專利名稱：一種鋼材、包括其的抽油桿、及鋼材的應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鋼材料領(lǐng)域，具體而言，涉及一種鋼材、包括其的抽油桿、及鋼材的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
眾所周知，鋼鐵材料被工作介質(zhì)腐蝕主要是電化學(xué)腐蝕，腐蝕形式主要有晶間腐蝕,點(diǎn)蝕,和應(yīng)力腐蝕。據(jù)統(tǒng)計(jì)這三種類形的腐蝕事故，占各類電化學(xué)腐蝕事故的83%以上。這種腐蝕屬于局部腐蝕，材料的破壞速度很快，是最危險(xiǎn)的腐蝕形式。

特別要指出的是鋼鐵材料處在富含Cl—離子的介質(zhì)中所發(fā)生的腐蝕，主要是晶間腐蝕。晶間腐蝕是鋼鐵材料在介質(zhì)中沿著晶界受到腐蝕，使晶粒之間喪失結(jié)合力的一種現(xiàn)象。其腐蝕介質(zhì)條件是含C1_、S042_、P0廣離子的溶液或鹽類，溫度條件在200°C以下。腐蝕機(jī)理為由于C在鋼中的固溶度隨溫度的降低而急劇減少，在一般冷卻條件下，可以從1000°C時(shí)的O. 15 %下降為室溫時(shí)的O. 02 %，多余出來的C將以Cr23C6的碳化物形式沿著晶界析出。這種碳化物中的Cr元素含量最高可達(dá)70%以上。由于C向晶界析出的速度很快，所以耗用的Cr元素只能從鄰近晶界區(qū)域奪取，從而造成晶界高度貧Cr。在電化學(xué)反應(yīng)中這類貧Cr區(qū)域優(yōu)先作為陽級(jí)進(jìn)行反應(yīng)，即發(fā)生晶界腐蝕。點(diǎn)蝕是在金屬材料表面產(chǎn)生無規(guī)律的小坑狀腐蝕，也叫孔蝕。產(chǎn)生點(diǎn)蝕的腐蝕介質(zhì)條件是Cr離子、Br' Γ、ClO4-溶液中存在重金屬離子或含有K+、Na+、Ca2+、Mg2+等堿土金屬離子。發(fā)生的溫度在50°C以下最多，80 90°C是最危險(xiǎn)的溫度段。材料在加工過程中殘存一定的拉應(yīng)力，在存富含K+、Na+、Ca2+、Mg2+等堿金屬離子和Cr離子溶液中容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕。其溫度條件為室溫到300°C。奧氏體金相組織由于存在滑移與孿晶，故僅在30 50N/mm2的殘余拉應(yīng)力條件下就會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕?，F(xiàn)有技術(shù)中，通常采用20CrMo作為采油機(jī)抽油桿材料。20CrMo是一種經(jīng)典的合金結(jié)構(gòu)鋼，由于其組份中含有一定量的Cr與Mo，因而具有良好的綜合機(jī)械性能，其抗拉強(qiáng)度一般在885Mpa/mm2以上，屈服強(qiáng)度一般在685Mpa/mm2以上，延伸率大于12%，斷面收縮率大于50%，沖擊功大于78J。但由于其組份配伍的特點(diǎn)，基本不具備抗腐蝕性能，因而只能在無防腐要求的普通車輛、機(jī)床的零部件中作為一般的結(jié)構(gòu)件使用，不適宜于在沿海油井中含有K+、Na+、Ca2+、Mg2+等堿土金屬離子及Cl' S042—離子液體的惡劣環(huán)境中使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提供一種鋼材、包括其的抽油桿、及鋼材的應(yīng)用，以解決現(xiàn)有技術(shù)中普通鋼材在沿海油井中工作時(shí)易被腐蝕的技術(shù)問題。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種鋼材。該鋼材按重量百分比計(jì)含有如下原料組分0. 03% O. 05%的碳元素、O. 035% O. 05%的硅元素，5% 6%的錳元素，O. 25% O. 35%的磷元素，O. 015% O. 017%的硫元素，9. 50% 10. 5%的鉻元素、O. 25% O. 50%的鎳元素、O. 15% O. 20%的鑰元素、O. 50% O. 60%的銅元素，O. 15% O. 17%的鋁元素、O. 15% O. 16%的鈦元素、O. 04% O. 05%的釩元素、O. 01% O. 015%的鈮元素、O. 050% O. 060%的鎢元素、O. 018% O. 020%的鈷元素、O O. 001%的銻元素、以及81. 201% 83. 81%的鐵元素。