CN114959238B - 一种大口径薄壁缸筒的热处理工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种大口径薄壁缸筒的热处理工艺，其特征在于：穿孔步骤：将原料电磁感应加热；芯棒穿过原料形成管件；第一次冷拔步骤：将管件加热后冷却；将管件冷拔；第二次冷拔步骤：将管件依次进行酸洗、水洗和风干；将管件冷拔；冷轧步骤：将管件冷轧；将管件切头尾；将管件退火处理后出炉冷却；对管件探伤。解决了现有方案中进行冷拔时或是进行轧制时，容易造成缸筒的表面损伤和拉伸变形的问题。

Description

一种大口径薄壁缸筒的热处理工艺
技术领域
本发明涉及热处理领域，尤其涉及一种大口径薄壁缸筒的热处理工艺。
背景技术
无缝钢管具有中空截面，钢管与圆钢等实心钢材相比，在抗弯抗扭强度相同时重量较轻，是一种经济截面钢材。对于尺寸较大的无缝钢管的加工，采用的加工步骤为是先进行穿孔加工、再进行冷拔加工。大型气缸的缸筒所采用的是无缝钢管，所采用的气缸缸筒直径尺寸较大，且缸筒壁厚较薄，使得缸筒的结构强度较弱。在进行冷拔时或是进行轧制时，容易造成缸筒的表面损伤和拉伸变形。这样的缸筒成品是不合格的。如何解决这个问题变得至关重要。
发明内容
针对上述现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种大口径薄壁缸筒的热处理工艺，以解决现有技术中进行冷拔时或是进行轧制时，容易造成缸筒的表面损伤和拉伸变形的问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种大口径薄壁缸筒的热处理工艺；
包括以下步骤：
穿孔步骤：将原料电磁感应加热；芯棒穿过原料形成管件；
第一次冷拔步骤：将管件加热后冷却；将管件冷拔；
第二次冷拔步骤：将管件依次进行酸洗、水洗和风干；将管件冷拔；
冷轧步骤：将管件冷轧；将管件切头尾；将管件退火处理后出炉冷却；对管件探伤。
进一步的技术方案为：原料中各元素的质量百分比为：C：0.12～0.17％；Mn：0.85～1.25％；Si：0.3～0.6％；0＜S≤0.03％；0＜P≤0.045％；0＜Cr≤0.35％；Mo：0.25～0.55％；Ni：1.9～2.3％；Cu：0.95～1.15％；Nb：0.025～0.055％；0＜N≤0.035％；余量为Fe。
进一步的技术方案为：原料中Ni与Cu质量比为：2:1。
进一步的技术方案为：穿孔步骤中原料加热温度：1030～1040℃；原料穿孔温度：1015～1025℃。
进一步的技术方案为：第一次冷拔步骤中将管件加热至715～735℃；保温5～5.5h。
进一步的技术方案为：第二次冷拔步骤中酸洗溶液各元素的质量百分比为：硝酸：15～25％；氟化氢：3～8％；余量为纯水。
进一步的技术方案为：第二次冷拔步骤中酸洗温度：70～75℃；酸洗时间：17～19min。
进一步的技术方案为：第二次冷拔步骤中水洗包括：将管件浸入碱性水溶液中；浸泡时间：45～50min；浸泡温度：50～55℃；用清洗水冲刷管件；碱性水溶液各元素的质量百分比为：氢氧化钠：8～10％；高锰酸钾：2～4％；余量为纯水；清洗水PH值为6.5～7.5。
