一种石油钻杆接头的深冷处理工艺的制作方法

本发明属于金属热处理技术领域，具体涉及一种石油钻杆接头的深冷处理工艺。

背景技术

随着经济的发展和生活水平的提高，能源的消耗也不断增加。在可预见的将来新兴能源尚不能代替煤炭、石油、天然气等化石燃料，占据能源消耗的主导地位。随着石油、天然气开采难度的日趋增大，钻井深度的日益增加，钻探工况日趋复杂，对石油和天然气开采所用钻具的质量提出了更高要求。钻杆接头作为钻具的重要连接部件，在工作中传递扭矩和拉压力等交变载荷，要求其具有良好的包括抗拉强度、扭转韧性及疲劳强度在内的综合力学性能。

石油钻杆接头一般在热锻成形后，进行调质处理，然后机加工至图纸要求尺寸，涂装后通过质检即可装箱出厂。国内石油钻杆接头的质量与美国格兰特、法国瓦姆等品牌还有不小差距，很难进入高端市场。并且随着钻井难度加大，井深增加，因钻具质量问题而发生油气井报废或钻具打捞，代价早已今非昔比。不少企业在进行难度较大的钻探时，宁愿采用价格更高的进口产品，也不愿意冒险。总之，靠量大取胜已不符合现在的产业发展，只有提高产品本身质量才使产品更具竞争力。为改善钻杆接头质量，从成形工艺到热处理工艺，已经有很多探索，也取得了不少进步，但距离高端需求还有很大进步空间。

石油钻杆接头涂装后的质检，很难对产品的内应力进行无损检验，事实上，热锻成形的石油钻杆接头往往存在着巨大的内应力(内壁压应力、外壁拉应力)，这已经为实验所证实。外壁拉应力很容易使锻造过程中外壁产生的微观缺陷发生失稳扩展，造成事故。

现有文献记载，37crmnmo钢材料经过深冷处理，可改善37crmnmo钢材料的扭转强度、抗拉强度、屈服强度和宏观硬度等各项力学性能。本申请石油钻杆接头为由37crmnmo钢材料在始锻温度超过1000℃条件下热锻加工而成的锻件，在高温和巨大压力下，形成石油钻杆接头的37crmnmo钢材料产生变形，其内部组织和力学性能相对于原始37crmnmo钢材料和常规热处理的37crmnmo钢材料已发生大幅改变。石油钻杆接头是否可以采用深冷处理改善其内部结构和力学性能，内部结构和性能改善如何，均需结合石油钻杆接头的结构和生产条件作进一步探索。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种石油钻杆接头的深冷处理工艺，该深冷工艺处理可改善石油钻杆接头的力学性能，提升石油钻杆接头的质量和稳定性。

本发明的技术方案为：一种石油钻杆接头的深冷处理工艺，步骤包括：

a.石油钻杆接头锻件依次进行淬火和高温回火；

b.高温回火后的石油钻杆接头锻件深冷处理后，低温回火；

c.低温回火后的石油钻杆接头锻件再重复进行1～3次深冷处理，每次深冷处理后，自然恢复至室温并保温。

优选地，步骤c，低温回火后的石油钻杆接头锻件再重复进行2次深冷处理，每次深冷处理后，自然恢复至室温并保温。

步骤a，淬火的方法为：加热至840℃～950℃，优选为890℃；保温90～150min，优选为120min；油淬至室温。室温为16℃～28℃，一般为20℃～25℃。

步骤a，高温回火的方法为：淬火后的石油钻杆接头锻件升温至580℃～620℃，优选为605℃；保温180～360min，优选为240min；水冷至室温。室温为16℃～28℃，一般为20℃～25℃。

还包括，在步骤a高温回火后，步骤b深冷处理前，对石油钻杆接头锻件进行机加工，至符合标准。

步骤b，深冷处理的方法为：以6～8℃/min的降温速度降至-185℃～-196℃，优选为-190℃；保温10～14h，优选为12小时；深冷介质为液氮。

步骤b，低温回火的方法为：以6～8℃/min的升温速度升至180℃～200℃，优选为190℃；保温40～100min，优选为60min。优选地，低温回火在填充深冷介质的装置中进行，使得升温过程较为缓慢，为原子迁移提供更充分的时间。

步骤b深冷处理后的低温回火，利于石油钻杆接头组织内的碳原子从高浓度向低浓度、从晶粒内部向晶界迁移，促进碳化物弥散分布，弥散分布的碳化物改善石油钻杆接头的力学性能。

低温回火的升温速度明确可控，且以低温回火的升温速度与步骤b深冷处理的降温速度和步骤c深冷处理的降温速度接近并趋近一致为最佳，变温参数(变温速度)的明确和一致性，利于石油钻杆接头质量的稳定和可控，克服因变温参数(变温速度)不明确产生的不可控因素导致的质量波动问题。

