本发明涉及一种石油钻探保护用铸铁件及其制备方法，具体涉及一种石油钻探保护用高硬度高韧性定力溃散球墨铸铁件及其制备方法。
背景技术：
石油钻探过程中，由于各种地质情况不同，当钻头遇到硬质地层时，钻探机械受到的压力增大。若钻探机械继续在高压下作业，就会发生机械抱死，导致整个钻探机械的报废，俗称“憋钻”。“憋钻”严重时可能致使整个钻井报废，造成极大经济损失。
目前，“憋钻”事故在世界各油田普遍存在，据世界石油组织的统计，全世界每年因“憋钻”事故造成的经济损失达148亿美元。目前各国在预防“憋钻”事故发生上尚没有行之有效的方法。
为此，石油机械生产供应商通过对全球各大油田及地质情况等数据的收集，并根据目前各大油田钻探设备的特点，计划研制一种石油钻探机械保护系统，以保证钻井安全。该系统的核心部件为镶嵌在钻杆连接处的铸铁件，当钻头遇到硬质地层时，钻探机械受到的压力增大，当压力增大到一定值时该铸铁件自动溃散（轴向破碎）释放压力，使钻探机械及时停止工作。由于所述铸铁件为一小型筒状顶套，溃散后方便更换，更换后可继续工作，能最大限度保护钻探机械，提高钻探效率。
由于铸铁件镶嵌在钻杆连接处，工作时不断承受钻杆的冲击和摩擦，要求其由具有高硬度、高韧性以及定力溃散等特点的新型球墨铸铁材料制造。现有的球墨铸铁材料硬度和韧性是一对矛盾关系，当硬度增加时其韧性会降低，并且溃散压力值不易控制，无法满足该系统要求。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是，提供一种石油钻探保护用高硬度高韧性定力溃散铸铁件，并提供其制备方法，铸铁件用于石油钻探保护系统，具有满足要求的硬度、韧性和定力溃散性能。
本发明的技术方案如下：
一种石油钻探保护用高硬度高韧性定力溃散铸铁件，其特征在于所述铸铁件材料的化学成分质量百分比为：c3.5%～3.8%，si2.5%～2.7%，mn≤0.5%，cu0.3～0.4%,p≤0.05%，s≤0.016%，re0.02%～0.04%，mg0.04%～0.06%，余量为fe和不可避免的杂质。
所述铸铁件为两端部均开口的筒状，外侧面上开设有若干周向外膨胀槽，筒壁上开设有若干条周向均布的轴向切槽，所有切槽的开口端位于铸铁件同一个端部。
铸铁件材质的抗拉强度≥550mpa，屈服强度≥350mpa，延伸率≥14%，硬度达到50～55hrc。
所述的石油钻探保护用高硬度高韧性定力溃散铸铁件的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
（一）、熔炼：
首先按照铸件化学成分比例要求，将原料投入电炉熔化处理，然后升温至1520～1550℃，静置后进行扒渣，降温，出炉；
（二）、喂丝球化、孕育处理；
（三）、瞬时孕育处理；
（四）、开箱、清理；
（五）、正火、回火工艺：正火温度控制在840～860℃，保温时间在1.5～2.5h,然后出炉空冷，然后在550～570℃回火，回火时间控制在0.5～3h；
（六）、高频淬火工艺：将工件在高频炉中加热到860～880℃，保温1.5～2.5h，然后进行60～80℃水淬。
还包括以下步骤：设定球墨铸铁件的切槽数量在12～24条之间选择，切槽宽度2.5～3.5mm之间选择，然后对球墨铸铁件切槽一定深度后进行压力试验，根据轴向破裂压力值：受压10000～12000磅之间轴向破裂再调整切槽深度。
以下是本发明的关键技术分析。
一、产品材料组分配比的确定。
通过对各元素与材料的金相组织和力学性能的影响规律进行理论分析和实验研究，确保球墨铸铁材料具备高韧性和高强度力学性能。
