一种石油钻井高强度合金结构钢，所述合金结构钢包含下述重量百分含量的成分：C为0.28‑0.36％；Si为≤0.50％；Mn为≤0.80％；Cr为1.40‑2.40％；Ni为1.0‑2.4％；Mo为0.50‑1.00％；V为≤0.20％；Nb为≤0.050％；Al为≤0.040％；P为≤0.020％；S为≤0.010；其余为Fe和不可避免的杂质。采用本发明专利技术制作的钻杆及传动轴，各合金元素配比优异、钢质纯净、组织均匀，强度高、韧性好、疲劳强度高，综合性能优异。解决了我国现常用制作钻杆及传动轴材料，强度低，疲劳强度差，使用寿命短，在遇到复杂的地质结构时容易发生意外断裂的问题。大大提高了钻杆及传动轴的使用寿命，避免发生意外断裂，提高生产效率，节约生产成本。
A high strength alloy structural steel for oil drilling and its preparation
【技术实现步骤摘要】
一种石油钻井高强度合金结构钢及其制备方法
本专利技术涉及钢铁冶金领域，具体涉及一种石油钻井高强度合金结构钢及其制备方法，用于制作石油钻井开采设备中的钻杆及传动轴，以及其他需要高强度、高韧性、高疲劳强度的装备。
技术介绍
石油钻杆及传动轴是石油钻井开采的装备中的重要部件，由于石油钻井设备载荷大，井下环境温度低，地下地质结构复杂，所以钻杆及传动轴需要同时具备高强度、高韧性和高疲劳强度等特性。我国现在普遍用于制作钻杆及传动轴的钢种为40CrNiMo，但是用这种材料制作的传动轴疲劳强度差，使用寿命低，在遇到复杂的地质结构时容易发生意外断裂。进口石油钻杆及传动轴所用材料是HS220-27，虽然其性能优于40CrNiMo，但是价格昂贵、性价比低，大幅增加使用方的生产成本。因此，需要研发一种具有优异综合性能，能够应对恶劣的井下作业环境的传动轴新材料。这种材料需要同时具备高强度、高韧性和高疲劳强度等特性，来增加传动轴的使用寿命，避免发生意外断裂，提高生产效率，减少生产成本。
技术实现思路
针对上述现有材料中存在的不足之处，本专利技术提供一种石油钻井高强度合金结构钢及其制备方法，采用合理的合金化配比和制作工艺，有效的解决现有材料，耐磨性低、淬透性差、强度和韧性不足等问题。本专利技术是这样实现的，一种石油钻井高强度合金结构钢，所述合金结构钢包含下述重量百分含量的成分：C为0.28-0.36％；Si为≤0.50％；Mn为≤0.80％；Cr为1.40-2.40％；Ni为1.0-2.4％；Mo为0.50-1.00％；V为≤0.20％；Nb为≤0.050％；Al为≤0.040％；P为≤0.020％；S为≤0.010；其余为Fe和不可避免的杂质。进一步地，C为0.30-0.34％；Si为0.10-0.26％；Mn为0.05-0.2％；Cr为1.78-2.1％；Ni为1.36-2.22％；Mo为0.65-0.88％；V为≤0.10％；Nb为≤0.020％；Al为≤0.010％；P为≤0.010％；S为≤0.005；其余为Fe和不可避免的杂质。进一步地，所述合金结构钢的组织结构为：成品心部为均匀的回火索氏体，回火索氏体的体积率为95％以上，在距离材料表面材料整体厚度或直径的1/8位置处的马氏体的体积率为90％以上，贝氏体体积率在5％以上。进一步地，成品心部为均匀的回火索氏体，回火索氏体的体积率为98％以上，在距离材料表面材料整体厚度或直径的1/8位置处的马氏体的体积率为92％以上，贝氏体体积率在6％以上。进一步地，提供一种石油钻井高强度合金结构钢的制备方法，包括以下步骤：电炉冶炼或转炉冶炼、精炼(LF)和真空处理(VD)；电渣重熔；高温扩散热处理、多方向锻造加工；正火处理、高温退火处理；粗加；半精加工、880℃-930℃淬火、580℃-630℃回火；精加工；成品。进一步地，包括以下步骤：S10、冶炼：按该石油钻井高强度合金结构钢的化学成分及质量百分比进行配料电炉冶炼或转炉冶炼、精炼(LF)和真空处理(VD)，然后进行电渣重熔；S20、高温扩散热处理：加热温度为1180℃～1300℃，保温5～15小时；S30、经过高温扩散热处理的钢锭降温至1100℃～1250℃温度范围内进行多方向锻造加工，采用三镦三拔的锻造方式，总锻造压缩比≥6，终锻温度≥900℃；S40、正火处理：加热温度为880℃～950℃，保温时间为5～15小时，快速冷却后装退火炉300℃保温5～10小时；S50、高温退火处理：退火温度为660～680℃，保温时间50～150小时；S60、调质热处理：淬火温度为880℃～930℃，保温时间为5～15小时，采用淬火液或油冷至200℃以下；随后进行580～630℃的回火处理，保温时间为10～20小时。进一步地，S20、高温扩散热处理：加热温度为1200℃～1275℃，保温8～10小时；S30、经过高温扩散热处理的钢锭降温至1120℃～1230℃温度范围内进行多方向锻造加工，采用三镦三拔的锻造方式，总锻造压缩比≥6，终锻温度≥1020℃；S40、正火处理：加热温度为890℃～935℃，保温时间为8～12小时，快速冷却后装退火炉300℃保温5～10小时；S50、高温退火处理：退火温度为670～675℃，保温时间80～120小时；S60、调质热处理：淬火温度为890℃～915℃，保温时间为7～12小时，采用淬火液或油冷至180℃以下；随后进行605～625℃的回火处理，保温时间为12～18小时。