一種超高強(qiáng)度抽油桿用鋼及制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及合金鋼技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種超高強(qiáng)度抽油桿用鋼及制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著油井的不斷開(kāi)發(fā)，稠油井增多，氯鹽、硫化物等腐蝕介質(zhì)也增多，對(duì)抽油桿強(qiáng) 度和耐腐蝕性能也提出更高的要求，不僅要求具有超高強(qiáng)度，同時(shí)具有優(yōu)異的耐蝕性能，尤 其是耐H2S腐蝕能力。依據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T26075~2010抽油桿用圓鋼，傳統(tǒng)的屈服強(qiáng)度達(dá)800MPa 級(jí)以上的抽油桿用鋼在成分設(shè)計(jì)上Cr含量< 2.00%，主要采用Ni、Cr合金化來(lái)滿足耐蝕性， 其中Ni含量0.72~2.OOwt%，（Cr+Ni)含量< 3.10wt. %。而這種設(shè)計(jì)成本較高且未特意控 制雜質(zhì)元素的含量，例如P、S等雜質(zhì)元素含量的控制只要求在0.025wt.%以下，而P、S等雜 質(zhì)元素會(huì)降低鋼的硫化物開(kāi)裂能力，因此導(dǎo)致目前抽油桿用鋼的耐蝕性不足，難以滿足油 井要求。此外抽油桿用鋼工藝上一般采用淬火+高溫回火的處理工藝，淬火和回火的冷卻介 質(zhì)需要采用水或油，工藝成本較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 鑒于上述的分析，本發(fā)明旨在提供一種高強(qiáng)度抽油桿用鋼及制造方法，制造的抽 油桿用鋼屈服強(qiáng)度達(dá)SOOMPa級(jí)，同時(shí)具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，制造工藝簡(jiǎn)單，總體成本較 低。
[0004] 本發(fā)明的目的主要是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0005] 本發(fā)明一種800MPa級(jí)超高強(qiáng)度抽油桿用鋼，包括:C: 0.07~0.13wt. %、Cr: 4.0~ 7.0wt. %、Mn:〈0.50wt. %、Si:〈0.50wt. %、Μ〇:0·30~0.60wt. %、V:0.05~0.15wt. %、Ti: 0.01~0.03wt.%、P:〈0.008wt.%、S:〈0.002wt.%、Al :0.01~0.05wt.%，Ni:〈0.50wt·%， 余為Fe和不可避免的雜質(zhì)；
[0006] 所述抽油桿用鋼組織為高溫回火馬氏體組織；
[0007] 所述抽油桿用鋼析出強(qiáng)化相為納米MC相粒子，其中所述MC中Μ指Cr、Mo、V中的一種 或兩種以上。
[0008] 本發(fā)明元素的作用及配比依據(jù)進(jìn)行如下說(shuō)明：
[0009] 碳:碳是關(guān)系強(qiáng)度和淬透性的重要元素之一，含量過(guò)低則強(qiáng)度不夠;在合金含量能 夠保證淬透性的前提下，碳含量不宜過(guò)高，否則形成粗大滲碳體等粗大碳化物，降低塑性， 降低耐硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂性能，因此，本發(fā)明將碳含量范圍定為〇. 07~0.13wt. %。
[001 0]錳：鋼中脫氧元素之一，但Μη與S結(jié)合形成塑性較好的MnS，在熱乳過(guò)程中拉長(zhǎng)，容 易引起硫化物腐蝕開(kāi)裂。因此，為了降低MnS的形成溫度以減少和細(xì)化MnS析出，本發(fā)明控制 低錳含量在0.50wt.%以內(nèi)。
[0011]鉻:顯著提高鋼的淬透性和耐蝕性，一方面彌補(bǔ)Μη含量減少導(dǎo)致淬透性的降低，另 一方面保證耐腐蝕性能。添加 Cr 2 4.Owt%，耐蝕性有顯著提高。而添加很高的Cr含量不利 于合金成本控制，本發(fā)明鋼的Cr含量范圍控制為4.0~7.Owt. %。
[0012] 硅：鋼中脫氧元素之一，但過(guò)量的S i將惡化鋼的韌性，本發(fā)明控制硅含量在 0 · 50wt · % 以內(nèi)。
