專利名稱：：一種復(fù)合強(qiáng)化高強(qiáng)度高韌性調(diào)質(zhì)鋼及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種調(diào)質(zhì)鋼及其制備方法，特別是涉及一種可用于生產(chǎn)高抗擠毀套管的一種復(fù)合強(qiáng)化高強(qiáng)度高韌性調(diào)質(zhì)鋼及其制造方法。
背景技術(shù)：
：高抗擠套管用鋼、高鋼級(jí)油套管用鋼等對(duì)材料的性能一般有如下要求(1)良好的淬透性；(2)優(yōu)良的回火穩(wěn)定性；(2)高的強(qiáng)韌性。目前廣泛使用CrMo鋼，如4130鋼制造。由于這種鋼含有較高的Cr、Mo、Mn等元素，鋼的淬透性較好，Mo的加入又使其具有良好的回火穩(wěn)定性。在600。C回火，屈服強(qiáng)度可達(dá)800MPa。隨著我國西部的油井開采的難度增加，主要表現(xiàn)在井深增加，井壓增大，從而對(duì)油井管的強(qiáng)韌性提出了更高的要求。為此，中國專利公開號(hào)CN1390972公開的"低合金超高強(qiáng)度鋼種"，該鋼種屈服強(qiáng)度Os達(dá)860Mpa，抗拉強(qiáng)度ob達(dá)1000-1300MPa,延伸率S大于15%，(TC橫向沖擊韌性大于33J，晶粒度為7級(jí)；這種鋼的成分與一種石油天然氣開采中深井、超深井石油套管(CN1619005)所使用的鋼的成分都不含Ti、Nb、Al等元素，見表1，而這些元素可以通過細(xì)化奧氏體晶粒來提高材料的強(qiáng)韌性。提高鋼鐵的強(qiáng)韌性，減輕構(gòu)件的比重量也是建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的必然要求。眾所周知，材料的強(qiáng)化一般分為析出強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化等。析出強(qiáng)化是由于析出的細(xì)小彌散的第二相阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的強(qiáng)化，是調(diào)質(zhì)鋼重要的強(qiáng)化機(jī)制；固溶強(qiáng)化則是由于溶質(zhì)原子對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻礙。鋼中普存的固溶強(qiáng)化元素有Si、Mn等，包括彈性交互作用(柯氏氣團(tuán))、電交互作用(玲木氣團(tuán))和化學(xué)交互作用；細(xì)晶強(qiáng)化,是由于晶粒減小，晶粒數(shù)量增多，增大了位錯(cuò)連續(xù)滑移的阻力導(dǎo)致的強(qiáng)化；同時(shí)由于滑移分散，也使塑性增大。該強(qiáng)化機(jī)制是唯--的同時(shí)增大強(qiáng)度和韌性的機(jī)制。對(duì)于CrMo鋼，一般關(guān)注的是其淬火回火后的力學(xué)性能，很少追溯到鋼鐵的原始奧氏體晶粒度。細(xì)小的原始奧氏體晶粒會(huì)為后續(xù)的相變過程提供更多的形核位置，有利于形成細(xì)小的鐵素體和碳化物。因此，鋼的原始奧氏體晶粒度會(huì)對(duì)鋼的強(qiáng)度、韌性和疲勞抗力等性能指標(biāo)有很大影響。在材料設(shè)計(jì)上，眾所周知，鋼液凝固后，在冷卻及軋制過程中Ti、Nb、V等合金元素均能與鋼中的C、N等元素分別形成TiN、TiC、NbN、NbC、VN、VC碳氮化合物，這幾種化合物固溶度積依次增大，形成溫度依次降低，(Nb,Ti)CN在奧氏體未再結(jié)晶區(qū)變形期間還可以誘發(fā)析出，這些存在的大量的小尺寸的粒子在加熱過程中能夠釘扎原始奧氏體晶界，有效地阻止原始奧氏體晶粒長大。傳統(tǒng)的A1N冶金也可以獲得細(xì)小的奧氏體晶粒；在工藝控制上，一般而言，細(xì)晶的獲得有兩種方法，即再結(jié)晶法和相變法。再結(jié)晶包括在奧氏體區(qū)和鐵素體區(qū)的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，而相變法則包括應(yīng)變誘導(dǎo)相變和應(yīng)變強(qiáng)化相變以獲得細(xì)小的組織。應(yīng)用這些方法，日本國家材料科學(xué)研究所已經(jīng)成功獲得直徑達(dá)的超細(xì)晶粒鋼。由于調(diào)質(zhì)鋼在熱軋后需要再加熱到奧氏體化溫度，適當(dāng)?shù)募訜峁に嚥粌H不會(huì)導(dǎo)致奧氏體晶粒長大，還能達(dá)到進(jìn)一步細(xì)化的效果。但是，淬火時(shí)要減小變形避免開裂，因而，CrMo鋼一般采用油淬工藝。因?yàn)橛偷睦鋮s性能接近于理想冷卻性能，然而油淬帶來環(huán)境保護(hù)上的缺陷，特別是火災(zāi)危險(xiǎn)性。