一种超高强度抽油杆用钢及制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及合金钢技术领域，尤其涉及一种超高强度抽油杆用钢及制造方法。
【背景技术】
[0002] 随着油井的不断开发，稠油井增多，氯盐、硫化物等腐蚀介质也增多，对抽油杆强 度和耐腐蚀性能也提出更高的要求，不仅要求具有超高强度，同时具有优异的耐蚀性能，尤 其是耐H2S腐蚀能力。依据国标GB/T26075~2010抽油杆用圆钢，传统的屈服强度达800MPa 级以上的抽油杆用钢在成分设计上Cr含量< 2.00%，主要采用Ni、Cr合金化来满足耐蚀性， 其中Ni含量0.72~2.OOwt%，（Cr+Ni)含量< 3.10wt. %。而这种设计成本较高且未特意控 制杂质元素的含量，例如P、S等杂质元素含量的控制只要求在0.025wt.%以下，而P、S等杂 质元素会降低钢的硫化物开裂能力，因此导致目前抽油杆用钢的耐蚀性不足，难以满足油 井要求。此外抽油杆用钢工艺上一般采用淬火+高温回火的处理工艺，淬火和回火的冷却介 质需要采用水或油，工艺成本较高。
【发明内容】
[0003] 鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种高强度抽油杆用钢及制造方法，制造的抽 油杆用钢屈服强度达SOOMPa级，同时具有优异的耐腐蚀性能，制造工艺简单，总体成本较 低。
[0004] 本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
[0005] 本发明一种800MPa级超高强度抽油杆用钢，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·%， 余为Fe和不可避免的杂质；
[0006] 所述抽油杆用钢组织为高温回火马氏体组织；
[0007] 所述抽油杆用钢析出强化相为纳米MC相粒子，其中所述MC中Μ指Cr、Mo、V中的一种 或两种以上。
[0008] 本发明元素的作用及配比依据进行如下说明：
[0009] 碳:碳是关系强度和淬透性的重要元素之一，含量过低则强度不够;在合金含量能 够保证淬透性的前提下，碳含量不宜过高，否则形成粗大渗碳体等粗大碳化物，降低塑性， 降低耐硫化物应力腐蚀开裂性能，因此，本发明将碳含量范围定为〇. 07~0.13wt. %。
[001 0]锰：钢中脱氧元素之一，但Μη与S结合形成塑性较好的MnS，在热乳过程中拉长，容 易引起硫化物腐蚀开裂。因此，为了降低MnS的形成温度以减少和细化MnS析出，本发明控制 低锰含量在0.50wt.%以内。
[0011]铬:显著提高钢的淬透性和耐蚀性，一方面弥补Μη含量减少导致淬透性的降低，另 一方面保证耐腐蚀性能。添加 Cr 2 4.Owt%，耐蚀性有显著提高。而添加很高的Cr含量不利 于合金成本控制，本发明钢的Cr含量范围控制为4.0~7.Owt. %。
[0012] 硅：钢中脱氧元素之一，但过量的S i将恶化钢的韧性，本发明控制硅含量在 0 · 50wt · % 以内。
[0013] 镍:Ni能够提高钢的耐腐蚀性能，但其价格较高，为了控制成本，本发明控制Ni含 量在0.50wt.%以内。
[0014]钼：少量的Mo与较高含量的Cr元素协同配合可以显著提高淬透性，使低碳钢在空 冷条件可以获得马氏体组织;此外，Mo能够显著提高钢的回火抗力和降低回火脆性，也能提 高耐蚀性，Mo含量低于0.30wt. %时不利于通过高温回火获得高强度，Mo含量超过 0.60wt. %时，成本较高。因此，本发明将钼含量控制在0.30~0.60wt. %范围内。
[0015]钒:与Mo、Cr等协同以MC相析出，具有细化奥氏体晶粒和沉淀强化作用，同时提高 回火抗力和增强抗硫化物腐蚀开裂能力。本发明钢V含量控制在0·05~0· 15wt · %范围内。
[0016] 钛:微Ti处理时Ti主要与N结合，从固态钢中沉淀析出，形成纳米级尺寸的TiN粒 子，其主要作用是细化铸坯加热过程中奥氏体晶粒。过高的Ti反而容易形成粗大的液析 TiN，严重损害钢的韧塑性。过低的Ti不能形成有效数量的固析TiN，因此本发明将Ti含量应 控制在0.01~0.03wt. %范围内。
[0017] 铝:铝是强脱氧元素，还可与N结合形成A1N，能够起到细化晶粒作用。
[0018] 磷:钢中杂质元素，显著降低塑韧性，也降低耐硫化物腐蚀开裂能力，本发明控制 磷含量小于〇. 〇〇8wt. %。
[0019] 硫:钢中杂质元素，与Μη形成塑性较好的MnS，能够在乳制过程中拉长;MnS越多越 大则拉长越长，越降低耐硫化物腐蚀开裂能力，也降低塑韧性，这是目前抽油杆用圆钢耐蚀 性能不好、寿命短的重要原因之一。本发明控制硫含量控制不超过〇. 〇〇2wt. %以显著减少 和细化MnS析出。Cr含量较高时脱硫造渣难度大，需要选择合适的渣系和严格控制冶炼工 〇
[0020]本发明一种超高强度抽油杆用钢的制造方法，包括冶炼、连铸、乳制、热处理步骤， 具体如下：
