一種低碳馬氏體鋼及其制備吊環的方法
【專利摘要】本發明公開了一種低碳馬氏體鋼，由下述的組分按照Wt%組成：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，其余為Fe，合計為100%。本發明還公開了一種利用上述的低碳馬氏體鋼制備吊環的方法。本發明的低碳馬氏體鋼，不但保證了吊環鋼的高強度，還具有良好的低溫韌性，達到API?Spec8C和SY/T5035中規定的Akv（-20℃）≥42J的規范要求。使常規吊環產品（500噸以下）在不改變原設計圖紙和原有鍛造工藝的情況下能夠生產出滿足API8C和SY/T5035的低溫性能要求，易于加工，能進行工業化批量生產。
【專利說明】一種低碳馬氏體鋼及其制備吊環的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于材料制備【技術領域】，用于制作API SpecSC中的高強韌性吊環產品，涉及一種低碳馬氏體鋼，本發明還涉及利用該種低碳馬氏體鋼制備吊環的方法。
【背景技術】 [0002]吊環是石油鉆機裝備游吊系統中的一個關鍵部件，目前吊環產品所采用的鋼為20SiMn2MoVA和20Cr2Ni4。在不同的作業環境下，鉆機零部件的使用狀況也不同，尤其在一些寒冷的地區，對鉆機零部件的低溫性能要求就更高，最關鍵的力學指標就是低溫沖擊韌性。在零下20°C的環境下，現有的20SiMn2MoVA鋼的平均沖擊韌性值不足42J，達不到APISpec8C和SY/T5035中規定的Akv (-20°C )≥42J的規范要求；而20Cr2Ni4鋼的低溫性能雖然較好，-200C的夏比沖擊韌性Akv能滿足API Spec8C和SY/T5035，但20Cr2Ni4鋼在制造吊環產品的過程中可鍛性差，打磨困難，成本又較高，生產效率低，所以不適用于工業化批量生產。

【發明內容】

[0003]本發明的目的是提供一種低碳馬氏體鋼，解決了現有高強鋼在淬回火熱處理工藝條件下的力學性能、尤其是低溫韌性，不能滿足石油鉆采裝備服役條件的問題。
[0004]本發明的另一目的是提供利用該種低碳馬氏體鋼制備吊環的方法。
[0005]本發明所采用的技術方案是，一種低碳馬氏體鋼，由下述的組分按照Wt%組成:
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，其余為 Fe，合計為 100%。
[0006]本發明所采用的另一技術方案是，一種利用上述的低碳馬氏體鋼制備吊環的方法，按照以下步驟實施:
[0007]步驟1、按照以下質量百分比分別稱量各個組分: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，其余為Fe，合計為100%，一起進行冶煉；
[0008]步驟2、將步驟I冶煉得到的鋼液，在真空下采用電弧加熱鋼液和吹氬氣攪拌鋼液脫氣，最后采用電渣重熔技術進行組織均勻化處理；
[0009]步驟3、鋼液澆注時采用吹起式滑動水口吹入惰性氣體，均勻成分和溫度，凈化鋼水，澆注的鋼錠經坑冷緩冷不少于48小時；
[0010]步驟4、鋼錠鍛造，對步驟3得到的鋼錠鍛造時要留有足夠的切頭切尾量，鍛造比不小于3 ;鍛后經退火處理，得到制備吊環產品所需的圓鋼； [0011]步驟5、毛坯加工，對步驟4得到的圓鋼表面經機加工車光；
[0012]步驟6、熱處理:對步驟5處理后的圓鋼進行自由鍛制成吊環產品，之后將吊環產品熱處理，即成。
[0013]本發明的有益效果是，不但保證了吊環鋼的高強度，還具有良好的低溫韌性，達到API Spec8C和SY/T5035中規定的Akv (_20°C )≤42J的規范要求。使常規吊環產品(500 噸以下)在不改變原設計圖紙和原有鍛造工藝的情況下能夠生產出滿足API8C和SY/T5035 的低溫性能要求，易于加工，能進行工業化批量生產。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是回火溫度對本發明鋼的強度影響曲線；
[0015]圖2是回火溫度對本發明鋼的塑性影響曲線；
[0016]圖3是回火溫度對本發明鋼的沖擊性影響曲線。
【具體實施方式】
[0017]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明進行詳細說明。
[0018]本發明的低碳馬氏體鋼，用于制作石油鉆井吊環，由下述的組分按照Wt%組成:
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，其余為 Fe，合計為 100%。
[0019]本發明低碳馬氏體鋼的組織結構因素是:位錯亞結構，馬氏體條束尺寸，馬氏體條粗細；e-碳化物、置換固溶和間隙固溶。低碳馬氏體鋼的第一類回火脆性的發生已推移到 400°C以上的溫度。當它的淬火馬氏體組織在低于350°C的溫度范圍內回火時，抗拉強度與缺口沖擊韌性AK和斷裂韌性KIC的變化趨勢是相一致的，表現出強韌性良好配合的特性， 這是難能可貴的。而一般的中碳結構鋼不是這樣的，要經過調質處理以后才有明顯的起色， 但強度犧牲太多。由于低碳馬氏體低溫回火性能具有強韌性同步變化的特征，本發明給出的思路是:在保持低碳馬氏體鋼強韌性同步協調的變化特點下，設法提高其韌性，與此同時使強度也有所改善，以期其強韌性組合更趨完善。
