CN112458341A - 一种石油阀杆用合金材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种石油阀杆用合金材料，化学成分按重量百分比为：C：0.04‑0.08%，Si：≤0.35%，Mn：≤0.35%，P：≤0.015%，S：≤0.015%，Al：0.30‑0.80%，B：0.002‑0.006%，Cr：17.0‑21.0%，Mo：2.80‑3.30%，Ni：50.0‑55.0%，Nb+Ta：4.75‑5.50%，Ti：0.75‑1.15%，Pb：≤0.001%，Bi：≤0.0001%，Ag：≤0.0005%，Ca：≤0.01%，Mg：≤0.01%，Cu：≤0.20%，Co：≤1.0%，余量为Fe和不可避免的杂质。本发明采用真空冶炼和电渣重熔双联熔炼法，精炼加入Ni‑Mg合金脱氧，可提高合金纯度、减少杂质夹杂、保证合金脱气充分、金相组织和化学成分均匀，制备的合金材料具有优异的高温强度、耐磨损和耐腐蚀性能，应用于石油阀杆的制造中，可提高石油阀杆的综合性能，延长使用寿命。

Description

一种石油阀杆用合金材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及合金材料领域，尤其涉及一种石油阀杆用合金材料及其制备方法。
背景技术
阀杆是阀门的重要传动部件，其连接执行器或手柄，直接在阀芯下方移动或旋转，实现阀门的切换或调节。在阀门打开和关闭过程中，阀杆不仅是移动部件、受力部件，还是密封部件。同时，阀杆会受到介质的冲击和腐蚀，还会与介质之间产生摩擦。因此，在选择阀杆材料时，必须确保其在特定温度下具有足够的强度、良好的冲击韧性、耐磨损性和耐腐蚀性。而应用于石油生产、煤矿开采等行业的阀杆，需要具备更好的综合性能，目前的石油阀杆在恶劣环境中易出现腐蚀开裂现象，使用寿命不长。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种石油阀杆用合金材料及其制备方法，优化成分配比及制备工艺，提高合金的强度、耐磨损和耐腐蚀性能，延长阀杆的使用寿命。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种石油阀杆用合金材料，化学成分按重量百分比为：C：0.04-0.08%，Si：≤0.35%，Mn：≤0.35%，P：≤0.015%，S：≤0.015%，Al：0.30-0.80%，B：0.002-0.006%，Cr：17.0-21.0%，Mo：2.80-3.30%，Ni：50.0-55.0%，Nb+Ta：4.75-5.50%，Ti：0.75-1.15%，Pb：≤0.001%，Bi：≤0.0001%，Ag：≤0.0005%，Ca：≤0.01%，Mg：≤0.01%，Cu：≤0.20%，Co：≤1.0%，余量为Fe和不可避免的杂质。
优选地，所述石油阀杆用合金材料的化学成分按重量百分比为：C：0.04-0.06%，Si：≤0.30%，Mn：≤0.30%，P：≤0.010%，S：≤0.010%，Al：0.40-0.80%，B：0.003-0.005%，Cr：18.5-20.8%，Mo：2.90-3.20%，Ni：51.0 -54.5%，Nb+Ta：4.90-5.40%，Ti：0.85-1.10%，Pb：≤0.001%，Bi：≤0.0001%，Ag：≤0.0005%，Ca：≤0.01%，Mg：≤0.01%，Cu：≤0.20%，Co：≤1.0%，余量为Fe和不可避免的杂质。
优选地，所述石油阀杆用合金材料的化学成分按重量百分比为：C：0.04%，Si：0.30%，Mn：0.25%，P：0.008%，S：0.005%，Al：0.60%，B：0.004%，Cr：19.20%，Mo：3.05%，Ni：52.50%，Nb+Ta：5.10%，Ti：0.95%，Pb：0.001%，Bi：0.0001%，Ag： 0.0004%，Ca：0.01%，Mg：0.01%，Cu：0.15%，Co：0.90%，余量为Fe和不可避免的杂质。
