CN110484806A - 一种深海采油装备用20Mn2锻件原料的生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种深海采油装备用20Mn2锻件原料的生产方法，其步骤为：1)选择坯钢；2)锻造：始锻温度为1220℃，终锻温度为750℃，锻造比≥4.3:1；3)锻后热处理：正火温度910±10℃，保温1.5～2.5h后空冷；4)性能热处理：升温至910±8℃，保温1.5～2.5h后入水冷却，回火温度为545±5℃，保温后空冷。获得锻件原料具有较高的强度、良好的塑韧性及低温冲击韧性等优点，可焊性好，是石油开采运输管道的重要连接部分。

Description

一种深海采油装备用20Mn2锻件原料的生产方法
技术领域
本发明具体涉及一种深海采油装备用20Mn2锻件原料的生产方法。
背景技术
20Mn2属于碳锰钢，通过添加少量Cr、Ni、Nb、V等合金元素实现多元微合金化，明显提高材料强度的同时保持良好的塑韧性及低温冲击韧性。这种材料价格便宜，可焊性好，是石油开采运输管道的重要连接部分。
采油设备用锻件的材料，主要有20Mn2、4140、F22、8630、410等材料，主要用于深海阀体、采油树阀体、连接器等。
采油对设备的要求是耐腐、耐压、抗冲击等。采油技术目前最先进的国家为美国，世界几大采油设备制造公司均在美国，如：NOV、DQ、FMC、CMR、BHGE等，而我们国内在这块几乎是空白。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种深海采油装备用20Mn2锻件原料的生产方法。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种深海采油装备用20Mn2锻件原料的生产方法，其步骤为：
1)坯钢选择：坯钢为完全镇静细化晶粒，底部浇铸；其碳当量(CEV)为：0.50～0.54；
按质量百分含量，坯钢的化学组成为：C：0.19～0.23％，Si：0.15～0.35％，Mn：1.35～1.50％，P：≤0.015％，S：≤0.015％，Cr：0.12～0.20％，Mo：0.01～0.06％，Ni：0.12～0.20％，Al：0.015～0.030％，Cu：≤0.20％，Nb：0.025～0.045％，Ti：≤0.010％，V：0.04～0.07％，B：≤0.0005％，Ca：≤0.005％，H：≤2ppm，O：≤20ppm，N：≤100ppm；其余元素为Fe和其他残余元素；
普通碳锰钢淬透性差，很难获得较高的综合力学性能，通过优化各元素配比来提高淬透性、进而得到较好的综合力学性能，用来制造综合力学性能要求更高的锻件；
Cr、Ni、Mo、Nb元素都是提高淬透性的元素，四种元素同时加入对提高淬透性的效果更为明显；Ni能提高钢的强度和韧性，提高淬透性；Mo可明显的提高钢的淬透性和热强性，防止回火脆性，能提高回火稳定性，V能细化钢的晶粒组织，提高钢的强度，韧性和对提高高温回火后的冲击轫性有很大的帮助，当它在高温熔入奥氏体时，可增加钢的淬透性；Nb能细化晶粒和降低钢的过热敏感性及回火脆性，提高强度；
2)锻造：始锻温度为1220℃，终锻温度为750℃，锻造比≥4.3:1；
所述的深海采油装备用20Mn2始锻温度为1220℃，超过1220℃容易造成过热，甚至过烧；根据坯料的大小确定合理的保温时间，合理的保温时间是保证晶粒不易粗大的基础；终锻温度为750℃，过低的终锻温度增加零件开裂的可能性，过高易造成晶粒粗大；锻造比必须保证≥4.3:1，可确保锻造后结构紧密，而且能打碎粗大的奥氏体晶粒，夹杂物弥散分布，消除带状组织，减轻各向异性；在锻造温度750～800℃时，采用轻打快锻的锻造工艺，可以使晶粒更细小，对提高力学性能奠定基础；
3)锻后热处理：正火温度910±10℃，保温1.5～2.5h，然后空冷；
4)性能热处理：升温速度控制≤200℃/h，升温至910±8℃，保温1.5～2.5h，充分奥氏体化，保温后快速入水冷却，冷却时控制入水水温≥900℃，出水水温≤100℃，搅拌冷却水消除工件表面产生的蒸汽膜，保证有较好的冷却效果，提高工件淬火质量；回火温度为545±5℃，保温3～4h空冷；这样可得到回火索氏体金相组织，使产品具有较高的强度、较好的塑韧性及低温韧性等性能。
20Mn2这种材料淬透性一般，要获得高的性能不仅要完善锻造工艺，而且还需良好的锻后热处理工艺和性能热处理工艺，目的得到细小晶粒和提高淬硬层深度。采用完全奥氏体区加热淬火+回火工艺技术，可以达到产品的较高综合性能。
有益效果：通过本申请公开的技术方案，通过精炼钢坯配方、优化锻造工艺技术及热处理工艺，使得所述的深海采油装备用20Mn2锻件原料的晶粒细化、淬透性提高、综合力学性能提高；获得的深海采油装备用20Mn2锻件原料具有较高的强度、良好的塑韧性及低温冲击韧性等优点，可焊性好，是石油开采运输管道的重要连接部分。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的方法予以进一步地说明，但并不因此而限制本发明。
所述的深海采油装备用20Mn2锻件原料的生产方法，其步骤为：
1)坯钢选择：坯钢为完全镇静细化晶粒，底部浇铸；其碳当量(CEV)为：0.50～0.54；CEV＝C+Mn/6+(Cu+Ni)/15+(Cr+Mo+V)/5；
按质量百分含量，坯钢的化学组成为：C：0.19～0.23％，Si：0.15～0.35％，Mn：1.35～1.50％，P：≤0.015％，S：≤0.015％，Cr：0.12～0.20％，Mo：0.01～0.06％，Ni：0.12～0.20％，Al：0.015～0.030％，Cu：≤0.20％，Nb：0.025～0.045％，Ti：≤0.010％，V：0.04～0.07％，B：≤0.0005％，Ca：≤0.005％，H：≤2ppm，O：≤20ppm，N：≤100ppm；其余元素为Fe和其他残余元素；
2)锻造：始锻温度为1220℃，终锻温度为750℃，锻造比≥4.3:1；
所述的深海采油装备用20Mn2始锻温度为1220℃，超过1220℃容易造成过热，甚至过烧；根据坯料的大小确定合理的保温时间，合理的保温时间是保证晶粒不易粗大的基础；终锻温度为750℃，过低的终锻温度增加零件开裂的可能性，过高易造成晶粒粗大；锻造比必须保证≥4.3:1，可确保锻造后结构紧密，而且能打碎粗大的奥氏体晶粒，夹杂物弥散分布，消除带状组织，减轻各向异性；在锻造温度750～800℃时，采用轻打快锻的锻造工艺，可以使晶粒更细小，对提高力学性能奠定基础；
3)锻后热处理：正火温度910±10℃，保温1.5～2.5h，然后空冷；
20Mn2这种材料淬透性一般，要获得高的性能不仅要完善锻造工艺，而且还需良好的锻后热处理工艺和性能热处理工艺，目的得到细小晶粒和提高淬硬层深度。采用完全奥氏体区加热淬火+回火工艺技术，可以达到产品的较高综合性能；
4)性能热处理：升温速度控制≤200℃/h，升温至910±8℃，保温1.5～2.5h，充分奥氏体化，保温后快速入水冷却，冷却时严格控制入水水温≥900℃，出水水温≤100℃，冷却水要强力搅拌，消除工件表面产生的蒸汽膜，确保有较好的冷却效果，提高工件淬火质量；回火温度为545±5℃，保温3～4h空冷；这样可得到回火索氏体金相组织，使产品具有较高的强度、较好的塑韧性及低温韧性等性能；
所述的深海采油装备用20Mn2锻件原料的技术指标：
指标项目 本产品 指标值
抗拉强度σb/MPa 695 ≥600
屈服强度σ0.2/MPa 555 ≥517
硬度/HB 255/253/253 /
伸长率δ/％ 24 18
断面收缩率ψ/％ 67 30
冲击韧性(-18℃)KV2 68/65/66 ≥21
所述的深海采油装备用20Mn2锻件原料的性能完全达到美国BHGE公司的标准。试制产品产经张家港市海宇金属材料研究有限公司检测，各项指标均已符合美国ASTM A370-11标准。

