CN115255231A - 一种4330v合金的锻造工艺 - Google Patents

一种4330v合金的锻造工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种4330V合金的锻造工艺，技术方案包括以下步骤：步骤S1、准备钢锭；步骤S2、钢锭热处理，包括以下工步：(1)、第一热处理阶段：升温到500±20℃保温；(2)、第二热处理阶段：升温到930±15℃保温；(3)、第三热处理阶段：升温到1230±15℃保温；步骤S3、钢锭热处理，包括：(1)、第一热处理阶段：升温到650±10℃保温；(2)、第二热处理阶段：升温到850±10℃保温；(3)、第三热处理阶段：升温到1200±10℃保温；步骤S4、加工；步骤S5、第二次热处理，包括(4)淬火阶段：钢锭升温到860±10℃保温；(5)回火阶段：钢锭升温到560±10℃保温，本发明的优点是改善内部组织晶粒，消除锻造缺陷，细化晶粒，提高合金性能。

Description

一种4330V合金的锻造工艺
技术领域
本发明涉及特种合金制造技术领域，尤其涉及一种4330V合金的锻造工艺。
背景技术
目前随着国内天然气勘探开发的深入，浅层的石油已经基本接近开发完成，逐步要开采更深层原油，随着油气井深度和开发难度不断增加，无论是施工总量，还是施工规模，每年都在逐渐增大，压裂施工的作业压力和排量越来越大。目前我国水平井多段压裂技术已经从试验性开发走向规模化实施阶段，大型压裂施工从总量和规模上都在扩大，压裂装备的发展也应紧随着施工作业的要求，从当前压裂装备的发展看，压裂装备的研制也朝着大型和超大型方向发展。石油设备向高强度、高耐磨，高使用寿命的大型压裂设备的方向发展，所以对于合金4330V的需求量和要求越来越高。
但是目前4330V制造的产品存在以下问题：
1、4330V合金常规的热处理手段是500℃～600℃高温回火，4330V的合金的主要组织为回火索氏体，其主要为基体铁素体内分布着渗碳体的复合组织，对于地下更深的工作环境，4330V合金制产品需要和坚硬的岩层碰撞，而回火索氏体的强度和韧性略显不足，影响4330V合金的使用寿命。
2、通过高温回火处理的4330V合金，其回火索氏体晶粒比较粗大，晶粒内部存在偏析现象，导致晶粒的均匀度不高，容易在锻造过程导致开裂和疏松等锻造缺陷。
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4330V合金的锻造工艺，其优点在于通过重新设计合金的配方，结合相应的锻造工艺技术，改善内部组织晶粒，消除锻造缺陷，并且采取特殊调质热处理，细化晶粒，提高合金综合性能。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种4330V合金的锻造工艺，包括以下步骤：
步骤S1、准备4330V钢锭：将各元素原料投入到真空炉中进行熔炼，冷却后得钢锭坯料；
步骤S2、钢锭热处理，包括以下工步：
(1)、第一热处理阶段：钢锭升温到500±20℃保温；
(2)、第二热处理阶段：钢锭升温到930±15℃保温；
(3)、第三热处理阶段：钢锭升温到1230±15℃保温，之后钢锭自然冷却到800℃以下；
步骤S3、钢锭锻造，包括以下工步：
第一火次：钢锭进行表面处理，之后钢锭入炉加热到锻造温度850～1250℃，之后钢锭送入压机进行锻造；
第二火次：钢锭入炉加热到锻造温度850～1250℃，之后钢锭送入压机进行锻造，最后锻件空冷到室温；
步骤S4、钢锭机械加工；
步骤S5、第二次热处理，包括以下工步：
(4)淬火阶段：钢锭升温到860±10℃保温；
(5)回火阶段：钢锭升温到560±10℃保温，之后钢锭炉内冷却到500℃以下出炉冷却到室温，然后钢锭升温到560±10℃保温，钢锭冷却到室温。
