CN105154627A

CN105154627A - 一种用于低温环境下使用的钻具材料生产方法

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Publication number: CN105154627A
Application number: CN201510364549.3A
Authority: CN
Inventors: 李守杰; 王学玺; 高全德; 赵�卓
Original assignee: Zhongyuan Special Steel Co Ltd
Current assignee: Zhongyuan Special Steel Co Ltd
Priority date: 2015-06-29
Filing date: 2015-06-29
Publication date: 2015-12-16

Abstract

本发明属于钻具生产技术领域，具体涉及一种用于低温环境下使用的钻具材料生产方法，依次经选料-精炼-锻造-粗加工-热处理-精加工而成，所述精炼时选用4145HMOD加Ni、V钢为原料，采用电弧炉冶炼+钢包精炼/真空脱气方式精炼，所加Ni、V的重量百分比分别为0.80~1.50%，0.05~0.15%，精炼后浇注成钢锭，钢锭脱模后热送锻造。本发明提供一种在保证材料具有高强度的同时最大限度的提升钻具的低温冲击韧性进而提高钻具的使用寿命的用于低温环境下使用的钻具材料生产方法。

Description

一种用于低温环境下使用的钻具材料生产方法

技术领域

本发明属于钻具生产技术领域，具体涉及一种用于低温环境下使用的钻具材料生产方法。

背景技术

钻具是石油钻探中不可或缺的重要工具，近年来，随着石油需求量不断攀升，世界各国纷纷加大开发力度，原油的开采逐步向地下深层和海洋转移的趋势。随着开采难度的不断加大，对石油钻具的要求也日益提高。钻具做为钻采设备的重要部件，直接关系到开采成功与否。因此，各石油开采厂家对钻具材料的强韧性要求逐渐提高，以满足在恶劣环境下使用的需求。高强度高低温冲击功的钻具材料的需求逐步加大。

常规的4145H材料已无法满足此要求，尤其是高强度高低温冲击功。

常规的4145HMOD材料制造钻具，经选料-精炼-锻造-粗加工-热处理-精加工等工序制成，其力学性能Rp0.2：120/130KSI；Rm:140/144KSI；A:16%/15%；KV（-20℃）：31/30/28/29/30/26，强度及低温冲击功均低于使用环境要求。此材料不含有提高低温冲击的元素，为了提高冲击功不得不降低强度指标，强度低于要求，而低温冲击功依然无法达到使用要求。Ni是提高低温冲击最有效的元素，还可提高淬透性；而V可以细化晶粒，既提高强度，又提高冲击韧性。于是我们针对环境使用要求设计了优化的4145HMOD材料加Ni、V元素的新材料，此材料各项力学性能指标均满足低温环境使用需求。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足提供一种在保证材料具有高强度的同时最大限度的提升钻具的低温冲击韧性进而提高钻具的使用寿命的用于低温环境下使用的钻具材料生产方法。

本发明的技术方案是这样实现的：一种用于低温环境下使用的钻具材料生产方法，依次经选料-精炼-锻造-粗加工-热处理-精加工而成，所述精炼时选用4145HMOD加Ni、V钢为原料，采用电弧炉冶炼+钢包精炼/真空脱气方式精炼，所加Ni、V的重量百分比分别为为0.80~1.50%，0.05~0.15%，精炼后浇注成钢锭，钢锭脱模后热送锻造。

所述精炼过程控制钢锭中部分化学成分的重量百分比如下：C为0.43~0.48%，Si为0.20~0.40%，Mn为1.00~1.25%，Cr为1.10~1.35%，Mo为0.28~0.35%，V为0.05~0.15%，Ni为0.80~1.50%，S≤0.008%，P≤0.012%。

所述锻造前控制加热温度为1190~1210℃，终锻温度为750℃,锻造时采用油压机开坯，在上下平砧上拔出至热口450mm，满砧进给，控制压下量在150～250mm，然后到八方至470mm，晾料至800～900℃上精锻机锻造，控制压下量60-80mm。

