CN112375996A - 一种石油钻杆接头用钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于钻杆接头制备技术领域，提供了一种石油钻杆接头用钢，其组分及重量百分比含量为：碳：0.2‑0.25％，硅：0.30‑0.50％，锰：0.45‑0.80％，通过在原料中加入添加铬、钼、钛、钨、钒金属，降低钢原料的热敏感性，抑制钢原料内部的晶粒增大，并采用冷轧、热循环处理等方式进一步细化晶粒，提高石油钻杆接头的韧性和强度，然后将石油钻杆接头放入真空渗碳炉内部进行高温渗碳，使石油钻杆接头表面的含碳量增加，从而增加石油钻杆接头表面的硬度，同时由于石油钻杆接头内部仍为低碳钢，其内部韧性不变，高温渗碳后经过淬火和回火工艺保持石油钻杆接头内部晶粒大小，使石油钻杆接头的韧性和硬度均能够得到大幅度提升。

Description

一种石油钻杆接头用钢及其制备方法

技术领域

本发明属于钻杆接头制备技术领域，尤其涉及一种石油钻杆接头用钢及其制备方法。

背景技术

石油钻杆接头是一种直接承担大扭矩的高强度杆件，通常采用低碳高钼类的优质合金钢制造，该类材质经热处理后一般能够满足实际使用要求。

目前的石油钻杆接头的表面硬度不够，在工作时产生的扭力容易损伤接头，同时，石油钻杆接头大多通过注塑或焊接生产，在注塑生产中，原料中含有的气泡会大大影响接头强度。

发明内容

本发明提供一种石油钻杆接头用钢及其制备方法，旨在解决目前的石油钻杆接头的表面硬度不够，在工作时产生的扭力容易损伤接头，同时，石油钻杆接头大多通过注塑或焊接生产，在注塑生产中，原料中含有的气泡会大大影响接头强度的问题。

本发明是这样实现的，一种石油钻杆接头用钢，其组分及重量百分比含量为：碳：0.2-0.25％，硅：0.30-0.50％，锰：0.45-0.80％，磷：≤0.01％，硫：0.01-0.02％，铬：0.4-0.5％，镍：0.35-0.6％，钼：0.15-0.25％，铝：0.01-0.018％，钒：0.05-0.09％，钛：0.03％-0.05％，钨：0.5％-0.8％，其余为铁和不可避免的夹杂。

优选的，所述石油钻杆接头用钢内部的铁的含量不低于原材料总体质量的96％。

一种石油钻杆接头用钢的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、将原材料加热至熔化并搅拌均匀；

步骤2、采用微波震荡装置对熔液进行震荡；

步骤3、导出熔液至模具中，等待其冷却成型；

步骤4、将成型材料加热并快速压轧；

步骤5、压轧后对成型材料进行快速降温；

步骤6、对成型材料进行热循环处理；

步骤7、对成型材料进行高温渗碳处理

步骤8、对高温渗碳后的成型材料进行淬火和回火处理；

步骤9、在成型材料的外表面电镀具有耐腐蚀性能的金属薄层。

优选的，所述步骤1中，原材料的加热温度大于3500摄氏度，加热至原材料熔化后的搅拌时间不低于十分钟。

优选的，所述步骤2中，微波震荡装置对熔液震荡时间不低于一小时，震荡过程中持续对熔夜进行加热。

优选的，所述步骤3中，导出熔液后，静止至熔液表面完全冷却后，迅速对成型材料进行脱模处理。

优选的，所述步骤4中，对成型材料加热后持续保温六个小时，对成型材料进行压轧时的压力不低于200Kpa。

优选的，所述步骤6中，对成型材料进行热循环处理的反复循环压轧的次数为6至7次，每次压轧过后均对成型材料进行快速淬火至室温。

优选的，步骤7中，高温渗碳采用真空渗碳炉，高温渗碳的温度为1100摄氏度，高温渗碳时间为五分钟。

优选的，所述步骤8中，淬火的温度为850摄氏度，回火温度为180摄氏度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的一种石油钻杆接头用钢及其制备方法，通过在原料中加入添加铬、钼、钛、钨、钒金属，降低钢原料的热敏感性，抑制钢原料内部的晶粒增大，并采用冷轧、热循环处理等方式进一步细化晶粒，提高石油钻杆接头的韧性和强度，然后将石油钻杆接头放入真空渗碳炉内部进行高温渗碳，使石油钻杆接头表面的含碳量增加，从而增加石油钻杆接头表面的硬度，同时由于石油钻杆接头内部仍为低碳钢，其内部韧性不变，高温渗碳后经过淬火和回火工艺保持石油钻杆接头内部晶粒大小，使石油钻杆接头的韧性和硬度均能够得到大幅度提升。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种石油钻杆接头用钢，其组分及重量百分比含量为：碳：0.2-0.25％，硅：0.30-0.50％，锰：0.45-0.80％，磷：≤0.01％，硫：0.01-0.02％，铬：0.4-0.5％，镍：0.35-0.6％，钼：0.15-0.25％，铝：0.01-0.018％，钒：0.05-0.09％，钛：0.03％-0.05％，钨：0.5％-0.8％，其余为铁和不可避免的夹杂。

