CN104451419B - 10CrNi3MoV高压无缝钢瓶及其制造工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明属于机械制造领域，具体涉及10CrNi3MoV高压无缝钢瓶及其制造工艺。本发明要解决的技术问题是目前焊接式10CrNi3MoV高压无缝钢瓶工艺确定困难、材料低温韧性低、易变形、易开裂等问题。本发明解决上述技术问题的方案是提供一种10CrNi3MoV高压无缝钢瓶，以10CrNi3MoV无缝钢管为原材料，本发明还提供了上述10CrNi3MoV高压无缝钢瓶的制造工艺。本发明提供的10CrNi3MoV高压无缝钢瓶的瓶身与封头无缝连接，避免了焊接的缺陷，同时本发明提供的制造工艺还改善了钢的低温韧性。

Description

10CrNi3MoV高压无缝钢瓶及其制造工艺
技术领域
本发明属于机械制造领域，具体涉及10CrNi3MoV高压无缝钢瓶及其制造工艺。
背景技术
高压钢瓶作为我国应用数量最多的特种设备，同时作为一种储运设备范畴，广泛的应用在汽车、消防、化工、医疗、石油、能源、城建、食品、冶金、机械等部门。目前，国内外常用的高压钢瓶材料为优质碳钢、优质锰钢、铬钼钢或其他合金钢，其中优质碳钢已很少采用，铬钼钢成为主要钢种。10CrNi3MoV，属于高强度、耐海水腐蚀的船用钢，对船舶零件的抗冲击性能和船舶轻量化都有积极的意义。
常用的生产高压钢瓶的方法是焊接式和无缝式。10CrNi3MoV钢瓶常为焊接式，钢瓶焊接后存在着结构不连续性、强度降低、易脆裂和应力集中等问题。
无缝钢管热旋压制造的高压钢瓶具有钢质纯净、组织致密、外径和壁厚精度高、表面质量好、尺寸范围广、所制气瓶容量大、使用压力高、瓶体轻、生产率高、成本低等优点，因此已成为目前生产高压气瓶的主要方法之一。但由于10CrNi3MoV钢采用热旋压成型困难，容易产生起皮、褶皱、裂纹等问题；生产实际中，对10CrNi3MoV钢进行900℃淬火、水冷和680℃回火、空冷，以保证获得良好的力学性能，但会使其低温韧性显著下降。
发明内容
本发明要解决的技术问题是目前焊接式10CrNi3MoV高压无缝钢瓶工艺确定困难、材料低温韧性低、易变形、易开裂等问题。
本发明解决上述技术问题的方案是提供一种10CrNi3MoV高压无缝钢瓶，以10CrNi3MoV无缝钢管为原材料，其成分以质量百分比(wt％)计为：碳0.07～0.14，硅0.17～0.37，锰0.30～0.60，磷≤0.010，硫≤0.020，铬0.90～1.20，镍2.60～3.00，钼0.20～0.27，钒0.04～0.10，其余为铁。
上述10CrNi3MoV高压无缝钢瓶中，所述10CrNi3MoV无缝钢管的性能见表1。
表1 10CrNi3MoV无缝钢管的性能
本发明还提供了上述10CrNi3MoV高压无缝钢瓶的制造工艺，包括以下步骤：将10CrNi3MoV无缝钢管进行热旋压制造10CrNi3MoV高压无缝钢瓶两端的封头，再依次采用高温淬火、亚温淬火和高温回火对10CrNi3MoV高压无缝钢瓶整体进行热处理。
上述10CrNi3MoV高压无缝钢瓶的制造工艺中，所述热旋压的操作步骤包括：
步骤一，将10CrNi3MoV无缝钢管按所需10CrNi3MoV高压无缝钢瓶的体积切成定长的毛坯；
步骤二，将毛坯的一端置于加热炉中，，加热长度为总长度的10～15％(从端口开始计算)，加热温度为1150～1250℃，加热时间为15～25min；
步骤三，将加热后的毛坯立即进行旋压收口；其中，旋压主轴转速为260r/s，模具旋转中心比毛坯旋转中心高40mm，模具旋转中心线与毛坯旋转中心线间呈90°，模具沿模具旋转中心线旋转90°一次完成收口，时间为130～170s；收口时的起始温度为1100～1200℃；旋压过程用天然气喷嘴进行补热，旋压后空冷成型；
