CN111270058B - 马氏体沉淀硬化型不锈钢模块锻后热处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种马氏体沉淀硬化型不锈钢模块锻后热处理方法，包括锻后冷却以及退火步骤，其中：所述锻后冷却步骤中，采用强制水冷对锻后的不锈钢模块进行冷却；所述退火步骤中，对强制水冷后的不锈钢模块进行退火处理。本发明通过对材料特性和冷却过程中组织转变机理进行分析，采用强制水冷方法，缩短组织应力和热应力的持续释放时间，并在适当时间退火来进行消除避免不锈钢模块开裂。

Description

马氏体沉淀硬化型不锈钢模块锻后热处理方法
技术领域
本发明涉及不锈钢领域，特别涉及一种马氏体沉淀硬化型不锈钢模块锻后热处理方法。
背景技术
马氏体沉淀硬化型不锈钢材料具备优异的高强度、高纵横比、高韧性、高耐蚀性、高抗缺口敏感性、高蠕变性等特点。因此在油气开采领域为达到装备使用寿命要求，常选用沉淀硬化型不锈钢模块制作石油开采压裂泵，满足高交变压力、高磨损、高腐蚀等复杂环境的使用要求。
马氏体沉淀硬化型不锈钢模块规格尺寸较大，加热锻造成型后需要通过炉冷、空冷等不同方式冷却，在冷却过程中由于其特殊组织转变方式导致的组织应力和冷却过程中的热应力导致模块炸裂而报废。
发明内容
本发明的目的在于提供一种马氏体沉淀硬化型不锈钢模块锻后热处理方法，通过对材料特性和冷却过程中组织转变机理进行分析，采用一种特殊的锻后热处理方法，保证模块组织应力和热应力快的消除，模块不会炸裂。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种马氏体沉淀硬化型不锈钢模块锻后热处理方法，包括锻后冷却以及退火步骤，其中：所述锻后冷却步骤中，采用强制水冷对锻后的不锈钢模块进行冷却；所述退火步骤中，对强制水冷后的不锈钢模块进行退火处理。
在上述方法中，作为一种优选方式，所述退火步骤中，所述退火处理包括第一次退火和第二次退火。
在上述方法中，作为一种优选方式，所述第一次退火的退火温度为630℃～670℃。
在上述方法中，作为一种优选方式，所述锻后冷却步骤中，根据所述不锈钢模块的规格大小计算冷却的时间。
在上述方法中，作为一种优选方式，在所述锻后冷却步骤和所述退火步骤之间还包括复温步骤。
在上述方法中，作为一种优选方式，所述复温步骤为将强制水冷后的不锈钢模块复温至150℃-250℃，并在150℃-250℃的温度下保温2-4h。
在上述方法中，作为一种优选方式，所述不锈钢模块的厚度为400mm-700mm；优选地，所述不锈钢模块的生产规格的厚×宽×长不小于400mm×500mm×1000mm。
在上述方法中，作为一种优选方式，按重量百分比，所述不锈钢模块包括以下组分：C：≤0.07％、Si：≤1％、Mn：≤1％、Cr：14.5-17.5％、Ni：3.5-5.5％、Cu：2.5-5.4％、Nb：0.1-0.5％，余量为Fe和不可避免的杂质元素。
在上述方法中，作为一种优选方式，所述第二次退火的退火温度为630℃～670℃。
在上述方法中，作为一种优选方式，所述冷却是指出水后所述不锈钢模块的表面温度控制在60℃-120℃。
分析可知，本发明公开的一种马氏体沉淀硬化型不锈钢模块锻后热处理方法，采用强制水冷方法，缩短组织应力和热应力的持续释放时间，并在适当时间退火来进行消除避免不锈钢模块开裂。
具体实施方式
下面将结合实施例来详细说明本发明。各个示例通过本发明的解释的方式提供而非限制本发明。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本发明包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。
根据本发明的实施例，提供了一种马氏体沉淀硬化型不锈钢模块锻后热处理方法锻后冷却方法，本发明的马氏体沉淀硬化型不锈钢可以是本领域任何牌号的钢种，比如17-4PH、15-5PH、630/UNS S17400、XM-12/UNS S15500、SUS630、W.Nr.1.4542、Custom450、StainlessW、PH13-8Mo、Custom455、XM-13/UNS S13800、XM-16/UNS S45500、AFC77、PCR等。
作为一种优选实施方式，该不锈钢按质量百分比主要由以下化学成分组成：C：≤0.07％、Si：≤1％、Mn：≤1％、Cr：14.5-17.5％、Ni：3.5-5.5％、Cu：2.5-5.4％、Nb：0.1-0.5％，余量为Fe和不可避免的杂质元素。
马氏体沉淀硬化型不锈钢模块锻后热处理方法，包括锻后冷却、复温以及退火步骤，其中：
锻后冷却步骤中，采用强制水冷工艺，出水后不锈钢模块的表面温度控制在60℃-120℃(比如60℃、65℃、70℃、75℃、80℃、85℃、90℃、95℃、100℃、105℃、110℃、115℃、120℃)，根据不锈钢模块的规格大小计算冷却的时间。由于不锈钢模块的尺寸较大，模块的内外温度是有梯度的，通过监控模块的表面温度来判断最终模块内外一致后可达到的温度。表面温度过高，最终温度也会过高，不能达到应力逐步释放的效果。强制水冷时间由如下公式算出：L(mm)×0.16(min/mm)，L为不锈钢模块的厚度。
复温步骤中，即将经过锻后冷却步骤后的不锈钢模块进行加热，有利于消除组织应力和热应力。优选地，将出水后的不锈钢模块复温到150℃-250℃后，保温2h-4h(比如2h、2.5h、3h、3.5h、4h)，使不锈钢模块的应力得到逐步释放，避免由于释放不足或者释放过快而产生的模块开裂。
退火步骤中，退火包括第一次退火和第二次退火，第一次退火温度630℃～670℃(比如630℃、635℃、640℃、645℃、650℃、655℃、660℃、665℃、670℃)；
