CN103160665A - 页岩气采集压力设备泥浆泵泵缸用钢锻件制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种页岩气采集压力设备泥浆泵泵缸用钢锻件制造方法，包括以下步骤：以铬镍钼合金结构钢为坯料，坯料为AISI4330MOD钢，采用两次交替镦粗、拔长及未趟次低温大变形量锻造方法对坯料进行锻造，得到泵缸锻坯，拔长锻造方法采用高温宽砧强压法；对泵缸锻坯进行扩氢热处理；对泵缸锻坯进行粗加工，得到泵缸毛坯；对泵缸毛坯进行正火、控制泵缸淬火表面冷却温度+等温淬火的热处理工艺，即得到本发明的产品。本发明的页岩气采集压力设备泥浆泵泵缸用钢锻件制造方法选用铬镍钼合金结构钢为坯料，采用本发明的锻造工艺和本发明的热处理工艺组合，制造的页岩气采集压力设备泥浆泵泵缸用钢锻件的综合力学性能尤其是低温韧性大幅度提高，能很好地适用于低温工况环境。

Description

页岩气采集压力设备泥浆泵泵缸用钢锻件制造方法

技术领域

本发明属于锻造与热处理领域，具体涉及一种页岩气采集压力设备泥浆泵泵缸用钢锻件制造方法。

背景技术

钻井泥浆泵是页岩气钻井生产中的重要设备，是钻井工作台的“心脏”。它的主要作用是在钻井时循环钻井泥浆，以达到冲洗井底、携带岩屑、冷却钻头和保护井壁等目的。同时要求冲洗液的上返速度能把钻头切削下来的岩屑、岩粉及时冲离孔底，并可靠地携带到地表。特别是在现代化的高压喷射钻井工作中，起着举足轻重的作用。泵缸是泥浆泵的重要部件，由于工况条件恶劣（活塞冲次l00～260次/min，摩擦温升50～70℃，泥浆碱性PH为9～10，含砂量高达0.3～1%），承受高压（缸压≥35MPa）、高腐蚀（H₂S和CO₂）和高磨损。随着石油开采事业的飞速发展，钻井深度特别是深海采油的钻井深度达近万米或超万米，泥浆泵的排量越来越大，缸压也越来越大。

用于制造钻井泥浆泵泵缸的材质已经越来越引起人们的重视，泵缸使用材料是从最初的35铸钢、40Cr锻钢、CrNi、CrMo发展到CrNiMo合金结构钢。我们针对锻造制作泵缸的截面尺寸大（690×490×1140mm）和FMC公司低温冲击性能（-29℃，Akv：纵向≥42J、横向≥28J）的要求和其恶劣的工况条件，选用淬透性较好的AISI4330MOD钢（CrNiMo合金结构钢）作为钻井泥浆泵泵缸锻件的制造材料。锻件的主要锻造工序、锻件质量、交货及验收严格执行API6A/ISO10423《井口设备和采油树设备规范》及FMC公司的技术文件Doc No：M25077Rev：B。

采用AISI4330MOD材料制造钻井泥浆泵泵缸至今尚无公开报导的先例，也无相关技术资料可查。另外，由于钻井泥浆泵泵缸工况条件恶劣，要求低温韧性-29°夏比V型缺口冲击功纵向≧42J，横向≧28J。因此，若选用AISI4330MOD材料，以常规的锻件制造工艺制造出钻井泥浆泵泵缸，其低温韧性难以满足要求，也无法适用于恶劣的工况条件。

因此，需要一种新的页岩气采集压力设备泥浆泵泵缸用钢锻件制造方法以解决上述问题。

发明内容

发明目的：本发明针对现有技术的锻件制造方法在页岩气采集压力设备泥浆泵泵缸用钢锻件方面的缺陷，提供一种页岩气采集压力设备泥浆泵泵缸用钢锻件制造方法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的页岩气采集压力设备泥浆泵泵缸用钢锻件制造方法采用如下技术方案：

一种页岩气采集压力设备泥浆泵泵缸用钢锻件制造方法，包括以下步骤：

（1）以铬镍钼合金结构钢为坯料，采用两次交替镦粗、拔长及未趟次低温大变形量锻造方法对坯料进行锻造，得到泵缸锻坯，所述拔长锻造方法采用高温宽砧强压法，锻造终锻温度为800℃～850℃；

（2）对步骤（1）得到的泵缸锻坯进行扩氢热处理；

（3）对步骤（2）得到的泵缸锻坯进行粗加工去除锻坯黑皮，得到泵缸毛坯；

（4）对步骤（3）得到的泵缸毛坯加热至900±5℃并保温至少600分钟，出炉空冷至室温；

（5）对步骤（4）得到的泵缸毛坯加热至880±5℃并保温至少400分钟，随炉降温至800±5℃并保温至少200分钟出炉淬火，水冷至泵缸毛坯表面温度150～250℃；