步骤四，重复步骤二和步骤三，对毛坯另一端进行热旋压；空冷后，对两端瓶颈进行修切、钻孔。
上述10CrNi3MoV高压无缝钢瓶的制造工艺中，所述毛坯的规格为Φ467×19.5mm，所需10CrNi3MoV高压无缝钢瓶的体积为410L，使用温度为-40～+93℃，设计压力25MPa。
其中，上述热旋压的步骤二中，所述收口的长度由模具上切刀位置确定，毛坯塑性变形由模具上斜面挤压形成，收口大小由模具上垂直面确定。
上述10CrNi3MoV高压无缝钢瓶的制造工艺中，所述高温淬火的温度为900～1000℃，保温时间为90min，出炉用0.1％wt的聚乙烯醇水溶液冷却；所述聚乙烯醇水溶液的温度不超过60℃。
上述10CrNi3MoV高压无缝钢瓶的制造工艺中，所述亚温淬火的温度为800～860℃，保温时间为90min，出炉用0.1％wt的聚乙烯醇水溶液冷却；所述聚乙烯醇水溶液的温度不超过60℃。其中，亚温淬火前，淬火炉膛的温度必须在300℃以下。
上述10CrNi3MoV高压无缝钢瓶的制造工艺中，所述高温回火的温度为600～640℃，保温时间为100min，出炉后空冷。其中，高温回火前，回火炉膛的温度必须在200℃以下。
本发明的有益效果在于：目前10CrNi3MoV钢瓶一般为焊接式结构，存在着结构不连续性、强度降低、易脆裂和应力集中等问题。本发明创造性地采用热旋压技术来制造10CrNi3MoV高压无缝钢瓶两端的封头，使得瓶身与封头无缝连接，避免了焊接的缺陷。同时，本发明创造性地采用循环淬火，即一次高温淬火加一次亚温淬火，每循环一次，奥氏体晶粒就能获得一定程度的细化，而亚温淬火能使钢种形成复合组织，大幅度细化晶粒，强化钢体，显著改善钢的韧性，防止钢瓶在低温下脆裂；最后，对钢体进行高温回火，形成回火索氏体组织、贝氏体，获得较好的综合力学性能，钢中未溶的铁素体能显著细化晶粒，而铁素体作为韧性相，能改善钢的低温韧性。淬火冷却时，既要快速冷却以保证淬火工件获得马氏体组织，又要防止因体积膨胀导致的变形，防止裂纹产生。因此，冷却是关系到淬火质量好坏的关键操作，常用的冷却剂为水和油。水的冷却速度最快，价格便宜，但高温阶段冷却速度低，奥氏体易发生高温转变。马氏体转变阶段冷却速度高，工件易变形甚至开裂；油冷却速度低，工件变形小，但淬火时油烟污染空气，且易着火。本发明还创造性地采用聚乙烯醇水溶液了进行冷却，冷却速度在水和油之间，且冷却特性易控，在低温时表面形成一层凝胶，冷却速度慢，有利于马氏体相变，不易产生开裂，而且经回火后，强度变化小，塑性较水淬更好。
附图说明
图1本发明提供的10CrNi3MoV高压无缝钢瓶的结构示意图。其中，1为10CrNi3MoV高压无缝钢瓶本体；2为10CrNi3MoV高压无缝钢瓶封头；3为过渡段。
具体实施方式
10CrNi3MoV高压无缝钢瓶的制造工艺，包括以下步骤：将10CrNi3MoV无缝钢管进行热旋压制造10CrNi3MoV高压无缝钢瓶两端的封头，再依次采用高温淬火、亚温淬火和高温回火对10CrNi3MoV高压无缝钢瓶整体进行热处理。
上述10CrNi3MoV高压无缝钢瓶的制造工艺中，所述热旋压的操作步骤包括：
步骤一，将10CrNi3MoV无缝钢管按所需10CrNi3MoV高压无缝钢瓶的体积切成定长的毛坯；
步骤二，将毛坯的一端置于加热炉中，加热长度为总长度的10～15％(从端口开始计算)，加热温度为1150～1250℃，加热时间为15～25min；
