CN102319845B - 深海采油设备液压缸用钢锻件锻坯制造工艺 - Google Patents

Abstract

一种深海采油设备液压缸用钢锻件锻坯制造工艺，以马氏体沉淀硬化型不锈钢为钢锻件材料，选择方锭，加热至1180℃，沿钢锭长度方向开坯，得八方截面钢坯，锻造比为2.0~2.2，八方截面钢坯加热至1040℃，保温360分钟，油冷至32℃以下，取中段作为坯料，在始锻温度1150℃，终锻温度990℃对坯料进行轴向镦粗，镦至原坯料高度的一半时，对镦粗后的坯料进行原轴向八方截面拔长，拔至原坯料长度时再进行轴向镦粗，镦至原坯料高度的一半时再对镦粗后的坯料进行原轴向八方截面拔长，拔至原坯料长度时，对坯料沿轴向锻打整形，使总锻造比为5.5，得矩形锻件，空冷至340~360℃再进炉保温120分钟炉冷至室温。

Description

深海采油设备液压缸用钢锻件锻坯制造工艺

技术领域

本发明属于一种深海采油设备液压缸用钢锻件锻坯制造工艺，其制造工艺是液压缸用钢的化学成分优化与锻造工艺及中间工序热处理的一种组合。

背景技术

液压缸是将液压能转变为机械能的、做直线往复运动（或摆动运动）的液压执行元件。它结构简单、工作可靠。用它来实现往复运动时，可免去减速装置，并且没有传动间隙，运动平稳，因此在各种机械的液压系统中得到广泛应用。液压缸也广泛应用于海洋油气开采系统，如海上采油平台液压抽油机、海洋石油平台水下夹桩器、液压缸深海取芯钻机、井下液压增压器、防喷器的液控系统、修井水龙头拆卸器等等。

液压缸除需承受高压液体的作用外，还要考虑液压介质对缸体内壁的腐蚀，柱塞或活塞与缸体内壁的磨损。对于大、中型液压缸要求缸体材料的强度高，韧性好，通常选用MnMo 、SiMn、CrMo类低合金钢或CrNi型不锈钢。本例液压缸锻件主要用于海洋和深海采油系统，除必须适应海洋各种恶劣的工况条件之外，还必须保证液压缸服役于海洋采油平台，特别是服役于海底井口各采油设备期间，具有可靠的执行动作稳定性和运行安全性，具备预期的安全运行寿命。为此，我们选用马氏体沉淀硬化型不锈钢15-5PH作为液压缸的制造材料。

15-5PH属于马氏体沉淀硬化型不锈钢，合金元素Cr、Ni含量高，锻造温度范围较窄，一般只有170℃（即1150～980℃），变形抗力高。15-5PH马氏体沉淀硬化型不锈钢含有一定数量的高温铁素体，即δ铁素体。由于δ铁素体的存在，降低了钢的高温塑性，经受大量变形时，会因δ相和γ（奥氏体）相的强度不同而发生相界面撕裂形成锻造裂纹。因此特别在锻造截面较大尺寸的液压缸锻件（540×378×152mm）时，因高温相δ铁素体的存在和锻坯边角冷却速度快，极易发生锻坯面部、边角开裂等，大大增加了锻造难度,锻件的成型与锻后质量无法保证。

发明内容

本发明的目的就在于克服现有锻件制造工艺的不足，提供一种深海采油设备液压缸用钢锻件锻坯制造工艺，按此工艺能够成功地锻造出深海采油设备液压缸用钢锻件锻坯，且锻坯质量稳定。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种深海采油设备液压缸用钢锻件锻坯制造工艺，包括以下步骤：

步骤①：以马氏体沉淀硬化型不锈钢为钢锻件材料，所述的马氏体沉淀硬化型不锈钢包括碳、硅、锰、铬、镍、铜、铌、磷及硫，其质量百分比为，碳0.04%～0.07%、硅0.001%～0.60%、锰0.80%～1.00%、铬14.00%～14.50%、镍5.00%～5.50%、铜2.50%～4.00%、铌0.15%～0.25%，磷≤0.035%、硫≤0.025%，并且，铬当量为14.08%～15.52%，镍当量为6.60%～8.10%，

步骤②：根据钢锻件锻坯尺寸，选择方锭，进炉加热至1180℃后，在自由锻锤上沿钢锭长度方向开坯拔料，得到八方截面钢坯，锻造比为2.0~2.2，

步骤③：八方截面钢坯进炉加热至1040℃，保温360分钟，油冷至32℃以下，并进行锯切，取中间段作为坯料，

步骤④：将坯料进炉加热，在始锻温度1150℃，终锻温度为990℃对坯料进行轴向镦粗，镦至原坯料高度的一半时，再对镦粗后的坯料进行原轴向八方截面拔长，拔至原坯料长度时再进行轴向镦粗，再镦至原坯料高度的一半时再对镦粗后的坯料进行原轴向八方截面拔长，拔至原坯料长度时，得到压实锻透的坯料，