（6）对步骤（5）得到泵缸毛坯加热至310±5℃并保温至少400分钟，再随炉升温至580±5℃保温至少810分钟，出炉水冷至200℃以下再空冷至室温；泵缸毛坯加热至310±5℃并保温至少400分钟，在下贝氏体转变温度区域等温淬火，残余奥氏体转变成韧性较佳的下贝氏体组织。

（7）将经过步骤（6）处理后的泵缸毛坯加热至550±5℃并保温至少405分钟，出炉空冷至室温，即得到所述页岩气采集压力设备泥浆泵泵缸用钢锻件。

更进一步的，所述铬镍钼合金结构钢包括以下质量百分比的各组分：0.28%～0.38%碳、0～0.35%硅、0～0.90%锰、0.80%～1.50%铬、3.00～4.00%镍、0.40%～0.60%钼、0～0.015%磷、0～0.015%硫、0～2.0ppm氢、0.10～0.20%钒、0～0.025%钛、0～0.20%铜、0～0.05%铝、0～0.50%残余元素：铌和其他不可避免的杂质，其余为Fe。

更进一步的，步骤（1）中所述两次交替镦粗、拔长锻造方法，包括以下步骤：

1）、将所述坯料进炉加热至1250±5℃保温至少5小时出炉，镦粗至高径比为0.60～0.80，再用高温宽砧强压法沿钢锭轴向拔长6趟，第二趟至第五趟的趟次变形量为20～22%，第一趟和第六趟的趟次变形量≤15%，得到泵缸锻坯；

2）、将步骤1）得到的泵缸锻坯入炉加热至1280±5℃保温至少10小时出炉，沿钢锭的轴向镦粗至高径比为0.60～0.75，再用高温宽砧强压法沿钢锭的轴向拔长6趟，第二趟至第五趟的趟次变形量为23～25%，第一趟和第六趟的趟次变形量≤15%；

3）将步骤2）得到的泵缸锻坯入炉加热至1100±5℃保温至少6小时出炉，再用宽砧强压法沿钢锭轴向拔长5趟，趟次变形量为25～28%，末趟次钢锭的温度为850℃～900℃；

4）对步骤3）得到泵缸锻坯进行整形拔长，总拔长锻造比为6.5，得到泵缸锻坯，锻造终锻温度为800℃～850℃。

拔长过程中利用高温宽砧强压法，即第2火始锻温度提高至1280℃、宽砧大压下量形变。其优点：一是最大程度地压实了铸态金属中疏松、空隙和微裂纹等缺陷，提高了金属的致密度和连续性，改善了锻件质量；二是修复在前一次镦拔后钢锭剧烈变形可能造成的内部微小撕裂或局部未完全焊合的孔隙缺陷；三是减少了总锻压趟次和锻造的火次，提高了锻压设备利用率和节约了能源。利用锻件低温变形再结晶晶粒不易长大特性，将第三火次锻造加热温度降至1100℃，使末趟次的锻造温度（即终锻温度）在900℃左右，采用该变形温度下大于发生再结晶的临界变形量进行宽砧大压下量变形，锻件组织发生了再结晶，且晶粒不易长大，细化了锻件晶粒。为后续热处理工艺解决晶粒细化、低温环境尤其深海低温环境下材料韧性提高的问题提供了充分条件。

更进一步的，步骤（2）中所述扩氢热处理具体包括以下步骤：将步骤（1）得到的泵缸锻坯空冷至300±5℃保温至少4小时后再加热至650±5℃保温至少20小时，炉冷至400±5℃出炉空冷。

更进一步的，步骤（5）中随炉降温至800±5℃并保温至少200分钟出炉淬火，淬火开始的水温不超过38℃。本发明淬火水冷前将加热温度降到800℃保温再水冷淬火，可有效地减小淬火应力，防止大锻件淬裂倾向。

更进一步的，步骤（5）中淬火水冷至泵缸毛坯表面温度150～250℃的时间为（0.8～1.0）s／mm×泵缸毛坯的直径或厚度（mm）。

更进一步的，所述坯料为AISI4330MOD钢。

有益效果：本发明的页岩气采集压力设备泥浆泵泵缸用钢锻件制造方法选用铬镍钼合金结构钢为坯料，并交错利用镦粗和高温宽砧强压法及未趟次低温大变形量的锻造工艺以及特殊的热处理工艺组合起来，制造的页岩气采集压力设备泥浆泵泵缸用钢锻件的综合力学性能尤其是低温韧性大幅度提高，能很好地适用于低温工况环境。

