非调质抽油杆用钢及制造工艺

本发明属于合金钢及制造工艺领域，涉及一种非调质抽油杆用钢及制造工艺。

石油系统采用20CrMoA等调质钢做为抽油杆用钢，由于其调质处理耗能高，之后开发出非调质合金结构钢30SiMnV(中国专利95111888。9公开)，其化学成分配比(按重量百分比)为：C0.27％～0.35％，Si 0.90％～1.20％，Mn 1.20％～1.50％，V0.10％～0.20％，P、S≤0.035％，Cr、Ni、Cu≤0.03％其余为Fe。此后又研制出铁素体+珠光体(F+P)型非调质钢做抽油杆用钢(《大连特殊钢》2000年第2期<非调质抽油杆用纲的研究>)，此钢种选用中低碳，Mn、Si在1.0％～1.4％范围，并添加微量的V。曾向铁岭机械厂、大庆石油管理局机械厂及胜利油田机械厂等用户供货3200吨。上述非调质钢做抽油杆用钢，在使用中普遍存在一个致命的弱点：机械厂对抽油杆热锻、切削加工，之后到油田连接紧固后使用，但在对其热锻区与杆体结合部(热加工过渡区)作拉伸试验时，热加工过渡区的塑性指标不稳定、偏低，达不到D级抽油杆性能：δ≥10％和φ≥50％，发生断裂。

本发明目的在于提供一种非调质抽油杆用钢及制造工艺。此钢局部热锻加工后，过渡区仍可达到D级抽油杆性能指标：抗拉强度σb793～965MPa、屈服强度σs≥620MPa、断后伸长率δ₂₀₀≥10％、断面收缩率φ≥50％和冲击吸收功Ak≥47.0J。本发明采用如下技术方案：

本发明中的非调质抽油杆用钢化学成分配比(按重量百分比)为C 0.26％～0.35％、Mn 1.30％～1.50％、Si 0.80％～1.05％、V 0.08％～0.15％、Ti 0.02％～0.05％、Mo≤0.04％、Cr+Ni≤0.02％、Cu≤0.25％、P、S≤0.025％，其余为Fe。

本发明中的非调质抽油杆用钢按如下工艺制造：电炉+LF炉→铸锭→750轧机开坯→探伤、修磨→高精度棒线材连轧机轧制→冷床空冷→切定尺→时效处理→成材。

在炼钢精炼工序中加Ti-Fe，使Ti熔炼分析为0.02％～0.05％。连轧采用控轧控冷工艺：加热温度1050℃～1080℃，终轧温度≤900℃，冷却速度3℃/s。时效处理200℃～600℃×6h回火。

下面具体说明技术方案内容：

碳：为保证铁素体体积百分含量在48％～52％，提高钢的塑性，碳范围选在0.26％～0.35％。

锰：提高强度。通过固溶强化，细化晶粒提高强度，减小珠光体片间距，提高韧性。但锰又使“C“曲线向右移增加淬透性，超过1.5％时易产生贝氏体组织，在保证组织为铁素体+珠光体的前提下锰含量尽量高，锰范围选在1.30％～1.50％。

硅：作为提高屈服强度(提高屈强比)的主要元素，其固溶强化效果高于锰，在铁素体中能产生M-A岛状组织物，有效提高钢的强度。硅含量的增加会降低塑性，特别对延伸率的降低更大。硅范围选在0.80％～1.05％。

钒、钛：属于微合金化元素，钒与钛的综合强化效果更显著。加热过程中未溶解的V、Ti(C、N)化物质点，通过钉扎晶界细化晶粒，产生固溶强化作用；在轧制过程中，通过形变诱导，析出V、Ti(C、N)化物沉淀在晶界和位错上，钉扎作用防止位错移动提高强度，防止再结晶和晶粒长大提高韧性，达到调质钢水平。钒范围选在0.08％～0.15％。

