CN104511726B - 全纤维整体模锻五缸压裂泵曲轴制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种全纤维整体模锻五缸压裂泵曲轴制造方法，包括以下步骤：材料选择、一次加热、锻造制坯、一次锻后热处理、粗车、超声波探伤、金相组织分析、二次加热、模锻、二次锻后热处理、二次粗车、超声波探伤、调质、金相试验、半精加工、氮化处理、稳定热处理、精车、磨、包装。该方法克服了传统曲轴生产中切断曲轴整体纤维组织以及TR分段扭拐生产中效率低下、组织不均匀、残余应力点较多等问题，既提高了产品质量、降低了材料消耗、节约了能源，又解决了多年来存在的技术问题，填补了国内在该领域的空白，大大提高了生产效率和经济效益。
Description
技术领域
本发明属于石化、油气装备制造技术领域，涉及一种全纤维整体模锻五缸压裂泵曲轴制造方法。
背景技术
压裂泵是石油和页岩气开采的主要设备，近年来，我国加大了对页岩气的开采力度，压裂泵的需求剧增。目前五缸压裂泵以其排量大、压力波动小以及超高压力(可达100-150MPa)等优点，很适用于油气田深井、中深井的各种压裂作业。在油气开采作业中压裂泵往往需要高负荷长时间连续工作，曲轴作为压裂泵重要零部件损耗非常大，所以市场对压裂泵曲轴锻件的质量要求越来越高，从而对压裂泵曲轴锻件的生产、制造方法也提出了更高的要求。传统的压裂泵曲轴大多是采用圆钢锻件切削加工而成的，由于曲柄和曲拐落差较大，切削加工会将锻件内部的纤维组织切断，降低曲拐根部的力学性能，无法满足长时间、高负荷工作，且采用切削法生产曲轴钢材浪费较为严重，目前一支900kg的曲轴需要2700kg圆钢才能切削完成。另外近年来国内外研发了TR分段扭拐锻造法，加工锻造出了不破坏原始纤维组织的曲轴，但其生产效率较低，一支曲轴需加热多次，六七个小时才能完成一支，不能满足批量生产需求，同时锻造出的曲轴整体组织不均匀、残余应力点较多，亟需改进。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种全纤维整体模锻五缸压裂泵曲轴制造方法。该方法克服了传统曲轴生产中切断曲轴整体纤维组织以及TR分段扭拐生产中效率低下、组织不均匀、残余应力点较多等问题，既提高了产品质量、降低了材料消耗、节约了能源，又解决了多年来存在的技术问题，并填补了国内在该领域的空白，大大提高了生产效率和经济效益。
为了实现发明目的，本发明所采用的技术方案是，一种全纤维整体模锻五缸压裂泵曲轴制造方法，包括以下步骤：
步骤a：选择采用电弧炉冶炼+炉外精炼+真空脱气+真空浇注的钢锭作为原材料；
步骤b：将钢锭加热到始锻温度1180±10℃，均保温6h；
步骤c：锻造制坯；
第一工步：将钢锭出炉后交操作机夹持顺纵向放在压机镦粗台上轻压、倒棱，然后立放在镦粗台上，用大于钢锭直径1.5倍以上的镦粗板放置在坯料上端大压力镦粗，镦粗比控制为2.5；
第二工步：用操作机夹持取出镦粗好的坯料，顺纵向放置在镦粗台上，用大于坯料直径1.5倍的镦粗板放在坯料上，用WRF法强压，压下量达26％时停锻180s，旋转90°后采用上述同样方法压至四方，停锻180s；
第三工步：用操作机夹持坯料顺纵向放在镦粗台，用上平砧倒棱成八方，然后将坯料立放在大镦粗台上，将大镦粗板放在上端大压力镦粗，镦粗比＞2时停止；
第四工步：用操作机夹持镦粗后的坯料顺纵向放置在镦粗台上，用大镦粗板放在坯料上用WRF法强压，压下量达25％时停锻180s；旋转90°后采用上述同样方法锻至四方停锻180s，取出上、下镦粗台，用上、下平砧拔八方(压下量为20％)，滚圆，锻造制坯完成；
步骤d：将锻坯在热处理工区过冷至450℃时，入炉进行正火+扩散退火的锻后热处理；
步骤e：对锻坯进行粗车加工，用超声波进行无损探伤检验，用高、低倍做金相组织分析，合格后锯切待用；
