CN102943218B - 旋扣辊用钢27Cr2Ni3SiMn2Mo及制备工艺 - Google Patents

Abstract

一种旋扣辊用钢27Cr2Ni3SiMn2Mo及制备工艺，属于冶金工艺技术领域。其成分含量及重量百分比为：C：0.26-0.32%；Si：1.75-1.95%；Mn：1.75-1.95%；Cr：1.75-2.05%；Mo：0.52-0.62%；V：0.15-0.25%；Ni：3.10-3.50%；S：≤0.02%；P：≤0.02%；Fe：余量。其制备工艺包括中频冶炼、精炼、锻造、机加工、气淬处理、回火处理。本发明制备方法采用了电渣重熔，材料得到了二次精炼，降低了非金属夹杂物质和有害气体含量，改善了材料的宏观和微观组织，化学成分均匀、组织致密，产品硬度均匀，冲击韧性良好，无表面脱碳层，提高了材料的综合性能。

Description

旋扣辊用钢27Cr2Ni3SiMn2Mo及制备工艺

技术领域

本发明属于冶金工艺技术领域。

背景技术

随着现代化钻井的进程加快，钻井设备的自动化程度在不断提升，钻具的扭矩旋扣设备也在不断升级换代，从原始的手动吊钳到液气混合动力大钳发展到现在最先进的铁钻工，在欧美的石油机械发达国家已泛应用与陆地、海洋多种钻井平台和不同的野外环境的钻井作业，在提高生产效率、降低工人劳动强度、提高安全性等方面起到了重要作用。目前国内对于铁钻工设备的研究还处于起步阶段，已有个别生产厂自主研发的产品推向市场，但个别零部件的关键技术尚未完全成熟，而国外发达国家的进口产品价格相对昂贵，这样就限制了铁钻工在我国的应用和推广。

铁钻工的组成包括钳头总成、支臂总成、电液控制***，钳头总成包括旋扣器总成、主钳总成和被钳总成，其中旋扣器总成包括液压马达、旋扣架和旋扣辊。旋扣辊的作用是：在液压马达的驱动下，完成夹紧上下钻杆接头和上扣工作。

由于铁钻工旋扣辊工作性质和环境的决定，特别是我国疆域辽阔、南北温差极大的实际情况决定，在相当复杂和恶劣工作条件下，铁钻工旋扣辊在夹紧、旋扣工作中除要承受巨大的机械挤压应力外，还要承受野外环境早晚温差较大所引起的内部应力。

我国对于铁钻工设备的研究起步相对较晚，尚未形成一种专门用于铁钻工旋扣辊制作的材料，目前国内一些铁钻工研发厂家一般采用40Cr、35CrMo等材料制作。

40Cr材料中缺少Mo、V、Ni元素，这就导致该材料在具有较高强度的条件下其韧性相对较差，同时该材料如果需要实现较高的强度，就必须采用淬、回火工艺，在淬回火的过程中就势必用到淬火油等介质，这样就不可避免的对环境保护产生不利的影响；

35CrMo材料相对40Cr适当添加了Mo的含量，以提高材料的强度，但是该材料也和40Cr存在一样的问题：材料在具有较高强度的条件下其韧性相对较差，同时该材料如果需要实现较高的强度，也必须采用淬、回火工艺，同样对环境保护产生不利的影响；

由于旋扣辊的工作需要，其材料的强度还不能太低，因为这样有可能在受挤压时可能会压塌、变形，同时制作旋扣辊的材料在高强度的条件下还需具备较好的韧性。由于上述40Cr、35CrMo材料性能的原因，采用这两种材料制作的旋扣辊在受挤压时，受摩擦的影响，会导致旋扣辊表层金属在附加拉应力的作用下产生脆性开裂倾向，特别是这些材料强度太高时在低温环境中服役更容易产生低温脆性断裂倾向。

