一种120ksi钢级高强韧中碳调质圆钢及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及120KSI钢级圆钢及制造方法，具体涉及一种采用连铸连轧工艺生产 的、在屈服强度达到120KSI钢级时仍具有较高的塑性及常温、低温冲击韧性的调质圆钢及 其制造方法。
【背景技术】
[0002] 4140、4137、4145等中碳调质钢淬透性高，强度、塑性及韧性等综合机械性能好，广 泛应用于油田、风电、机械等领域。但随着各行业的发展，客户对材料的要求越来越高，采用 传统方式生产的这些钢材已很难满足使用要求。如用于油井钻具设备上的调质钢，目前国 内及国外绝大多数钻铤机械性能均采用美国石油协会API标准。近年来随着石油能源的逐 步消耗，深井、超深井及高寒地区油井的开发需求原来越迫切，以美国国民油井、斯伦贝谢 等世界5大油田设备及服务公司为代表的客户在原API标准要求的基础上不断提高钻铤钢 强度及韧性要求，以4145钻铤钢为例，传统API及客户高强韧要求如下表所示： 表1 API 7-1标准及高强韧4145力学性能要求对比
对比表1中数据可知，高强韧4145的取样位置由表面下25mm加深至1/2半径，以 241. 3mm棒材为例，取样深度由表面下25mm变为60mm。在此基础上进一步提高了屈服强度 指标，并增加了 1/2半径硬度及_20°C低温冲击要求，可以看出，棒材规格越大，对原材料及 设备的淬透能力要求越高，生产难度越大，目前国内各钢厂及热处理厂家均不能保证如此 高的性能要求。
[0003]
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种120KSI钢级，屈服强 度达到827MPa的高强韧中碳调质钢，其直径可达254mm，在距表面二分之一半径以内取样 检验，屈服强度彡827MPa，抗拉强度彡965MPa，延伸率彡16%，断面收缩率彡45%，室温 及-20°C夏比冲击功彡60J，表面硬度可控制在341HB以下，可用于制造大规格油井钻铤、钻 杆、钻杆接头、接箍等高强韧要求的部件。
[0005] 本发明所要解决的另一技术问题是针对上述现有技术现状提供一种制造上述 120KSI钢级、高强韧中碳调质圆钢的炼钢方法。
[0006] 本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为，一种120KSI钢级高强韧中碳调 质圆钢，该圆钢的化学成分按质量百分比计为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%，余量为Fe及不可避免的杂质元素，其中V、Nb的含量不同时 ^ 0. 010%〇
[0007] 优选地，所述V、Nb、Ti的添加组合方式：Nb，或V，或Ti、Nb，或Nb、V，或Ti、Nb、V。
[0008] 本发明高强韧、抗硫化氢应力腐蚀钻具用圆钢的化学成分是这样确定的： C :增加材料淬透性、强度和硬度，但降低塑性和韧性，升高韧脆转变温度，使材料HIC 敏感性增强，为了达到120KSI钢级强度的要求，本发明采用中碳含量。本发明控制其含量 为 0· 35 ~0· 50%。
[0009] Si :是钢中的脱氧元素，并以固溶强化形式提高钢的强度。Si含量低于0. 10%时， 脱氧效果较差，Si含量较高时降低韧性。本发明Si含量控制为0. 15~0. 4%。
[0010] Mn :是提高钢淬透性的元素，并起固溶强化作用提高钢材的强度。但Mn易促进有 害元素 P等向晶界偏析，引起氢致沿晶断裂。在进行大规格圆钢轧制或锻造时，控制Mn的 含量极其重要，为了达到强度和尺寸的均衡，本发明Mn含量控制在0. 60~1. 30%。
[0011] Cr、Mo :增加材料淬透性及强韧性，在钢表面形成钝化膜，可以降低钢在H2S中的均 匀腐蚀，并且形成的弥散碳化物是氢的强陷阱，除此以外，Mo还具有降低韧脆转变温度，抑 制回火脆性，提高碳、氮化铌沉淀强化效果，抑制块状铁素体，阻碍P偏析等作用，但Mo属于 贵金属，添加量过高会拉高制造成本，因此，本发明将Cr含量控制在0. 75~1. 30%，Mo含量 控制在0. 15~0. 35%。
[0012] Ni :是提高钢的淬透性并可以显著改善其低温韧性的元素，对冲击韧性和韧脆转 变温度具有良好的影响。但Ni含量太高时将显著增加材料的碳当量，并不利于钢材的焊接 性能。另外，Ni也是贵重金属，含量过高会增加成本。综合考虑，本发明Ni是以残余元素 的形式存在的，其含量控制在< 〇. 25%，有利于达到最优的性价比。