水具有廉價(jià)、安全和環(huán)保的特點(diǎn)，但是它的最高冷卻速度可以高達(dá)700-800。C/s，淬火導(dǎo)致的變形和裂紋的擴(kuò)展就在所難免。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于開發(fā)一種可以滿足高抗擠套管用鋼要求的利用復(fù)合強(qiáng)化機(jī)制達(dá)到高強(qiáng)度高韌性的、可以水淬的調(diào)質(zhì)鋼及其制造方法。本發(fā)明的思路是從材料的成分設(shè)計(jì)入手，采用適當(dāng)?shù)奶己恳詼p少水淬變形開裂的可能性。并采用多種強(qiáng)化手段，提高材料的強(qiáng)韌性，以適當(dāng)?shù)腃、Cr、Mo的含量，以期獲得最佳的相變強(qiáng)化效果，適當(dāng)加入V、Nb、Ti、Cu以達(dá)到彌散強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化的效果，加入適量的A1細(xì)化晶粒，加入適量的Ni以提高材料的韌性；控制終軋溫度、再加熱奧氏體化溫度、回火溫度以及保溫時(shí)間，獲得細(xì)小的原始奧氏體晶粒，細(xì)小彌散分布的析出物以達(dá)到最大的強(qiáng)韌化效果。本發(fā)明的技術(shù)方案為一種復(fù)合強(qiáng)化高強(qiáng)度高韌性調(diào)質(zhì)鋼，其組成成分的重量百分配比為C:0.23-0.31%Mn:0.75-1.0%Si:0.23-0.55%Cr:0.9-1.3%Mo:0.15-0.5%Ni:0—0.7%Cu:0.08-0.25%Al:0.01-0.07%Ti:0.01-0.08%Nb:0.01-0.06%V:0.01-0.05%P:<0.02%S:〈0.015%余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。本發(fā)明調(diào)質(zhì)鋼其組成成分的重量百分配比的優(yōu)選范圍為C0.250.29%，Si0.25~0.40%,Cr0.9~1.1%，Mn0.801.0%，Ni0.100.30%,Mo0.380.42%,V0.030.05%,Nb0.030.05%,Cu0.180.22%,Al0.020.05%，Ti0.030.05%，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。成分設(shè)計(jì)原理如下C:為了減輕水淬開裂的敏感性，按重量百分比，C含量不宜大于0.31%,但是C含量太低將有損材料的強(qiáng)度，宜采用含碳量0.23-0.31%。Mn:主要溶于鐵素體起強(qiáng)化作用，用來提高鋼的淬透性，但含量太高時(shí)偏析嚴(yán)重，按重量百分比，宜采用Mn含量為0.75-1.0%。Si:固溶于鐵素體以提高鋼的屈服強(qiáng)度，但同時(shí)要損失塑性和韌性，按重量百分比，宜采用硅含量為0.23-0.55%。Cr:強(qiáng)烈提高淬透性元素，強(qiáng)碳化物形成元素，回火時(shí)析出碳化物提高鋼的強(qiáng)度，還提高鋼的耐蝕性，按重量百分比，宜采用含量0.9-1.3%。Mo:提高淬透性元素，強(qiáng)碳化物形成元素，可以有效的提高鋼的回火穩(wěn)定性，由于價(jià)格昂貴，含量不宜過高，按重量百分比，宜采用含量0.15-0.5%。Ni:提高淬透性元素?？商岣咪摰膹?qiáng)度而不顯著降低其韌性。提高鋼的低溫韌性。鎳還可以提高鋼的抗腐蝕能力，不僅能耐酸，而且能抗堿和大氣的腐蝕。按重量百分比，宜采用含量0-0.7%。Cu:在室溫基本不溶于ci-Fe，而以e-Cu或面心立方a-Cu的形式析出，并可使鋼得以強(qiáng)化，還可以提高鋼的耐腐蝕性能。按重量百分比，宜采用含量0.08—0.25%。Al:傳統(tǒng)固氮元素，形成A1N可以細(xì)化奧氏體晶粒，同時(shí)還可以提高鋼的耐腐蝕性能，按重量百分比，宜釆用含量0.01-0.07%。Ti:強(qiáng)碳氮化物形成元素，形成TiN、TiC在均熱和再加熱過程中均可以阻止奧氏體晶粒長大，細(xì)化奧氏體晶粒；若含量太高，易形成粗大的TiN,達(dá)不到添加的目的。按重量百分比，宜采用含量0.01-0.08%。Nb:熱軋時(shí)可以推遲奧氏體再結(jié)晶而達(dá)到細(xì)化晶粒的目的，在隨后的冷卻及熱軋過程中，Nb(C、N)粒子彌散析出，又能起到析出強(qiáng)化的作用。在再加熱過程中，可以阻礙奧氏體晶粒長大，按重量百分比，宜采用含量0.01-0.06%。V:釩的碳氮化物在鐵素體中析出，可以在回火的過程中進(jìn)一步達(dá)到析出強(qiáng)化的效果，按重量百分比，宜采用含量0.01-0.05%。一種復(fù)合強(qiáng)化高強(qiáng)度高韌性調(diào)質(zhì)鋼的制造方法，包括配料熔煉、軋制和調(diào)質(zhì)處理，將按上述配比冶煉后鋼錠在1200-1260。