地质钻杆的热处理工艺介绍

摘要 ： 本文通过对钻杆的工作环境、受力情况、性能以及带状偏析的危害分析，通过金相组织分析，回火索氏体组织（淬火+高温回火得到的组织）的晶粒度等级通常不在要求的等级范围之间， 这种情况的产生就与组织的情况有极大的联系。钻杆的热处理就是调质处理， 本文研究的钻杆的热处理工艺其实主要研究消除钻杆带状组织的热处理工艺，解决了公司钻杆工件中存在的问题。

关键词 ： 钻杆；硬度要求；金相组织；力学性能；带状偏析

一、引言

在经济飞速发展的今天， 机械行业的发展也是日新月异， 钻杆在平日生产活动中扮演着越来越重要的角色，钻杆分为地质钻杆， 非地质钻杆等。 本文主要研究的是非开挖地质钻杆。 非开挖地质钻杆是用于定向钻进施工中传递钻机扭矩与拉力的一种工具， 由于它在定向施工中需要承受扭曲、拉力、弯曲、摩擦、振动，所以它的制作过程非常严格。 但是由于生产力水平的局限性， 在平时生产过程中经常会发现钻杆存在有带状偏析的现象，这严重影响了钻杆的质量及使用寿命。

通过对钻杆热处理，解决了该问题，对提高钻杆质量起到重要的作用。

二、钻杆失效分析

钻杆失效形式主要是钻杆的断裂。钻杆在导向、定向钻进过程中一但断裂，将会对工程造成严重影响， 不仅是经济上的巨大损失， 而且影响工期， 失去信誉，后果不堪设想。 因此，作为施工个人或企业， 一定要学会如何正确地选择和使用钻杆；而作为钻杆生产厂家，要知道各种开挖或非开挖工程对钻杆的特殊要求，生产出高强度、 高韧性和高可靠性钻杆。 非地质钻杆失效原因我们可从两方面来分析，人为因素和钻杆本身存在的缺陷， 钻杆本身的缺陷又分设计缺陷和材料本身存在的缺陷。 试验证明， 钻杆受交变应力作用而疲劳断裂是钻杆断裂失效的主要原因。下表是钻杆的主要失效形式和失效原因。

钻杆的失效形式和原因

3 钻杆的组织性能要求

3.1 性能要求

钻杆在使用过程中必须能够承受巨大的内外压，这使得钻杆必须要有足够高的强度、硬度和耐磨性。而在钻头扭曲改变钻探方向时又不能使管体发生弯曲变形、所以钻杆又要有足够高的塑性和韧性。通常情况下钻杆应满足抗拉强度?b≥750Mpa,屈服强度?s≥550Mpa，伸长率≥10%,断面收缩率?≥45%,冲击韧度 A K ≥50J。

3.2 金相组织要求

对于非开挖地质钻杆来说， 既要有足够高的强度， 又要有足够高的塑性韧性。通过调质处理得到的回火索氏体可以满足这样的要求。想要获得具有良好的回火索氏体组织， 前提是必须得要马氏体， 因此调质效果和钢的淬透性有着密切的关系，我们必须保证我们所用材料具有足够的淬透性。

回火索氏体是马氏体于回火时形成的， 在光学显微镜下放大 500~600 倍以上 才能分辨出来。其为铁素体基体分布的碳化物（包括渗碳体）球粒的复合组织。 它也是马氏体的一种回火组织是铁素体与粒状碳化物的混合物。 此时的铁素体已 基本无碳的过饱和度，碳化物也为稳定型碳化物。常温下是一种平衡组织。 如图 1 所示： 

4 钻杆的材料成分和性能分析（35CrMo和 36Mn2V）

在企业的生产过程中根据钻杆的性能要求通常会选用了35CrMo和 36Mn2V这两种材料。

4.1 35CrMo

35CrMo 合金结构钢 , 有很高的静力强度、冲击韧性及较高的疲劳极限，淬透性较 40Cr 高，高温下有高的蠕变强度与持久强度，长期工作温度可达500℃；冷变形时塑性中等。