优选地，所述石油阀杆用合金材料的化学成分按重量百分比为：C：0.05%，Si：0.28%，Mn：0.30%，P：0.010%，S：0.008%，Al：0.50%，B：0.005%，Cr：19.50%，Mo：3.10%，Ni：52.0%，Nb+Ta：5.20%，Ti：1.05%，Pb：0.001%，Bi：0.0001%，Ag：0.0005%，Ca：0.008%，Mg：0.008%，Cu：0.20%，Co：0.80%，余量为Fe和不可避免的杂质。
根据本发明的另一面，还提供一种石油阀杆用合金材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：原料准备：按照设计成分进行原料配比，所有原料磨光表面，烘烤后使用；
步骤S2：真空冶炼：原料装炉，熔化期真空度＜5Pa；精炼期真空度≤5Pa，精炼温度1480℃，精炼时间≥25分钟，期间采用不少于两次的高温瞬时精炼和一次低温长时精炼，提升钢温到1520℃持续1-2分钟，摇炉搅拌3-5分钟，再降低钢温到1480℃（刚结膜冲膜状态）低温；精炼期按顺序分批加入Al、Ti、Mn、B小料，合金化并控制成分；出钢前3-5分钟加入Ni-Mg合金用于脱氧，Ni-Mg合金的加入量为钢水重量的0.05%；出钢温度1480℃，浇注200kg电极，浇注后期充分补缩，浇铸完成10分钟后破空出模标识；
步骤S3：电渣重熔：清理电极表面杂质，端部切平，切除缩孔，渣料烘烤后使用；渣系配比：CaF2:Al2O3=80:20，电压55-60V，电流4500-5500A；电渣锭直径为220mm或240mm；电渣重熔后期充分补缩，确保无缩孔，空冷；
步骤S4：锻造：加热温度1140-1160℃，保温≥120分钟；始锻温度≥1100℃，终锻温度≥950℃；分多火锻造Φ78-80mm圆棒，定尺长度L=4000mm或2000mm倍尺，空冷；
步骤S5：热轧：热轧温度1140-1160℃，规格Φ30*6000mm；
步骤S6：固溶处理：热处理温度980-1040℃，保温90分钟以上，水冷；规格Φ30*6000mm；
步骤S7：剥皮抛光：规格Φ28*5800mm。
优选地，所述步骤S1中，原料镍板在780℃烘烤大于4小时。
优选地，所述步骤S2中，原料装炉顺序为：纯铁块和镍块加入真空冶炼炉坩埚底部，配入底碳，Mo、Nb、Cr装入坩埚中上部，其上再用镍板覆盖。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明对合金成分及制备工艺进行优化设计，制备的合金材料具有优异的高温强度、耐磨损和耐腐蚀性能；Cr在高温下能够形成Cr2O3氧化膜，能够有效地提高产品的高温强度、抗氧化性和抗腐蚀性，从而提高产品的使用寿命；Ni能提高合金的强度和耐热性能；Mo、Nb、Ta能使合金的晶粒细化，提高淬透性和热强性能，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力，提高合金抗腐蚀能力；Al、Ti作为脱氧剂加入，能够提高合金纯度，增强抗腐蚀、抗氧化能力；加入微量的B，可改善致密性和热轧性能，提高强度；本发明采用真空冶炼和电渣重熔双联熔炼法，精炼加入Ni-Mg合金脱氧，可提高合金纯度、减少杂质夹杂、保证合金脱气充分、金相组织和化学成分均匀；本发明的合金材料应用于石油阀杆的制造中，可提高石油阀杆的综合性能，延长使用寿命。
附图说明
图1为本发明的一种石油阀杆用合金材料的制备方法的流程图。
具体实施方式
