CN109622836A - 一种壳体锻件的锻造及热处理工艺 - Google Patents

一种壳体锻件的锻造及热处理工艺 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种壳体锻件的锻造及热处理工艺，包括以下步骤：步骤1、对原材料进行熔炼；步骤2、锻造加热；步骤3、锻造；锻造过程包括两个火次；步骤4、热处理；步骤4具体包括：(1)锻后正火处理；(2)对锻件进行机械粗加工；(3)调质过程；步骤5、对锻件进行机械精加工。本发明通过改善钢锭成分及组织和锻造工艺来提高锻件内在质量，细化晶粒，提高整体机械性能，消除不均匀性。使用本发明所述的技术方案生产的锻件提高产品的使用寿命大幅增加，可以达到至少10年。

Description

一种壳体锻件的锻造及热处理工艺
技术领域
本发明涉及锻件处理工艺，具体涉及一种石油化工防喷器用壳体锻件的锻造及热处理工艺。
背景技术
防喷器是用于试油、修井、完井等作业过程中关闭井口，防止井喷事故发生以及在紧急情况下切断钻杆的安全密封井口装置。石油钻井时，安装在井口套管头上，用来控制高压油、气、水的井喷装置。在海上使用钻井浮船和半潜式钻井平台钻井时，因钻井浮船和平台是在漂浮状态下工作的，钻井井口和海底井口之间会发生相对运动，必须装有可伸缩和弯曲的特殊部件，但这些部件因不能承受井喷关井或反循环作业时的高压，因此要将钻井防喷器安放在可伸缩和弯曲的部件之下，即要装在几十米至几百米深的海底，我们将它称之为海底井口装置。由于使用工况及环境较为复杂恶略。所以此装置使用的锻件必须严格满足技术指标，使防喷设备正常运行保障油田开采安全同时保护环境免受污染。
本材料使用工况恶劣，使用温度在-30℃至560℃，不仅要承受高温高压，还需具备抗氢腐蚀能力。不仅要求有高的强度和韧性，还需具备良好的冷热变形能力和优良的焊接性能。在现有技术中，转换法兰锻件的锻造成本高昂，使用寿命短。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明公开了一种壳体锻件的锻造及热处理工艺。
本发明所采用的技术方案如下：
一种壳体锻件的锻造及热处理工艺，包括以下步骤：
步骤1、对原材料进行熔炼；
步骤2、锻造加热；
步骤3、锻造；锻造过程包括两个火次；
(1)第一火次：锻造温度为1180～1200℃；在第一火次中，将钢锭依次拔长、镦粗、拔长、镦粗；终锻温度≥850℃；完成第一火次后，将钢锭放入锻造加热炉中进行加热，加热温度为1200℃；加热时间与钢锭厚度正相关，每100mm厚度的钢锭加热0.5～0.8h；
(2)第二火次；锻造温度为1150～1180℃；在第二火次中，将钢锭拔长后镦粗成型；终锻温度≥800℃；完成第二火次后，将锻件空冷；
步骤4、热处理；步骤4具体包括：
(1)锻后正火处理：将锻件装于热处理炉进行正火处理；正火温度为880～900℃，正火锅城中的保温时间与锻件厚度正相关，每1mm厚度的锻件保温1.5～2min；之后将锻件空冷；
(2)对锻件进行机械粗加工；
(3)调质过程；调质过程中奥氏体化温度为840～870℃，保温时间与锻件厚度正相关，每1mm厚度的锻件保温1.5～1.7min；保温结束后出炉将锻件淬火；淬火之后将锻件入炉做回火处理；回火温度为630～690℃，回火过程的保温时间与锻件厚度正相关，每1mm厚度的锻件保温2.5～3min；
步骤5、对锻件进行机械精加工。
其进一步的技术方案为，所述壳体锻件中各化学元素的成份重量百分比为：C：0.26～0.30％，Mn：0.80～1.00％，P：≤0.012％，S≤0.010％，Si：0.20～0.35％，Cr：0.80～1.00％，Ni：0.65～0.95％，Mo：0.20～0.30；余量为Fe及杂质。
