[发明专利]一种具有高强度、高韧性的大直径圆钢及其制造方法

说明书

本发明涉及一种具有高强度、高韧性的大直径圆钢，化学成分为C：0.35～0.50％，Si：0.15～0.50％，Mn：0.60～1.40％，P：≤0.012％，S：≤0.005％，Cr：0.75～1.40％，Mo：0.15～0.50％，Ni：0.05～0.50％，Cu：0.05～0.50％，V：0.02～0.08％，Nb：0.02～0.08％，Ti：0.010～0.020％，N：≤0.004％，余量为Fe。本发明针对油井钻具用高强度、高韧性钻具钢的需求，以大断面连铸圆坯作为坯料，通过后续的控温轧制及整体调质热处理制造出较好的屈服强度与塑韧性匹配的大直径圆钢。

技术领域

本发明涉及大规格圆钢及其制造方法，尤其涉及用于油田钻具的直径范围为180-280mm的大规格圆钢及其制造方法。

背景技术

4140、4145等CrMo钢系列为油田钻具及机械加工市场普遍使用的钢级，一般调质状态使用。因有较高含量的C、Mn、Cr及少量的Mo，这类钢材淬透性较高，在淬火后可得到较深的完全淬透层及较高的马氏体比例，回火后形成强度及韧性匹配较好的回火索氏体组织，适合生产强韧性要求较高，规格较大的零部件。

但随着零件规格增大，产品的淬透性变差，会出现淬不透的情况，越靠近芯部，贝氏体、铁素体等非马氏体组织比例含量越多，导致强度与韧性均有所降低。以要求在二分之一半径深度取样检验，屈服强度≥897MPa，-20℃冲击功≥60J的产品要求为例，传统4140可生产最大直径约为160mm，4145约为220mm，如规格进一步扩大，则无法同时保证高的强度与韧性(同等条件下强度指标越高，塑性、韧性指标越低)。此时一般会改用4330钢级，该钢级属CrNiMo钢，C含量适中，Mo、Ni含量高(C：0.28-0.34％，Mo：0.35-0.65％，Ni：1.65-3.10％)，淬透性好，强韧性综合指标较高，但因Mo、Ni为贵重金属，成本也相应更高。

公开号CN104975235A的发明专利公开了一种高强韧圆钢及其制造方法。化学成分为：C：0.35～0.50％，Si：0.15～0.40％，Mn：0.60～1.30％，P：≤0.015％，S：≤0.040％，Cr：0.75～1.30％，Mo：0.15～0.35％，Ni：≤0.25％，Cu：≤0.25％，Alt：0.015-0.040％，V：≤0.10％，Nb：≤0.10％，Ti：≤0.05％，N：≤0.008％，B：≤0.0010％，余量为Fe及不可避免的杂质元素，其中V、Nb、Ti的含量不同时≤0.010％；该发明可满足最大254mm规格二分之一半径深度屈服强度≥827MPa，-20℃夏比冲击功≥60J，扩大规格或提高屈服强度要求后，冲击韧性会有较为显著的降低。

专利号ZL 2014 1 0800518.3的发明专利公开了一种高强韧、抗硫化氢应力腐蚀钻具用圆钢，化学成分按质量百分比计为C：0.20～0.30％，Si：0.15～0.40％，Mn：0.20～0.70％，P：≤0.010％，S：≤0.005％，Cr：0.70～1.30％，Mo：0.40～0.95％，Ni：≤0.25％，Cu：0.05～0.10％，Alt：0.05～0.10％，V：≤0.1％，Nb：≤0.06％，Ti：≤0.010％，N：≤0.009％，B：0.001～0.003％，余量为Fe及不可避免的杂质元素，该发明着重提供一种在较低屈服强度(≥758MPa)下具有较好抗硫化氢应力腐蚀性能的棒材。因碳含量低(0.20-0.30％)，淬透性差，同样无法满足大规格棒材二分之一半径处高强度与高韧性，专利中也未公开低于室温时的冲击韧性指标；并且随着规格增大，Mo含量需不断提高(0.40-0.95％)，成本也会相应提高。

公开号CN102330027的发明专利公开了一种827MPa屈服强度下初级抗硫钻杆及制备方法，该发明为管材，各项性能均在管件上检测，贵重金属Mo含量最低0.50％，实施例中为0.6％，原料成本高，C含量介于0.24％～0.30％，淬透性差，难以满足大直径棒材或厚壁管材(如钻铤)的热处理需要，必须在加工成管件后采用内外层喷水的方式生产，加工及热处理成本很高，并且屈服强度仅能满足827MPa，该专利公开文件中没有明确最大可供货规格以及机械性能取样深度。