为使对本发明的目的、构造、特征、及其功能有进一步的了解，兹配合实施例详细说明如下。
本发明的一种石油阀杆用合金材料，化学成分按重量百分比为：C：0.04-0.08%，Si：≤0.35%，Mn：≤0.35%，P：≤0.015%，S：≤0.015%，Al：0.30-0.80%，B：0.002-0.006%，Cr：17.0-21.0%，Mo：2.80-3.30%，Ni：50.0-55.0%，Nb+Ta：4.75-5.50%，Ti：0.75-1.15%，Pb：≤0.001%，Bi：≤0.0001%，Ag：≤0.0005%，Ca：≤0.01%，Mg：≤0.01%，Cu：≤0.20%，Co：≤1.0%，余量为Fe和不可避免的杂质。
优选地，石油阀杆用合金材料的化学成分按重量百分比为：C：0.04-0.06%，Si：≤0.30%，Mn：≤0.30%，P：≤0.010%，S：≤0.010%，Al：0.40-0.80%，B：0.003-0.005%，Cr：18.5-20.8%，Mo：2.90-3.20%，Ni：51.0 -54.5%，Nb+Ta：4.90-5.40%，Ti：0.85-1.10%，Pb：≤0.001%，Bi：≤0.0001%，Ag：≤0.0005%，Ca：≤0.01%，Mg：≤0.01%，Cu：≤0.20%，Co：≤1.0%，余量为Fe和不可避免的杂质。
本发明对合金材料的化学成分进行优化设计，使其具备优异的高温强度、耐磨损和耐腐蚀性能，使用寿命延长；Cr在高温下能够形成Cr2O3氧化膜，能够有效地提高产品的高温强度、抗氧化性和抗腐蚀性，从而提高产品的使用寿命；Ni能提高合金的强度和耐热性能；Mo、Nb、Ta能使合金的晶粒细化，提高淬透性和热强性能，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力，提高合金抗腐蚀能力；Co提高合金的高温强度；Al、Ti作为脱氧剂加入，能够提高合金纯度，增强抗腐蚀、抗氧化能力；加入微量的B，可改善致密性和热轧性能，提高强度。
请参见图1，根据本发明的另一面，还提供一种石油阀杆用合金材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：原料准备：按照设计成分进行原料配比，所有原料磨光表面，烘烤后使用；其中，原料镍板需在780℃烘烤大于4小时。配料过程需严格控制各元素的配入范围，确保电渣重熔过程中易烧损元素的控制合格，避免有害元素带入。磨光原料表面的操作，可去除各原料表面的氧化膜或杂质；将各原料进行烘烤，可减少冶炼时带入的气体，提高合金纯度，提升合金综合性能。
步骤S2：真空冶炼：原料装炉，装炉顺序为：纯铁块和镍块加入真空冶炼炉坩埚底部，配入底碳，Mo、Nb、Cr装入坩埚中上部，其上再用镍板覆盖；熔化期真空度＜5Pa；精炼期真空度≤5Pa，精炼温度1480℃，精炼时间≥25分钟，期间采用不少于两次的高温瞬时精炼和一次低温长时精炼，提升钢温到1520℃持续1-2分钟，摇炉搅拌3-5分钟，再降低钢温到1480℃（刚结膜冲膜状态）低温；精炼期按顺序分批加入Al、Ti、Mn、B小料，合金化并控制成分；出钢前3-5分钟加入Ni-Mg合金用于脱氧，Ni-Mg合金的加入量为钢水重量的0.05%；出钢温度1480℃，浇注200kg电极，浇注后期充分补缩，浇铸完成10分钟后破空出模标识。
精炼期采用不少于两次的高温瞬时精炼和一次低温长时精炼，加入Al、Ti等小料脱氧，加入Ni-Mg合金脱氧，可提高合金纯度，减少杂质含量，提升合金的高温强度、耐腐蚀和抗氧化性能，延长使用寿命。
步骤S3：电渣重熔：清理电极表面杂质，端部切平，切除缩孔，渣料烘烤后使用；渣系配比：CaF2:Al2O3=80:20，电压55-60V，电流4500-5500A；电渣锭直径为220mm或240mm；电渣重熔后期充分补缩，确保无缩孔，空冷。
