一种抽油杆钢及其制造方法技术

本发明专利技术公开了一种抽油杆钢，其化学元素质量百分比为：C：0.10～0.20％，Si：0.40～0.80％，Mn：0.20～0.60％，Mo：0.36～0.46％，Cr：6.15～7.10％，Al：0.015～0.035％，Nb：0.02～0.06％，N：0.008～0.015％，余量为Fe和其他不可避免的杂质；所述抽油杆钢的微观组织为回火马氏体以及纳米级的析出物。相应地，本发明专利技术还公开了一种所述的抽油杆钢的热处理工艺以及包括所述热处理工艺的制造方法。本发明专利技术所述的抽油杆钢的微观组织为回火马氏体以及纳米级的析出物，其晶粒度细于10级，抗拉强度为920～1320Mpa，AKU2冲击功为≥180J。

A sucker rod steel and its manufacturing method

The invention discloses a sucker rod steel, the chemical element mass percentage: C:0.10 ~ 0.20%, Si:0.40 ~ 0.80%, Mn:0.20 ~ 0.60%, Mo:0.36 ~ 0.46%, Cr:6.15 ~ 7.10%, Al:0.015 ~ 0.035%, Nb:0.02 ~ 0.06%, N:0.008 ~ 0.015%, Fe and other impurities in balance is inevitable; the microstructure of sucker rod the steel is tempered martensite and nanoscale precipitates. Accordingly, the invention also discloses a heat treatment process for the described rod steel and a manufacturing method including the heat treatment process. The sucker rod steel the microstructure of tempered martensite and nanoscale precipitates, the grain size is finer than 10, the tensile strength is 920 ~ 1320Mpa, AKU2 impact power is more than 180J.

