CN109022738B - 一种耐低温冲击CrMo合金钢锻圆的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及CrMo合金钢锻造加工技术领域，特别涉及一种耐低温冲击CrMo合金钢锻圆的制备方法，其制备对象包括牌号为AISI 4130、4130和30CrMo的合金钢，采用的工艺路线包括将钢锭经多段加热至1180～1230℃，保温3~6.5小时，然后在1200~800℃下锻压成型，实施空冷；再经900±10℃温度下正火、880±10℃温度下水中淬火和670±10℃温度下的高温回火处理，使锻圆内部获得综合性能良好的回火索氏体组织，有效解决了在‑60℃低温环境下的冲击韧性Akv要求达到30J以上的技术要求。
Description
技术领域
本发明涉及CrMo合金钢锻造加工技术领域，特别涉及一种耐低温冲击CrMo合金钢锻圆的制备方法。
背景技术
CrMo的合金钢种属于石油钻杆用钢，使用时钻杆之间通过丝口将其彼此连接在一起逐渐延伸到地下深部，以此适应石油开采的需求。
公告号为CN103990758B的中国专利公开了一种10Cr9Mo1VNb钢锻件制造工艺，其包括以下步骤：（1）、对10Cr9Mo1VNb钢锻件进行加热处理，其加热温度为850-1250℃；（2）、对加热后的10Cr9Mo1VNb钢锻件进行锻造；（3）、对锻造后的10Cr9Mo1VNb钢锻件进行第一次正火加回火；（4）、对第一次正火加回火后的10Cr9Mo1VNb钢锻件进行第二次正火加回火。上述工艺较好地降低锻件的内应力，有效地避免了锻件开裂报废。
在石油深部开采时，对其低温-60℃时合金钢钻杆的冲击韧性Akv要求达到30J以上，上述工艺生产的合金无法达到上述要求，产品质量难以得到保证。
发明内容
本发明的目的是提供一种耐低温冲击CrMo合金钢锻圆的制备方法，针对终端产品的石油深度钻探所需钻杆对于低温冲击韧性的特殊要求，具有其低温-60℃时合金钢钻杆的冲击韧性Akv能达到30J以上的优点。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种耐低温冲击CrMo合金钢锻圆的制备方法，包括，S1、加热升温；S2、锻压成型；S3、正火处理；还包括，
位于S3之后的S4、锻圆淬火，淬火温度为880±10℃，将经过正火的锻圆放入热处理炉中，以40～70℃/小时的速度升温，至650±10℃时，保温5±0.5小时，然后继续以40～70℃/小时的速度升温，至温度为880±10℃时，进行淬火前的加热保温处理，淬火加热保温时间t根据锻圆直径D进行计算，t=1.5～2.0(min/mm)ⅹD(mm)；淬火介质是水，当达到加热保温时间后，将锻圆置于淬火油中，在水中保持30～50min，锻圆入淬火油之前温度低于25℃。
通过采用上述技术方案，淬火处理，使得锻件能够获得良好的强度和韧性，且不易开裂，适用于对大直径的锻件（直径≤600mm）进行调质处理。温度较低的淬火油进行淬火，减小了锻件的变形和开裂倾向，提高了成材率。相比以往技术，本项发明成功解决了锻圆热处理关键技术，以此可以实现大批量生产应用，可以稳定地保证产品的低温冲击性能，包括国内等同或类似牌号的产品在-60℃低温环境下的冲击韧性。
进一步的，S4、锻圆淬火中所用淬火油包括按重量份计的如下组分，
20#机油 90-100份
油酸 2-6份
丁二醇油酸酯 1.5-5份
琥珀酸二酰亚胺 1-3份
山梨糖醇单油酸酯 1-2份
助表面活性剂 1-2份
抗老化剂 1-1.5份。
