一种不粘扣油管螺纹的制造工艺的制作方法

本发明属于油田管道设施领域，尤其涉及一种不粘扣油管螺纹的制造工艺。

背景技术：

api油管(简称油管)是油田井下作业时最常用的一种设备，施工过程中往往需要将多根油管连接在一起使用。按照相关技术标准，油管的端部需设置标准的api石油管螺纹，油管通过该螺纹与下一根油管或井下工具连接。生产实际中，由于频繁拧紧和拆卸，螺纹配合产生的过盈容易造成螺纹表面损伤，进而产生粘扣问题。粘扣不但使油管的拆卸困难，而且造成油管报废，严重影响施工效率并增大物资损耗。

针对上述问题，现有的解决方案是，拧紧前在螺纹上涂抹螺纹脂。这种方案的缺点是，由于一次施工通常需要连接上百根甚至数百根油管，因此增加涂抹螺纹脂的工序会对施工进度和节奏产生很大影响，同时，防粘扣效果也有待提升。因此，有必要研发一种新的防粘扣解决方案。

技术实现要素：

本发明提供一种不粘扣油管螺纹的制造工艺，以解决上述背景技术中提出的问题。

本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：本发明提供了一种不粘扣油管螺纹的制造工艺，包括如下步骤：

步骤一，取碳钢管料，采用车削工艺在管料端部加工api油管螺纹，加工形成的螺纹称为粗加工螺纹，加工后的工件称为碳钢基体；

步骤二，另加工用于包覆在上述粗加工螺纹外侧的覆膜层，覆膜层为铜和碳化钨的混合物；

步骤三，对碳钢基体上粗加工螺纹所在区段进行预热，预热温度为500-600摄氏度并维持，然后，采用滚压工艺使覆膜层贴附在粗加工螺纹的外表面，并与粗加工螺纹的牙顶、牙侧和牙底贴合；

步骤四，对覆膜层的外表面进行进一步加热，使温度维持在770-800摄氏度范围内并维持，然后，继续通过滚压工艺对覆膜层的表面进行滚压，以促进覆膜层和碳钢基体之间的相互渗透，本步骤中温度维持的时间范围为15-20秒；

步骤五，室温内自然冷却。

作为进一步的技术方案，所述步骤一中，加工粗加工螺纹时，所有螺纹表面均采用车刀的刀尖加工。

作为进一步的技术方案，所述步骤二中，所述覆膜层由铜膜和碳化钨粉末组成，碳化钨粉末附着在铜膜的一侧。

作为进一步的技术方案，所述步骤二中，碳化钨粉末通过热喷涂工艺附着在铜膜上。

作为进一步的技术方案，所述步骤二中，碳化钨粉末通过冷轧工艺附着在铜膜上。

作为进一步的技术方案，所述铜膜的厚度为20-30微米，所述碳化钨粉末的粒度等级为wc24，即粒度范围为2.41-3.00微米。

作为进一步的技术方案，所述步骤四中，加热方式为激光加热。

作为进一步的技术方案，所述加热方式为周向扫描加热。

本发明的有益效果为：

1、现有技术中，螺纹表面的覆层大多通过电镀工艺获得，还没有采用金属覆膜的方式在螺纹表面增加覆层的工艺，更没有通过该工艺解决api油管螺纹粘扣问题的先例。因此，本发明采用这种全新工艺必须克服诸多全新的技术问题，例如：

如何保证防粘扣效果？

如何保证螺纹成品的尺寸精度？

如何防止覆膜层在滚压过程中撕裂？

如何保证覆膜层和碳钢基体的结合强度？

如何保证螺纹成品表面力学性能的均匀度？

如何避免碳钢基体脱碳？

如何防止螺纹变形？

而本发明创造性地研发出了可为螺纹增加防粘扣性能的螺纹表面金属覆膜工艺，克服了众多技术问题并至少产生了以下几方面效果：

第一，铜基的材质，利用了铜的自润滑特性，有利于防止粘扣情况的发生；

第二，覆膜层中增加了硬度较高的碳化钨，碳化钨可在螺纹表面承压时提供足够的支撑，并提高螺纹表面硬度，同时又不会破坏碳钢基体本身的韧性，从而有效改善螺纹的力学性能，进一步防止螺纹粘扣；

