低溫高強(qiáng)度鉆機(jī)用LS9#鑄鋼的制備工藝開發(fā)

王 剛,麻曉峰,劉 林,李國洲,馬汲江

(蘭州蘭石集團(tuán)有限公司鑄鍛分公司，甘肅 蘭州 730314)

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展和傳統(tǒng)資源的短缺，世界石油和天然氣的開采呈現(xiàn)出快速增長的趨勢，我國石油開采設(shè)備進(jìn)出口量明顯增加；鉆井區(qū)域不僅局限于常規(guī)的陸地和海洋，還向高寒地區(qū)進(jìn)發(fā)，如俄羅斯的油田主要集中于西伯利亞靠近北極的地區(qū)；加拿大、美國、哈薩克斯坦、挪威等北美、北歐和中亞地區(qū)，以及我國的東北、新疆、西北、華北冬季井場都分布著高寒地區(qū)油田。高寒地區(qū)油田均要求鉆機(jī)在-45 ℃左右能正常工作，而常規(guī)鉆機(jī)使用的結(jié)構(gòu)鋼很多都無法滿足如此低溫的要求[1,2]，低溫鉆機(jī)在材料方面面臨新的挑戰(zhàn)。鉆機(jī)的提升系統(tǒng)、絞車、箱體等部件都是鑄鋼件，在低溫下不僅需要有較高的強(qiáng)度和硬度，而且還需要有良好的低溫沖擊韌性，鑄件的性能直接影響整臺(tái)鉆機(jī)的運(yùn)行和工作人員的安全。因此，亟需開發(fā)出適合低溫環(huán)境中鉆機(jī)用鑄鋼材料，以保證鉆機(jī)在低溫服役環(huán)境中的穩(wěn)定性及安全性。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 化學(xué)成分設(shè)計(jì)

體心立方結(jié)構(gòu)金屬材料(如鐵、鎢和鉬等)的沖擊韌性隨著溫度的降低而急劇下降，即具有韌脆轉(zhuǎn)變現(xiàn)象，韌脆轉(zhuǎn)變溫度(DBTT)主要與位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)有關(guān)，溫度在DBTT以上時(shí)，材料內(nèi)部可運(yùn)動(dòng)的滑移系足夠多，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)不隨溫度變化而受阻；當(dāng)溫度在DBTT以下時(shí)，溶質(zhì)原子、晶界等對位錯(cuò)的扎釘作用明顯增強(qiáng)，塑性變形過程中位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻，導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展迅速，降低沖擊性能[3]。以ASTM A148 115-95材料為基礎(chǔ)，在一定范圍內(nèi)，對LS9#鑄鋼進(jìn)行了成分設(shè)計(jì)，以提高LS9#鑄鋼低溫性能。C元素可以提高鋼的強(qiáng)度和硬度，但為了保證鋼的韌性指標(biāo)，應(yīng)減少珠光體組織含量，因此，C的含量不能太高；在低合金鋼中加入合金元素可改善鋼的淬透性及細(xì)化晶粒，還能增強(qiáng)低溫性能及耐腐蝕性能等。錳、鉻、鎳、鉬元素對低合金鋼有很好的強(qiáng)化作用，不僅可以改變鋼的強(qiáng)度和硬度，還可以增強(qiáng)鋼的沖擊性能。Mn元素在鋼中的主要作用是通過固溶強(qiáng)化來提高鋼材的強(qiáng)度，當(dāng)C含量比較低時(shí)，Mn元素是保證鋼材強(qiáng)度的重要元素。Ni在鋼中為固溶元素，具有明顯降低冷脆轉(zhuǎn)變溫度的作用，Ni元素在提高強(qiáng)度的同時(shí)，可改善鋼的塑性和韌性，特別是低溫韌性。Mo元素對低合金鋼有很大的強(qiáng)化作用，可提高強(qiáng)度和硬度，降低鋼的臨界冷卻速度，提高淬透性。Cr元素增加鋼的淬透性和二次硬化作用。另一方面，要獲得良好的低溫性能，鋼中的P、S及其他雜質(zhì)元素等要盡可能的低[4, 5]。

根據(jù)我公司低合金高強(qiáng)度鑄鋼LS8#低溫沖擊值-40 ℃僅達(dá)到≥27 J，不能滿足材料ASTM A148 115-95低溫-40 ℃沖擊值≥50 J的要求。結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及生產(chǎn)條件，對美標(biāo)ASTM A148 115-95牌號(hào)進(jìn)行具體材料成分設(shè)計(jì)和熱處理工藝研制，開發(fā)出LS9#新材料，設(shè)計(jì)成分如表1所示。

