CN114318139A - 一种泥浆泵阀体用高强度金属材料配方 - Google Patents

Abstract

本发明涉及阀体材料领域，公开了一种泥浆泵阀体用高强度金属材料配方。该材料配方按下述重量比例组分熔炼而成：C：0.3％‑0.35％、S：0.007％‑0.011％、P：0.006％‑0.009％、Si：0.2％‑0.27％、Mn：0.45％‑0.5％、Cr：0.98％‑1.01％、Ni：2.66％‑2.83％、Mo：0.49％‑0.53％、V：0.06％‑0.1％，余量为Fe。通过优选低合金钢熔炼，采用控温控锻控冷的锻造方式，以及热处理工艺，以获得较高的强度和良好的韧性的泥浆泵阀体，使其晶粒组织重新排序，使晶粒进一步细化，使钢的性能得到最大限度的发挥。

Description

一种泥浆泵阀体用高强度金属材料配方

技术领域

本发明涉及阀体材料领域，特别涉及一种泥浆泵阀体用高强度金属材 料配方。

背景技术

目前，在石油、页岩气开采领域，压裂技术能够有效的提高石油、页 岩气的开采量，压裂泥浆泵是压裂开采过程中的关键设备。工业的发展加 速了对石油和天然气的消耗，为了提高油气产量，目前最有效的措施之一 是利用压裂技术扩大和疏通地层空隙来增加油气的渗透能力。压裂设备中， 高压阀体(泵头体)是压裂泵液力端的重要部件，也是易损件。在恶劣的 工作环境下，泵头体容易发生开裂，影响正常运作。

根据国家经济和社会发展规划纲要对改造提升制造业、优化结构、改 善品种质量、提高基础工艺、提高基础材料研发水平、实现关键零部件技 术自动化等方面的有关要求，特别是国家对石油油气井提升产能、增加产 量的要求越来越高，对压裂泥浆泵的技术要求也越来越高。压裂泥浆泵的 性能、质量和可靠性直接影响压裂实施过程的质量和进度，其中压裂泥浆 泵泵头体是压裂泥浆泵的重要结构。目前，压裂泥浆泵泵头体的强度、塑性和韧性低，耐腐蚀性能、耐磨性能等性能差，因此，现有的泵头体使用 寿命短，严重影响压裂实施过程的质量和进度，同时泵头体传统的锻造方 法通常为快段或自由锻，锻造温度难以保证，尺寸控制精度较差，容易出 现表面开裂的情形。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种泥浆泵阀体用高强度金属材 料配方，通过优选低合金钢熔炼，采用控温控锻控冷的锻造方式，以及热 处理工艺，以获得较高的强度和良好的韧性的泥浆泵阀体，使其晶粒组织 重新排序，使晶粒进一步细化，使钢的性能得到最大限度的发挥。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种泥浆泵阀体用高强度金属材料配方，该材料配方按下述重量比例 组分熔炼而成：C：0.3％-0.35％、S：0.007％-0.011％、P：0.006％-0.009％、 Si：0.2％-0.27％、Mn：0.45％-0.5％、Cr：0.98％-1.01％、Ni：2.66％-2.83％、 Mo：0.49％-0.53％、V：0.06％-0.1％，余量为Fe。

作为本发明的一种优选方案，该材料配方按下述重量比例组分熔炼而 成：C：0.35％、S：0.011％、P：0.009％、Si：0.27％、Mn：0.5％、Cr：1.01％、 Ni：2.83％、Mo：0.53％、V：0.1％，余量为Fe。