步骤三，将加热后的毛坯立即进行旋压收口；其中，旋压主轴转速为260r/s，模具旋转中心比毛坯旋转中心高40mm，模具旋转中心线与毛坯旋转中心线间呈90°，模具沿模具旋转中心线旋转90°一次完成收口，时间为130～170s；收口时的起始温度为1100～1200℃；旋压过程用天然气喷嘴进行补热，旋压后空冷成型；
步骤四，重复步骤二和步骤三，对毛坯另一端进行热旋压；空冷后，对两端瓶颈进行修切、钻孔。
上述10CrNi3MoV高压无缝钢瓶的制造工艺中，所述毛坯的规格为Φ467×19.5mm，所需10CrNi3MoV高压无缝钢瓶的体积为410L，使用温度为-40～+93℃，设计压力25MPa。
其中，上述热旋压的步骤二中，所述收口的长度由模具上切刀位置确定，毛坯塑性变形由模具上斜面挤压形成，收口大小由模具上垂直面确定。
在进行热旋压时，若加预热温度过低，金属伸展性差，机器旋压力增大；当变形量超过金属的塑性时，易产生裂纹，影响到旋压件的质量。同时在钢管收口过程中，为弥补因温度降低导致的塑性变差问题，用天然气喷嘴进行补热。旋压主轴转速为260r/s，模具沿模具旋转中心线旋转90°完成收口，时间为130～170s，进给速度为2mm/s，速度慢，旋压力小，不会导致钢管内部出现伤痕、裂纹、旋压精度变差等问题。同时，利用板式成型机一次成型，可消除因多道次旋压导致的受力不均匀等问题。
上述10CrNi3MoV高压无缝钢瓶的制造工艺中，所述高温淬火的温度为900～1000℃，保温时间为90min，出炉用0.1％wt的聚乙烯醇水溶液冷却；所述聚乙烯醇水溶液的温度不超过60℃。
上述10CrNi3MoV高压无缝钢瓶的制造工艺中，所述亚温淬火的温度为800～860℃，保温时间为90min，出炉用0.1％wt的聚乙烯醇水溶液冷却；所述聚乙烯醇水溶液的温度不超过60℃。其中，亚温淬火前，淬火炉膛的温度必须在300℃以下。
上述10CrNi3MoV高压无缝钢瓶的制造工艺中，所述高温回火的温度为600～640℃，保温时间为100min，出炉后空冷。其中，高温回火前，回火炉膛的温度必须在200℃以下。
若淬火温度过高，奥氏体晶粒将显著粗化，淬火后，得到粗大片状马氏体和大量残余奥氏体，虽对硬度影响不大，但韧性明显下降，甚至出现淬火裂纹。
实施例1
将10CrNi3MoV无缝钢管按钢坯规格切成长度为3180mm的毛坯，并检查钢管表面质量。
将毛坯的一端随炉加热到1150℃，加热长度为350mm。
将加热后的毛坯立即进行旋压收口，旋压主轴转速为260r/s，模具旋转中心比管坯旋转中心高40mm，模具旋转中心线与管坯旋转中心线间呈90°，模具沿模具旋转中心线旋转90°一次完成收口，时间为130s。收口起始温度为1100℃，旋压过程用天然气喷嘴进行补热，旋压后空冷成型。
再对钢瓶另一端以同样的方式进行热旋压收口。空冷后，对瓶颈进行修切、钻孔。
将上述的钢瓶进行热处理，条件为：900℃高温淬火，保温90min，0.1％wt的聚乙烯醇水溶液冷却，聚乙烯醇水溶液的温度不超过60℃；然后820℃亚温淬火，保温90min，0.1％wt的聚乙烯醇水溶液冷却，聚乙烯醇水溶液的温度不超过60℃；淬火炉升温前炉膛温度必须在300℃以下；最后620℃高温回火，保温100min，空冷；回火炉升温前炉膛温度必须在200℃以下。
本实施例制备的10CrNi3MoV高压无缝钢瓶的抗拉强度为854.88MPa，屈服强度为778.50MPa，延伸率为18.4％，断裂韧性440MPa，冲击功为220J，韧脆转变温度为110℃(要求为80℃)，强度高，低温韧性好，远大于10CrNi3MoV的性能要求。
实施例2
将10CrNi3MoV无缝钢管按钢坯规格切成长度为3180mm的毛坯，并检查钢管表面质量。
将毛坯的一端随炉加热到1200℃，加热长度为400mm。
