本發(fā)明涉及鋼鐵行業(yè)中的合金結(jié)構(gòu)鋼的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種三牙輪鉆頭牙輪用鋼及其生產(chǎn)方法。

　　背景技術(shù)：

　　鉆具是鉆井工程的損耗件，一般鉆具（鉆頭）費用占鉆孔成本的40%~50%。牙輪鉆頭是使用最廣泛的一種鉆井鉆頭，具有的高效和長壽的特點。作為一種鉆削巖層的工具已廣泛應(yīng)用于石油鉆井、礦山開采和地質(zhì)鉆探中。牙輪鉆頭按牙齒類型可分為銑齒牙輪鉆頭、鑲齒牙輪鉆頭；按牙輪數(shù)目可分為單牙輪鉆頭、三牙輪鉆頭和組裝多牙輪鉆頭。國內(nèi)外使用最多、最廣的是三牙輪鉆頭。

　　牙輪鉆頭工作時切削齒交替接觸井底，破巖扭矩小，切削齒與井底接觸面積小，比壓高，易于吃入地層；工作刃總長度大，因而相對磨損小。牙輪鉆頭在旋轉(zhuǎn)時具有沖擊、壓碎和剪切破壞地層巖石的作用，所以，牙輪鉆頭能夠適應(yīng)軟、中、硬各種地層。鉆頭性能的不斷改進降低了鉆井成本，鉆頭的使用壽命和鉆速兩個指標(biāo)最終決定鉆井成本。提高鉆頭的機械轉(zhuǎn)速和使用壽命是降低鉆井成本的有效途徑，提高鉆速和使用壽命均主要由材質(zhì)和結(jié)構(gòu)決定的，在鉆頭結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化的情況下，采用高強度、高韌性、高耐磨性、耐腐蝕的鋼材可以顯著提高鉆速和使用壽命。在鉆井過程中，牙輪鉆頭承受復(fù)雜的循環(huán)載荷的作用，工作介質(zhì)為井液(礦層水)，大多井液含有腐蝕介質(zhì)，因而牙輪鉆頭的主要失效形式為合金齒脫落、斷裂和腐蝕、磨損。牙輪鉆頭的鉆速和使用壽命決定和影響了整套鉆井設(shè)備的工作效率。當(dāng)牙輪鉆頭發(fā)生斷裂后，還需要進行打撈、更換鉆頭的井場作業(yè)，這樣不但影響鉆采的周期，而且增加了開采和勘探費用，使開采成本上升。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，每發(fā)生一次斷裂事故，開采作業(yè)費和影響出油折價之和為2～3萬元。因此石油勘探、開采業(yè)必然會促進鋼質(zhì)牙輪鉆頭不斷向更高強度、高韌性、高耐磨性、高耐腐蝕性發(fā)展。

　　我國gb/t13343《礦用三牙輪鉆頭》和sy/t5164《三牙輪鉆頭》標(biāo)準(zhǔn)中對鋼質(zhì)三牙輪鉆頭力學(xué)性能等級進行了規(guī)定，其中石油和天然氣鉆井用三牙輪鉆頭牙輪鋼具有最高的力學(xué)性能：抗拉強度rm≥1078mpa、屈服強度re≥833mpa、斷后伸長率a≥10%、斷面收縮率z≥40%、沖擊吸收能量≥64j。目前國內(nèi)普遍采用的15mnni4mo（sn2025）牙輪鉆頭鋼，經(jīng)淬火+低溫回火處理之后，可以達(dá)到上述強韌性要求，但這種鋼抗拉強度達(dá)到1300mpa、屈服強度達(dá)到1100mpa已是極限，強度再進一步提升的空間有限。目前國內(nèi)牙輪鋼材普遍使用模鑄+鍛造工藝生產(chǎn)，生產(chǎn)效率低，生產(chǎn)成本高。

　　技術(shù)實現(xiàn)要素：

　　本發(fā)明的目的在于：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種三牙輪鉆頭牙輪用鋼及其生產(chǎn)方法，具備較gb/t13343和sy/t5164標(biāo)準(zhǔn)中三牙輪鉆頭牙輪鋼更高的強度。具有如下力學(xué)性能：抗拉強度rm≥1500mpa、屈服強度re≥1250mpa。本發(fā)明通過冶煉工藝控制有害元素和非金屬夾雜物，提高了材料的純凈度，提高了牙輪鉆頭的疲勞壽命。本發(fā)明采用連鑄+開坯+連軋工藝代替模鑄+鍛造，具備更高的生產(chǎn)效率和更低的生產(chǎn)成本。