在本实施方式中，在原材料中添加0.2-0.25％的碳，0.30-0.50％的硅，0.45-0.80％的锰，≤0.01％的磷，0.01-0.02％的硫，0.4-0.5％的铬，0.35-0.6％的镍，0.15-0.25％的钼，0.01-0.018％的铝，0.05-0.09％的钒，0.03％-0.05％的钛，0.5％-0.8％的钨，通过对钢铁材料合金化可有效细化晶粒，其原因可分为两种情况，一种使加入合金元素后能够提高钢的再结晶温度，另一方面是强碳化合物形成元素与钢中的碳或氮形成尺寸为纳米级别的化合物，他们对晶体的长大起到抑制作用，而这种纳米级化合物所占的体积分数为2％-4％时，对组织的细化效果最好，通过抑制原材料在热处理过程中的晶粒增大，得到细晶钢原料制成石油钻杆接头，能够有效提高钻杆接头的韧性和强度。

进一步的，石油钻杆接头用钢内部的铁的含量不低于原材料总体质量的96％。

在本实施方式中，铁具有较强的硬度和韧性，同时铁的价格便宜，将原材料的96％设置为铁，能够在保证石油钻杆接头强度和韧性的同时，降低生产成本。

一种石油钻杆接头用钢的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、将原材料加热至熔化并搅拌均匀；

步骤2、采用微波震荡装置对熔液进行震荡；

步骤3、导出熔液至模具中，等待其冷却成型；

步骤4、将成型材料加热并快速压轧；

步骤5、压轧后对成型材料进行快速降温；

步骤6、对成型材料进行热循环处理；

步骤7、对成型材料进行高温渗碳处理

步骤8、对高温渗碳后的成型材料进行淬火和回火处理；

步骤9、在成型材料的外表面电镀具有耐腐蚀性能的金属薄层。

在本实施方式中，使用时，将原材料按照比例投入高温熔炼炉内部进行加热，并调节高温熔炼炉内部的温度，使高温熔炼炉内部温度高于3500摄氏度，将原材料熔化成熔融状态，并对原材料进行长时间的充分搅拌，使原材料充分混合，然后在将微波震荡装置与高温熔炼炉链接，对呈熔融状态的原材料进行微波震荡处理，通过长时间的微波震荡处理，将熔融状态原料中的空气排处，避免注塑后的成型材料内部含有气泡或气孔，影响石油钻杆接头强度的问题，将金属熔液从炼炉中导出至模具当中，并静置等待，带金属熔液表面凝固形成成型材料，且表面温度低于两百摄氏度后，对成型材料的外表面喷水，加速成型材料的冷却时间，待成型材料降至室温后，将成型材料加热至奥氏体变相温度以上，然后通过熱轧机在成型材料的外表面进行快速冷轧，对成型材料压轧时的压力大于200kpa，使钢材在低温后大压变形，得到细晶铁素体，从而使成型材料内部的晶体更细，在冷轧一段时间后，将成型材料放置一段时间，并对冷轧后的成型材料进行快速降温，避免成型材料内部的晶体增大，然后选择快速加热能形成奥氏体的最低温度和最短时间，将成型材料由室温加热至稍高于形成奥氏体最低温度，然后对成型材料进行快速淬火，使成型材料快速冷却至室温，再重复此过程，每循环一次，均能够使成型材料内部的晶粒得到一定程度的细化，当循环七至八次后，成型材料内部晶粒得到最大细化，从而在不需要较高压力下即可得到晶粒直径较小的成型材料，然后将成型材料放入真空渗碳炉内部，采用气体渗碳工艺，向真空渗碳炉内部气体渗剂(如甲烷、乙烷等)或液体渗剂(煤油或苯、酒精、丙酮等)，在高温下分解出活性碳原子，渗入工件表面，以获得高碳表面层的一种渗碳操作工艺，在真空渗碳炉内部对成型材料在1100摄氏度的温度下进行高温渗碳5分钟，使渗碳介质中分解的活性碳原子被成型材料表面吸收后即溶到表层的奥氏体中，使奥氏体中的含碳量增加，由于表面含碳量的增加，产生浓度差，使表面的碳向内部扩散，从而使成型材料的表面产生含碳量较高的外壳，然后在温度为850摄氏度下淬火和温度为180摄氏度下回火，能保持钻杆接头为细晶粒钢，从而保持钻杆接头的强度和韧性，最后在钻头接头的表面电镀一层具有耐腐蚀性能的金属薄层即可。

进一步的，步骤1中，原材料的加热温度大于3500摄氏度，加热至原材料熔化后的搅拌时间不低于十分钟。

在本实施方式中，原材料的加热温度大于3500摄氏度，能够达到原材料中熔点最高的原材料的熔点，便于将所有原材料同时熔化，搅拌的时间不低于十分钟，用于将所有原材料完全充分的融合在一起。