步骤f：将检验完全合格后的坯料装入加热炉进行加热，加热温度1150±10℃，均温保温3h；
步骤g：将加热好的坯料轻锻去氧化皮后放置在预热好的模具中模锻成型，取出锻件，切去飞边，放置热处理工区过冷至450℃时装入热处理炉，进行正火+回火的锻后热处理；
步骤h：将模锻毛坯件进行粗车加工，去掉表面黑皮及脱碳层，进行超声波探伤，合格后进行调质处理，调质后再进行探伤检验，切取试样做力学性能、金相试验；
步骤i：将调质处理后经检验合格的曲轴毛坯件进行半精加工后，再进行氮化处理及稳定热处理；
步骤j：将氮化和稳定热处理后的曲轴件进行精车、磨，检验合格后包装。
本发明的特征还在于，步骤a中需要严格控制有害元素和有害气体的含量：Al≤0.010％、Ti≤0.005％、P≤0.015、S≤0.015、H≤2ppm、O≤35ppm、N≤65ppm，以保证钢的纯净度；
步骤b的钢锭加热采用三段加热法，具体过程为：将常温钢锭装炉，装炉温度不高于450℃，保温4h，第一段按60℃／h的升温速度升温至650±10℃时，均保温4h；第二阶段按60℃/h的升温速度升温至850℃时保温5h；第三阶段按80℃/h的升温速度升温至1180±10℃，均保温6h后始锻。
步骤c中的两次镦粗，镦粗比为4.5，两次拔长比为8.6，总锻比为13。
步骤d中的锻后热处理具体过程为：过冷至450℃后进炉保温3h，按工艺升温至860±10℃，均保温5h，出炉快冷至320℃时，进炉保温5h；然后按工艺升温至650±10℃，均保温6h，随炉以≤30℃/h的速度冷却至180℃以下时，坯料出炉入坑堆冷至常温。
步骤d中出炉快冷至320℃时采用水、雾、空冷结合进行。
步骤f中采用三段加热法，首先将坯料装入加热炉450℃以下预热3h，随后以60℃／h的升温速度升温至650℃均保温3h，再以60℃／h的升温速度升温至850℃均保温3h，以80℃／h的升温速度升温至1150℃时均保温3h开始模锻。
步骤g中的锻后热处理过程为：过冷至450℃后进炉保温1h，然后按工艺升温至860±10℃均保温2.5h，出炉快冷至320℃时入炉保温5h，然后按工艺升温至650±10℃进行保温扩散退火20h，随炉以≤30℃／h的速度冷却至180℃时出炉入坑堆冷至常温。
本发明的有益效果是：
1)对原材料冶炼进行了控制，预防了因原材料中有害元素造成的缺陷；
2)采用了两次大截面镦粗和两次WRF法锻造，既打碎了钢锭铸态组织的粗大柱状晶和锭型偏析，又保证了拔长时的允足锻造比。两次WRF法锻造，并两次停锻180s，既焊合了坯料心部的残余缺陷，又能使焊合后的组织充分愈合，经过加大总锻比(≥13后，使坯料形成了最好的纤维组织；
3)采用超大模具大压力一次模锻曲轴，保证了全纤维组织不被破坏，不仅提高了产品质量，又大大提高了生产效率；
4)采用了离子表面氮化工艺和稳定热处理工艺既增强了曲轴耐腐和耐磨性，又避免了曲轴在制造加工过程中因残余应力引起的变形；
5)本发明制造的曲轴强度能够满足生产3000kw压裂泵的工艺要求，完全能够满足页岩气开采中大功率、超高压力压裂泵对曲轴产品的需求。
附图说明
图1是采用本发明方法制造全纤维合金钢整体模锻五缸压裂泵曲轴的材料冶炼流程图；
图2是采用本发明方法制造全纤维合金钢整体模锻五缸压裂泵曲轴的钢锭一次加热工艺图；
图3是采用本发明方法制造全纤维合金钢整体模锻五缸压裂泵曲轴的钢锭一次镦粗示意图；
图4是采用本发明方法制造全纤维合金钢整体模锻五缸压裂泵曲轴的一次强压拔长示意图；
图5是采用本发明方法制造全纤维合金钢整体模锻五缸压裂泵曲轴的二次镦粗示意图；
图6是采用本发明方法制造全纤维合金钢整体模锻五缸压裂泵曲轴的二次强压拔长示意图；
图7是采用本发明方法制造全纤维合金钢整体模锻五缸压裂泵曲轴终锻完成后的坯料成型图；
图8是采用本发明方法制造全纤维合金钢整体模锻五缸压裂泵曲轴锻后热处理工艺图；