附图说明

图1为本发明实施例的锻造流程图；

图2为本发明实施例的热处理曲线图；

图3为对比例A的超声波探伤相控阵检测图；

图4为本发明实施例B的超声波探伤相控阵检测图；

图5为本发明实施例C的超声波探伤相控阵检测图；

图6为对比例A的金相晶粒图（100×）；

图7为本发明实施例B的金相晶粒图（100×）；

图8为本发明实施例C的金相晶粒图（100×）；

图9为对比例A的金相组织图（100×）；

图10为对比例A的金相组织图（500×）；

图11为实施例B的金相组织图（100×）；

图12为实施例B的金相组织图（500×）；

图13为实施例C的金相组织图（100×）；

图14为实施例C的金相组织图（500×）。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

请参阅图1和图2所示，本发明的一种页岩气采集压力设备泥浆泵泵缸用钢锻件制造方法，包括以下步骤：

（1）以铬镍钼合金结构钢为坯料，其中，铬镍钼合金结构钢包括以下质量百分比的各组分：0.28%～0.38%碳、0～0.35%硅、0～0.90%锰、0.80%～1.50%铬、3.00～4.00%镍、0.40%～0.60%钼、0～0.015%磷、0～0.015%硫、0～2.0ppm氢、0.10～0.20%钒、0～0.025%钛、0～0.20%铜、0～0.05%铝、0～0.50%残余元素：铌和其他不可避免的杂质，其余为Fe。其中，坯料为AISI4330MOD钢。

采用两次交替镦粗、拔长及未趟次低温大变形量锻造方法对所述坯料进行锻造，得到泵缸锻坯，锻造终锻温度为800℃～850℃；其中，两次交替镦粗、拔长及未趟次低温大变形量锻造方法具体包括以下步骤：

1）、将坯料进炉加热至1250±5℃保温至少5小时出炉，镦粗至高径比为0.60～0.80，再用高温宽砧强压法沿钢锭轴向拔长6趟，第二趟至第五趟的趟次变形量为20～22%，第一趟和第六趟的趟次变形量≤15%，得到泵缸锻坯；

2）、将步骤1）得到的泵缸锻坯入炉加热至1280±5℃保温至少10小时出炉，沿泵缸锻坯的轴向进行漏盘镦粗至高径比为0.60～0.75，再用高温宽砧强压法沿泵缸锻坯的轴向拔长6趟，第二趟至第五趟的趟次变形量为23～25%，第一趟和第六趟的趟次变形量≤15%；

3）将步骤2）得到的泵缸锻坯入炉加热至1100±5℃保温至少6小时出炉，再用宽砧强压法沿钢锭轴向拔长5趟，趟次变形量为25～28%，末趟次泵缸锻坯的温度为850℃～900℃；

4）对步骤3）得到泵缸锻坯进行整形拔长，总拔长锻造比为6.5，得到泵缸锻坯，锻造终锻温度为800℃～850℃。

拔长过程中利用高温宽砧强压法，即第2火始锻温度提高至1280℃、宽砧大压下量形变。其优点：一是最大程度地压实了铸态金属中疏松、空隙和微裂纹等缺陷，提高了金属的致密度和连续性，改善了锻件质量；二是修复在前一次镦拔后钢锭剧烈变形可能造成的内部微小撕裂或局部未完全焊合的孔隙缺陷；三是减少了总锻压趟次和锻造的火次，提高了锻压设备利用率和节约了能源。利用锻件低温变形再结晶晶粒不易长大特性，将第三火次锻造加热温度降至1100℃，使末趟次的锻造温度（即终锻温度）在900℃左右，采用该变形温度下大于发生再结晶的临界变形量进行宽砧大压下量变形，锻件组织发生了再结晶，且晶粒不易长大，细化了锻件晶粒。为后续热处理工艺解决晶粒细化、低温环境尤其深海低温环境下材料韧性提高的问题提供了充分条件。

（2）对步骤（1）得到的泵缸锻坯进行扩氢热处理；扩氢热处理具体包括以下步骤：将步骤（1）得到的泵缸锻坯空冷至300±10℃保温至少4小时后再加热至650±20℃保温至少20小时，炉冷至400±10℃出炉空冷。

（3）对步骤（2）得到的泵缸锻坯进行粗加工去除锻坯黑皮，得到泵缸毛坯；

（4）对步骤（3）得到的泵缸毛坯加热至900±5℃并保温至少600分钟，出炉空冷至室温；本发明在淬火热处理之前增加高温正火热处理，一是改变了调质淬火前锻态的组织状态、组织趋于均匀，二是锻态晶粒进一步细化，调质淬火后获得更加细小均匀的淬火组织，提高了淬火热处理后材料的强韧化性能。

