CN110438407B - 一种合金钢及其制备方法和应用 - Google Patents

一种合金钢及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及石油开采铸钢件技术领域，尤其涉及一种合金钢及其制备方法和应用。本发明提供了一种合金钢，根据实施例的记载，本发明所述的合金钢的抗拉强度≥747.9MPa，屈服强度≥520MPa，延伸率≥21.9％，断面收缩率≥53.1％，在‑45℃下的冲击吸收功≥74.4J，具有较好的机械强度和低温冲击性能。

Description

一种合金钢及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及石油开采铸钢件技术领域，尤其涉及一种合金钢及其制备方法和应用。
背景技术
随着石油钻采设备市场的国际化，对石油钻机的材质性能提出了更高的要求，尤其是对其低温冲击性能有了更高的要求。目前，用于石油开采的铸钢件的材质的化学成分主要参考美标ASTMA148 90-60，其在-45℃下的冲击吸收功为42J左右。
在上述基础上，如何使石油开采的铸件钢具有更好的低温冲击性能还未见报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低温冲击性能好的合金钢及其制备方法和应用。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种合金钢，按质量百分比计，包括以下合金元素：C0.18～0.22％，Si 0.30～0.50％，Mn 0.80～1.00％，P≤0.025％，S≤0.025％，Cr0.60～0.80％，Ni 0.50～0.80％，Mo 0.30～0.50％，Cu≤0.30％，V≤0.03％，Al0.03～0.08％，Re 0.20％，B0.012％以及余量的铁和不可避免的杂质。
本发明还提供了上述技术方案所述的合金钢的制备方法，包括以下步骤：
将具有上述元素配比的铸锭依次进行预处理、淬火和回火，得到合金钢。
优选的，所述铸锭的制备方法包括以下步骤：
在钢水中加入Ni、Mo和Cr，得到含有Ni、Mo和Cr的钢水；
将含有Ni、Mo和Cr的钢水倒入浇包中并达到浇包的1/3～2/3容量时，向浇包中加入Re和硼酸；
所述钢水为含有上述配比的C、Si、Mn、P、S、Cu、V、Al以及铁的合金液。
优选的，所述预处理的温度为850～900℃，所述预处理的保温时间为3.5～4.5h。
优选的，升温至所述预处理的温度的升温速率≤120℃/h。
优选的，所述淬火的过程为：先将预处理后的铸锭进行第一升温至700～750℃，保温1.5～2.0h后，继续进行第二升温至910～930℃，保温3.5～4.5h，冷却。
优选的，所述第一升温的升温速率≤120℃/h，所述第二升温的升温速率≤100℃/h。
优选的，所述回火的温度为710～730℃，所述回火的保温时间为3.5～4.5h。
优选的，升温至所述回火的温度的升温速率≤120℃/h。
本发明还提供了上述技术方案所述的合金钢或由上述技术方案所述的制备方法制备得到的合金钢在石油开采铸钢件领域中的应用。
本发明提供了一种合金钢，按质量百分比计，包括以下合金元素：C0.18～0.22％，Si 0.30～0.50％，Mn 0.80～1.00％，P≤0.025％，S≤0.025％，Cr0.60～0.80％，Ni 0.50～0.80％，Mo 0.30～0.50％，Cu≤0.30％，V≤0.03％，Al0.03～0.08％，Re 0.20％，B0.012％以及余量的铁和不可避免的杂质。本发明调整合金各组分的种类和用量的同时，加入适量的Re可以提高所述合金钢的常温韧性和低温韧性，降低韧脆性转变温度，保证合金钢在较低温度下能够使用；还能够提高合金钢的抗大气腐蚀、耐硝酸、盐酸腐蚀的能力；同时，还可以细化晶粒，提高材料的屈服强度和韧性，保证合金具有较好的机械强度；加入适量的B可以改善钢的致密性，提高合金钢的机械强度。根据实施例的记载，本发明所述的合金钢的抗拉强度≥747.39MPa，屈服强度≥520MPa，延伸率≥20.9％，断面收缩率≥53.14％，在-45℃下的冲击吸收功≥74.4J，具有较好的机械强度和低温冲击性能。
