專利名稱：一種微合金化高強(qiáng)度高韌性地質(zhì)鉆探用鋼及其生產(chǎn)工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鋼鐵行業(yè)中的合金鋼，具體地說(shuō)是一種微合金化高強(qiáng)度高韌性地質(zhì)鉆探用鋼及其生產(chǎn)工藝。
背景技術(shù)：
地質(zhì)鉆探用鋼的工作條件苛刻，地質(zhì)鉆探用鋼在鉆進(jìn)過(guò)程中，承受巨大的扭、壓、彎、拉、震動(dòng)等復(fù)雜的交變應(yīng)力，所以對(duì)他的綜合機(jī)械性能要求較高,地質(zhì)鉆探用鋼主要用于生產(chǎn)鉆桿、鉆鋌、巖心管、套管和沉淀管，鋼級(jí)(鋼種)主要有DZ40 (50Mn )、DZ50 (40Mn2)、DZ55 (40Mn2Mo)、DZ60 (45MnMoB)、DZ65 (27MnMoVB)等。隨著金剛石鉆進(jìn)技術(shù)在深層鉆探方面的成功應(yīng)用和鉆探深度的不斷增加，對(duì)地質(zhì) 鉆探用鋼的強(qiáng)度和韌性提出了更高的要求，另外，隨著在復(fù)雜、破碎地層中進(jìn)行鉆探施工比例的增加，目前DZ55以上高強(qiáng)度級(jí)別的地質(zhì)鉆探用鋼需求量越來(lái)越大。傳統(tǒng)的DZ55以上高鋼級(jí)地質(zhì)管用鋼采用加Mo元素和進(jìn)行鋼的調(diào)質(zhì)處理來(lái)提高強(qiáng)度和韌性，由于鋼中增加貴重的Mo元素和鋼需要進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，大大增加鋼的生產(chǎn)成本。為了適應(yīng)地質(zhì)鉆探用鋼的強(qiáng)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(diào)質(zhì)狀態(tài)的同時(shí)，盡可能的提高材料的強(qiáng)度和韌性，從而實(shí)現(xiàn)降低地質(zhì)鉆探用鋼的生產(chǎn)成本。因此迫切需要研制出高強(qiáng)度、高韌性的地質(zhì)鉆探用鋼。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種微合金化高強(qiáng)度高韌性地質(zhì)鉆探用鋼及其生產(chǎn)工藝，這種鋼的強(qiáng)度高、韌性好、耐磨性能好，成本低。生產(chǎn)工藝能保證鋼材質(zhì)量，能提高成材率和生產(chǎn)效率,生產(chǎn)成本低。本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的
一種微合金化高強(qiáng)度高韌性地質(zhì)鉆探用鋼，其特征在于該鋼的化學(xué)成分按重量百分比計(jì)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(fā)明中，所述化學(xué)成分進(jìn)一步優(yōu)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(qiáng)度高韌性地質(zhì)鉆探用鋼的生產(chǎn)工藝，其特征在于該生產(chǎn)工藝包括下列步驟
I)電爐冶煉，加入鐵水及廢鋼，實(shí)現(xiàn)預(yù)脫P(yáng)及成分初調(diào)；得到如下成分，按重量百分比計(jì)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(diào)；得到如下成分，按重量百分比計(jì)為(補(bǔ)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(diào)，得到如下成分，按重量百分比計(jì)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(jī)上澆成矩形連鑄坯；
5)連軋經(jīng)過(guò)連軋機(jī)組，軋制成圓鋼，得到微合金化高強(qiáng)度、高韌性地質(zhì)鉆探用鋼；該鋼熱軋正火狀態(tài)的力學(xué)性能為抗拉強(qiáng)度1=760-90010^、屈服強(qiáng)度Rel=550-700MPa、伸長(zhǎng)率 A1(l=l2_l5%、低溫沖擊功(Aku，-20°C ) =50-60Jo下面具體說(shuō)明本發(fā)明鋼化學(xué)成分的限定理由。C :能顯著提高鋼的強(qiáng)度，但也使鋼的塑性惡化，C是顯著提高鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度元素之一。如果C含量低于O. 36%，材料的熱軋態(tài)強(qiáng)度和力學(xué)性能指標(biāo)均達(dá)不到設(shè)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(dá)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(qiáng)度和硬度，降低鋼的塑性和韌性。其最低含量為O. 