（5）对步骤（4）得到的泵缸毛坯加热至880±5℃并保温至少400分钟，随炉降温至800±5℃并保温至少200分钟出炉淬火，淬火开始的水温不超过38℃，然后水冷至泵缸毛坯表面温度150～250℃。本发明热处理将淬火加热温度提高至880±5℃，减少了奥氏体中碳化物的数量和偏析程度，有利于碳化物充分溶解和均匀化，相对降低了奥氏体位于原渗碳体局部区域的含碳量，使Ms点温度升高，减少了局部高碳区域形成针状高碳马氏体的可能性。淬火水冷前将加热温度降到800±5℃保温再水冷淬火，可有效地减小淬火应力，防止大锻件淬裂倾向。

（6）对步骤（5）得到泵缸毛坯加热至310±5℃并保温至少400分钟，再随炉升温至580±5℃保温至少810分钟，出炉水冷至200℃以下再空冷至室温；

大锻件由于截面大，储热量大而散热慢及材料淬透性原因，淬火室温组织只有部分马氏体，仍有大量残余奥氏体。此时直接进行高温回火，残余奥氏体分解成脆性大和韧性差的上贝氏体，之后高温回火为上贝氏体+下贝氏体+马氏体的复相回火组织。因此，本发明淬火热处理工艺控制淬火水冷时间，使泵缸毛坯表面温度略低于马氏体转变点Ms（290℃）而心部温度位于下贝氏体转变温度区间，然后在略高于Ms点的下贝氏体转变温度进行贝氏体等温淬火，残余奥氏体分解成强韧性较佳的下贝氏体，之后高温回火得到均匀细小的单一回火索氏体，大大提高了泵缸锻件的强韧性，尤其是低温韧性。

（7）将经过步骤（6）处理后的阀座锻件加热至550±5℃并保温至少405分钟，出炉空冷至室温，即得到页岩气采集压力设备泥浆泵泵缸用钢锻件。

本发明的页岩气采集压力设备泥浆泵泵缸用钢锻件制造方法选用铬镍钼合金结构钢为坯料，并交错利用镦粗和高温宽砧强压法及未趟次低温大变形量的锻造工艺以及特殊的热处理工艺组合起来，制造的页岩气采集压力设备泥浆泵泵缸用钢锻件的综合力学性能尤其是低温韧性大幅度提高，能很好地适用于低温工况环境。

对比例A：

A1：以铬镍钼合金结构钢为坯料，铬钼低合金钢坯料采用电炉初炼加炉外精炼并进行真空脱气的工艺冶炼所得，其中，铬镍钼合金结构钢包括以下质量百分比的各组分：0.28%～0.38%碳、0～0.35%硅、0～0.90%锰、0.80%～1.50%铬、3.00～4.00%镍、0.40%～0.60%钼、0～0.015%磷、0～0.015%硫、0～2.0ppm氢、0.10～0.20%钒、0～0.025%钛、0～0.20%铜、0～0.05%铝、0～0.50%残余元素：铌和其他不可避免的杂质，其余为Fe。

A2：根据所需结构件尺寸，选择12.5t的八角梅花锭，进炉加热至1250℃保温4小时出炉，在35MN的自由锻快锻油压机上压钳把，剁切多余帽口，倒棱，锻八方；

A3:进炉加热至1250℃保温4小时出炉，漏盘镦粗至高径比为0.88（镦粗后的高度为1100mm），再用600mm宽上下平砧沿钢锭轴向拔长5趟，第二趟至第四趟的趟次变形量为19～20%，第一趟和第六趟的趟次变形量≤10%，

A4:将步骤A3处理的锻坯入炉加热至1250℃保温4小时出炉，沿上述工序的轴向进行漏盘镦粗至高径比为0.64（镦粗后的高度为900mm），再用600mm宽上下平砧沿钢锭轴向拔长5趟，第二趟至第四趟的趟次变形量为19%；

