鋼中的脫氧元素，并以固溶強(qiáng)化形式提高鋼的強(qiáng)度。Si含量低于0. 10%時(shí)， 脫氧效果較差，Si含量較高時(shí)降低韌性。本發(fā)明Si含量控制為0. 15~0. 4%。
[0010] Mn :是提高鋼淬透性的元素，并起固溶強(qiáng)化作用提高鋼材的強(qiáng)度。但Mn易促進(jìn)有 害元素 P等向晶界偏析，引起氫致沿晶斷裂。在進(jìn)行大規(guī)格圓鋼軋制或鍛造時(shí)，控制Mn的 含量極其重要，為了達(dá)到強(qiáng)度和尺寸的均衡，本發(fā)明Mn含量控制在0. 60~1. 30%。
[0011] Cr、Mo :增加材料淬透性及強(qiáng)韌性，在鋼表面形成鈍化膜，可以降低鋼在H2S中的均 勻腐蝕，并且形成的彌散碳化物是氫的強(qiáng)陷阱，除此以外，Mo還具有降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度，抑 制回火脆性，提高碳、氮化鈮沉淀強(qiáng)化效果，抑制塊狀鐵素體，阻礙P偏析等作用，但Mo屬于 貴金屬，添加量過高會(huì)拉高制造成本，因此，本發(fā)明將Cr含量控制在0. 75~1. 30%，Mo含量 控制在0. 15~0. 35%。
[0012] Ni :是提高鋼的淬透性并可以顯著改善其低溫韌性的元素，對(duì)沖擊韌性和韌脆轉(zhuǎn) 變溫度具有良好的影響。但Ni含量太高時(shí)將顯著增加材料的碳當(dāng)量，并不利于鋼材的焊接 性能。另外，Ni也是貴重金屬，含量過高會(huì)增加成本。綜合考慮，本發(fā)明Ni是以殘余元素 的形式存在的，其含量控制在< 〇. 25%，有利于達(dá)到最優(yōu)的性價(jià)比。
[0013] V:是使V(C，N)析出的元素，能以彌散析出的形式顯著提高鋼的強(qiáng)度。但若添 加量過高，同樣會(huì)惡化鋼材的熱塑性，導(dǎo)致連鑄裂紋，并降低鋼材的韌性，其含量控制在 彡 0· 1%〇
[0014] Nb :是一種在軋制過程中對(duì)晶粒細(xì)化起顯著作用的元素。在再結(jié)晶軋制階段，Nb 通過應(yīng)變誘導(dǎo)析出阻礙形變奧氏體的回復(fù)、再結(jié)晶從而細(xì)化晶粒，這就為圓鋼在調(diào)質(zhì)處理 后仍然具有細(xì)小的組織提供了基礎(chǔ)，有利于提高其韌性。但受C含量的限制及加熱溫度 的影響，過高的Nb無法固溶，同樣發(fā)揮不了作用而且增加成本，因此，本發(fā)明控制其含量 ^ 0. 10%〇
[0015] Ti :主要起固氮作用，Ti在連鑄坯凝固前期與N結(jié)合，在晶粒內(nèi)部形成TiN顆粒， 從而減少粗大的NbN在凝固前沿生產(chǎn)，改善鋼材的連鑄性能。并且降低Nb (C、N)及V (C、 N)的析出溫度，使析出物更為細(xì)小，增加析出強(qiáng)化效果的同時(shí)，保證足夠的塑性與韌性，其 含量控制在< 0. 05%。
[0016] 除Ti以外，Nb和V均可單獨(dú)加入，或與其他兩種微合金元素一同加入，起到細(xì)化 晶粒與析出強(qiáng)化作用。
[0017] Cu :可提高鋼板的淬透性和耐腐蝕性能，降低鋼材的氫致裂紋敏感性。但過高的 Cu含量不利于鋼材的焊接性能，而且也易產(chǎn)生銅脆現(xiàn)象，惡化鋼材的表面性能，本發(fā)明Cu 是以殘余元素的方式存在，含量為< 〇. 25%。
[0018] Al :主要是起固氮和脫氧作用。Al與N結(jié)合形成的AlN可以有效地細(xì)化晶粒，但 含量過高會(huì)損害鋼的韌性，并且惡化鋼水澆鑄性，本發(fā)明已設(shè)計(jì)Ti、V、Nb的添加方法和添 加量，Alt作為脫氧后的殘余元素存在，0. 015-0. 040%。