[0013] 鎳:Ni能夠提高鋼的耐腐蝕性能，但其價(jià)格較高，為了控制成本，本發(fā)明控制Ni含 量在0.50wt.%以內(nèi)。
[0014]鉬：少量的Mo與較高含量的Cr元素協(xié)同配合可以顯著提高淬透性，使低碳鋼在空 冷條件可以獲得馬氏體組織;此外，Mo能夠顯著提高鋼的回火抗力和降低回火脆性，也能提 高耐蝕性，Mo含量低于0.30wt. %時(shí)不利于通過(guò)高溫回火獲得高強(qiáng)度，Mo含量超過(guò) 0.60wt. %時(shí)，成本較高。因此，本發(fā)明將鉬含量控制在0.30~0.60wt. %范圍內(nèi)。
[0015]釩:與Mo、Cr等協(xié)同以MC相析出，具有細(xì)化奧氏體晶粒和沉淀強(qiáng)化作用，同時(shí)提高 回火抗力和增強(qiáng)抗硫化物腐蝕開(kāi)裂能力。本發(fā)明鋼V含量控制在0·05~0· 15wt · %范圍內(nèi)。
[0016] 鈦:微Ti處理時(shí)Ti主要與N結(jié)合，從固態(tài)鋼中沉淀析出，形成納米級(jí)尺寸的TiN粒 子，其主要作用是細(xì)化鑄坯加熱過(guò)程中奧氏體晶粒。過(guò)高的Ti反而容易形成粗大的液析 TiN，嚴(yán)重?fù)p害鋼的韌塑性。過(guò)低的Ti不能形成有效數(shù)量的固析TiN，因此本發(fā)明將Ti含量應(yīng) 控制在0.01~0.03wt. %范圍內(nèi)。
[0017] 鋁:鋁是強(qiáng)脫氧元素，還可與N結(jié)合形成A1N，能夠起到細(xì)化晶粒作用。
[0018] 磷:鋼中雜質(zhì)元素，顯著降低塑韌性，也降低耐硫化物腐蝕開(kāi)裂能力，本發(fā)明控制 磷含量小于〇. 〇〇8wt. %。
[0019] 硫:鋼中雜質(zhì)元素，與Μη形成塑性較好的MnS，能夠在乳制過(guò)程中拉長(zhǎng);MnS越多越 大則拉長(zhǎng)越長(zhǎng)，越降低耐硫化物腐蝕開(kāi)裂能力，也降低塑韌性，這是目前抽油桿用圓鋼耐蝕 性能不好、壽命短的重要原因之一。本發(fā)明控制硫含量控制不超過(guò)〇. 〇〇2wt. %以顯著減少 和細(xì)化MnS析出。Cr含量較高時(shí)脫硫造渣難度大，需要選擇合適的渣系和嚴(yán)格控制冶煉工 〇
[0020]本發(fā)明一種超高強(qiáng)度抽油桿用鋼的制造方法，包括冶煉、連鑄、乳制、熱處理步驟， 具體如下：
[0021 ] (1)冶煉:采用超潔凈鋼冶煉技術(shù):使用轉(zhuǎn)爐冶煉鋼水，底吹氮?dú)?，控制所述低吹?氣強(qiáng)度為0.05~0.3m3/(min · t);分別控制冶煉前期和冶煉終點(diǎn)的爐渣的二元堿度、全Fe 及溫度；出鋼采用滑板擋渣法，出鋼爐渣厚度控制在30mm以下，保證鋼水中磷含量小于 0.008% ;其中所述二元堿度為Si02/Ca0;
[0022]鋼水出鋼后通過(guò)LF精煉進(jìn)行脫硫控制：以白渣為精煉爐渣進(jìn)行精煉，其中所述白 渣精煉時(shí)間為15~35min;按照鋼水成分原則添加相應(yīng)的合金元素;然后將鋼水進(jìn)行喂重鈣 線處理；所述喂重鈣線后進(jìn)行軟吹，其中所述軟吹時(shí)間大于20min，軟吹強(qiáng)度0.1~0.5m 3/ (min · t)，保證鋼水中硫含量小于0.002% ;
[0023] (2)連鑄:控制連鑄過(guò)程澆注過(guò)熱度為15~40°C，全程采用恒拉速、嚴(yán)格保護(hù)澆注， 最終連鑄成鑄坯；
[0024] (3)乳制：將所述鑄坯放入加熱爐中加熱，加熱溫度為1100~1250 °C，保溫時(shí)間為 0.5~5h，然后經(jīng)兩道次乳制后成圓鋼，其中開(kāi)乳溫度1000~1180°C，第一道次壓下量為 20%~35%，第二道次壓下量為25%~35 %，保證在高溫下較好的彌合鑄坯缺陷和通過(guò)再 結(jié)晶細(xì)化奧氏體晶粒，終乳溫度800~980°C，然后空冷至室溫，總壓縮比2 9，充分彌合鑄坯 缺陷，減輕中心疏松和一般疏松；