进一步的，在步骤S3中，第一火次和第二火次的锻造比＞3.0。
进一步的，在步骤S2的第一热处理阶段中，升温速率为1.33℃/min(80℃/h)，保温时间范围为3～6h。
进一步的，在步骤S3的第一热处理阶段中，钢锭的装炉温度≤400℃。
进一步的，在步骤S3的第二热处理阶段中，温速率为1.33℃/min(80℃/h)，保温时间范围为2.5～3h。
进一步的，在步骤S3的第三热处理阶段中，温速率为0.833℃/min(50℃/h)，保温时间范围为3～4h。
进一步的，在步骤S5的淬火阶段中，温速率为1.33℃/min(80℃/h)，保温时间范围为8～12h。
进一步的，在步骤S5的回火阶段中，温速率为1.33℃/min(80℃/h)，保温时间范围为5-12h。
进一步的，在步骤S5的回火阶段中，钢锭采用水温不高于60℃的水冷却到室温。
进一步的，在步骤S1中，4330V钢锭包括按质量百分比计数的元素：C：0.28～0.32％；Si：0.05～0.25％；Mn：0.50～0.80％；P≤0.015％；S≤0.010％；Cr：1.20～1.50％；Mo：0.52～0.60％；Ni：3.00～3.50％；Cu≤0.20；V：0.10～0.20％；合金中杂质元素：O≤30PPm；N≤130PPm；H≤2.00PPm。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1.通过适当提高C、Mn、Cr、Ni、Mo、N、Nb、V等元素的下限或上限含量，并且结合相应的锻造工艺和热处理工艺，改善内部组织晶粒，使组织晶粒可以进行大变形，使粗大的混晶组织破碎，增加锻件的锻造密度，更好的控制金属纤维组织的流线分布，进一步提高晶粒组织的均匀性和细密程度，进而提高锻件的性能。
2.在热处理中采用三阶段热处理顺序，第一阶段和第二阶段主要是为了预热钢锭，逐步升温200℃并保温，为了最大程度消除钢锭内外的温度梯度，在这个过程中合金的组织为索氏体、条状或块状的铁素体，最后在1200℃进行固溶强化，有利于铁素体主要形成Cr、Mo、Ni原子扩散，促进索氏体奥氏体化，奥氏体组织与铁素体处于合适平衡状态，并且伴随Cr、Ni形成铁素体的相关原子的扩散，条状或块状的铁素体逐渐分散，转变为均匀细小的铁素体组织，部分铁素体也进行奥氏体化转变，形成过饱和固溶体，晶粒组织也更加均匀，最大程度发挥细晶强化作用；严格限制固溶温度，避免固溶温度超过1300℃，原因是在固溶强化的过程，铁素体会进行动态再结晶过程，当温度过高，会出现占比高的粗大铁素体再结晶组织，破坏奥氏体和铁素体的平衡状态，也导致晶粒粗大，导致材料性能降低。
3.由于4330V本身组织遗传强烈，导致锻后组织变大并且不均匀，在淬火处理中，部分共析铁素体转变为奥氏体，奥氏体形成细小、均匀奥氏体晶粒，奥氏体在冷却过程中转变成低温亚稳相马氏体，马氏体硬度远远高于奥氏体，强化合金的强度和硬度。
4.在回火处理中，在淬火温度相同情况下，材料在实际应用期间的强度、硬度各项性能都会随着回火温度的升高而下降，而且下降幅度会不断变大，因为度低于500℃时，合金元素无法快速扩散，所以选择选择560±10℃作为温度窗口，会析出材料中全部C原子，在该情况下，材料中的强碳化物会形成Mo和V合金碳化，并且避免材料的性能过度下降，取得最佳平衡点。
附图说明
图1是4330V合金的锻造工艺的步骤示意图。
图2是实施例1中样品的低倍探伤检测示意图。
图3是实施例1中样品的金相检测示意图。
图4是实施例2中样品的低倍探伤检测示意图。
图5是实施例2中样品的金相检测示意图。
图6是实施例3中样品的低倍探伤检测示意图。
图7是实施例3中样品的金相检测示意图。
