本发明涉及石油管制造技术领域，具体涉及一种kd级表面渗铝改性抽油杆用钢及其杆体制造方法。
背景技术：
随着石油工业的发展，对抽油杆表面防腐技术的性能要求不断提高，抽油杆表面渗铝改性技术作为一种重要的防腐手段其研究受到广泛重视。
目前表面渗铝改性使用的kd级抽油杆用钢多采用调质处理，工艺复杂，成本较高，供货周期长。此外，经表面渗铝改性处理后，杆体需重新高温调质处理，导致杆体表面渗铝层出现空洞、裂纹、剥落等缺陷，防腐性能、耐疲劳性能下降。采用非调质钢生产油井管，可简化生产工艺、大幅度降低生产成本供货周期。进一步的，表面渗铝改性处理后，非调质钢无需进行高温调质处理，极大保护了渗铝层的结构完整性，提高了抽油杆杆体的耐腐蚀性能、耐疲劳性能等。
技术实现要素：
本发明的目的是提供的一种kd级表面渗铝改性抽油杆用钢及其杆体制造方法，具有生产工艺简单、成本较低、韧性低、耐腐蚀性能好、使用寿命长的优点。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案来实现的：
一种kd级表面渗铝改性抽油杆用钢，以重量百分比计，其组成包括：c：0.05～0.08％，mn：2.36～2.49％，cr：0.5～1.0％，mo：0.25～0.30％，si：0.30～0.60％，nb：0.02～0.04％，s：≤0.03％，p：≤0.03％，ti：≤0.020％，其余为铁和不可避免杂质。
本发明进一步的改进在于，以重量百分比计，其组成包括：c：0.05～0.07％，mn：2.36～2.4％，cr：0.8～1.0％，mo：0.25～0.30％，si：0.30～0.60％，nb：0.03～0.04％，s：≤0.03％，p：≤0.03％，ti：≤0.020％，其余为铁和不可避免杂质。
本发明进一步的改进在于，以重量百分比计，其组成包括：c：0.07～0.08％，mn：2.4～2.49％，cr：0.5～0.8％，mo：0.25～0.30％，si：0.30～0.60％，nb：0.02～0.03％，s：≤0.03％，p：≤0.03％，ti：≤0.020％，其余为铁和不可避免杂质。
一种kd级表面渗铝改性抽油杆的制造方法，包括如下步骤：
1)按重量百分比计，将c：0.05～0.08％，mn：2.36～2.49％，cr：0.5～1.0％，mo：0.25～0.30％，si：0.30～0.60％，nb：0.02～0.04％，s：≤0.03％，p：≤0.03％，ti：≤0.020％，其余为铁和不可避免杂质，进行冶炼、炉外精炼、铸造，制得棒坯；
2)将棒坯加热至1180～1200℃；
3)通过连轧机组轧制，连轧机组轧制的开始温度为1130～1150℃，终轧温度为780～800℃；
4)空冷后缓冷；
5)对杆体进行快速渗铝表面处理，渗铝温度为720～740℃，时间为5～10min；
6)空冷后缓冷。
本发明进一步的改进在于，所述步骤1)中冶炼是在转炉或电炉中进行的。
本发明进一步的改进在于，步骤2)中加热是在加热炉中进行的。
本发明进一步的改进在于，所述步骤4)中缓冷的开始温度为400～450℃，缓冷保温时间为24h。
本发明进一步的改进在于，所述步骤5)中渗铝是在高频感应渗铝设备中进行的。
本发明进一步的改进在于，所述步骤6)中缓冷的开始温度为400～450℃，缓冷保温时间为24h。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果：
本发明提供的一种kd级表面渗铝改性抽油杆用钢成分是以低c、适量mn，通过加入cr、少量mo、微量ti等微合金元素，结合缓冷工艺，获得细粒状贝氏体为主的组织，以保证抽油杆钢具有优良的力学性能。其主要组成成分的作用如下：
