本發(fā)明涉及金屬材料領(lǐng)域，尤其涉及一種高強(qiáng)韌鋼及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、隨著世界石油工業(yè)的發(fā)展，油氣井越來(lái)越深。目前已有8000多米深的井，井深度的增加使得鉆井工作條件越來(lái)越復(fù)雜。因此，在鉆井過(guò)程中，鉆桿會(huì)遇到沉渣和沉降的問(wèn)題，鉆桿受到的力也是越來(lái)越復(fù)雜，如拉、壓、彎、扭、剪切及其復(fù)合，交變載荷等等，顯著提高了鉆桿失效概率。鉆桿失效有時(shí)會(huì)導(dǎo)致整口井報(bào)廢，會(huì)造成重大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至人員傷亡。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民生活水平的提高，中國(guó)對(duì)石油天然氣的需求量越來(lái)越大，油氣井的深井作業(yè)在所難免。隨著鉆井技術(shù)進(jìn)步，鉆井參數(shù)逐漸強(qiáng)化，對(duì)鉆桿的使用壽命和服役性能要求也就越來(lái)越高。

2、為了提高鉆桿的使用壽命和服役性能，相關(guān)研究“一種復(fù)相組織鉆桿材料的制備方法”在s135鋼級(jí)鉆桿常規(guī)元素的基礎(chǔ)上，添加cr、mo、v、nb等增加淬透性合金元素，添加了稀土鑭，通過(guò)分級(jí)淬火熱處理，優(yōu)化出一種由下貝氏體和回火索氏體及少量殘余奧氏體組成的復(fù)相組織鉆桿材料，提高了鉆桿抗疲勞性能，降低鉆桿失效概率，但是稀土成分的添加大大提高了鉆桿的制造成本，同時(shí)強(qiáng)度有著一定程度的下降。相關(guān)研究“一種高鋼級(jí)抗硫鉆桿材料及其制備方法”通過(guò)控制較低的碳含量(0.1～0.22％)和適量的mo和v含量(0.2～0.6％、0.05～0.15％)，使其具有較好的沖擊韌性(0℃橫向夏比沖擊功≥120j)，但也導(dǎo)致此類鋼抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度不足，未達(dá)到高強(qiáng)度要求。相關(guān)研究“一種860-1086mpa抗拉強(qiáng)度的鈦合金鉆桿材料”通過(guò)調(diào)控al、mo、ti含量，提高了鉆桿的抗拉強(qiáng)度，但沖擊吸收功僅為≥54j。相關(guān)研究“一種超高強(qiáng)度石油鉆桿管體及其熱處理工藝”以高強(qiáng)度相馬氏體為基體引入奧氏體、貝氏體或鐵素體等韌性相所構(gòu)成的復(fù)合組織，具有馬氏體的高強(qiáng)度和韌性相的相互配合而獲得高強(qiáng)度和高韌性的良好性能，使鋼具有比單一馬氏體為高的韌性水平，但是材料強(qiáng)度富余量低，沖擊性能(≤100j)。因此，現(xiàn)有的鉆桿在高強(qiáng)度高韌性匹配方面仍存在不足，需要進(jìn)一步提高鉆桿材料的強(qiáng)度和韌性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種高強(qiáng)韌鋼及其制備方法和應(yīng)用。本發(fā)明提供的高強(qiáng)韌鋼具有高強(qiáng)度和高韌性，同時(shí)還具有良好的抗氫致延遲斷裂性能。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案：

3、本發(fā)明提供了一種高強(qiáng)韌鋼，按質(zhì)量百分比計(jì)，由以下元素組成：c0.18～0.39％、si?0.09～0.40％、mn?0.1～0.42％、p≤0.0128％、s≤0.0028％、cr0.37～1.15％、mo?1.15～2.0％、nb?0.001～0.048％、v?0.19～0.46％、al≤0.020％、b≤0.0030％以及余量的fe。

4、優(yōu)選地，所述高強(qiáng)韌鋼由以下元素組成：c?0.18～0.38％、si?0.09～0.39％、mn0.1～0.40％、p≤0.0127％、s≤0.0027％、cr?0.38～1.15％、mo?1.17～2.0％、nb0.001～0.047％、v?0.20～0.46％、al?0.005～0.020％、b?0.0010～0.0030％以及余量的fe。

5、優(yōu)選地，所述高強(qiáng)韌鋼由以下元素組成：c?0.18～0.37％、si?0.09～0.38％、mn0.10～0.39％、p≤0.0126％、s≤0.0026％、cr?0.4～1.15％、mo?1.18～2.0％、nb0.001～0.046％、v?0.21～0.46％、al?0.005～0.010％、b?0.0010～0.0020％以及余量的fe。

6、本發(fā)明提供了上述技術(shù)方案所述高強(qiáng)韌鋼的制備方法，包括：

7、(1)將原料進(jìn)行熔煉后澆鑄，得到鋼錠；

8、(2)將所述步驟(1)得到的鋼錠依次進(jìn)行熱軋和調(diào)質(zhì)熱處理，得到高強(qiáng)韌鋼。

9、優(yōu)選地，所述熱軋的開(kāi)軋溫度為1100～1190℃，熱軋的終軋溫度為1020～1080℃。

10、優(yōu)選地，所述熱軋前對(duì)鋼錠進(jìn)行保溫處理；所述保溫處理的溫度為1200～1280℃，保溫處理的時(shí)間＞3h。

11、優(yōu)選地，調(diào)質(zhì)熱處理包括依次進(jìn)行的淬火熱處理和回火熱處理。

12、優(yōu)選地，所述淬火熱處理的淬火溫度為880～920℃，淬火熱處理的保溫時(shí)間為30～60min。

13、優(yōu)選地，所述回火熱處理的溫度為640～680℃，回火熱處理的保溫時(shí)間為75～120min。

14、本發(fā)明提供了上述技術(shù)方案所述高強(qiáng)韌鋼或上述技術(shù)方案所述制備方法制備的高強(qiáng)韌鋼在石油裝備中的應(yīng)用。

