CN102965589B - 高疲劳强度机械扩径机拉杆轴及其制备工艺 - Google Patents
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Abstract
高疲劳强度机械扩径机拉杆轴及其制备工艺，本发明公开了一种石油输送管道制管装备机械扩径机上用的主传动部件24Cr1.5Ni4MoVA拉杆轴及其制备工。本发明采用电弧炉、LF钢包炉、VD真空除气炉和电渣炉冶炼钢坯，采用精密锻造机锻造钢坯成型并细化晶粒，采用热处理炉多次正火+调质细化晶粒、提升回火索氏体等级，制备出基体化学成分准确、残余有害元素含量低、非金属夹杂物等级高、晶粒细小、回火索氏体为1级的拉杆轴毛坯。本发明拉杆轴的常规力学性能优异，在2.5缺口应力敏感系数下、轴向拉压的缺口疲劳强度为354~365MPa，可以满足机械扩径机扩管时，拉杆轴需要承受大缺口应力敏感系数下、轴向拉压最大280~290MPa的强度、扩管20~30万支的使用要求。
Description
技术领域
本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种石油输送管道制管装备机械扩径机上用的主要传动部件拉杆轴及其制备工艺，具体为冶炼、锻造和热处理工艺制备24Cr1.5Ni4MoVA拉杆轴。
背景技术
随着我国石油天然气工业的发展，特别是我国西气东输工程的启动,我国的管道建设对钢管质量要求不断提高。目前，高品质的机械扩径机作为提高钢管质量的一种极为关键的技术装备，我国主要是从德国SMS MEER公司和荷兰FONTIJINE GROTNES公司购买。拉杆轴作为机械扩径机的主传动部件，要求能扩管20~30万支。
德国SMS MEER公司和荷兰FONTIJINE GROTNES公司机械扩径机扩管时，拉杆轴需要承受大缺口应力敏感系数下（≥2.5）、轴向拉压最大280~290MPa的强度，扩管20~30万支，需要满足107次的使用寿命。考虑到拉杆轴上的螺纹结构、机械加工缺陷和材料的夹杂物等不利因素的影响，拉杆轴材料需要满足107次下缺口疲劳强度≥340MPa的使用寿命。
相关文献报道过40CrNiMoA在107次下缺口疲劳强度大致为284~293MPa，30CrNi4MoA在1.9缺口应力敏感系数下、107次下缺口疲劳强度≥340MPa。
发明内容
本发明的第一个目的在于提供一种高疲劳强度机械扩径机拉杆轴，该拉杆轴的特点是：钢中其它化学成分的质量百分含量为：C 0.20~0.26%，Si≤0.10%，Cr 1.45~1.60%，Mn≤0.35%，Ni 3.55~3.70%，V≤0.09%，Mo 0.25~0.40%；残余元素含量为：O的浓度≤30PPm，N的浓度60~100PPm，S的质量百分含量≤0.008%，P的质量百分含量≤0.008%，Al的质量百分含量0.015~0.030%；非金属夹杂物等级为：A≤0.5，B≤0.5，C=0，D≤0.5。
本发明的第二个目的是提供上述高疲劳强度机械扩径机拉杆轴的制备工艺，它包括如下顺序的步骤：
（1）冶炼工艺过程：采用电弧炉、LF钢包炉、VD真空除气炉和电渣炉冶炼钢坯；
（2）锻造工艺过程：将钢坯锻造，始锻温度为1180~900℃，终锻温度≥750℃，锻造比为6~8，锻坯经在650~700℃下70h的扩氢退火并去应力；
（3）热处理工艺过程：将锻坯淬火：先在910℃下保温6h，然后空气冷却加淬火液淬火，再在720℃下保温5h后，升温到880℃下保温4h，再空气冷却加淬火液淬火，在550~560℃下保温12h，再空气冷却；其中，空气冷却的时间为50~200s，淬火液淬火的时间为55~65min。