本发明的泥浆泵阀体的加工方法如下：

步骤1：选用高强度低合金钢经电弧炉冶炼、钢包精炼和双真空处理 得到熔炼液体；

步骤2：将所述熔炼液体浇筑到成型铸模中，得到固态加工体，采用 两墩拔方法将所述固态加工体进行锻造。

步骤3：将上述锻造成型的锻件，采用正火加淬火再加二次高温回火 热处理。

在步骤1中，选用所述高强度低合金钢中的P含量≤0.015％，S含量 ≤0.015％，P+S的含量＜0.025％；

在电炉出钢操作时，控制P的含量和出钢温度；精炼过程中，加入Cr、 Ni、Mo合金，进行调合金成分，并加入Ar气搅拌。

在步骤2中，固态加工体锻造温度＜Ac3；经扩氢退火在Ac3+70℃温 度下短时奥氏体化，再保温得到铁素体+珠光体的整合组织。

在步骤2后步骤3前，锻件先入炉均温，然后再炉冷，至过保温度。

在步骤3中，正火时的温度为Ac3+80℃；淬火时的温度为Ac3+40℃， 且先加热到650℃保温3h，然后升温至920℃保温6h后淬入不高于70℃的 水中。

该泥浆泵阀体经调质后屈服强度为903MPa、抗拉强度为1007MPa、延 伸率为20％、冲击功为102J。

综上所述，本发明具有如下有益效果：

(1)通过对P、S含量的把控，并严格选用高强度低合金钢，使该泥 浆泵阀体具有较高的强度、塑性、韧性、耐腐蚀性能和耐磨性能，提高其 使用寿命。

(2)通过控温控锻以及控冷的锻造方式，使其晶粒组织重新排序，使 晶粒进一步细化，以满足更高的机械性能要求。

(3)通过正火加淬火再加二次高温回火热处理，得到晶粒度大于7级 的回火索氏体组织，以满足细化晶粒和均匀组织的目的，提高了材料的抗 拉强度、冲击值和硬度。

具体实施方式

本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的 实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中 的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所 有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例中提供了一种泥浆泵阀体用高强度金属材料配方，该材料配 方按下述重量比例组分熔炼而成：C：0.3％-0.35％、S∶0.007％-0.011％、P： 0.006％-0.009％、Si：0.2％-0.27％、Mn：0.45％-0.5％、Cr：0.98％-1.01％、 Ni：2.66％-2.83％、Mo：0.49％-0.53％、V：0.06％-0.1％，余量为Fe。

实施例2

本实施例中提供了一种泥浆泵阀体用高强度金属材料配方，该材料配 方按下述重量比例组分熔炼而成：C：0.35％、S：0.011％、P：0.009％、Si： 0.27％、Mn：0.5％、Cr：1.01％、Ni：2.83％、Mo：0.53％、V：0.1％，余量为 Fe。

实施例3

本发明的泥浆泵阀体的加工方法如下：

步骤1：选用高强度低合金钢经电弧炉冶炼、钢包精炼和双真空处理 得到熔炼液体；

步骤2：将熔炼液体浇筑到成型铸模中，得到固态加工体，采用两墩 拔方法将固态加工体进行锻造。

步骤3：将上述锻造成型的锻件，采用正火加淬火再加二次高温回火 热处理。

其中，在步骤1中，由于钢中的P会导致钢材冷脆，S会导致钢材热 脆，P和S在钢液凝固过程中形成磷化物和硫化物在晶界沉淀，产生晶间 脆性，并且容易形成硫化物夹杂，严重影响钢的塑性韧性及疲劳性能。

因此，选用高强度低合金钢中的P含量≤0.015％，S含量≤0.015％， P+S的含量＜0.025％。

在电炉出钢操作时，控制P的含量和出钢温度；精炼过程中，加入Cr、 Ni、Mo合金，进行调合金成分，并加入Ar气搅拌。

根据上述的合金成分，泥浆泵阀体能够承受重载，且不易发生损坏， 并具备高强度、高韧性及可靠性。

在步骤2中，采用二次墩拔方法，是为了保证胚料达到锻件成型所需 的尺寸，使胚料保持最佳的应力、应变状态，从而避免第一墩拔时锻合的 缺陷被拉开或产生新的锻造缺陷。

固态加工体锻造温度＜Ac3；再经扩氢退火在Ac3+70℃温度下短时奥 氏体化，再保温得到铁素体+珠光体的整合组织。

在锻造过程中，在锻件主变形时，利用动态再结晶机制消除铸态粗大 枝晶组织，获得相对细小的均匀组织。而在高温下金属流动性好，变形抗 力小，有利于大变形量锻造，压实锻件心部组织，并促使内部位错密度增 加，使后续采用较小的变形量即可发生动态再结晶。

在相同应变形率下，最后一火次的温度越低、变形量越大，晶粒越细 小。

由于晶粒较为粗大并且处于混晶状态，所以现有的锻件在锻造后不能 直接空冷至过冷保温温度。而在步骤2后步骤3前，锻件先入炉均温，然 后再炉冷，至过保温度，以使奥氏体尽量分解转变为珠光体或贝氏体，再 一下工序中升温正火达到充分细化晶粒的目的。其中，第一次过冷目的是 使锻造后组织充分发生转变。第二次过冷不仅有利于锻件内部氢的扩散， 而且可促使晶粒的进一步细化。所以确保得到均匀、细小的组织。