步骤⑤：对压实锻透的坯料沿轴向锻打、整形，使总锻造比为5.5，最终得到矩形锻件，

步骤⑥：锻后空冷至340~360℃再进炉保温120分钟炉冷至室温。

本发明的优点及积极效果是：

本发明选用高合金含量的铬镍铜马氏体沉淀硬化型不锈钢15-5PH，进行钢的化学成分优化设计。其目的是提高镍当量，降低铬当量，使奥氏体得以稳定。钢中高温相铁素体最大含量减少至5%左右，降低了高温脆性相δ铁素体引起的锻造裂纹，尤其是边角裂纹形成的趋势。化学成分优化设计能提高始锻温度，改善了金属的形变能力，有利于锻件的压实和成型。

本发明在化学成分优化设计改善可锻性的基础上，开坯压实锻造将始锻温度由1150℃提高至1180℃。由于始锻温度的升高，降低了金属原子间的结合力，金属滑移的临界剪切应力降低，金属的变形抗力随着温度的升高而降低。从而改善了锻件高温形变能力，通过加大锻压变形量有效地破碎钢锭的铸态粗大树枝晶组织，压实疏松、孔隙及微裂纹的焊合。

本发明的中间工序固溶处理有效地均匀化锻态组织、细化晶粒、防止高温锻态不良组织遗传至下道工序，为成型锻造提供了理想的锻态组织。

本发明钢锭经开坯压实锻造后，锻坯的组织致密性较好，其高温塑性变形能力已大大改善。因此，能使成型锻造始锻温度降为1150℃，好处是减少高温脆性相δ铁素体析出，提高了成型锻造性能，防止成型锻造裂纹萌生。减低锻件过热倾向，有利于细化晶粒。终锻温度定为990℃，防止低温锻裂的危险性。

本发明采用八方截面拔长、镦粗，增大了锻坯棱角角度，减缓了棱角的降温速度，有利于缓解锻坯棱角裂纹的萌生，改善了可锻性能。

概括之，本发明是通过液压缸用钢的化学成分优化与八方截面拔长、镦粗的变形工艺以及所采用的“八方截面钢坯进炉加热至1040℃，保温360分钟，油冷至32℃以下”的技术措施的组合使用，不但最大限度地改善了马氏体沉淀硬化型不锈钢15-5PH的可锻造性，使深海采油设备液压缸15-5PH锻件的锻造成为可能，而且还克服了15-5PH锻件表面裂纹，尤其是边角裂纹的形成，大大提高了液压缸锻件的锻造质量。

附图说明

图1为本发明实施例的锻造流程图；

图2为本发明应用的不锈钢舍夫勒组织图；

图3为比较例的相控阵超声波探伤检测图；

图4为实施例的钢锭开坯相控阵超声波探伤检测图；

图5为实施例的固溶处理锻坯相控阵超声波探伤检测图；

图6为实施例的相控阵超声波探伤检测图；

图7为重复例的相控阵超声波探伤检测图。

具体实施方式

一种深海采油设备液压缸用钢锻件锻坯制造工艺，包括以下步骤：

步骤①：以马氏体沉淀硬化型不锈钢为钢锻件材料，所述的马氏体沉淀硬化型不锈钢包括碳、硅、锰、铬、镍、铜、铌、磷及硫，其质量百分比为，碳0.04%～0.07%、硅0.001%～0.60%、锰0.80%～1.00%、铬14.00%～14.50%、镍5.00%～5.50%、铜2.50%～4.00%、铌0.15%～0.25%，磷≤0.035%、硫≤0.025%，并且，铬当量为14.08%～15.52%，镍当量为6.60%～8.10%，

铬当量和镍当量采用以下经验计算公式计算得到：

铬当量[Cr]=%Cr+%Mo+1.5×%Si+0.5×%Nb                （1）

镍当量[Ni]=%Ni+30×%C+0.5×%Mn                      （2）

步骤②：根据钢锻件锻坯尺寸，选择方锭，进炉加热至1180℃后，在自由锻锤上沿钢锭长度方向开坯拔料，得到八方截面钢坯，锻造比为2.0~2.2，

步骤③：八方截面钢坯进炉加热至1040℃，保温360分钟，油冷至32℃以下，并进行锯切，取中间段作为坯料，

步骤④：将坯料进炉加热，在始锻温度1150℃，终锻温度为990℃对坯料进行轴向镦粗，镦至原坯料高度的一半时，再对镦粗后的坯料进行原轴向八方截面拔长，拔至原坯料长度时再进行轴向镦粗，再镦至原坯料高度的一半时再对镦粗后的坯料进行原轴向八方截面拔长，拔至原坯料长度时，得到压实锻透的坯料，

