一種620MPa級鋁合金鉆桿用管體及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及油井管制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種620MPa級鋁合金鉆桿用管體及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著石油工業(yè)的發(fā)展，對油氣資源勘探用鉆桿的性能要求不斷提高。相比于傳統(tǒng)鋼質(zhì)鉆桿，超高強度鋁合金鉆桿具有密度低、比強度高、耐腐蝕及抗疲勞性能優(yōu)良等特點，是解決深井、超深井、定向井、酸性氣井及深海油氣井等復(fù)雜鉆井問題的重要油井管材。
[0003]目前，普遍使用的鋁合金鉆桿用管材多為Al-Cu-Mg系鋁合金，但其強度不足、表面硬度低，限制了其在苛刻鉆井工況條件下更廣泛的推廣使用。而采用Al-Cu-Mg-Zn系超高強度鋁合金鉆桿，可提高鉆桿管體的服役強度及表面硬度，顯著降低苛刻鉆井工況條件下鉆柱的安全風(fēng)險，所以有必要提供一種Al-Cu-Mg-Zn系鋁合金鉆桿用管體。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種620MPa級鋁合金鉆桿用管體及其制造方法，該方法制得的鋁合金鉆桿用管體具有較高的強度，并且表面硬度高，熱強性能較好。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案:
[0006]一種620MPa級鋁合金鉆桿用管體，以重量百分比計，包括Zn:7.5?8.5%，Mg:
1.7 ?2.3%，Cu:1.7 ?2.6%，F(xiàn)e:0.1 ?0.3%，Ni:0.1 ?0.3%，Zr:0.1 ?0.2%，T1:0.01?0.02%, Mn:0.2?0.3%，Cr:0.1?0.2%，余量為Al和不可避免的雜質(zhì)。
[0007]一種制造620MPa級鋁合金鉆桿用管體的方法，包括如下步驟:
[0008]I)以重量百分比計，將 Zn:7.5 ?8.5%，Mg:1.7 ?2.3%，Cu:1.7 ?2.6%，F(xiàn)e:0.1 ?0.3%,Ni:0.1 ?0.3%,Zr:0.1 ?0.2%,Ti:0.01 ?0.02%,Mn:0.2 ?0.3%,Cr:
0.1?0.2%，余量為Al，進行冶煉、鑄造成管坯；
[0009]2)多級均勻化處理:將管坯進行多級均勻化處理；
[0010]3)擠壓處理:將經(jīng)過多級均勻化處理的管坯進行變截面擠壓；
[0011]4)雙級固溶處理:將擠壓后的管坯進行雙級固溶處理；
[0012]5)預(yù)變形:將經(jīng)過雙級固溶處理的管坯進行預(yù)拉伸變形，變形量為2?3% ;
[0013]6)最后，將預(yù)變形后的管坯進行自然時效或人工時效處理，得到620MPa級鋁合金鉆桿用管體。
[0014]所述多級均勻化處理的具體過程為:將管坯加熱到365?385°C，保溫8?12h ;然后加熱至410°C?425°C，保溫10?15h ;最后加熱至455?465°C，保溫30?35h ;然后自然降至室溫，得到經(jīng)過均勻化處理的管坯。
[0015]所述加熱速率為10?20°C/min。
[0016]所述擠壓處理的具體過程為:將經(jīng)過多級均勻化處理的管坯加熱到420?435°C，保溫20-40min后進行變截面擠壓，擠壓比大于18，擠壓速度為3?6mm/s。
[0017]所述雙級固溶處理的具體過程為:將經(jīng)過擠壓的管坯加熱到435?445°C，保溫I?2h后加熱至460?465°C保溫I?1.5h，然后以噴水冷卻，冷卻速度為30?50°C /s。