其进一步的技术方案为，所述步骤1包括对原材料进行EF+LF+VD的处理过程。
其进一步的技术方案为，所述步骤2具体包括：(1)装炉；装炉温度≤500℃；(2)升温；升温速度＜150℃/H；(3)保温；分阶段进行保温，第一阶段保温温度为850℃；第二阶段保温温度为1200℃；每个保温阶段的保温时间与钢锭厚度正相关，每100mm厚度的钢锭保温0.5～1h。
其进一步的技术方案为，所述步骤3的第一火次中，总拔长比＞4；总镦粗比＞4。
其进一步的技术方案为，所述步骤3的第二火次中，拔长比＞2，镦粗比＞2。
其进一步的技术方案为，所述步骤3中，完成第二火次后，将锻件空冷至锻件温度≤500℃。
其进一步的技术方案为，所述步骤4中，淬火时，将锻件放入流动水中冷却；锻件出炉到冷却的间隔时间≤2min；淬火后冷却水的水温≤45℃。
其进一步的技术方案为，在所述步骤4中，第(3)步重复进行；所述调质、保温和淬火过程的重复次数≤2。
本发明的有益效果如下：
本发明通过改善钢锭成分及组织和锻造工艺来提高锻件内在质量，细化晶粒，提高整体机械性能，消除不均匀性。使用本发明所述的技术方案生产的锻件提高产品的使用寿命大幅增加，可以达到至少10年。
具体的：
1、本发明通过熔炼步骤，将锻件中的化学元素的组份严格控制在要求范围内，相对于现有技术中的标准文件号为API 16A的行业标准来说，本发明调整了Mn，Ni，Cr，Mo含量，适当将上述元素的含量做了提高，此四种元素有效提高调质过程中钢的淬透性，并且可起到细化晶粒的作用。
2、本发明通过锻造加热步骤，有效减少了钢锭中的高温铁素体组织，优化了钢锭的锻造性能。
3、本发明的锻造包括两次火次过程，第一火次使得锻件达到了加大的锻造比，通过大的锻比改善钢的内部质量，消除铸态组织。使得锻件内部组织均匀，改善或消除疏松及偏析现象。材料内部夹杂物也可有效锻小或锻碎。同时经过控制火次间的加热及终锻温度使锻件晶粒度更加细化。锻件晶粒细化可提高各方面性能如提高韧性，增加抗疲劳性从而提高使用寿命。
4、本发明在锻造后的热处理步骤中，正火保证了锻件的晶粒更均匀细化。淬火时控制入水时间及冷却液温度来保证锻件的淬火效果，充足的回火保温时间保证锻件内部应力消除的更好。
附图说明
图1为本发明的流程图。
具体实施方式
下面结合附图，说明本实施例的具体实施方式。
图1为本发明的流程图。
步骤1、对原材料进行熔炼，得到熔炼后的钢锭。具体的，在步骤1中对原材料进行EF+LF+VD的处理过程，也就是对原材料依次进行电弧炉熔炼、钢包精炼炉吹氩搅拌精炼以及真空脱气处理工艺。通过EF+LF+VD的处理过程，将原材料的所有组份严格控制在要求范围内。
相对于现有技术中标准号为API 16A的行业标准，本发明通过步骤1提高了Mn，Ni，Cr，Mo含量，这是现有技术中的标准中未有要求的。此几种元素有效提高调质过程中锻件淬透性，保证了产品硬度更加均匀，提高了锻件在调质后硬度的有效深度，使得锻件整体性能更加可靠。同时增加的金属元素可起到细化晶粒的作用，提高了产品使用过程中的抗疲劳性能。
步骤2、锻造加热。具体的，步骤2包括：
(1)装炉；钢锭进行锻造加热之前的装炉温度≤500℃。
(2)升温；升温速度＜150℃/H；
(3)保温；分阶段进行保温，第一阶段保温温度为850℃，第二阶段保温温度为1200℃；每阶段的保温时间与钢锭厚度正相关，每100mm厚度的钢锭加热0.5～1h。
步骤3、锻造；锻造过程包括两个火次。