C均熱，在奧氏體再結(jié)晶區(qū)、非再結(jié)晶區(qū)以及形變誘導(dǎo)鐵素體相變區(qū)軋制，1200。C開軋，終軋溫度大于800。C，中間待溫，以充分利用A1、Ti、Nb等元素析出物顆粒的拖曳作用細(xì)化奧氏體晶粒，累計(jì)壓縮比4-7。軋后空冷。調(diào)質(zhì)處理再加熱溫度為860-910°C保溫5-60min水淬，于600-680。C回火。如果均熱時(shí)間過長，部分析出物溶解，形成的奧氏體晶界將失去釘扎作用而異常長大，得到混晶組織，達(dá)不到預(yù)期的效果。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下顯而易見的突出特點(diǎn)的顯著的優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明通過利用合金元素在鋼中的作用，綜合控制從冶煉凝固、軋制、熱處理等各個(gè)環(huán)節(jié)以獲得最大強(qiáng)韌化效果。發(fā)明的調(diào)質(zhì)鋼原始奧氏體晶粒度可達(dá)10級(jí)以上，在600。C以上回火，屈服強(qiáng)度在940MPa以上，延伸率不低于20%,沖擊韌性大于70J。圖1為本發(fā)明鋼的金相組織圖圖2為本發(fā)明與對(duì)比例的淬透性比較圖具體實(shí)施例方式根據(jù)本發(fā)明技術(shù)方案調(diào)質(zhì)鋼的組分配比，在實(shí)驗(yàn)室使用50Kg真空感應(yīng)爐熔煉與軋制試驗(yàn)，化學(xué)成分見表2。工藝路線見表3。力學(xué)性能見表4，典型金相組織為回火索氏體，見附圖1。其中BO、Bl、B2為對(duì)比例l一3的化學(xué)成分，Al、A2、A3、A4為發(fā)明實(shí)施例l一4的化學(xué)成分。本發(fā)明鋼的淬透性優(yōu)良，根據(jù)GB/T225-1988規(guī)定試驗(yàn)方法測定，本發(fā)明與對(duì)比例的淬透性比較見附圖2，沒有淬火開裂的現(xiàn)象發(fā)生。在相同的軋制和熱處理工藝下，由于所添加元素所起到的復(fù)合強(qiáng)化作用，本發(fā)明鋼較傳統(tǒng)的CrMo鋼的屈服強(qiáng)度高25%;原始奧氏體晶粒度的細(xì)化對(duì)沖擊韌性的影響是非常顯著的，當(dāng)奧氏體晶粒度由原來的8級(jí)細(xì)化到10級(jí)，橫向沖擊韌性提高了100%，縱向沖擊韌性提高了50%。表l國內(nèi)外類似產(chǎn)品的成份與本發(fā)明鋼的成份對(duì)比(wt.%)<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>恭3工藝制度<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>權(quán)利要求1、一種復(fù)合強(qiáng)化高強(qiáng)度高韌性調(diào)質(zhì)鋼，其組成成分的重量百分配比為C0.23-0.31％Mn0.75-1.0％Si0.23-0.55％Cr0.9-1.3％Mo0.15-0.5％Ni0-0.7％Cu0.08-0.25％Al0.01-0.07％Ti0.01-0.08％Nb0.01-0.06％V0.01-0.05％P＜0.02％S＜0.015％余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。全文摘要本發(fā)明涉及一種調(diào)質(zhì)鋼及其制備方法，特別是涉及一種可用于生產(chǎn)高抗擠毀套管的一種復(fù)合強(qiáng)化高強(qiáng)度高韌性調(diào)質(zhì)鋼及其制造方法。主要解決現(xiàn)有高強(qiáng)度高韌性鋼無法滿足深井開采的強(qiáng)度和韌性要求的技術(shù)問題。本發(fā)明調(diào)質(zhì)鋼其組成成分的重量百分配比為C0.23～0.31％，Si0.23～0.55％，Cr0.9～1.3％，Mn0.75～1.0％，Ni0～0.7％，Mo0.15～0.5％，V0.01～0.05％，Nb0.01～0.06％，Cu0.08～0.25％，Al0.01～0.07％，Ti0.01～0.08％，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。將按上述配比冶煉后鋼錠在1200-1260℃均熱，多道軋制，終軋溫度大于800℃，累計(jì)壓縮比4-7，軋后空冷，調(diào)質(zhì)處理再加熱溫度為860-910℃保溫5-60min后水淬，再于600-680℃回火?？捎糜谏a(chǎn)深井開采用高抗擠毀套管。文檔編號(hào)C21D8/00GK101096745SQ200610028249公開日2008年1月2日申請日期2006年6月28日優(yōu)先權(quán)日2006年6月28日發(fā)明者田青超申請人:寶山鋼鐵股份有限公司