　　本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是：

　　一種三牙輪鉆頭牙輪用鋼，其化學(xué)成分質(zhì)量百分比為：c:0.17~0.20%，si:0.20~0.35%，mn:0.75~0.95%，cr:0.22~0.30%，mo:0.30~0.40%，ni:3.40~3.75%，al:0.010~0.030%，p≤0.018%，s≤0.005%，[o]≤0.0012%，[n]≤0.0050%，[h]≤0.00015%，余量為fe。

　　下面具體說明本發(fā)明三牙輪鉆頭牙輪用鋼化學(xué)成分的限定理由：

　　c：能顯著提高鋼的強度，同時又可以提高鋼的淬透性和淬硬性，但也使鋼的塑性惡化，顯著提高鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度。為滿足淬透性，同時考慮沖擊韌性，并保證本鋼種具備良好的強韌性配合，c含量取0.17%-0.20%。

　　si：在鋼中能溶入鐵素體，能提高合金鋼的強度和硬度，降低鋼的塑性和韌性。其最低含量為0.18%才能達(dá)到效果，但過高的si含量，特別是與mn、cr元素共存時，容易引起鋼的晶粒粗化，增加鋼的回火脆性，同時si是顯著提高鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度元素之一。綜合材料的總體要求，本鋼種將si含量確定為0.20-0.35%。

　　mn：在鋼中能溶入鐵素體，強化基體，在軋后冷卻時能細(xì)化珠光體且能相對提高珠光體含量，因此，能提高強度和硬度，顯著提高淬透性，改善熱處理性能，且對材料的塑性影響較小。當(dāng)mn含量低于1.8%時，隨著其含量增加，鋼材強度不斷增加，而對韌性不會有顯著危害。綜合本發(fā)明的強韌性要求，mn含量確定為0.75%-0.95%。

　　cr：能顯著提高材料的淬透性，同時能提高硬度、抗腐蝕、耐磨和耐候性。cr還有提高鋼的淬火及回火穩(wěn)定性作用。綜合考慮，cr含量為0.22-0.30%。

　　mo：具有提高材料的淬透性、熱強性、抗腐蝕性與防點蝕傾向等作用，鋼中添加0.20%~0.40%的mo元素，對耐磨性提高非常顯著。所以本發(fā)明確定mo含量為0.30%-0.40%。

　　ni：能夠提高鋼的強度，同時保持良好的塑性和韌性。一定的鎳對酸堿有較高的耐腐蝕能力。鎳由于降低臨界轉(zhuǎn)變溫度和降低各元素的擴散速度，提高鋼的淬透性。在高溫下有防銹和耐熱能力，但是由于鎳是稀缺資源，價格昂貴。所以本發(fā)明中ni含量控制在3.40%-3.75%。

　　al：提高鋼的抗氧化性，降低鋼中氣體含量，提高鋼的耐磨性和疲勞強度，同時作為細(xì)化晶粒元素存在于鋼種，起到提高鋼的低溫性能和耐蝕性能的作用。但如果al含量過高，容易形成堅硬的al2o3夾雜，嚴(yán)重破壞鋼的沖擊韌性。所以本發(fā)明對al含量界定了明確的控制范圍為0.010%-0.030%。

　　o：在室溫時對鋼的強度影響不大，但使鋼的伸長率和面縮率顯著的降低，在較低溫度和o含量極低時，材料的強度和塑性均隨o含量的增加而急劇降低。沖擊性能方面，隨著o含量的增加沖擊的最大值逐漸降低，脆性轉(zhuǎn)變溫度卻很快地升高，脆性轉(zhuǎn)變溫度的范圍也隨著變寬。同時，隨著o含量的增加，材料的氧化夾雜物出現(xiàn)幾率大大增加，從而降低材料的疲勞壽命。本發(fā)明及生產(chǎn)工藝可以將o含量穩(wěn)定控制在0.0012%以內(nèi)。

　　h：氫使鋼的塑性降低，主要是使延伸率及斷面收縮率降低。氫在鋼中會產(chǎn)生“發(fā)紋”或形成應(yīng)力區(qū)，在鋼進行鍛軋加工時發(fā)紋擴展而形成裂紋，使鋼出現(xiàn)“白點”。同時氫還會引起點狀偏析、氫脆。因此，本發(fā)明及工藝將h控制在0.00015%以下。

　　n：氮能使鋼材強化，但顯著降低鋼材塑性和韌性，增加時效傾向和冷脆性。一般要求含量小于0.0080%。本發(fā)明及生產(chǎn)工藝可以將o含量控制在0.0050%以內(nèi)。

　　一種三牙輪鉆頭牙輪用鋼的生產(chǎn)方法，包括下列步驟：按上述組分的質(zhì)量百分比，

　　1）轉(zhuǎn)爐冶煉：在100噸以上的頂?shù)讖?fù)吹式轉(zhuǎn)爐中冶煉，以鐵水與優(yōu)質(zhì)廢鋼為原料進行初煉，實現(xiàn)預(yù)脫p，出鋼加入合成精煉渣、復(fù)合脫氧劑及多種高純合金進行預(yù)脫氧及成分初調(diào)；