(1)第一火次：锻造温度为1180～1200℃；在第一火次中，将钢锭依次拔长、镦粗、拔长、镦粗；终锻温度≥850℃；完成第一火次后，将钢锭放入锻造加热炉中进行加热，加热温度为1200℃；加热时间与钢锭厚度正相关，每100mm厚度的钢锭加热0.5～0.8h；
优选的，在第一火次中，总拔长比＞4；总镦粗比＞4。
(2)第二火次；锻造温度为1150～1180℃；在第二火次中，将钢锭拔长后镦粗成型；终锻温度≥800℃；完成第二火次后，将锻件进行空冷。空冷是指将锻件放置在空气中自然冷却。
优选的，在第二火次中，拔长比＞2，镦粗比＞2。
锻造温度需控制在钢锻造性能最好的区间。其中锻造的第一火次是为了达到加大的锻造比，通过大的锻比改善钢的内部质量，消除铸态组织。使得锻件内部组织均匀，改善或消除疏松及偏析现象。材料内部夹杂物也可有效锻小或锻碎。同时经过控制各火次间的加热及终锻温度使锻件晶粒度细化并有效控制锻件晶粒细化可提高各方面性能如提高韧性，增加抗疲劳性从而提高使用寿命。
步骤4、热处理。步骤4具体包括：
(1)锻后正火处理：锻后空冷锻件温度≤500℃，立即将锻件装热处理炉进行正火处理。正火温度为880～900℃。正火过程的保温时间与锻件壁厚正相关，每1mm厚度的锻件保温1.5～1.7min；之后将锻件空冷。
(2)对锻件进行机械粗加工。
(3)调质过程；调质过程中奥氏体化温度为840～870℃，保温时间与锻件厚度正相关，每1mm厚度的锻件保温1.5～1.7min；保温结束后出炉将锻件淬火；淬火之后将锻件入炉做回火处理；回火温度为630～690℃，保温时间与锻件厚度正相关，每1mm厚度的锻件保温2.5～3min；
在淬火过程中，将锻件放入流动水中冷却；锻件出炉到冷却的间隔时间≤2min；淬火后水温≤45℃。
步骤4中，为了达到更好的效果，第(3)步可以重复进行，其中调质、保温和淬火过程的重复次数≤2，而回火的重复次数不限。以最终达到良好的热处理效果为目的。
步骤4的热处理工序中，正火保证了锻件的晶粒更均匀细化。淬火时控制入水时间，及冷却水的温度来保证锻件的淬火效果。。充足的回火保温时间保证锻件内部应力消除的更好。
步骤5、对锻件进行机械精加工。
经过上述步骤，所得到的壳体锻件中各化学元素的成份重量百分比为：C：0.26～0.30％，Mn：0.80～1.00％，P：≤0.012％，S≤0.010％，Si：0.20～0.35％，Cr：0.80～1.00％，Ni：0.65～0.95％，Mo：0.20～0.30；余量为Fe及杂质
以下用三个实施例来说明本发明的锻造过程：
实施例1的锻造过程包括：
步骤1、对原材料进行熔炼，得到熔炼后的钢锭。具体的，在步骤1中对原材料进行EF+LF+VD的处理过程。
步骤2、锻造加热。具体的，步骤2包括：
(1)装炉；钢锭进行锻造加热之前的装炉温度为480℃。
(2)升温；升温速度为135℃/H；
(3)保温；分阶段进行保温。钢锭厚度为900mm，第一阶段保温温度为850℃，保温时间为4.5h。第二阶段升温至1200℃，保温时间为5h。
步骤3、锻造；锻造过程包括两个火次。
第一火次：锻造温度为1180℃；在第一火次中，将钢锭依次拔长，镦粗，拔长，镦粗，总拔长比为4.5；总镦粗比为4.6，终锻温度为880℃；完成第一火次后，将钢锭放入锻造加热炉中进行加热，加热温度为1200℃，加热时间为4h，钢锭厚度为800mm。
第二火次；锻造温度为1150℃；在第二火次中，将钢锭进行拔长再镦粗成型，拔长比为2.5，镦粗比为2.1。终锻温度为815℃；完成第二火次后，将锻件空冷。
步骤4、热处理。