第二次退火温度630℃～670℃(比如630℃、635℃、640℃、645℃、650℃、655℃、660℃、665℃、670℃)，二次退火后，不锈钢模块的应力得到逐步释放，避免由于释放不足或者释放过快而产生的模块开裂。
两次退火时，在退火温度下保温后优选采用炉冷的方式进行冷却。
现有技术中，由于马氏体沉淀硬化型不锈钢模块规格较大，在冷却过程中无论采用空冷还是炉冷，冷却速度较慢，虽保证热应力得到有效释放。但马氏体沉淀硬化型不锈钢组织的特殊性决定无论冷却速度怎么控制最终获得的都是不平衡马氏体组织；在冷却过程中时间比较长，组织应力得不到及时释放，会产生组织应力占主导的应力开裂。
本发明方法特别适合厚度大于400mm的不锈钢模块的冷却及热处理，本申请公开的锻后热处理方法的马氏体沉淀硬化型不锈钢模块的厚度优选为400mm-700mm，更具体地，不锈钢模块的生产规格不小于400mm×500mm×1000mm(厚×宽×长)。热锻后采用强制水冷，缩短组织应力和热应力的持续释放时间，以实现组织应力和热应力快速消除，并采用两次退火来进一步消除组织应力和热应力避免模块开裂。
本发明方法中未详细描述的步骤和工艺为本领域常规工艺。
实施例1：
不锈钢模块的生产规格为厚×宽×长＝550mm×650mm×1600mm，钢成分如下：C：0.04％、Cr：14.85％、Ni：4.98％、Cu：3.32％、Nb：0.28％、Si：0.34％、Mn：0.65％马氏体沉淀硬化型不锈钢模块锻后热处理方法，包括如下步骤：
(1)锻后冷却步骤中，采用强制水冷，出水后不锈钢模块的表面温度控制在60℃，根据不锈钢模块的规格大小计算冷却的时间。
L(mm)×0.16(min/mm)＝550mm×0.16(min/mm)＝88min。
(2)复温步骤中，经过水冷步骤后的不锈钢模块复温到170℃，保温2h。
(3)退火步骤中，退火包括第一次退火和第二次退火，第一次退火温度650℃，第二次退火温度650℃。
经过上述步骤处理后，不锈钢模块的组织应力和热应力均消除良好，不锈钢模块没有开裂。
实施例2-3
实施例2-3中除锻后冷却步骤和退火步骤不同于实施例1以外，不锈钢模块的生产规格及钢成分与实施例1相同，实施例2-3得到的不锈钢模块均没有开裂。
表1实施例2-3中的工艺参数
Figure BDA0002378453540000041
对比例1-2
对比例1-2中除出水表面温度和复温温度不同于实施例1以外，其他步骤及钢成分与实施例1相同，对比例1-2得到的不锈钢模块均有裂纹产生。
表2对比例1-2中的工艺参数
Figure BDA0002378453540000051
由上表2的内容可知，对比例1中由于出水温度低，冷却时间太长，锻后冷却步骤中出水后的表面温度及不锈钢模块复温后的温度都过低，不锈钢模块的组织已经全部转变，应力已经全部释放并开裂；对比例2中由于冷却时间太短，锻后冷却步骤中出水后的表面温度及不锈钢模块复温后的温度都过高，不锈钢模块的组织转变较少，在退火过程中应力集中释放导致开裂。
对比例3-5
对比例3-5除以下表格中所用工艺与实施例1不同以外，其他工艺、模块规格和钢成分与实施例1相同，对比例3-5得到的不锈钢模块均有裂纹产生。
对比例 锻后冷却采用的方式强制水冷 第一次退火 第二次退火 裂纹
3 空冷 650℃ 650℃ 开裂
4 与实施例1相同 650℃ 无 开裂
5 炉冷 650℃ 650℃ 开裂
综上，本申请公开的锻后热处理方法的马氏体沉淀硬化型不锈钢模块的生产规格不小于400mm×500mm×1000mm，锻后采用强制水冷，缩短组织应力和热应力的持续释放时间，以实现组织应力和热应力快速消除，并采用两次退火来进一步消除组织应力和热应力避免模块开裂。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种马氏体沉淀硬化型不锈钢模块锻后热处理方法，其特征在于，包括锻后冷却以及退火步骤，其中：
所述锻后冷却步骤中，采用强制水冷对锻后的不锈钢模块进行冷却；
所述退火步骤中，对强制水冷后的不锈钢模块进行退火处理；
所述锻后冷却步骤和所述退火步骤之间还包括复温步骤，所述复温步骤为将强制水冷后的不锈钢模块复温至150℃-250℃，并在150℃-250℃的温度下保温2-4h；
所述冷却是指出水后所述不锈钢模块的表面温度控制在60℃-120℃；
所述不锈钢模块的厚度为400mm-700mm。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述退火步骤中，所述退火处理包括第一次退火和第二次退火。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，
所述第一次退火的退火温度为630℃～670℃。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述锻后冷却步骤中，根据所述不锈钢模块的规格大小计算冷却的时间。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述不锈钢模块的生产规格的厚×宽×长不小于400mm×500mm×1000mm。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，按重量百分比，所述不锈钢模块包括以下组分：C：≤0.07％、Si：≤1％、Mn：≤1％、Cr：14.5-17.5％、Ni：3.5-5.5％、Cu：2.5-5.4％、Nb：0.1-0.5％，余量为Fe和不可避免的杂质元素。
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第二次退火的退火温度为630℃～670℃。
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