第三，从物理特性来说，铜的硬度较低，碳化钨的硬度较高，从微观上说，当螺纹拧紧后，较硬的碳化钨会承受大部分的接触压力，并且不变形，而相对较软的铜会在接触压力的迫使下发生形变。这种情况下，在施工时将油管螺纹蘸润滑油后再拧紧，拧紧后，润滑油很容易留存在上述形变处，进而使螺纹接触面的润滑性得到显著改善，进一步防止粘扣。

需要说明的是，蘸润滑油几乎不会额外占用施工时间，因此不会像涂抹螺纹润滑脂那样影响施工进程。

第四，通过控温加热，使温度达到油管材质(即碳钢)的临界相变温度ac1(745℃)至ac3(823℃5)之间，在该温度下，碳钢基体内的金相组织发生转变，即碳钢基体表层的铁素体逐渐转变为奥氏体，奥氏体是面心立方八面体结构，八面体间隙较大，可容纳铜原子和碳化硅分子进入，通过这种深度结合，碳钢基体的表面致密度大幅增强，有利于改善其表面硬度和抗疲劳能力。使上述的温度范围持续15-20秒，保证覆膜层与碳钢基体充分融合。

从另外一个角度讲，在高温作用下，覆膜层的表面张力下降，进而使铜对母材的润湿性增强，由于铜与钢材中铁元素的原子半径、晶格类型、晶格常数及原子外层电子数等都比较接近，且铜与铁可在液态下无限固溶，在固态下虽为有限固溶，但并不会形成脆性金属间化合物，而是以(α+ε)的双相组织形式存在，从而充分保证覆膜层和碳钢基体的牢固程度，避免覆膜层脱落。

另外，覆膜层和碳钢的相互扩散、浸润、融合会改善覆膜层中未分散有碳化钨的微小区域的硬度，即改善铜膜基材的硬度，从而使铜基材的硬度提高，从而进一步改善螺纹的防粘扣效果。

第五，本发明中，先覆膜，后升温加热(不包括预热)的方式，且加热过程中覆膜层不会熔化(铜的熔点是1083.4℃)，覆膜层的紧密覆盖可避免加热过程中粗加工螺纹的表面与空气中的氧气接触，从而避免碳钢基体中的碳元素脱出，因此，与通过热处理方式改善工件表面力学性能的方式相比，采用本发明所述的覆膜工艺，不会降低螺纹的韧性。

第六，常规的热处理工艺应用于平面、圆柱面等平整表面时，可以保证热处理表面的均匀性，但应用在螺纹的不平整表面上时，螺纹的牙侧、牙顶和牙底的均匀性难以保证。而本发明中，覆膜层可均匀覆盖在螺纹表面各处，不会出现局部性能不足的问题。

第七，与常规的热处理方式相比，本发明所述工艺不会造成螺纹的形变，从而使螺纹的精度更容易保证，有利于保证api油管螺纹所应具备的密封性能。

2、本发明中，构成覆膜层的铜膜和碳化钨粉末之间的结合并不是冶金意义上结合，而是单纯的物理结合，并且碳化钨设置在朝向碳钢基体一侧，这种结构的好处在于：所有的碳化钨粉末均处于最靠近的碳钢基体的位置，并且铜膜对碳化钨粉末的束缚力极小，这种情况下，碳化钨可在加热后更好地与碳钢基体和铜膜同时融合，保证达到预期效果。另外，这种方式可降低覆膜层的脆性，保证覆膜层的韧性，防止加工过程中覆膜层发生撕裂。

3、在步骤四中，边加热边滚压，可有效促进铜、碳化钨和铁的糅合，使覆膜层与碳钢基体更好地融为一体。

附图说明

图1是本发明中油管的构造示意图。

图中：1-碳钢基体，2-覆膜层。

具体实施方式

实施例一：

以下结合附图对本发明做进一步描述：

本实施例提供了一种不粘扣油管螺纹的制造工艺，包括如下步骤：

步骤一，取碳钢管料，采用车削工艺在管料端部加工api油管螺纹，加工时，所有螺纹表面均采用车刀的刀尖加工。加工形成的螺纹称为粗加工螺纹，加工后的工件称为碳钢基体1。其中，碳钢管料采用钢级为j55的钢管。

现有技术中，车削螺纹时均采用磨成特定形状的螺纹刀切削，螺纹刀车削时，车刀与工件的接触面积较大，车削后工件的表面粗糙度较小，这种特性适用于常规螺纹的加工(常规螺纹的粗糙度越小越好)，但在本发明中，过小的粗糙度不利于覆膜层2的附着。因此，本发明实施时不能采用螺纹刀切削，需要采用车刀的刀尖切削，从而在螺纹的表面形成众多细小的螺旋状刀痕，作为优选方案，车削后螺纹的表面粗糙度应介于ra12.5-ra25之间，这个范围内的粗糙度值相对较大，有利于保证覆膜层2和碳钢基体1的结合强度。