(1)锻后正火处理：锻后空冷至385℃，立即装热处理炉进行正火处理。正火温度为890℃，保温时间为23h，锻件厚度为810mm，之后将锻件空冷。
(2)对锻件进行机械粗加工。
(3)调质过程；调质过程中奥氏体化温度为870℃，保温时间为5h，锻件壁厚为235mm。保温结束后出炉将锻件淬火；淬火时，将锻件放入流动水中冷却，淬火之后将锻件入炉做回火处理。回火温度为640℃，保温时间为10h，锻件壁厚为235mm。在淬火过程中，锻件出炉到冷却的间隔时间为2min；冷却液的温度在25℃，淬火后锻件温度为28℃。
步骤5、对锻件进行机械精加工。
在实施例1中，锻件的化学成分如表1所示。锻件的机械性能如表2所示，表2中的机械性能数据是在锻件本体上取一组拉伸式样，一组冲击式样(冲击测试温度为-29℃)，拉伸试样及冲击试样均取自锻件表面以下40mm处。其中冲击值有三个。锻件的硬度值如表3所示，在表3中，检测了锻件表面硬度的三组数据，表3中的硬度值单位为HBW。
表1实施例1中所得到的锻件的化学成分
C Mn P S Si Cr Ni Mo V Cu
0.27 0.90 0.012 0.005 0.25 0.90 0.70 0.25 0.01 0.05
表2实施例1中所得到的锻件的机械性能
表3实施例1中所得到的锻件的硬度
序号 1 2 3
硬度值 229 230 228
如表1～表3所示，可知，在实施例1中，由于Cr，Mn，Ni，Mo元素含量的调整，有效提高调质过程中锻件淬透性，并且可起到细化晶粒的作用。且实施例1的整体机械性能有所提成，特别是冲击功有了明显的提升。一般标准材料调质后仅表面取样可达到如此效果，同位置取样冲击值下降明显。
实施例2：
实施例2的锻造过程包括：
步骤1、对原材料进行熔炼，得到熔炼后的钢锭。具体的，在步骤1中对原材料进行EF+LF+VD的处理过程。
步骤2、锻造加热。具体的，步骤2包括：
(1)装炉；钢锭进行锻造加热之前的装炉温度为420℃。
(2)升温；升温速度为145℃/H；
(3)保温；分阶段进行保温。钢锭厚度为900mm，第一阶段保温温度为850℃，保温时间为4.5h。第二阶段升温至1200℃，保温时间为6h。
步骤3、锻造；锻造过程包括两个火次。
第一火次：锻造温度为1170℃；在第一火次中，将钢锭依次拔长，镦粗，拔长，镦粗，总拔长比为4.2，总镦粗比为4.2；终锻温度为860℃；完成第一火次后，将钢锭放入锻造加热炉中进行加热，加热温度为1200℃，加热时间为4h，钢锭厚度为800mm。
第二火次；锻造温度为1160℃；在第二火次中，将钢锭进行拔长镦粗成型，拔长比为2.8，镦粗比为2.1；终锻温度为805℃；完成第二火次后，将锻件空冷。
步骤4、热处理。步骤4具体包括：
(1)锻后正火处理：将完成第二火次的锻件空冷至350℃，立即装热处理炉进行正火处理。正火温度为880℃，保温时间为20h，锻件壁厚为780mm，之后将锻件空冷。
(2)对锻件进行机械粗加工。
(3)调质过程；调质过程中奥氏体化温度为870℃，保温时间为5h，锻件壁厚为215mm。保温结束后出炉将锻件淬火；淬火时，将锻件放入流动水中冷却，淬火之后将锻件入炉做回火处理。回火温度为640℃，保温时间为10h，锻件壁厚为215mm。在淬火过程中，锻件出炉到冷却的间隔时间为0.5min；冷却液的温度在25℃，淬火后锻件温度为28℃。
步骤5、对锻件进行机械精加工。
在实施例2中，锻件的化学成分如表4所示。锻件的机械性能如表5所示，表5中的机械性能数据是在锻件本体上取一组拉伸式样，一组冲击式样(冲击测试温度为-29℃)，拉伸试样及冲击试样均取自锻件表面以下40mm处。其中冲击值有三个。锻件的硬度值如表6所示，在表6中，检测了锻件表面硬度，表6所示的硬度值单位为HBW。