将加热后的毛坯立即进行旋压收口，旋压主轴转速为260r/s，模具旋转中心比管坯旋转中心高40mm，模具旋转中心线与管坯旋转中心线间呈90°，模具沿模具旋转中心线旋转90°一次完成收口，时间为150s。收口起始温度为1150℃，旋压过程用天然气喷嘴进行补热，旋压后空冷成型。
再对钢瓶另一端以同样的方式进行热旋压收口。空冷后，对瓶颈进行修切、钻孔。
将上述的钢瓶进行热处理，条件为：950℃高温淬火，保温90min，有机水溶液冷却，水溶液温度不超过60℃；然后830℃亚温淬火，保温90min，有机水溶液冷却，水溶液温度不超过60℃；淬火炉升温前炉膛温度必须在300℃以下；最后630℃高温回火，保温100min，空冷；回火炉升温前炉膛温度必须在200℃以下。
本实施例制备的10CrNi3MoV高压无缝钢瓶的抗拉强度为854.42MPa，屈服强度为778.20MPa，延伸率为18.4％，断裂韧性430MPa，冲击功为230J，韧脆转变温度为105℃(要求为80℃)，强度高，低温韧性好，远大于10CrNi3MoV性能要求。
实施例3
将10CrNi3MoV无缝钢管按钢坯规格切成长度为3180mm的毛坯，并检查钢管表面质量。
将毛坯的一端随炉加热到1250℃，加热长度400mm。
将加热后的毛坯立即进行旋压收口，旋压主轴转速为260r/s，模具旋转中心比管坯旋转中心高40mm，模具旋转中心线与管坯旋转中心线间呈90°，模具沿模具旋转中心线旋转90°一次完成收口，时间为150s。收口起始温度为1200℃，旋压过程用天然气喷嘴进行补热，旋压后空冷成型。
再对钢瓶另一端以同样的方式进行热旋压收口。空冷后，对瓶颈进行修切、钻孔。
将上述的钢瓶进行热处理，条件为：1000℃高温淬火，保温90min，有机水溶液冷却，水溶液温度不超过60℃；然后850℃亚温淬火，保温90min，有机水溶液冷却，水溶液温度不超过60℃；淬火炉升温前炉膛温度必须在300℃以下；最后630℃高温回火，保温100min，空冷；回火炉升温前炉膛温度必须在200℃以下。
本实施例制备的10CrNi3MoV高压无缝钢瓶的抗拉强度为853.88MPa，屈服强度为777.40MPa，延伸率为18.4％，断裂韧性420MPa，冲击功为240J，韧脆转变温度为100℃(要求为80℃)，强度高，低温韧性好，远大于10CrNi3MoV性能要求。
实施例4
将10CrNi3MoV无缝钢管按钢坯规格切成长度为3180mm的毛坯，并检查钢管表面质量。
将毛坯的一端随炉加热到1200℃，加热长度450mm。
将加热后的毛坯立即进行旋压收口，旋压主轴转速为260r/s，模具旋转中心比管坯旋转中心高40mm，模具旋转中心线与管坯旋转中心线间呈90°，模具沿模具旋转中心线旋转90°一次完成收口，时间为170s。收口起始温度为1200℃，旋压过程用天然气喷嘴进行补热，旋压后空冷成型。
再对钢瓶另一端以同样的方式进行热旋压收口。空冷后，对瓶颈进行修切、钻孔。
将上述的钢瓶进行热处理，条件为：900℃高温淬火，保温90min，有机水溶液冷却，水溶液温度不超过60℃；然后830℃亚温淬火，保温90min，有机水溶液冷却，水溶液温度不超过60℃；淬火炉升温前炉膛温度必须在300℃以下；最后620℃高温回火，保温100min，空冷；回火炉升温前炉膛温度必须在200℃以下。
本实施例制备的10CrNi3MoV高压无缝钢瓶的抗拉强度为854.88MPa，屈服强度为778.50MPa，延伸率为18.4％，断裂韧性450MPa，冲击功为250J，韧脆转变温度为103℃(要求为80℃)，强度高，低温韧性好，远大于10CrNi3MoV性能要求。
实施例5
将10CrNi3MoV无缝钢管按钢坯规格切成长度为3180mm的毛坯，并检查钢管表面质量。