步骤⑤：对压实锻透的坯料沿轴向锻打、整形，使总锻造比为5.5，最终得到矩形锻件，

步骤⑥：锻后空冷至340~360℃再进炉保温120分钟炉冷至室温。

以下采用两种不同的锻件制造工艺方法比较如下：

比较例（工艺号A）：普通的锻造工艺；

实施例（工艺号B）：本发明所述的锻造工艺；

重复例（工艺号C）：重复本发明所述的锻造工艺。

比较例（工艺号A）具体步骤如下：

步骤A①：沉淀硬化型马氏体不锈钢15-5PH由碳、硅、锰、磷、硫、铬、镍、铜及铌组成，其质量百分比为：

0≤碳≤0.07%、0≤硅≤1.00%、0≤锰≤1.00%、0≤磷≤0.035%、0≤硫≤0.025%、14.00%≤铬≤15.50%、4.00%≤镍≤5.50%、2.50≤铜≤4.00%、0.15≤铌≤0.45%，

步骤A②：根据所需结构件尺寸，选择方锭，进炉加热至1150℃后，在自由锻锤上沿钢锭长度方向开坯（四方截面）拔料，终锻温度为900℃。完成钢锭开坯，锻造比为1.8~2.0，

步骤A③：锻后空冷至340~360℃再进炉保温120分钟炉冷至室温，

步骤A④：将步骤A③坯料进行锯切，取中间段作为锻件坯料，

步骤A⑤：将步骤④坯料进炉加热，始锻温度为1150℃，对坯料进行轴向镦粗，镦至原坯料高度的一半时，再对镦粗后的坯料进行原轴向四方截面拔长，拔至原坯料长度时再进行轴向镦粗，再镦至原坯料高度的一半时再对镦粗后的坯料进行原轴向四方截面拔长，拔至原坯料长度时（两镦两拔），得到初步成型的坯料，终锻温度为900℃，

步骤A⑥：将步骤⑤坯料进炉加热，在始锻温度1150℃，终锻温度为900℃对压实锻透的坯料沿轴向拍扁锻打、整形，使总锻造比为5.0，最终得到矩形锻件，

步骤A⑦：锻后空冷至340~360℃再进炉保温120分钟炉冷至室温，

步骤A⑧：锻件相控阵超声波探伤检测。相控阵特征图：缺陷轮廓紊乱、探头转90度分析，缺陷面积成孤岛状且间距较小、偶尔相连分布；缺陷特征波形：大量草状波，草状波显指数下降，底波较低（见附图3箭头所指区域）。

实施例（工艺号B），具体步骤如下：

步骤B①：马氏体沉淀硬化型不锈钢15-5PH由碳、硅、锰、磷、硫、铬、镍、铜及铌组成，其标准值的质量百分比、由公式（1）、（2）分别计算最高铬当量和镍当量，其对应的铁素体量超过10%（见图2中箭头K指向的位置），

步骤B②： 根据舍夫勒组织图（见附图2）优化设计的马氏体沉淀硬化型不锈钢15-5PH的化学成分，其质量百分比为：

0.04≤碳≤0.07%、0≤硅≤0.60%、0.80≤锰≤1.00%、0≤磷≤0.035%、0≤硫≤0.025%、14.00%≤铬≤14.50%、5.00%≤镍≤5.50%、2.50≤铜≤4.00%、0.15≤铌≤0.25%，

由公式（1）、（2）分别计算最高铬当量和镍当量对应的铁素体量约5%（见图2中箭头J指向的位置），

步骤B③：按优化设计的化学成分冶炼，用于本发明实施例的马氏体沉淀硬化型不锈钢15-5PH钢锭，钢锭的化学成分分析结果，由公式（1）、（2）分别计算的铬当量和镍当量对应的铁素体量不到5%（见图2中箭头H指向的位置），