碳：在充分奥氏体化情况下，随着奥氏体碳含量增加，c曲线逐渐右移，过冷奥氏体的稳定性增加。一般而言，随碳含量升高，钢的强度升高，但焊接性能和塑韧性下降。对于本发明的kd级表面渗铝改性抽油杆用钢采用0.05～0.08％的碳重量百分含量设计。
锰：是抽油杆用钢中补偿因c含量降低而引起强度损失的最主要且最经济的强化元素。mn是扩大γ相区的元素，可降低钢的γ→α相变温度，有助于获得细小的相变产物，可提高钢的韧性、降低韧脆转变温度。对本发明的kd级表面渗铝改性抽油杆用钢的mn重量百分含量设计在2.36～2.49％范围。
钛：是强的n化物形成元素，在奥氏体化温度均热时，细小的tin析出相可有效地抑制奥氏体晶粒长大，细化原奥氏体晶粒，此外tin析出相对改善焊接热影响区的冲击韧性有明显作用。微量ti即可实现上述作用，因此本发明选取的ti重量百分含量≤0.020％。
铬：cr是中强碳化物形成元素，一般而言，cr可明显提高亚稳奥氏体的稳定性和淬透性，增大奥氏体的过冷能力，推迟铁素体和珠光体转变，并推迟贝氏体转变，有利于铁素体转变区和贝氏体转变区之间的亚稳奥氏体区的出现。本发明选取cr含量为重量百分数0.5～1.0％。
铌：nb是强碳化物形成元素，具有显著的析出强化效果，此外nb具有抑制奥氏体相变，推迟高温转变，固溶强化等复合作用，本发明选取nb含量为重量百分数0.02～0.04％。
钼：mo是中强碳化物形成元素，提高钢的淬透性，其作用较铬强，而稍逊于锰；钼提高钢的回火稳定性。与铬、锰等并存时，钼降低或抑止因其他元素所导致的回火脆性。钼对铁素体有固溶强化作用，同时也提高碳化物的稳定性，从而提高钢的强度；在还原性酸及强氧化性盐溶液中都能使钢表面钝化，因此钼可以普遍提高钢的抗蚀性能，防止钢在氯化物溶液中的点蚀。mo合金成本较高，需适量控制，本发明选取mo含量为重量百分数0.25～0.30％。
本发明中碳含量显著降低，目的是提高耐腐蚀能力、疲劳性能。mn含量略微增加目的是增加淬透性保证强度要求，添加nb目的也是增加淬透性保证强度要求。此外，本发明的组织主要是粒状贝氏体。本发明提供的一种kd级表面渗铝改性抽油杆用钢，采用板条马氏体+超细粒状贝氏体组织，完全满足apispec11b对kd级抽油杆用钢性能的要求，并可降低生产制造成本和增加了生产可制造性。化学成分碳含量低、微合金化，冲击韧性高，耐腐蚀性能好，使用寿命长。
本发明提供的一种kd级表面渗铝改性抽油杆用钢杆体制造方法，通过在终冷后对杆体进行缓冷，可以起到以下效果：
1、消除残余应力；
2、使m-a岛产生自回火，从而提高钢的屈服强度和冲击韧性。
3、通过缓冷工艺代替了回火热处理工艺，节省能源与成本。
本发明的制造方法无需调质热处理工艺，提高了表面渗铝改性抽油杆用钢的耐腐蚀性能。热轧工艺采用了缓冷工艺，通过合理的成分和工艺进行最终产品的组织和质量控制。更为重要的是，本发明中表面渗铝改性处理后，杆体采用了空冷后缓冷工艺，无需进行调质处理，一方面满足了力学性能要求，更为重要的是保护了渗铝层的组织结构，显著提高了抽油杆材的耐腐蚀性能，克服了现有技术中经表面渗铝改性处理后需重新调质处理，导致杆体表面渗铝层结构破坏，表面防腐性能下降的问题。
本发明在合金配方上具有较低的c含量(0.05～0.08％)、一定的cr含量(0.5～1.0％)、一定的mo含量(0.25～0.30％)、一定的si含量(0.3～0.6％)、微量的nb(0.02～0.04％)和微量的ti(≤0.020)、不加入ni、cu等元素，成分设计简单、成本较低；适当的mn(2.36～2.49％)含量，充分利用了mn元素的相变强化和固溶强化作用；以上成分配合热轧后缓冷工艺，不仅提高了产品的综合性能，而且能够采取灵活的热轧生产工艺，提高生产率。此外，拥有较低c含量所生产的产品在具有较高的强度的同时、保持了良好的韧性和塑性，耐腐蚀性能及耐疲劳性能，使抽油杆钢具有良好的止裂能力。