碳和硅是促进石墨化元素。在一定的冷却速度和孕育条件下，碳当量增加可以提高球铁的石墨化程度，碳化物形态存在的数量减少，石墨形态存在的数量增加，在组织上表现为白口倾向减小，铸态渗碳体和珠光体数量减少。
由于石墨呈球状，对基体的削弱作用减小，提高碳量对力学性能不产生明显的不利影响，但是随着碳当量的提高，会出现缩孔，而且缩孔体积不断增加，当碳当量在4.2%左右时，缩孔体积最大，碳当量继续增加，缩孔的体积反而减少，但会出现分散性缩松。碳量或碳当量过高会引起石墨漂浮。碳量的提高还会使脆性转变温度略有降低。经过分析研究，最终确定铸件材料c的成分控制在3.5～3.8%之间。
在硅量较低时，硅对石墨化的影响较大，例如高碳低硅球铁白口倾向较大，这时只要少量增硅就可明显地减小白口倾向。以孕育剂方式加入的硅比炉料中的硅，石墨化作用更为强烈，其影响远不止碳对石墨化作用能力的三分之一。如果充分利用饱和孕育状态（加入孕育剂后，铁水中结晶核心很快增加，然后逐渐减少，结晶核心达到最高数量，称为饱和孕育状态），不很高的碳当量和少量的孕育增硅也可以消除铸态渗碳体。孕育处理不仅促进石墨化，更重要的意义在于细化共晶团，改善石墨圆整度。在上述情况下，硅量增加，使渗碳体、珠光体减少，铁素体增多，共晶团细化、石墨圆整，韧性提高。依据从炉前铁液到形成铸件的增si过程，结合热处理后的力学性能的变化，经过分析研究计算，最终确定si的成分控制在2.5～2.7%之间。另外，为了保证强度及硬度，我们还加入了0.3～0.4%的铜，加入铜的目的是提高珠光体含量，稳定基体组织。
申请人通过改变元素含量对材料力学性能影响规律的研究，最终确定了：c含量3.5%～3.8%，si含量2.5%～2.7%，mn含量≤0.5%，cu0.3～0.4%,p含量≤0.05%，s含量≤0.016%，re含量0.02%～0.04%，mg含量0.04%～0.06%的材料配比工艺。
二、热处理工艺的确定。
本发明的热处理工艺的创新是关键。在球墨铸铁中,由于石墨呈球状,而减少了石墨对基体的割裂作用,并且由于在球化处理过程中去除了剧烈降低机械性能的硫、氧等杂质元素而提高了机械性能。而通过热处理可以进一步改善基体组织并提高其延伸率和硬度。
由于本产品首先要保证在压力达到10000～12000磅之间时即时轴向破裂，如安保产品过早破碎，使钻探作业过早停止，造成钻探效率下降、成本增加；过晚破碎会造成钻探机械继续在高压下作业，发生机械抱死，甚至导致整个钻探机械的报废。同时，还要保证产品的硬度，从而使其具有耐磨性，为此申请人从改善铸件的宏观组织和基体组织入手经多次论证试验，进行了热处理工艺的设计及优化。
1、首先通过高温正火获得高的强度、硬度和耐磨性，使基体组织达到均匀一致。正火温度越高，奥氏体溶破越多，正火后珠光体量也越多。但温度过高，不仅奥氏体晶粒长大，而且使过多的碳溶入奥氏体中，冷却时易在晶界析出网状二次渗碳体，降低产品性能，因此将正火温度控制在840～860℃。保温时间应保证原始基体组织全部变为奥氏体，严格控制在1.5～2.5h,然后出炉空冷，这样一来正火后的显微组织为细珠光体或细珠光体 牛眼状铁素体 石墨，从而提高产品的硬度、强度和耐磨性。
2、在产品经过高温正火后，虽然强度和硬度得到了改善，但此时铸件的内应力很大，脆性明显，因此，又采取了高温回火（550～570℃）。如果回火时温度高于570℃时硬度与强度将急剧下降，这是因为高于570℃回火珠光体中的渗碳体开始分解析出石墨，还会造成强度和硬度下降，因此将回火温度严格控制在570℃以内，回火时间控制在0.5～3h。