步骤B④：将步骤B③冶炼的方锭进炉加热至1180℃，在自由锻锤上沿钢锭长度方向开坯（八方截面）拔料，终锻温度为980℃。完成钢锭开坯，锻造比为2.0~2.2，

步骤B⑤：锻后空冷至340~360℃再进炉保温120分钟炉冷至室温，

步骤B⑥：将步骤B⑤退火锻件经超声波探伤相控阵检测（见附图4）。相控阵缺陷特征图：缺陷的YZ方向的宽度之一大于λ/2，图像浅兰或深兰、轮廓紊乱、探头转90度分析，缺陷面积成孤岛状且间距较小、偶尔相连分布；缺陷特征波形：大量草状波，草状波显指数下降，底波较低（见附图4箭头所指区域）。

步骤B⑦：将步骤B⑥坯料进炉加热至1040℃，保温360分钟后出炉油冷（油温≤30℃）至32℃以下，

步骤B⑧：将步骤B⑦固溶处理的锻件经超声波探伤相控阵检测（见附图5）。相控阵缺陷特征图：YZ方向未发现缺陷显示，图像底部浅兰、均匀分布；缺陷特征波形：未见草状波及缺陷显示，底波正常。

步骤B⑨：将步骤B⑧坯料进行锯切，取中间段作为锻件坯料，

步骤B⑩：将锻件坯料进炉加热，始锻温度1150℃，对坯料进行轴向镦粗，镦至原坯料高度的一半时，再对镦粗后的坯料进行原轴向八方截面拔长，拔至原坯料长度时再进行轴向镦粗，再镦至原坯料高度的一半时再对镦粗后的坯料进行原轴向八方截面拔长，拔至原坯料长度时（两镦两拔），得到压实锻透的坯料，终锻温度为990℃，

步骤B⑾：将步骤⑩坯料进炉加热，始锻温度1150℃，对压实锻透的坯料沿轴向锻打、整形，使总锻造比为5.5，终锻温度为980℃，得到液压缸锻件的矩形成型锻坯（步骤B④～步骤B⑦见附图1），

步骤B⑿：锻后空冷至340~360℃再进炉保温120分钟炉冷至室温，

步骤B⒀：锻件超声波探伤相控阵检测（见附图6）。相控阵缺陷特征图：扇形方向未发现缺陷显示，图像底部浅兰、均匀分布；缺陷特征波形：未见草状波及缺陷显示，底波正常。

重复例（工艺号C）步骤同实施例，具体步骤略,锻件超声波探伤相控阵检测（见附图7）。相控阵缺陷特征图：扇形方向未发现缺陷显示，图像底部浅兰、均匀分布；缺陷特征波形：未见草状波及缺陷显示，底波正常。

所述步骤B①～步骤B③，其目的是：

在不改变15-5PH材料现有化学成分范围的情况下，利用不锈钢的舍夫勒组织图与其经验计算公式，进行钢的化学成分优化设计优点主要有：1）不改变15-5PH材料现有化学成分范围意味着钢的牌号不变，材料的物理性能、力学性能等均不变，既避免了因钢的牌号改变引起争议，又确保了锻件产品的组织性能、力学性能符合该钢号技术标准要求，满足产品的使用要求。2）材料化学成分优化提高镍当量，降低铬当量有利于奥氏体稳定。化学成分优化设计结果使钢中高温相铁素体最大含量减少至5%左右，降低由高温脆性相δ铁素体引起的锻造裂纹，尤其是边角裂纹形成的趋势。

化学成分优化提高改善了金属的形变能力，有利于锻件的压实和成型。

所述步骤B④，其目的是：

开坯压实锻造将始锻温度由1140℃提高至1180℃，增加金属的高温变形能力，改善了锻件高温形变能力，通过加大锻压变形量有效地破碎钢锭的铸态粗大树枝晶组织，压实疏松、孔隙及微裂纹的焊合。

由四方截面拔长开坯，改为八方截面拔长开坯，增大了锻坯棱角角度，减缓了棱角的降温速度，有利于缓解锻坯棱角裂纹的萌生，改善了可锻性能。

所述步骤B⑦，其目的是：

固溶处理能有效地均匀化锻态组织、细化晶粒、防止高温锻态不良组织遗传至下道工序，为成型锻造提供了理想的锻态组织。

所述步骤B⑩，其目的是：

钢锭经开坯压实锻造后，锻坯的组织致密性较好，其高温塑性变形能力已大大改善。此时可将成型锻造始锻温度降为1150℃，利于减少高温脆性相δ铁素体析出，提高了成型锻造性能，防止成型锻造裂纹萌生。还可降低锻件过热倾向，有利于细化晶粒。终锻温度定为980℃，防止低温锻裂的危险性。

