CN101942550B - 一种空心钻铤热处理工艺 - Google Patents

Abstract

一种空心钻铤热处理工艺，属于石油专用管材生产技术领域，步骤包括：在工件上加工出内孔、淬火、回火，其特征是，淬火前先向内孔中塞入岩棉，然后用耐火泥封堵上端口。本发明的钻铤热处理工艺将原先的热处理后钻孔改为在热处理前钻孔，使机加由原来的两次加工改为一次成型，简化了钻铤的加工工序；同时由于调质前工件的硬度较调质后低许多，钻孔难度大大降低，减少了打刀次数和工装损耗。采用本发明的热处理工艺后，锻造工件的形状由台阶轴变成圆棒，加工难度和原材料损耗降低。此外，热处理工件由原来的实心改为空心，大大缩短了钻铤淬火、回火的加热时间及冷却时间，加快了生产进度，从而使钻铤的整个生产周期大大缩短。

Description

一种空心钻铤热处理工艺

技术领域

本发明属于石油专用管材生产技术领域，特别涉及一种空心钻铤热处理工艺。

背景技术

随着全球能源供应的日趋紧张，各国正在加紧对地下能源进行钻探开采，对钻铤类易耗产品的需求也在不断扩大，对钻铤的质量和多样性提出了更高的要求。据统计，全世界每年约需各类钻铤170万吨，而钻具市场的实际供应量只有70万吨，仅能供应41.2％的市场需求，因此，需求方往往需要提前半年预定购买。钻铤产品供不应求，订单接连不断，怎样提高钻铤生产能力、扩大市场占有率，是每一个钻铤生产厂家急需解决的紧迫问题。

热处理是影响钻铤生产能力及钻铤质量的重要环节，主要问题集中在工艺次序和加热方式上：

1)现有钻铤生产工艺的主要步骤是先对工件进行粗加工，热处理后再进行精加工，精加工时才掏内孔。此时，钻铤已经淬火和回火处理，其硬度提高，机加工难度增大。此外，工件先后需经两次机加工，工序设计繁琐，生产效率低，而且热处理前只是粗加工，放料量大，造成了不必要的原料浪费。若在淬火前就将工件加工到位(先掏出内孔)，然后再直接进行热处理，淬火时内孔进水会使工件从两端开始往里产生长短不等的纵向裂纹。这是因为淬火中水沿工件端口向内冲刷时，内壁与外壁同时进行淬火，使工件端部产生大量的淬火应力，钻铤端头内壁在组织应力作用下表现为强大的拉应力，当应力超过断裂抗力时则产生裂纹。试验时裂纹率竟能够达到100％，严重影响了生产进度和产品质量。

此外，热处理后内孔会有一定程度的胀大(即出现胀孔现象)，与实际需要的设计尺寸不符，也会影响钻铤质量。

2)各生产厂家普遍采用井式炉或台车炉对钻铤进行加热，这种热处理方式工艺成熟，质量稳定性好，但其投资大，生产成本高，产品生产周期长，很多厂家并不将其作为扩展生产能力的首选。电磁加热技术具有能耗低、热效率高、温度提升快、温度控制精度高等优点，被广泛应用于许多行业。中频热处理技术属于电磁加热技术的一种形式，设备结构简单、价格相对较低，而且具有加热速度快、能耗低、冷却烈度大等优势，工件最终的力学性能优于用井式炉或台车炉生产的工件。但电磁感应热处理技术也有一定缺陷，如工艺稳定性差、加热层浅等。目前，国内外暂时还没有将中频热处理技术应用于钻铤生产，缺乏成熟的工艺作参考，如何在提升生产效率的同时保证质量，仍是丞待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种空心钻铤热处理工艺，该工艺有助于提高钻铤的生产效率，节约原材料。

为达上述目的，本发明采用的技术方案为：一种空心钻铤热处理工艺，步骤包括：在工件上加工出内孔、淬火、回火，淬火前先向内孔中塞入岩棉，然后用耐火泥封堵上端口。

热处理前内孔的加工直径较最终需要的设计直径减小一定值：对外径规格Φ＝88～159mm的钻铤，内孔直径的减小值为0.6～1mm；对外径规格Φ＝159～165mm的钻铤，内孔直径的减小值为0.9～1.3mm；对外径规格Φ＝178～216mm的钻铤，内孔直径的减小值为1.5～1.9mm。

所述热处理工艺中，用中频炉对工件进行淬火和回火加热，淬火加热温度为850～900℃，回火加热温度为650～700℃，加热时间为25～50min。

淬火冷却方式为纯水喷淋水冷，水温32～44℃，水压0.1～0.7Mpa。

本发明的钻铤热处理工艺将原先的热处理后钻孔改为在热处理前钻孔，使机加由原来的两次加工改为一次成型，简化了钻铤的加工工序，能够大大提升生产进度。同时，调质前工件的硬度较调质后低许多，调质前钻孔其难度大大降低，减少了打刀次数，节约了大量的生产成本，减少了工具工装的损耗量。采用本发明的热处理工艺后，锻造工件的形状由台阶轴变成圆棒，不仅降低了加工难度，提高了生产效率，还缩小了直径加放的余料，降低了原材料的损耗，每一锭型可多出一件产品。此外，热处理工件由原来的实心改为空心，大大缩短了钻铤淬火、回火的加热时间及冷却时间，淬火冷却由原来的水淬油冷改为纯水冷，每支钻铤的热处理时间降至两个小时以下，即节约了能源消耗，又缩短了生产时间，加快了生产进度，从而使钻铤的整个生产周期大大缩短。