[0025] (4)熱處理:將乳制后所述圓鋼進(jìn)行正火:溫度為870~950°C，保溫時(shí)間為lOmin~ 2h，冷卻至室溫;在此條件下可以使合金成分得到很好的固溶，且獲得均勻、細(xì)小的奧氏體 晶粒，正火后即使采用空冷也可獲得馬氏體組織;將正火后所述圓鋼進(jìn)行回火:溫度為550 ~650°C，保溫時(shí)間為0.5~2h，冷卻至室溫;在此條件下獲得充分回火的馬氏體組織，得到 尺寸穩(wěn)定的、細(xì)小的V、、Cr、Mo復(fù)合碳化物粒子。
[0026]進(jìn)一步地，步驟（1)中所述冶煉前期和冶煉終點(diǎn)的爐渣的二元堿度、全Fe及溫度分 別為：冶煉前期的爐渣的二元堿度為1.8~2.2，全Fe為12~22 %、溫度為1340~1410 °C ;冶 煉終點(diǎn)的爐渣的二元堿度為2.0~4.0、全Fe為10~15 %、溫度為1660~1690 °C。
[0027] 進(jìn)一步地，步驟（1)中所述白渣的特性為：二元堿度為4~12、CaO/Al2〇3為1.6~ 2.4、（FeO+MnO) <0.5%〇
[0028] 進(jìn)一步地，步驟（1)中所述喂重|丐線處理時(shí)，喂線速度1~4m/min，喂線量100~ 1000m〇
[0029] 進(jìn)一步地，步驟(3)中所述乳制采用棒材熱乳生產(chǎn)線。
[0030] 進(jìn)一步地，步驟(3)中所述冷卻方式為空冷。
[0031] 進(jìn)一步地，步驟(4)中正火冷卻方式為空冷、風(fēng)冷。
[0032]進(jìn)一步地，步驟(4)中回火冷卻方式為空冷。
[0033]本發(fā)明有益效果如下：
[0034]本發(fā)明提供的一種屈服強(qiáng)度達(dá)SOOMPa級(jí)的高強(qiáng)度耐腐蝕圓鋼及制造方法，采用低 碳、高Cr合金設(shè)計(jì)，輔以Ti、V、Mo復(fù)合微合金化，采用低成本的超潔凈鋼冶煉技術(shù)達(dá)到低P和 超低S雜質(zhì)元素控制要求。采用低碳、高Cr、低P、超低S的成分設(shè)計(jì)，采用正火+高溫回火的熱 處理工藝，采用空冷就能得到馬氏體組織，冷卻工藝簡(jiǎn)單，屈服強(qiáng)度達(dá)SOOMPa級(jí)，同時(shí)具有 優(yōu)于KD級(jí)抽油桿用鋼20Cr2M 〇NiA的耐腐蝕能力，可用于制作Η級(jí)超高強(qiáng)度耐蝕鋼制抽油桿。
[0035] 本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的說(shuō)明書(shū)中闡述，并且，部分的從說(shuō)明書(shū)中變 得顯而易見(jiàn)，或者通過(guò)實(shí)施本發(fā)明而了解。本發(fā)明的目的和其他優(yōu)點(diǎn)可通過(guò)在所寫(xiě)的說(shuō)明 書(shū)、權(quán)利要求書(shū)、以及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)和獲得。
【附圖說(shuō)明】
[0036] 附圖僅用于示出具體實(shí)施例的目的，而并不認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明的限制，在整個(gè)附圖 中，相同的參考符號(hào)表不相同的部件。
[0037]圖1為實(shí)施例1#圓鋼熱處理后組織的0Μ照片；
[0038]圖2為實(shí)施例1#圓鋼熱處理后組織的SEM照片；
[0039]圖3為實(shí)施例1#圓鋼熱處理后V、Cr、Mo復(fù)合納米析出相ΤΕΜ照片；
[0040] 圖4為實(shí)施例1#圓鋼熱處理V、Cr、Mo復(fù)合納米析出相EDS能譜圖（Cu峰來(lái)自Cu網(wǎng)）。
【具體實(shí)施方式】
[0041]下面結(jié)合附圖來(lái)具體描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，其中，附圖構(gòu)成本申請(qǐng)一部分，并 與本發(fā)明的實(shí)施例一起用于闡釋本發(fā)明的原理。
[0042]本發(fā)明所述超高強(qiáng)度指屈服強(qiáng)度為SOOMPa級(jí)以上。
[0043] 實(shí)施例1
[0044] 本發(fā)明實(shí)施例提供了 4種抽油桿用鋼，將四種抽油桿用鋼分別標(biāo)記為1#、2#、3#和 4#，四種抽油桿用鋼的主要化學(xué)成分如表1所示，各元素成分均符合本發(fā)明的范圍。其制造 方法包括以下步驟：
[0045] (1)冶煉:采用超潔凈鋼冶煉技術(shù):使用轉(zhuǎn)爐冶煉鋼水