结果综合分析

15-5PH属于马氏体沉淀硬化型不锈钢，锻造温度范围较窄，一般只有170℃（即1150～980℃），变形抗力高。开坯压实锻造因高温相δ铁素体的析出和锻坯边角冷却速度快，极易发生边角开裂等。因此，普通锻造工艺为防止高温相δ铁素体大量析出导致锻造裂纹，将始锻温度由1150℃降为1140℃，这种降温使15-5PH的锻造温度范围更窄，增加了变形抗力，锻件的形变能力恶化。为此，只能采用小变形量锻压。小变形量锻压无法满足锻坯内部铸态缺陷压实焊合的临界变形量，锻坯内部铸态缺陷不能完全或部分压实焊合。图3为比较例（普通锻造工艺）的相控阵超声波探伤检测图，表明锻件内部组织没有完全压实焊合，存在明显的疏松缺陷波(见图3中箭头所指区域)。

本发明在15-5PH方锭完成开坯压实后经相控阵超声波探伤检测，发现钢锭铸态缺陷组织基本压实和焊合，但是锻坯存在明显的粗晶组织（见图4箭头所指区域）。因此，在开坯工序与成型锻造之间增加的“八方截面钢坯进炉加热至1040℃，保温360分钟，油冷至32℃以下”有效地均匀化锻态组织、细化晶粒、防止高温锻态不良组织遗传至下道工序，为成型锻造提供了理想的锻态组织（见图5）。

本发明对钢的化学成分优化设计，使得高温脆性相δ铁素体析出量减少，拓宽了锻造温度范围，尤其是开坯压实锻造的始锻温度的提高，从热力学条件满足了缺陷通过原子扩散焊合的动力学条件，有利缺陷的焊合消除；锻造温度的提高改善了锻件的变形能力，有助于增大锻压变形量压实铸态缺陷；本发明的八方截面拔长、镦粗，增大了锻坯棱角角度，减缓了棱角的降温速度，有利于缓解锻坯棱角裂纹的萌生，改善了可锻性能，有利于压实和成型锻造，经相控阵超声波探伤检测，得到了组织致密的合格15-5PH液压缸用钢锻件锻坯（见图6）。

采用本发明实施例的步骤，重复锻造的重复例（工艺号C）15-5PH液压缸用钢锻件，同样获得品质优良的合格锻件锻坯，见相控阵超声波探伤检测图7，表明本发明锻造工艺具有可重复性且锻件质量稳定。

概括之，本发明是通过液压缸用钢的化学成分优化与锻造工艺及中间工序热处理的一种组合，不但最大限度地改善了马氏体沉淀硬化型不锈钢15-5PH的可锻造性，使深海采油设备液压缸锻件的锻造成为可能，填补了空白。而且还克服了15-5PH锻件表面裂纹，尤其是边角裂纹的形成，大大提高了液压缸锻件的锻造质量。

以上所述，仅为本发明具体实施例，但不能以此限定本发明实施的范围，即凡依照本发明申请专利范围及说明书内容所作的等同、变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围内。

Claims (1)

1.一种深海采油设备液压缸用钢锻件锻坯制造工艺，其特征在于，包括以下步骤：

步骤①：以马氏体沉淀硬化型不锈钢为钢锻件材料，所述的马氏体沉淀硬化型不锈钢包括碳、硅、锰、铬、镍、铜、铌、磷及硫，其质量百分比为，碳0.04％～0.07％、硅0.001％～0.60％、锰0.80％～1.00％、铬14.00％～14.50％、镍5.00％～5.50％、铜2.50％～4.00％、铌0.15％～0.25％，磷≤0.035％、硫≤0.025％，并且，铬当量为14.08％～15.52％，镍当量为6.60％～8.10％，

步骤②：根据钢锻件锻坯尺寸，选择方锭，进炉加热至1180℃后，在自由锻锤上沿钢锭长度方向开坯拔料，得到八方截面钢坯，锻造比为2.0~2.2，

步骤③：八方截面钢坯进炉加热至1040℃，保温360分钟，油冷至32℃以下，并进行锯切，取中间段作为坯料，

步骤④：将坯料进炉加热，在始锻温度1150℃，终锻温度为990℃对坯料进行轴向镦粗，镦至原坯料高度的一半时，再对镦粗后的坯料进行原轴向八方截面拔长，拔至原坯料长度时再进行轴向镦粗，再镦至原坯料高度的一半时再对镦粗后的坯料进行原轴向八方截面拔长，拔至原坯料长度时，得到压实锻透的坯料，

步骤⑤：对压实锻透的坯料沿轴向锻打、整形，使总锻造比为5.5，最终得到矩形锻件，

步骤⑥：锻后空冷至340~360℃再进炉保温120分钟，炉冷至室温。

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