发明内容

本发明的目的是提供一种旋扣辊用钢27Cr2Ni3SiMn2Mo及制备工艺，以解决现有技术述材料性能的原因，旋扣辊在受挤压时，受摩擦的影响，会导致旋扣辊表层金属在附加拉应力的作用下产生脆性开裂倾向，特别是这些材料强度太高时在低温环境中服役更容易产生低温脆性断裂倾向等问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是在铁钻工旋扣辊用钢27Cr2Ni3SiMn2Mo原料组分中提高了Si、Mn、Cr、Mo的元素含量，以达到提高材料的强度的目的；同时通过增加V、Ni的元素含量、适当降低C的元素含量，达到细化材料晶粒、提高材料韧性的目的；本发明精炼通过采用专用渣系、控制冶炼电压、电流及结晶器出水温度，达到提高钢材纯净度，降低气体含量和夹杂物质的目的，同时本发明通过扩氢处理、多次镦拔锻造、锻坯退火等工艺，达到提高钢材综合性能的目的；另外，本发明的材料热处理采用正回火工艺，突破了合金钢材料要实现较高强度，必需采用淬回火处理工艺的原理，实现环境保护的目的。

旋扣辊用钢27Cr2Ni3SiMn2Mo成分含量及重量百分比为：C：0.26-0.32%；Si：1.75-1.95%；Mn：1.75-1.95%；Cr：1.75-2.05%；Mo：0.52-0.62%；V：0.15-0.25%；Ni：3.10-3.50%；S：≤0.02%；P：≤0.02%；Fe：余量。

旋扣辊用钢27Cr2Ni3SiMn2Mo的制备工艺步骤如下：

（1）中频冶炼：

首先采用碱性炉衬材料烘干3-5个小时，温度控制在450-500℃，然后按照上述化学成分配方配料，投入中频感应炉中，待所投炉料完全均匀熔化后，出炉浇铸成电极锭，钢水出炉温度控制在1550-1600℃，所浇铸成的电极锭，转入下一步骤待用；

（2）精炼：

将上述电极锭通过电渣重熔进行精炼，以提高钢材纯净度，降低气体含量和夹杂物质，所获取化学成分均匀、组织致密的电渣重熔钢锭，其精炼的主要工艺参数如下：

a、四元素渣系配比：氧化铝25-30%；氧化钙25-30%；氟化钙25-30%；余量为氧化硅；

b、电压：电渣重熔冶炼时电压控制在45-55V；

c、电流：由于电流的大小决定熔炼速度，而熔炼速度过快会导致电渣锭的内部疏松，所以将电流控制在7000-7500A范围之内；

d、结晶器出水水温：控制在40-50℃之间；

（3）电渣锭扩氢处理：

将电渣锭装入扩氢炉后升温至710-730℃保温24-36小时后，待炉温降至400℃以下后出炉，完成电渣锭扩氢处理，达到进一步均匀组织、去除钢中氢气含量，提高钢材综合性能的目的；

（4）锻造：

将扩氢处理后的电渣锭室温装入加热炉，加热到700-720℃保温180-240分钟；再次升温至1000-1050℃保温60-80分钟；完成后再次升温加热，加热至1160-1190℃保温30-45分钟；出炉锻造，始锻温度1150-1180℃，经多次镦拔锻造，终锻温度控制在950-980℃，转入保温炉随炉缓冷至800-850℃，转入球化退火炉；

（5）锻坯退火：

将上述锻坯转入球化退火炉；升温至850-880℃保温8-10小时，随炉冷至400℃以下出炉，完成锻坯的退火；

（6）机加工：

将上述退火后的锻坯通过金属带锯床、普通车床、数控车床等机加工设备完成锻坯的粗加工，达到客户订单或设计要求几何尺寸及加工要求；

（7）气淬处理：

将加工好的料坯装进真空汽淬炉加热至720-740℃保温60-90分钟；保温完成后进行第二阶段升温，升温至920-940℃保温60-90分钟，保温完成后充氮气冷却，待工件冷至100℃以下出炉空冷至室温，转入下工序回火；