步骤c，深冷处理的方法为：以6～8℃/min的降温速度降至-185℃～-196℃，优选为-190℃；保温2～6h，优选为4h；深冷介质为液氮。

步骤c，自然恢复至室温后，在室温下保温40～100min，优选为60min。

步骤c，最后一次深冷处理后，将石油钻杆接头锻件置于空气中自然恢复至室温；其余深冷处理后，将石油钻杆接头锻件置于填充深冷介质的装置中自然恢复至室温，在填充深冷介质的装置中自然恢复至室温，温度恢复较为缓慢，原子迁移时间更充分。室温为16℃～28℃，一般为20℃～25℃。

步骤b深冷处理的降温速度和步骤c深冷处理的降温速度均明确可控，且以步骤b深冷处理的降温速度和步骤c深冷处理的降温速度接近并趋近一致为最佳，变温参数(降温速度)的明确和一致性，利于石油钻杆接头质量的稳定和可控，克服因变温参数(降温速度)不明确产生的不可控因素导致的质量波动问题。

还包括，步骤c深冷处理后，进行涂装和质量检验。

作为优选技术方案，步骤包括：

a.石油钻杆接头锻件依次进行淬火和高温回火，淬火的方法为：石油钻杆接头锻件加热至890℃，保温120min，油淬至室温；高温回火的方法为：淬火后的石油钻杆接头锻件升温至605℃；保温240min，水冷至室温；

b.高温回火后的石油钻杆接头锻件深冷处理后，低温回火；深冷处理的方法为：在液氮深冷介质中以6℃/min的降温速度降至-190℃，保温12小时；低温回火的方法为：在填充液氮深冷介质的装置中以8℃/min的升温速度升至190℃，保温60min；

c.低温回火后的石油钻杆接头锻件再重复进行2次深冷处理，前一次深冷处理的方法为：在液氮深冷介质中以8℃/min的降温速度降至-190℃，保温4h，在填充液氮深冷介质的装置中自然恢复至室温并保温60min；后一次深冷处理的方法为：在液氮深冷介质中以8℃/min的降温速度降至-190℃，保温4h，自填充液氮深冷介质的装置中取出置于空气中自然恢复至室温。

本发明的有益效果为：

本发明石油钻杆接头的深冷处理工艺，为首次针对石油钻杆接头锻件的深冷处理探索，为常规调质处理(淬火+回火)之后，连续进行2～4次深冷处理，以3次深冷处理为最佳。在尽量缩短各工序时间的情况下，使石油钻杆接头锻件中的残余奥氏体大量转化为细小马氏体，同时内部块状碳化物细化，细小碳化物弥散析出且分布比较均匀，提升石油钻杆接头的抗拉强度、屈服强度、扭转韧性和耐磨性等力学性能，冲击韧性基本保持不变或略有提升。进而使得石油钻杆接头的质量和稳定性大幅提升，以满足日益苛刻的钻井难度。

附图说明

图1为本发明石油钻杆接头成品件示意图。

图2为本发明实施例2石油钻杆接头深冷处理工艺的工艺流程示意图。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步说明：

实施例1

(1)淬火：将质检合格的石油钻杆接头锻件加热至890℃，保温120min，油淬至室温。

(2)高温回火：将淬火后的石油钻杆接头锻件再回火升温至605℃，保温240min，水冷至室温。

(3)机加工：将高温回火后的石油钻杆接头锻件机加工至图纸尺寸。

(4)尺寸检验：检验机加工过后的石油钻杆接头工件的几何尺寸。

(5)第一次深冷处理：将尺寸检验合格的石油钻杆接头放入液氮深冷箱中，以6℃/min的速度降温至-190℃，并保温12h。

(6)低温回火：第一次深冷处理后的石油钻杆接头于液氮深冷箱中以8℃/min的速度升温至190℃，并保温60min。

(7)第二次深冷处理：低温回火处理后的石油钻杆接头在液氮深冷箱中以8℃/min的速度降温至-190℃，并保温4h。

(8)恢复至室温：将第二次深冷处理后的石油钻杆接头从液氮深冷箱中取出，置于空气中自然恢复至室温。

(9)涂装，得图1所示的石油钻杆接头成品件。

(10)质量检验。经2次深冷处理的石油钻杆接头的力学性能参数为：抗拉强度—1168.4mpa；屈服强度—1108.8mpa；扭转强度—916.1mpa；洛氏硬度—35.6hrc；冲击韧性—169.4j/cm²。