图9是采用本发明方法制造全纤维合金钢整体模锻五缸压裂泵曲轴二次加热工艺图；
图10是采用本发明方法制造全纤维合金钢整体模锻五缸压裂泵曲轴进行模锻前的料坯工艺尺寸图；
图11是采用本发明方法制造全纤维合金钢整体模锻五缸压裂泵曲轴模锻成型后的内部纤维组织结构示意图；
图12是图11的A向工艺结构示意图；
图13是采用本发明方法制造全纤维合金钢整体模锻五缸压裂泵曲轴模锻件锻后热处理工艺图；
图14是采用本发明方法制造全纤维合金钢整体模锻五缸压裂泵曲轴成品工艺结构图；
图15是图14的A向工艺结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
全纤维合金钢整体模锻五缸压裂泵曲轴制造方法，包括有以下步骤：
材料控制：如图1所示，选用通过电弧炉冶炼+炉外精炼+真空脱气+真空浇注的钢锭作为原材料。选用材质为：40CrNiMoA，符合Q／HWG-QW7011-2000标准要求，Al≤0.010％、Ti≤0.005％、P≤0.015、S≤0.015、H≤2ppm、O≤35ppm、N≤65ppm，Re≥0.08一0.12，以保证钢的纯净度。
如图2所示，将钢锭装入温度不高于450℃的加热炉进行保温加热。加热工艺为450℃均保温4h，随后按60℃/h升温速度升温至650℃±10℃，均保温4h，再按60℃／h升温至850℃±10℃，保温5h后再按80℃/h升至1180±10℃时均保温6h。
如图3所示，将加热好的钢锭出炉，用上、下大截面镦粗板进行镦粗，钢锭尺寸H=1800mm，镦粗至H=720mm，此时镦粗锻造比为2.5，停放180s。如图4所示，取出坯料，用操作机夹持顺纵向放在下镦粗台上，用大镦粗板放在坯料上沿径向强压，压下量控制在26％，强压前，坯料D=950mm，强压至D=705mm时停锻180s，用操作机夹持旋转90°，用同样方法强压至D=705mm时停锻180s，然后用上、下平砧(W=500mm)压下量为20％拔长至八方：L=1900mm，D=650mm。如图5所示，将八方坯料立放在大镦粗台上，用大镦粗板放在坯料上端强压进行二次镦粗，镦粗前H=1900mm，镦粗至H=850mm，镦粗比为2.2，停锻180s。如图6所示，用操作机夹持坯料顺纵向放在镦粗台上，用大镦粗板放在坯料上沿径向进行强压，压下量25％，强压前D=960mm，强压至D=720mm时停锻180s。用操作机夹持坯料旋转90°，用同样方法强压至D=720mm，停锻180s。用上、下平砧(W=500mm)压下量为20％拔长至八方D=400mm，随后滚圆至φ400，L=5100mm，如图7所示，坯料锻制完成。一次上下大截面镦粗法，强调了镦粗比大于2时停止，主要目的是为了使钢锭心部完全处于三向压应力状态，能够完全打碎钢锭内部粗大柱状晶。二次大压力、大截面镦粗，镦粗比大于2时停止，主要目的是对一次镦粗不能完全分散的锭型偏析等原始残余缺陷进一步修正。径向上、下大截面强压(WRF法)，第一次压下量26％，第二次压下量25％，目的是为了更好地焊合钢锭内部缩孔、空洞等冶金缺陷。停锻180s，主要是为了使焊合后的组织充分愈合。两次镦粗，镦粗比等于4.5，两次拔长比等于8.6，总锻比等于13，主要目的是使φ400圆坯料能够形成完整的纤维组织方向，为下一步模锻奠定基础。
如图8所示，将完成的坯料吊至热处理工区进行过冷处理，用鼓风机吹风均匀快冷至450℃时，随后进热处理炉保温3h，再按80℃／h的升温速度升温至860±10℃，均保温5h，出炉在热处理工区进行水雾、空气合并法均匀强制冷却至320℃时入热处理炉保温5h，然后按60℃/h的升温速度升温至650±10℃时均保温6h，随炉冷却(速度≤30℃／h)至180℃时出炉，再放入缓冷坑冷至常温。锻制好的坯料在炉外快速过冷至450℃时入炉，主要目的是利用锻造余热(终锻温度在850℃以上)预正火一次，节约能源。