A5：将步骤A5处理的锻坯入炉加热至1250℃保温5小时出炉，用600mm宽上下平砧沿钢锭轴向拔长9趟，第二趟至第九趟的趟次变形量为19～20%；

A6：将步骤A5处理的锻坯整形拔长、校直，总拔长锻造比为4.0，得到泵缸锻坯（整形锻造终锻温度大于800℃），

A7：对步骤A6得到泵缸锻坯空冷至300℃保温4小时后再加热至650℃保温20小时，炉冷至400℃出炉空冷,即锻后扩氢热处理；

A8：对泵缸锻坯进行粗加工去除锻坯黑皮，得到泵缸毛坯；

A9：将步骤A8得到的泵缸毛坯入炉加热至850℃保温810分钟出炉淬火，淬火介质为水，淬火开始的水温不超过38℃；

A10：将经过步骤A9处理后的泵缸毛坯入炉加热至580℃保温810分钟出炉水冷至200℃以下再空冷至室温，

A11：将经过步骤A10处理后泵缸毛坯加热至550℃保温405分钟出炉水冷至200℃以下再空冷至室温，得到页岩气采集压力设备泥浆泵泵缸用钢锻件。

实施例B：

B1：以铬镍钼合金结构钢为坯料，其中，铬镍钼合金结构钢包括以下质量百分比的各组分：0.28%～0.38%碳、0～0.35%硅、0～0.90%锰、0.80%～1.50%铬、3.00～4.00%镍、0.40%～0.60%钼、0～0.015%磷、0～0.015%硫、0～2.0ppm氢、0.10～0.20%钒、0～0.025%钛、0～0.20%铜、0～0.05%铝、0～0.50%残余元素：铌和其他不可避免的杂质，其余为Fe。其中，坯料为AISI4330MOD钢。

B2：根据所需结构件尺寸，选择12.5t的八角梅花锭，进炉加热至1245℃保温6小时出炉，在35MN的自由锻快锻油压机上倒棱压钳把，漏盘镦粗至高径比为0.60～0.80（镦粗后的高度为950mm），再用高温宽砧强压法（800mm宽上下平砧）沿钢锭轴向拔长6趟，第二趟至第五趟的趟次变形量为20～22%，第一趟和第六趟的趟次变形量≤15%；镦粗和高温宽砧强压法沿钢锭轴向拔长，尽可能在第一火次锻造破碎铸态树枝晶和消除或减轻钢锭中的疏松、空隙和微裂纹等缺陷，提高了金属连续性，有利于第二火次采用较大变形量锻造；

B3:将步骤B2锻坯入炉加热至1275℃保温11小时出炉，沿上述工序的轴向进行漏盘镦粗至高径比为0.60～0.75（镦粗后的高度为900mm），用高温宽砧强压法（800mm宽上下平砧）沿钢锭轴向拔长6趟，第二趟至第五趟的趟次变形量为23～25%，第一趟和第六趟的趟次变形量≤15%；提高加热温度和延长加热保温时间一是为材料内部铸态成分偏析区中的合金元素扩散提供热力学条件及充足的扩散时间，消除材料内部成分偏析，改善锻坯的组织状态；二是提高加热温度降低了锻坯的变形抗力，有利于实施高温宽砧强压法的大变形量锻造，彻底破碎铸态树枝晶和压实消除钢锭中的疏松、空隙；三是提高加热温度增加了金属原子的扩散能力，在前一次镦拔后钢锭剧烈变形可能造成的内部微小裂纹和局部未完全焊合的孔隙缺陷，通过其界面间的金属原子扩散而修复。

B4：将步骤B3锻坯入炉加热至1095℃保温7小时出炉，用宽砧强压法（800mm宽上下平砧）沿钢锭轴向拔长5趟，趟次变形量为25～28%，末趟次锻坯温度为850℃～900℃；目的是：降低加热温度是使末趟次锻坯温度范围在850℃～900℃，此温度范围采用大于临界再结晶的变形量进行变形而获取的细小再结晶晶粒不易长大，从而细化了锻件晶粒，为后续热处理进一步细化组织提供了良好的预备组织。

B5：继续步骤B4对锻坯进行整形拔长，总拔长锻造比为6.5，得到泵缸锻坯（锻造终锻温度为800℃～850℃），

B6：对步骤B5得到泵缸锻坯空冷至295℃保温4.5小时后再加热至645℃保温21小时，炉冷至394℃出炉空冷,即锻后扩氢热处理；

B7：对泵缸锻坯进行粗加工去除锻坯黑皮，得到泵缸毛坯；

B8：将经过步骤B7粗加工后的泵缸毛坯加热至895℃并保温650分钟，出炉空冷至室温；目的是：在淬火热处理之前增加的高温正火热处理，一是改变了调质淬火前锻态的组织状态、组织趋于均匀；二是锻态晶粒进一步细化，调质淬火后获得了更加细小均匀的淬火组织，提高了调质热处理后材料的强韧化性能。