進(jìn)一步地，還包括O. 018% O. 020%的鋅元素。進(jìn)一步地，還包括O. 004% O. 006%的錫元素。進(jìn)一步地，還包括O. 02% O. 03%的鉛元素。進(jìn)一步地，按重量百分比計(jì)含有如下原料組分0. 031%的碳元素、O. 05%的硅元素，5. 776%的錳元素，O. 326%的磷元素，O. 017%的硫元素，10. 33%的鉻元素、O. 22%的鎳元素、O. 173%的鑰元素、O. 65%的銅元素，O. 007%的鋁元素、O. 158%的鈦元素、O. 047%的釩元素、O. 019%的鈮元素、O. 058%的鎢元素、O. 0185%的鋅元素、O. 018%的鈷元素、O. 004%的錫元素、O. 022%的鉛元素、O. 001%的鋪元素、以及余量的鐵元素。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種抽油桿。該抽油桿采用上述鋼材制作而成。進(jìn)一步地，在抽油桿的制作過程中還包括了對(duì)抽油桿的桿件及兩端的去應(yīng)力處理。進(jìn)一步地，去應(yīng)力處理包括將抽油桿的桿件及兩端的心部組織和熱影響區(qū)形成為索氏體或屈氏體的處理。根據(jù)本發(fā)明的再一個(gè)方面，該鋼材在沿海油井作業(yè)中的應(yīng)用。本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果如下本發(fā)明所提供的鋼材不但具有優(yōu)良的力學(xué)性能，而且抗腐蝕性非常優(yōu)異，經(jīng)試驗(yàn)證明，其耐腐蝕性能是20CrMo的140 150倍，特別能適于在沿海油井作業(yè)中使用。
具體實(shí)施例方式應(yīng)該指出，以下詳細(xì)說明都是例示性的，旨在對(duì)本發(fā)明提供進(jìn)一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語具有與本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常理解的相同含義。根據(jù)本發(fā)明一種典型的實(shí)施方式，提供一種鋼材。該鋼材按重量百分比計(jì)含有如下原料組分0. 03% O. 05%的碳元素、O. 035% O. 05%的硅元素，5% 6%的錳元素，O. 25% O. 35%的磷元素，O. 015% O. 017%的硫元素，9. 50% 10. 5%的鉻元素、O. 25% O. 50%的鎳元素、O. 15% O. 20%的鑰元素、O. 50% O. 60%的銅元素，O. 15% O. 17%的鋁元素、O. 15% O. 16%的鈦元素、O. 04% O. 05%的釩元素、O. 01% O. 015%的鈮元素、O. 050% O. 060%的鎢元素、O. 018% O. 020%的鈷元素、O O. 001%的銻元素、以及81. 201% 83. 81%的鐵元素。本發(fā)明所提供的鋼材不但具有優(yōu)良的力學(xué)性能，而且抗腐蝕性非常優(yōu)異，經(jīng)試驗(yàn)證明，其耐腐蝕性能是20CrMo的140 150倍，特別能適于在沿海油井作業(yè)中使用。根據(jù)本發(fā)明一種典型的實(shí)施方式，鋼材還可以包括O. 018% O. 020%的鋅元素，O. 004% O. 006%的錫元素，和/或O. 02% O. 03%的鉛元素。根據(jù)本發(fā)明一種優(yōu)選的實(shí)施方式，該鋼材按重量百分比計(jì)含有如下原料組分O. 031%的碳元素、O. 05%的硅元素，5. 776%的錳元素，O. 326%的磷元素，O. 017%的硫元素，10. 33%的鉻元素、O. 22%的鎳元素、O. 173%的鑰元素、O. 65%的銅元素，O. 007%的鋁元素、O. 158%的鈦元素、O. 047%的釩元素、O. 019%的鈮元素、O. 058%的鎢元素、O. 0185%的鋅元素、O. 018%的鈷元素、O. 004%的錫元素、O. 022%的鉛元素、O. 001%的銻元素、以及余量的鐵元素。本發(fā)明鋼材的良好抗腐蝕性能，來源于其特殊的化學(xué)成份構(gòu)成和金相組織結(jié)構(gòu)。眾所周知,鋼鐵材料被工作介質(zhì)腐蝕主要是電化學(xué)腐蝕,腐蝕形式主要有晶間腐蝕,點(diǎn)蝕，和應(yīng)力腐蝕。據(jù)統(tǒng)計(jì)這三種類形的腐蝕事故，占各類電化學(xué)腐蝕事故的83%以上。這種腐蝕屬于局部腐蝕，材料的破壞速度很快，是最危險(xiǎn)的腐蝕形式。