專利名稱：一種微合金化高強度高韌性地質鉆探用鋼及其生產工藝的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種鋼鐵行業中的合金鋼，具體地說是一種微合金化高強度高韌性地質鉆探用鋼及其生產工藝。
背景技術：
地質鉆探用鋼的工作條件苛刻，地質鉆探用鋼在鉆進過程中，承受巨大的扭、壓、彎、拉、震動等復雜的交變應力，所以對他的綜合機械性能要求較高,地質鉆探用鋼主要用于生產鉆桿、鉆鋌、巖心管、套管和沉淀管，鋼級(鋼種)主要有DZ40 (50Mn )、DZ50 (40Mn2)、DZ55 (40Mn2Mo)、DZ60 (45MnMoB)、DZ65 (27MnMoVB)等。隨著金剛石鉆進技術在深層鉆探方面的成功應用和鉆探深度的不斷增加，對地質 鉆探用鋼的強度和韌性提出了更高的要求，另外，隨著在復雜、破碎地層中進行鉆探施工比例的增加，目前DZ55以上高強度級別的地質鉆探用鋼需求量越來越大。傳統的DZ55以上高鋼級地質管用鋼采用加Mo元素和進行鋼的調質處理來提高強度和韌性，由于鋼中增加貴重的Mo元素和鋼需要進行調質處理，大大增加鋼的生產成本。為了適應地質鉆探用鋼的強度和韌性的更高要求，要求材料在不增加貴重合金元素和在非調質狀態的同時，盡可能的提高材料的強度和韌性，從而實現降低地質鉆探用鋼的生產成本。因此迫切需要研制出高強度、高韌性的地質鉆探用鋼。

發明內容
本發明的目的是提供一種微合金化高強度高韌性地質鉆探用鋼及其生產工藝，這種鋼的強度高、韌性好、耐磨性能好，成本低。生產工藝能保證鋼材質量，能提高成材率和生產效率,生產成本低。本發明的目的是通過以下技術方案來實現的
一種微合金化高強度高韌性地質鉆探用鋼，其特征在于該鋼的化學成分按重量百分比計為C O. 36-0. 42%, Si O. 40-0. 60%, Mn1. 45-1. 70%, Cr O. 20-0. 30%,
VO. 10-0. 20%, AL O. 010 -O. 030%, Ti O. 015 -O. 035% , S ( O. 015%, P ( O. 020%,Cu ( O. 20%，余為 Fe。本發明中，所述化學成分進一步優選為(wt%) :C O. 37-0. 41%，Si O. 45-0. 55%,Mn1. 50-1. 60%, Cr O. 22-0. 28%, V O. 12-0. 18%, AL O. 015 -O. 025%, Ti O. 020 -O. 030%,S ^ O. 010%, P ^ O. 015%, Cu 彡 O. 10%，余為 Fe。一種微合金化高強度高韌性地質鉆探用鋼的生產工藝，其特征在于該生產工藝包括下列步驟
I)電爐冶煉，加入鐵水及廢鋼，實現預脫P及成分初調；得到如下成分，按重量百分比計為C O. 20-0. 30%, Si O. 08-0. 16%, Mn1. 30-1. 50%, Cr ^ O. 20%, V ^ O. 10%, ALO. 008 -O. 030%, Ti ( O. 030%，S 彡 O. 025%, P 彡 O. 015%, Cu ( O. 10%，余為 Fe ；
2)LF精煉在LF爐中脫S、脫O及成分微調；得到如下成分，按重量百分比計為(補充成分范圍)c O. 37-0. 41%, Si O. 45-0. 55%, Mn1. 50-1. 60%, Cr O. 22-0. 28%,
VO. 12-0. 18%, AL O. 015 -O. 025%, Ti O. 020 -O. 030%, S ≤O. 010%, P ≤O. 015%,Cu ≤ O. 10%，余為 Fe ；
3)VD/RH精煉在VD/RH爐中真空脫氣及成分微調，得到如下成分，按重量百分比計為C O. 37-0. 41%, Si O. 45-0. 55%, Mn1. 50-1. 60%, Cr O. 22-0. 28%, V O. 12-0. 18%, AL