[0018]所述雙級固溶處理的具體過程中加熱的速率大于20°C /min。
[0019]所述人工時效的條件為:在120?125°C下保溫8h?60h。
[0020]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的有益效果:
[0021](I)本發(fā)明通過控制各元素合適的重量百分比，利用Zn、Mg元素析出強化，Cu元素原子團簇偏聚區(qū)強化、Mn元素在固溶處理溫度下的固溶強化及晶粒細化，以及Zr、Ti復(fù)合添加的晶粒細化，充分發(fā)揮了固溶強化、析出強化、晶粒細化等復(fù)合作用，從而提高了鋁合金鉆桿用管體的強度、硬度、熱強性。本發(fā)明中由于合金成分設(shè)計簡單，并且不需要加入不加入Ag等提高熱強性的貴金屬元素，所以成本低。
[0022](2)本發(fā)明在工藝上采用多級均勻化處理、多級固溶處理、時效等熱處理工藝，大幅度消除了基體內(nèi)部偏析、不均等，顯著促進了鋁合金基體內(nèi)部未熔解共晶相的回熔，從而在保持高強度的同時，提高了熱強性。
[0023](3)本發(fā)明制造的鋁合金鉆桿管體的性能達到以下要求:
[0024]a)管體拉伸性能，Rt0.2= 550 ?600MPa，Rni彡 620MPa，δ 5多 8.0。
[0025]b)管體耐熱性能，在120°C下熱暴露500小時后的室溫抗拉強度彡434MPa、屈服強度彡 420MPa、δ 5彡 7.0。
[0026]c)管體的微觀組織為超細η ’ (MgZn2)相。
[0027](4)本發(fā)明中由于加入Zn和Mg，并且控制Zn/Mg含量比，Zn、Mg和Al會在管體內(nèi)形成高濃度的三元固溶體T (Al2Mg3Zn3)相:Zn和Mg之間形成二元的η ’ (MgZn2)相，這兩種相在鋁合金管體中的溶解度隨溫度的降低急劇下降，彌散析出從而強化鋁合金基體，強化效果隨Zn和Mg元素含量增加而提高。但過多的Zn和Mg元素含量會顯著降低鋁合金管體的塑韌性，因此，鋁合金管體中控制Zn重量含量為7.5?8.5 %，控制Mg重量含量為1.7?2.
[0028](5)本發(fā)明中由于加入Cu，Cu可以與Al和Mg形成強化相S相(Al2CuMg)，S相能夠?qū)︿X合金管體產(chǎn)生附加的強化效果，從而提高鋁合金管體的強度和重復(fù)加載抗力，同時避免因Zn，Mg含量過高所導(dǎo)致的鋁合金管體的塑性和耐蝕性降低的缺點。但過高的Cu含量導(dǎo)致鋁合金管材的抗疲勞性能降低，因此，鋁合金管材中控制Cu重量百分含量為1.7?
2.
[0029](6)本發(fā)明中由于加入Fe、Ni元素，所以可以提高鋁合金管材的抗高溫性能，提高熱強性。但過高的Fe、Ni含量會導(dǎo)致管材的塑韌性降低，因此，鋁合金管材中控制Fe重量百分含量為0.1?0.3%, Ni重量百分含量為0.1?0.3% ;
[0030](7)本發(fā)明中加入微量的Zr、Ti元素，可以細化晶粒、抑制再結(jié)晶、降低鋁合金管材的淬火敏感性。并且鋁合金管材中控制Zr重量百分含量為0.1?0.2%，Ti重量百分含量為 0.01 ?0.02%o
[0031](8)本發(fā)明中Mn元素可以細化晶粒、阻礙基體晶粒長大和再結(jié)晶，在不降低鋁合金塑性和韌性的情況下，提高鋁合金管材強度。但過量的Mn會降低Zn、Mg等溶質(zhì)元素在基體中的溶解度從而降低強韌性。因此，鋁合金管材中控制Mn重量百分含量為0.2?0.3%。
[0032](9)本發(fā)明中含有Cr，加入Cr元素在提高管材的塑韌性和降低應(yīng)力腐蝕開裂敏感性，但過量的Cr將降低管材的淬透性。因此，鋁合金管材中控制Cr重量百分含量為0.1?