 表 2 35CrMo 合金结构钢与36Mn2v化学成分及力学性能的对比

  4.2 36Mn2v   

 (4) 调质 热处理工序， 是用于改善钻杆的整体力学性能， 使其具有较强的硬度和良好 的塑性、韧性。 ①奥氏体化： 把在室温非奥氏体组织的钢加热热到                                                                                                                                                                                                         Ac1 温度以上时， 则钢的 室温组织开始转变为奥氏体； 称之为奥氏体化。 这种奥氏体组织只有在高温时稳 定。 ②淬火：将钢加热到临界温度      Ac3 或是 Ac1 以上所给定的温度并保温一定时 间，然后将其快速冷却。 ③回火：将淬火或正火后的钢加热到低于临界温度下的某一选定的温度，                                                                                                                                                                                                                        并 保温一定的时间， 然后以一适宜的冷却速度冷却， 借以消除淬火和正火所产生的 残余应力和增加钢的延展性及韧性。

(5) 检测 对调质处理后的钻杆进行力学性能检测。其主要的是硬度检测， 检测设备洛 氏硬度计；以及对组织的分析。

(6) 校直 由于钻杆在淬火过程中的组织应力和热应力的作用，调质处理后的钻杆会产 生变形，通过校直使其恢复。 

(7) 超声波探伤 用来检查金属材料以及部分非金属材料表面和内部缺陷，                                                                                                                                                                                                                        利用物理特性来判 断工件或材料的缺陷和异常。

(8) 机加工二 在钻杆的两端分别车出外螺纹和内螺纹，用于连接。

(9) 涂层 机加工完成后的钻杆， 要进行涂漆处理， 目的是为了防止钻杆管体生锈， 另 外也是为了提高产品的美观。

(10) 包装 所有加工的工序完成后对产品进行包装销售给顾客。   

6 钻杆中带状组织偏析形成原因及其危害 

6.1 钻杆中带状组织偏析形成的原因                    

图 3 CuCl2 —的试剂浸蚀试样

1 带状组织是由铁素体和珠光体或铁素体和奥氏体或铁素体和贝氏体以及铁 素体和马氏体在锻件中呈带状分布的一种组织，它们多出现于亚共析钢， 奥氏体 钢种半马氏体钢种中， 这种组织是在两相共存的情况下，锻造变形时产生的带状 组织能降低材料的横向塑性指针。 带状偏析分为两种： 管体上的带状偏析为钢管冷拉过程中形成，带状偏析呈 冷拉的方向纤维状，另一种是在管头镦粗过程中形成的呈镦粗挤压的方向。 一般认为， 带状组织是由于钢锭的枝晶偏析所致。        钢水在凝固时， 由于选择 性结晶，在枝干上的成分较为纯净， 而在枝晶间富集了较多的碳、 合金元素和磷、 硫等杂质。 钢锭锻轧变形时枝干和枝晶间被压延而伸长为纤维组织， 形成一次带 状组织。用含有 CuCl2 的试剂浸蚀后在显微镜下观察， 则会发现肉眼观察到的那 些纤维组织经放大后，变成黑白交替的带称为一次带状组织。

黑色条带相当于原树枝状晶的较纯的枝干，白色条带为原来富含合金元素和 杂质的树枝间区域。 热轧低碳钢、中碳钢在缓冷国能中会出现先共析铁素体和珠光体交替相间的 显微组织带状，这些不同的组织是固态相变的产物。 这种带状组织称为二次带状。 二次带状的形成意味着碳在固态相变中发生了不匀称的重新分布，称为二次探偏 析。一般所谓的钢中的带状组织， 也即上述观察到的带状组织即为二次带状组织。 将具有二次带状组织的热变形钢试样改用含有CuCl2 的试剂浸蚀后在显微镜下 观察，则显示出一次带状组织。 只有在一次带状的基础上才能形成二次带状组织。 一次带状组织难以消除， 虽然在高温下或缓冷过程中， 碳能够优先达到相对均匀， 然而代位原子均匀化十分困难， 这些合金元素难以达到均匀状态，尤其是碳化物 上一条：整体式三棱螺旋钻杆介绍 下一条：钻杆杆体的热处理淬火回火热处理工艺