CN100503867C - 石油钻机绞车刹车毂材料及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及石油钻机绞车刹车毂新材料及其制造方法。采用低碳Mn-Si-V-RE合金，其化学成份(质量分数%)为：C：0.10～0.30，Mn：1.2～2.0，Si：0.20～0.50，V：0.05～0.20，Re：0.010～0.040，P≤0.025，S≤0.025，余量Fe。制造方法是：(1)炼钢：采用电弧炉冶炼钢水，按化学成份和常规冶炼工艺规程要求炼钢；(2)浇注：采用漏包浇注，出钢温度1620±20℃，浇注温度1560±10℃；(3)热处理：正火：920～940℃，空冷；淬火：890～920℃，油冷或专用介质冷却；回火：540～560℃，空冷；表面中频淬火：870±10℃，淬深层厚度3～5mm。本发明新材料成本低，并具有较高的强韧性、耐磨性、抗热疲劳性及焊接性，能够满足绞车刹车毂的恶劣工况。

Description

石油钻机绞车刹车毂材料及其制造方法

技术领域

本发明属于金属材料技术领域，涉及一种石油钻机绞车刹车毂材料及其制造方法。

背景技术

刹车毂是石油钻机、修井机绞车刹车***的重要零件，关系到整个钻机、修井机的安全性和可靠性，工况条件非常恶劣，刹车毂表面在刹车时与刹带产生磨擦，表面瞬间温度可高达900℃，由于刹车毂内腔设计有循环水套用于激冷降温，松刹车后表面温度在3～5秒内迅速降低。刹车毂这种周期性的加热、冷却，承受着交变的热应力、相变应力以及摩擦力，其正常的失效形式是表面龟裂(典型的热疲劳特征)和过度磨损，因此，为了提高刹车毂的寿命，要求其材料具有较高的强韧性、耐磨性、焊接性、抗热疲劳性能。

中国机械工程学会热处理学会2002年2月出版的热处理手册(典型零件热处理)第2卷第3版中对刹车毂材料推荐的是ZG18CrMnMo、ZG40CrMo、ZG35CrMo，其化学成份及技术要求列于表1。

表1  刹车毂用钢及技术要求

上述Cr-Mo系列刹车毂材料用钢虽然耐高温抗热疲劳性能好，寿命长，很少出现非正常失效的问题，但钼铬元素属于我国缺少的金属，因而价格昂贵，尤其是钼铁近年来价格飞涨，使刹车毂材料成本增加很多。因此需要研制既能满足刹车毂恶劣工况要求，具有较高的强韧性，耐磨性、焊接性、抗热疲劳性能，又成本相对较低，还能利用我国富有资源，综合效益好的刹车毂用新材料。

发明内容

本发明的目的是提供一种即能满足在刹车毂恶劣工况下对材料性能的要求，同时成本又较低的石油钻机绞车刹车毂材料及其制造方法。

本发明采用如下技术方案：

一种石油钻机绞车刹车毂材料，采用低碳Mn-Si-V-RE合金，化学成份质量分数为：C：0.10～0.30％，Mn：1.2～2.0％，Si：0.20～0.50％，V：0.05～0.20％，RE：0.010～0.040％，P≤0.025％，S≤0.025％，余量Fe。

上述石油钻机绞车刹车毂材料的制造方法是：

(1)炼钢工艺：采用电弧炉冶炼钢水，按化学成份和常规冶炼工艺规程要求炼钢；

(2)浇注工艺：采用漏包浇注，出钢温度1620±20℃，镇静5～7分钟浇注，浇注温度1560±10℃；

(3)热处理工艺：正火：920℃～940℃      空冷

               淬火：890℃～920℃      油冷

               回火：540℃～560℃      空冷

               表面中频淬火：870±10℃淬深层厚度3～5mm

本发明化学成份设计的理由阐述如下：本发明的设计思路是发挥低碳马氏体，具有强韧性高的性能，并利用我国富有金属Si、Mn进行合金化，并加入微量合金化元素V、RE，以进一步细化晶粒，提高材料的强度和韧性并兼固耐磨性能。

C：碳是固溶强化和控制马氏体强度的主要因素，含碳量增加，强度和硬度提高，但随之韧性下降，并且Mf点降低，从而增加淬裂倾向。对于要求高硬度，抗磨损，耐疲劳的工件，淬火马氏体的碳含量在0.5～0.6％最为适宜；而对于要求强韧性高的工件，马氏体碳含量在0.20％左右为宜。因此在保证强度足够的前提下，尽可能降低碳含量，获得低碳马氏体组织，使其具有高的强韧性和较好的可焊性。根据实验结果，确定C的设计含量为0.10～0.30％。