更具体地说，所述冶炼工艺过程中，电弧炉冶炼工艺包括：
（1）熔氧期：以造高碱度、高氧化性的炉渣为主，及时补加石灰、萤石；边吹氧、边流渣，利用前期较低的温度加强脱磷操作，尽量放掉初期渣，熔清控制As、Sn、Pb的质量百分含量均≤0.025%；
（2）开始氧化，要求：0.70%≥碳≥0.60%，1600℃≥氧化温度≥1560℃，0.45%≥脱碳量≥0.40%；
（3）电弧炉出钢条件：0.1%≥碳≥0.06%，磷≤0.005%，温度≥1640℃，钢包中加入铝铁或铝饼2.0~2.5kg/t、预熔渣5~8kg/t及适量烘烤好的硅钙合金，不加硅铁；
LF钢包炉冶炼工艺包括：
（a）钢包到位，吹氩喂铝丝2.0~3.0m/t；
（b）用碳粉3~4kg/t分批进行脱氧，渣白后分批加入碳粉1~3kg/t、硅钙粉1~2kg/t，继续脱氧保持还原气氛，硅的质量百分含量接近上限即0.10%时不允许用硅钙粉脱氧；
（c）脱气前把钢水内各成分调整进限即各成分质量百分含量在如下范围：C 0.20~0.26%，Si ≤0.10%，Cr 1.45~1.60%，Mn≤0.35%，Ni 3.55~3.70%，V≤0.09%，Mo 0.25~0.40%；S≤0.008%，P≤0.008%，并保持白渣至钢包炉冶炼结束；
VD真空除气工艺包括：
（一）温度≥1610℃的条件下进入真空罐脱气，在≤0.5托下保持时间≥12分钟，解除真空后在线定氢、定氧；取玻璃管样分析氮含量，要求N的浓度为60~100PPm；
（二）出钢前控制残铝的质量百分含量是0.015~0.030%，不足时吹氩喂铝丝调整，最后一次喂铝前控制Si的质量百分含量≤0.10%；
（三）弱搅拌，时间≥10分钟，出钢温度为：1545~1555℃；
电渣炉冶炼前的电极坯浇注工艺包括：
一、镇静时间≥5分钟；
二、浇注温度为：1440~1470℃，浇注采取氩气保护措施；
三、电极坯全部浇满，冒口端插绝热板，开浇即加保护渣，浇注完毕后冒口补加发热剂，提模后下转锻压厂将冒口切除后退火；
四、电极坯经在650~700℃下70h扩氢退火并去应力后，再进行电渣重熔处理。
本发明的拉杆轴的晶粒度≥8级，回火索氏体1级；常规力学性能HB330-360，σb≥1150MPa，σs≥1080MPa，ψ≥60%，δ≥15%；2.5缺口应力敏感系数下，轴向拉压的缺口疲劳强度为354~365Mpa。
本发明通过调配化学成分，控制冶炼、锻造和热处理工艺制备缺口应力敏感系数≥2.5、轴向拉压下满足107次的缺口疲劳强度≥340MPa的机械扩径机拉杆轴，能满足德国SMS MEER公司和荷兰FONTIJINE GROTNES公司机械扩径机扩管20~30支钢管的生产要求。
附图说明
图1是本发明实施例一的拉杆轴的晶粒度金相图片。
图2是本发明实施例一的拉杆轴的回火索氏体金相图片。
图3是本发明实施例二的拉杆轴的晶粒度金相图片。
图4是本发明实施例二的拉杆轴的回火索氏体金相图片。
图5是本发明实施例三的拉杆轴的晶粒度金相图片。
图6是本发明实施例三的拉杆轴的回火索氏体金相图片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。实施例中，百分含量均为质量百分含量。
实施例一：