　　2）精煉：在100噸以上的lf爐中進行鋼水深脫氧及合金化，精煉過程全程攪拌，精煉后期采用弱攪拌，防止鋼水二次氧化；

　　3）真空脫氣：在lf精煉后采用rh循環(huán)脫氣設(shè)備進行真空脫氣和去除夾雜物處理；

　　4）軟吹去除夾雜物：真空處理之后進行軟吹處理，軟吹時間為40分鐘，確保夾雜物充分上浮去除；

　　5）澆鑄：采用φ450mm圓坯連鑄機，使用結(jié)晶器保護渣、中間包覆蓋劑，實行全程全保護澆鑄生產(chǎn)；

　　6）軋鋼：利用開坯+連軋大棒材生產(chǎn)線大壓下量軋制φ70mm~φ130mm三牙輪鉆頭牙輪用鋼；

　　7）精整：采用軟化退火+矯直+拋丸+渦流探傷+超聲波探傷+人工修磨的精整工藝消除鋼材表面缺陷，剔除有內(nèi)部缺陷鋼材。

　　本發(fā)明更進一步改進方案是，所述步驟1）中，采用滑板擋渣留鋼出鋼防止回p。

　　本發(fā)明更進一步改進方案是，所述步驟2）中，造堿度渣r=5~8的精煉渣，通過鋼渣反應(yīng)強化脫s、去除夾雜。

　　本發(fā)明更進一步改進方案是，所述步驟2）中，所述弱攪拌的通氣速率小于200l/min。

　　本發(fā)明更進一步改進方案是，所述步驟3）中，在高真空下保持30分鐘以上，保證［h］≤0.00015%、［o］≤0.0012%，所有成分進入要求的范圍。

　　本發(fā)明更進一步改進方案是，所述步驟4）中，真空處理之后進行軟吹處理，軟吹時間為40分鐘，確保夾雜物充分上浮去除。

　　本發(fā)明更進一步改進方案是，所述步驟5）中，采用6機6流連鑄機，澆鑄生產(chǎn)φ450mm連鑄圓坯。

　　本發(fā)明更進一步改進方案是，所述步驟6）中，采用1080~1100℃開軋、950~980℃終軋控溫軋制，充分細(xì)化原始晶粒度。

　　按照本發(fā)明生產(chǎn)高強度、長壽命三牙輪鉆頭牙輪用鋼（18mncrni4mo），具有高強度以及高純凈度，材料經(jīng)過整體淬火+低溫回火后力學(xué)性能可以達(dá)到如下水平：抗拉強度rm≥1500mpa、屈服強度re≥1250mpa。

　　本發(fā)明的有益效果在于：

　　第一、本發(fā)明的一種三牙輪鉆頭牙輪用鋼及其生產(chǎn)方法，通過合理設(shè)計c、cr含量，使材料性能具有較gb/t13343和sy/t5164標(biāo)準(zhǔn)中三牙輪鉆頭牙輪鋼更高的強度，且其整體力學(xué)性能也更為均勻、穩(wěn)定。

　　第二、本發(fā)明的一種三牙輪鉆頭牙輪用鋼及其生產(chǎn)方法，使用al進行強脫氧、專用合成精煉渣精煉，利用rh真空設(shè)備進行脫氣處理，長時間軟吹去除夾雜物，全程保護澆注，提高了材料的潔凈度，從而提高了材料的疲勞壽命。

　　第三、本發(fā)明的一種三牙輪鉆頭牙輪用鋼及其生產(chǎn)方法，采用鐵水預(yù)處理+bof+lf+rh+ccm工藝，保證較低的h、o、n含量和有害殘余元素含量，使得材料具有優(yōu)異綜合力學(xué)性能。

　　第四、本發(fā)明的一種三牙輪鉆頭牙輪用鋼及其生產(chǎn)方法，采用開坯+連軋的軋制工藝，在保證壓縮比的前提下，加大前三道次的壓下量，有效提高鋼材組織的致密性，避免了因內(nèi)部缺陷導(dǎo)致的疲勞失效。

　　第五、本發(fā)明的一種三牙輪鉆頭牙輪用鋼及其生產(chǎn)方法，通過連鑄+軋制工藝代替模鑄+鍛造，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。

　　第六、本發(fā)明的一種三牙輪鉆頭牙輪用鋼及其生產(chǎn)方法，通過合理成分設(shè)計及先進的工藝滿足了高深度、復(fù)雜地層鉆探的要求，有效減少了牙輪鉆頭的失效次數(shù)，延長了鉆頭的使用壽命，大幅節(jié)約了成本，提高了生產(chǎn)效率。

