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CN111041165A - 一种中锰油井管钢及其制备方法 - Google Patents

一种中锰油井管钢及其制备方法 Download PDF

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CN111041165A CN201911365613.4A CN201911365613A CN111041165A CN 111041165 A CN111041165 A CN 111041165A CN 201911365613 A CN201911365613 A CN 201911365613A CN 111041165 A CN111041165 A CN 111041165A
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Abstract

本发明涉及一种中锰油井管钢及其制备方法，属于中锰钢制备领域，解决了现有技术中油井管钢强韧性不足以及生产成本高的问题。一种中锰油井管钢，化学组成元素的质量百分比为：C：0.08～0.12wt％，Si：0.1～0.2wt％，Mn：3.0～4.0wt％，P：≤0.025wt％，S：≤0.005wt％，V：0.02～0.04wt％，Cu：0～0.4wt％，Al：≤0.06wt％，余量为Fe和无法避免的夹杂。本发明实现了中锰油井管钢高强度与高韧性相匹配。

Description

一种中锰油井管钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属材料技术领域，尤其涉及一种中锰油井管钢及其制备方法。
背景技术
随着石油工业的不断发展,油井管的需求量也逐渐加大。目前,全球的油井管需求总量已经达到1370万吨,全球的总体油井管产能已经在1700万吨以上,达到了供大于求的局面。然而,即使是供大于求，也只限于部分地区,全世界除欧洲国家与中国之外,其他的国家和地区仍然处于供不应求的状态。随着经济在不断地发展,全球的油井管需求量在不断地上涨,需求量最多的是美国,其次是俄罗斯、中国、中东地区、非洲北部地区,占总体油井管消耗量的85％。世界上除了主要油井管进口国之外,还有很多的国家和地区也有很大的市场需求。
国内市场上,目前国内各大油田使用最多的产品是J55、N80、P110。对于高钢级的油井管，其共性问题是韧性不稳或韧性偏低。因为高强度钢在低温下具有脆性且很难在冲击韧性和强度间达到平衡，因此通过改变钢的成分和热处理工艺来改善材料的强度和韧性成为主要手段。
现有油井管的生产技术，多采用添加Nb、Ti、Cr、Mo等贵金属元素，提高油井管钢的强度与韧性。但Nb、Ti、Cr、Mo价格相对较高，提高了钢材的生产成本。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种中锰油井管钢及其制备方法，用以解决现有油井管钢强韧性不匹配以及生产成本高的问题。
本发明是通过以下技术方案来实现的：
一种中锰油井管钢，其化学组成元素的质量百分比为：C：0.08～0.12wt％，Si：0.1～0.2wt％，Mn：3.0～4.0wt％，P：≤0.025wt％，S：≤0.005wt％，V：0.02～0.04wt％，Cu：0～0.4wt％，Al：≤0.06wt％，余量为Fe和无法避免的夹杂。
进一步，中锰油井管钢的化学组成元素的质量百分比为：C：0.09～0.11wt％，Si：0.12～0.18wt％，Mn：3.2～3.8wt％，P：≤0.020wt％，S：≤0.0045wt％，V：0.025～0.038wt％，Cu：0～0.35wt％，Al：≤0.06wt％，余量为Fe和无法避免的夹杂。
进一步，中锰油井管钢的微观组织包括回火马氏体、贝氏体以及附着于回火马氏体与贝氏体组织上的纳米VC析出物。
一种中锰油井管钢的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：钢锭或粗钢坯经冶炼与炉外精炼得到钢坯后加热钢坯；
步骤2：钢坯出炉后直接进行热轧；
步骤3：热轧后钢坯再进行调质热处理；
步骤4：经过调质后的钢坯冷却后得到中锰油井管钢。
进一步，步骤1中加热钢坯的加热温度为1180～1220℃。
进一步，步骤2中的热轧工艺，包括粗轧与精轧；粗轧分为2个道次，第一道次变形量为8～10％，第二道次变形量为9～11％；精轧分为4个道次，第一道次变形量为13～15％，第二道次变形量为20～22％，第三道次变形量为31～33％，第四道次变形量为47～49％。
