CN102029347A - 海洋钻井平台用齿轮轴锻件的制造方法 - Google Patents

海洋钻井平台用齿轮轴锻件的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于海洋钻井设备技术领域,特别涉及一种海洋钻井平台用齿轮轴锻件的制造方法。包括冶炼、锻造成形、热处理工序,冶炼时依次采用碱性电弧炉冶炼、钢包真空精炼;锻造时成形采用镦粗+拔长,齿轮部分采用局部镦粗成形,获得连续的与齿面趋于一致的纤维流线;热处理采用正火+调质,采用空、水间歇的方式进行淬火冷却、之后油冷,最后高温回火。利用本发明制造的齿轮轴锻件可以满足高强度和低温韧性的要求,轮齿间硬度高且均匀,能有效提高轮齿的接触疲劳强度,提高齿轮的寿命。

Description

海洋钻井平台用齿轮轴锻件的制造方法
技术领域
本发明属于海洋钻井设备技术领域,特别涉及一种海洋钻井平台用齿轮轴锻件的制造方法。
背景技术
随着世界能源危机的加剧,能源短缺已经成为生产力发展的瓶颈,陆地石油资源的枯竭,迫使对石油开采由陆地向深海领域开展,海上石油的开采主要依靠钻井平台,自升式钻井平台是目前广泛采用的钻井平台之一,其升降系统主要是依靠齿轮与齿条的啮合传递动力,带动整个平台的升降,每一轮齿有效升力达420吨以上,因此对齿轮轴锻件要求有高的强度来满足轮齿的承载力,高纬度地区深海环境对材料的低温脆性也提出苛刻的要求,每一钻井平台的寿命为25~30年。
目前国内对深海领域的自升式钻井平台处于研发阶段,关键技术及平台建造材料仍受控于国外。在世界范围内仅有深水自升式钻井平台65艘,其制造商美国则在该领域处于霸主地位,国外对此技术封锁严密。
发明内容
本发明的目的在于提供一种海洋钻井平台用齿轮轴锻件的制造方法,制造的齿轮轴锻件可以满足高强度和低温韧性的要求,轮齿间硬度高且均匀。
本发明采用的技术方案如下:
海洋钻井平台用齿轮轴锻件的制造方法,包括冶炼、锻造成形、热处理工序,原料质量百分组成如下:C0.37-0.44%,Si0.15-0.40%,Mn0.50-0.80%,Ni1.90-3.50%,Cr0.60-0.90%,Mo0.20-0.30%,S≤0.035%,P≤0.035%,余量为铁;冶炼时依次采用碱性电弧炉冶炼、钢包真空精炼;锻造时成形采用镦粗+拔长,齿轮部分采用局部镦粗成形,获得连续的与齿面趋于一致的纤维流线;热处理采用正火+调质,采用空、水间歇的方式进行淬火冷却、之后油冷,最后高温回火。
冶炼时控制出钢温度为1530~1570℃,出钢前采用氩气搅拌钢液,出钢镇静后采用氩气保护浇注,钢锭脱模后热送锻造。
锻造过程如下:钢锭返炉加热,加热炉温度为1150~1250℃,加热1~4h;锻造时确保始锻温度为1000~1200℃,终锻温度750~850℃,采用镦粗+拔长+局部镦粗的成形工序,严格控制每个工步的送进量和压下量,送进量250-500mm,压下量100-400mm。
成形时首先镦粗至高度为600-900mm,直径为1000-1300mm,然后拔长至直径为600-800mm,齿轮盘最终局部镦粗至直径为1000-1500mm。
热处理时正火温度为850~950℃,均温结束后,保温时间为0.5~1.5小时/100mm。
调质处理的淬火温度采用850~950℃,保温时间采用0.5~1.5小时/100mm。
淬火冷却步骤如下:先水冷10~30min,然后空冷1~4min,再入水冷却10~20min。
空、水间歇冷却后,当锻件温度为200~400℃时油冷60~90min。
在500~600℃进行高温回火。
本发明材料选择的出发点是提高材料的低温冲击韧性;锻造成形工艺使锻造的纤维流线与齿轮的工作面(齿面)趋于一致,从而提高了齿轮工作面的接触疲劳强度,提高齿轮的寿命。齿轮失效主要是齿面磨损、齿面的疲劳破坏及齿根的弯曲疲劳破坏,为此在热处理技术上采用非常规的淬火冷却技术,充分挖掘材料的潜力,提高强度和硬度,来满足齿根的弯曲疲劳强度要求,同时满足深海领域对材料的低温脆性要求。
碱性电弧炉冶炼(EAF)时,炉料采用废钢、生铁等,氧化期采用流渣操作以充分去磷,熔氧期控制氧化温度及深吹氧脱碳量,充分去除气体、夹杂物;钢包真空炉(LF)中进行预脱氧及部分合金化,然后还原精炼,通过氩气搅拌,均匀钢液,脱除钢中气体、夹杂物。冶炼采用真空精炼可以准确调整钢的成分,提高钢液的纯净度。
锻造过程,钢锭及锻坯返炉加热以确保加热均匀且透烧,具体可在车底式燃气炉中进行。采用5000吨油压机自由锻造,确保始锻和终锻温度,保证锻件各部分的均匀变形及齿轮部分与轴的同轴度;终锻温度接近AC1采用≥750℃,这样有利于进一步的细化晶粒,同时终锻温度低有利于齿轮盘心部获得最大的变形量。同时为了获得均匀连续的纤维流线,且流线与齿面趋于一致,采用镦粗+拔长+局部镦粗的成形工序,严格控制每个工步的送进量和压下量。镦粗不仅可提高锻造比还可以减少锻件力学性能的各向异性,拔长采用大的进给量和压下量有效焊合铸锭内部的缺陷,经拔长后,能有效破坏铸态树枝状组织,焊合锻件内部缺陷。齿轮部分最终成形通过漏盘与镦粗板进行局部的镦粗成形,从而使纤维流线均匀连续且与齿面趋于一致,同时提高了横向力学性能。