O.015 -O. 025%, Ti 0.020 -O. 030%, S≤O. 010%, P^O. 015%, Cu ≤O. 10%，余為 Fe ;
4)連鑄在連鑄機上澆成矩形連鑄坯；
5)連軋經過連軋機組，軋制成圓鋼，得到微合金化高強度、高韌性地質鉆探用鋼；該鋼熱軋正火狀態的力學性能為抗拉強度1=760-90010^、屈服強度Rel=550-700MPa、伸長率 A1(l=l2_l5%、低溫沖擊功(Aku，-20°C ) =50-60Jo下面具體說明本發明鋼化學成分的限定理由。C :能顯著提高鋼的強度，但也使鋼的塑性惡化，C是顯著提高鋼的脆性轉變溫度元素之一。如果C含量低于O. 36%，材料的熱軋態強度和力學性能指標均達不到設定的使用要求。如果C含量高于O. 42%，材料的韌性較差，低溫沖擊功達不到要求。所以C范圍確定為 O. 36-0. 42%οS1:在鋼中能溶入鐵素體，能提高合金鋼的強度和硬度，降低鋼的塑性和韌性。其最低含量為O. 15%才能達到效果，但過高的Si含量，特別是與Mn、Cr元素共存時，容易引起鋼的晶粒粗化，但Si是顯著提高鋼的屈服強度的元素，綜合材料的總體要求，本鋼種將Si含量確定為O. 40-0. 60%。Mn :在鋼中能溶入鐵素體，強化基體，在軋后冷卻時能細化珠光體且能相對提高珠光體含量，因此，能提高強度和硬度，且對材料的塑性影響較小。當Mn含量低于1. 00%時，材料的力學性能很難達到高鋼級地質鉆探用鋼的強度要求，所以Mn含量確定為1. 45-1. 70%。Cr :能顯著提高鋼的強度，同時能提高鋼的抗腐蝕和耐磨性，如果高于O. 30%材料的塑性指標將受到影響，同時過高的Cr會形成氧化物夾雜，降低鋼的沖擊韌性，所以Cr含量確定為O. 20-0. 30%οV:釩在鋼中主要起的作用是細化組織晶粒，提高晶粒粗化溫度，從而降低鋼的過熱敏感性，并提高鋼的強度和韌性；增加回火穩定性，并產生二次硬化效應。釩除提高鋼的強度，特別是屈服點和屈強比以外，還改善鋼的塑性和韌性。由于材料晶粒的細化，細化后材料的晶粒度等級大大提高，晶界的比重加大，鋼的強度增加，材料對裂紋的敏感性大大降低。考慮到材料的綜合要求，確定V含量為V 0.10-0.20%。尤其是V含量的強化效果不需要通過控軋控冷即可穩定實現，同時用量少，成本低。T1:是化學上極為活潑的金屬元素之一，它和氮、氧、碳都有極強的親和力，因此利用它來固定鋼中的氮。同時，Ti元素和碳形成一種碳化物TiC，這種碳化物結合力極強，極穩定，不易分解；在鋼中，只有加熱到1000°c以上，才能緩慢地溶入固溶體(α或Y相)中。在未溶入前，碳化鈦微粒有阻止鋼晶粒長大粗化的作用。因此，用Ti來細化晶粒，將該鋼的晶粒粗化溫度提高到1000°C以上，既避免了該鋼材料的裂紋敏感性，又提高了材料的綜合力學性能。Ti低于O. 015%時，起不到固定鋼中N，并細化晶粒的作用，Ti太高容易形成TiN點狀夾雜，降低材料的沖擊韌性和疲勞壽命，所以Ti范圍確定為O. 015-0. 035%。Ti元素用量少，成本低。
殘余元素P、S等，實踐證明，P、S在晶間偏聚造成晶界脆化，會造成材料高溫回火脆性，同時P、S超過一定含量時，對鋼材的脆性轉變溫度提高很多，造成材料低溫沖擊韌性低，惡化鋼材的綜合力學性能。按照本發明生產的地質鉆探用鋼，具有高強度、高韌性、耐磨性能及抗裂紋敏感性。材料熱軋正火狀態的性能如下抗拉強度Rm=760-900MPa、屈服強度Rel=550_700MPa、伸長率 A1(l=12-15%、低溫沖擊功(Aku，-20°C ) =50_60J。本發明與現有技術相比，具有以下優點1、采用電爐熱裝90%鐵水冶煉，鋼水經LF精煉、VD真空脫氣，使鋼質均勻、潔凈度高。2、采用微合金化的方式，鋼中無需加入貴重合金元素Mo，材料在熱軋正火狀態下，能夠達到高強度、高韌性的要求,大大減少鋼的生產成本。3、采用熱裝、熱送的加熱工藝大大降低了燃料的使用量，從而大大降低了生產成本。