15、本發(fā)明提供了一種高強(qiáng)韌鋼，按質(zhì)量百分比計(jì)，由以下元素組成：c0.18～0.39％、si?0.09～0.40％、mn?0.1～0.42％、p≤0.0128％、s≤0.0028％、cr0.37～1.15％、mo?1.15～2.0％、nb?0.001～0.048％、v?0.19～0.46％、al≤0.020％、b≤0.0030％以及余量的fe。本發(fā)明提供的高強(qiáng)韌鋼利用mn元素提高鋼的淬透性，增強(qiáng)強(qiáng)度、韌性、硬度，同時(shí)與s元素形成mns夾雜，減輕s的影響，改善鋼的熱加工性能，通過(guò)限定mn的含量使鋼材在具備高強(qiáng)度高韌性的同時(shí)兼具良好的抗氫致延遲斷裂性能；利用適量mo元素作為合金化元素，有效提高鋼的高溫強(qiáng)度和韌性，提高鋼在酸性溶液中的抗蝕性，同時(shí)mo元素在合金中形成細(xì)小的m2c碳化物，起到彌散強(qiáng)化作用，提高材料回火抗性；利用適量v元素細(xì)化組織和晶粒、提高合金的強(qiáng)度和韌性、降低過(guò)熱敏感性的作用；通過(guò)調(diào)整其他元素的含量與mn、mo和v元素相配合，進(jìn)一步提高鋼材的強(qiáng)度和韌性。實(shí)施例結(jié)果表明，本發(fā)明提供的高強(qiáng)韌鋼的抗拉強(qiáng)度不小于1260mpa，縱向沖擊功不小于100j，橫向沖擊功不小于70j；進(jìn)行恒載荷缺口延遲斷裂試驗(yàn)，其缺口恒載荷臨界斷裂應(yīng)力比n不小于0.8，超過(guò)100h不斷裂，具有高強(qiáng)度和高韌性。

技術(shù)特征：

1.一種高強(qiáng)韌鋼，按質(zhì)量百分比計(jì)，由以下元素組成：c?0.18～0.39％、si?0.09～0.40％、mn?0.1～0.42％、p≤0.0128％、s≤0.0028％、cr?0.37～1.15％、mo?1.15～2.0％、nb?0.001～0.048％、v?0.19～0.46％、al≤0.020％、b≤0.0030％以及余量的fe。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高強(qiáng)韌鋼，其特征在于，由以下元素組成：c0.18～0.38％、si0.09～0.39％、mn?0.1～0.40％、p≤0.0127％、s≤0.0027％、cr0.38～1.15％、mo?1.17～2.0％、nb?0.001～0.047％、v?0.20～0.46％、al0.005～0.020％、b?0.0010～0.0030％以及余量的fe。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高強(qiáng)韌鋼，其特征在于，由以下元素組成：c0.18～0.37％、si0.09～0.38％、mn?0.10～0.39％、p≤0.0126％、s≤0.0026％、cr0.4～1.15％、mo?1.18～2.0％、nb?0.001～0.046％、v?0.21～0.46％、al0.005～0.010％、b?0.0010～0.0020％以及余量的fe。

4.權(quán)利要求1～3任一項(xiàng)所述高強(qiáng)韌鋼的制備方法，包括：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述步驟(2)中熱軋的開(kāi)軋溫度為1100～1190℃，熱軋的終軋溫度為1020～1080℃。

6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的制備方法，其特征在于，所述熱軋前對(duì)鋼錠進(jìn)行保溫處理；所述保溫處理的溫度為1200～1280℃，保溫處理的時(shí)間＞3h。

7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述步驟(2)中調(diào)質(zhì)熱處理包括依次進(jìn)行的淬火熱處理和回火熱處理。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制備方法，其特征在于，所述淬火熱處理的淬火溫度為880～920℃，淬火熱處理的保溫時(shí)間為30～60min。

9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制備方法，其特征在于，所述回火熱處理的溫度為640～680℃，回火熱處理的保溫時(shí)間為75～120min。

10.權(quán)利要求1～3任一項(xiàng)所述高強(qiáng)韌鋼或權(quán)利要求4～9任意一項(xiàng)所述制備方法制備的高強(qiáng)韌鋼在石油裝備中的應(yīng)用。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種高強(qiáng)韌鋼及其制備方法和應(yīng)用，屬于金屬材料領(lǐng)域。本發(fā)明提供的高強(qiáng)韌鋼，按質(zhì)量百分比計(jì)，由以下元素組成：C?0.18～0.39％、Si0.09～0.40％、Mn?0.1～0.42％、P≤0.0128％、S≤0.0028％、Cr?0.37～1.15％、Mo1.15～2.0％、Nb?0.001～0.048％、V?0.19～0.46％、Al≤0.020％、B≤0.0030％以及余量的Fe。本發(fā)明提供的高強(qiáng)韌鋼，抗拉強(qiáng)度不小于1260Mpa，縱向沖擊功不小于100J，橫向沖擊功不小于70J；缺口恒載荷臨界斷裂應(yīng)力比n不小于0.8，超過(guò)100h不斷裂，具有高強(qiáng)度和高韌性。

技術(shù)研發(fā)人員：王青峰,王仕標(biāo),李朝輝,史彬,周家祥,張春玲,張傳友,張春祥
受保護(hù)的技術(shù)使用者：燕山大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/8