Claims (5)

1.一种深海采油装备用20Mn2锻件原料的生产方法，其步骤为：
1)坯钢选择：按质量百分含量，坯钢的化学组成为：C：0.19～0.23％，Si：0.15～0.35％，Mn：1.35～1.50％，P：≤0.015％，S：≤0.015％，Cr：0.12～0.20％，Mo：0.01～0.06％，Ni：0.12～0.20％，Al：0.015～0.030％，Cu：≤0.20％，Nb：0.025～0.045％，Ti：≤0.010％，V：0.04～0.07％，B：≤0.0005％，Ca：≤0.005％，H：≤2ppm，O：≤20ppm，N：≤100ppm；其余元素为Fe和其他残余元素；
2)锻造：始锻温度为1220℃，终锻温度为750℃，锻造比≥4.3:1；
3)锻后热处理：正火温度910±10℃，保温1.5～2.5h，然后空冷；
4)性能热处理：升温速度控制≤200℃/h，升温至910±8℃，保温1.5～2.5h后入水冷却，搅拌冷却水，消除工件表面产生的蒸汽膜；回火温度为545±5℃，保温3～4h后空冷。
2.根据权利要求1所述的一种深海采油装备用20Mn2锻件原料的生产方法，其特征在于：所述的步骤1)坯钢选择，其碳当量为：0.50～0.54。
3.根据权利要求1所述的一种深海采油装备用20Mn2锻件原料的生产方法，其特征在于：所述的步骤1)坯钢选择中，所述的坯钢为完全镇静细化晶粒。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种深海采油装备用20Mn2锻件原料的生产方法，其特征在于：所述的步骤4)性能热处理中，冷却时控制入水水温≥900℃，控制出水水温≤100℃。
5.根据权利要求1、2或3所述的一种深海采油装备用20Mn2锻件原料的生产方法，其特征在于：所述的步骤2)锻造中，在锻造温度750～800℃时，采用轻打快锻的锻造工艺。
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