将毛坯的一端随炉加热到1250℃，加热长度为350mm。
将加热后的毛坯立即进行旋压收口，旋压主轴转速为260r/s，模具旋转中心比管坯旋转中心高40mm，模具旋转中心线与管坯旋转中心线间呈90°，模具沿模具旋转中心线旋转90°一次完成收口，时间为160s。收口起始温度为1150℃，旋压过程用天然气喷嘴进行补热，旋压后空冷成型。
再对钢瓶另一端以同样的方式进行热旋压收口。空冷后，对瓶颈进行修切、钻孔。
将上述的钢瓶进行热处理，条件为：900℃高温淬火，保温90min，有机水溶液冷却，水溶液温度不超过60℃；然后860℃亚温淬火，保温90min，有机水溶液冷却，水溶液温度不超过60℃；淬火炉升温前炉膛温度必须在300℃以下；最后640℃高温回火，保温100min，空冷；回火炉升温前炉膛温度必须在200℃以下。
本实施例制备的10CrNi3MoV高压无缝钢瓶的抗拉强度为853.78MPa，屈服强度为776.15MPa，延伸率为18.4％，断裂韧性420MPa，冲击功为210J，韧脆转变温度为100℃(要求为80℃)，强度高，低温韧性好，远大于10CrNi3MoV性能要求。

Claims (6)

1.10CrNi3MoV高压无缝钢瓶，其特征在于：以10CrNi3MoV无缝钢管为原材料，其成分以质量百分比(wt％)计为：碳0.07～0.14，硅0.17～0.37，锰0.30～0.60，磷≤0.010，硫≤0.020，铬0.90～1.20，镍2.60～3.00，钼0.20～0.27，钒0.04～0.10，其余为铁；所述的10CrNi3MoV高压无缝钢瓶的制造工艺，包括以下步骤：将10CrNi3MoV无缝钢管进行热旋压制造10CrNi3MoV高压无缝钢瓶两端的封头，再依次采用高温淬火、亚温淬火和高温回火对10CrNi3MoV高压无缝钢瓶整体进行热处理；所述热旋压的操作步骤包括：
步骤一，将10CrNi3MoV无缝钢管按所需10CrNi3MoV高压无缝钢瓶的体积切成定长的毛坯；
步骤二，将毛坯的一端置于加热炉中，加热长度为从端口开始总长度的10～15％，加热温度为1150～1250℃，加热时间为15～25min；
步骤三，将加热后的毛坯立即进行旋压收口；其中，旋压主轴转速为260r/s，模具旋转中心比毛坯旋转中心高40mm，模具旋转中心线与毛坯旋转中心线间呈90°，模具沿模具旋转中心线旋转90°一次完成收口，时间为130～170s；收口时的起始温度为1100～1200℃；旋压过程用天然气喷嘴进行补热，旋压后空冷成型；
步骤四，重复步骤二和步骤三，对毛坯另一端进行热旋压；空冷后，对两端瓶颈进行修切、钻孔。
2.根据权利要求1所述的10CrNi3MoV高压无缝钢瓶，其特征在于：所述高温淬火的温度为900～1000℃，保温时间为90min，出炉用0.1％wt的聚乙烯醇水溶液冷却；所述聚乙烯醇水溶液的温度不超过60℃。
3.根据权利要求1所述的10CrNi3MoV高压无缝钢瓶，其特征在于：所述亚温淬火的温度为800～860℃，保温时间为90min，出炉用0.1％wt的聚乙烯醇水溶液冷却；所述聚乙烯醇水溶液的温度不超过60℃。
4.根据权利要求3所述的10CrNi3MoV高压无缝钢瓶，其特征在于：所述的亚温淬火前，淬火炉膛的温度必须在300℃以下。
5.根据权利要求1所述的10CrNi3MoV高压无缝钢瓶，其特征在于：所述高温回火的温度为600～640℃，保温时间为100min，出炉后空冷。
6.根据权利要求5所述的10CrNi3MoV高压无缝钢瓶，其特征在于：所述的高温回火前，回火炉膛的温度必须在200℃以下。
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