首先，冶炼工艺阶段，电弧炉冶炼熔氧期以造高碱度、高氧化性的炉渣为主，及时补加石灰、萤石，边吹氧、边流渣，利用前期较低的温度加强脱磷操作，尽量放掉初期渣，熔清控制As、Sn、Pb均≤0.025%；开始氧化，0.70%≥碳≥0.60%，1600℃≥氧化温度≥1560℃，0.45%≥脱碳量≥0.40%；电弧炉出钢时，0.1%≥碳≥0.06%，磷≤0.005%，温度≥1640℃，包中加入铝铁或铝饼2.5kg/t、预熔渣8kg/t及适量烘烤好的硅钙合金（不加硅铁）。LF钢包炉冶炼吹氩喂铝丝3.0m/t，用碳粉4kg/t分批进行脱氧，渣白后分批加入碳粉3kg/t、硅钙粉1.5kg/t，继续脱氧（硅的质量百分含量接近上限即0.10%时不允许用硅钙粉脱氧）保持还原气氛。温度≥1610℃进入VD真空罐脱气，在≤0.5托下保持时间≥12分钟，出钢前控制残铝质量百分含量是0.015~0.030%，最后一次喂铝前控制Si的质量百分含量≤0.10%，弱搅拌时间≥10分钟，出钢温度：1550℃。电极坯经700℃*70h扩氢退火并去应力后，进行电渣重熔处理，电极坯浇注参数：镇静6分钟，1460℃采取氩气保护浇注，电极坯全部浇满，冒口端插绝热板，开浇即加保护渣，浇注完毕后冒口补加发热剂，提模后下转锻压厂将冒口切除后退火。锻造始锻温度：1180℃，终锻温度760℃，锻造比8，锻坯经700℃*70h扩氢退火并去应力。热处理淬火：910℃保温6h→空冷+淬火液淬火→720℃保温5h→880℃保温4h→空冷+淬火液淬火→550~560℃保温12h→空冷；空冷时间180s；淬火液淬火时间65min。
检测结果：
（1）化学成分：C 0.26，S 0.003，Si 0.01，Cr 1.49，Mn 0.32，P 0.007，Ni 3.60，V 0.09，Mo 0.40；残余元素含量：O 30PPm，N 84PPm，Al 0.016；（其中，没标单位表示的是质量百分含量）；
（2）非金属夹杂物等级：A 0，B 0.5，C=0，D 0.5；
（3）金相组织：回火索氏体1级，晶粒度8级（见图1、2）；
（4）拉杆轴力学性能：HB 355，σb 1220MPa，σs1130MPa，ψ62.5%，δ15.5%；2.5缺口应力敏感系数下、轴向拉压的缺口疲劳强度为361Mpa。
本实施例中，拉杆轴的晶粒度如图1所示，拉杆轴的回火索氏体如图2所示。
实施例二：
首先，冶炼工艺阶段，电弧炉冶炼熔氧期以造高碱度、高氧化性的炉渣为主，及时补加石灰、萤石，边吹氧、边流渣，利用前期较低的温度加强脱磷操作，尽量放掉初期渣，熔清控制As、Sn、Pb均≤0.025%；开始氧化，0.70%≥碳≥0.60%，1600℃≥氧化温度≥1560℃，0.45%≥脱碳量≥0.40%；电弧炉出钢时，0.1%≥碳≥0.06%，磷≤0.005%，温度≥1640℃，包中加入铝铁或铝饼2.3kg/t、预熔渣7kg/t及适量烘烤好的硅钙合金（不加硅铁）。LF钢包炉冶炼吹氩喂铝丝2.5m/t，用碳粉3.5kg/t分批进行脱氧，渣白后分批加入碳粉2kg/t、硅钙粉1.5kg/t，继续脱氧（硅的质量百分含量接近上限即0.10%时不允许用硅钙粉脱氧）保持还原气氛。温度≥1610℃进入VD真空罐脱气，在≤0.5托下保持时间≥12分钟，出钢前控制残铝质量百分含量是0.015~0.030%，最后一次喂铝前控制Si的质量百分含量≤0.10%，弱搅拌时间≥10分钟，出钢温度：1545℃。电极坯经700℃*70h扩氢退火并去应力后，进行电渣重熔处理，电极坯浇注参数：镇静6分钟，1460℃采取氩气保护浇注，电极坯全部浇满，冒口端插绝热板，开浇即加保护渣，浇注完毕后冒口补加发热剂，提模后下转锻压厂将冒口切除后退火。锻造始锻温度：1180℃，终锻温度780℃，锻造比7，锻坯经680℃*70h扩氢退火并去应力。热处理淬火：910℃保温6h→空冷+淬火液淬火→720℃保温5h→880℃保温4h→空冷+淬火液淬火→550~560℃保温12h→空冷；空冷时间160s；淬火液淬火时间60min。