[0013] V:是使V(C，N)析出的元素，能以弥散析出的形式显著提高钢的强度。但若添 加量过高，同样会恶化钢材的热塑性，导致连铸裂纹，并降低钢材的韧性，其含量控制在 彡 0· 1%〇
[0014] Nb :是一种在轧制过程中对晶粒细化起显著作用的元素。在再结晶轧制阶段，Nb 通过应变诱导析出阻碍形变奥氏体的回复、再结晶从而细化晶粒，这就为圆钢在调质处理 后仍然具有细小的组织提供了基础，有利于提高其韧性。但受C含量的限制及加热温度 的影响，过高的Nb无法固溶，同样发挥不了作用而且增加成本，因此，本发明控制其含量 ^ 0. 10%〇
[0015] Ti :主要起固氮作用，Ti在连铸坯凝固前期与N结合，在晶粒内部形成TiN颗粒， 从而减少粗大的NbN在凝固前沿生产，改善钢材的连铸性能。并且降低Nb (C、N)及V (C、 N)的析出温度，使析出物更为细小，增加析出强化效果的同时，保证足够的塑性与韧性，其 含量控制在< 0. 05%。
[0016] 除Ti以外，Nb和V均可单独加入，或与其他两种微合金元素一同加入，起到细化 晶粒与析出强化作用。
[0017] Cu :可提高钢板的淬透性和耐腐蚀性能，降低钢材的氢致裂纹敏感性。但过高的 Cu含量不利于钢材的焊接性能，而且也易产生铜脆现象，恶化钢材的表面性能，本发明Cu 是以残余元素的方式存在，含量为< 〇. 25%。
[0018] Al :主要是起固氮和脱氧作用。Al与N结合形成的AlN可以有效地细化晶粒，但 含量过高会损害钢的韧性，并且恶化钢水浇铸性，本发明已设计Ti、V、Nb的添加方法和添 加量，Alt作为脱氧后的残余元素存在，0. 015-0. 040%。
[0019] B :是提高钢的淬透性最为显著的元素，但因本发明C含量较高，B的作用被削弱， 在本发明中作为残余元素，含量< 〇. 0010%。
[0020] S、P :磷的偏析促进HIC形成，硫形成带尖端长条状夹杂，易使H原子聚集形成应 力。本发明控制P彡〇· 015%、S彡0· 040%，。
[0021] 本发明的另一目的是提供上述120KSI钢级高强韧中碳调质圆钢的制造方法，工 艺步骤如下：冶炼原料依次经KR铁水预处理、转炉冶炼或电炉冶炼、LF精炼、RH脱气或VD 脱气生产出钢水，在RH脱气或VD脱气破空后通过喂硅钙线或钙铁线进行钙处理；钢水采 用15~40°C的低过热度全程氩气保护浇注成连铸圆坯或方坯，连铸坯经300~600°C温送 或入缓冷坑缓冷48小时以上，出坑；将连铸坯加热至1200~1250°C，保温5~15小时，出 炉；经高压水除鳞后在1100~1150°C的温度范围内开轧，乳成圆钢棒材；棒材轧制完成后 入缓冷坑缓冷；对缓冷后的棒材直接进行调质处理获得钻具用调质圆钢，或对缓冷后的棒 材先进行退火和钻孔，之后对钻孔获得的非实心棒材进行调质，或采用模锻方式先制成半 成品零件再进行调质。
[0022] 上述调质工艺包括淬火和回火，淬火加热温度为840~900°C，在炉时间为180~ 600min，使用淬火环水淬；回火加热温度为550~650°C，在炉时间为240~600min，出炉后 空冷或水冷至室温。
[0023] 优选地，所述淬火和回火工艺是在辊底式连续炉中进行的。
[0024] 上述退火工艺是将缓冷后的棒材加热至650~720°C，保温时间5~15小时，炉冷 至450~550 °C后空冷。
[0025] 本发明针对油井钻具对120KSI高强度、高韧性钻具钢的需求，使用优化的成分设 计、高纯净度的钢水、夹杂物球化处理、低过热度全程氩气保护浇注生产的连铸坯作为坯 料，通过后续的轧制及在辊底式连续热处理炉中棒材整体调质热处理制造出淬硬层深、热 处理组织均匀、偏析小、具有高的强度、韧性的钻具制造用圆钢。本发明制造的圆钢最大直 径可达260mm。
[0026] 与现有技术相比，本发明的有益效果是， (1)钢材晶粒更加细小、淬硬层更深、热处理组织更均匀，在强度水平相当的情况下、屈 服强度、延伸率、断面收缩率、冲击韧性尤其是低温冲击韧性提高十分明显。260_及以下 规格在距表面二分之一半径以内取样检验，屈服强度彡827MPa，抗拉强度彡965MPa，延伸 率彡16%，断面收缩率彡50%，室温及-20°C夏比冲击功彡60J，表面硬度可控制在341HB 以下，满足油井钻铤、钻杆、钻杆接头等油井开采关键受力部件的高强韧性要求。
[0027] (2)本发明制造的圆钢采用辊底式连续炉进行调质处理，整体淬硬