專利名稱：一種輕質(zhì)鉆具材料的熱處理工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于石油鉆井機械材料領(lǐng)域，特別涉及ー種輕質(zhì)鉆具材料的熱處理工藝。
背景技術(shù)：
隨著石油エ業(yè)的不斷發(fā)展，油氣井鉆井深度不斷増加，井深度増加，使得鉆井エ況越來越復(fù)雜，在鉆超深井時鉆柱的重量問題就給石油鉆機帶來了更大的負荷，對地面承載結(jié)構(gòu)提出了很大的挑戰(zhàn)，因此研究一種制造輕質(zhì)鉆具的新型材料迫在眉睫，不但要減輕整個鉆柱的重量，而且這種材料特性能夠滿足現(xiàn)場復(fù)雜使用エ況下鉆具性能的要求。為了獲得輕質(zhì)鉆具，選材上可以從兩個方面進行考慮ー是考慮選擇密度低的材料；ニ是考慮選擇強度高的材料進行設(shè)計。目前，針對密度低的材料制造成的鉆具有三類I.碳纖維材料的鉆具；2.鋁合金鉆具；3.鈦合金材料的鉆具。其中鋁合金材料的鉆具在 這三種低密度材料鉆具中應(yīng)用的數(shù)量最大，性價比最高。但是鋁合金材料的鉆具在國內(nèi)大規(guī)模推廣還是有很大困難的，這是因為國內(nèi)生產(chǎn)鋁合金鉆具的基礎(chǔ)條件還不能滿足，它的制造エ藝與普通鋼質(zhì)鉆具的的制造エ藝差別很大，有許多獨特的制造エ藝，如非等截面鋁合金鉆桿管體生產(chǎn)エ藝；鋁合金管材專用熱處理生產(chǎn)線(鋁合金無磁性，現(xiàn)有的鋼鉆桿電感應(yīng)固溶生產(chǎn)線不能使用；鋁合金桿體熱處理后拉伸矯直エ藝(鋼鉆桿一般采用軋輥矯直法、非外平鉆桿采用靜壓矯直法；螺紋車削エ藝(光潔度加工、煤油切削液配制等)、錐配合+管螺紋+熱過盈嵌裝鋁合金鉆桿接頭擰固裝置等。國內(nèi)外廠家制造G105和S135常規(guī)鉆具所用材料均為優(yōu)質(zhì)合金鋼。材料的使用狀態(tài)是淬火、回火后的調(diào)質(zhì)態(tài)，組織為回火索氏體，即在鐵素體基體上彌散分布著粒狀碳化物。國內(nèi)外在高強鉆桿用材上，基本上都是含有Cr、Mo的中碳合金鋼，采用調(diào)質(zhì)處理。因此，原材料成本較高，且淬火過程控制不當易出現(xiàn)裂紋，エ藝復(fù)雜。目前，現(xiàn)有材料在鉆具的制造應(yīng)用中主要存在以下幾個問題
I.碳纖維復(fù)合材料鉆具的主要缺點在于其水力特性和效率，阻礙了其在超深井鉆井和大位移井鉆井(ERD)的應(yīng)用，碳纖維復(fù)合材料鉆桿價格為普通鋼鉆桿的3倍以上，這會增加投資。2.新型貝氏鋼(高強度鋼)鉆具的主要缺點在于減輕重量后容易出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，減輕的重量有限制，否則保證不了鉆具的穩(wěn)定性。3.鋁合金鉆具的缺點主要缺點在于價格昂貴，鋁合金鉆桿的成本大約是常規(guī)鋼鉆桿的2. 5^3倍多；屈服強度較低，需要通過增加壁厚來提升強度重力比，從而影響水力性能，且當溫度高于120度多度時，屈服強度急劇降低。4.鈦合金鉆具主要缺點在于相同載荷作用下，變形量大；對扭矩變動會有延時效應(yīng)；成本太高，常規(guī)鉆井不適合用。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有的鉆具重量大對石油勘探開發(fā)超深井的限制這ー難題，本發(fā)明提供了ー種新型材料——低碳錳-硅空冷貝氏體/馬氏體復(fù)相鋼的熱處理工藝，是在Mn系貝氏體鋼的基礎(chǔ)上添加Si元素得到的新型Mn-Si系貝氏體鋼，空冷獲得無碳化物貝氏體/馬氏體復(fù)相組織，低溫回火，與等強度的回火馬氏體相比，無碳化物貝氏體/馬氏體復(fù)相組織具有更好的韌性，更高的疲勞強度和耐延遲斷裂性能，用該材料制造的鉆具強度重量比高、重量輕。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是利用適量Mn對中溫轉(zhuǎn)變的拖曳和類拖曳作用，改變等溫轉(zhuǎn)變C曲線的形狀，利用Mn、Cr降低鋼的Bs點，Si抑制碳化物析出，研制出在連續(xù)冷卻條件下獲得CFB/M (無碳化物貝氏體/馬氏體)復(fù)相組織的新鋼種?？刂乒韬亢螅梢蕴岣邭堄鄪W氏體的穩(wěn)定性，從而顯著提高回火溫度，改善中碳、中低碳Mn-B系貝氏體鋼的強韌性。