热处理过程,加热及淬火深冷工艺参数的确定关系到轮齿间切向高强度极限、硬度及低温冲击韧性。
正火采用高于AC3临界点100度以上的奥氏体化温度,可使锻件负偏析处达到正火温度,适应由偏析引起的各部位不同的转变特性,满足晶粒细化及组织和成分均匀的目的,获得晶粒细化及层片细小均匀组织,为淬火做好准备。调质处理的淬火温度采用850~950℃,保温时间一般采用0.5~1.5小时/100mm,使工件心部达到规定温度、完成奥氏体转变。淬火冷却时不用常规的单液淬火-油淬,而是采用空-水间歇的水冷进行深度淬火冷却,锻件温度低于材料的MS点时进行油冷,这样对于截面差异较大的齿轮坯锻件,能有效提高淬透层,同时避免淬火应力和温度应力作用下,引起的淬火缺陷,淬火后进行高温回火,使马氏体分解、残余奥氏体转变,从而达到提高强度极限和低温冲击韧性的要求。
本发明制造出的海洋钻井平台用齿轮轴锻件满足齿轮轴轮齿间切向力学性能要求高强度及在-40℃冲击功达35J/cm2的要求。其切向性能抗拉强度大于1000Mpa,-40℃V型冲击功大于35J/cm2,轮齿间的布氏硬度大于310且均匀。
本发明相对于现有技术,有以下优点:
本发明提供了一种海洋钻井平台用齿轮轴锻件的制造方法,制造的齿轮轴锻件可以满足高强度和低温韧性的要求,轮齿间硬度高且均匀,能有效提高轮齿的接触疲劳强度,提高齿轮的寿命。
附图说明
图1 为热处理工艺示意图。
具体实施方式
   以下以具体实施例来说明本发明的技术方案,但本发明的保护范围不限于此:
实施例1
    齿轮轴锻件两端为轴(轴径规格φ≥350),中部为齿轮盘(齿轮盘规格φ≥1000)
Figure 113963DEST_PATH_IMAGE001
 [0023] 以下着重描述冶炼、锻造成型、热处理工艺的步骤:
原料质量百分组成如下:C0.37-0.44%,Si0.15-0.40%,Mn0.50-0.80%,Ni1.90-3.50%,Cr0.60-0.90%,Mo0.20-0.30%,S≤0.035%,P≤0.035%,余量为铁;冶炼时依次采用碱性电弧炉冶炼、钢包真空精炼, 真空度控制为0.5乇;控制出钢温度为1540℃,出钢前采用氩气搅拌钢液,出钢镇静后采用氩气保护浇注,钢锭脱模后热送锻造。
锻造过程如下:钢锭返炉加热,加热炉温度为1150~1250℃,加热3.5h;锻造时确保始锻温度为1000℃,终锻温度为750℃;采用镦粗+拔长+局部镦粗的成形工序,成形时首先镦粗至高度为700mm,直径1300mm,然后拔长至直径750mm,齿轮盘最终采用漏盘和镦粗板进行局部镦粗至直径为1200mm,最终通过成形锻造获得所需的齿轮盘。
热处理采用正火+调质,热处理时正火温度为900±20℃,均温结束后,保温时间为1.5小时/100mm;调质处理的淬火温度采用870±20℃,保温时间采用1.5小时/100mm。之后采用空、水间歇的方式进行淬火冷却,先水冷20min,然后空冷4min,再入水冷却15min;当锻件温度为250℃进行油冷;入油冷却80min。最后在550℃进行高温回火。力学性能满足用户要求后,进行精加工,包装后入库。
实施例2
齿轮轴锻件一端为轴(轴径规格直径φ≥330),一端为齿轮盘(齿轮盘规格φ≥800)
 [0027] 以下着重描述冶炼、锻造成型、热处理工艺的步骤:
材料选用UNI 7845:1998标准中40NiCrMo7牌号,但对其中的Ni含量进行调整,原料质量百分组成如下:C0.37-0.44%,Si0.15-0.40%,Mn0.50-0.80%,Ni1.90-3.50%,Cr0.60-0.90%,Mo0.20-0.30%,S≤0.035%,P≤0.035%,余量为铁;冶炼时依次采用碱性电弧炉冶炼、钢包真空精炼, 真空度控制为0.5乇;控制出钢温度为1570℃,出钢前采用氩气搅拌钢液,出钢镇静后采用氩气保护浇注,钢锭脱模后热送锻造。
锻造过程如下:钢锭返炉加热,加热炉温度为1150~1250℃, 加热2.5h;锻造时确保始锻温度为1200℃,终锻温度为850℃;采用镦粗+拔长+局部镦粗的成形工序,成形时首先镦粗至高度为 600 mm,直径1000mm,然后拔长至直径600mm,齿轮盘最终采用设计漏盘和镦粗板进行局部镦粗至直径φ1000mm,最终通过精整获得所需的齿轮盘。
热处理采用正火+调质,热处理时正火温度为870±20℃,均温结束后,保温时间为1.0小时/100mm;调质处理的淬火温度采用870±20℃,保温时间采用1.0小时/100mm。之后采用空、水间歇的方式进行淬火冷却,先水冷15min,然后空冷2min,再入水冷却15min;当锻件温度为350℃时入油冷却60min。最后在600℃进行高温回火。力学性能满足用户要求后,进行精加工,包装后入库。
对上述实施例产品进行检测得到的轮齿间的切向力学性能及齿间硬度结果如下表1:
              表1     实施例检测的结果 
备注:冲击吸收功测试为一个试片上取了三个横向冲击试样,对应三个冲击值。
 从表1的结果看,本发明生产的海洋钻井平台用齿轮轴锻件的综合力学性能高,说明本发明的工艺具有显著的可行性和优越性。             