3、将高频感应淬火新技术应用在热处理中。如果球墨铸铁采用普通淬火工艺，其结果是产品的整体强度和硬度高，难以保证产品在承压10000～12000磅的之间时完成轴向破裂。产品要求表面硬度达到50～55hrc，同时要求内部具有较高的韧性，希望得到硬度、韧性兼具的产品。因此，必须采用全新的热处理工艺—高频淬火，在保持内部基体强度、塑性及韧性不变的同时大幅提高表面硬度。高频淬火工艺，在高频炉中将工件加热到860～880℃，通过充分地奥氏体化，然后进行水淬。
三、切槽参数的确定。
本发明首先设定球墨铸铁件的切槽数量和宽度，然后对球墨铸铁件切槽后进行压力试验，根据轴向破裂压力值再调整切槽深度。最终保证了产品在受压10000～12000磅之间轴向破裂。
本发明的积极效果在于：
本发明确定了材质抗拉强度≥550mpa，屈服强度≥350mpa，延伸率≥14%，表面硬度达到50～55hrc，在压力达到10000～12000磅之间时即时轴向破裂的性能指标，解决了在提高产品强度、硬度的同时提高抗拉强度和伸长率的难题；另外，设计了先进的综合热处理工艺（高温正火 高温回火 高频感应淬火），实现了在规定的压力值内轴向破裂。本发明通过对材料成分、铸造工艺、热处理工艺及切槽工艺的综合设计，制定了相关工艺方法，能够满足套体铸件在特定工作压力前提下，套体轴向破裂的要求，能够有效地保护钻机及油井的安全作业。
附图说明
图1是本发明高频感应淬火工艺试样表面区金相组织图，由较细小的马氏体和球状石墨组成；图2是本发明高频感应淬火工艺试样中间过渡区金相组织图，由石墨、针状马氏体和片状混合组成；图3是本发明高频感应淬火工艺试样中心区金相组织图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式进一步说明本发明。
一、本发明铸铁件材料制备实施例
本发明工艺流程及要求如下：
（一）、熔炼：
首先按照铸铁件化学成分比例要求，将铸造生铁、废钢、球铁回炉铁和增碳剂经过中频电炉熔化处理。铸造生铁、废钢、球铁回炉铁和增碳剂之间的质量比：40：20：40：2。然后迅速升温至1530℃并静置10分钟后进行扒渣，降温到1480℃出炉。
（二）、喂丝球化、孕育处理：采用垂直喂丝传动机构，将球化剂包芯线和孕育剂包芯线分别按22米/吨和19米/吨的加入量按设定速度插入铁液中进行球化、孕育处理。
（三）、瞬时孕育处理：在浇注过程中，采用随流孕育装置进行孕育剂随铁水流冲熔的方式进行瞬时孕育处理，孕育剂加入量为铁水重量的0.15%。
（四）、开箱、清理：待铸件浇注结束6小时后进行开箱冷却，然后进行清理、打磨、抛丸。
（五）、正火、回火工艺：正火温度控制在850℃左右。保温时间应保证原始基体组织全部变为奥氏体，控制在2h,然后出炉空冷至500℃以下，然后在560℃进行回火，回火时间控制在2h。
（六）、高频淬火工艺：将工件加热到870℃，进行奥氏体化保温2小时，最后进行70℃水淬。
通过高频加热淬火工艺，其表面已经形成了一层马氏体组织，表面硬度可以达到50～55hrc的标准要求。图1是试样表面区金相组织图，由较细小的马氏体和球状石墨组成；图2是中间过渡区金相组织图，由石墨、针状马氏体和片状混合组成；图3是中心区金相组织图。通过反复试验证明，高频淬火对表层以下本体的基体组织不产生改变，却可以得到较厚的淬硬层，显著提高了硬度，达到50～55hrc，大大提高了产品的耐磨损和抗腐蚀性。在产品的硬度达到50～55hrc的同时，其内部性能:抗拉强度≥550mpa，屈服强度≥350mpa，延伸率≥14%，完全达到了产品的综合性能标准。
实测本实施例铸铁件材料化学成分如下：
c含量3.75%，si含量2.62%，mn含量0.32%，cu含量0.38%,p含量0.034%，s含量0.009%，re含量0.022%，mg含量0.058%。
