CN109536691B - 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

一种耐低温冲击CrMo合金钢锻圆的制备方法，涉及CrMo合金钢锻造加工技术领域，其制备对象包括牌号为AISI 4130、4130和30CrMo的合金钢，其特征在于采用的工艺路线包括将钢锭经多段加热至1180℃～1230℃，保温3小时～6.5小时，然后在1200℃～800℃下锻压成型，实施空冷；再在900±10℃温度下正火、880±10℃温度下在水中淬火以及在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

一种耐低温冲击CrMo合金钢锻圆的制备方法
技术领域
本项发明涉及CrMo合金钢锻造加工技术领域，具体为一种耐低温冲击CrMo合金钢锻圆的制备方法。
背景技术
牌号为4130合金钢属于美国的钢号标准，等同或近似于中国生产的AISI4130或30CrMo两种中国牌号的合金钢种，这些牌号的合金钢均属于石油钻杆用钢，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。
石油钻探过程要求钻杆具有足够的强度，能够承载足够高的冲击力，例如利用此类合金钢制造出的钻杆对于低温冲击韧性的要求是在-20℃环境温度下Akv≥30J以上，但在石油深部开采时，对其低温-60℃时合金钢钻杆的冲击韧性Akv也要求达到30J以上，利用已有的常规方法几乎无法达到。另外由于此类钻杆属石油钻探的易耗备件，随着石油勘探与钻井深度的不断延伸，对于此类钻杆的需求量将不断增加，为此在其加工技术方面必须设法有所突破。
发明内容
本发明的目的在于要采取一种特殊的生产工艺制造这种耐-60℃低温的CrMo合金钢锻圆，包括美国牌号4130合金钢锻圆、国内等同或近似的CrMo合金钢锻圆牌号，以此生产出适合石油深部开采的钻杆，满足石油开采的实际需求；具体采用钢锭加热、锻造、调质热处理等工艺步骤，最终制造出适于石油深度钻探的钻杆材料，获得更多的综合效益。
为实现上述的发明目的，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，发明提出了一种石油机械用耐-60℃低温冲击合金钢锻圆的制备方法，包括等同或近似于牌号为AISI 4130、4130和30CrMo的合金钢，工艺路线包括钢锭加热、锻压成型、调质热处理工序，具体内容如下：
1)加热升温，将钢锭加热至600℃～750℃，保温1.5小时～3.5小时，然后加热至800℃～850℃，保温0.5小时～2.5小时，再加热至可锻的1180℃～1230℃，保温3小时～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；
2)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3:1～4:1，控制锻造温度在1200℃～800℃的范围之内；
3)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，以此大幅提高被锻的红热锻坯表面质量，使得锻圆表面呈光滑形状；锻后实施空冷；
4)正火处理，对于没有提出-60℃低温冲击韧性要求的普通合金钢锻圆，多采用埋砂的方式，对锻圆进行缓冷处理，但是对于要求满足-60℃低温冲击韧性的合金钢锻圆，需要在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按锻圆直径D计算，t＝(1.5～1.8)(min/mm)×D(mm)；正火处理后自正火加热炉中取出，空冷，然后进行车光，去除钢锭表面可能存在的表面微裂纹或其他缺陷。
5)锻圆淬火，选择的淬火温度为880±10℃，将经过正火和车光处理的锻圆放入淬火热处理炉中，炉内温度为880±10℃，在此温度下进行淬火加热保温处理，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)×D(mm)；淬火介质是水，达到淬火加热保温时间后将锻圆置于淬火介质水中，在水中保持30min～50min，出炉空冷至250℃以下；锻圆入水之前水的温度在25℃以下，最好在18℃以下，以提高淬透层深度；
6)高温回火，将经过淬火处理的锻圆置于回火炉中，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)×D(mm)，回火完成后炉冷至300℃以下，出炉空冷，使锻圆内部获得综合性能良好的回火索氏体组织。
本项发明的优点是：
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4130产品的低温冲击性能，包括中国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，其中2017年此类合金钢锻圆的出口量已经达到总产量的70％。
具体实施方式
实施例之一
制备美国牌号为AISI 4130的典型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％。
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：
1)加热升温。将钢锭加热至700℃，保温2小时，然后加热至850℃，保温0.5小时，再加热至可锻的1220℃，然后保温4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。
2)锻压成型。将完成加热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，最后锻压成直径为310mm的圆柱，控制锻压比在3.25：1，控制锻造温度在1200℃～800℃的范围之内；
3)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；
4)正火处理。对冷却后的锻圆进行正火处理，正火温度900℃，保温6小时，然后出炉空冷并车光。
5)淬火处理。淬火温度890℃，淬火保持8小时，然后出炉淬火，介质是水，水的温度为22℃。
6)回火处理。回火温度为675℃，时间为10小时，回火后炉冷至300℃以下，然后出炉空冷。
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，符合低温-60℃时冲击韧性Akv≥30J的技术要求，同时抗拉强度≥95000PSI(655Mpa)，屈服强度≥75000PSI(517Mpa)，A≥18％，Z≥35％。
本发明实现了合金钢AISI 4130锻圆，作为钻杆使用得高性能要求。

Claims (1)

1.一种耐低温冲击CrMo合金钢锻圆的制备方法，其工艺路线包括钢锭加热、锻压成型、调质热处理工序，其特征在于按照以下步骤进行加工：
1)加热升温，将钢锭加热至600℃～750℃，保温1.5小时～3.5小时，然后加热至800℃～850℃，保温0.5小时～2.5小时，再加热至可锻的1180℃～1230℃，保温3小时～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；
2)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3:1～4:1，控制锻造温度在1200℃～800℃的范围之内；
3)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，使锻圆表面呈光滑形状；锻后实施空冷；
4)正火处理，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按锻圆直径D计算，t＝(1.5～1.8)(min/mm)×D(mm)；正火处理后自正火加热炉中取出空冷，然后进行车光，去除钢锭表面可能存在的表面微裂纹或其他缺陷；
5)锻圆淬火，将经过正火和车光处理的锻圆放入炉内温度为880±10℃的淬火热处理炉中，进行淬火加热保温处理，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)×D(mm)；达到淬火加热保温时间后将锻圆置于淬火介质水中，保持30min～50min，锻圆入水之前水的温度在25℃以下；
6)高温回火，将经过淬火处理的锻圆置于回火炉中，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)×D(mm)，回火完成后炉冷至300℃以下，出炉空冷，使锻圆内部获得综合性能良好的回火索氏体组织，其中所述合金钢牌号为AISI4130合金钢。
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