具体实施方式
本发明提供了一种合金钢，按质量百分比计，包括以下合金元素：C0.18～0.22％，Si 0.30～0.50％，Mn 0.80～1.00％，P≤0.025％，S≤0.025％，Cr0.60～0.80％，Ni 0.50～0.80％，Mo 0.30～0.50％，Cu≤0.30％，V≤0.03％，Al0.03～0.08％，Re 0.20％，B0.012％以及余量的铁和不可避免的杂质。
在本发明中，若无特殊说明，所有原料组分均为本领域技术人员熟知的市售产品。
按质量百分比计，本发明所述合金钢包括0.18～0.22％的C，所述C的含量优选为0.19～0.21％，更优选为0.20％。
按质量百分比计，本发明所述合金钢包括0.30～0.50％的Si，所述Si的含量优选为0.35～0.45％，更优选为0.38～0.42％；所述Si的添加可以提高铁素体的固溶强化作用，提高合金钢的脆柔性和抗回火性，提高合金钢的综合力学性能，还可以增强钢在自然条件下的耐腐蚀性能。
按质量百分比计，本发明所述合金钢还包括0.80～1.00％的Mn，所述Mn的含量优选为0.85～0.95％，更优选为0.88～0.92％；所述Mn的添加可以消除或减少由硫引起的钢的热脆性，从而提高钢的热加工性能。
按质量百分比计，本发明所述合金钢还包括≤0.025％的P，所述P的含量优选为0.01～0.02％；所述P的添加可以提高合金钢的强度和耐大气腐蚀性。
按质量百分比计，本发明所述合金钢还包括≤0.025％的S，所述S的含量优选为0.01～0.02％；所述S的添加可以提高所述合金钢的切削性能。
按质量百分比计，本发明所述合金钢还包括0.6～0.8％的Cr，所述Cr的含量优选为0.65～0.75％，更优选为0.68～0.72％；所述Cr的添加可以使合金钢中的组织碳化物和晶粒细化，提高合金钢的韧性。
按质量百分比计，本发明所述合金钢还包括0.50～0.80％的Ni，所述Ni的含量优选为0.55～0.75％，更优选为0.60～0.70％；所述Ni的添加能够细化铁素体晶粒，提高所述合金钢的塑性和韧性，特别是低温韧性。
按质量百分比计，本发明所述合金钢还包括0.30～0.50％的Mo，所述Mo的含量优选为0.35～0.45％，更优选为0.38～0.42％；所述Mo的添加可以提高钢的淬透性和热强度，并防止回火脆性，提高剩磁和矫顽力以及自然条件下的耐腐蚀性。
按质量百分比计，本发明所述合金钢还包括≤0.30％的Cu，所述Cu的含量优选为0.1～0.2％，更优选为0.14～0.16％；所述铜的添加可以改善合金钢的耐蚀能力，将铜控制在所述范围内，可以进一步提高合金钢的强度。
按质量百分比计，本发明所述合金钢还包括≤0.03％的V，所述V的含量优选为0.01～0.02％；所述V的添加可以与C形成碳化物合金钢的抗氢腐蚀能力。
按质量百分比计，本发明所述合金钢还包括0.03～0.08％的Al，所述Al的含量优选为0.04～0.07％；所述Al的添加可以细化晶粒，提高合金钢的冲击韧性，同时，铝还具有抗氧化性和抗腐蚀性能，所述铝可以与合金钢中的铬和硅协同作用，提高合金钢的高温不起皮性能和高温耐腐蚀性能。
按质量百分比计，本发明所述合金钢还包括0.20％的Re；所述用量范围的Re可以提高所述合金钢的常温韧性和低温韧性，降低韧脆性转变温度，保证合金钢在较低温度下能够使用；还能够提高合金钢的抗大气腐蚀、耐硝酸、盐酸腐蚀的能力；同时，还可以细化晶粒，提高材料的屈服强度和韧性，保证合金具有较好的机械强度。
按质量百分比计，本发明所述合金钢还包括0.012％的B，所述B以硼酸计；所述B的添加可以起到强化晶界的作用，提高C级钢的淬透性和高温强度。
按质量百分比计，本发明所述合金钢还包括余量的铁和不可避免的杂质。
本发明还提供了上述技术方案所述的合金钢的制备方法，包括以下步骤：
将具有上述元素配比的铸锭依次进行预处理、淬火和回火，得到合金钢。
在本发明中，所述铸锭的制备过程优选包括以下步骤：
在钢水中加入Ni、Mo和Cr，得到含有Ni、Mo和Cr的钢水；
将含有Ni、Mo和Cr的钢水倒入浇包中并达到浇包的1/3～2/3容量时，向浇包中加入Re和硼酸；