进一步，步骤2中，控制热轧的终轧温度为820～880℃。
进一步，步骤3中调质采用先淬火后高温回火的热处理工艺。
进一步，步骤3中，淬火工艺为在温度900～920℃保温30min～90min后水淬；高温回火温度控制在640～660℃，保温2～3h。
进一步，步骤4中，将步骤3高温回火后的钢坯直接进行自然空冷得到中锰油井管钢。
与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
1、本申请中提供的中锰油井管钢，增加钢中锰元素的含量来提高钢的淬透性，Mn是钢材重要的强韧化元素，与现有技术相比，本发明提高Mn的添加量，明显提高钢的淬透性与强度，并获得回火马氏体与贝氏体，钢的屈服强度达到900MPa，室温冲击功大于200J。
2、本申请中通过调整钢材中合金含量，配合轧制与轧后调质热处理工艺，获得钢材的微观组织包括回火马氏体、贝氏体以及碳化钒析出物。回火马氏体组织保证中锰油井管钢具有良好的屈服强度与抗拉强度，贝氏体组织具有韧性，保证中锰油井管钢在获得优异的强度性能之外同样还具备良好的韧性，纳米级的碳化钒析出物附着于回火马氏体与贝氏体组织上，既能起到细晶强化的作用，同时也能起到沉淀强化的作用。回火马氏体、贝氏体以及附着于回火马氏体与贝氏体中上的碳化钒析出物，这种晶体组织结构，可以有效的增加了钢材的位错能，增强中锰油井管钢的强度与韧性。
3、本申请中提供的中锰油井管钢及其制备方法，金属元素仅添加Mn、V、Cu这三种元素，Mn是一种比Fe还要便宜的金属，V与Cu属于价格较高的金属元素，但是这两种金属元素的添加量小；现有的中锰油井管钢的生产中除了本申请中提到的上述金属元素，还会添加Cr、Ni、Ti、Mo以及其他的稀有金属元素，Cr、Ni、Ti以及稀有金属属于贵金属元素。因此，本申请中提供的中锰油井管钢及其制备方法，添加贵金属元素种类少，有效的降低生产成本，同时本申请中中锰油井管钢的屈服强度可以达到800～900MPa，优于现有中锰油井管钢的屈服强度在600～800MPa。
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为实施例1油井管钢中回火马氏体与贝氏体组织形貌；
图2为实施例2油井管钢中回火马氏体与贝氏体组织形貌。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
本发明提供了一种中锰油井管钢的化学成分，其元素质量百分比组分为：C：0.08～0.12wt％，Si：0.1～0.2wt％，Mn：3.0～4.0wt％，P：≤0.025wt％，S：≤0.005wt％，V：0.02～0.04wt％，Cu：0～0.4wt％，Al：≤0.06wt％，余量为Fe和无法避免的夹杂。
在一种可能的设计中，上述中锰油井管钢化学成分的质量百分比为：C：0.09～0.11wt％，Si：0.12～0.18wt％，Mn：3.2～3.8wt％，P：≤0.020wt％，S：≤0.0045wt％，V：0.025～0.038wt％，Cu：0～0.35wt％，Al：≤0.06wt％，余量为Fe和无法避免的夹杂。
下面对本发明中的各元素详细地进行说明，含量均指钢中各个元素的质量百分数。
C：C为奥氏体化稳定元素，能提高钢的淬透性，也能显著提高强度。但C含量不宜过高，过高的C会导致钢中析出粗大的碳化物，影响钢的韧性和焊接性能，因此C含量在0.08～0.12wt％为宜。
Si：Si能提高钢的屈服强度，抑制渗碳体的形成。但过多的Si能降低钢的塑性和韧性，并引起钢焊接性恶化，因此Si含量应控制在0.1～0.2wt％。
Mn：Mn是奥氏体形成元素，也是重要的强韧化元素。可以通过提高奥氏体的热力学稳定性明显、钢的淬透性并获得较多残余奥氏体及逆转变奥氏体，从而提高钢的韧塑性。但是Mn含量过高会增加钢的淬透性，影响焊接性和韧性，如果含量过低，在室温下无法得到稳定的逆转变奥氏体。本发明中Mn元素的作用效果显著，就是为了使材料获得优良的淬透性和通过形成逆转变奥氏体改善材料的韧性，因此本发明中Mn的含量控制在3.0～4.0％。
P：P可以在一定程度提高铁素体钢的强度，但过多的P会在晶界偏聚，使晶界脆化，导致韧性变差。此外，含P过高的钢在低温服役环境下会产生冷脆的现象。
S：S在钢中易形成MnS降低钢的韧性，在中锰油井管钢中，S含量需要严格控制。