实施例2

(1)淬火：将质检合格的石油钻杆接头锻件加热至890℃，保温120min，油淬至室温。

(2)高温回火：将淬火后的石油钻杆接头锻件再回火升温至605℃，保温240min，然后水冷至室温。

(3)机加工：将高温回火后的石油钻杆接头锻件机加工至图纸尺寸。

(4)尺寸检验：检验机加工过后的石油钻杆接头工件的几何尺寸。

(5)第一次深冷处理：将尺寸检验合格的石油钻杆接头放入液氮深冷箱中，以6℃/min的速度降低至-190℃，并保温12h。

(6)低温回火：第一次深冷处理后的石油钻杆接头于液氮深冷箱中以8℃/min的速度升温至190℃，并保温60min。

(7)第二次深冷处理：低温回火处理后的石油钻杆接头在液氮深冷箱中以8℃/min的速度降温至-190℃，并保温4h。

(8)恢复至室温：第二次深冷处理后的石油钻杆接头在液氮深冷箱中自然恢复至室温，并保温60min。

(9)第三次深冷处理：将室温保温60min的石油钻杆接头在液氮深冷箱中以8℃/min的速度降至-190℃，并保温4h。

(10)恢复至室温：将第三次深冷处理后的石油钻杆接头自液氮深冷箱中取出，置于空气中自然恢复到室温。

(11)涂装，得图1所示的石油钻杆接头成品件。

(12)质量检验。经3次深冷处理的石油钻杆接头的力学性能参数为：抗拉强度—1236.5mpa；屈服强度—1164.4mpa；扭转强度—962.8mpa；洛氏硬度—36.5hrc；冲击韧性—165.5j/cm²；

实施例3

(1)淬火：将质检合格的石油钻杆接头锻件加热至890℃，保温120min，油淬至室温。

(2)高温回火：将淬火后的石油钻杆接头锻件再回火升温至605℃，保温240min，水冷至室温。

(3)机加工：将回火后的石油钻杆接头锻件机加工至图纸尺寸。

(4)尺寸检验：检验机加工过后的石油钻杆接头工件的几何尺寸。

(5)第一次深冷处理：将尺寸检验合格的石油钻杆接头放入液氮深冷箱中，以6℃/min的速度降低至-190℃，保温12h。

(6)低温回火：第一次深冷处理后的石油钻杆接头于液氮深冷箱中以8℃/min的速度升温至190℃，并保温60min。

(7)第二次深冷处理：低温回火处理后的石油钻杆接头在液氮深冷箱中以8℃/min的速度降温至-190℃，并保温4h。

(8)恢复至室温：第二次深冷处理后的钻杆接头在液氮深冷箱中自然恢复至室温，并保温60min。

(9)第三次深冷处理：将室温保温60min的石油钻杆接头在液氮深冷箱中以8℃/min的速度降至-190℃，保温4h。

(10)恢复至室温：第三次深冷处理后的石油钻杆接头在液氮深冷箱中自然恢复至室温，并保温60min。

(11)第四次深冷处理：将室温保温60min的石油钻杆接头在液氮深冷箱中以8℃/min的速度降至-190℃，保温4h。

(12)恢复至室温：将第四次深冷处理后的石油钻杆接头自液氮深冷箱中取出，置于空气中自然恢复到室温。

(13)涂装，得图1所示的石油钻杆接头成品件。

(14)质量检验。经4次深冷处理的石油钻杆接头的力学性能参数为：抗拉强度—1240.5mpa；屈服强度—1160.6mpa；扭转强度—943.6mpa；洛氏硬度—37.6hrc；冲击韧性—137.5j/cm²。

由实施例1至实施例3石油钻杆接头的力学性能参数可知，随着深冷处理次数和深冷处理时间的增加，抗拉强度和洛氏硬度呈逐渐增大趋势；屈服强度和扭转强度先呈逐渐增大趋势后呈稍缓的减小趋势，屈服强度和扭转强度在3次深冷处理时的数值最佳；冲击韧性呈逐渐减小趋势，3次深冷处理时的减小趋势较4次深冷处理时的减小趋势缓慢。考虑能耗成本和性能改善之间的平衡，以3次深冷处理为最佳深冷处理次数。

本发明石油钻杆接头经过依次进行的常规热处理(淬火+回火)和多次深冷处理，使石油钻杆接头内的残余奥氏体大量转化为细小的马氏体，同时内部块状碳化物细化，有细小碳化物弥散析出且分布比较均匀；使得石油钻杆接头的抗拉强度、屈服强度、扭转韧性、耐磨性均有明显提升，冲击韧性基本保持不变或略有提升，提升石油钻杆接头的稳定性。

本申请石油钻杆接头在第一次深冷处理后，匀速回火至200℃左右进行低温回火处理，利于石油钻杆接头组织内碳原子的迁移，即利于碳原子从高浓度向低浓度、从晶粒内向晶界处的迁移，使碳化物弥散分布，改善石油钻杆接头的力学性能。

本申请第一次深冷处理后的低温回火、及除去第一次深冷处理和最后一次深冷处理的其余深冷处理后的恢复至室温的升温过程均在液氮深冷箱中进行，使得升温过程变得缓慢，延长升温时长，使石油钻杆接头组织内碳原子迁移时间更充分。

相对于现有技术自然降温的深冷处理、及深冷处理后自然恢复至室温的不可控性，本申请对深冷处理的降温速度、第一次深冷处理后低温回火的升温速度均有明确要求，且以深冷处理的降温速度和低温回火的升温速度接近并趋于一致为最佳，变温(速度)参数的可控和一致性，利于石油钻杆接头质量的稳定和可控，克服因变温(速度)参数不可控产生的不可控因素导致的质量波动问题。

上述实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明记载的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。