特別要指出的是鋼鐵材料處在富含cr離子的介質(zhì)中所發(fā)生的腐蝕，主要是晶間腐蝕。本發(fā)明鋼材的成份與組織設(shè)計(jì)主要也是針對(duì)這種腐蝕特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)防的。本發(fā)明鋼材中的C基本控制在O. 03% O. 05%,在一般冷卻速度下只有少量Cr23C6的碳化物生成，在晶界不會(huì)出現(xiàn)連續(xù)的碳化物，從而具有較強(qiáng)的抗晶界腐蝕能力。這是它與20CrMo相比具有良好抗晶界腐蝕能力的重要原因之一。 需要指出的是Cr元素能提高C在鋼中的固溶度，Cr含量高對(duì)增強(qiáng)抗晶界腐蝕能力是有正作用的。而Ni元素會(huì)降低C在鋼中的固溶度，從而降低抗晶界腐蝕能力。尤其在富含C1_、S042_離子的腐蝕介質(zhì)溶液中，這種反向作用更強(qiáng)烈。通常行業(yè)內(nèi)都把Ni元素含量臨界值控制在O. 8% I. 0%，而本發(fā)明鋼材中含Ni元素遠(yuǎn)低于此值，僅含O. 25% O. 50%。同時(shí)，本發(fā)明鋼材中含Al較高，可以細(xì)化鋼的晶粒，細(xì)小的晶粒組織可以增加晶界總長度，從而相對(duì)降低了 Cr23C6的碳化物的分布密度，這也是一種有利因素。通常材料中的Cr、Mo、Si、Ni都是抗點(diǎn)蝕的有利元素，其能力前高后低。晶界容易發(fā)生貧Cr的材料，貧Cr的晶界也會(huì)優(yōu)先成為點(diǎn)蝕的敏感區(qū)。由于本發(fā)明提供的鋼材中碳比較低，Cr比較高，因此抗點(diǎn)蝕的能力比較強(qiáng)。本發(fā)明所提供的鋼材其制備方法與現(xiàn)有技術(shù)中的方法相同，其中，鋼的熔煉溫度為1580 1680°C，在鋼的冶煉過程中要嚴(yán)格控制氧化物系夾雜物對(duì)材料性能的影響。鋼的軋制溫度為1180 960°C，堆冷。冶煉采用電弧爐初煉提供鋼水，用AOD或VOD爐對(duì)初煉鋼水進(jìn)行吹氧脫碳脫硫，進(jìn)一步合金化調(diào)整成分和溫度、脫氣等精煉后澆錠。軋機(jī)開胚探傷，控溫控冷軋制成型材，熱處理后整理切定尺成材。根據(jù)本發(fā)明一種典型的實(shí)施方式，提供一種抽油桿。該抽油桿采用本發(fā)明的鋼材制作而成。優(yōu)選地，在抽油桿的制作過程中還包括了對(duì)抽油桿的桿件及兩端的去應(yīng)力處理。本發(fā)明的鋼材在熱軋狀態(tài)下是馬氏體加少量鐵素體，經(jīng)處理后金相組織回火索氏體。索氏體本質(zhì)上是一種超細(xì)小的珠光體，具有良好力學(xué)性能，殘余應(yīng)力小，強(qiáng)度與韌性匹配較好。超細(xì)小的晶體，低的殘余應(yīng)力這兩者對(duì)抵抗晶界腐蝕、點(diǎn)蝕和應(yīng)力腐蝕都是有利因素。鐵素體和馬氏體組織由于屈服強(qiáng)度高，發(fā)生應(yīng)力腐蝕的臨界應(yīng)力值在300N/mm2左右，因此相對(duì)不易發(fā)生應(yīng)力腐蝕。本發(fā)明的鋼材不是奧氏體組織，它的抗應(yīng)力腐蝕的能力接近馬氏體。同時(shí)材料在制作過程中桿件與兩瑞頭部，都經(jīng)過去應(yīng)力處理，殘余拉應(yīng)力消除的比較徹底，從而抑制了使用中應(yīng)力腐蝕的發(fā)生。從金相組織合理角度考慮，本發(fā)明的鋼材在制作抽油桿的過程中，當(dāng)桿件鍛造成形后，采取合適的措施將兩端心部組織和熱影響區(qū)恢復(fù)成為索氏體或屈氏體，是需要予以高度重視的工藝環(huán)節(jié)。此外，由于Cr原子在鐵素體材料與馬氏體材料中擴(kuò)散速度要比在奧氏體材料中快幾十倍，在同樣條件下，本發(fā)明的鋼材金相組織中晶內(nèi)和晶界的Cr元素含量容易達(dá)到平衡，可以防止晶界腐蝕。而20CrMo材料難于達(dá)到晶內(nèi)和晶界的Cr元素含量的平衡，無法有效防止晶間腐蝕。綜上所述，本發(fā)明的鋼材是一種節(jié)Ni、節(jié)Mo新型材料，因?yàn)楸景l(fā)明的鋼材的耐腐蝕性能非常優(yōu)異，所以適合在沿海油井中作業(yè)中的應(yīng)用。 下面將結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明的有益效果。實(shí)施例I原料組份0. 031%的碳元素、O. 05%的硅元素，5. 776%的錳元素，O. 326%的磷元素，O. 017%的硫元素，10. 33%的鉻元素、O. 22%的鎳元素、O. 173%的鑰元素、O. 65%的銅元素，O. 007%的鋁元素、O. 158%的鈦元素、O. 047%的釩元素、O. 019%的鈮元素、O. 058%的鎢元素、O. 0185%的鋅元素、O. 018%的鈷元素、O. 004%的錫元素、O. 022%的鉛元素、O. 001%的銻元素、