V：V能与C结合形成VC钉扎晶界，减小晶粒尺寸，V也可固溶于基体，显著提高基体的屈服强度，提高强韧性。但V由于价格过贵，不宜添加过多的V，因此控制在0.02～0.04wt％。
Cu：Cu是奥氏体形成元素，也是最为有效的提高耐蚀性的元素之一，主要以固溶体存在，但是钢中铜含量过高会造成铸坯开裂。可以通过提高奥氏体的热力学稳定性可提高钢的淬透性并获得较多残余奥氏体及逆转变奥氏体。从Cu的沉淀强化与提高耐蚀性匹配综合考虑，本发明控制铜含量在0.4wt％以下。
实施例2
另一方面，本发明还提供一种中锰油井管钢的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：钢锭或粗钢坯经冶炼与炉外精炼得到钢坯后加热钢坯；
步骤2：钢坯出炉后直接进行热轧；
步骤3：热轧后钢坯再进行调质热处理；
步骤4：经过调质后的钢坯冷却后得到中锰油井管钢。
具体的，步骤1中对钢坯加热的温度控制在1180～1220℃。步骤2中热轧包括粗轧与精轧两个过程。其中，粗轧分为2个道次，第一道次变形量为8～10％，第二道次变形量为9～11％；精轧分为4个道次，第一道次变形量为13～15％，第二道次变形量为20～22％，第三道次变形量为31～33％，第四道次变形量为47～49％。在一个具体的实施例中，粗轧分为两个道次，第一道次变形量为8.33％，第二道次的变形量为9.09％；精轧分为4个道次，第一道次变形量为14.0％，第二道次变形量为20.93％，第三道次的变形量为32.35％，第四道次变形量为47.83％。终轧过后，钢的厚度为12mm。
值得说明的是，在热轧过程中，仅控制终轧温度为820～880℃，对开轧温度不做要求。终轧温度对钢材的组织影响很大，终轧温度低到两相区轧制时，会产生带状组织，不均匀的混晶组织导致性能的恶化；终轧温度过高则会引起轧后奥氏体组织充分再结晶和晶粒长大，降低钢材性能。因此，通过控制合适的开轧温度和终轧温度可以获得所需要的组织，有利于保证钢材的性能。粗轧和精轧的目的在于获得细小的晶粒组织，晶粒细化，既可以提高钢材的强度又可以提高钢材的冲击韧性。
特别的，为了防止钢在后续的热处理工艺中出现钢材表面开裂现象，在终轧完成后对钢坯进行盐水冷却。中锰油井管钢在经过粗轧与精轧后，钢材完全奥氏体化，完全奥氏体化的钢管在水中迅速变为淬火马氏体，钢材表面会发生开裂。因此，在热轧过后增加盐水冷却这一步骤，一是盐水淬火的冷却速度慢，可以有效防止钢材表面开裂；二是，盐水淬火较慢的冷速可以获得一部分的贝氏体组织，贝氏体组织的韧性优于淬火马氏体，也可以防止钢材表面的开裂。
为了使钢材获得更多的马氏体组织，提高钢材的强韧性，本申请中对精轧过后的钢板进行调质热处理工艺，调质采用先淬火后高温回火的热处理工艺。淬火温度为900～920℃，保温30min～90min后水淬；高温回火温度控制在640～660℃，保温2～3h后钢材直接空冷，即可得到钢板。淬火温度越高，钢材中获得的奥氏体体积越大，钢材的强度越高；但是淬火温度过高，回火马氏体的体积减少，钢材的冲击韧性会极大的降低。而本发明中采用高温回火，目的是有限减少基体中的残留奥氏体，有效提高钢材的强度。
本发明提供一种中锰油井管钢及其制备方法，采用低碳体系添加合金元素，再通过热处理工艺的调整，获得微观组织包括回火马氏体、贝氏体以及附着于回火马氏体与贝氏体组织上的纳米VC析出物的中锰油井管钢。Mn元素是钢材中重要的强韧化元素，本申请中提高了Mn元素的含量，增强了钢材的强度，而钢中的回火马氏体以及均匀附着于回火马氏体上的第二相析出物，则进一步提高了钢材的强度。
关于钢材的韧性，本申请中通过添加Cu、V元素提高钢的淬透性，确保钢材获得高韧性；另一方面，在调质过程中，钢中生成部分贝氏体，与回火马氏体相比，贝氏体具有良好的冲击韧性，有效提高中锰油井管钢的韧性。从图1与图2可以看出，本发明中制备的中锰油井管钢的基体组织主要以回火马氏体为主，有少量的贝氏体组织。
同时，VC的析出物细化晶粒，使得钢的晶粒尺寸减小，既起到沉淀强化的作用，又起到细晶强化的作用，提高了钢的强度。碳化钒析出物晶粒为纳米级颗粒，其平均颗粒尺寸为10～60nm。本申请中的纳米析出物钉扎晶界处，降低晶界能量，在钢液凝固中作为初生相形核核心，使得钢材晶粒得到细化，在热轧以及调质过程中使组织基体晶粒长大，细化晶粒。第二相析出物正是通过钢中细小的、弥散的第二相，与位错发生交互作用，造成对位错运动的障碍，增加钢材的错位能，从而提高钢材的强度。经检测，纳米级的VC析出物，将中锰油井管钢中的晶粒从30μm细化20μm左右，提高了中锰油井管钢的强度、塑性与冲击韧性。
实施例3