步骤S4：锻造：加热温度1140-1160℃，保温≥120分钟；始锻温度≥1100℃，终锻温度≥950℃；分多火锻造Φ78-80mm圆棒，定尺长度L=4000mm或2000mm倍尺，空冷。
步骤S5：热轧：热轧温度1140-1160℃，规格Φ30*6000mm。
步骤S6：固溶处理：热处理温度980-1040℃，保温90分钟以上，水冷；规格Φ30*6000mm。
步骤S7：剥皮抛光：规格Φ28*5800mm。
本发明采用真空冶炼和电渣重熔双联熔炼法，精炼加入Ni-Mg合金脱氧，可提高合金纯度、减少杂质夹杂、保证合金脱气充分、金相组织和化学成分均匀；采用本发明制备的合金材料抗拉强度＞980N/mm2，屈服强度＞550 N/mm2，延伸率30-50%，布氏硬度＞670HB，具有良好的耐腐蚀和抗氧化性能，应用于石油阀杆的制造中，可提高石油阀杆的综合性能，延长使用寿命。
实施例1：
本发明实施例1的一种石油阀杆用合金材料的化学成分按重量百分比为：C：0.04%，Si：0.30%，Mn：0.25%，P：0.008%，S：0.005%，Al：0.60%，B：0.004%，Cr：19.20%，Mo：3.05%，Ni：52.50%，Nb+Ta：5.10%，Ti：0.95%，Pb：0.001%，Bi：0.0001%，Ag： 0.0004%，Ca：0.01%，Mg：0.01%，Cu：0.15%，Co：0.90%，余量为Fe和不可避免的杂质。
本发明实施例1的一种石油阀杆用合金材料的制备方法包括以下步骤：
步骤S1：原料准备：按照设计成分进行原料配比，所有原料磨光表面，烘烤后使用；其中，原料镍板需在780℃烘烤大于4小时。
步骤S2：真空冶炼：原料装炉，装炉顺序为：纯铁块和镍块加入真空冶炼炉坩埚底部，配入底碳，Mo、Nb、Cr装入坩埚中上部，其上再用镍板覆盖；熔化期真空度＜5Pa；精炼期真空度≤5Pa，精炼温度1480℃，精炼时间≥25分钟，期间采用不少于两次的高温瞬时精炼和一次低温长时精炼，提升钢温到1520℃持续1-2分钟，摇炉搅拌3-5分钟，再降低钢温到1480℃（刚结膜冲膜状态）低温；精炼期按顺序分批加入Al、Ti、Mn、B小料，合金化并控制成分；出钢前3-5分钟加入Ni-Mg合金用于脱氧，Ni-Mg合金的加入量为钢水重量的0.05%；出钢温度1480℃，浇注200kg电极，浇注后期充分补缩，浇铸完成10分钟后破空出模标识。
步骤S3：电渣重熔：清理电极表面杂质，端部切平，切除缩孔，渣料烘烤后使用；渣系配比：CaF2:Al2O3=80:20，电压55-60V，电流4500-5500A；电渣锭直径为220mm或240mm；电渣重熔后期充分补缩，确保无缩孔，空冷。
步骤S4：锻造：加热温度1140-1160℃，保温≥120分钟；始锻温度≥1100℃，终锻温度≥950℃；分多火锻造Φ78-80mm圆棒，定尺长度L=4000mm或2000mm倍尺，空冷。
步骤S5：热轧：热轧温度1140-1160℃，规格Φ30*6000mm。
步骤S6：固溶处理：热处理温度980-1040℃，保温90分钟以上，水冷；规格Φ30*6000mm。
步骤S7：剥皮抛光：规格Φ28*5800mm。
实施例2：
本发明实施例2的一种石油阀杆用合金材料的化学成分按重量百分比为：C：0.05%，Si：0.28%，Mn：0.30%，P：0.010%，S：0.008%，Al：0.50%，B：0.005%，Cr：19.50%，Mo：3.10%，Ni：52.0%，Nb+Ta：5.20%，Ti：1.05%，Pb：0.001%，Bi：0.0001%，Ag：0.0005%，Ca：0.008%，Mg：0.008%，Cu：0.20%，Co：0.80%，余量为Fe和不可避免的杂质。
本发明实施例2的一种石油阀杆用合金材料的制备方法包括以下步骤：