硅的作用既有利于在貝氏體中形成殘余奧氏體薄膜，又能推遲第一類回火脆性，可將回火溫度提高至300°C以上，從而增加韌性及抗延遲斷裂性能。并且該材料碳含量較低，對焊接エ藝性有利。Mn系中低碳貝氏體鋼空冷條件下得到貝氏體/馬氏體復(fù)相組織，經(jīng)低溫回火后，具有高的強度和一定的韌性；經(jīng)中高溫回火，韌性進ー步提高，可以代替40CrNiMo等高Ni 含量及高淬透性調(diào)質(zhì)鋼，適用于各類韌性要求高的調(diào)質(zhì)件以及需表面淬火的調(diào)質(zhì)件。在Mn系貝氏體鋼的基礎(chǔ)上添加Si元素得到的新型Mn-Si系貝氏體鋼，空冷獲得無碳化物貝氏體/馬氏體復(fù)相組織，與等強度的回火馬氏體相比，無碳化物貝氏體/馬氏體復(fù)相組織具有更好的韌性，更高的疲勞強度和耐延遲斷裂性能，可以制造多種性能指標苛刻的特殊結(jié)構(gòu)件。低碳錳-硅空冷貝氏體/馬氏體復(fù)相鋼料熱處理后得到常規(guī)力學性能如下
回火濯I度顯微CF1,CTe2δΦ<iK
し組も八MPaMPa%%J
280BM1560135715,754.768.7
370BM1530135116.255.679.5
本發(fā)明的有益效果是，提高了新型材料的力學性能，連續(xù)冷卻獲得的貝氏體/馬氏體復(fù)相組織具有較高的強韌性及抗延遲斷裂性能，具有較優(yōu)的高周疲勞性能。拉伸強度可達到1500MPa，具有優(yōu)良的強韌性配合，疲勞性能和抗氫脆與應(yīng)カ腐蝕性能均優(yōu)于同強度級別的調(diào)質(zhì)處理合金鋼，價格也不高，用這種新型材料制造的鉆具重量輕，節(jié)約材料。該材料碳含量較低，對焊接エ藝性有利。
具體實施例方式在Mn系貝氏體鋼的基礎(chǔ)上添加Si元素得到的新型Mn-Si系貝氏體鋼，空冷獲得無碳化物貝氏體/馬氏體復(fù)相組織，低溫回火，與等強度的回火馬氏體相比，無碳化物貝氏體/馬氏體復(fù)相組織具有更好的韌性，更高的疲勞強度和耐延遲斷裂性能。熱軋空冷生產(chǎn)的外徑133mm壁厚5_的無縫鋼管，其常規(guī)力學性能見下表，該性能是未經(jīng)回火時的性能，若經(jīng)過適當回火，強度不會降低，韌性卻有很大提高。
權(quán)利要求
1.ー種輕質(zhì)鉆具材料的熱處理工藝，包括低碳錳-硅空冷貝氏體/馬氏體復(fù)相鋼材料的制備方法，材料的熱處理工藝，其特征在于嚴格控制材料的成分組成與比例，以及材料熱處理工藝、回火溫度的控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的輕質(zhì)鉆具材料的熱處理工藝，其特征在于在Mn系貝氏體鋼的基礎(chǔ)上添加Si元素得到的新型Mn-Si系貝氏體鋼，空冷獲得無碳化物貝氏體/馬氏體復(fù)相組織，低溫回火，與等強度的回火馬氏體相比，無碳化物貝氏體/馬氏體復(fù)相組織具有更好的韌性，更高的疲勞強度和耐延遲斷裂性能，用該材料制造的鉆具強度重量比高，重量輕。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的輕質(zhì)鉆具材料的熱處理工藝，其特征在于Mn系中低碳貝氏體鋼空冷條件下得到貝氏體/馬氏體復(fù)相組織，經(jīng)低溫回火后，具有高的強度和一定的韌性；經(jīng)中高溫回火，韌性進ー步提高，可以代替40CrNiMo等高Ni含量及高淬透性調(diào)質(zhì)鋼，適用于各類韌性要求高的調(diào)質(zhì)件以及需表面淬火的調(diào)質(zhì)件。
全文摘要
一種新型輕質(zhì)鉆具材料的熱處理工藝，屬于石油鉆井機械材料領(lǐng)域。為了解決鉆井過程中鉆柱重量大限制鉆井深度的問題，在Mn系貝氏體鋼的基礎(chǔ)上添加Si元素得到的新型Mn-Si系貝氏體鋼，空冷獲得無碳化物貝氏體/馬氏體復(fù)相組織，經(jīng)回火熱處理，與等強度的回火馬氏體相比，無碳化物貝氏體/馬氏體復(fù)相組織具有更好的韌性，更高的疲勞強度和耐延遲斷裂性能，提高了材料的力學性能，符合鉆具材料性能要求，可以用來制造鉆具，重量輕且能節(jié)約材料。
文檔編號C21D9/22GK102828011SQ20121035741
公開日2012年12月19日 申請日期2012年9月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月24日
發(fā)明者蔡正敏, 王柱軍, 杜永彬, 鄭申 申請人:中國石油集團長城鉆探工程有限公司工程服務(wù)公司