　　附圖說明

　　圖1為目前國內(nèi)使用的高強度牙輪鉆頭用鋼15mnni4mo與本發(fā)明的化學(xué)成分對比表。

　　圖2為4組實施例的化學(xué)成分對比表。

　　圖3為4組實施例與15mnni4mo鋼的力學(xué)性能對比表。

　　圖4為4組實施例非金屬夾雜物控制水平表。

　　具體實施方式

　　如圖1所示，本發(fā)明的化學(xué)組分與15mnni4mo鋼化學(xué)組分的對比情況。

　　并按照按照以下方法生產(chǎn)制備4組實施例：

　　1）轉(zhuǎn)爐冶煉：在100噸以上的頂?shù)讖?fù)吹式轉(zhuǎn)爐中冶煉，以鐵水與優(yōu)質(zhì)廢鋼為原料進行初煉，實現(xiàn)預(yù)脫p，出鋼加入合成精煉渣及多種高純合金進行預(yù)脫氧及成分初調(diào)，采用滑板擋渣留渣出鋼防止回p；

　　2）精煉：在100噸以上的lf爐中進行鋼水深脫氧及合金化，造高堿度精煉渣，通過鋼渣反應(yīng)強化脫s、去夾雜，精煉過程全程攪拌，精煉后期采用弱攪拌，防止鋼水二次氧化；

　　3）真空脫氣：在lf精煉后采用rh循環(huán)脫氣設(shè)備進行真空脫氣和去除夾雜物處理，在高真空下保持25分鐘以上，保證［h］≤0.00015%、［o］≤0.0012%，所有成分進入要求的范圍；

　　4）軟吹去除夾雜物：真空處理之后進行軟吹處理，軟吹時間為40分鐘，確保夾雜物充分上浮去除；

　　5）連鑄：采用φ450mm圓坯連鑄機，使用結(jié)晶器保護渣、中間包覆蓋劑，實行全程全保護澆鑄生產(chǎn)；

　　6）軋鋼：利用開坯+連軋大棒材生產(chǎn)線大壓下量軋制φ70mm～φ130mm三牙輪鉆頭牙輪用鋼，采用1080~1100℃開軋、950~980℃終軋控溫軋制，充分細(xì)化原始晶粒度；

　　7）精整：采用軟化退火+矯直+拋丸+渦流探傷+超聲波探傷+人工修磨的精整工藝消除鋼材表面缺陷，剔除有內(nèi)部缺陷鋼材。

　　以上制備方法中未加限定的工藝條件均可參照本領(lǐng)域常規(guī)技術(shù)。

　　如圖2所示，所得各實施例的三牙輪鉆頭牙輪用鋼（18mncrni4mo）的化學(xué)成分。

　　如圖3所示，所得各實施例的三牙輪鉆頭牙輪用鋼（18mncrni4mo）的力學(xué)性能與現(xiàn)有技術(shù)的對比情況。

　　如圖4所示，所得各實施例的非金屬夾雜物控制水平對比情況。

　　一般特級優(yōu)質(zhì)鋼非金屬夾雜物控制級別為各系均≤1.5級，而本發(fā)明通過合理的工藝設(shè)計和過程控制，非金屬夾雜物已穩(wěn)定控制在1.0級以下，鋼質(zhì)純凈度極高；而且，其中c粗和c細(xì)均為0級。

　　技術(shù)特征：

　　技術(shù)總結(jié)

　　本發(fā)明公開了一種三牙輪鉆頭牙輪用鋼，其化學(xué)成分質(zhì)量百分比為：C:0.17~0.20%，Si:0.20~0.35%，Mn:0.75~0.95%，Cr:0.22~0.30%，Mo:0.30~0.40%，Ni:3.40~3.75%，Al:0.010~0.030%，P≤0.018%，S≤0.005%，[O]≤0.0012%，[N]≤0.0050%，[H]≤0.00015%，余量為Fe。從上述結(jié)構(gòu)可知，本發(fā)明的一種三牙輪鉆頭牙輪用鋼及其生產(chǎn)方法，通過合理設(shè)計C、Cr含量，使材料性能具有較GB/T?13343和SY/T?5164標(biāo)準(zhǔn)中三牙輪鉆頭牙輪鋼更高的強度，且其整體力學(xué)性能也更為均勻、穩(wěn)定。

　　技術(shù)研發(fā)人員：左輝;翟萬里;鄭力寧;肖波;張洪才;印傳磊;林鵬;石可偉

　　受保護的技術(shù)使用者：江蘇沙鋼集團淮鋼特鋼股份有限公司

　　技術(shù)研發(fā)日：2018.06.21

　　技術(shù)公布日：2018.09.04