为了能够在达到上述效果的基础上不影响产品质量，本工艺在热处理前用岩棉和耐火泥对工件内孔进行了组合封堵。如果只用耐火泥，一旦耐火泥和稀了，淬火水就会将泥冲刷掉进而流入内孔，和干了易烧结开裂，仍会有少量水进入工件内孔。若采用本发明的耐火泥和岩棉混合堵水法则能够很好地解决问题：即使有少量水通过耐火泥进入内孔，塞在工件内孔中的岩棉会很快将水吸收从而阻止水继续向内扩展。试生产证实，此法能将工件的裂纹率降到2％以下。这种工艺变化看似简单，却解决了空心钻铤热处理中的瓶颈问题，为钻铤的大批量生产打开了局面。

事实上，发明人此前也进行了很多尝试，但效果都不如上述方法理想。例如：1)漏水盖板法：最初设备采用半圆形淬火水圈时，将薄板弯成半圆形，在工件即将通过喷淋区时，由操作工用铁丝吊着罩在工件上端部边缘，虽可防止端部进水，但操作起来非常麻烦，效率低且不好控制，冷却效果不均匀；2)用金属堵头封堵工件内孔：金属堵头与工件内孔结合不够紧密，而且金属堵头的制作成本高、难度大且不耐用，几次淬火后堵头就基本报废了；3)往内孔吹压缩空气：这种方法在单支处理时可以，但在连续生产时因前后工件相邻很近，会把水吹到前面已淬完火的工件上，因此也不合适。

除采取恰当的封堵之法外，本发明还在加工内孔时预留了适量胀孔空间，热处理后胀大的内孔尺寸正好与实际需要的设计尺寸相符，从而有效解决了生产难题，保证了钻铤的质量。

附图说明

图1是端口经岩棉和耐火泥封堵后的钻铤的轴向剖面图。

具体实施方式

一种空心钻铤热处理工艺，步骤包括：

1)对工件进行机加工，加工出钻铤内孔，此时要求内孔的加工直径较最终需要的设计直径减小一定值，具体减小值参见表1。

2)封堵内孔：如图1所示，先向空心钻铤3的内孔中塞入岩棉2，然后用耐火泥1封堵上端口。

3)上料：将规格相同的空心引棒和空心钻铤3吊至上料辊道送入中频炉中，炉体长6m，控制工件走速为0.12m/min～0.24m/min。

4)淬火：将工件加热到850～900℃，使工件内外实现均匀奥氏体化；对工件进行喷淋水冷(水温32～44℃)，得到马氏体组织。

5)回火：将工件加热到650～700℃，得到均匀的回火索氏体组织；对工件进行喷淋水冷(水温32～44℃)。

6)将工件吊出出料辊道，进行校直。

以4145H钢种、规格为7″的空心钻铤为例，依照上述方法生产，钻铤的抗拉强度平均大于980Mpa，V型冲击功平均大于65J。(4145H钢种：C＝0.44～0.48％、Si＝0.20～0.35％、Mn＝0.80～1.25％、Cr＝0.90～1.20％、Mo＝0.18～0.25％、Ni≤0.25％、S≤0.025％、P≤0.025％。)

表1不同规格钻铤加工尺寸的减小值

钻铤规格(外径，mm)	减小值(mm)
		Φ＝88～159	0.6～1
Φ＝159～165	0.9～1.3
		Φ＝178～216	1.5～1.9

Claims (3)

1.一种空心钻铤热处理工艺，步骤包括：在工件上加工出内孔、淬火、回火，其特征是，淬火前先向内孔中塞入岩棉，然后用耐火泥封堵上端口；热处理前内孔的加工直径较最终需要的设计直径减小一定值：对外径规格Φ＝88～159mm的钻铤，内孔直径的减小值为0.6～1mm；对外径规格Φ＝159～165mm的钻铤，除Φ＝159mm外，内孔直径的减小值为0.9～1.3mm；对外径规格Φ＝178～216mm的钻铤，内孔直径的减小值为1.5～1.9mm。

2.如权利要求1所述的空心钻铤热处理工艺，其特征是，用中频炉对工件进行淬火和回火加热，淬火加热温度为850～900℃，回火加热温度为650～700℃，加热时间为25～50min。

3.如权利要求1或2所述的空心钻铤热处理工艺，其特征是，淬火冷却方式为纯水喷淋水冷，水温32～44℃，水压0.1～0.7MPa。