以及余量的鐵元素。 制備方法與現(xiàn)有技術(shù)相同，鋼的熔煉溫度為1580 1680°C，在鋼的冶煉過程中要嚴(yán)格控制氧化物系夾雜物對(duì)材料性能的影響。鋼的軋制溫度為1180 960°C，堆冷。冶煉采用電弧爐初煉提供鋼水，用AOD或VOD爐對(duì)初煉鋼水進(jìn)行吹氧脫碳脫硫，進(jìn)一步合金化調(diào)整成分和溫度、脫氣等精煉后澆錠。軋機(jī)開胚探傷，控溫控冷軋制成型材，熱處理后整理切定尺成材。實(shí)施例2原料組份0. 03%的碳元素、O. 05%的硅元素，5%的錳元素，O. 35%的磷元素，O. 017%的硫元素，9. 50%的鉻元素、O. 25%的鎳元素、O. 20%的鑰元素、O. 50%的銅元素，O. 15%的鋁元素、O. 16%的鈦元素、O. 05%的釩元素、O. 015%的鈮元素、O. 060%的鎢元素、O. 018%的鈷元素、以及余量的鐵元素。制備方法同實(shí)施例I。實(shí)施例3原料組份0. 05%的碳元素、O. 05%的硅元素，6%的錳元素，O. 25%的磷元素，O. 015%的硫元素，10. 5%的鉻元素、O. 50%的鎳元素、O. 15%的鑰元素、O. 60%的銅元素，O. 17%的鋁元素、O. 15%的鈦元素、O. 04%的釩元素、O. 01%的鈮元素、O. 050%的鎢元素、O. 020%的鈷元素、O. 001%的鋪元素、以及余量的鐵元素。制備方法同實(shí)施例I。實(shí)施例4原料組份0. 04%的碳元素、O. 038%的硅元素，5. 66%的錳元素，O. 31%的磷元素，O. 015%的硫元素，9. 59%的鉻元素、O. 46%的鎳元素、O. 19%的鑰元素、O. 57%的銅元素，O. 17%的鋁元素、O. 156%的鈦元素、O. 041%的釩元素、O. 011%的鈮元素、O. 051%的鎢元素、O. 020%的鈷元素、O. 001%的銻元素、O. 019%的鋅元素，O. 005%的錫元素、O. 021%的鉛元素以及余量的鐵元素。制備方法同實(shí)施例I。實(shí)施例5原料組份0. 037%的碳元素、O. 039%的硅元素，5. 9%的錳元素，O. 31%的磷元素，O. 016%的硫元素，9. 55%的鉻元素、O. 43%的鎳元素、O. 17%的鑰元素、O. 53%的銅元素，O. 157%的鋁元素、O. 156%的鈦元素、O. 045%的釩元素、O. 01%的鈮元素、O. 056%的鎢元素、O. 018%的鈷元素、O. 004%的錫元素、O. 02%的鉛元素以及余量的鐵元素。制備方法同實(shí)施例I。實(shí)施例6原料組份0. 05%的碳元素、O. 05%的硅元素，6%的錳元素，O. 33%的磷元素，O. 015%的硫元素，10. 1%的鉻元素、O. 27%的鎳元素、O. 20%的鑰元素、O. 60%的銅元素，O. 17%的鋁元素、O. 15%的鈦元素、O. 05%的釩元素、O. 015%的鈮元素、O. 060%的鎢元素、O. 020%的鈷元素、O. 001%的鋪元素、O. 020%的鋅元素,O. 004%的錫元素、以及余量的鐵元素。制備方法同實(shí)施例I。將根據(jù)實(shí)施例Γ6所制備的鋼材進(jìn)行測試，并根據(jù)測試結(jié)果進(jìn)一步對(duì)本發(fā)明所提供的鋼材進(jìn)行分析。一、拉伸性能測試根據(jù)SY/T5029-2006《抽油桿》石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和GB/T229-2002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》國家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)實(shí)施例I飛及對(duì)比例的鋼材試樣進(jìn)行了抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長率、斷面收縮率進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)測試。(見表I)表I.