【技术实现步骤摘要】
一种抽油杆钢及其制造方法
本专利技术涉及一种钢材及其制造方法，尤其涉及一种用于石油抽油设备的钢材及其制造方法。
技术介绍
机械采油是油田开发的主要手段，有杆抽油系统在机械采油中占有举足轻重的地位。抽油杆是有杆抽油设备的重要零件，其功能是将抽油机的动力传递给井下抽油泵，通过油井管采出石油。国内外目前抽油杆的主要钢种有：D级杆采用的钢种有35Mn2、35CrMo、42CrMo钢等，美国石油协会推荐的D级抽油杆有：1536和4142(分别相当于35Mn2和42CrMo钢)。制造H级杆主要采用12Mn2SiCr、16Mn2SiCr、20Cr2MoNi钢等。大量实际应用表明，尽管H级抽油杆强度较高，但其使用寿命并不一定高于D级杆。原因在于，尽管随着钢的强度提高，抽油杆的疲劳强度、耐磨损性能提高，但在CO2、H2S、Cl-等油井腐蚀性介质条件下，抽油杆的耐侵蚀、耐腐蚀疲劳性能并没有得到改善。而且，在提高抽油杆钢的强度时，往往伴随着韧性的降低，导致抽油杆早期突然断裂的概率上升。目前在现有技术中，往往通过微合金化，即通过加入Nb、V、Ti或B元素，来制造抽油杆钢。然而由于抽油杆钢的热处理工艺不成熟(采用火焰炉或者电阻炉进行热处理，对于抽油杆来说，这种热处理工艺容易造成加热不均匀、组织不稳定，影响抽油杆的使用寿命)，导致这种微合金化的抽油杆钢不能充分发挥其性能。公开号为CN102839332A，公开日为：2012年12月26日，名称为：“一种新型抽油杆”的由于中国专利文献公开了一种新型抽油杆，该抽油杆由高性能合金钢材料制成，所述的高性能合金钢材料的主要成分及其百分含量配比如下：C0.12％-0.18％、Si0.45％-0.85％、Mn2.2％-3.2％、Cr1.0％-1.4％、Ni0.1％-0.3％、Al0.12％-0.3％、Co0.06％-0.12％、B0.001％-0.004％，其余为Fe。虽然该专利文献声称其可以获得较好的耐腐蚀和抗氧化性能，但是在其专利文献中并没有具体的性能说明，也没有记载详细的热处理方式。
技术实现思路
本专利技术的目的之一在于提供一种抽油杆钢，该抽油杆钢具有优良的综合性能，其抗拉强度较高，冲击韧性也得到了极大提高。基于上述专利技术目的，本专利技术提供了一种抽油杆钢，其化学元素质量百分比为：C：0.10～0.20％，Si：0.40～0.80％，Mn：0.20～0.60％，Mo：0.36～0.46％，Cr：6.15～7.10％，Al：0.015～0.035％，Nb：0.02～0.06％，N：0.008～0.015％，余量为Fe和其他不可避免的杂质；所述抽油杆钢的微观组织为回火马氏体以及纳米级的析出物。在本技术方案中，其他不可避免的杂质主要是指P和S，可以将其质量百分比控制为：P≤0.02％，S≤0.02％。本专利技术所述的抽油杆钢的各化学元素的设计原理为：碳：碳是提高钢强度的主要元素，保证一定的强度必须一定的碳含量，但是碳元素对塑性不利，同时质量百分比大于0.20％的碳不利焊接性能。因此，本专利技术所述的碳的质量百分比控制在0.10～0.20％，以保证钢获得足够的强度，同时使钢具有良好的韧性和焊接性。硅：硅能显著提高铁素体的强度，能改变回火过程中碳化物析出的形态、数量和尺寸，提高钢的回火稳定性，间接促进沉淀强化。硅在一定程度上对钢的塑性和韧性有不良影响，但硅能促进相变过程中碳元素的再分配，提高残余奥氏体的稳定性，从而改善韧性。在本专利技术所述的抽油杆钢中，控制0.40～0.80％的硅的质量百分比，可以起到固溶强化的作用同时提高韧性。锰：作为固溶强化元素，同时还可降低奥氏体-铁素体相变温度，有效提高钢的淬透性。但是锰在钢中有促进奥氏体化晶粒长大缺点，因此，在本专利技术中将锰的质量百分比控制在0.20～0.60％。钼：可以强烈推迟铁素体转变，显著提高钢的淬性。可降低钢的回火脆性，改善热处理工艺性能，提高钢材的疲劳性能。钼能降低钢中氢的活度，大大降低钢的吸氢倾向，减少钢中的储氢陷阱。针对油田的腐蚀腐蚀介质情况(油田中高浓度的Cl-、Na+、K+、HCO3-、Mg2+、SO42-、Mg2+、Ca2+)，往往会引起氢致裂纹。通过添加质量百分比为0.36～0.46％的钼能有效改善钢材的吸氢倾向，提高其耐腐蚀性。铬：专利技术钢中最为重要的核心合金元素。一般认为质量百分比≥12％的Cr能使钢具有良好的抗氧化和腐蚀性能，可以提高钢的热强性，是不锈钢和耐热钢的主要合金元素。同时，Cr元素能提高耐磨性和硬度，但是含量过高的Cr对塑性和焊接性不利。