热处理工艺对摩擦焊接钻杆力学性能的影响

穆海龙

（胜利石油工程有限公司井下作业公司 山东东营 257000）

摘 要：石油钻杆是石油行业必不可少的工具，摩擦焊是钻杆管体和接头最有效、最可靠的连接方法。石油钻杆摩擦焊后力学性能不达标，必须通过热处理改善其综合力学性能。本文通过拉伸、冲击和硬度试验测试了不同热处理工艺参数下26CrMoNbTiB钢石油钻杆的力学性能。得出了淬火温度、回火温度、回火保温时间对钻杆力学性能的影响规律。结果表明热处理工艺为淬火温度900℃+保温时间30min+回火温度590℃+回火保温时间30min时26CrMoNbTiB钢石油钻杆的综合力学性能最好，满足了API 5DP标准对S级钻杆的使用要求。

关键词：摩擦焊；热处理工艺；26CrMoNbTiB钢；力学性能

一、绪论

主要研究内容

为了探索不同的热处理参数对石油钻杆的力学性能影响规律，本课题需要详细开展以下方面的研究。

根据理论分析确定石油钻杆摩擦焊后的退火温度、淬火温度、回火温度、回火保温时间。设计出8种不同的热处理工艺，对8根摩擦焊接钻杆进行热处理。然后分别从8根钻杆每根上选取3个拉伸试样和3个冲击试样进行试验。

试验结果取平均值进行研究分析，通过对试样的力学性能测试结果分析淬火温度，回火温度，回火保温对钻杆力学性能影响规律，最后结合金相组织研究筛选出一组摩擦焊钻杆最佳热处理工艺參数。

二、试验结果及分析

1、焊区力学性能检测结果

对每组热处理工艺参数的钻杆取3个样进行试验，得到了钻杆不同热处理工艺下焊区的力学性能数据

2、回火温度对材料力学性能的影响规律

当淬火温度为900℃，淬火保温时间为30min、回火保温时间为30min时，结果表明随着回火温度升高，材料强度和硬度下降，延伸率和冲击吸收功增大。钢的回火过程实质上就是过饱和的α固溶体的脱溶过程，而这个过程还要受到中Mo，Cr，Ti，Nb等合金元素的扩散控制，由于碳化物形成元素、合金碳化物Mo，Cr的弥散析出，起到钉扎位错运动，形成弥散强化的作用。但由于一方面碳原子的固溶强化作用随回火温度提高而下降，另一方面高温回火时材料中合金碳化物逐渐聚集成较大的颗粒，降低了位错的阻碍作用。两方面作用使得材料强度和硬度随回火温度升高而降低。同时材料高温回火时马氏体的针状形态消失，形成多边形的铁素体，最终出现粗粒状渗碳体和铁素体的机械混合物回火索氏体，提高了材料的冲击韧性。回火温度越高，得到的组织晶粒越细。530℃回火时基体出现了细小的针状碳化物；590℃回火时该碳化物开始长大，并且板条马氏体边界出现一定数量的条状棒状碳化物；650℃回火时该条状棒状碳化物数量增多且开始长大粗化；当回火温度过高达到710℃时，该渗碳体逐渐向晶界偏聚，并且变成粒状渗碳体，开始球化，长大。这一系列组织转变使得材料塑性韧性增大而使强度大大下降。根据综合力学变化规律，回火温度为590℃比较合适。

3、回火保温时间对材料力学性能的影响规律

当淬火温度为900℃，淬火保温时间为30min、回火温度为590℃时，结果表明随着保温时间延长，材料的屈服强度抗拉强度略微下降，延伸率和冲击吸收功略微增大。分析可知：材料在淬火后回火保温初期，由于Mo、Ni、V等元素有减弱回火脆性的作用，组织为板条马氏体，保温初期马氏体中析出会ε碳化物。随着回火保温时间增加，ε碳化物会转变为渗碳体型碳化物并且在马氏体界面发生聚集现象。进一步延长保温时间合金碳化物发生粗化、球化，高温保温过程中材料的强度指标不断下降，韧性指标不断上升。但是幅度不是很大。根据综合力学变化规律，保温30min材料力学性能完全符合API 5DP标准。