步骤S1：原料准备：按照设计成分进行原料配比，所有原料磨光表面，烘烤后使用；其中，原料镍板需在780℃烘烤大于4小时。
步骤S2：真空冶炼：原料装炉，装炉顺序为：纯铁块和镍块加入真空冶炼炉坩埚底部，配入底碳，Mo、Nb、Cr装入坩埚中上部，其上再用镍板覆盖；熔化期真空度＜5Pa；精炼期真空度≤5Pa，精炼温度1480℃，精炼时间≥25分钟，期间采用不少于两次的高温瞬时精炼和一次低温长时精炼，提升钢温到1520℃持续1-2分钟，摇炉搅拌3-5分钟，再降低钢温到1480℃（刚结膜冲膜状态）低温；精炼期按顺序分批加入Al、Ti、Mn、B小料，合金化并控制成分；出钢前3-5分钟加入Ni-Mg合金用于脱氧，Ni-Mg合金的加入量为钢水重量的0.05%；出钢温度1480℃，浇注200kg电极，浇注后期充分补缩，浇铸完成10分钟后破空出模标识。
步骤S3：电渣重熔：清理电极表面杂质，端部切平，切除缩孔，渣料烘烤后使用；渣系配比：CaF2:Al2O3=80:20，电压55-60V，电流4500-5500A；电渣锭直径为220mm或240mm；电渣重熔后期充分补缩，确保无缩孔，空冷。
步骤S4：锻造：加热温度1140-1160℃，保温≥120分钟；始锻温度≥1100℃，终锻温度≥950℃；分多火锻造Φ78-80mm圆棒，定尺长度L=4000mm或2000mm倍尺，空冷。
步骤S5：热轧：热轧温度1140-1160℃，规格Φ30*6000mm。
步骤S6：固溶处理：热处理温度980-1040℃，保温90分钟以上，水冷；规格Φ30*6000mm。
步骤S7：剥皮抛光：规格Φ28*5800mm。
综上所述，本发明对合金成分及制备工艺进行优化设计，制备的合金材料具有优异的高温强度、耐磨损和耐腐蚀性能；Cr在高温下能够形成Cr2O3氧化膜，能够有效地提高产品的高温强度、抗氧化性和抗腐蚀性，从而提高产品的使用寿命；Ni能提高合金的强度和耐热性能；Mo、Nb、Ta能使合金的晶粒细化，提高淬透性和热强性能，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力，提高合金抗腐蚀能力；Al、Ti作为脱氧剂加入，能够提高合金纯度，增强抗腐蚀、抗氧化能力；加入微量的B，可改善致密性和热轧性能，提高强度；本发明采用真空冶炼和电渣重熔双联熔炼法，精炼加入Ni-Mg合金脱氧，可提高合金纯度、减少杂质夹杂、保证合金脱气充分、金相组织和化学成分均匀；本发明的合金材料应用于石油阀杆的制造中，可提高石油阀杆的综合性能，延长使用寿命。
本发明已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本发明的范例。必需指出的是，已揭露的实施例并未限制本发明的范围。相反地，在不脱离本发明的精神和范围内所作的更动与润饰，均属本发明的专利保护范围。

Claims (7)

1.一种石油阀杆用合金材料，其特征在于：化学成分按重量百分比为：C：0.04-0.08%，Si：≤0.35%，Mn：≤0.35%，P：≤0.015%，S：≤0.015%，Al：0.30-0.80%，B：0.002-0.006%，Cr：17.0-21.0%，Mo：2.80-3.30%，Ni：50.0-55.0%，Nb+Ta：4.75-5.50%，Ti：0.75-1.15%，Pb：≤0.001%，Bi：≤0.0001%，Ag：≤0.0005%，Ca：≤0.01%，Mg：≤0.01%，Cu：≤0.20%，Co：≤1.0%，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述的石油阀杆用合金材料，其特征在于：化学成分按重量百分比为：C：0.04-0.06%，Si：≤0.30%，Mn：≤0.30%，P：≤0.010%，S：≤0.010%，Al：0.40-0.80%，B：0.003-0.005%，Cr：18.5-20.8%，Mo：2.90-3.20%，Ni：51.0-54.5%，Nb+Ta：4.90-5.40%，Ti：0.85-1.10%，Pb：≤0.001%，Bi：≤0.0001%，Ag：≤0.0005%，Ca：≤0.01%，Mg：≤0.01%，Cu：≤0.20%，Co：≤1.0%，余量为Fe和不可避免的杂质。