针对油田的腐蚀介质情况(油田中高浓度Cl-、Na+、K+、HCO3-、Mg2+、SO42-、Mg2+、Ca2+等离子)，添加铬元素能改善抗腐蚀能力，同时考虑到焊接性能和微合金化作用的匹配，在本专利技术所述的抽油杆钢的铬的质量百分比控制在6.15～7.10％。铝：铝是本专利技术中所添加的微合金元素，对于本专利技术所述的抽油杆钢中形成纳米级的析出物起到关键作用。其中，部分Al与N生成AlN颗粒。基于此，控制Al含量为0.015～0.035％。氮：氮是本专利技术中所添加的微合金元素，对于本专利技术所述的抽油杆钢中形成纳米级的析出物起到关键作用。所述的析出物为碳氮化物，析出物对于本专利技术所述的抽油杆钢的性能提升起到重要作用。此外，N(C)与Nb形成纳米级的Nb(CN)颗粒，并且钢坯再加热时，未溶的Nb(CN)颗粒可以阻止奥氏体晶粒的长大；因此，在本专利技术所述的抽油杆钢中氮的质量百分比控制在0.008～0.015％铌：铌能显著提高钢的再结晶温度，使钢在较高、较大的热变形温度范围进行未再结晶控轧，促进晶粒的细化，提高钢的强韧性。因此，本专利技术所述的铌的质量百分比控制在0.02～0.06％。硫和磷：在本专利技术的技术方案中硫和磷是不可避免的杂质，在技术条件允许情况下应尽可能降低其含量，以减少原奥氏体晶界处的偏聚，提高韧性。残余元素和气体含量控制在相当低含量水平，使钢具有相当高的纯净度，溶于奥氏体中的碳元素与各元素之间达到理想的最佳配比含量，从而为提高材质的均匀性和强韧性奠定了基础。因此，在本专利技术所述的抽油杆钢中，将硫和磷的质量百分比控制在，硫≤0.020％，磷≤0.020％。所述抽油杆钢的微观组织为回火马氏体以及纳米级的析出物，本技术方案通过控制钢种成分和工艺来控制抽油杆钢的微观组织，从而改善了抽油杆钢的性能，进而提高了抽油杆钢的使用寿命。进一步地，在本专利技术所述的抽油杆钢中，所述析出物包括颗粒状的析出物。进一步地，在本专利技术所述抽油杆钢中，所述颗粒状的析出物是粒径为10-20nm。进一步地，在本专利技术所述的抽油杆钢中，所述颗粒状的析出物包括Cr、Mn和Nb的碳氮化物。进一步地，在本专利技术所述的抽油杆钢中，所述析出物包括短棒状的析出物。进一步地，在本专利技术所述的抽油杆钢中，所述短棒状的析出物的长度为60-80nm，所述短棒状的析出物的宽度为10-20nm。进一步地，在本专利技术所述的抽油杆钢中，所述短棒状的析出物包括Cr和Fe的碳氮化物。进一步地，在本专利技术所述的抽油杆钢中，其晶粒度细于10级。进一步地，在本专利技术所述的抽油杆钢中，其抗拉强度为920-1320MPa，且AKU2≥180J。另外，本专利技术的另一目的在于提供一种上文所述的抽油杆钢的热处理工艺，其包括步本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种抽油杆钢，其特征在于，其化学元素质量百分比为：C：0.10～0.20％，Si：0.40～0.80％，Mn：0.20～0.60％，Mo：0.36～0.46％，Cr：6.15～7.10％，Al：0.015～0.035％，Nb：0.02～0.06％，N：0.008～0.015％，余量为Fe和其他不可避免的杂质；所述抽油杆钢的微观组织为回火马氏体以及纳米级的析出物。

【技术特征摘要】
1.一种抽油杆钢，其特征在于，其化学元素质量百分比为：C：0.10～0.20％，Si：0.40～0.80％，Mn：0.20～0.60％，Mo：0.36～0.46％，Cr：6.15～7.10％，Al：0.015～0.035％，Nb：0.02～0.06％，N：0.008～0.015％，余量为Fe和其他不可避免的杂质；所述抽油杆钢的微观组织为回火马氏体以及纳米级的析出物。2.如权利要求1所述的抽油杆钢，其特征在于，所述析出物包括颗粒状的析出物。3.如权利要求2所述的抽油杆钢，其特征在于，所述颗粒状的析出物是粒径为10-20nm。4.如权利要求2所述的抽油杆钢，其特征在于，所述颗粒状的析出物包括Cr、Mn和Nb的碳氮化物。5.如权利要求1-4中任意一项所述的抽油杆钢，其特征在于，所述析出物包括短棒状的析出物。6.如权利要求5所述的抽油杆钢，其特征在于，所述短棒状的析出物的长度为60-80nm，所述短棒状的析出物的宽度为10-20nm。7....

【专利技术属性】
技术研发人员：刘湘江，黄宗泽，
申请(专利权)人：宝山钢铁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31