通过采用上述技术方案，锻件加工过程中，锻件表面会形成细微的坑洞及裂缝，使得锻件表面的接触角较大，液体不易润湿。因而，在淬火处理过程中，淬火油在锻件表面的光滑处和微缝处的润湿程度不一致，热传导效率不同，降温速率出现差异，进而使得锻件表面的微坑微裂缝容易因降温速率的差异出现进一步开裂、形成裂缝导致钢材报废，进而影响锻件的成材率。
进一步的，所述助表面活性剂包括至少一种分子通式为CH3（CH2）nOH的一元醇，其中n=5~8。
通过采用上述技术方案，分子通式为CH3（CH2）nOH、且n=5~8的一元醇沸点均高于150℃、且分子包含亲油的烃基和亲水的羟基，不仅在淬火油中有良好的混溶性，而且由于羟基的弱极性，使得淬火油对锻件的亲和性增加，利于提升淬火油与锻件之间热传递均匀性，减少开裂、提高成材率。
进一步的，所述助表面活性剂中包括至少一种沸点≥150℃、分子通式为CH3（CH2）nCOOH的一元羧酸，其中n=3~8。
通过采用上述技术方案，分子通式为CH3（CH2）nCOOH、且n=3~8的一元羧酸分子中的羧酸根同样具有极性，对锻件表面分子具有极性，使得淬火油对锻件的亲和性增加，利于提升淬火油与锻件之间热传递均匀性，减少开裂、提高成材率。而且，羧酸根相较于羟基无法被进一步氧化，使得淬火油的热稳定性更好。
进一步的，还包括位于S4之后的S5、高温回火，将经过淬火处理的锻圆置于回火炉中，以40～70℃/小时的速度升温，升温加热到回火温度670±10℃，恒温保持，回火保持时间t根据锻圆直径D进行计算，t=2.0～2.5(min/mm)ⅹD(mm)，回火时间达到后，将锻圆出炉空冷。
通过采用上述技术方案，锻圆内部获得综合性能良好的回火索氏体组织。
进一步的，所述S2在锻压成型时，同步进行有S21、去除氧化铁，在锻造过程，利用锻圆氧化铁清扫机连续清除红热锻坯表面的氧化铁，锻后实施空冷。
通过采用上述技术方案，在锻造过程，连续清除红热锻坯表面的氧化铁，以此大幅提高被锻的红热锻坯表面质量，锻圆表面呈光滑形状，可以减少锻件表面的氧化皮和微裂缝，使得后续淬火、回火过程中，锻圆的锻件表面不易开裂，提高了锻件表面光滑度、减少了表面缺陷；同时，相较于锻前或者锻后车去氧化皮，减少材料损耗。
进一步的，所述S1具体是指，将钢锭加热至600~750℃，保温1.5~3.5小时，然后加热至800~850℃，保温0.5~2.5小时，再加热至可锻的1180～1230℃，保温3~6.5小时。
通过采用上述技术方案，钢锭的表面及内部温度基本一致，钢锭中的奥氏体组织达到均匀化。
进一步的，所述S2具体是指，将加热升温后的钢锭吊运至锻压机上开始锻压，先将其锻为方形，后压其棱，最后锻压成一定长度和目标直径的圆柱形锻圆，锻压比为3:1~ 4:1，锻造温度为800~1200℃。
进一步的，所述S3具体是指，在900±10℃温度下进行锻后正火处理，以此来细化锻圆内部的晶粒，即将锻圆置入到正火加热炉中加热到900±10℃，并保持温度不变，正火处理的保持时间t与锻圆直径D的关系为：t=1.5～1.8(min/mm)ⅹD(mm)；正火处理后自正火加热炉中取出，空冷。
通过采用上述技术方案，去除钢锭表面可能存在的表面微裂纹或其他缺陷，提高产品质量。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1.相比以往技术，本项发明成功解决了锻圆热处理关键技术，以此可以实现大批量生产应用，可以稳定地保证美国牌号AISI 4130产品的低温冲击性能，包括国内等同或类似牌号的产品在-60℃低温环境下的冲击韧性。