15%才能達(dá)到效果，但過(guò)高的Si含量，特別是與Mn、Cr元素共存時(shí)，容易引起鋼的晶粒粗化，但Si是顯著提高鋼的屈服強(qiáng)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(qiáng)化基體，在軋后冷卻時(shí)能細(xì)化珠光體且能相對(duì)提高珠光體含量，因此，能提高強(qiáng)度和硬度，且對(duì)材料的塑性影響較小。當(dāng)Mn含量低于1. 00%時(shí)，材料的力學(xué)性能很難達(dá)到高鋼級(jí)地質(zhì)鉆探用鋼的強(qiáng)度要求，所以Mn含量確定為1. 45-1. 70%。Cr :能顯著提高鋼的強(qiáng)度，同時(shí)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(biāo)將受到影響，同時(shí)過(guò)高的Cr會(huì)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(xì)化組織晶粒，提高晶粒粗化溫度，從而降低鋼的過(guò)熱敏感性，并提高鋼的強(qiáng)度和韌性；增加回火穩(wěn)定性，并產(chǎn)生二次硬化效應(yīng)。釩除提高鋼的強(qiáng)度，特別是屈服點(diǎn)和屈強(qiáng)比以外，還改善鋼的塑性和韌性。由于材料晶粒的細(xì)化，細(xì)化后材料的晶粒度等級(jí)大大提高，晶界的比重加大，鋼的強(qiáng)度增加，材料對(duì)裂紋的敏感性大大降低?？紤]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(qiáng)化效果不需要通過(guò)控軋控冷即可穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)，同時(shí)用量少，成本低。T1:是化學(xué)上極為活潑的金屬元素之一，它和氮、氧、碳都有極強(qiáng)的親和力，因此利用它來(lái)固定鋼中的氮。同時(shí)，Ti元素和碳形成一種碳化物TiC，這種碳化物結(jié)合力極強(qiáng)，極穩(wěn)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(zhǎng)大粗化的作用。因此，用Ti來(lái)細(xì)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(xué)性能。Ti低于O. 015%時(shí)，起不到固定鋼中N，并細(xì)化晶粒的作用，Ti太高容易形成TiN點(diǎn)狀?yuàn)A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(shí)踐證明，P、S在晶間偏聚造成晶界脆化，會(huì)造成材料高溫回火脆性，同時(shí)P、S超過(guò)一定含量時(shí)，對(duì)鋼材的脆性轉(zhuǎn)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(xué)性能。按照本發(fā)明生產(chǎn)的地質(zhì)鉆探用鋼，具有高強(qiáng)度、高韌性、耐磨性能及抗裂紋敏感性。材料熱軋正火狀態(tài)的性能如下抗拉強(qiáng)度Rm=760-900MPa、屈服強(qiáng)度Rel=550_700MPa、伸長(zhǎng)率 A1(l=12-15%、低溫沖擊功(Aku，-20°C ) =50_60J。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)1、采用電爐熱裝90%鐵水冶煉，鋼水經(jīng)LF精煉、VD真空脫氣，使鋼質(zhì)均勻、潔凈度高。2、采用微合金化的方式，鋼中無(wú)需加入貴重合金元素Mo，材料在熱軋正火狀態(tài)下，能夠達(dá)到高強(qiáng)度、高韌性的要求,大大減少鋼的生產(chǎn)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(chǎn)成本。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1
采用以下生產(chǎn)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(shí)現(xiàn)預(yù)脫P(yáng)及成分初調(diào)；得到如下成分，按重量百分比計(jì)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(diào)；得到如下成分，按重量百分比計(jì)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(diào)；得到如下成分，按重量百分比計(jì)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(dá)涅利公司生產(chǎn)的RlOm的5機(jī)5流連鑄機(jī)，澆成220*260mm的矩形連鑄坯；