二、本发明铸铁件结构及其制备实施例
本发明铸铁件为两端部均开口的筒状，外侧面上开设有若干周向外膨胀槽，筒壁上开设有若干条周向均布的轴向切槽，所有切槽的开口端位于铸铁件同一个端部。
首先设定球墨铸铁件的切槽数量在12～24条之间选择，然后对球墨铸铁件切槽一定深度后进行压力试验，根据轴向破裂压力值：受压10000～12000磅之间轴向破裂再调整切槽深度，并确保切槽的深度及槽间距均匀。
以下是某次球墨铸铁件切槽实验记录。
首先利用本发明铸铁件材料制备实施例得到的球墨铸铁加工出九件尺寸相同的筒铸铁件样品，高度60mm,外径φ143mm，壁厚15mm。将九件样品分别标记为a1-a3样品、b1-b3样品和c1-c3样品。切槽数量均设定为15条，切槽宽度均设定为3.0mm。其中，a1-a3样品切槽深度35.0mm，b1-b3样品切槽深度35.5mm，c1-c3样品切槽深度34.5mm。
对三组九件样品分别实施破坏压力实验，实验在液压式压力试验机上进行。经测定，轴向破裂临界压力值分别为：a样品（a1-a3三件平均值）：11370磅，b样品（b1-b3三件平均值）：9852磅，c样品（c1-c3三件平均值）：11970磅。根据测定结果，确定本批次产品切槽数量15，宽度3.0mm，深度35.0mm。
成品经检测，检测结果（三个试样平均值）：抗拉强度均≥559mpa，屈服强度均≥355mpa，延伸率均≥16%，淬火后硬度52hrc，轴向破碎压力试验11419磅，渗碳体数量均＜1，磷共晶数量为0，球化级别2级。
1.一种石油钻探保护用高硬度高韧性定力溃散铸铁件，其特征在于所述铸铁件材料的化学成分质量百分比为：c3.5%～3.8%，si2.5%～2.7%，mn≤0.5%，cu0.3～0.4%,p≤0.05%，s≤0.016%，re0.02%～0.04%，mg0.04%～0.06%，余量为fe和不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述的石油钻探保护用高硬度高韧性定力溃散铸铁件，其特征在于：所述铸铁件为两端部均开口的筒状，外侧面上开设有若干周向外膨胀槽，筒壁上开设有若干条周向均布的轴向切槽，所有切槽的开口端位于铸铁件同一个端部。
3.权利要求1或2所述的石油钻探保护用高硬度高韧性定力溃散铸铁件，其特征在于：铸铁件材质的抗拉强度≥550mpa，屈服强度≥350mpa，延伸率≥14%，表面硬度达到50～55hrc。
4.权利要求1或2或3所述的石油钻探保护用高硬度高韧性定力溃散铸铁件的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
（一）、熔炼：
首先按照铸件化学成分比例要求，将原料投入电炉熔化处理，然后升温至1520～1550℃，静置后进行扒渣，降温，出炉；
（二）、喂丝球化、孕育处理；
（三）、瞬时孕育处理；
（四）、开箱、清理；
（五）、正火、回火工艺：正火温度控制在840～860℃，保温时间在1.5～2.5h,然后出炉空冷，然后在550～570℃回火，回火时间控制在0.5～3h；
（六）、高频淬火工艺：将工件在高频炉中加热到860～880℃，保温1.5～2.5h，然后进行60～80℃水淬。
5.如权利要求4所述的石油钻探保护用高硬度高韧性定力溃散铸铁件的制备方法，其特征在于还包括以下步骤：设定球墨铸铁件的切槽数量在12～24条之间选择，切槽宽度2.5～3.5mm之间选择，然后对球墨铸铁件切槽一定深度后进行压力试验，根据轴向破裂压力值：受压10000～12000磅之间轴向破裂再调整切槽深度。
技术总结