專利名稱：一種Nb微合金化的超高強抽油桿用鋼的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種多元合金化的超高強度抽油桿用圓鋼，采用用本發明的鋼材加工成抽油桿，其抗拉強度高于965Mpa，韌塑性好，抗腐蝕疲勞性能好，經濟性好。
背景技術：
為了適應我國增加原油地質儲量和滿足新疆塔里木盆地沙漠、海洋及與國外合作等深層石油勘探開發的需要，國內外市場對各種深井和超深井用抽油桿將有廣泛的需求。我國東部油田的開采已步入后期，深井、超深井、含蠟井對抽油桿的強度、韌性要求更高，原有20CrMoA等D級高強抽油桿滿足不了要求，將被超高強度(H級)抽油桿替代。超高強度抽油桿用于重、超重負荷的抽油井，例如稠油井、深井和大泵強采井等，是油田急需的特種油桿。
抽油桿柱失效形式除了表現為疲勞斷裂，另外一個很重要的形式為腐蝕疲勞斷裂，油井井液中含有鹽分、二氧化碳或硫化氫等腐蝕介質，腐蝕介質的侵蝕作用將會大大降低抽油桿使用壽命。即抽油桿斷裂是由于腐蝕性物質如硫化氫等逐漸侵蝕桿體降低了抽油桿的許用應力，加上長期疲勞工作造成的。
國內外主要的超高強度的抽油桿為美國Norris公司生產的97型抽油桿用鋼、國內唐山鋼鐵公司自行開發的超高強度抽油桿用鋼FG20，和西寧特鋼開發的BZ-11H準貝氏體鋼。
美國Norris公司生產的97型抽油桿用鋼為Cr、Ni、Mo、V等貴金屬合金化的鋼材，其化學成分重量百分比為C 0.28～0.33，Si 0.15～0.30，Mn 0.80～1.00，Cr0.80～1.00，Mo 0.20～0.30，Ni 1.65～2.00，P≤0.035，S≤0.040，余量為Fe。它的綜合力學性能很好，抗腐蝕疲勞性能好，但由于含較多的Ni，價格很貴，達到上萬元/噸； 國內曾經開發BZ-11H、FG20超高強抽油桿用鋼通過低成本Si、Mn、Cr、Mo合金化，如FG20其化學成分重量百分比為C 0.12～0.22，Si 0.50～1.50，Mn 1.90～2.40，Cr 0.50～0.90，Mo 0.15～0.30，Ni≤0.30，V 0.05～0.20，Ti 0.005～0.03，P≤0.025，S≤0.025，余量為Fe；BZ-11H其化學成分重量百分比為C 0.08～0.15，Si 0.50～1.40，Mn 1.50～2.10，Cr 0.50～1.50，Mo 0.20～0.50，Ni ≤0.20，P≤0.025，S≤0.025，余量為Fe。FG20力學性能不穩定，表現為這種鋼材制成抽油桿后，下井后時有斷桿現象發生，BZ-11H價格比20CrMo D級抽油桿鋼鋼高出至少2000元/噸。因此，國內開發的幾種超高強度的抽油桿用鋼都已被市場淘汰。
低成本(價格比20CrMo D級抽油桿鋼不高于500元)高性價比的性能穩定的超高強度抽油桿用熱軋圓鋼，目前市場供應出現空白。
發明內容
本發明的目的在于克服上述鋼材的不足，開發了一種Nb、Ti微合金化、以Si、Mn、Cr為主要元素合金化，降低貴重元素Mo、Ni含量的超高強抽油桿用圓鋼。此鋼具有優良的綜合力學性能，軋材、及熱處理后材料力學性能均滿足SY/T5029-2005標準要求，且具有良好的抗腐蝕疲勞性能。
本發明為了達到上述目的，超高強抽油桿用圓鋼的化學成分重量百分比為C0.12～0.20，Si 0.50～1.60，Mn 0.60～1.60，Cr 0.90～2.00，Mo≤0.20，Ni≤0.20，Nb0.035～0.055，Ti 0.010～0.03，V≤0.05，B 0.0010～0.0020，P≤0.025，S≤0.020，余量為Fe。
各種主要元素對材料機械性能、抗腐蝕疲勞性能的作用及影響分析如下 1)Cr、Mo、Ni 為了保證良好的力學性能和抗腐蝕性能，Mo、Cr均為抗硫化氫腐蝕的合金元素，它們能在表面形成阻礙硫化氫進入的鈍化膜，而且適量的Cr可以降低二氧化碳的腐蝕速度，這主要是因為可在表面形成穩定的膜以及膜的自行修復能力所致。Cr、Mo是表面活性元素，能阻滯陽極過程和促進陰極過程，因此利于提高抗腐蝕性能。為了保證鋼材的抗腐蝕性，確保Cr+Mo+Ni含量不小于1.15％。