所述热处理时采用正火+调质工艺方式，正火温度为870~890℃，保温时间为0.8~1.2h/100mm，正火雾冷至室温，然后淬火，淬火温度为850~870℃，保温时间为0.8~1.2h/100mm，淬火在初始水温20℃以下，采用水-空-水冷却方式，第一次水冷冷却系数2.5-3.5s/mm，空冷60-150s，第二次水冷系数1.5~2.5s/mm，而后在610~630℃温度范围回火。

本发明的技术方案产生的积极效果如下：本发明的用于低温环境下使用的钻具材料生产方法采用EAF+LF/VD方式精炼，提高纯净度，使结晶组织更加致密，从而获得更高冲击韧性，精炼后浇注成模铸钢锭，然后热送锻造；在锻造过程中，需要严格控制油压机的压下量和送进量，有效锻合钢锭内部缺陷；热处理工艺采用正火+调质方式进行，通过正火可细化晶粒及均匀组织和成分，为淬火做好组织准备；正火后雾冷，冷却速度快，晶粒能够很好地细化，同时淬火时采用水-空-水冷却，降低初始水温，提高了冷却速度和淬透层深度，使得奥氏体组织充分转变成马氏体组织，再通过高温回火获得细小均匀的回火索氏体组织，从而获得较高的综合力学性能。

附图说明

图1为本发明的用于低温环境下使用的钻具材料生产方法的热处理工艺流程图。

具体实施方式

实施例一

一种用于低温环境下使用的钻具材料生产方法，选用钻具钢种为4145HMOD+Ni+V，经选料-精炼-锻造-粗加工-热处理-精加工而成，选料后采用EAF+LF/VD精炼方式，炉料由二级或二级以上废钢、返回料头、海绵铁等组成，EAF氧化后出钢，包中预脱氧及部分合金化，进行LF/VD吹氩精炼，出钢前弱搅拌，搅拌时间≥20min，出钢镇静后采用氩气保护浇注,脱模后热送锻造，热送温度不低于500℃，精炼过程控制化学成分为：C=0.43~0.48%，Si=0.20~0.40%，Mn=1.00~1.25%，Cr=1.10~1.35%，Mo=0.28~0.35%，Ni=0.8-1.5%，V=0.05~0.15%，S≤0.006%，P≤0.012%。然后在车底式燃气炉中加热，加热炉温度为1200℃，终锻温度为750℃，在锻造过程中：采用油压机开坯，在上下平砧上拔出至热□450mm，满砧进给，控制压下量在150～250mm，然后到八方至470mm，晾料至800～900℃上精锻机锻造，控制合适的压下量，范围在60-80mm；粗加工后进行热处理，采用正火+调质工艺方式进行，如图1所示，先进行正火，正火温度880℃，保温时间为1h/100mm，正火后采用轴流式鼓风机，在风扇叶片接上水管，喷雾进行强制冷却至室温，为增雾风冷效果，用9台风机分3层置于冷却工位周围，从多个方位直接喷射到工件上，迫使工件均匀快速冷却，用以细化晶粒及均匀组织和成分，为淬火做好组织准备，正火后采用调质处理工艺，淬火温度为860℃，保温时间为1h/100mm，使工件心部达到规定温度、完成奥氏体转变并使其均匀化，然后放入小于20℃的水中进行水-空-水冷却，获得马氏体组织，再在610℃进行高温回火，保温时间采用2小时/100mm，进行马氏体分解及残余奥氏体的继续转变，获得细小均匀的回火索氏体组织，出炉空冷至室温，力学性能满足使用的高强度极限和高低温冲击功的要求，然后进行精加工。

