一种高强韧石油吊环用钢及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高强韧石油吊环用钢及其制备方法，属于钢铁材料技术领域，解决了现有技术中石油吊环用钢低温韧性较差的问题。石油吊环用钢以质量百分比计的化学成分为：C 0.10％～0.20％、Si 0.80％～1.20％、Mn 3.00％～4.00％、Cr 0.01％～0.05％、Mo 0.01％～0.05％、P≤0.01％、S≤0.005％，以及Ti和V之中的一种或两种，Ti+V 0.010％～0.060％，余量为Fe及不可避免的杂质。本发明专利技术的制备方法制备的高强韧石油吊环用钢具备高强度和优异的低温冲击性能，综合性能优异。综合性能优异。综合性能优异。

【技术实现步骤摘要】
一种高强韧石油吊环用钢及其制备方法


[0001]本专利技术属于钢铁材料
，特别涉及一种高强韧石油吊环用钢及其制备方法。

技术介绍

[0002]近年来，随着我国石油资源在常规工况环境下的开发殆尽，石油开采转向更加恶劣的工况环境。在低温环境作业下，石油钻采材料的低温脆断问题逐渐暴露出来，严重影响了采油效率、成本和安全。因此，面对这一新形势，对石油钻采装备材料提出了非常高的要求，需要具备更佳的低温服役性能。石油吊环是石油钻采钻机装备中的关键受力连接件，其主要作用是提升，在石油钻采中起着举足轻重的关键作用。由于在垂直方向载荷大，所以对吊环的质量要求苛刻。随着石油开采设备的不断升级，吊环截面尺寸也越来越大，比如Φ100mm、Φ125mm、Φ140mm规格等。这使得采用传统吊环的成分及制备方法时制备难度增加，往往由于芯部淬透性不足或者不均匀，导致材料发生失效。另外，材料的截面尺寸过大，对锻造、机加工、热处理等各个环节的技术和加工设备要求提高，同时不易加工，精度难保证。
[0003]20SiMn2MoV钢是一种高强度的低碳马氏体钢，具有较好的淬透性、锻造工艺性能，是目前主要用于石油钻机的吊环、吊卡等受力部件的钢铁材料。申请人经过深入研究发现，采用20SiMn2MoV钢制备大尺寸大型锻件截面的石油吊环产品，存在热处理淬透性限制，低温韧性不足等问题，低温冲击功通常只有几十焦耳，现有材质很难实现同时具有高强度与高韧性匹配的力学性能，严重影响了产品性能的提高，限制了产品应用的范围。
[0004]CN1861314A、CN102205385A、CN105312848A均公开了一种单臂/双臂吊环的锻造加工方法，所涉及的
技术实现思路
为吊环的锻造方法，但对于吊环的成分和性能，如力学性能等不得而知。
[0005]CN206051255U、CN206816195U、CN203463037U、CN202970533U对于吊环所涉及的制作材料、锻造加工方法并未涉及。
[0006]因此，如何设计合适的化学成分和工艺制备高强韧的石油吊环用钢是目前亟待解决的问题。