2)Nb、Ti 國外現有的抗硫化氫用鋼以Cr、Mo、Nb為主要合金元素。但Nb，Ti微合金化技術在抽油桿鋼的應用還沒有報道。
Cr、Mo、Nb合金元素都是強碳化物形成元素，形成的碳化物穩定、細小、分散性好，不管是在軋制生產過程中，還是熱處理過程中，它們能夠阻礙晶粒長大，提高鋼的晶粒粗化溫度，提高鋼的強度和韌性。Nb對鋼的抗硫腐蝕性能也有很好的作用，Ti可以改變鋼中硫化物夾雜的形態，對提高鋼的抗硫化氫腐蝕性能有較明顯的作用。Nb，Ti微合金化鋼在確保抗硫化氫應力腐蝕能力的同時，具有良好的強度、韌性配合。
3)Si Si的選用是為了阻止鋼中滲碳體析出，減少了過冷奧氏體分解析出碳化物的量，使室溫殘余奧氏體量增多，從而改善鋼的強韌性。在低、中碳合金鋼中獲得由貝氏體鐵素體和殘余奧氏體組成的準貝氏體比典型貝氏體有更高的韌性和疲勞壽命，低的裂紋擴展速率。
4)Mn 非調質鋼設汁，通常采用降低鋼中的C量，增加鋼中的Mn量，Mn是提高非調質鋼強度、改善韌性的重要合金元素，它通過固溶強化提高淬透性，細化晶粒提高強度，但Mn含量不宜過高，否則易造成偏析，且鋼較脆。
總之，從合金化優化原則出發，本發明以Cr-Mo型鋼配合Nb、Ti微合金化為選擇。本發明超高強抽油桿用圓鋼不同于其他HL鋼之處在于低成本，兼顧腐蝕疲勞性能。
本發明超高強度抽油桿用熱軋圓鋼具有以下優點 1、成本低，只比D級20CrMo抽油桿鋼高成本高出500元，市場前景好 2、NbTi復合微合金化，細化組織，材料的強塑性綜合性能良好 3、熱處理工藝適用范圍廣，采用正火，正火+回火，調質處理后力學性能都能滿足要求 4、冶煉軋制工藝易于實現
具體實施例方式 幾種典型的超高強抽油桿鋼的化學成分 表1是本發明的幾種典型的超高強抽油桿鋼實驗鋼的化學成分。
表1超高強抽油桿鋼實驗鋼(wt％) 采用小爐真空冶煉后，鍛造成40×40mm方坯，采用橫列式軋機九道次軋制成φ18mm圓鋼，加熱溫度1150℃，保溫時間1.5小時，終軋溫度800～900℃，軋后空冷。軋材拉伸力學性能見表2 表2軋材拉伸力學性能 試驗圓鋼按不同熱處理工藝在抽油桿制造工藝流程線上進行熱處理。熱處理后材料拉伸力學性能，見表3。試驗鋼熱處理試驗工藝流程如下 1)、調質工藝流程淬火(中頻感應加熱裝置)→水冷→螺旋推進式箱式爐回火→水冷 2)、正火+回火工藝流程 正火(中頻感應加熱)→空冷→回火(中頻感應加熱)→空冷 3)、正火工藝流程 正火(中頻感應加熱)→空冷 表3熱處理后拉伸力學性能
權利要求
1、一種Nb微合金化的超高強抽油桿用鋼，其化學成分重量百分比為C0.12～0.20，Si 0.50～1.60，Mn 0.90～1.60，Cr 0.90～2.00，Mo≤0.20，Ni≤0.20，Nb0.035～0.055，Ti 0.010～0.030，V≤0.050，B 0.0010～0.0020，P≤0.025，S≤0.020，余量為Fe。
全文摘要
本發明涉及一種Nb微合金化的超高強抽油桿用鋼，適用于稠油井、深井和大泵強采井等，是我國油田急需的特種油桿。其化學成分重量百分比為C 0.12～0.20，Si 0.50～1.60，Mn 0.90～1.60，Cr 0.90～2.00，Mo≤0.20，Ni≤0.20，Nb 0.035～0.055，Ti 0.010～0.030，V≤0.050，B 0.0010～0.0020，P≤0.025，S≤0.020，余量為Fe。本發明鋼材抗拉強度高于965MPa，塑性面縮率高于50％，延伸率δ200大于10％。適用于制造超重負荷抽油田用抽油桿，抗疲勞性能和抗腐蝕疲勞性能好，經濟性好。
文檔編號C22C38/38GK101307413SQ20071009935
公開日2008年11月19日 申請日期2007年5月17日 優先權日2007年5月17日
發明者敏 易, 熊化冰, 濤 陳, 劉玉新, 楊衛中, 林志峰 申請人:首鋼總公司