日標(biāo)石油深井鉆頭用鋼SCM440H的研發(fā)

李 月

（山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司技術(shù)中心，山東 濟(jì)南 271104）

1 前 言

在石油深井的鉆探過(guò)程中，鉆頭工作條件極其惡劣，承載很大的震動(dòng)與扭轉(zhuǎn)，并且泥漿中存在硫化氫、二氧化碳和氧等氣體，造成鉆頭的腐蝕，產(chǎn)生蝕坑，甚至引起鉆頭的氫脆［1］，因此，對(duì)鉆頭基體的材料質(zhì)量要求很高。SCM440H 為日標(biāo)Cr-Mo 系淬透性結(jié)構(gòu)鋼，近似對(duì)應(yīng)國(guó)標(biāo)牌號(hào)40CrMo［2］，具有高強(qiáng)度和韌性，淬透性高，調(diào)質(zhì)處理后有較高的疲勞極限和抗多次沖擊性能，低溫沖擊韌性良好［3］，無(wú)明顯的回火脆性，因此，被用于石油深井鉆頭。

2 工業(yè)試制

結(jié)合用戶(hù)實(shí)際需求，僅添加Cr、Mo 元素，使SCM440H 的低倍組織、力學(xué)性能、非金屬夾雜物、末端淬透性、晶粒度、表面質(zhì)量等各項(xiàng)指標(biāo)滿(mǎn)足客戶(hù)需求。生產(chǎn)工藝流程：配料（鐵水預(yù)處理）→100 t電爐→LF 精煉+VD 真空脫氣處理→連鑄（電磁攪拌）→熱送/緩冷→軋制成材。

2.1 成分設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)鋼中化學(xué)成分如表1 所示。向中碳鋼中添加Cr、Mo微合金化元素，Cr元素顯著提高鋼的淬透性、強(qiáng)度和硬度，但同時(shí)降低塑性和韌性。Mo元素的主要作用是細(xì)化晶粒［4］，也是提高材料綜合性能的主要元素，能增加鋼的硬度和強(qiáng)度，改善鋼的高溫抗拉強(qiáng)度，消除回火脆性。雖然Cu 元素能提高強(qiáng)度和韌性，但在熱加工時(shí)容易產(chǎn)生熱脆，S增加鋼的熱脆性，P增加鋼的冷脆性，因此，要嚴(yán)格控制鋼中的Cu、S、P含量。

表1 化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

2.2 冶煉、連鑄及軋制工藝

采用100 t UHP 電爐冶煉，熱裝鐵水不少于40%，電爐電弧加熱、吹氧、噴粉造泡沫渣、氧化升溫、脫碳脫磷、留鋼留渣操作。溫度T≥1 540 ℃，取樣全分析，終點(diǎn)成分嚴(yán)格控制：終點(diǎn)C≥0.10%，P≤0.015%，殘余元素含量符合標(biāo)準(zhǔn)要求；出鋼溫度1 600～1 640 ℃，出鋼過(guò)程隨鋼流加鋼芯鋁，鋼包合金化時(shí)按照成分下限配入合金調(diào)整。

LF 精煉噸鋼渣料＞12 kg，加強(qiáng)脫硫操作。取一次樣前，喂入鋁線(xiàn)，在白渣下取樣全分析。根據(jù)一次樣分析結(jié)果，按內(nèi)控要求調(diào)整C、Si、Mn、Cr、Mo等成分含量。LF出鋼前，按照噸鋼1.5～3.5 m喂入鈣線(xiàn)。當(dāng)化學(xué)成分符合內(nèi)控目標(biāo)要求，白渣保持時(shí)間＞20 min時(shí)達(dá)到出鋼條件。

入VD 真空精煉脫氣前要控制渣量，真空度處理時(shí)間≥25 min，軟吹氬時(shí)間不小于20 min，軟吹氬時(shí)嚴(yán)禁裸露鋼水和大氬氣量攪拌降溫。VD 處理后，取樣全分析作為熔煉成品分析結(jié)果。

連鑄環(huán)節(jié)電磁攪拌確保正常使用，中間包烘烤良好并保持清潔，中間包液面不低于800 mm，結(jié)晶器液面波動(dòng)≤±2 mm，恒拉速澆注。采用專(zhuān)用連鑄保護(hù)渣，使用中包覆蓋劑。液相線(xiàn)溫度按照1 493℃，正常爐次中包過(guò)熱度按20～30 ℃目標(biāo)控制，以防鋼水在連鑄傳遞過(guò)程中發(fā)生二次氧化［5］。

軋制前要認(rèn)真檢查軋輥、導(dǎo)衛(wèi)、輥道等，避免損傷鋼材表面，坯料加熱制度見(jiàn)表2。既要保證鋼坯加熱均勻，使鋼中碳氮化物充分固溶，又要防止脫碳和粘爐。開(kāi)軋溫度1 100 ℃～1 180 ℃，加強(qiáng)對(duì)軋制節(jié)奏的控制，保證終軋溫度≥900～1 000 ℃。

表2 加熱制度

3 實(shí)物質(zhì)量

SCM440H 合結(jié)鋼主要規(guī)格為Φ20～90 mm，統(tǒng)計(jì)40爐次SCM440H的成分及物理性能控制情況。

3.1 化學(xué)成分

產(chǎn)品實(shí)際化學(xué)成分如表3所示，爐次成分均滿(mǎn)足技術(shù)協(xié)議要求，成分均勻性控制良好。

表3 SCM440H熔煉成分檢測(cè)結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

3.2 低倍組織

鋼材的橫截面酸浸低倍組織試片上沒(méi)有目視可見(jiàn)的縮孔、氣泡、裂紋、翻皮、白點(diǎn)、晶間裂紋等影響使用的缺陷。檢驗(yàn)結(jié)果為一般疏松0.5 級(jí)，中心疏松0.5～1級(jí)，偏析0.5級(jí)，不存在一般點(diǎn)狀偏析和邊緣點(diǎn)狀偏析。

3.3 力學(xué)性能

SCM440H 合結(jié)鋼的主要力學(xué)性能指標(biāo)如表4所示，實(shí)物產(chǎn)品質(zhì)量抽檢結(jié)果表明，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、沖擊試驗(yàn)結(jié)果都能滿(mǎn)足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求，性能合格率100%。

表4 產(chǎn)品力學(xué)性能

3.4 非金屬夾雜物

抽檢SCM440H合結(jié)鋼產(chǎn)品實(shí)物質(zhì)量的非金屬夾雜物等級(jí)結(jié)果表明，A、B、C、D級(jí)夾雜物等級(jí)均滿(mǎn)足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求，合格率100%。

3.5 淬透性

抽檢SCM440H合結(jié)鋼產(chǎn)品實(shí)物質(zhì)量的淬透性（HRC），結(jié)果表明淬透性均滿(mǎn)足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求，合格率100%。

3.6 晶粒度

抽檢SCM440H合結(jié)鋼產(chǎn)品實(shí)物質(zhì)量的晶粒度≥7級(jí)，結(jié)果表明均滿(mǎn)足相應(yīng)晶粒度＞6級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)要求，合格率100%。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)向中碳鋼添加Cr、Mo微合金化元素，開(kāi)發(fā)出滿(mǎn)足出口需求的SCM440H石油深井鉆頭用熱軋圓鋼，其力學(xué)性能、非金屬夾雜物、淬透性、晶粒度等指標(biāo)均滿(mǎn)足技術(shù)協(xié)議要求，已實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，優(yōu)化了萊鋼特鋼產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，創(chuàng)造出較好的經(jīng)濟(jì)效益。