本专利技术的优点及效果：1、本专利技术充分考虑了钻杆及传动轴的工作环境和其需要具备的性能，在发挥各合金元素优点的基础上，通过合金间的相互作用，优化合金的组成和含量，有效避免了合金元素的缺点所带来的危害；通过对C、Cr、Ni、Mo含量的调整，同时加入了V、Nb以提高材料的淬透性和抗变形能力，细化晶粒，即提高了材料的抗拉强度和疲劳强度；2.本专利技术的组织结构使钻杆及传动轴材料的综合机械性能增强，使其能够承受较大的冲击力，并且能够有效抑制疲劳裂纹的扩展，有助于加强使用的安全性。3、本专利技术的制备方法中通过电炉冶炼或转炉冶炼、精炼(LF)、真空处理(VD)、电渣重熔充分去除钢种的有害元素；通过高温扩散热处理和多方向锻造加工消除了产品的各项异性；通过正火处理使晶粒尺寸更加细小、化学成分更加均匀；通过高温退火处理消除锻造和正火产生的应力、降低硬度利于切削加工；通过调质热处理提高基体强度和韧性。4、采用本专利技术制作的钻杆及传动轴，各合金元素配比优异、钢质纯净、组织均匀，强度高、韧性好、疲劳强度高，综合性能优异。解决了我国现常用制作钻杆及传动轴材料，强度低，疲劳强度差，使用寿命短，在遇到复杂的地质结构时容易发生意外断裂的问题。大大提高了钻杆及传动轴的使用寿命，避免发生意外断裂，提高生产效率，节约生产成本。本专利技术的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本专利技术而了解。本专利技术的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书来实现和获得。附图说明图1是本专利技术的实施例1、实施例2、实施例3、实施例4、实施例5与对比例1、对比例2的末端淬透性对比曲线示意图；图2是本专利技术的实施例1、实施例2、实施例3、实施例4、实施例5与对比例1、对比例2的疲劳强度S-N对比曲线示意图；图3是本专利技术的实施例1的心部组织示意图(X500)；图4是本专利技术的实施例2的心部组织示意图(X500)；图5是本专利技术的实施例3的心部组织示意图(X500)；图6是本专利技术的实施例4的心部组织示意图(X500)；图7是本专利技术的实施例5的心部组织示意图(X500)；图8是对比例1的心部组织示意图(X500)；图9是对比例2的心部组织示意图(X500)；图10是本专利技术的实施例1的晶粒度示意图(X100)；图1本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种石油钻井高强度合金结构钢，其特征在于，所述合金结构钢包含下述重量百分含量的成分：C为0.28-0.36％；Si为≤0.50％；Mn为≤0.80％；Cr为1.40-2.40％；Ni为1.0-2.4％；Mo为0.50-1.00％；V为≤0.20％；Nb为≤0.050％；Al为≤0.040％；P为≤0.020％；S为≤0.010；其余为Fe和不可避免的杂质。/n
【技术特征摘要】
1.一种石油钻井高强度合金结构钢，其特征在于，所述合金结构钢包含下述重量百分含量的成分：C为0.28-0.36％；Si为≤0.50％；Mn为≤0.80％；Cr为1.40-2.40％；Ni为1.0-2.4％；Mo为0.50-1.00％；V为≤0.20％；Nb为≤0.050％；Al为≤0.040％；P为≤0.020％；S为≤0.010；其余为Fe和不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述的石油钻井高强度合金结构钢，其特征在于，C为0.30-0.34％；Si为0.10-0.26％；Mn为0.05-0.2％；Cr为1.78-2.1％；Ni为1.36-2.22％；Mo为0.65-0.88％；V为≤0.10％；Nb为≤0.020％；Al为≤0.010％；P为≤0.010％；S为≤0.005；其余为Fe和不可避免的杂质。
3.如权利要求1或2所述的石油钻井高强度合金结构钢，其特征在于，所述合金结构钢的组织结构为：成品心部为均匀的回火索氏体，回火索氏体的体积率为95％以上，在距离材料表面材料整体厚度或直径的1/8位置处的马氏体的体积率为90％以上，贝氏体体积率在5％以上。
4.如权利要求3所述的石油钻井高强度合金结构钢，其特征在于，成品心部为均匀的回火索氏体，回火索氏体的体积率为98％以上，在距离材料表面材料整体厚度或直径的1/8位置处的马氏体的体积率为92％以上，贝氏体体积率在6％以上。
5.如权利要求1-4所述的石油钻井高强度合金结构钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：电炉冶炼或转炉冶炼、精炼(LF)和真空处理(VD)；电渣重熔；高温扩散热处理、多方向锻造加工；正火处理、高温退火处理；粗加；半精加工、880℃-930℃淬火、580℃-630℃回火；精加工；成品。
【专利技术属性】
技术研发人员：潘美辰，潘烁，贾东洁，
申请(专利权)人：营口市特殊钢锻造有限责任公司，
类型：发明
国别省市：辽宁;21
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