2、相比同类产品，目前实施生产该产品的批量正在不断扩大，获得国内外用户普遍认可，在外贸出口比例逐年上升。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明，各实施例中选用的钢锭均为典型的CrMo钢锻圆，该钢以Fe为基本元素，钢中其他元素按质量百分比计，分别为C=0.30～0.33%， Si=0.15～0.35%，Mn=0.55～0.60%，P≤0.020%，S≤0.020%，Cr=1.0～1.1%，Ni=0.20～0.25%，Mo=0.20～0.35%，V≤0.035%，Al=0.020～0.050%：
实施例一：
采用本项发明所提供的制备方法，对美国牌号为AISI 4130的典型CrMo钢锭加工处理，被制备的钢锭单支重量为5吨，当量平均直径为558mm，经过加热+锻造+空冷+正火+粗车+调质处理，生产出直径为310mm的CrMo合金钢锻圆。其制造方法为：
S1、加热升温。将钢锭加热至600℃，保温1.5小时，然后加热至800℃，保温0.5小时，再加热至可锻的1180℃，然后保温3小时，使钢锭的表面及内部温度基本一致，钢锭中的奥氏体组织达到均匀化。
S2、锻压成型。将加热升温后的钢锭吊运至锻压机上开始锻压，先将其锻为方形，后压其棱，最后锻压成一定长度和目标直径的圆柱形锻圆，控制锻压比在3:1，控制锻造温度为800℃。
S21、去除氧化铁。采用事先设计好的锻圆氧化铁清扫机，在锻造过程，连续清除红热锻坯表面的氧化铁，以此大幅提高被锻的红热锻坯表面质量，锻圆表面呈光滑形状，锻后空冷。
S3、正火处理。对冷却后的锻圆进行正火处理，正火温度890℃，保温7.8小时（t=1.5(min/mm)ⅹ310(mm)），然后出炉空冷后，车光。
S4、锻圆淬火，淬火温度为870℃，将经过正火的锻圆放入热处理炉中，以40℃/小时的速度升温，至640℃时，保温4.5小时，然后继续以40℃/小时的速度升温，至温度为870℃时，进行淬火前的加热保温处理，淬火加热保温时间7.8小时（t=1.5(min/mm)ⅹ310(mm)）。淬火介质是淬火油，当达到加热保温时间后，将锻圆置于淬火油中，在淬火油中保持30min，锻圆入淬火油之前温度为25℃。
本实施例中所用的淬火油包含按重量份计的如下组分：
20#机油 90份
油酸 2份
丁二酸油酸酯 1.5份
琥珀酸二酰亚胺 1份
山梨糖醇单油酸酯 1份
助表面活性剂 1份
抗老化剂 1份，
其中助表面活性剂为壬醇和庚酸按质量比1:1的比例混合而成，抗老化剂由2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚和二烷基二硫代氨基甲酸锌按质量比10:1的比例混合而成。
S5、高温回火。将经过淬火处理的锻圆置于回火炉中，以40℃/小时的速度升温，升温加热到回火温度660℃，恒温保持，回火保持时间为10小时（t=2.0(min/mm)ⅹ310(mm)），回火时间达到后，将锻圆出炉空冷。
实施例二：
S1、加热升温。将钢锭加热至700℃，保温2.5小时，然后加热至830℃，保温1.5小时，再加热至可锻的1200℃，然后保温4.5小时，使钢锭的表面及内部温度基本一致，钢锭中的奥氏体组织达到均匀化。
S2、锻压成型。将加热升温后的钢锭吊运至锻压机上开始锻压，先将其锻为方形，后压其棱，最后锻压成一定长度和目标直径的圆柱形锻圆，控制锻压比在3.5:1，控制锻造温度为1000℃。
S21、去除氧化铁。采用事先设计好的锻圆氧化铁清扫机，在锻造过程，连续清除红热锻坯表面的氧化铁，以此大幅提高被锻的红热锻坯表面质量，锻圆表面呈光滑形状，锻后空冷。
S3、正火处理。对冷却后的锻圆进行正火处理，正火温度900℃，保温8.5小时（t=1.65(min/mm)ⅹ310(mm)），然后出炉空冷后，车光。