表4实施例2中所得到的锻件的化学成分
C Mn P S Si Cr Ni Mo V Cu
0.28 0.91 0.013 0.004 0.25 0.90 0.69 0.27 0.012 0.04
表5实施例2中所得到的锻件的机械性能
表6实施例2中所得到的锻件的硬度
序号 1 2 3
硬度值 229 230 232
如表4～表6所示，可知，在实施例2中，由于Cr，Mn，Ni，Mo元素含量的调整，有效提高调质过程中锻件淬透性，并且可起到细化晶粒的作用。且实施例2的整体机械性能有所提成，特别是冲击功有了明显的提升。一般标准材料调质后仅表面取样可达到如此效果，同位置取样冲击值下降明显。
实施例3：
实施例3的锻造过程包括：
步骤1、对原材料进行熔炼，得到熔炼后的钢锭。具体的，在步骤1中对原材料进行EF+LF+VD的处理过程。
步骤2、锻造加热。具体的，步骤2包括：
(1)装炉；钢锭进行锻造加热之前的装炉温度为400℃。
(2)升温；升温速度120℃/H；
(3)保温；分阶段进行保温，钢锭厚度为900mm。第一阶段保温温度为850℃，保温时间为6h。第二阶段升温至1200℃，保温时间为9h。
步骤3、锻造；锻造过程包括两个火次。
第一火次：锻造温度为1200℃；在第一火次中，将钢锭依次拔长，镦粗，拔长，镦粗；总拔长比为4.6，总镦粗比为4.3；终锻温度865℃；完成第一火次后，将钢锭放入锻造加热炉中进行加热，加热温度为1180℃，加热温度为1200℃，加热时间为7h，钢锭厚度为800mm。
第二火次；锻造温度为1180℃；在第二火次中，将钢锭进行拔长后镦粗成型；拔长比为2.5，镦粗比为2.0，终锻温度为810℃；完成第二火次后，完成第二火次后，将锻件空冷。
步骤4、热处理。步骤4具体包括：
(1)锻后正火处理：锻后空冷至400℃，立即装热处理炉进行正火处理。正火温度为900℃，保温时间为25h，锻件壁厚为975mm，之后将锻件空冷。
(2)对锻件进行机械粗加工。
(3)调质过程；调质过程中奥氏体化温度为870℃，保温时间为5h，锻件壁厚为315mm。保温结束后出炉将锻件淬火；淬火时，将锻件放入流动水中冷却，淬火之后将锻件入炉做回火处理。回火温度为640℃，保温时间为10h，锻件壁厚为315mm。在淬火过程中，锻件出炉到冷却的间隔时间为1min；冷却液的温度为26℃，淬火后锻件温度为41℃。
步骤5、对锻件进行机械精加工。
在实施例3中，锻件的化学成分如表7所示。锻件的机械性能如表8所示，表8中的机械性能数据是在锻件本体上取一组拉伸式样，一组冲击式样(冲击测试温度为-29℃)，拉伸试样及冲击试样均取自锻件表面以下40mm处。其中冲击值有三个。锻件的硬度值如表9所示，在表9中，检测了锻件表面硬度，所示的硬度值单位为HBW。
表7实施例3中所得到的锻件的化学成分
C Mn P S Si Cr Ni Mo V Cu
0.27 0.88 0.010 0.005 0.24 0.91 0.72 0.25 0.01 0.03
表8实施例3中所得到的锻件的机械性能
表9实施例3中所得到的锻件的硬度
序号 1 2 3
硬度值 234 234 232
如表7～表8所示，可知，在实施例3中，由于Cr，Mn，Ni，Mo元素含量的调整，有效提高调质过程中锻件淬透性，并且可起到细化晶粒的作用。且实施例2的整体机械性能有所提成，特别是冲击功有了明显的提升。一般标准材料调质后仅表面取样可达到如此效果，同位置取样冲击值下降明显。