B9：将经过步骤B8处理后的泵缸毛坯加热至875℃并保温450分钟后，随炉降温至795℃并保温230分钟出炉淬火，淬火介质为水，淬火开始的水温不超过38℃，淬火水冷至泵缸毛坯表面温度150～250℃，对应的心部温度为350～400℃；淬火加热温度提高至880℃保温450分钟，其目的是：提高淬火加热温度可增加高温奥氏体的成分均匀性，减少奥氏体中碳化物的数量和偏析程度，有利于碳化物充分溶解和均匀化，相对降低了奥氏体原渗碳体局部区域的含碳量，使Ms点温度升高，减少了局部高碳区域形成针状高碳马氏体的可能性。淬火前将加热温度由875℃降至795℃保温230分钟，其目的是：降低淬火温度可有效地减小淬火应力，防止大锻件淬裂倾向。

B10：将经过步骤B9处理后的泵缸毛坯加热至305℃保温450分钟，再随炉升温至575℃保温850分钟，出炉水冷至200℃以下再空冷至室温；泵缸毛坯淬火后再加热至305℃保温450分钟，其目的是：残余奥氏体分解成强韧性较佳的下贝氏体，之后高温回火得到均匀细小的单一回火索氏体，大大提高了泵缸锻件的强韧性，尤其是低温韧性。

B11：将经过步骤B10处理后泵缸毛坯再加热至545℃保温430分钟，出炉水冷至200℃以下再空冷至室温。

其中步骤B9中淬火水冷至泵缸毛坯150～250℃按以下方法控制：

淬火水冷时间经验公式按（0.8～1.0）s／mm×泵缸毛坯的直径或厚度（mm）估算，本实施例中淬火水冷时间为7.4分钟。

实施例C：

C1：以铬镍钼合金结构钢为坯料，其中，铬镍钼合金结构钢包括以下质量百分比的各组分：0.28%～0.38%碳、0～0.35%硅、0～0.90%锰、0.80%～1.50%铬、3.00～4.00%镍、0.40%～0.60%钼、0～0.015%磷、0～0.015%硫、0～2.0ppm氢、0.10～0.20%钒、0～0.025%钛、0～0.20%铜、0～0.05%铝、0～0.50%残余元素：铌和其他不可避免的杂质，其余为Fe。其中，坯料为AISI4330MOD钢。

C2：根据所需结构件尺寸，选择12.5t的八角梅花锭，进炉加热至1255℃保温5小时出炉，在35MN的自由锻快锻油压机上倒棱压钳把，漏盘镦粗至高径比为0.60～0.80（镦粗后的高度为950mm），再用高温宽砧强压法（800mm宽上下平砧）沿钢锭轴向拔长6趟，第二趟至第五趟的趟次变形量为20～22%，第一趟和第六趟的趟次变形量≤15%；镦粗和高温宽砧强压法沿钢锭轴向拔长，尽可能在第一火次锻造破碎铸态树枝晶和消除或减轻钢锭中的疏松、空隙和微裂纹等缺陷，提高了金属连续性，有利于第二火次采用较大变形量锻造；

C3:将步骤C2锻坯入炉加热至1285℃保温10小时出炉，沿上述工序的轴向进行漏盘镦粗至高径比为0.60～0.75（镦粗后的高度为900mm），用高温宽砧强压法（800mm宽上下平砧）沿钢锭轴向拔长6趟，第二趟至第五趟的趟次变形量为23～25%，第一趟和第六趟的趟次变形量≤15%；提高加热温度和延长加热保温时间一是为材料内部铸态成分偏析区中的合金元素扩散提供热力学条件及充足的扩散时间，消除材料内部成分偏析，改善锻坯的组织状态；二是提高加热温度降低了锻坯的变形抗力，有利于实施高温宽砧强压法的大变形量锻造，彻底破碎铸态树枝晶和压实消除钢锭中的疏松、空隙；三是提高加热温度增加了金属原子的扩散能力，在前一次镦拔后钢锭剧烈变形可能造成的内部微小裂纹和局部未完全焊合的孔隙缺陷，通过其界面间的金属原子扩散而修复。

C4：将步骤C3锻坯入炉加热至1105℃保温6小时出炉，用宽砧强压法（800mm宽上下平砧）沿钢锭轴向拔长5趟，趟次变形量为25～28%，末趟次锻坯温度为850℃～900℃；目的是：降低加热温度是使末趟次锻坯温度范围在850℃～900℃，此温度范围采用大于临界再结晶的变形量进行变形而获取的细小再结晶晶粒不易长大，从而细化了锻件晶粒，为后续热处理进一步细化组织提供了良好的预备组织。

C5：继续步骤C4对锻坯进行整形拔长，总拔长锻造比为6.5，得到泵缸锻坯（锻造终锻温度为800℃～850℃），

C6：对步骤C5得到泵缸锻坯空冷至305℃保温4小时后再加热至655℃保温20小时，炉冷至405℃出炉空冷,即锻后扩氢热处理；

C7：对泵缸锻坯进行粗加工去除锻坯黑皮，得到泵缸毛坯；

C8：将经过步骤C7粗加工后的泵缸毛坯加热至905℃并保温600分钟，出炉空冷至室温；目的是：在淬火热处理之前增加的高温正火热处理，一是改变了调质淬火前锻态的组织状态、组织趋于均匀；二是锻态晶粒进一步细化，调质淬火后获得了更加细小均匀的淬火组织，提高了调质热处理后材料的强韧化性能。