重点说明钛在钢的二次加热中的作用。抽油杆杆体在二次加热锻造时，锻造区与杆体部分过渡区受二次加热的影响，珠光体-铁素体及沉淀物重新熔入奥氏体，高温下奥氏体趋向粗化。受锻造变形、晶粒破碎的影响，变形奥氏体将发生再结晶(这一过程与轧制的终轧与冷却过程相似)，因此锻造区的晶粒不会显著长大。而过渡区变形很小或不变形，无法实现奥氏体的再结晶，而保留较大的奥氏体晶粒，并在随后的转变中形成粗大的珠光体+铁素体晶粒。这正是导致过渡区塑性降低的原因。阻止奥氏体粗化的有效办法是提高奥氏体粗化温度。元素Ti就可以有效地阻止奥氏体长大，并降低钢中固溶C、N的含量，使其奥氏体粗化温度提高到1150℃以上。所以添加适量的Ti可解决过渡区性能问题。因二次加热度一般在1100℃左右，所以过渡区冷却后其晶粒与杆体基本一致，保持其高性能不变。根据上述理由，钛范围选在0.02％～0.05％。

铬镍钼在此钢中属于有害元素。因为其增加钢的淬透性，特别与锰结合起来的作用，使钢易产生贝氏体组织。一般Mn+Cr+Ni+Mo≥1.60％，在≥0.5℃/s冷速下，很容易出现贝氏体，对铬、镍和钼要求越低越好。钼≤0.04％、铬+镍≤0.02％、铜≤0.25％。硫、磷≤0.025％。

本发明非调质抽油杆用钢制造工艺主要特点是：

1)在炼钢LF炉精炼工序中加入Ti-Fe；

2)在轧制工序中①控制加热温度1050℃～1080℃。使合金元素固溶、避免奥氏体晶粒粗化和铁素体量减少及网状化，保证塑韧性。②终轧温度≤900℃。终轧温度高易发生再结晶迅速长大，且不易发生形变诱导析出。棒线材连轧属升温轧制，有效控制终轧温度断后伸长率(200mm标距)可提高2％～3％。③冷却速度，特别是在800℃～500℃之间的冷却速度，对析出物的颗粒大小、数量及对珠光体相对量和片间距都有相当影响。最佳冷速为3℃/s。

3)时效处理，热轧后钢的断面收缩率较低，经自然时效有所上升，但需经几个月的时间。为尽快达到真实性能，采用低温回火，加速时效。处理工艺为200℃～600℃×6h回火，断面收缩率可上升20％～35％。

本发明具有如下优点：

第一，性能可靠，可保证钢在其局部热锻加工后，过渡区性能仍与杆体保持一致，仍可达到D级抽油杆性能指标，疲劳寿命在100万次以上。

第二，热轧材经低温回火时效，可快速有效提高塑性和韧性，而强度基本不变，钢材不需矫直。

第三，经济效益显著。本钢种不仅具有非调质钢合金含量低、生产成本低优点，并且减少加工损失、矫直费用以及减轻劳动强度，改善环境等优点。

本发明实施例：按本发明化学成分配比配料两炉。在30t电炉粗炼，去p，偏心炉底出钢；LF炉钢包精炼，加C-Si粉扩散脱氧、加Ti-Fe，使Ti熔炼分析达到0.02％～0.05％；浇铸成3.0t锭红转，750轧机开坯150方坯，可控步进炉各加热到1060℃、1080℃，在高速合金钢棒线材连轧机上轧制成∮19mm、∮22mm等尺材，终轧前采用水冷，终轧温度各为870℃、890℃，后经回火时效处理，处理制度各为290℃×2h、310℃×2h。

其性能分别达到

σ_b 880MPa、σ_s 660MPa、δ₂₀₀ 17％、φ56％和A_k 64J。

σ_b 930MPa、σ_s 700MPa、δ₂₀₀ 16％、φ55％和A_k 68J。

非调质抽油杆用钢(D408)已向有关用户供货1700吨使用效果很好。