步骤二，另加工用于包覆在上述粗加工螺纹外侧的覆膜层2，覆膜层2为铜和碳化钨的混合物。

通过在铜膜上附着碳化钨的方式制成特制的覆膜层2，为螺纹的防粘扣性能提供了材料基础。铜基的材质，利用了铜的自润滑特性，有利于防止粘扣情况的发生。硬度较高的碳化钨，碳化钨可在螺纹表面承压时提供足够的硬性支撑，提高了螺纹表面硬度，同时又不会破坏碳钢基体1本身的韧性，从而有效改善螺纹的力学性能，进一步防止螺纹粘扣。

另外，从物理特性来说，铜的硬度较低，碳化钨的硬度较高，从微观上说，当螺纹拧紧后，较硬的碳化钨会承受大部分的接触压力，并且不变形，而相对较软的铜会在接触压力的迫使下发生形变。这种情况下，在施工时将油管螺纹蘸润滑油后再拧紧，拧紧后，润滑油很容易留存在上述形变处，进而使螺纹接触面的润滑性得到显著改善，进一步防止粘扣。需要说明的是，蘸润滑油几乎不会额外占用施工时间，因此不会像涂抹螺纹润滑脂那样影响施工进程。

常规的热处理工艺应用于平面、圆柱面等平整表面时，可以保证热处理表面的均匀性，但应用在螺纹的不平整表面上时，螺纹的牙侧、牙顶和牙底的均匀性难以保证。而本发明中，覆膜层2可均匀覆盖在螺纹表面各处，不会出现局部性能不足的问题。与常规的热处理方式相比，本发明所述工艺不会造成螺纹的形变，从而使螺纹的精度更容易保证，有利于保证api油管螺纹所应具备的密封性能。

步骤三，对碳钢基体1上粗加工螺纹所在区段进行预热，预热温度为500-600摄氏度并维持，使碳钢基体1预膨胀，然后，采用滚压工艺使覆膜层2贴附在粗加工螺纹的外表面，并与粗加工螺纹的牙顶、牙侧和牙底贴合。滚压工艺可采用螺纹滚丝轮实现。滚丝轮的材质可选用特种陶瓷。

通过预热使碳钢基体1预膨胀，可防止覆膜层2在后续工艺过程中从碳钢基体1上脱落。

步骤四，对覆膜层2的外表面进行进一步加热，使温度维持在770-800摄氏度范围内并维持，然后，继续通过滚压工艺对覆膜层2的表面进行滚压，以促进覆膜层2和碳钢基体1之间的相互渗透，本步骤中温度维持的时间范围为15-20秒。

通过控温加热，使温度达到油管材质(即碳钢)的临界相变温度ac1(745℃)至ac3(823℃5)之间，在该温度下，碳钢基体1内的金相组织发生转变，即碳钢基体1表层的铁素体逐渐转变为奥氏体，奥氏体是面心立方八面体结构，八面体间隙较大，可容纳铜原子和碳化硅分子进入。使上述的温度范围持续15-20秒，保证覆膜层2与碳钢基体1充分融合。从另外一个角度讲，在高温作用下，覆膜层2的表面张力下降，进而使铜对母材的润湿性增强，由于铜与钢材中铁元素的原子半径、晶格类型、晶格常数及原子外层电子数等都比较接近，且铜与铁可在液态下无限固溶，在固态下虽为有限固溶，但并不会形成脆性金属间化合物，而是以(α+ε)的双相组织形式存在，从而充分保证覆膜层2和碳钢基体1的牢固程度，避免覆膜层2脱落。

本发明中，先覆膜，后升温加热(不包括预热)的方式，覆膜层2的紧密覆盖可避免加热过程中粗加工螺纹的表面与空气中的氧气接触，从而避免碳钢基体1中的碳元素脱出，因此，与通过热处理方式改善工件表面力学性能的方式相比，采用本发明所述的覆膜工艺，不会降低螺纹的韧性。