C9：将经过步骤C8处理后的泵缸毛坯加热至885℃并保温400分钟后，随炉降温至805℃并保温200分钟出炉淬火，淬火介质为水，淬火开始的水温不超过38℃，淬火水冷至泵缸毛坯表面温度150～250℃，对应的心部温度为350～400℃；淬火加热温度提高至880℃保温400分钟，其目的是：提高淬火加热温度可增加高温奥氏体的成分均匀性，减少奥氏体中碳化物的数量和偏析程度，有利于碳化物充分溶解和均匀化，相对降低了奥氏体原渗碳体局部区域的含碳量，使Ms点温度升高，减少了局部高碳区域形成针状高碳马氏体的可能性。淬火前将加热温度由880℃降至800℃保温400分钟，其目的是：降低淬火温度可有效地减小淬火应力，防止大锻件淬裂倾向。

C10：将经过步骤C9处理后的泵缸毛坯加热至315℃保温400分钟，再随炉升温至585℃保温810分钟，出炉水冷至200℃以下再空冷至室温；泵缸毛坯淬火后再加热至315℃保温400分钟，其目的是：残余奥氏体分解成强韧性较佳的下贝氏体，之后高温回火得到均匀细小的单一回火索氏体，大大提高了泵缸锻件的强韧性，尤其是低温韧性。

C11：将经过步骤C10处理后泵缸毛坯再加热至555℃保温405分钟，出炉水冷至200℃以下再空冷至室温。

其中步骤C9中淬火水冷至泵缸毛坯150～250℃按以下方法控制：

淬火水冷时间经验公式按（0.8～1.0）s／mm×泵缸毛坯的直径或厚度（mm）估算，

本实施例中淬火水冷时间为7.4分钟。

表1

试验结果综合分析：

请参阅图3、图4和图5所示，本发明的实施例B和C采用两次交替镦粗、拔长工艺，拔长过程中利用高温宽砧强压法。尤其是第二火次始锻温度提高至1280±5℃，延长加热保温时间至10h，宽砧大压下量形变。最大程度地破碎了铸态树枝晶，压实了铸态金属中的疏松、空隙和微裂纹等缺陷，提高了金属的致密度和连续性，改善了锻件质量。锻坯经相控阵超声波探伤检测，锻态组织致密，未见缺陷波（见附图4和图5），其相控阵特征图：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。本发明对比例虽然经四火次20趟拔长，但因每趟次砧压下量较小，变形量达不到锻件心部铸态缺陷压实焊合的程度。锻坯经相控阵超声波探伤检测，锻件内部，尤其是锻件心部存在明显的缺陷波（见附图3），其相控阵特征图：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；

请参阅图6、图7和图8所示，本发明采用降低第三火次加热温度确保末趟次锻坯的锻造温度既能在大于临界再结晶变形量的条件下发生再结晶，又不至于再结晶晶粒因温度高而快速长大，细化了锻件晶粒，防止混晶。锻件经金相晶粒度检验，晶粒细小均匀，晶粒度级别为8级，见附图7和附图8，明显优于本发明对比例A。对比例A金相晶粒度检验，晶粒粗大且大小不一，混晶较明显，晶粒度级别为3～8级，见图6；

本发明的实施例B和C采用的热处理工艺首先是提高淬火加热温度增加高温奥氏体的成分均匀性，淬火控制水冷时间使锻件心部温度处于下贝氏体转变温度区间，再在下贝氏体转变温度区间进行保温，即等温淬火，获得强韧性较佳的下贝氏体，最终经高温回火使锻件的显微组织为均匀细小的单一回火索氏体，见附图11、图12、图13和图14。而本发明对比例A制作的锻件显微组织是粗大不均匀的混合组织，为回火索氏体＋上贝氏体＋下贝氏体＋粒状贝氏体，见附图9和附图10。材料的力学性能优劣取决于组织，本发明的显微组织为均匀细小的单一回火索氏体，相应也获得了良好的综合力学性能，由表1中的实施例B的数据可知，锻件的强度、塑性值达到了FMC技术规范要求，低温冲击功远高于FMC技术规范要求。本发明重复例C和实施例B的力学性能数据吻合良好，表明本发明工艺稳定可靠。