进一步的技术方案为：冷轧步骤中退火处理包括：将管件加热至720～750℃；以80～100℃/h速度冷却至150℃。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果如下：(1)原料中加入微量的Nb，使得缸筒具有良好的屈服强度和抗拉强度，Nb元素可以细化晶粒，Cu通过析出物达到沉淀强化，可提高缸筒的高温强度，但是同时会导致缸筒赤热脆性，通过在原料中加入Ni可以消除Cu的不良影响，同时通过控制Cu的含量，提高了原料的导电效率，缩短了原料电磁感应加热的时间，原料电磁感应加热后直接进行穿孔处理，减少了加热后原料产生热量损耗；(2)管件在加热之前组织呈现组大板条状，管件在715～735℃时管件的组织会发生变化，呈现细小片状组织，且残余奥氏体相对较少，通过5～5.5h的保温时间，使得管件组织形态更接近于片状马氏体，晶粒更加细小，残余奥氏体更少；(3)管件经过酸洗处理后，管件表面的氧化铁皮会发生松弛，同时在管件表面会形成新的磷酸膜，通过将管件浸入碱性水溶液中去除管件表面的氧化铁皮，同时去除管件冷拔时附着的油渍，并对浸泡温度进行控制，加快了碱性水溶液中去除的效率，通过中性的清洗水达到管件的酸碱平衡，避免管件表面过酸产生腐蚀；(4)由于管件为大口径薄壁缸筒，对管件进行冷拔和冷轧时，会产生裂纹和变形，冷轧步骤中退火处理消除了裂纹和变形，同时减少了变形量。
附图说明
图1示出了本发明实施例大口径薄壁缸筒的热处理工艺的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和具体实施方式对本发明提出的装置作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
图1示出了本发明实施例大口径薄壁缸筒的热处理工艺的流程图。结合图1所示，本发明公开了一种大口径薄壁缸筒的热处理工艺。
大口径薄壁缸筒的热处理工艺包括以下步骤：
穿孔步骤：将原料电磁感应加热；芯棒穿过原料形成管件。
原料中各元素的质量百分比为：C：0.12～0.17％；Mn：0.85～1.25％；Si：0.3～0.6％；0＜S≤0.03％；0＜P≤0.045％；0＜Cr≤0.35％；Mo：0.25～0.55％；Ni：1.9～2.3％；Cu：0.95～1.15％；Nb：0.025～0.055％；0＜N≤0.035％；余量为Fe。
原料中Ni与Cu质量比为：2：1。
穿孔步骤中原料加热温度：1030～1040℃；原料穿孔温度：1015～1025℃。
原料中加入微量的Nb，使得缸筒具有良好的屈服强度和抗拉强度。Nb元素可以细化晶粒，Cu通过析出物达到沉淀强化，可提高缸筒的高温强度，但是同时会导致缸筒赤热脆性。通过在原料中加入Ni可以消除Cu的不良影响。
同时通过控制Cu的含量，提高了原料的导电效率，缩短了原料电磁感应加热的时间。原料电磁感应加热后直接进行穿孔处理，减少了加热后原料产生热量损耗。
通过电磁感应将原料加热至1030～1040℃，原料的内外温差一致。原料加热后需要快速进行穿孔过程，所以原料穿孔温度相比原料加热温度温差较小。
原料中加入了Nb，并严格控制N的含量，使得原料在加热后具有较好的组织稳定性、高温持久强度、高温蠕变强度。
电磁感应线圈围绕原来螺旋设置。当原料通过电磁感应线圈时将原料加热。原料通过电磁感应线圈后，芯棒沿原料轴线方向移动完成原料的穿孔。
第一次冷拔步骤：将管件加热后冷却；将管件冷拔。
第一次冷拔步骤中将管件加热至715～735℃；保温5～5.5h。
通过限定管件的温度范围，管件放入加热炉中进行加热，管件在加热过程中与加热炉中的氧化性气体发生化学反应。在管件表面形成氧化铁皮的混合物。管件在715～735℃这一区间温度时，管件会发生较为显著的氧化。管件随着加热温度的上升氧化程度会发生转变，管件在600℃之前也会产生氧化，会形成较薄的氧化层，但后续冷拔过程会将管件氧化层消磨。
管件在加热之前组织呈现组大板条状。管件在715～735℃时管件的组织会发生变化，呈现细小片状组织。且残余奥氏体相对较少。通过5～5.5h的保温时间，使得管件组织形态更接近于片状马氏体，晶粒更加细小，残余奥氏体更少。