所述钢水为含有上述配比的C、Si、Mn、P、S、Cu、V、Al以及铁的合金液。
本发明对所述钢水的制备没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的过程进行即可。
在本发明中，所述Ni和Mo的加入时机优选为在所述钢水的体积占所述炼钢炉体积的50％时加入；所述Cr的加入时机优选为再所述钢水的体积占所述炼钢炉体积的80％时加入。
在本发明中，所述预处理的温度优选为850～900℃，更优选为860～880℃，所述预处理的保温时间优选为3.5～4.5h，更优选为3.8～4.2h，最优选为4.0h；升温至所述预处理的温度的升温速率优选为≤120℃/h，更优选为80～110℃/h，最优选为100℃/h；所述预处理完成后，本发明优选进行冷却，所述冷却优选为空冷。
在本发明中，所述淬火的过程优选为：先将预处理后的铸锭进行第一升温至700～750℃，保温1.5～2.0h后，继续进行第二升温至910～930℃，保温3.5～4.5h，冷却；更优选为先将预处理后的铸锭进行第一升温至710～740℃，保温1.6～1.8h后，继续进行第二升温至915～925℃，保温3.8～4.2h，冷却；最优选为先将预处理后的铸锭进行第一升温至725℃，保温1.7后，继续进行第二升温至920℃，保温4.0h，冷却。在本发明中，所述第一升温的升温速率优选为≤120℃/h，更优选为90～120℃/min，最优选为100～120℃/min；所述第二升温的升温速率优选为≤100℃/h，更优选为70～100℃/min，最优选为80～100℃；所述冷却优选为水冷。
在本发明中，所述回火的温度优选为710～730℃，更优选为715～725℃，最优选为720℃；所述回火的保温时间优选为3.5～4.5h，更优选为3.8～4.2h，最优选为4.0h；升温至所述预处理的温度的升温速率优选为≤120℃/h，更优选为80～110℃/h，最优选为100℃/h；所述回火完成后，本发明优选进行冷却，所述冷却优选为空冷。
本发明还提供了上述技术方案所述的合金钢或由上述技术方案所述的制备方法制备得到的合金钢在石油开采铸钢件领域中的应用。
下面结合实施例对本发明提供的合金钢及其制备方法和应用进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
合金钢的组分：按质量百分比计，包括以下合金元素：C 0.18％，Si 0.43％，Mn1.00％，P 0.025％，S 0.02％，Cr 0.68％，Ni 0.80％，Mo 0.30％，Cu 0.30％，V 0.03％，Al0.03％，Re 0.20％，B 0.012％以及余量的铁和不可避免的杂质；
按照具体实施方式中所述的制备铸锭的方法，得到具有上述配比的铸锭；
将所述铸锭由室温以120℃/min的升温速率升至860℃，保温4h，冷却，得到预处理后的铸锭；
将所述预处理后的铸锭由室温以120℃/min的升温速率升至700℃，保温2h，然后以100℃/min的升温速率升至920℃，保温4h，入水冷至室温后，由室温以100℃/min的升温速率升至720℃，保温4h，空冷，得到合金钢。
实施例2
合金钢的组分：按质量百分比计，包括以下合金元素：C 0.21％，Si 0.50％，Mn0.91％，P 0.025％，S 0.01％，Cr 0.6％，Ni 0.68％，Mo 0.5％，Cu 0.30％，V 0.03％，Al0.08％，Re 0.20％，B 0.012％以及余量的铁和不可避免的杂质；
按照具体实施方式中所述的制备铸锭的方法，得到具有上述配比的铸锭；
将所述铸锭由室温以100℃/min的升温速率升至900℃，保温4h，冷却，得到预处理后的铸锭；
将所述预处理后的铸锭由室温以120℃/min的升温速率升至750℃，保温1.5h，然后以80℃/min的升温速率升至910℃，保温4h，入水冷至室温后，由室温以120℃/min的升温速率升至730℃，保温4h，空冷，得到合金钢。
实施例3
