[发明专利]一种高强度高淬透性耐腐蚀钻头用钢及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高强度高淬透性耐腐蚀钻头用钢及其制备方法，所述钻头用钢化学成分及质量百分含量为：C：0.38～0.40％、Si：0.20～0.30％、Mn：0.40～0.55％、Cr：1.12～1.16％、Mo：0.20～0.22％、Nb：0.01～0.015％、Cu≤0.20％、Al：0.015～0.030％、P≤0.020％、S≤0.015％、O≤20×10^‑4％、N≤90×10^‑4％、H≤2.0×10^‑4％，其余为Fe和其他不可避免的杂质元素；制备方法包括电炉冶炼、LF精炼、VD真空脱气、连铸、轧制成棒材等工艺。本发明通过在Cr、Mo等微合金化元素加入的基础上，再加入微量Nb，不但可以进一步提高钢材的强度和淬透性，还起到抗H₂S应力腐蚀的作用。

技术领域

本发明属于冶金技术领域，涉及一种高强度高淬透性耐腐蚀钻头用钢及其制备方法。

背景技术

随着石油、矿山行业的发展，深井采掘越来越普遍。在深井石油的钻探过程中，石油钻头工作条件极其恶劣，不但承载着很大的振动与扭转，且高压和高速的泥浆也会对钻头不断冲击，因为泥浆中存在硫化氢、二氧化碳和氧等气体，很可能造成钻头的腐蚀，并且会产生蚀坑，更有甚者会引起钻头的氢脆，因此，对钻头基体的材料质量要求很高。钻头质量的优劣直接关系到油田钻井速度，钻头用钢应具有较高的强度、较好的纯度和耐磨性，并且化学成分稳定、晶粒均匀细小、抗H₂S腐蚀、淬透性好、锻造工艺性能良好等优点。

中国专利申请CN103789678A公开了“一种钻头用合金钢材料及其制备方法”，中国专利申请CN108707827A公开了“一种高强度钻头用合金钢”，中国专利申请CN106086670A公开了“一种石油钻采用钻头的钢材”，上述三个专利申请所公开钻头的成分含钴、锆、钨、铌、钒等高成本合金，本发明中所加的合金成本较低。且上述专利涉及高强度、高硬度、高耐磨性、高韧性和耐高温等特征，但未给出具体指标数值，本发明的钻头不但给出强度、韧性、晶粒度、淬透性、非金属夹杂物、发纹等指标具体数值，还兼具抗H₂S腐蚀的性能。

发明内容

基于上述不足，本发明的目的在于，提供了一种高强度高淬透性耐腐蚀钻头用钢及其制备方法，该钻头用钢相对成本低、强度高、淬透性好、耐腐蚀、综合力学性能良好。

为达到上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种高强度高淬透性耐腐蚀钻头用钢，所述高强度高淬透性耐腐蚀钻头用钢的化学成分及质量百分含量为：C 0.38～0.40％、Si 0.20～0.30％、Mn 0.40～0.55％、Cr 1.12～1.16％、Mo 0.20～0.22％、Nb 0.01～0.015％、Cu≤0.20％、Als 0.015～0.030％、P≤0.020％、S≤0.015％、O≤20×10^-4％，N≤90×10^-4％，H≤2.0×10^-4％，其余为Fe和其他不可避免的杂质元素。

所述高强度高淬透性耐腐蚀钻头用钢规格为φ45～φ160mm。

Cr的作用不仅能够提高钢的淬火性能，还能改善材料组织的均匀性。当铬元素溶于渗碳体形成(Fe，Cr)₃C的合金渗碳体时，又能起到细化晶粒，得到均匀细小的淬火组织，使材料的强韧性得到提高。但当钢中铬含量过高时，材料的力学性能会因为残余奥氏体的增多和不均匀碳化物的存在而降低。为了提高试验钢的淬透性和力学性能的均匀性，设计铬元素的含量最高取1.16％。

Mo元素与碳的结合能力较强，多以碳化物的形式存在，可以通过固溶强化、细晶强化和弥散强化的强化机制很好地提高钢的强韧性。为了最大限度的发挥钼元素多种强化机制的优势，同时也最大限度的降低合金成本，钼元素含量设计最高为0.22％。