第一次冷拔步骤中管件的冷却方式为空冷，管件空冷至室温。管件加热冷却后，将管件放在冷拔机上进行拉拔。
第二次冷拔步骤：将管件依次进行酸洗、水洗和风干；将管件冷拔；
第二次冷拔步骤中酸洗溶液各元素的质量百分比为：硝酸：15～25％；氟化氢：3～8％；余量为纯水。
第二次冷拔步骤中酸洗温度：70～75℃；酸洗时间：17～19min。
第二次冷拔步骤中水洗包括：将管件浸入碱性水溶液中；浸泡时间：45～50min；浸泡温度：50～55℃；用清洗水冲刷管件；碱性水溶液各元素的质量百分比为：氢氧化钠：8～10％；高锰酸钾：2～4％；余量为纯水；清洗水PH值为6.5～7.5。
管件通过酸洗的过程消除了管件在第一次冷拔步骤中产生的氧化铁皮。
管件进行酸洗之前将管件浸入稀硫酸溶液。
通过稀硫酸溶液的浸泡将管件表面的氧化铁皮松弛。
通过控制酸洗溶液的浓度，当酸洗溶液的浓度太低时，在管件表面不会形成膜，且也无法消除管件的氧化铁皮。当酸洗溶液的浓度太高时，在管件表面形成的膜厚度较厚，造成结晶体粗大。
酸洗溶液中硝酸占比15～25％，氟化氢占比3～8％，管件的表面会形成磷酸膜结晶致密，与管件结合紧密。通过将酸洗温度控制在70～75℃，加速了管件的酸洗的效率，提高了成膜速率。管件表面形成的磷酸膜会形成孔隙，通过将酸洗时间控制在17～19min，减少了磷酸膜的孔隙率。
管件经过酸洗处理后，管件表面的氧化铁皮会发生松弛，同时在管件表面会形成新的磷酸膜。通过将管件浸入碱性水溶液中去除管件表面的氧化铁皮，同时去除管件冷拔时附着的油渍。并对浸泡温度进行控制，加快了碱性水溶液中去除的效率。通过中性的清洗水达到管件的酸碱平衡，避免管件表面过酸产生腐蚀。
冷轧步骤：将管件冷轧；将管件切头尾；将管件退火处理后出炉冷却；对管件探伤。
冷轧步骤中退火处理包括：将管件加热至720～750℃；以80～100℃/h速度冷却至150℃。
将管件冷轧得到最终直径尺寸的管件。通过将管件切头尾得到最终长度尺寸的管件。
管件冷轧后产生了大量的塑性变形，晶格畸变严重，晶粒内部位错急剧增加，粗糙度和驻留滑移带大量形成之后，晶粒本身强度下降，裂纹容易从晶粒内部萌生，进而成为穿晶断裂。塑性变形造成的加工硬化使得管件的硬度提高，但塑性和韧性下降。
通过将管件加热至720～750℃并快速降温至150℃，最后出炉冷却，提高了管件的塑性和韧性，减少了轧制的变形量，减少了开裂的现象。
冷轧步骤中出炉冷却为空冷至室温。管件的两端为头尾两端。管件冷拔时，管件的头尾两端会产生一定程度的变形，将管件切头尾保证了管件的轴线长度的尺寸。
采用探伤仪对管件探伤，检测管件是否存在裂纹。
由于管件为大口径薄壁缸筒，对管件进行冷拔和冷轧时，会产生裂纹和变形。冷轧步骤中退火处理消除了裂纹和变形，同时减少了变形量。
以下用两个实施例描述工艺过程：
第一实施例：
大口径薄壁缸筒的热处理工艺包括以下步骤：
穿孔步骤：将原料电磁感应加热；芯棒穿过原料形成管件。
原料中各元素的质量百分比为：C：0.12％；Mn：0.85％；Si：0.3％；S：0.01％；P：0.025％；Cr：0.15％；Mo：0.25％；Ni：1.9％；Cu：0.95％；Nb：0.025％；N：0.015％；余量为Fe。
原料中Ni与Cu质量比为：2：1。
穿孔步骤中原料加热温度：1030℃；原料穿孔温度：1015℃。
第一次冷拔步骤：将管件加热后冷却；将管件冷拔。
第一次冷拔步骤中将管件加热至715℃；保温5h。
第二次冷拔步骤：将管件依次进行酸洗、水洗和风干；将管件冷拔。
第二次冷拔步骤中酸洗溶液各元素的质量百分比为：硝酸：15％；氟化氢：3％；余量为纯水。
第二次冷拔步骤中酸洗温度：70℃；酸洗时间：17min。