0.
[0033](10)本發(fā)明以高含量Zn、低含量Mg、Cu，適量N1、Mn、Cr，微量T1、Zr，結(jié)合熱處理工藝，獲得細小彌散的n’ (MgZn2)強化相為主的組織，本發(fā)明采用均勻化及固溶熱處理采用了多級處理技術(shù)，擠壓工藝采用了變截面擠壓技術(shù)制造的管材強度高，表面硬度高，韌性、熱強性、耐腐蝕及抗疲勞性能好。
【附圖說明】
[0034]圖1為本發(fā)明實施例1的人工時效后管體的透射電鏡組織圖。
[0035]圖2為本發(fā)明實施例2的人工時效后管體的透射電鏡組織圖。
[0036]圖3為本發(fā)明實施例3的人工時效后管體的透射電鏡組織圖。
【具體實施方式】
[0037]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。
[0038]實施例1
[0039]—種620MPa級鋁合金鉆桿用管體化學(xué)成分按重量百分?jǐn)?shù)計，包括:Zn 7.6%, Mg
2.0%, Cu 2.3%, Fe 0.3%, Ni 0.3%, Zr 0.2%, Ti 0.02%, Mn 0.3%, Cr 0.2%，余量為Al和不可避免的雜質(zhì)。
[0040]上述620MPa級鋁合金鉆桿用管體的制造方法為:將上述原料通過冶煉鑄造獲得管坯，在加熱速率為10°C/min條件下，管坯經(jīng)380°C X8h+420°C X12h+460°C X32h均勻化處理，自然降至室溫，然后在420°C下保溫20min后變截面擠壓變形，擠壓比大于18，擠壓速度為3mm/s ;再經(jīng)435°C X2h+465°C Xlh固溶處理，采用水冷的冷卻方式、以30 °C /s的冷卻速度冷卻至室溫，再對管體施加2.0 %的預(yù)拉伸變形后，在120°C下進行人工時效處理36h0
[0041]經(jīng)上述制造方法得到的鋁合金管體的力學(xué)性能達到:抗拉強度為634MPa，屈服強度為588MPa，延伸率為9.1%;120°C熱暴露500h后，拉伸性能達到:抗拉強度為594MPa，屈服強度為563MPa，延伸率為8.3%。其性能指標(biāo)完全達到ISO標(biāo)準(zhǔn)對鋁合金鉆桿用管材的要求。該實施例室溫下組織為超細n’ (MgZn2)相，參照圖1。
[0042]實施例2
[0043]一種620MPa級鋁合金鉆桿用管體的化學(xué)成分按重量百分?jǐn)?shù)計，包括:Zn 7.9%,Mg 2.0%，Cu 2.3%,Fe 0.3%,Ni 0.3% , ,Zr 0.2%,Ti 0.02%, Mn 0.3%, Cr 0.2%，余量為Al和不可避免的雜質(zhì)。
[0044]上述620MPa級鋁合金鉆桿用管體的制造方法為:將上述原料通過冶煉鑄造獲得管坯，在加熱速率為10°C/min條件下，管坯經(jīng)380°C X8h+420°C X12h+460°C X32h均勻化處理，自然降至室溫，然后在420°C下保溫20min后變截面擠壓變形，擠壓比大于18，擠壓速度為6mm/s ;再經(jīng)435°C X2h+460°C Xlh固溶淬火處理，采用水冷的冷卻方式、以50°C /s的冷卻速度冷卻至室溫，再對管體施加2.0%的預(yù)拉伸變形后，在120°C下進行人工時效處理12h。
[0045]經(jīng)上述制造方法得到的鋁合金管體的力學(xué)性能達到