需要说明的是，预热500-600摄氏度不足以使碳钢基体1脱碳，因此碳钢中的碳不会在覆膜前脱出。

步骤五，室温内自然冷却。

作为进一步的技术方案，所述步骤二中，所述覆膜层2由铜膜和碳化钨粉末组成，碳化钨粉末附着在铜膜的一侧。也就是说，构成覆膜层2的铜膜和碳化钨粉末之间的结合并不是冶金意义上结合，而是单纯的物理结合，并且碳化钨设置在朝向碳钢基体1一侧，这种结构的好处在于：所有的碳化钨粉末均处于最靠近的碳钢基体1的位置，并且铜膜对碳化钨粉末的束缚力极小，这种情况下，碳化钨可在加热后更好地与碳钢基体1和铜膜同时融合，保证达到预期效果。另外，碳化钨的脆性较大，这种方式可降低覆膜层2的脆性，保证覆膜层2的韧性，防止加工过程中覆膜层2发生撕裂。

此处需要说明的是：碳化钨附着在铜膜上之后，最好保证铜仍然能从碳化钨粉末的间隙露出，这样可使铜在覆膜后始终与碳钢基体1贴合，也有利于起主要粘合作用的铜在挤压作用下进入螺纹表面的刀痕内。从而有利于提高覆膜层2的附着力。

作为进一步的技术方案，所述步骤二中，碳化钨粉末通过热喷涂工艺附着在铜膜上。

实施过程中，需要注意两点：

1、喷涂的温度不宜太高。只需保证碳化钨可稳定地贴附在铜膜上即可，温度过高会将铜膜烧损。可通过控制喷枪和铜膜的距离来控制到达铜膜处的碳化钨的温度。

2、碳化钨涂层不宜过厚。本发明并不是通过建立碳化钨涂层来改善螺纹表面的硬度，而是通过碳化钨与碳钢基体1和铜膜的相互渗透作用改善表面硬度，因此，碳化钨用量很少。碳化钨涂层过厚不但会使覆膜层2的韧性下降，而且会降低覆膜层2和碳钢基体1之间的结合质量。

3、本发明所述工艺允许涂层上含有均匀孔洞，即不要求涂层覆盖铜膜的所有表面。

4、所述铜膜的厚度为20-30微米，所述碳化钨粉末的粒度等级为wc24，即粒度范围为2.41-3.00微米。铜膜过厚会影响碳钢基体1的受热，铜膜过薄容易撕裂。碳化钨粉末的粒度越小越好，但粒度越小成本越高。

作为进一步的技术方案，所述步骤四中，加热方式为激光周向扫描加热。通过条状光束沿周向扫描螺纹表面，相当于一根与锥螺纹母线重合的光线绕碳钢基体1的轴线扫描加热，与火焰加热等常规加热方式相比，这种加热方式对未与激光光束直接接触的表面的热影响较小，同时加热较为均匀。可有效防止覆膜层2脱层。

实施例二：

本实施例与实施例一的区别仅在于：所述步骤二中，碳化钨粉末通过冷轧工艺附着在铜膜上。

与实施例相比，这种工艺的优点是工艺简单，缺点是能粘附的碳化钨的量较小，若想提高碳化钨的量，必须增大碳化钨的颗粒，而增大颗粒会对螺纹的表面质量造成不利影响。

实施例三：

作为第三中实施例，可将实施例一中覆膜层2内的材质铜替换成锡青铜合金，通过调整锡青铜中锡的比例，使锡青铜合金的熔点降至745℃-770℃范围内，这样，加热至770-800摄氏度范围后，覆膜层2开始熔化并浸润在碳钢基体1的表面，熔化后的覆膜层2在表面张力的作用下附着在碳钢基体1上。这种情况下，相当于以锡青铜作为焊料，将碳化钨粉末颗粒钎焊在碳钢基体1上。因此覆膜层2的牢固度更强。但缺点是熔化后的覆膜层2无法阻止碳钢基体1脱碳。

实施例四：

本实施例中，用如下工艺代替实施例一中的步骤四和步骤五：

用热膨胀系数极小的因瓦合金钢(ni36％,fe64％)制成套状胎具，箍在螺纹的外侧(两半扣合)，然后使用感应加热方式或电热等其它方式将胎具和工件加热，加热后，因瓦合金钢的热形变量小于螺纹的热形变量，从而对螺纹形成束缚力，该束缚力与高温共同作用使覆膜层2紧密贴合在碳钢基体1上。

为了防止因瓦合金钢与覆膜层2相互渗透，可在胎具内侧设置陶瓷衬套，从而避免因瓦合金钢与覆膜层2接触，但不会妨碍胎具束缚作用的发挥。