[0020]本發明低碳馬氏體鋼為取得更高水平的韌性和強度，在成分設計上有以下特點:
[0021]首先，適當的增高馬氏體的間隙固溶C含量，但C含量不能超過0.25%。第二，將 C含量增多些，固然可以提高強度，但塑性和韌性將迅速下降，因此還需要在鋼中加入適量的N1、Mn元素，這種做法的指導思想是:穩定的殘余奧氏體薄膜可使裂紋鈍化或分叉，因而韌性相奧氏體的存在對改善韌性很有好處；Ni和Mn是奧氏體形成元素的代表，這兩個擴大 Y-區元素的加入能夠保證鋼中殘余未轉變的奧氏體具有足夠的穩定性，直接的提高鋼的塑性和韌性。當前現有的合金元素中還沒有另外的元素能代替得了 Ni這個角色。Ni和Mn 亦兼顧的可發揮置換固溶強化作用，Ni的加入量控制在1.5%左右。第三，考慮到回火脆性問題，要用Mo來抑制回火脆性，Mo加入量要大于0.3%,Mo也可起一定的置換故溶強化作用。 第四，Cr是提高淬透性和耐蝕性所需要的元素，低碳馬氏體鋼的推廣應用曾因其差的馬氏體淬透性而受到冷遇，因此必須考慮提高它的淬透性，Cr正是為著這個目的而添加的。第五，V的加入在于使奧氏體保持住細晶粒狀態。所以，按上述微合金化思路，在原吊環鋼的基礎上通過加入Cr、Ni，降低Si含量，調整C、Mn、Mo等元素的成分，得到了高強韌性低碳低碳馬氏體鋼，具體成分參照表1中的3#鋼。
[0022]本發明制備吊環的方法，利用上述的低碳馬氏體鋼，按照以下步驟實施:
[0023]步驟1、按照以下質量百分比分別稱量各個組分: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.≤ Mo ≤0.5、0.07 ^ V ^ 0.12，其余為Fe，合計為100%，一起進行冶煉；
[0024]步驟2、將步驟I冶煉得到的鋼液，在真空下采用電弧加熱鋼液和吹氬氣攪拌鋼液脫氣，最后采用電渣重熔技術進行組織均勻化處理，即得；
[0025]步驟3、鋼錠澆注，鋼液澆注時采用吹起式滑動水口吹入惰性氣體，均勻成分和溫度，凈化鋼水，澆注的鋼錠經坑冷緩冷不少于48小時。吹起式滑動水口是一種冷卻方式，就是將出爐的鋼錠放置在類似坑一樣的地方，讓其緩慢冷卻至常溫。
[0026]步驟4、鋼錠鍛造，對步驟3得到的鋼錠鍛造時要留有足夠的切頭切尾量，以保證鍛造質量，鍛造比不小于3 ;鍛后經退火處理，以避免造成氫致缺陷，并降低硬度便于機加工，得到制備吊環產品所需的圓鋼；
[0027]步驟5、毛坯加工，對步驟4得到的圓鋼表面經機加工車光，使其表面不得存在裂紋、折疊、氧化皮等缺陷，且保證圓鋼質量達到要求；
[0028]步驟6、熱處理:對步驟5處理后的圓鋼進行自由鍛制成吊環產品，并附帶屮90mm的等效試棒，之后將吊環產品同等效試棒同爐熱處理，熱處理工藝參數為:淬水910±20°C保溫不少于45分鐘，回火150~200°C保溫不少于180分鐘，空冷。
[0029]按照表1的成分和技術條件進行對照例(1#、2#)與實施例(3#、4#、5#)五種編號配比的冶煉，鋼液須采用爐外精煉和電渣重熔工藝，對比實驗時，同時制作五種直徑為φ250mm的吊環鋼，編號分別為1#、2#、3#、4#、5#，具體成分參照表1。
[0030]表1本發明實施例3-5的低碳馬氏體鋼與對照例1-2的成分對照表。
[0031]
【權利要求】
1.一種低碳馬氏體鋼，其特點在于:由下述的組分按照wt%組成: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，其余為 Fe，合計為 100%。
2.一種利用權利要求1所述的低碳馬氏體鋼制備吊環的方法，其特點在于，按照以下步驟實施:步驟1、按照以下質量百分比分別稱量各個組分: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，其余為Fe，合計為100%，一起進行冶煉；步驟2、將步驟I冶煉得到的鋼液，在真空下采用電弧加熱鋼液和吹氬氣攪拌鋼液脫氣，最后采用電渣重熔技術進行組織均勻化處理；步驟3、鋼液澆注時采用吹起式滑動水口吹入惰性氣體，均勻成分和溫度，凈化鋼水，澆注的鋼錠經坑冷緩冷不少于48小時；步驟4、鋼錠鍛造，對步驟3得到的鋼錠鍛造時要留有足夠的切頭切尾量，鍛造比不小于3 ;鍛后經退火處理，得到制備吊環產品所需的圓鋼；步驟5、毛坯加工，對步驟4得到的圓鋼表面經機加工車光；步驟6、熱處理:對步驟5處理后的圓鋼進行自由鍛制成吊環產品，之后將吊環產品熱處理，即成。
3.根據權利要求2所述的制備吊環的方法，其特點在于，所述的步驟6中，熱處理工藝參數為:淬水910±20°C保溫不少于45分鐘，回火150~200°C保溫不少于180分鐘，空冷。
【文檔編號】C21D8/00GK103572176SQ201310526082
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年10月30日 優先權日:2013年10月30日
【發明者】黨恩, 余志剛, 劉宏亮, 李保峰 申請人:寶雞石油機械有限責任公司