检测结果：
（1）化学成分：C 0.24，S 0.003，Si 0.03，Cr 1.53，Mn 0.33，P 0.006，Ni 3.61，V 0.09，Mo 0.31；残余元素含量：O 28PPm，N 82PPm，Al 0.016；（其中，没标单位表示的是质量百分含量）；
（2）非金属夹杂物等级：A 0.5，B 0.5，C=0，D 0.5；
（3）金相组织：回火索氏体1级，晶粒度8级（见图3、4）；
（4）拉杆轴力学性能：HB 346，σb 1210MPa，σs1110MPa，ψ64%，δ15.0%；2.5缺口应力敏感系数下、轴向拉压的缺口疲劳强度为365MPa。
本实施例中，拉杆轴的晶粒度如图3所示，拉杆轴的回火索氏体如图4所示。
实施例三：
首先，冶炼工艺阶段，电弧炉冶炼熔氧期以造高碱度、高氧化性的炉渣为主，及时补加石灰、萤石，边吹氧、边流渣，利用前期较低的温度加强脱磷操作，尽量放掉初期渣，熔清控制As、Sn、Pb均≤0.025%；开始氧化，0.70%≥碳≥0.60%，1600℃≥氧化温度≥1560℃，0.45%≥脱碳量≥0.40%；电弧炉出钢时，0.1%≥碳≥0.06%，磷≤0.005%，温度≥1640℃，包中加入铝铁或铝饼2kg/t、预熔渣6kg/t及适量烘烤好的硅钙合金（不加硅铁）。LF钢包炉冶炼吹氩喂铝丝3.0m/t，用碳粉3kg/t分批进行脱氧，渣白后分批加入碳粉1.5kg/t、硅钙粉1kg/t，继续脱氧（硅的质量百分含量接近上限即0.10%时不允许用硅钙粉脱氧）保持还原气氛。温度≥1610℃进入VD真空罐脱气，在≤0.5托下保持时间≥12分钟，出钢前控制残铝质量百分含量是0.015~0.030%，最后一次喂铝前控制Si的质量百分含量≤0.10%，弱搅拌时间≥10分钟，出钢温度：1545℃。电极坯经700℃*70h扩氢退火并去应力后，进行电渣重熔处理，电极坯浇注参数：镇静6分钟，1460℃采取氩气保护浇注，电极坯全部浇满，冒口端插绝热板，开浇即加保护渣，浇注完毕后冒口补加发热剂，提模后下转锻压厂将冒口切除后退火。锻造始锻温度：1180℃，终锻温度800℃，锻造比6.5，锻坯经700℃*70h扩氢退火并去应力。热处理淬火：910℃保温6h→空冷+淬火液淬火→720℃保温5h→880℃保温4h→空冷+淬火液淬火→550~560℃保温12h→空冷；空冷时间140s；淬火液淬火时间55min。
检测结果：
（1）化学成分：C 0.25，S 0.003，Si 0.02，Cr 1.51，Mn 0.20，P 0.006，Ni 3.61，V 0.09，Mo 0.33；残余元素含量：O 28PPm，N 89PPm，Al 0.016；（其中，没标单位表示的是质量百分含量）；
（2）非金属夹杂物等级：A 0.5，B 0.5，C=0，D 0.5；
（3）金相组织：回火索氏体1级，晶粒度8级（见图5、6）；
（4）拉杆轴力学性能：HB 356，σb 1190MPa，σs1100MPa，ψ63%，δ15.5%；2.5缺口应力敏感系数下、轴向拉压的缺口疲劳强度为354MPa。
本实施例中，拉杆轴的晶粒度如图5所示，拉杆轴的回火索氏体如图6所示。
Claims (3)
1.一种高疲劳强度机械扩径机拉杆轴的制备工艺，拉杆轴钢中其它化学成分的质量百分含量为：C0.20～0.26％，Si≤0.10％，Cr1.45～1.60％，Mn≤0.35％，Ni3.55～3.70％，V≤0.09％，Mo0.25～0.40％；残余元素含量为：O的浓度≤30PPm，N的浓度60～100PPm，S的质量百分含量≤0.008％，P的质量百分含量≤0.008％，Al的质量百分含量0.015～0.030％；非金属夹杂物等级为：A≤0.5，B≤0.5，C＝0，D≤0.5；