[0021 ] (1)冶炼:采用超洁净钢冶炼技术:使用转炉冶炼钢水，底吹氮气，控制所述低吹氮 气强度为0.05~0.3m3/(min · t);分别控制冶炼前期和冶炼终点的炉渣的二元碱度、全Fe 及温度；出钢采用滑板挡渣法，出钢炉渣厚度控制在30mm以下，保证钢水中磷含量小于 0.008% ;其中所述二元碱度为Si02/Ca0;
[0022]钢水出钢后通过LF精炼进行脱硫控制：以白渣为精炼炉渣进行精炼，其中所述白 渣精炼时间为15~35min;按照钢水成分原则添加相应的合金元素;然后将钢水进行喂重钙 线处理；所述喂重钙线后进行软吹，其中所述软吹时间大于20min，软吹强度0.1~0.5m 3/ (min · t)，保证钢水中硫含量小于0.002% ;
[0023] (2)连铸:控制连铸过程浇注过热度为15~40°C，全程采用恒拉速、严格保护浇注， 最终连铸成铸坯；
[0024] (3)乳制：将所述铸坯放入加热炉中加热，加热温度为1100~1250 °C，保温时间为 0.5~5h，然后经两道次乳制后成圆钢，其中开乳温度1000~1180°C，第一道次压下量为 20%~35%，第二道次压下量为25%~35 %，保证在高温下较好的弥合铸坯缺陷和通过再 结晶细化奥氏体晶粒，终乳温度800~980°C，然后空冷至室温，总压缩比2 9，充分弥合铸坯 缺陷，减轻中心疏松和一般疏松；
[0025] (4)热处理:将乳制后所述圆钢进行正火:温度为870~950°C，保温时间为lOmin~ 2h，冷却至室温;在此条件下可以使合金成分得到很好的固溶，且获得均匀、细小的奥氏体 晶粒，正火后即使采用空冷也可获得马氏体组织;将正火后所述圆钢进行回火:温度为550 ~650°C，保温时间为0.5~2h，冷却至室温;在此条件下获得充分回火的马氏体组织，得到 尺寸稳定的、细小的V、、Cr、Mo复合碳化物粒子。
[0026]进一步地，步骤（1)中所述冶炼前期和冶炼终点的炉渣的二元碱度、全Fe及温度分 别为：冶炼前期的炉渣的二元碱度为1.8~2.2，全Fe为12~22 %、温度为1340~1410 °C ;冶 炼终点的炉渣的二元碱度为2.0~4.0、全Fe为10~15 %、温度为1660~1690 °C。
[0027] 进一步地，步骤（1)中所述白渣的特性为：二元碱度为4~12、CaO/Al2〇3为1.6~ 2.4、（FeO+MnO) <0.5%〇
[0028] 进一步地，步骤（1)中所述喂重|丐线处理时，喂线速度1~4m/min，喂线量100~ 1000m〇
[0029] 进一步地，步骤(3)中所述乳制采用棒材热乳生产线。
[0030] 进一步地，步骤(3)中所述冷却方式为空冷。
[0031] 进一步地，步骤(4)中正火冷却方式为空冷、风冷。
[0032]进一步地，步骤(4)中回火冷却方式为空冷。
[0033]本发明有益效果如下：
[0034]本发明提供的一种屈服强度达SOOMPa级的高强度耐腐蚀圆钢及制造方法，采用低 碳、高Cr合金设计，辅以Ti、V、Mo复合微合金化，采用低成本的超洁净钢冶炼技术达到低P和 超低S杂质元素控制要求。采用低碳、高Cr、低P、超低S的成分设计，采用正火+高温回火的热 处理工艺，采用空冷就能得到马氏体组织，冷却工艺简单，屈服强度达SOOMPa级，同时具有 优于KD级抽油杆用钢20Cr2M 〇NiA的耐腐蚀能力，可用于制作Η级超高强度耐蚀钢制抽油杆。
[0035] 本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变 得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明 书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
【附图说明】
[0036] 附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图 中，相同的参考符号表不相同的部件。
[0037]图1为实施例1#圆钢热处理后组织的0Μ照片；
[0038]图2为实施例1#圆钢热处理后组织的SEM照片；
[0039]图3为实施例1#圆钢热处理后V、Cr、Mo复合纳米析出相ΤΕΜ照片；
[0040] 图4为实施例1#圆钢热处理V、Cr、Mo复合纳米析出相EDS能谱图（Cu峰来自Cu网）。
【具体实施方式】
[0041]下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并 与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。
[0042]本发明所述超高强度指屈服强度为SOOMPa级以上。
[0043] 实施例1
[0044] 本发明实施例提供了 4种抽油杆用钢，将四种抽油杆用钢分别标记为1#、2#、3#和 4#，四种抽油杆用钢的主要化学成分如表1所示，各元素成分均符合本发明的范围。其制造 方法包括以下步骤：
[0045] (1)冶炼:采用超洁净钢冶炼技术:使用转炉冶炼钢水