实施例3是5例具体的中锰油井管钢的化学成分与制备方法。经检测，本发明通过合金成分设计和热处理工艺获得的油井管钢，抗拉强度为860～900MPa，屈服强度在590～630MPa，常温下夏比冲击功大于220J。表1是实施例1～5中锰油井管钢的化学成分，表2是实施例1～5中锰油井管钢的制备工艺参数，表3是实施例1～5中锰油井管钢的力学性能。
表1：实施例1～5中锰油井管钢的化学成分(以质量比计％)
Figure BDA0002338340770000091
表2：实施例1～5中锰油井管钢的制备工艺参数
Figure BDA0002338340770000092
表3：实施例1～5中锰油井管钢力学性能
Figure BDA0002338340770000101
对比例
现有的一种中锰油井管钢及其制备方法，其化学组成元素的质量百分比为：C：0.15～0.2％；Si：0.5～0.55％；Mn：2.5～3.0％；Al：1.45～1.5％，其余为铁及其不可避免的杂质元素。采用这个元素添加量生产得到的中锰油井管钢，通过一系列的冶炼、连铸、热轧以及调质工艺，得到基体组织为奥氏体的中锰油井管钢，其屈服强度在500～600MPa，延伸率在30～40％。
本申请与对比例相比，本申请中提高了锰含量，同时又添加的微量的V元素，通过冶炼、热轧以及调质工艺得到基体组织为回火马氏体、贝氏体与碳化钒析出物的中锰油井管钢，其屈服强度为850～900MPa，断后延伸率在35～40％，断面延伸率为85～90％。本申请实现了中锰油井管钢高强度与高韧性相匹配。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种中锰油井管钢，其特征在于，中锰油井管钢的化学组成元素的质量百分比为：C：0.08～0.12wt％，Si：0.1～0.2wt％，Mn：3.0～4.0wt％，P：≤0.025wt％，S：≤0.005wt％，V：0.02～0.04wt％，Cu：0～0.4wt％，Al：≤0.06wt％，余量为Fe和无法避免的夹杂。
2.根据权利要求1所述的一种中锰油井管钢，其特征在于，中锰油井管钢的化学组成元素的质量百分比为：C：0.09～0.11wt％，Si：0.12～0.18wt％，Mn：3.2～3.8wt％，P：≤0.020wt％，S：≤0.0045wt％，V：0.025～0.038wt％，Cu：0～0.35wt％，Al：≤0.06wt％，余量为Fe和无法避免的夹杂。
3.根据权利要求1所述的一种中锰油井管钢，其特征在于，中锰油井管钢的微观组织包括回火马氏体、贝氏体以及附着于回火马氏体与贝氏体组织上的纳米VC析出物。
4.一种中锰油井管钢的制备方法，用于制备如权利要求1～3所述的中锰油井管钢，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：钢锭或粗钢坯经冶炼与炉外精炼得到钢坯后加热钢坯；
步骤2：钢坯出炉后直接进行热轧；
步骤3：热轧后钢坯再进行调质热处理；
步骤4：经过调质热处理后的钢坯冷却后得到中锰油井管钢。
5.根据权利要求4所述的一种中锰油井管钢的制备方法，其特征在于，所述步骤1中加热钢坯的加热温度为1180～1220℃。
6.根据权利要求4所述的一种中锰油井管钢的制备方法，其特征在于，所述步骤2中的热轧工艺，包括粗轧与精轧；粗轧分为2个道次，第一道次变形量为8～10％，第二道次变形量为9～11％；精轧分为4个道次，第一道次变形量为13～15％，第二道次变形量为20～22％，第三道次变形量为31～33％，第四道次变形量为47～49％。
7.根据权利要求4所述的一种中锰油井管钢的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，控制热轧的终轧温度为820～880℃。
8.根据权利要求7所述的一种中锰油井管钢的制备方法，其特征在于，所述步骤3中调质采用先淬火后高温回火的热处理工艺。
9.根据权利要求8所述的一种中锰油井管钢的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，淬火工艺为在温度900～920℃保温30min～90min后水淬；高温回火温度控制在640～660℃，保温2～3h。
10.根据权利要求9所述的一种中锰油井管钢的制备方法，其特征在于，所述步骤4中，将步骤3高温回火后的钢坯直接进行自然空冷得到中锰油井管钢。
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