權(quán)利要求
1.一種鋼材，其特征在于，按重量百分比計(jì)含有如下原料組分0. 03% O. 05%的碳元素、O. 035% O. 05%的硅元素，5% 6%的錳元素，O. 25% O. 35%的磷元素，O. 015% O. 017%的硫元素，9. 50% 10. 5%的鉻元素、O. 25% O. 50%的鎳元素、O. 15% O. 20%的鑰元素、O. 50% O. 60%的銅元素，O. 15% O. 17%的鋁元素、O. 15% O. 16%的鈦元素、O. 04% O. 05%的釩元素、O. 01% O. 015%的鈮元素、O. 050% O. 060%的鎢元素、O. 018% O. 020%的鈷元素、O O. 001%的銻元素、以及81. 201% 83. 81%的鐵元素。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鋼材，其特征在于，還包括O.018% O. 020%的鋅元素。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鋼材，其特征在于，還包括O.004% O. 006%的錫元素。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鋼材，其特征在于，還包括O.02% O. 03%的鉛元素。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鋼材，其特征在于，按重量百分比計(jì)含有如下原料組分O. 031%的碳元素、O. 05%的硅元素，5. 776%的錳元素，O. 326%的磷元素，O. 017%的硫元素，10. 33%的鉻元素、O. 22%的鎳元素、O. 173%的鑰元素、O. 65%的銅元素，O. 007%的鋁元素、O. 158%的鈦元素、O. 047%的釩元素、O. 019%的鈮元素、O. 058%的鎢元素、O. 0185%的鋅元素、O.018%的鈷元素、O. 004%的錫元素、O. 022%的鉛元素、O. 001%的銻元素、以及余量的鐵元素。
6.一種抽油桿，其特征在于，采用如權(quán)利要求I至5任一項(xiàng)所述的鋼材制作而成。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的抽油桿，其特征在于，在所述抽油桿的制作過程中還包括了對(duì)所述抽油桿的桿件及兩端的去應(yīng)力處理。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的抽油桿，其特征在于，所述去應(yīng)力處理包括將所述抽油桿的桿件及兩端的心部組織和熱影響區(qū)形成為索氏體或屈氏體的處理。
9.一種如權(quán)利要求I至5任一項(xiàng)所述的鋼材在沿海油井作業(yè)中的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鋼材、包括其的抽油桿、及鋼材的應(yīng)用。其中，該鋼材含有如下原料組分碳元素、硅元素，錳元素，磷元素，硫元素，鉻元素、鎳元素、鉬元素、銅元素，鋁元素、鈦元素、釩元素、鈮元素、鎢元素、鈷元素、銻元素、以及鐵元素。本發(fā)明所提供的鋼材不但具有優(yōu)良的力學(xué)性能，而且抗腐蝕性非常優(yōu)異，經(jīng)試驗(yàn)證明，其耐腐蝕性能是20CrMo的140～150倍，特別能適于在沿海油井作業(yè)中使用。
文檔編號(hào)F04C21/00GK102839333SQ20121037192
公開日2012年12月26日 申請日期2012年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月28日
發(fā)明者李永安 申請人:浙江睿智鋼業(yè)有限公司