4、淬火温度对材料力学性能的影响规律

当淬火保温时间为30min、回火温度为590℃、回火保温时间为30min时，材料的屈服强度、抗拉强度、硬度，延伸率和冲击吸收功都变化不大。分析可知，一方面随淬火温度升高，合金中的碳化物会逐渐分解，合金元素C，Mn在奥氏体中溶解度增大，起到固溶强化作用。另外微量元素Nb，Ti，B能抑制奥氏体长大，细化晶粒，提高粗晶化温度。另一方面，随着淬火温度的提高，奥氏体晶粒会逐步增大，淬火后得到更为粗大的马氏体，从而使材料的力学性能下降。综合两方面的作用，当淬火温度在一定温度提高不是很大时，碳化物的溶解和奥氏体成分的均匀化大于奥氏体晶粒有限长大的不利影响，因此材料的强度和硬度会稍微增大，冲击功略微下降。但是过高的淬火温度则会使奥氏体晶粒长大的不利影响占据主导。根据综合力学变化规律，淬火温度为900℃比较合适。

三、结论

本文以级别为S级，材质为26CrMoNbTiB钢的石油钻杆为对象进行了不同热处理工艺对其力学性能的影响的研究。采用拉伸试验，硬度试验、冲击试验等力学性能测试手段研究了淬火温度、回火温度、回火保温时间这三个不同热处理参数分别对26CrMoNbTiB钢石油钻杆摩擦焊后热处理工艺的力学性能影响规律。通过试验结果得出以下结论：

（1）随回火温度从530℃提高到710℃，钻杆的强度和硬度逐渐减小，延伸率和冲击吸收功逐渐增大。590℃的回火温度最为合适。

（2）随回火保温时间从10min提高到50min，钻杆的强度和硬度逐渐减小，延伸率和冲击吸收功逐渐增大。30min的淬火保温时间最为合适。

（3）随淬火温度从860℃提高到900℃，钻杆的强度和硬度逐渐增大，延伸率和冲击吸收功逐渐减小；但当淬火温度从900℃增大到940℃，各个力学性能指标基本不变。900℃的淬火温度最为合适。

（4）最终确定26CrMoNbTiB钢石油钻杆热处理工艺为淬火温度900℃+保温时间30min+回火温度590℃+回火保温时间30min。其力学性能达到屈服强度为1041MPa，抗拉强度为1106MPa，延伸率为20.3%，焊区硬度为35.9HRC，冲击吸收功为82J，综合机械性能良好，满足了API 5DP标准对S级钻杆的使用要求。

参考文献：

[1] 齐秀滨， 刘娟， 周军， 赵玉珊. 摩擦焊在我国石油钻杆制造中的应用[J].电焊机，2010， 40（6）

[2] API Spec 5DP/ISO 11961，2008

[3] 李建强， 于丽松， 牛成杰， 李志昊， 岳鹏， 陈玉松. 石油钻杆的生产现状与发展趋势[J]. 焊管，2011， 34（11）

[4] 王新新， 陈诚德. 钻杆生产技术的发展与展望[J].石油机械，1999，27（10）

[5] 马建民； 摩擦焊接造钻杆. 中国石油报[J].2004.06

[6] 殷国茂； 高强度石油钻杆生产中几个技术问题的探讨和质量控制[J]；钢管；1981年02期

[7] 董美美， 石油钻杆摩擦焊工艺及质量控制[J]-城市建设理论研究[J]，2015（27）

[8] 杨玭， 曹晶晶， 袁鹏斌.YANG Pin.CAO Jing-jing.YUAN Peng-bin 石油钻杆摩擦焊焊缝的冲击韧度影响因素[J]- 理化检验-物理分册；2015（3）