在步骤3中，锻造后采用高温正火，处理温度为Ac3+80℃，达到细化 晶粒，改善组织，增强泥浆泵阀体的韧性、改善材料的切削性能，为最终 热处理做好准备。

在淬火时的温度为Ac3+40℃，且先加热到650℃保温3h，然后升温至920℃保温6h后淬入不高于70℃的水中，其中，通过现有的材料30CrNi2MoV 的C曲线图，根据其表面硬度及淬硬层深度来确定淬火温度及介质。

在回火时的温度为Ac3+20℃，回火后检测不同深度的硬度及组织，根 据数据来调整合理的强韧匹配温度及保温时间。

该泥浆泵阀体经调质后屈服强度为903MPa、抗拉强度为1007MPa、延 伸率为20％、冲击功为102J。

本发明中通过对P、S含量的把控，并严格选用高强度低合金钢，使该 泥浆泵阀体具有较高的强度、塑性、韧性、耐腐蚀性能和耐磨性能，提高 其使用寿命。通过控温控锻以及控冷的锻造方式，使其晶粒组织重新排序， 使晶粒进一步细化，以满足更高的机械性能要求。通过正火加淬火再加二 次高温回火热处理，得到晶粒度大于7级的回火索氏体组织，以满足细化 晶粒和均匀组织的目的，提高了材料的抗拉强度、冲击值和硬度。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使 用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显 而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的 情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的 这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的 范围。

Claims (8)

1.一种泥浆泵阀体用高强度金属材料配方，其特征在于，该材料配方按下述重量比例组分熔炼而成：C：0.3％-0.35％、S：0.007％-0.011％、P：0.006％-0.009％、Si：0.2％-0.27％、Mn：0.45％-0.5％、Cr：0.98％-1.01％、Ni：2.66％-2.83％、Mo：0.49％-0.53％、V：0.06％-0.1％，余量为Fe。

2.根据权利要求1所述的泥浆泵阀体用高强度金属材料配方，其特征在于，该材料配方按下述重量比例组分熔炼而成：C：0.35％、S：0.011％、P：0.009％、Si：0.27％、Mn：0.5％、Cr：1.01％、Ni：2.83％、Mo：0.53％、V：0.1％，余量为Fe。

3.根据权利要求1所述的泥浆泵阀体用高强度金属材料配方，其特征在于，泥浆泵阀体的加工方法如下：

步骤1：选用高强度低合金钢经电弧炉冶炼、钢包精炼和双真空处理得到熔炼液体；

步骤2：将所述熔炼液体浇筑到成型铸模中，得到固态加工体，采用两墩拔方法将所述固态加工体进行锻造。

步骤3：将上述锻造成型的锻件，采用正火加淬火再加二次高温回火热处理。

4.根据权利要求3所述的泥浆泵阀体用高强度金属材料配方，其特征在于，在步骤1中，选用所述高强度低合金钢中的P含量≤0.015％，S含量≤0.015％，P+S的含量＜0.025％；

在电炉出钢操作时，控制P的含量和出钢温度；精炼过程中，加入Cr、Ni、Mo合金，进行调合金成分，并加入Ar气搅拌。

5.根据权利要求3所述的泥浆泵阀体用高强度金属材料配方，其特征在于，在步骤2中，固态加工体锻造温度＜Ac3；经扩氢退火在Ac3+70℃温度下短时奥氏体化，再保温得到铁素体+珠光体的整合组织。

6.根据权利要求3所述的泥浆泵阀体用高强度金属材料配方，其特征在于，在步骤2后步骤3前，锻件先入炉均温，然后再炉冷，至过保温度。

7.根据权利要求3所述的泥浆泵阀体用高强度金属材料配方，其特征在于，在步骤3中，正火时的温度为Ac3+80℃；淬火时的温度为Ac3+40℃，且先加热到650℃保温3h，然后升温至920℃保温6h后淬入不高于70℃的水中。

8.根据权利要求3所述的泥浆泵阀体用高强度金属材料配方，其特征在于，该泥浆泵阀体经调质后屈服强度为903MPa、抗拉强度为1007MPa、延伸率为20％、冲击功为102J。