5)連軋，采用13架連軋機(jī)軋制成相應(yīng)規(guī)格的地質(zhì)鉆探用鋼。所得到的微合金化高強(qiáng)度、高韌性地質(zhì)鉆探用鋼，鋼的化學(xué)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(zhì)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(jí)，D類粗為O級(jí)，D類細(xì)為O. 5級(jí)；氧含量為12. Oppm?？估瓘?qiáng)度Rm=870MPa、屈服強(qiáng)度Rel=600MPa、伸長(zhǎng)率A10=14%、低溫沖擊功(Aku, -20°C) 58J0實(shí)施例2
又一種微合金化高強(qiáng)度高韌性地質(zhì)鉆探用鋼，鋼的化學(xué)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(chǎn)工藝同實(shí)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(jí)，D類粗為O級(jí)，D類細(xì)為O. 5級(jí)；氧含量為11. Oppm。抗拉強(qiáng)度Rm=860MPa、屈服強(qiáng)度Rel=590MPa、伸長(zhǎng)率A1(l=15%、低溫沖擊功(Aku, -20°C) 58J0實(shí)施例3
又一種微合金化高強(qiáng)度高韌性地質(zhì)鉆探用鋼，鋼的化學(xué)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(zhì)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(jí)，D類粗為O級(jí)，D類細(xì)為O. 5級(jí)；氧含量為10. Oppm。抗拉強(qiáng)度Rm=870MPa、屈服強(qiáng)度Rel=610MPa、伸長(zhǎng)率A1(l=14%、低溫沖擊功(Aku, -20°C) 55J0本發(fā)明地質(zhì)鉆探用鋼經(jīng)過(guò)鋼管廠制造成地質(zhì)開(kāi)采鉆桿，鉆桿性能完全滿足YB/T5052標(biāo)準(zhǔn)中DZ55鋼級(jí)的要求，部分鉆桿性能達(dá)DZ60鋼級(jí)的要求。
權(quán)利要求
1.一種微合金化高強(qiáng)度高韌性地質(zhì)鉆探用鋼，其特征在于該鋼的化學(xué)成分按重量百分比計(jì)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(jù)權(quán)利要求1所述的微合金化高強(qiáng)度高韌性地質(zhì)鉆探用鋼，其特征在于該鋼的化學(xué)成分按重量百分比計(jì)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(quán)利要求1所述的微合金化高強(qiáng)度高韌性地質(zhì)鉆探用鋼的生產(chǎn)工藝，其特征在于該生產(chǎn)工藝包括下列步驟O電爐冶煉，加入鐵水及廢鋼，實(shí)現(xiàn)預(yù)脫P(yáng)及成分初調(diào)；得到如下成分，按重量百分比計(jì)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(diào)；得到如下成分，按重量百分比計(jì)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(diào)，得到如下成分，按重量百分比計(jì)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(jī)上澆成矩形連鑄坯；5)連軋經(jīng)過(guò)連軋機(jī)組，軋制成圓鋼，得到微合金化高強(qiáng)度高韌性地質(zhì)鉆探用鋼；該鋼熱軋正火狀態(tài)的力學(xué)性能為抗拉強(qiáng)度Rm=760-900MPa、屈服強(qiáng)度Rel=550_700MPa、伸長(zhǎng)率 A10=12-15%、低溫沖擊功(Aku，-20°C ) =50_60J。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種微合金化高強(qiáng)度高韌性地質(zhì)鉆探用鋼，該鋼的化學(xué)成分按重量百分比計(jì)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(chǎn)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(qiáng)度、高韌性地質(zhì)鉆探用鋼。這種鋼的強(qiáng)度高、韌性好、耐磨性能好，成本低。生產(chǎn)工藝能保證鋼材質(zhì)量，能提高成材率和生產(chǎn)效率，生產(chǎn)成本低。
文檔編號(hào)C21C7/06GK102994895SQ20121050807
公開(kāi)日2013年3月27日 申請(qǐng)日期2012年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月3日
發(fā)明者許加陸, 趙陽(yáng), 王日紅, 李立凱, 劉憲民, 趙新春 申請(qǐng)人:中天鋼鐵集團(tuán)有限公司