具體實施例方式實施例1
采用以下生產工藝制備
1)電爐冶煉，在90噸電爐中冶煉，加入鐵水及廢鋼，實現預脫P及成分初調；得到如下成分，按重量百分比計為C O. 22%, Si O. 15%, Mn1. 45%, Cr O. 10%, V O. 05%, Ni O. 02%,Al O. 020%, Ti O. 010%, S O. 025%, P O. 013%, Cu O. 04%,余為 Fe
2)LF精煉，在100噸LF爐中脫S及成分微調；得到如下成分，按重量百分比計為CO. 40%, Si O. 47%, Mn1. 55%, Cr O. 25%, V O. 13%, Ni O. 02%, Al O. 022%, Ti O. 022%, S
O.002%, P O. 014%, Cu O. 04%,余為 Fe。3) VD真空爐，在100噸VD爐中真空脫氣及成分微調；得到如下成分，按重量百分比計為c O. 40%, Si O. 47%, Mn1. 55%, Cr O. 25%, V O. 13%, Ni O. 02%, Al O. 022%, Ti
O.022%, S O. 002%, P O. 014%, Cu O. 04%,余為 Fe。4)連鑄，采用意大利達涅利公司生產的RlOm的5機5流連鑄機，澆成220*260mm的矩形連鑄坯；
5)連軋，采用13架連軋機軋制成相應規格的地質鉆探用鋼。所得到的微合金化高強度、高韌性地質鉆探用鋼，鋼的化學成分如下
C O. 40%, Si O. 47%, Mn1. 55%, Cr O. 25%, V O. 13%, Ni O. 02%, Al O. 022%, Ti
O.022%, S O. 002%, P O. 013%, Cu O. 04%,余為 Fe。地質鉆探用鋼鋼材為β 65mm，鋼的性能如下
A、B、C類非金屬夾雜物均為O級，D類粗為O級，D類細為O. 5級；氧含量為12. Oppm。抗拉強度Rm=870MPa、屈服強度Rel=600MPa、伸長率A10=14%、低溫沖擊功(Aku, -20°C) 58J0實施例2
又一種微合金化高強度高韌性地質鉆探用鋼，鋼的化學成分如下c O. 39%, Si
O.46%, Mn1. 58%, Cr O. 23%, V O. 13%, Ni O. 02%, Al O. 022%, Ti O. 020%, S O. 002%, P
O.011%, Cu O. 04%,余為 Fe。
生產工藝同實施例1。耐磨球用鋼材為# 70mm，鋼的性能如下
A、B、C類非金屬夾雜物均為O級，D類粗為O級，D類細為O. 5級；氧含量為11. Oppm。抗拉強度Rm=860MPa、屈服強度Rel=590MPa、伸長率A1(l=15%、低溫沖擊功(Aku, -20°C) 58J0實施例3
又一種微合金化高強度高韌性地質鉆探用鋼，鋼的化學成分如下c O. 41%, Si
O.50%, Mn1. 56%, Cr O. 24%, V O. 13%, Ni O. 02%, Al O. 023%, Ti O. 025%, S O. 002%, P O.013%, Cu O. 04%,余為 Fe。地質鉆探用鋼鋼材為β 80mm，鋼的性能如下
A、B、C類非金屬夾雜物均為O級，D類粗為O級，D類細為O. 5級；氧含量為10. Oppm。抗拉強度Rm=870MPa、屈服強度Rel=610MPa、伸長率A1(l=14%、低溫沖擊功(Aku, -20°C) 55J0本發明地質鉆探用鋼經過鋼管廠制造成地質開采鉆桿，鉆桿性能完全滿足YB/T5052標準中DZ55鋼級的要求，部分鉆桿性能達DZ60鋼級的要求。