由以上三个实施例可知，使用本发明的工艺流程，可通过改善钢锭成分及组织和锻造工艺来提高锻件内在质量，细化晶粒，提高整体机械性能，消除不均匀性。使用本发明所述的技术方案生产的锻件提高产品的使用寿命大幅增加，可以达到至少10年。
以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在不违背本发明的基本结构的情况下，本发明可以作任何形式的修改。

Claims (9)

1.一种壳体锻件的锻造及热处理工艺，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、对原材料进行熔炼；
步骤2、锻造加热；
步骤3、锻造；锻造过程包括两个火次；
(1)第一火次：锻造温度为1180～1200℃；在第一火次中，将钢锭依次拔长、镦粗、拔长、镦粗；终锻温度≥850℃；完成第一火次后，将钢锭放入锻造加热炉中进行加热，加热温度为1200℃；加热时间与钢锭厚度正相关，每100mm厚度的钢锭加热0.5～0.8h；
(2)第二火次；锻造温度为1150～1180℃；在第二火次中，将钢锭拔长后镦粗成型；终锻温度≥800℃；完成第二火次后，将锻件空冷；
步骤4、热处理；步骤4具体包括：
(1)锻后正火处理：将锻件装于热处理炉进行正火处理；正火温度为880～900℃，正火锅城中的保温时间与锻件厚度正相关，每1mm厚度的锻件保温1.5～2min；之后将锻件空冷；
(2)对锻件进行机械粗加工；
(3)调质过程；调质过程中奥氏体化温度为840～870℃，保温时间与锻件厚度正相关，每1mm厚度的锻件保温1.5～1.7min；保温结束后出炉将锻件淬火；淬火之后将锻件入炉做回火处理；回火温度为630～690℃，回火过程的保温时间与锻件厚度正相关，每1mm厚度的锻件保温2.5～3min；
步骤5、对锻件进行机械精加工。
2.如权利要求1所述的壳体锻件的锻造及热处理工艺，其特征在于，所述壳体锻件中各化学元素的成份重量百分比为：C：0.26～0.30％，Mn：0.80～1.00％，P：≤0.012％，S≤0.010％，Si：0.20～0.35％，Cr：0.80～1.00％，Ni：0.65～0.95％，Mo：0.20～0.30；余量为Fe及杂质。
3.如权利要求1所述的壳体锻件的锻造及热处理工艺，其特征在于，所述步骤1包括对原材料进行EF+LF+VD的处理过程。
4.如权利要求1所述的壳体锻件的锻造及热处理工艺，其特征在于，所述步骤2具体包括：(1)装炉；装炉温度≤500℃；(2)升温；升温速度＜150℃/H；(3)保温；分阶段进行保温，第一阶段保温温度为850℃；第二阶段保温温度为1200℃；每个保温阶段的保温时间与钢锭厚度正相关，每100mm厚度的钢锭保温0.5～1h。
5.如权利要求1所述的壳体锻件的锻造及热处理工艺，其特征在于，所述步骤3的第一火次中，总拔长比＞4；总镦粗比＞4。
6.如权利要求1所述的壳体锻件的锻造及热处理工艺，其特征在于，所述步骤3的第二火次中，拔长比＞2，镦粗比＞2。
7.如权利要求1所述的壳体锻件的锻造及热处理工艺，其特征在于，所述步骤3中，完成第二火次后，将锻件空冷至锻件温度≤500℃。
8.如权利要求1所述的壳体锻件的锻造及热处理工艺，其特征在于，所述步骤4中，淬火时，将锻件放入流动水中冷却；锻件出炉到冷却的间隔时间≤2min；淬火后冷却水的水温≤45℃。
9.如权利要求1所述的壳体锻件的锻造及热处理工艺，其特征在于，在所述步骤4中，第(3)步重复进行；所述调质、保温和淬火过程的重复次数≤2。
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