（8）回火处理：

将上述已气淬处理的工件装入真空回火炉，升温至330-350℃保温6-8小时，出炉空冷至室温，完成第一次回火；再次装入真空回火炉，加热至300-330℃保温6-8小时出炉空冷至室温，完成第二次回火；制得本发明旋扣辊用钢27Cr2Ni3SiMn2Mo。

本发明在工艺方法上采用了电渣重熔，使材料得到了二次精炼，降低了钢材中的非金属夹杂物质和有害气体含量，改善了材料的宏观和微观组织，得到了化学成分均匀、组织致密的优质的钢材；同时本发明采用了先进的真空正回火工艺技术，使本发明得到了均匀的硬度和良好的冲击韧性，并无表面脱碳层，提高了材料的综合性能。本发明比40Cr、35CrMo钢种具有更好的韧性，更容易满足我国南北温差大的实际情况。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1是本发明与40Cr在相同硬度条件下的室温冲击韧性比对曲线图；

图2是本发明与35CrMo在相同硬度条件下的室温冲击韧性比对曲线图。

具体实施方式

实施例1

以制作Φ145×145铁钻工旋扣辊用钢27Cr2Ni3SiMn2Mo为例：

铁钻工旋扣辊用钢27Cr2Ni3SiMn2Mo的化学成分配比为C：0.27%；Si：1.78%；Mn：1.80%；Cr：1.78%；Mo：0.53%；V：0.18%；Ni：3.15%；S：0.005%；P：≤.005%；Fe：余量。

具体制备工艺步骤如下：

（1）中频冶炼：

首先采用碱性炉衬材料烘干3个小时，温度控制在450℃，然后按照上述化学成分配方配料，投入中频感应炉中，待所投炉料完全均匀熔化后，出炉浇铸成电极锭，钢水出炉温度控制在1550℃，所浇铸成的电极锭，转入下一步骤待用；

（2）精炼：

将上述制备好电极锭进行电渣重熔，其精炼的主要工艺参数如下：

a、本实施过程采用渣系配比为：氧化铝25%；氧化钙25%；氟化钙25%；氧化硅25%；

b、本实施过程电渣重熔冶炼时采用电压为45V；

c、本实施过程电渣重熔冶炼时采用电流为7000A；

d、本实施过程结晶器出水水温为40℃；

（3）电渣锭扩氢处理：

将电渣锭装入扩氢炉后升温至710℃保温24小时后，待炉温度降至380℃出炉。

（4）锻造：

将扩氢处理后的电渣锭室温装入加热炉，加热到700℃保温180分钟；二次升温至1000℃保温60分钟；再次升温至1160℃保温30分钟；出炉锻造，始锻温度1150℃，经3次镦拔锻造，终锻温度为950℃，转入保温炉随炉缓冷800℃，转入球化退火炉；

（5）锻坯退火：

将上述锻坯转入球化退火炉；升温至850℃保温8小时，随炉冷至380℃出炉，完成锻坯的退火；

（6）机加工：

将上述退火后的锻坯通过金属带锯床、普通车床、数控车床等机加工设备完成锻坯的机加工，达到设计Φ145×145及加工要求；

（7）气淬处理：

将上述加工好的料坯装进真空汽淬炉加热至720℃保温60分钟；二次升温至920℃保温60分钟，保温完成后充氮气冷却，待工件冷至80℃出炉冷至室温，转入下工序回火；

（8）回火处理：

将上述已气淬处理的工件装入真空回火炉，升温至330℃保温6小时，出炉空冷至室温，完成第一次回火；再次装入真空回火炉，加热至300℃保温6小时出炉空冷至室温，完成本实施过程。