进一步的，步骤2中，微波震荡装置对熔液震荡时间不低于一小时，震荡过程中持续对熔夜进行加热。

在本实施方式中，采用微波震荡用于排除熔液中含有的空气，震荡时间较长能够将绝大部分的空气排除，避免成型材料内部产生气孔，对石油钻杆接头造成影响，在震荡过程中持续加热避免熔液凝固，无法排除内部的空气。

进一步的，步骤3中，导出熔液后，静止至熔液表面完全冷却后，迅速对成型材料进行脱模处理。

在本实施方式中，在导出熔液至模具冷却后，需要及时迅速对成型材料脱模，在保证生产效率的同时，能够避免成型材料与表面与空气发生反应，产生氧化物外壳，对成型材料造成影响。

进一步的，步骤4中，对成型材料加热后持续保温六个小时，对成型材料进行压轧时的压力不低于200Kpa。

在本实施方式中，对成型材料加热后持续保温六个小时，用于检测成型材料的内部的晶粒大小，对成型材料进行压轧时的压力不低于200Kpa，使钢材在低温后大压变形，得到细晶铁素体。

进一步的，步骤6中，对成型材料进行热循环处理的反复循环压轧的次数为6至7次，每次压轧过后均对成型材料进行快速淬火至室温。

在本实施方式中，循环热处理细化成型钢加热后，快速冷却淬火至室温，并重复此过程6至7次，能够使成型钢内部晶粒细化程度最大，从而使成型钢的内部晶粒直径降低，得到晶粒更小的细晶钢。

进一步的，步骤7中，高温渗碳采用真空渗碳炉，高温渗碳的温度为1100摄氏度，高温渗碳时间为五分钟。

在本实施方式中，采用真空渗碳炉进行高温渗碳，能够避免在渗碳过程中不可避免的有氧吸入，引起晶间出现黑色组织，对成型材料造成影响，高温渗碳的时间较短能够避免成型材料内部晶粒变大变粗，影响钻杆接头的强度和韧性。

进一步的，步骤8中，淬火的温度为850摄氏度，回火温度为180摄氏度。

在本实施方式中，经过高温渗碳后，在温度为850摄氏度下淬火和温度为180摄氏度下回火，能够保持钻杆接头为细晶粒钢，从而保持钻杆接头的强度和韧性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种石油钻杆接头用钢，其特征在于：其组分及重量百分比含量为：碳：0.2-0.25％，硅：0.30-0.50％，锰：0.45-0.80％，磷：≤0.01％，硫：0.01-0.02％，铬：0.4-0.5％，镍：0.35-0.6％，钼：0.15-0.25％，铝：0.01-0.018％，钒：0.05-0.09％，钛：0.03％-0.05％，钨：0.5％-0.8％，其余为铁和不可避免的夹杂。

2.如权利要求1所述的一种石油钻杆接头用钢，其特征在于：所述石油钻杆接头用钢内部的铁的含量不低于原材料总体质量的96％。

3.一种石油钻杆接头用钢的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、将原材料加热至熔化并搅拌均匀；

步骤2、采用微波震荡装置对熔液进行震荡；

步骤3、导出熔液至模具中，等待其冷却成型；

步骤4、将成型材料加热并快速压轧；

步骤5、压轧后对成型材料进行快速降温；

步骤6、对成型材料进行热循环处理；

步骤7、对成型材料进行高温渗碳处理

步骤8、对高温渗碳后的成型材料进行淬火和回火处理；

步骤9、在成型材料的外表面电镀具有耐腐蚀性能的金属薄层。

4.如权利要求3所述的一种石油钻杆接头用钢的制备方法，其特征在于：所述步骤1中，原材料的加热温度大于3500摄氏度，加热至原材料熔化后的搅拌时间不低于十分钟。

5.如权利要求3所述的一种石油钻杆接头用钢的制备方法，其特征在于：所述步骤2中，微波震荡装置对熔液震荡时间不低于一小时，震荡过程中持续对熔夜进行加热。

6.如权利要求3所述的一种石油钻杆接头用钢的制备方法，其特征在于：所述步骤3中，导出熔液后，静止至熔液表面完全冷却后，迅速对成型材料进行脱模处理。

7.如权利要求3所述的一种石油钻杆接头用钢的制备方法，其特征在于：所述步骤4中，对成型材料加热后持续保温六个小时，对成型材料进行压轧时的压力不低于200Kpa。

8.如权利要求3所述的一种石油钻杆接头用钢的制备方法，其特征在于：所述步骤6中，对成型材料进行热循环处理的反复循环压轧的次数为6至7次，每次压轧过后均对成型材料进行快速淬火至室温。

9.如权利要求3所述的一种石油钻杆接头用钢的制备方法，其特征在于：步骤7中，高温渗碳采用真空渗碳炉，高温渗碳的温度为1100摄氏度，高温渗碳时间为五分钟。

10.如权利要求3所述的一种石油钻杆接头用钢的制备方法，其特征在于：所述步骤8中，淬火的温度为850摄氏度，回火温度为180摄氏度。

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