实施例二

一种用于低温环境下使用的钻具材料生产方法，选用钻具钢种为4145HMOD+Ni+V，经选料-精炼-锻造-粗加工-热处理-精加工而成，选料后采用EAF+LF/VD精炼方式，炉料由二级或二级以上废钢、返回料头、海绵铁等组成，EAF氧化后出钢，包中预脱氧及部分合金化，进行LF/VD吹氩精炼，出钢前弱搅拌，搅拌时间≥20min，出钢镇静后采用氩气保护浇注,脱模后热送锻造，热送温度不低于500℃，精炼过程控制化学成分为：C=0.43~0.48%，Si=0.20~0.40%，Mn=1.00~1.25%，Cr=1.00~1.35%，Mo=0.28~0.35%，Ni=0.8-1.5%，V=0.05~0.15%，S≤0.006%，P≤0.012%。然后在车底式燃气炉中加热，加热炉温度为1200℃，终锻温度为750℃，在锻造过程中：采用油压机开坯，在上下平砧上拔出至热□450mm，满砧进给，控制压下量在150～250mm，然后到八方至470mm，晾料至800～900℃上精锻机锻造，控制合适的压下量；粗加工后进行热处理，采用正火+调质工艺方式进行，如图1所示，先进行正火，正火温度880℃，保温时间为1h/100mm，正火后采用轴流式鼓风机，在风扇叶片接上水管，喷雾进行强制冷却至室温，为增雾风冷效果，用9台风机分3层置于冷却工位周围，从多个方位直接喷射到工件上，迫使工件均匀快速冷却，用以细化晶粒及均匀组织和成分，为淬火做好组织准备，正火后采用调质处理工艺，淬火温度为860℃，保温时间为1h/100mm，使工件心部达到规定温度、完成奥氏体转变并使其均匀化，然后放入小于20℃的水中进行水-空-水冷却，获得马氏体组织，再在630℃进行高温回火，保温时间采用2小时/100mm，进行马氏体分解及残余奥氏体的继续转变，获得细小均匀的回火索氏体组织，出炉空冷至室温，力学性能满足使用的高强度极限和高低温冲击功的要求，然后进行精加工。

将以上两实施例及相应的对照例产品按GB/T228.1和GB/T229现有测试标准进行测试，结果如下表1。对照例采用常规工艺生产的产品，正火后空冷，冷却速度慢，晶粒较为粗大，且采用水淬油冷，淬火冷却烈度较弱，造成冲击功偏低；而本发明工艺生产的产品，正火后雾冷，冷却速度快，晶粒能够很好地细化，均匀了组织和成分，同时淬火时采用水基液冷却，提高了冷却速度和淬透深度，使得奥氏体组织充分转变成马氏体组织，从而获得较高的综合力学性能。

表1

备注：冲击吸收功测试时，一个试片上取了三个纵向冲击试样，对应三个冲击值。

由上表1数据看出，本发明工艺生产的产品综合力学性能较高，综合力学性能明显优于对照例产品，充分说明本发明显著的优越性。

Claims

1.一种用于低温环境下使用的钻具材料生产方法，依次经选料-精炼-锻造-粗加工-热处理-精加工而成，其特征在于：所述精炼时选用4145HMOD加Ni、V钢为原料，采用电弧炉冶炼+钢包精炼/真空脱气方式精炼，所加Ni、V的重量百分比分别为为0.80~1.50%，0.05~0.15%，精炼后浇注成钢锭，钢锭脱模后热送锻造。

2.如权利要求1所述的一种用于低温环境下使用的钻具材料生产方法，其特征在于：所述精炼过程控制钢锭中部分化学成分的重量百分比如下：C为0.43~0.48%，Si为0.20~0.40%，Mn为1.00~1.25%，Cr为1.10~1.35%，Mo为0.28~0.35%，V为0.05~0.15%，Ni为0.80~1.50%，S≤0.008%，P≤0.012%。

3.如权利要求1至2任一项所述的一种用于低温环境下使用的钻具材料生产方法，其特征在于：所述锻造前控制加热温度为1190~1210℃，终锻温度为750℃,锻造时采用油压机开坯，在上下平砧上拔出至热口450mm，满砧进给，控制压下量在150～250mm，然后到八方至470mm，晾料至800～900℃上精锻机锻造，控制控制压下量60-80mm。

4.如权利要求1至3任一项所述的一种用于低温环境下使用的钻具材料生产方法，其特征在于：所述热处理时采用正火+调质工艺方式，正火温度为870~890℃，保温时间为0.8~1.2h/100mm，正火雾冷至室温，然后淬火，淬火温度为850~870℃，保温时间为0.8~1.2h/100mm，淬火在初始水温20℃以下，采用水-空-水冷却方式，第一次水冷冷却系数2.5-3.5s/mm，空冷60-150s，第二次水冷系数1.5~2.5s/mm，而后在610~630℃温度范围回火。