3.如权利要求1所述的石油阀杆用合金材料，其特征在于：化学成分按重量百分比为：C：0.04%，Si：0.30%，Mn：0.25%，P：0.008%，S：0.005%，Al：0.60%，B：0.004%，Cr：19.20%，Mo：3.05%，Ni：52.50%，Nb+Ta：5.10%，Ti：0.95%，Pb：0.001%，Bi：0.0001%，Ag： 0.0004%，Ca：0.01%，Mg：0.01%，Cu：0.15%，Co：0.90%，余量为Fe和不可避免的杂质。
4.如权利要求1所述的石油阀杆用合金材料，其特征在于：化学成分按重量百分比为：C：0.05%，Si：0.28%，Mn：0.30%，P：0.010%，S：0.008%，Al：0.50%，B：0.005%，Cr：19.50%，Mo：3.10%，Ni：52.0%，Nb+Ta：5.20%，Ti：1.05%，Pb：0.001%，Bi：0.0001%，Ag：0.0005%，Ca：0.008%，Mg：0.008%，Cu：0.20%，Co：0.80%，余量为Fe和不可避免的杂质。
5.一种石油阀杆用合金材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1：原料准备：按照设计成分进行原料配比，所有原料磨光表面，烘烤后使用；
步骤S2：真空冶炼：原料装炉，熔化期真空度＜5Pa；精炼期真空度≤5Pa，精炼温度1480℃，精炼时间≥25分钟，期间采用不少于两次的高温瞬时精炼和一次低温长时精炼，提升钢温到1520℃持续1-2分钟，摇炉搅拌3-5分钟，再降低钢温到1480℃（刚结膜冲膜状态）低温；精炼期按顺序分批加入Al、Ti、Mn、B小料，合金化并控制成分；出钢前3-5分钟加入Ni-Mg合金用于脱氧，Ni-Mg合金的加入量为钢水重量的0.05%；出钢温度1480℃，浇注200kg电极，浇注后期充分补缩，浇铸完成10分钟后破空出模标识；
步骤S3：电渣重熔：清理电极表面杂质，端部切平，切除缩孔，渣料烘烤后使用；渣系配比：CaF2:Al2O3=80:20，电压55-60V，电流4500-5500A；电渣锭直径为220mm或240mm；电渣重熔后期充分补缩，确保无缩孔，空冷；
步骤S4：锻造：加热温度1140-1160℃，保温≥120分钟；始锻温度≥1100℃，终锻温度≥950℃；分多火锻造Φ78-80mm圆棒，定尺长度L=4000mm或2000mm倍尺，空冷；
步骤S5：热轧：热轧温度1140-1160℃，规格Φ30*6000mm；
步骤S6：固溶处理：热处理温度980-1040℃，保温90分钟以上，水冷；规格Φ30*6000mm；
步骤S7：剥皮抛光：规格Φ28*5800mm。
6.如权利要求5所述的石油阀杆用合金材料的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中，原料镍板在780℃烘烤大于4小时。
7.如权利要求5所述的石油阀杆用合金材料的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中，原料装炉顺序为：纯铁块和镍块加入真空冶炼炉坩埚底部，配入底碳，Mo、Nb、Cr装入坩埚中上部，其上再用镍板覆盖。
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