另外，本发明的高温宽砧强压法锻造工艺，减少了拔长趟数和锻造加热火次，因而减少了锻压设备占用率，提高了生产效率，有利于节能环保。因此，本发明采用的锻造工艺和本发明的热处理工艺组合，制造的页岩气采集压力设备泥浆泵泵缸锻件的综合力学性能尤其是低温韧性大幅度提高，能很好地适用于深海低温工况环境。

Claims (7)

1.一种页岩气采集压力设备泥浆泵泵缸用钢锻件制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）以铬镍钼合金结构钢为坯料，采用两次交替镦粗、拔长及未趟次低温大变形量锻造方法对所述坯料进行锻造，得到泵缸锻坯，所述拔长锻造方法采用高温宽砧强压法，锻造终锻温度为800℃～850℃；

（2）对步骤（1）得到的泵缸锻坯进行扩氢热处理；

（3）对步骤（2）得到的泵缸锻坯进行粗加工去除锻坯黑皮，得到泵缸毛坯；

（4）对步骤（3）得到的泵缸毛坯加热至900±5℃并保温至少600分钟，出炉空冷至室温；

（5）对步骤（4）得到的泵缸毛坯加热至880±5℃并保温至少400分钟，随炉降温至800±5℃并保温至少200分钟出炉淬火，水冷至泵缸毛坯表面温度150～250℃；

（6） 对步骤（5）得到泵缸毛坯加热至310±5℃并保温至少400分钟，再随炉升温至580±5℃保温至少810分钟，出炉水冷至200℃以下再空冷至室温；

（7）将经过步骤（6）处理后的阀座锻件加热至550±5℃并保温至少405分钟，出炉空冷至室温，即得到所述页岩气采集压力设备泥浆泵泵缸用钢锻件。

2.如权利要求1所述的页岩气采集压力设备泥浆泵泵缸用钢锻件制造方法，其特征在于，所述铬镍钼合金结构钢包括以下质量百分比的各组分：0.28%~0.38%碳、0~0.35%硅、0~0.90%锰、0.80%~1.50%铬、3.00~4.00%镍、0.40%~0.60%钼、0~0.015%磷、0~0.015%硫、0~2.0ppm氢、0.10~0.20%钒、0~0.025%钛、0~0.20%铜、0~0.05%铝、0~0.50%残余元素：铌和其他不可避免的杂质，其余为Fe。

3.如权利要求1所述的页岩气采集压力设备泥浆泵泵缸用钢锻件制造方法，其特征在于，步骤（1）中所述两次交替镦粗、拔长及未趟次低温大变形量锻造方法，包括以下步骤：

1）、将所述坯料进炉加热至1250±5℃保温至少5小时出炉，镦粗至高径比为0.60～0.80，再用高温宽砧强压法沿钢锭轴向拔长6趟，第二趟至第五趟的趟次变形量为20～22%，第一趟和第六趟的趟次变形量≤15%，得到泵缸锻坯；

2）、将步骤1）得到的泵缸锻坯入炉加热至1280±5℃保温至少10小时出炉，沿钢锭的轴向镦粗至高径比为0.60～0.75，再用高温宽砧强压法沿钢锭的轴向拔长6趟，第二趟至第五趟的趟次变形量为23～25%，第一趟和第六趟的趟次变形量≤15%；

3）将步骤2）得到的泵缸锻坯入炉加热至1100±5℃保温至少6小时出炉，再用宽砧强压法沿钢锭轴向拔长5趟，趟次变形量为25～28%，末趟次钢锭的温度为850℃～900℃；

4）对步骤3）得到泵缸锻坯进行整形拔长，总拔长锻造比为6.5，得到泵缸锻坯，锻造终锻温度为800℃～850℃。

4.如权利要求1所述的页岩气采集压力设备泥浆泵泵缸用钢锻件制造方法，其特征在于，步骤（2）中所述扩氢热处理具体包括以下步骤：将步骤（1）得到的泵缸锻坯空冷至300±5℃保温至少4小时后再加热至650±5℃保温至少20小时，炉冷至400±5℃出炉空冷。

5.如权利要求1所述的页岩气采集压力设备泥浆泵泵缸用钢锻件制造方法，其特征在于，步骤（5）中随炉降温至800±5℃并保温至少200分钟出炉淬火，淬火开始的水温不超过38℃。

6.如权利要求1所述的页岩气采集压力设备泥浆泵泵缸用钢锻件制造方法，其特征在于，步骤（5）中淬火水冷至毛坯表面温度150～250℃的时间为（0.8～1.0）s／mm×泵缸毛坯的直径或厚度（mm）。

7.如权利要求1所述的页岩气采集压力设备泥浆泵泵缸用钢锻件制造方法，其特征在于，所述坯料为AISI 4330MOD钢。

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