热处理完成后根据工艺要求，对锻坯进行粗车加工，粗车至φ370±1，进行超声波探伤，不得有大于φ2的单个缺陷，不得有密集性缺陷。超声波探伤合格后切取试样做金相检验，晶粒度须＞6.5级，须有完全纤维组织及方向，单项夹杂物不得大于1.0级。金相检验合格后锯切下料：D=φ370，L=2000。粗车加工的主要目的是在模锻前将锻制坯料时表面的氧化层和脱碳层去掉，以确保表面质量。超声波无损检测是进一步确认坯料内部无危害性缺陷。金相分析主要是确认坯料组织是否均匀，纤维组织方向和晶粒度是否符合工艺要求，为后继模锻打好基础。
如图9所示，将经检验合格的坯料装入温度不高于450℃的加热炉进行预热保温3h，然后按60℃／h的升温速度升温至650±10℃保温3h，再按60℃/h的升温速度升温至850±10℃保温2h，再按80℃／h的升温速度升温至1150±10℃，保温2.5h，出炉模锻。
如图10所示，将加热好的坯料出炉后先在上、下大模具平台上轻压预锻，压至400×350扁圆。然后放入两块整体2000×3000×760模腔一次压下成型，随后取出模锻件进行切削飞边。如图11所示为模锻完成后的曲轴内部纤维组织结构示意图，如图12所示为锻造成型后的曲轴轴向工艺结构示意图，模锻完成后将曲轴锻件吊入热处理工区过冷至450℃。模锻前先轻压预锻，主要目的是为了震掉表面氧化皮，使模锻件表面干净，精度高。终锻热状态去除飞边，目的是减少粗车加工切削量、提高效率。模锻件完成后在炉外快速均匀冷却至450℃时入炉正火+回火的锻后预备热处理，主要目的是充分利用锻造余热使锻件二次正火，更加细化了晶粒。
如图13所示，将过冷至450℃的模锻件装入温度不高于450℃的热处理炉保温1h，然后按80℃／h的升温速度升温至860±10℃均保温2.5h，出炉采用鼓风机强制均匀快速冷却(水雾、空冷合并法)至320℃时入热处理炉保温5h，然后按60℃／h的升温速度升温至650±10℃进行保温扩散退火20h。然后以不高于30℃／h的速度冷却至180℃时出炉入坑堆冷至常温。
根据工艺要求，将模锻件粗车加工去掉表面黑皮及脱碳层，再一次超声波探伤检验，合格后进行调质处理，然后切取本体试样做力学性能试验，符合标准要求合格后进行半精车，然后进行表面氮化处理和稳定热处理，消除加工过程中的残余应力点。最后进行磨削、表面磁粉探伤，检验尺寸精度合格后包装，如图13所示为成品工艺结构图，图14为成品的轴向工艺结构图。进行超声波探伤目的是预防曲轴缺陷存在，进行调质处理是为了增强曲轴的综合力学性能。将半精加工后的曲轴进行氮化处理，目的是为了使曲轴表面防腐和耐磨性增强，从而提高曲轴使用寿命。进行稳定热处理是为了消除曲轴在加工过程中形成的残余应力点，预防曲轴在放置中由于残余应力变形。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点，上述实施方式和说明书只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由权利要求书及其等同物界定。
Claims (8)
1.一种全纤维整体模锻五缸压裂泵曲轴制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤a：选择采用电弧炉冶炼+炉外精炼+真空脱气+真空浇注的钢锭作为原材料；
步骤b：将钢锭加热到始锻温度1180±10℃，均温保温6h；
步骤c：锻造制坯；
第一工步：将钢锭出炉后交操作机夹持顺纵向放在压机镦粗台上轻压、倒棱，然后立放在上镦粗台上，用大于钢锭直径1.5倍的上镦粗板放置在坯料上端大压力镦粗，镦粗比控制为2.5；
第二工步：用操作机夹持取出镦粗好的坯料，顺纵向放置在上镦粗台上，用大于坯料直径1.5倍的上镦粗板放在坯料上，用WRF法强压，压下量达26％时停锻180s，用操作机夹持旋转90°，采用上述同样方法压至四方，停锻180s；