第二次冷拔步骤中水洗包括：将管件浸入碱性水溶液中；浸泡时间：45min；浸泡温度：50℃；用清洗水冲刷管件；碱性水溶液各元素的质量百分比为：氢氧化钠：8％；高锰酸钾：2％；余量为纯水；清洗水PH值为6.5。
冷轧步骤：将管件冷轧；将管件切头尾；将管件退火处理后出炉冷却；对管件探伤。
冷轧步骤中退火处理包括：将管件加热至720℃；以80℃/h速度冷却至150℃。
第二实施例：
大口径薄壁缸筒的热处理工艺包括以下步骤：
穿孔步骤：将原料电磁感应加热；芯棒穿过原料形成管件。
原料中各元素的质量百分比为：C：0.17％；Mn：1.25％；Si：0.6％；S：0.03％；P：0.045％；Cr：0.35％；Mo：0.55％；Ni：2.3％；Cu：1.15％；Nb：0.055％；N：0.035％；余量为Fe。
原料中Ni与Cu质量比为：2：1。
穿孔步骤中原料加热温度：1040℃；原料穿孔温度：1025℃。
第一次冷拔步骤：将管件加热后冷却；将管件冷拔。
第一次冷拔步骤中将管件加热至735℃；保温5.5h。
第二次冷拔步骤：将管件依次进行酸洗、水洗和风干；将管件冷拔。
第二次冷拔步骤中酸洗溶液各元素的质量百分比为：硝酸：25％；氟化氢：8％；余量为纯水。
第二次冷拔步骤中酸洗温度：75℃；酸洗时间：19min。
第二次冷拔步骤中水洗包括：将管件浸入碱性水溶液中；浸泡时间：50min；浸泡温度：55℃；用清洗水冲刷管件；碱性水溶液各元素的质量百分比为：氢氧化钠：10％；高锰酸钾：4％；余量为纯水；清洗水PH值为7.5。
冷轧步骤：将管件冷轧；将管件切头尾；将管件退火处理后出炉冷却；对管件探伤。
冷轧步骤中退火处理包括：将管件加热至750℃；以100℃/h速度冷却至150℃。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种大口径薄壁缸筒的热处理工艺，其特征在于：包括以下步骤：
穿孔步骤：将原料电磁感应加热；芯棒穿过原料形成管件；
第一次冷拔步骤：将管件加热后冷却；将管件冷拔；
第二次冷拔步骤：将管件依次进行酸洗、水洗和风干；将管件冷拔；
冷轧步骤：将管件冷轧；将管件切头尾；将管件退火处理后出炉冷却；对管件探伤；
原料中各元素的质量百分比为：C：0.12～0.17％；Mn：0.85～1.25％；Si：0.3～0.6％；0＜S≤0.03％；0＜P≤0.045％；0＜Cr≤0.35％；Mo：0.25～0.55％；Ni：1.9～2.3％；Cu：0.95～1.15％；Nb：0.025～0.055％；0＜N≤0.035％；余量为Fe；
原料中Ni与Cu质量比为：2:1；
第一次冷拔步骤中将管件加热至715～735℃；保温5～5.5h；
第二次冷拔步骤中水洗包括：将管件浸入碱性水溶液中；浸泡时间：45～50min；浸泡温度：50～55℃；用清洗水冲刷管件；碱性水溶液各元素的质量百分比为：氢氧化钠：8～10％；高锰酸钾：2～4％；余量为纯水；清洗水PH值为6.5～7.5；
冷轧步骤中退火处理包括：将管件加热至720～750℃；以80～100℃/h速度冷却至150℃。
2.如权利要求1所述的大口径薄壁缸筒的热处理工艺，其特征在于：穿孔步骤中原料加热温度：1030～1040℃；原料穿孔温度：1015～1025℃。
3.如权利要求1所述的大口径薄壁缸筒的热处理工艺，其特征在于：第二次冷拔步骤中酸洗溶液各元素的质量百分比为：硝酸：15～25％；氟化氢：3～8％；余量为纯水。
4.如权利要求3所述的大口径薄壁缸筒的热处理工艺，其特征在于：第二次冷拔步骤中酸洗温度：70～75℃；酸洗时间：17～19min。
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