權利要求
1.一種微合金化高強度高韌性地質鉆探用鋼，其特征在于該鋼的化學成分按重量百分比計為C O. 36-0. 42%, Si O. 40-0. 60%, Mn1. 45-1. 70%, Cr O. 20-0. 30%, V O. 10-0. 20%, AL O. 010 -O. 030%, Ti O. 015 -O. 035% , S ( O. 015%, P ( O. 020%, Cu ( O. 20%，余為 Fe。
2.根據權利要求1所述的微合金化高強度高韌性地質鉆探用鋼，其特征在于該鋼的化學成分按重量百分比計為C O. 36-0. 42%, Si O. 40-0. 60%, Mn1. 45-1. 70%, Cr O. 20-0. 30%, V O. 10-0. 20%, AL O. 010 -O. 030%, Ti O. 015 -O. 035% ,S^O. 015%, P 彡 O. 020%, Cu ( O. 20%,余為 Fe。
3.—種權利要求1所述的微合金化高強度高韌性地質鉆探用鋼的生產工藝，其特征在于該生產工藝包括下列步驟O電爐冶煉，加入鐵水及廢鋼，實現預脫P及成分初調；得到如下成分，按重量百分比計為C O. 20-0. 30%, Si O. 08-0. 16%, Mn1. 30-1. 50%, Cr ^ O. 20%, V ^ O. 10%, ALO.008 -O. 030%, Ti ( O. 030%，S 彡 O. 025%, P 彡 O. 015%, Cu ( O. 10%，余為 Fe ；2)LF精煉在LF爐中脫S、脫O及成分微調；得到如下成分，按重量百分比計為C O. 37-0. 41%, Si O. 45-0. 55%, Mn1. 50-1. 60%, Cr O. 22-0. 28%, V O. 12-0. 18%, ALO.015 -O. 025%, Ti O. 020 -O. 030%, S 彡 O. 010%, P 彡 O. 015%, Cu ( O. 10%，余為 Fe ；3)VD/RH精煉在VD/RH爐中真空脫氣及成分微調，得到如下成分，按重量百分比計為C O. 37-0. 41%, Si O. 45-0. 55%, Mn1. 50-1. 60%, Cr O. 22-0. 28%, V O. 12-0. 18%, ALO.015 -O. 025%, Ti 0.020 -O. 030%, S^O. 010%, P^O. 015%, Cu 彡 O. 10%，余為 Fe ;4)連鑄在連鑄機上澆成矩形連鑄坯；5)連軋經過連軋機組，軋制成圓鋼，得到微合金化高強度高韌性地質鉆探用鋼；該鋼熱軋正火狀態的力學性能為抗拉強度Rm=760-900MPa、屈服強度Rel=550_700MPa、伸長率 A10=12-15%、低溫沖擊功(Aku，-20°C ) =50_60J。
全文摘要
本發明公開了一種微合金化高強度高韌性地質鉆探用鋼，該鋼的化學成分按重量百分比計為C0.36-0.42%,Si0.40-0.60%,Mn1.45-1.70%,Cr0.20-0.30%，V0.10-0.20%,AL0.010-0.030%,Ti0.015-0.035%,S≤0.015%,P≤0.020%,Cu≤0.20%，余為Fe。生產工藝為電爐冶煉；LF精煉；VD/RH精煉；連鑄；連軋，得到微合金化高強度、高韌性地質鉆探用鋼。這種鋼的強度高、韌性好、耐磨性能好，成本低。生產工藝能保證鋼材質量，能提高成材率和生產效率，生產成本低。
文檔編號C21C7/06GK102994895SQ20121050807
公開日2013年3月27日 申請日期2012年12月3日 優先權日2012年12月3日
發明者許加陸, 趙陽, 王日紅, 李立凱, 劉憲民, 趙新春 申請人:中天鋼鐵集團有限公司