其特征在于包括如下顺序的步骤：
(1)冶炼工艺过程：采用电弧炉、LF钢包炉、VD真空除气炉和电渣炉冶炼钢坯；
(2)锻造工艺过程：将钢坯锻造，始锻温度为1180～900℃，终锻温度≥750℃，锻造比为6～8，锻坯经在650～700℃下70h的扩氢退火并去应力；
(3)热处理工艺过程：将锻坯淬火：先在910℃下保温6h，然后空气冷却加淬火液淬火，再在720℃下保温5h后，升温到880℃下保温4h，再空气冷却加淬火液淬火，在550～560℃下保温12h，再空气冷却；其中，空气冷却的时间为50～200s，淬火液淬火的时间为55～65min。
2.根据权利要求2所述的高疲劳强度机械扩径机拉杆轴的制备工艺，其特征在于：
所述冶炼工艺过程中，电弧炉冶炼工艺包括：
(1)熔氧期：以造高碱度、高氧化性的炉渣为主，及时补加石灰、萤石；边吹氧、边流渣，利用前期较低的温度加强脱磷操作，尽量放掉初期渣，熔清控制As、Sn、Pb的质量百分含量均≤0.025％；
(2)开始氧化，要求：0.70％≥碳≥0.60％，1600℃≥氧化温度≥1560℃，0.45％≥脱碳量≥0.40％；
(3)电弧炉出钢条件：0.1％≥碳≥0.06％，磷≤0.005％，温度≥1640℃，钢包中加入铝铁或铝饼2.0～2.5kg/t、预熔渣5～8kg/t及适量烘烤好的硅钙合金，不加硅铁；
LF钢包炉冶炼工艺包括：
(a)钢包到位，吹氩喂铝丝2.0～3.0m/t；
(b)用碳粉3～4kg/t分批进行脱氧，渣白后分批加入碳粉1～3kg/t、硅钙粉1～2kg/t，继续脱氧保持还原气氛，硅的质量百分含量接近上限即0.10％时不允许用硅钙粉脱氧；
(c)脱气前把钢水内各成分调整进限即各成分质量百分含量在如下范围：C0.20～0.26％，Si≤0.10％，Cr1.45～1.60％，Mn≤0.35％，Ni3.55～3.70％，V≤0.09％，Mo0.25～0.40％；S≤0.008％，P≤0.008％，并保持白渣至钢包炉冶炼结束；
VD真空除气工艺包括：
(一)温度≥1610℃的条件下进入真空罐脱气，在≤0.5托下保持时间≥12分钟，解除真空后在线定氢、定氧；取玻璃管样分析氮含量，要求N的浓度为60～100PPm；
(二)出钢前控制残铝的质量百分含量是0.015～0.030％，不足时吹氩喂铝丝调整，最后一次喂铝前控制Si的质量百分含量≤0.10％；
(三)弱搅拌，时间≥10分钟，出钢温度为：1545～1555℃；
电渣炉冶炼前的电极坯浇注工艺包括：
一、镇静时间≥5分钟；
二、浇注温度为：1440～1470℃，浇注采取氩气保护措施；
三、电极坯全部浇满，冒口端插绝热板，开浇即加保护渣，浇注完毕后冒口补加发热剂，提模后下转锻压厂将冒口切除后退火；
四、电极坯经在650～700℃下70h扩氢退火并去应力后，再进行电渣重熔处理。
3.一种基于权利要求2所述制备工艺的高疲劳强度机械扩径机拉杆轴，其特征在于：钢中其它化学成分的质量百分含量为：C0.20～0.26％，Si≤0.10％，Cr1.45～1.60％，Mn≤0.35％，Ni3.55～3.70％，V≤0.09％，Mo0.25～0.40％；残余元素含量为：O的浓度≤30PPm，N的浓度60～100PPm，S的质量百分含量≤0.008％，P的质量百分含量≤0.008％，Al的质量百分含量0.015～0.030％；非金属夹杂物等级为：A≤0.5，B≤0.5，C＝0，D≤0.5。
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