本发明的制造方法生产出的一种kd级表面渗铝改性抽油杆用钢杆体的性能达到以下要求，完全满足sy5029抽油杆标准对kd级抽油杆的力学性能规定：
(1)、拉伸性能，目标：rm＝795～965mpa，rel≧590mpa，a≧10％；
(2)、金相组织，组织以细粒状贝氏体组织为主。
附图说明
图1为本发明实施例1的渗铝缓冷后钢杆体的金相组织图。
图2为本发明实施例2的渗铝缓冷后钢杆体的金相组织图。
图3为本发明实施例3的渗铝缓冷后钢杆体的金相组织图。
具体实施方式
下面结合附图结合实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
一种kd级表面渗铝改性抽油杆用钢，其化学成分(重量百分比)为：0.08％的c，2.49％的mn，0.3％的mo，0.04％nb，0.6％的si，0.0053％的p，0.0038％的s，1.0％的cr，0.020％的ti，其余成分为fe。
上述kd级表面渗铝改性抽油杆用钢杆体的制造方法，按重量百分比，将上述成分进行转炉冶炼、炼外精炼、铸造制得棒坯，棒坯经加热炉加热至1200℃；然后通过连轧机组进行轧制，控制连轧机组轧制的开始温度为1150℃，终轧温度为780℃；空冷至400℃后堆垛保温缓冷24h；通过高频感应渗铝设备对杆体进行快速渗铝表面处理，渗铝温度740℃，时间10min；空冷至450℃后堆垛保温缓冷24h。
经上述方法制造的钢杆体的力学性能为屈服强度635mpa、抗拉强度865mpa、延伸率18.0％。其性能指标完全满足sy5029标准对kd级抽油杆用钢性能的要求。该实例金相组织为细粒状贝氏体，参照图1。
实施例2
一种kd级表面渗铝改性抽油杆用钢，其化学成分(重量百分比)为：0.07％的c，2.4％的mn，0.30％的mo，0.02％的nb，0.3％的si，0.005％的p，0.006％的s，0.8％的cr，0.020％的ti，其余成分为fe。
上述kd级表面渗铝改性抽油杆用钢杆体的制造方法，按重量百分比，将上述成分进行电炉冶炼、炼外精炼、铸造制得棒坯，棒坯经加热炉加热至1180℃；然后通过连轧机组进行轧制，控制连轧机组轧制的开始温度为1130℃，终轧温度为800℃；空冷至400℃后堆垛保温缓冷24h；通过高频感应渗铝设备对杆体进行快速渗铝表面处理，渗铝温度720℃，时间10min；空冷至400℃后堆垛保温缓冷24h。
经上述方法制造的钢杆体的力学性能为屈服强度619mpa、抗拉强度835mpa、延伸率17.0％。其性能指标完全满足apispec11b对kd级抽油杆用钢性能的要求。该实例金相组织为细粒状贝氏体，参照图2。
实施例3
一种kd级表面渗铝改性抽油杆用钢，其化学成分(重量百分比)为：0.05％的c，2.36％的mn，0.25％的mo，0.6％的si，0.02％的nb，0.0052％的p，0.0053％的s，0.5％的cr，0.020％的ti，其余成分为fe。
上述kd级表面渗铝改性抽油杆用钢杆体的制造方法，按重量百分比，将上述成分进行转炉冶炼、炼外精炼、铸造制得棒坯，棒坯经加热炉加热至1200℃；然后通过连轧机组进行轧制，控制连轧机组轧制的开始温度为1150℃，终轧温度为800℃；空冷至430℃后堆垛保温缓冷24h；通过高频感应渗铝设备对杆体进行快速渗铝表面处理，渗铝温度720℃，时间7min；空冷至430℃后堆垛保温缓冷24h。
经上述方法制造的钢杆体的力学性能为屈服强度595mpa、抗拉强度808mpa、延伸率20％。其性能指标完全满足apispec11b对kd级抽油杆用钢性能的要求。该实例金相组织为细粒状贝氏体，参照图3。
实施例4
一种kd级表面渗铝改性抽油杆用钢，其化学成分(重量百分比)为：0.08％的c，2.49％的mn，0.3％的mo，0.03％nb，0.4％的si，0.0053％的p，0.0038％的s，1.0％的cr，0.020％的ti，其余成分为fe。