技术实现思路

[0007]鉴于以上分析，本专利技术旨在提供一种高强韧石油吊环用钢及其制备方法，用以解决现有石油吊环用钢低温韧性较差的问题，在满足力学性能的基础上不增加石油吊环用钢的成本。
[0008]本专利技术的目的主要是通过以下技术方案实现的：
[0009]一方面，本专利技术提供了一种高强韧石油吊环用钢，以质量百分比计的化学成分为：C 0.10％～0.20％、Si 0.80％～1.20％、Mn 3.00％～4.00％、Cr 0.01％～0.05％、Mo 0.01％～0.05％、P≤0.01％、S≤0.005％，以及Ti和V之中的一种或两种，Ti+V 0.010％～0.060％，余量为Fe及不可避免的杂质。
[0010]进一步的，以质量百分比计，Si 0.85％～1.16％。
[0011]进一步的，以质量百分比计，Mn 3.13％～3.7％。
[0012]进一步的，以质量百分比计，Mo 0.02％～0.05％。
[0013]另一方面，本专利技术还提供了一种高强韧石油吊环用钢的制备方法，包括：
[0014]步骤1：对高强韧石油吊环用钢的原料进行冶炼，得到钢锭；
[0015]步骤2：对钢锭进行初次锻造成圆柱坯；
[0016]步骤3：继续对圆柱坯进行多次自由锻造，得到高强韧石油吊环用钢。
[0017]进一步的，所述步骤2中，初次锻造前，将钢锭加热并保温至钢锭热透。
[0018]进一步的，所述步骤2中，加热温度为1100℃～1150℃，保温1h以上。
[0019]进一步的，锻造过程中，保证锻造比不小于10。
[0020]进一步的，所述步骤3中，得到的高强韧石油吊环用钢的金相组织为马氏体+残余奥氏体。
[0021]进一步的，所述残余奥氏体的体积分数为5％～20％。
[0022]与现有技术相比，本专利技术至少能实现以下技术效果之一：
[0023]1)本专利技术通过在成分设计上将C含量控制在0.10％～0.20％，C能强烈提高强度，尤其是通过间隙固溶方式，还能提高淬透性，但是含量过高之后会显著损害塑性、韧性因此，将C含量控制在此范围内既能够保证强度，也能够避免C含量过高影响钢的塑、韧性；Mn是奥氏体形成元素，其作用机理为通过提高奥氏体的热力学稳定性从而明显提高钢的淬透性，本专利技术中适当提高Mn含量至3.00％～4.00％，进一步提高淬透性；Si用于提高钢的淬透性和抗回火脆性，抑制Fe3C形成，稳定(η)碳化物，保证碳分配；辅助添加合适的Mo元素推迟回火过程中马氏体的分解和残余奥氏体的转变，进而提高回火稳定性。在钢中添加V、Ti等微合金元素，这些都是强碳化物形成元素，可以进行第二相强化等。再经过后续的锻造、热处理过程，获得马氏体+残余奥氏体组织(残余奥氏体的体积分数为5％～20％)。这种组织是本专利技术钢获得高强韧性的关键所在，传统的石油吊环材料，得到的往往是马氏体组织，具备很高的强度，但是冲击韧性往往差一些，强韧性匹配矛盾突出；本专利技术得到马氏体+残余奥氏体组织能够保证高强度和高韧性。
[0024]2)本专利技术通过各元素含量的综合控制，提高材料的淬透性，保证石油吊环用钢的截面积较大(例如截面尺寸为Φ100mm-Φ140mm)时，表面和芯部性能相差较小，保证石油吊环用钢各部位的均匀性，进而提高石油吊环用钢的使用寿命。
[0025]3)本专利技术的钢在制备过程中，真空冶炼后无需再经电渣重熔步骤，减少了制备工序，提高生产效率。锻造前在奥氏体化温度保温一段时间保证完全奥氏体化；然后进行多次自由锻，保证锻造比不小于10，得到马氏体+残余奥氏体组织，从而得到强韧性的理想配合；只有在本专利技术的步骤和温度范围内进行热处理才能使石油吊环用钢的强度和韧性匹配，全部达到要求范围。经过真空冶炼、锻造得到的锻件经过夹杂物检验和探伤后均符合要求，因而在满足了钢的强韧性的同时还保证了锻坯的优良纯净度，在工艺上能够减少流程，提高实际生产效率。
[0026]4)采用本专利技术成分及方法制得的石油吊环用钢具有良好的综合力学性能，其屈服强度可达到1050MPa以上，抗拉强度达到1400MPa以上，延伸率大于10％，并且-20℃冲击功大于100J，-45℃冲击功大于60J；表面和心部的硬度差小于3HRC。本专利技术的钢显示出优异的
高强韧性和低温冲击性能。
[0027]5)由于本申请不需要添加过多的Mo、Cr或V等合金元素，形成低成本的解决方案。
[0028]本专利技术的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分可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所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
[0029]附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本专利技术的限制，在整个附图中，相同的附图标记表示相同的部件。
[0030]图1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高强韧石油吊环用钢，其特征在于，以质量百分比计的化学成分为：C 0.10％～0.20％、Si 0.80％～1.20％、Mn 3.00％～4.00％、Cr 0.01％～0.05％、Mo 0.01％～0.05％、P≤0.01％、S≤0.005％，以及Ti和V之中的一种或两种，Ti+V 0.010％～0.060％，余量为Fe及不可避免的杂质。2.根据权利要求1所述的高强韧石油吊环用钢，其特征在于，以质量百分比计，Si 0.85％～1.16％。3.根据权利要求1所述的高强韧石油吊环用钢，其特征在于，以质量百分比计，Mn 3.13％～3.7％。4.根据权利要求1所述的高强韧石油吊环用钢，其特征在于，以质量百分比计，Mo 0.02％～0.05％。5.一种高强韧石油吊环用钢的制备方法，其特征在于，用于制备上述权利要求1-4所述的高强韧石油吊环用钢，包括：步...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁小凯，杨超，黄涛，崔建英，刘清友，王淼，孙新军，陈玉玺，贾书君，童帅，
申请(专利权)人：中联先进钢铁材料技术有限责任公司巨力索具股份有限公司，
类型：发明
国别省市：