S4、锻圆淬火，淬火温度为880℃，将经过正火的锻圆放入热处理炉中，以55℃/小时的速度升温，至650℃时，保温5小时，然后继续以55℃/小时的速度升温，至温度为880℃时，进行淬火前的加热保温处理，淬火加热保温时间9小时（t=1.75(min/mm)ⅹ310(mm)）。淬火介质是淬火油，当达到加热保温时间后，将锻圆置于淬火油中，在淬火油中保持40min，锻圆入淬火油之前温度为18℃。
本实施例中所用的淬火油包含按重量份计的如下组分：
20#机油 40份
油酸 3份
丁二酸油酸酯 3份
琥珀酸二酰亚胺 2份
山梨糖醇单油酸酯 1份
助表面活性剂 1.5份
抗老化剂 1份，
其中助表面活性剂为壬醇和庚酸按质量比1:1的比例混合而成，抗老化剂由2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚和二烷基二硫代氨基甲酸锌按质量比10:1.3的比例混合而成。
S5、高温回火。将经过淬火处理的锻圆置于回火炉中，以55℃/小时的速度升温，升温加热到回火温度670℃，恒温保持，回火保持时间为11小时（t=2.2(min/mm)ⅹ310(mm)），回火时间达到后，将锻圆出炉空冷。
实施例三：
S1、加热升温。将钢锭加热至750℃，保温3.5小时，然后加热至850℃，保温2.5小时，再加热至可锻的1230℃，然后保温6.5小时，使钢锭的表面及内部温度基本一致，钢锭中的奥氏体组织达到均匀化。
S2、锻压成型。将加热升温后的钢锭吊运至锻压机上开始锻压，先将其锻为方形，后压其棱，最后锻压成一定长度和目标直径的圆柱形锻圆，控制锻压比在4:1，控制锻造温度为1200℃。
S21、去除氧化铁。采用事先设计好的锻圆氧化铁清扫机，在锻造过程，连续清除红热锻坯表面的氧化铁，以此大幅提高被锻的红热锻坯表面质量，锻圆表面呈光滑形状，锻后空冷。
S3、正火处理。对冷却后的锻圆进行正火处理，正火温度910℃，保温9.3小时（t=1.8(min/mm)ⅹ310(mm)），然后出炉空冷后，车光。
S4、锻圆淬火，淬火温度为890℃，将经过正火的锻圆放入热处理炉中，以70℃/小时的速度升温，至660℃时，保温5.5小时，然后继续以70℃/小时的速度升温，至温度为890℃时，进行淬火前的加热保温处理，淬火加热保温时间10小时（t=2(min/mm)ⅹ310(mm)）。淬火介质是淬火油，当达到加热保温时间后，将锻圆置于淬火油中，在淬火油中保持50min，锻圆入淬火油之前温度为18℃。
本实施例中所用的淬火油包含按重量份计的如下组分：
20#机油 98份
油酸 4份
丁二酸油酸酯 4份
琥珀酸二酰亚胺 2份
山梨糖醇单油酸酯 1.5份
助表面活性剂 2份
抗老化剂 1.5份，
其中助表面活性剂为壬醇和庚酸按质量比1:1的比例混合而成，抗老化剂由2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚和二烷基二硫代氨基甲酸锌按质量比10:1.6的比例混合而成。
S5、高温回火。将经过淬火处理的锻圆置于回火炉中，以70℃/小时的速度升温，升温加热到回火温度680℃，恒温保持，回火保持时间为13小时（t=2.5(min/mm)ⅹ310(mm)），回火时间达到后，将锻圆出炉空冷。
经过上述方法所制得直径为310mm的合金钢AISI 4130锻圆产品，其性能指标优良，低温-60℃时冲击韧性Akv平均值=43J的技术要求，同时抗拉强度=98045 PSI(676Mpa)，屈服强度=78336 PSI(540Mpa)，延伸率A=23%，断面收缩率Z=41%。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (5)