[0019] B :是提高鋼的淬透性最為顯著的元素，但因本發(fā)明C含量較高，B的作用被削弱， 在本發(fā)明中作為殘余元素，含量< 〇. 0010%。
[0020] S、P :磷的偏析促進(jìn)HIC形成，硫形成帶尖端長(zhǎng)條狀?yuàn)A雜，易使H原子聚集形成應(yīng) 力。本發(fā)明控制P彡〇· 015%、S彡0· 040%，。
[0021] 本發(fā)明的另一目的是提供上述120KSI鋼級(jí)高強(qiáng)韌中碳調(diào)質(zhì)圓鋼的制造方法，工 藝步驟如下：冶煉原料依次經(jīng)KR鐵水預(yù)處理、轉(zhuǎn)爐冶煉或電爐冶煉、LF精煉、RH脫氣或VD 脫氣生產(chǎn)出鋼水，在RH脫氣或VD脫氣破空后通過喂硅鈣線或鈣鐵線進(jìn)行鈣處理；鋼水采 用15~40°C的低過熱度全程氬氣保護(hù)澆注成連鑄圓坯或方坯，連鑄坯經(jīng)300~600°C溫送 或入緩冷坑緩冷48小時(shí)以上，出坑；將連鑄坯加熱至1200~1250°C，保溫5~15小時(shí)，出 爐；經(jīng)高壓水除鱗后在1100~1150°C的溫度范圍內(nèi)開軋，乳成圓鋼棒材；棒材軋制完成后 入緩冷坑緩冷；對(duì)緩冷后的棒材直接進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理獲得鉆具用調(diào)質(zhì)圓鋼，或?qū)徖浜蟮陌?材先進(jìn)行退火和鉆孔，之后對(duì)鉆孔獲得的非實(shí)心棒材進(jìn)行調(diào)質(zhì)，或采用模鍛方式先制成半 成品零件再進(jìn)行調(diào)質(zhì)。
[0022] 上述調(diào)質(zhì)工藝包括淬火和回火，淬火加熱溫度為840~900°C，在爐時(shí)間為180~ 600min，使用淬火環(huán)水淬；回火加熱溫度為550~650°C，在爐時(shí)間為240~600min，出爐后 空冷或水冷至室溫。
[0023] 優(yōu)選地，所述淬火和回火工藝是在輥底式連續(xù)爐中進(jìn)行的。
[0024] 上述退火工藝是將緩冷后的棒材加熱至650~720°C，保溫時(shí)間5~15小時(shí)，爐冷 至450~550 °C后空冷。
[0025] 本發(fā)明針對(duì)油井鉆具對(duì)120KSI高強(qiáng)度、高韌性鉆具鋼的需求，使用優(yōu)化的成分設(shè) 計(jì)、高純凈度的鋼水、夾雜物球化處理、低過熱度全程氬氣保護(hù)澆注生產(chǎn)的連鑄坯作為坯 料，通過后續(xù)的軋制及在輥底式連續(xù)熱處理爐中棒材整體調(diào)質(zhì)熱處理制造出淬硬層深、熱 處理組織均勻、偏析小、具有高的強(qiáng)度、韌性的鉆具制造用圓鋼。本發(fā)明制造的圓鋼最大直 徑可達(dá)260mm。
[0026] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是， (1)鋼材晶粒更加細(xì)小、淬硬層更深、熱處理組織更均勻，在強(qiáng)度水平相當(dāng)?shù)那闆r下、屈 服強(qiáng)度、延伸率、斷面收縮率、沖擊韌性尤其是低溫沖擊韌性提高十分明顯。260_及以下 規(guī)格在距表面二分之一半徑以內(nèi)取樣檢驗(yàn)，屈服強(qiáng)度彡827MPa，抗拉強(qiáng)度彡965MPa，延伸 率彡16%，斷面收縮率彡50%，室溫及-20°C夏比沖擊功彡60J，表面硬度可控制在341HB 以下，滿足油井鉆鋌、鉆桿、鉆桿接頭等油井開采關(guān)鍵受力部件的高強(qiáng)韌性要求。
[0027] (2)本發(fā)明制造的圓鋼采用輥底式連續(xù)爐進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，整體淬硬