表1 LS9#材料化學(xué)成分 單位：%

力學(xué)性能如表2所示，滿足ASTM A148 115-95要求。

表2 LS9#力學(xué)性能要求

1.2 冶煉過程操作要點(diǎn)

(1)10tEAF爐冶煉要點(diǎn)

冶煉LS9#鋼時(shí)，確保爐體狀態(tài)良好，爐壁無殘鋼、殘?jiān)谎b料前在爐底預(yù)裝鋼水料重3%的石灰，裝料后采用大電流快速升溫熔化，爐料熔化到70%～80%后裝二次料。熔化后期吹氧助熔，補(bǔ)加石灰提前去磷。根據(jù)化清后鋼水成分補(bǔ)加合金，符合成分要求后扒渣、出鋼、將鋼水兌入AOD爐中。出鋼過程要求：大口出鋼、快速出鋼，做到鋼、渣混出，防止鋼水氧化。

(2)AOD爐精煉要點(diǎn)

接鋼后測溫，根據(jù)10tEAF出鋼化學(xué)成分及溫度計(jì)算輸氧量，按工藝要求氣體比例進(jìn)行吹煉。吹煉結(jié)束后，進(jìn)行取樣分析、測溫，溫度應(yīng)≥1660 ℃。根據(jù)爐內(nèi)溫度、化學(xué)成分、合金加入量計(jì)算還原混合料量。碳分析結(jié)果≤0.15%，加入還原混合料，用純Ar攪拌5分鐘，取樣全分析，測溫。根據(jù)樣分析結(jié)果加入合金微調(diào)成分后，用Ar攪拌2分鐘后出鋼。

(3)澆注工藝要點(diǎn)

澆注鋼包及中間包須清理干凈，烘烤溫度≥800 ℃；塞頭打磨圓滑，做到塞頭與水口充分研磨，打光不透亮。安裝塞桿后，調(diào)整位置，上下活動(dòng)不得偏離水口，水口直徑按照澆注箱數(shù)及鑄件壁厚、復(fù)雜程度選用。出完鋼后鎮(zhèn)靜7～9分鐘測溫澆注。澆注時(shí)水口全流澆注，澆注后期適當(dāng)收流。試樣在澆鑄中期澆注。

1.3 熱處理工藝設(shè)計(jì)

為了使鑄件力學(xué)性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，對該材料進(jìn)行熱處理工藝設(shè)計(jì)，根據(jù)材料成分計(jì)算出AC3、AC1相轉(zhuǎn)變溫度，熱處理過程為淬火+高溫回火，在AC3以上溫度進(jìn)行淬火保溫，細(xì)化晶粒，均勻成分，提高鑄件的低溫韌性，采用高溫回火，使鑄件的力學(xué)性能滿足要求[6-8]。鑄件的設(shè)計(jì)熱處理工藝為：淬火(920±10 ℃)+回火(600±10 ℃)，鑄件及試樣熱處理完成后，對其進(jìn)行力學(xué)性能檢測。熱處理曲線如圖1所示。

圖1 LS9#鋼熱處理曲線圖

圖2為澆注完的鑄件打箱后通過撞冒口、熱處理、清砂、打磨探傷、焊補(bǔ)、熱處理、打磨探傷、焊補(bǔ)、劃線、卡樣板、檢外觀等工序后的成品實(shí)物圖。

圖2 LS9#鋼鑄件實(shí)物圖

2 結(jié)果與分析

經(jīng)過10tEAF+AOD冶煉，澆注鑄件及基爾試棒，經(jīng)過熱處理(淬火+高溫回火)后切取試樣檢測其化學(xué)成分、力學(xué)性能、金相組織等技術(shù)指標(biāo)。

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 222-2006，采用真空直讀光譜儀(型號(hào)：QSN-750)檢測試件化學(xué)成分。按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228-2010 規(guī)定要求，在電子萬能試驗(yàn)機(jī)(型號(hào)：CMT5305)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。沖擊實(shí)驗(yàn)按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 229-2020 規(guī)定在沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，沖擊試驗(yàn)溫度為-40 ℃，每組3個(gè)試樣，尺寸為55 mm×10 mm×10 mm。在試驗(yàn)板上截取金相試樣，試樣經(jīng)機(jī)械研磨、拋光、3%硝酸酒精溶液腐蝕后，利用AXIO 光學(xué)顯微鏡(型號(hào)：Axio Observer.Z1m)觀察顯微組織。