上述kd级表面渗铝改性抽油杆用钢杆体的制造方法，按重量百分比，将上述成分进行转炉冶炼、炼外精炼、铸造制得棒坯，棒坯经加热炉加热至1190℃；然后通过连轧机组进行轧制，控制连轧机组轧制的开始温度为1140℃，终轧温度为790℃；空冷至420℃后堆垛保温缓冷24h；通过高频感应渗铝设备对杆体进行快速渗铝表面处理，渗铝温度730℃，时间5min；空冷至420℃后堆垛保温缓冷24h。
实施例5
一种kd级表面渗铝改性抽油杆用钢，其化学成分(重量百分比)为：0.08％的c，2.49％的mn，0.3％的mo，0.02％nb，0.5％的si，0.0053％的p，0.0038％的s，1.0％的cr，0.020％的ti，其余成分为fe。
上述kd级表面渗铝改性抽油杆用钢杆体的制造方法，按重量百分比，将上述成分进行转炉冶炼、炼外精炼、铸造制得棒坯，棒坯经加热炉加热至1185℃；然后通过连轧机组进行轧制，控制连轧机组轧制的开始温度为1132℃，终轧温度为785℃；空冷至410℃后堆垛保温缓冷24h；通过高频感应渗铝设备对杆体进行快速渗铝表面处理，渗铝温度725℃，时间6min；空冷至440℃后堆垛保温缓冷24h。
本发明提供的一种kd级表面渗铝改性抽油杆用钢成分设计思想是以低c、适量mn，通过加入cr、微量ti、nb等微合金元素，结合缓冷工艺，获得细粒状贝氏体为主的组织，以保证抽油杆钢具有优良的力学性能.
与以往的抽油杆钢成分相比，本发明在合金配方上具有较低的c含量(0.05～0.08％)、一定的cr含量(0.5～1.0％)、一定的mo含量(0.25～0.30％)、一定的si含量(0.3～0.6％)、微量的nb(0.02～0.04％)和微量的ti(≤0.020％)、不加入ni、cu等元素，成分设计简单、成本较低；适当的mn(2.36～2.49％)含量，充分利用了mn元素的相变强化和固溶强化作用；以上成分配合热轧后缓冷工艺，不仅提高了产品的综合性能，而且能够采取灵活的热轧生产工艺，提高生产率。此外，拥有较低c含量所生产的产品在具有较高的强度的同时、保持了良好的韧性和塑性，耐腐蚀性能及耐疲劳性能，使抽油杆钢具有良好的止裂能力，成倍的提高抽油杆的使用寿命。
特别的，本发明中表面渗铝改性处理后，杆体采用了空冷后缓冷工艺，无需进行调质处理，一方面满足了力学性能要求，更为重要的是保护了渗铝层的组织结构，显著提高了抽油杆材的耐腐蚀性能，克服了现有技术中经表面渗铝改性处理后需重新调质处理，导致杆体表面渗铝层结构破坏，表面防腐性能下降的问题。
本发明生产出的钢为细粒状贝氏体组织，完全满足sy5029标准对kd级抽油杆用钢性能的要求，并可降低生产制造成本和增加了生产可制造性。
按照上述制造方法生产出的抽油杆用钢的性能达到以下要求：
(1)、拉伸性能，目标：rm＝795～965mpa，rel≧590mpa，a≧10％；
(2)、金相组织，组织以细粒状贝氏体组织为主。
参见表1，表1显示了本发明钢与现有专利文献中述及的钢在化学成分上的不同。
表1本发明钢与现有技术化学成分的比较
与专利文献1相比，本发明的成分中c含量显著降低，采用以c、mn、cr、si元素为主，加入少量的nb、ti等合金元素，不加入ni、cu、v等合金元素，简化了炼钢工序，降低了成本。
与专利文献2、3及4相比，本发明降低了c含量，提高了mn含量，加入cr、mo元素，目的是提高亚稳奥氏体的稳定性和淬透性，增大奥氏体的过冷能力，推迟铁素体和珠光体转变，促进c曲线逐渐右移，推迟贝氏体转变，避免了在渗铝工艺过程中发生高温组织转变，进一步的在渗铝冷却过程中获得更多的细粒状贝氏体为主的组织，从而保证了合金在渗铝后具有优良的力学性能和耐蚀性能。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。