合金钢的组分：按质量百分比计，包括以下合金元素：C 0.22％，Si 0.3％，Mn0.8％，P 0.013％，S 0.01％，Cr 0.71％，Ni 0.50％，Mo 0.39％，Cu 0.30％，V 0.03％，Al0.08％，Re 0.20％，B 0.012％以及余量的铁和不可避免的杂质；
按照具体实施方式中所述的制备铸锭的方法，得到具有上述配比的铸锭；
将所述铸锭由室温以110℃/min的升温速率升至880℃，保温4h，冷却，得到预处理后的铸锭；
将所述预处理后的铸锭由室温以120℃/min的升温速率升至730℃，保温1.5h，然后以100℃/min的升温速率升至930℃，保温4h，空冷至室温后，由室温以80℃/min的升温速率升至710℃，保温4h，空冷，得到合金钢。
测试例1
按照美标ASTMA14890-60规定的合金组分和配比以及其规定的测试标准，对实施例1～3所述的合金钢进行力学性能测试，并与美标ASTMA14890-60所示合金钢的力学性能进行比较，比较结果如表1和表2所示：
表1实施例1～3所述的合金钢及美标ASTMA14890-60所示合金钢性能的比较
Figure BDA0002202447670000071
表2实施例1～3所述的合金钢及美标ASTMA14890-60所示合金钢在-45℃时的冲击吸收功的比较
Figure BDA0002202447670000072
所述1,2,3指的是相同条件下的三次平行试验。
由以上实施例可知，本发明提供的合金钢具有较好的机械性能和较好的低温耐冲击性能，稳定性高。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种合金钢，其特征在于，按质量百分比计，包括以下合金元素：C 0.18～0.22％，Si0.30～0.50％，Mn 0.80～1.00％，P≤0.025％，S≤0.025％，Cr 0.60～0.80％，Ni 0.50～0.80％，Mo 0.30～0.50％，Cu≤0.30％，V≤0.03％，Al 0.03～0.08％，RE 0.20％，B0.012％以及余量的铁和不可避免的杂质；
所述合金钢的制备方法，包括以下步骤：
将具有上述元素配比的铸锭依次进行预处理、淬火和回火，得到合金钢；
所述预处理的温度为850～900℃，所述预处理的保温时间为3.5～4.5h；升温至所述预处理的温度的升温速率≤120℃/h；
所述淬火的过程为：先将预处理后的铸锭进行第一升温至700～750℃，保温1.5～2.0h后，继续进行第二升温至910～930℃，保温3.5～4.5h，冷却；
所述第一升温的升温速率≤120℃/h，所述第二升温的升温速率≤100℃/h；
所述回火的温度为710～730℃，所述回火的保温时间为3.5～4.5h；
升温至所述回火的温度的升温速率≤120℃/h。
2.权利要求1所述的合金钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将具有上述元素配比的铸锭依次进行预处理、淬火和回火，得到合金钢；
所述预处理的温度为850～900℃，所述预处理的保温时间为3.5～4.5h；升温至所述预处理的温度的升温速率≤120℃/h；
所述淬火的过程为：先将预处理后的铸锭进行第一升温至700～750℃，保温1.5～2.0h后，继续进行第二升温至910～930℃，保温3.5～4.5h，冷却；
所述第一升温的升温速率≤120℃/h，所述第二升温的升温速率≤100℃/h；
所述回火的温度为710～730℃，所述回火的保温时间为3.5～4.5h；
升温至所述回火的温度的升温速率≤120℃/h。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述铸锭的制备方法包括以下步骤：
在钢水中加入Ni、Mo和Cr，得到含有Ni、Mo和Cr的钢水；
将含有Ni、Mo和Cr的钢水倒入浇包中并达到浇包的1/3～2/3容量时，向浇包中加入RE和硼酸；
所述钢水为含有上述配比的C、Si、Mn、P、S、Cu、V、Al以及铁的合金液。
4.权利要求1所述的合金钢或由权利要求2或3所述的制备方法制备得到的合金钢在石油开采铸钢件领域中的应用。
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