实施例2

以制作Φ140×140铁钻工旋扣辊用钢27Cr2Ni3SiMn2Mo为例：

所采用的化学成分配比为C：0.29%；Si：1.85%；Mn：1.85%；Cr：1.9%；Mo：0.57%；V：0.2%；Ni：3.3%；S：0.01%；P：0.01%；Fe：余量。

本实施例的具体步骤如下：

（1）中频冶炼：

首先采用碱性炉衬材料烘干4个小时，温度控制在480℃，然后按照上述化学成分配方配料，投入中频感应炉中，待所投炉料完全均匀熔化后，出炉浇铸成电极锭，钢水出炉温度控制在1580℃，所浇铸成的电极锭，转入下一步骤待用；

（2）精炼：

将上述制备好电极锭进行电渣重熔，采用工艺参数如下：

a、四元素渣系配比为氧化铝27%；氧化钙27%；氟化钙27%；氧化硅19%；

b、本实施例电渣重熔冶炼时电压为50V;

c、本实施例电渣重熔冶炼时电流为7250A；

d、本实施例电渣重熔冶炼时结晶器出水水温为45℃；

（3）电渣锭扩氢处理：

本实施例电渣锭扩氢处理工艺为：电渣锭装炉后升温至720℃保温30小时后，随炉冷至370℃出炉；

（4）锻造：

将上述扩氢处理后的电渣锭室温装炉，升温到710℃保温210分钟；再次升温至1025℃保温70分钟；完成后再次升温加热，加热至1175℃保温40分钟；出炉锻造，始锻温度1165℃，经多次镦拔锻造，终锻温度为965℃，转入保温炉随炉缓冷至810℃，转入球化退火炉；

（5）锻坯退火：

将上述锻坯转入球化退火炉；升温至865℃保温9小时，随炉冷至370℃出炉，完成锻坯的退火；

（6）机加工：

将上述退火后的锻坯通过金属带锯床、普通车床、数控车床等机加工设备完成锻坯的机加工，达到设计Φ140×140及加工要求；

（7）气淬处理：

将加工好的料坯装进真空汽淬炉加热至730℃保温75分钟；二次升温至930℃保温75分钟，保温完成后充氮气冷却，待工件冷至80℃以下出炉冷至室温，转入下工序回火；

（8）回火处理：

将上述已气淬处理的工件装入真空回火炉，升温至340℃保温7小时，出炉空冷至室温，完成第一次回火；再次装入真空回火炉，加热至315℃保温7小时出炉空冷至室温，完成本实施过程。

实施例3

以制作Φ155×160铁钻工旋扣辊用钢27Cr2Ni3SiMn2Mo为例：

所采用的化学成分配比为C：0.32%；Si：1.95%；Mn：1.95%；Cr：2.05%；Mo：0.62%；V：0.25%；Ni：3.50%；S：0.02%；P：0.02%；Fe：余量。

本实施例的具体步骤如下：

（1）中频冶炼：

首先采用碱性炉衬材料烘干5个小时，温度控制在500℃，然后按照上述化学成分配方配料，投入中频感应炉中，待所投炉料完全均匀熔化后，出炉浇铸成电极锭，钢水出炉温度控制在1600℃，所浇铸成的电极锭，转入下一步骤待用；；

（2）精炼(电渣重熔)：

将上述制备好电极锭进行电渣重熔，采用工艺参数如下：

a、四元素渣系配比为氧化铝30%；氧化钙30%；氟化钙30%；氧化硅10%；

b、本实施例电渣重熔冶炼时电压为55V；

c、本实施例电渣重熔冶炼时电流为7500A；

d、本实施例电渣重熔冶炼时结晶器出水水温为50℃；

（3）电渣锭扩氢处理：

本实施例电渣锭扩氢处理工艺为：电渣锭装炉后升温至730℃保温36小时，随炉冷至350℃出炉；

（4）锻造：

将上述扩氢处理后的电渣锭室温装炉，加热到720℃保温240分钟；再次升温至1050℃保温80分钟；完成后再次升温加热，加热至1190℃保温45分钟；出炉锻造，始锻温度1180℃，经多次镦拔锻造，终锻温度为980℃，转入保温炉随炉缓冷至820℃，转入球化退火炉；