Si:Si的有益作用是固溶强化，增加淬透性，增加回火抗力和将不可逆回火脆性范围移向较高温度，此外Si还可提高钢的高温抗氧化性，显著提高钢的高温强度，在Si含量低于0.6％以下时，在提高强度的同时，韧性几乎不降低。Si的有害作用是增加钢的脱碳敏感性并会形成非金属夹杂物，当Si含量在1～2％之间时，钢的韧性明显下降；当Si含量>2％时，钢的韧性很差。为了发挥Si的有利作用，又尽可能减少其不利影响，确定其含量为0.2～0.5％。

Mn:Mn的有益作用是强化基体的作用很强，提高强度、硬度和耐磨性，提高钢的淬透性。Mn还有降低相变温度细化晶粒的作用，这种作用可改善钢的冲击韧性。如含锰量超过2％时，则会使晶粒粗大，产生过热敏感性和回火脆性，而且对焊接性能还有不良影响。根据Mn的有益作用和不利影响，兼固强度、耐磨性和可焊性，因而确定其含量为1.2～2.0％。

V:V在钢中最终形成V(C、N)从而使钢的晶粒细化。为了发挥V细化晶粒的有益作用，确定其含量为0.05～0.2％。

RE:RE元素在钢中微量加入可以在炼钢中起脱硫、去气、净化钢液的作用，可改善非金属夹杂物的形态及分布状况，还可以改善钢的组织，主要是细化晶粒，并可以消除柱状结晶及魏氏组织。为了利用RE的有利作用，确定RE含量为0.010～0.040％。

P、S：P、S在钢中是有害元素，因而在冶炼条件允许情况下尽可能低，所以控制P≤0.025，S≤0.025。

本发明的有益效果在于：

(1)成本较低，因为是微量合金化钢，合金元素加入量低，采用的Si、Mn、V、RE价格较低，所以综合成本低。

(2)由于热处理工艺中采用了淬火+高温回火，使材料的强度和韧性的综合性能高，热处理工艺可保证：σs≥530MPa，σb≥735MPa。

(3)由于热处理工艺中采用了表面中频淬火，使材料表面具有较高的耐磨性。

(4)由于该材料含C量较低，因此具有良好的可焊性。

(5)由于材料含C量低，塑性好，加入V、RE使晶粒细化，所以使材料具有较好的抗热疲劳性能，适用于石油钻机刹车毂承受交变热应力的工况。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步说明。

实例：4000米钻机绞车刹车毂用材料及其制造方法。

对刹车毂用材料的技术要求：机械性能要求：σs≥420MPa，σb≥620MPa，δ5≥15，ψ≥35，Akv≥40J。

本刹车毂用材料采用低碳Mn-Si-V-RE合金，其化学成份(％)选择为：

 

C	Si	Mn	V	RE	P	S
							0.22	0.35	1.6	0.18	0.03	0.020	0.018

本刹车毂用材料的制造方法是：

1、炼钢工艺：采用5T碱性电弧炉熔炼，氧化法冶炼，终脱氧用铝锭脱氧。

2、浇注工艺：采用10T漏包浇注，出钢温度1620℃，镇静6分钟浇注，浇注温度1570℃。

3、热处理工艺：正火：920℃～930℃    空冷

               淬火：890℃～910℃    油冷或专用介质冷却

               回火：550℃～560℃    空冷

               表面中频淬火：870℃   淬深层厚度4mm

本发明新材料钢种通过正火、淬火、回火处理，最终得到的组织是回火索氏体，具有较高的强韧性，耐磨性及抗热疲劳性能，并具有较好的焊接性能。处理时工件与试棒同炉热处理，试棒的机械性能为：σs≥530Mpa；σb≥735Mpa；δ₅(％)≥15％；ψ(％)≥35；A_xμ≥42J。

经实践验证，本发明新材料完全能够满足石油钻机刹车毂的恶劣工况。

Claims (2)

1、一种石油钻机绞车刹车毂材料，其特征在于：采用低碳Mn-Si-V-RE合金，化学成份质量分数为：C：0.10～0.30％，Mn：1.2～2.0％，Si：0.20～0.50％，V：0.05～0.20％，RE：0.010～0.040％，P≤0.025％，S≤0.025％，余量Fe。

2、一种制造权利要求1的石油钻机绞车刹车毂材料的方法，其特征在于：包括以下工艺步骤：

(1)炼钢工艺：采用电弧炉冶炼钢水，按化学成份和常规冶炼工艺规程要求炼钢；

(2)浇注工艺：采用漏包浇注，出钢温度1620±20℃，镇静5～7分钟浇注，浇注温度1560±10℃；

(3)热处理工艺：正火：920℃～940℃板 空冷

              淬火：890℃～920℃   油冷

              回火：540℃～560℃   空冷

              表面中频淬火：870±10℃淬深层厚度3～5mm。