表3為不同爐次的成品化學(xué)成分。對三爐次冶煉鑄造的產(chǎn)品進(jìn)行成分及熱處理結(jié)果分析，可以看出：所有元素含量均在設(shè)計(jì)成分內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。S和P的含量較低，為鑄件獲得高強(qiáng)韌性和低溫沖擊韌性提供了基礎(chǔ)。

表3 不同爐次鑄件成品化學(xué)成分 單位：%

LS9#鋼種冶煉工藝路線為10tEAF+AOD，冶煉過程中應(yīng)注意使用低磷硫廢鋼。磷和硫的存在，可降低鋼的塑性和韌性等力學(xué)性能，因此，必須嚴(yán)格控制硫磷的含量，煉鋼過程中盡可能地去除雜質(zhì)，降低P、S含量，以保證在低溫下有較好的低溫沖擊韌性。通過AOD精煉，進(jìn)行吹氬操作，降低鋼液中的氣體含量。冶煉過程通過光譜分析進(jìn)行爐前快速檢測，以保證化學(xué)成分在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

按照設(shè)計(jì)熱處理工藝對三爐次鑄件產(chǎn)品及試樣進(jìn)行了熱處理，熱處理完成后，對產(chǎn)品及試樣進(jìn)行了性能檢測，結(jié)果如表4所示。可以看出，三組試樣的力學(xué)性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，并且-40 ℃時(shí)的低溫沖擊值達(dá)到了140 J左右，表現(xiàn)出了較好的低溫沖擊性能。

表4 不同爐次試樣熱處理后力學(xué)性能

根據(jù)表4可以看出，第3爐次中的低溫沖擊值最低，通過查閱文獻(xiàn)，對比成分表進(jìn)行分析，Mn含量升高，使組織中碳化錳的含量上升，影響組織的不穩(wěn)定性，從而造成了沖擊值的下降，Ni能顯著提升鋼的低溫沖擊性能及強(qiáng)度，因此，在低溫鋼中，應(yīng)該嚴(yán)格控制Mn和Ni的含量。熱處理過程對鋼的性能起決定性作用，通過淬火可以均勻成分，使未溶進(jìn)奧氏體的鐵素體割裂奧氏體，鐵素體彌散分布，阻止了奧氏體晶粒長大，使得晶粒細(xì)化，提高了鑄件的低溫韌性[9,10]。

圖3為經(jīng)過熱處理后的LS9#鋼鑄件試樣金相組織圖，最終熱處理后鑄件組織為回火馬氏體。經(jīng)過檢測，襯板力學(xué)性能完全滿足要求，探傷合格，符合標(biāo)準(zhǔn)及客戶要求。通過成分及熱處理工藝設(shè)計(jì)成功開發(fā)出了LS9#鋼，完全滿足低溫條件下使用條件，并表現(xiàn)出了優(yōu)異的低溫沖擊性能。

圖3 LS9#鑄件試樣金相組織圖

3 結(jié)論

通過對ASTM A148 115-95材料進(jìn)行化學(xué)成分設(shè)計(jì)及熱處理工藝研究，對熱處理后的試樣進(jìn)行力學(xué)性能檢測后，得出以下結(jié)論：

(1)根據(jù)要求對材料成分進(jìn)行設(shè)計(jì)，制定合理的冶煉工藝，產(chǎn)品的化學(xué)成分滿足設(shè)計(jì)要求；

(2)對試樣經(jīng)過淬火+高溫回火熱處理后，進(jìn)行力學(xué)性能檢測，性能完全滿足要求，鑄件的抗拉強(qiáng)度達(dá)到了851 MPa，屈服強(qiáng)度達(dá)到了766 MPa，伸長率達(dá)到17%，斷面收縮率達(dá)到41%，低溫(-40 ℃)沖擊值達(dá)到143 J，硬度達(dá)到260 HBW。

(3)通過合理的化學(xué)成分及熱處理工藝設(shè)計(jì)，開發(fā)出的新材料LS9#(ASTM A148 115-95)表現(xiàn)出較好的低溫性能，完全滿足客戶要求。