第三工步：用操作机夹持坯料顺纵向放在镦粗台，用上平砧拔长成八方，然后将坯料立放在下镦粗台上，将下镦粗板放在上端大压力镦粗，镦粗比＞2时停止；
第四工步：用操作机夹持镦粗后的坯料顺纵向放置在镦粗台上，用大镦粗板放在坯料上用WRF法强压，压下量达25％时停锻180s；用操作机夹持旋转90°，采用上述同样方法锻至四方停锻180s，取出上镦粗台和下镦粗台，用上、下平砧拔八方，滚圆，锻造制坯完成；
步骤d：将锻坯在热处理工区过冷至450℃时，入炉进行正火+扩散退火的锻后热处理；
步骤e：对锻坯进行粗车加工，用超声波进行无损探伤检验，用高、低倍做金相组织分析，合格后锯切待用；
步骤f：将检验完全合格后的坯料装入加热炉进行加热，加热温度1150±10℃，均温保温3h；
步骤g：将加热好的坯料轻锻去氧化皮后放置在预热好的模具中模锻成型，取出锻件，切去飞边，放置热处理工区过冷至450℃时装入热处理炉，进行正火+回火的锻后热处理；
步骤h：将模锻毛坯件进行粗车加工，去掉表面黑皮及脱碳层，进行超声波探伤，合格后进行调质处理，调质后再进行探伤检验，切取试样做力学性能、金相试验；
步骤i：将调质处理后经检验合格的曲轴毛坯件进行半精加工后，再进行氮化处理及稳定热处理；
步骤j：将氮化和稳定热处理后的曲轴件进行精车、磨，检验合格后包装。
2.如权利要求1所述的一种全纤维整体模锻五缸压裂泵曲轴制造方法，其特征在于，所述步骤a中需要严格控制有害元素和有害气体的含量：Al≤0.010％、Ti≤0.005％、P≤0.015％、S≤0.015％、H≤2ppm、O≤35ppm、N≤65ppm，以保证钢的纯净度。
3.如权利要求1所述的一种全纤维整体模锻五缸压裂泵曲轴制造方法，其特征在于，所述步骤b的钢锭加热采用三段加热法，具体过程为：将常温钢锭装炉，装炉温度不高于450℃，保温4h，第一段按60℃/h的升温速度升温至650±10℃时，均温保温4h；第二阶段按60℃/h的升温速度升温至850℃时保温5h；第三阶段按80℃/h的升温速度升温至1180±10℃，均温保温6h后始锻。
4.如权利要求1所述的一种全纤维整体模锻五缸压裂泵曲轴制造方法，其特征在于，所述步骤c中的两次镦粗，镦粗比等于4.5，两次拔长比等于8.6，总锻比等于13。
5.如权利要求1所述的一种全纤维整体模锻五缸压裂泵曲轴制造方法，其特征在于，所述步骤d中的锻后热处理具体过程为：过冷至450℃后进炉保温3h，按工艺升温至860±10℃，均温保温5h，出炉快冷至320℃时，进炉保温5h；然后按工艺升温至650±10℃，均温保温6h，随炉以≤30℃/h的速度冷却至180℃以下时，坯料出炉入坑堆冷至常温。
6.如权利要求5所述的一种全纤维整体模锻五缸压裂泵曲轴制造方法，其特征在于，所述步骤d中出炉快冷至320℃时采用水、雾、空冷结合进行。
7.如权利要求1所述的一种全纤维整体模锻五缸压裂泵曲轴制造方法，其特征在于，所述步骤f中采用三段加热法，首先将坯料装入加热炉450℃以下预热3h，随后以60℃/h的升温速度升温至650℃均温保温3h，再以60℃/h的升温速度升温至850℃均温保温3h，以80℃/h的升温速度升温至1150℃时均温保温3h开始模锻。
8.如权利要求1所述的一种全纤维整体模锻五缸压裂泵曲轴制造方法，其特征在于，所述步骤g中的锻后热处理过程为：过冷至450℃后进炉保温1h，然后按工艺升温至860±10℃均温保温2.5h，出炉快冷至320℃时入炉保温5h，然后按工艺升温至650±10℃进行保温扩散退火20h，随炉以≤30℃/h的速度冷却至180℃时出炉入坑堆冷至常温。
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