Claims (9)

1.海洋钻井平台用齿轮轴锻件的制造方法,包括冶炼、锻造成形、热处理工序,其特征在于,原料质量百分组成如下:C0.37-0.44%,Si0.15-0.40%,Mn0.50-0.80%,Ni1.90-3.50%,Cr0.60-0.90%,Mo0.20-0.30%,S≤0.035%,P≤0.035%,余量为铁;冶炼时依次采用碱性电弧炉冶炼、钢包真空精炼;锻造时成形采用镦粗+拔长,齿轮部分采用局部镦粗成形,获得连续的与齿面趋于一致的纤维流线;热处理采用正火+调质,采用空、水间歇的方式进行淬火冷却、之后油冷,最后高温回火。
2.如权利要求1所述的海洋钻井平台用齿轮轴锻件的制造方法,其特征在于,冶炼时控制出钢温度为1530~1570℃,出钢前采用氩气搅拌钢液,出钢镇静后采用氩气保护浇注,钢锭脱模后热送锻造。
3.如权利要求2所述的海洋钻井平台用齿轮轴锻件的制造方法,其特征在于,锻造过程如下:钢锭返炉加热,加热炉温度为1150~1250℃,加热1~4h;锻造时确保始锻温度为1000~1200℃,终锻温度750~850℃,采用镦粗+拔长+局部镦粗的成形工序,严格控制每个工步的送进量和压下量,送进量250-500mm,压下量100-400mm。
4.如权利要求3所述的海洋钻井平台用齿轮轴锻件的制造方法,其特征在于,成形时首先镦粗至高度为600-900mm,直径为1000-1300mm,然后拔长至直径为600-800mm,齿轮盘最终局部镦粗至直径为1000-1500mm。
5.如权利要求1-4之一所述的海洋钻井平台用齿轮轴锻件的制造方法,其特征在于,热处理时正火温度为850~950℃,均温结束后,保温时间为0.5~1.5小时/100mm。
6.如权利要求5所述的海洋钻井平台用齿轮轴锻件的制造方法,其特征在于,调质处理的淬火温度采用850~950℃,保温时间采用0.5~1.5小时/100mm。
7.如权利要求6所述的海洋钻井平台用齿轮轴锻件的制造方法,其特征在于,淬火冷却步骤如下:先水冷10~30min,然后空冷1~4min,再入水冷却10~20min。
8.如权利要求7所述的海洋钻井平台用齿轮轴锻件的制造方法,其特征在于,空、水间歇冷却后,当锻件温度为200~400℃时油冷60~90min。
9.如权利要求8所述的海洋钻井平台用齿轮轴锻件的制造方法,其特征在于,在500~600℃进行高温回火。
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