1.一种耐低温冲击CrMo合金钢锻圆的制备方法，其特征在于：包括，S1、加热升温，将钢锭加热至600~750℃，保温1.5~3.5小时，然后加热至800~850℃，保温0.5~2.5小时，再加热至可锻的1180～1230℃，保温3~6.5小时；
S2、锻压成型，将加热升温后的钢锭吊运至锻压机上开始锻压，先将其锻为方形，后压其棱，最后锻压成一定长度和目标直径的圆柱形锻圆，锻压比为3:1~ 4:1，锻造温度为800~1200℃；
S3、正火处理，所述S3具体是指，在900±10℃温度下进行锻后正火处理，以此来细化锻圆内部的晶粒，即将锻圆置入到正火加热炉中加热到900±10℃，并保持温度不变，正火处理的保持时间t与锻圆直径D的关系为：t=1.5～1.8(min/mm)ⅹD(mm)；正火处理后自正火加热炉中取出，空冷；
S4、锻圆淬火，淬火温度为880±10℃，将经过正火的锻圆放入热处理炉中，以40～70℃/小时的速度升温，至650±10℃时，保温5±0.5小时，然后继续以40～70℃/小时的速度升温，至温度为880±10℃时，进行淬火前的加热保温处理，淬火加热保温时间t根据锻圆直径D进行计算，t=1.5～2.0(min/mm)ⅹD(mm)；淬火介质是水，当达到加热保温时间后，将锻圆置于淬火油中，在水中保持30～50min，锻圆入淬火油之前温度低于25℃；
S5、高温回火，将经过淬火处理的锻圆置于回火炉中，以40～70℃/小时的速度升温，升温加热到回火温度670±10℃，恒温保持，回火保持时间t根据锻圆直径D进行计算，t=2.0～2.5(min/mm)ⅹD(mm)，回火时间达到后，将锻圆出炉空冷。
2.根据权利要求1所述的一种耐低温冲击CrMo合金钢锻圆的制备方法，其特征在于：S4、锻圆淬火中所用淬火油包括按重量份计的如下组分，
20#机油 90-100份
油酸 2-6份
丁二醇油酸酯 1.5-5份
琥珀酸二酰亚胺 1-3份
山梨糖醇单油酸酯 1-2份
助表面活性剂 1-2份
抗老化剂 1-1.5份。
3.根据权利要求2所述的一种耐低温冲击CrMo合金钢锻圆的制备方法，其特征在于：所述助表面活性剂包括至少一种分子通式为CH3（CH2）nOH的一元醇，其中n=5~8。
4.根据权利要求3所述的一种耐低温冲击CrMo合金钢锻圆的制备方法，其特征在于：所述助表面活性剂中包括至少一种沸点≥150℃、分子通式为CH3（CH2）nCOOH的一元羧酸，其中n=3~8。
5.根据权利要求1所述的一种耐低温冲击CrMo合金钢锻圆的制备方法，其特征在于：所述S2在锻压成型时，同步进行有S21、去除氧化铁，在锻造过程，利用锻圆氧化铁清扫机连续清除红热锻坯表面的氧化铁，锻后实施空冷。
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Denomination of invention: A Preparation Method for Forged Round CrMo Alloy Steel with Low Temperature Impact Resistance Granted publication date: 20200922 Pledgee: Wuxi rural commercial bank Limited by Share Ltd. Pledgor: JIANGSU ZHUHONG FORGING Co.,Ltd. Registration number: Y2024980009937 |
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