（5）锻坯退火：

将上述锻坯转入球化退火炉；升温至880℃保温10小时，随炉冷至350℃出炉，完成锻坯的退火；

（6）机加工：

将上述退火后的锻坯通过金属带锯床、普通车床、数控车床等机加工设备完成锻坯的粗加工，达到设计Φ155×160及加工要求；

（7）气淬处理：

将加工好的料坯装进真空汽淬炉加热至740℃保温90分钟；保温完成后进行第二阶段升温，升温至940℃保温90分钟，保温完成后充氮气冷却，待工件冷至70℃炉冷至室温，转入下工序回火；

（8）回火处理：

将上述已气淬处理的工件装入真空回火炉，升温至350℃保温8小时，出炉空冷至室温，完成第一次回火；再次装入真空回火炉，加热至330℃保温8小时出炉空冷至室温，完成本实施过程。

Claims (1)

1.一种旋扣辊用钢27Cr2Ni3SiMn2Mo的制备工艺，成分含量及重量百分比为：C：0.26-0.32%；Si：1.75-1.95%；Mn：1.75-1.95%；Cr：1.75-2.05%；Mo：0.52-0.62%；V：0.15-0.25%；Ni：3.10-3.50%；S：≤0.02%；P：≤0.02%；Fe：余量；其特征是步骤如下：

（1）中频冶炼：

首先采用碱性炉衬材料烘干3-5个小时，温度控制在450-500℃，然后按照上述化学成分配方配料，投入中频感应炉中，待所投炉料完全均匀熔化后，出炉浇铸成电极锭，钢水出炉温度控制在1550-1600℃，所浇铸成的电极锭，转入下一步骤待用；

（2）精炼：

将上述电极锭通过电渣重熔进行精炼，其精炼的主要工艺参数如下：

a、四元素渣系配比：氧化铝25-30%；氧化钙25-30%；氟化钙25-30%；余量为氧化硅；

b、电压：电渣重熔冶炼时电压控制在45-55V；

c、电流：将电流控制在7000-7500A范围之内；

d、结晶器出水水温：控制在40-50℃之间；

（3）电渣锭扩氢处理：

将电渣锭装入扩氢炉后升温至710-730℃保温24-36小时后，待炉温降至400℃以下后出炉，完成电渣锭扩氢处理；

（4）锻造：

将扩氢处理后的电渣锭室温装入加热炉，加热到700-720℃保温180-240分钟；再次升温至1000-1050℃保温60-80分钟；完成后再次升温加热，加热至1160-1190℃保温30-45分钟；出炉锻造，始锻温度1150-1180℃，经多次镦拔锻造，终锻温度控制在950-980℃，转入保温炉随炉缓冷至800-850℃，转入球化退火炉；

（5）锻坯退火：

将上述锻坯转入球化退火炉；升温至850-880℃保温8-10小时，随炉冷至400℃以下出炉，完成锻坯的退火；

（6）机加工：

将上述退火后的锻坯通过金属带锯床、普通车床、数控车床等机加工设备完成锻坯的粗加工，达到客户订单或设计要求几何尺寸及加工要求；

（7）气淬处理：

将加工好的料坯装进真空汽淬炉加热至720-740℃保温60-90分钟；保温完成后进行第二阶段升温，升温至920-940℃保温60-90分钟，保温完成后充氮气冷却，待工件冷至100℃以下出炉空冷至室温，转入下工序回火；

（8）回火处理：

将上述已气淬处理的工件装入真空回火炉，升温至330-350℃保温6-8小时，出炉空冷至室温，完成第一次回火；再次装入真空回火炉，加热至300-330℃保温6-8小时出炉空冷至室温，完成第二次回火；制得本发明旋扣辊用钢27Cr2Ni3SiMn2Mo。