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方案作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。
实施例1：
一种4330V合金的锻造工艺，如图1所示，包括以下步骤：
步骤S1、准备4330V钢锭：将各元素原料投入到真空炉中进行熔炼，冷却后得钢锭坯料。其中4330V钢锭包括按质量百分比计数的元素：
步骤S2、钢锭热处理，包括以下工步：
(1)、第一热处理阶段：钢锭以≤400℃的温度条件装炉加热，钢锭升温到480℃保温，升温速率为1.33℃/min(80℃/h)，保温时间范围为3～6h。
(2)、第二热处理阶段：钢锭升温到915℃保温，温速率为1.33℃/min(80℃/h)，保温时间范围为2.5～3h。
(3)、第三热处理阶段：钢锭升温到1215℃保温，之后钢锭自然冷却到800℃以下，温速率为0.833℃/min(50℃/h)，保温时间范围为3～4h。
步骤S3、钢锭锻造，包括以下工步：
第一火次：钢锭进行表面处理，去除钢锭表面毛刺等缺陷。之后将钢锭送入到加热到锻造温度850℃。在钢锭加热的过程中，同时预热模具，模具的预热温度范围是700～800℃，为了减少钢锭与模具之间的温度差距，避免钢锭避表面快速冷却的情况。之后钢锭装入模具一同送入压机进行锻造，锻造比＞3.0。
第二火次：钢锭入炉加热到锻造温度850℃，之后钢锭送入压机进行锻造，最后锻件空冷到室温，锻造比＞3.0。
步骤S4、钢锭机械加工：工作人员在钢锭上打钢印，并且对钢锭毛坯进行检测，之后按产品的设计图纸对钢锭进行切削等外形加工手段。
步骤S5、第二次热处理，包括以下工步：
(4)淬火阶段：钢锭升温到850℃保温，温速率为1.33℃/min(80℃/h)，保温时间范围为8～12h。
(5)回火阶段：钢锭升温到550℃保温，之后钢锭炉内冷却到500℃以下出炉冷却到室温，温速率为1.33℃/min(80℃/h)，保温时间范围为5-12h，然后钢锭升温到550℃保温，钢锭冷却到室温，完成二次回火。
步骤S6、检测产品硬度。
步骤S7、产品机械加工。
步骤S8、产品无损检测。
步骤S9、产品综合性能检测：产品制样，取样品，使用样品进行力学性能检验，微观组织检测，若样品检测合格，产品去油污，之后产品标记入库。
实施例2：
与实施例1不同的步骤在于：
第一火次：钢锭进行表面处理，去除钢锭表面毛刺等缺陷。之后将钢锭送入到加热到锻造温度1150℃。
第二火次：钢锭入炉加热到锻造温度1150℃，之后钢锭送入压机进行锻造，最后锻件空冷到室温。
步骤S2、钢锭热处理，包括以下工步：
(1)、第一热处理阶段：钢锭以≤400℃的温度条件装炉加热，钢锭升温到500℃保温，升温速率为1.33℃/min(80℃/h)，保温时间范围为3～6h。
(2)、第二热处理阶段：钢锭升温到930℃保温，温速率为1.33℃/min(80℃/h)，保温时间范围为2.5～3h。
(3)、第三热处理阶段：钢锭升温到1230℃保温，之后钢锭自然冷却到800℃以下，温速率为0.833℃/min(50℃/h)，保温时间范围为3～4h。
步骤S3、钢锭锻造，包括以下工步：
第一火次：钢锭进行表面处理，去除钢锭表面毛刺等缺陷。之后将钢锭送入到加热到锻造温度1040℃。在钢锭加热的过程中，同时预热模具，模具的预热温度范围是700～800℃，为了减少钢锭与模具之间的温度差距，避免钢锭避表面快速冷却的情况。之后钢锭装入模具一同送入压机进行锻造，锻造比＞3.0。
第二火次：钢锭入炉加热到锻造温度1040℃，之后钢锭送入压机进行锻造，最后锻件空冷到室温，锻造比＞3.0。
步骤S5、第二次热处理，包括以下工步：
(4)淬火阶段：钢锭升温到860℃保温，温速率为1.33℃/min(80℃/h)，保温时间范围为8～12h。
(5)回火阶段：钢锭升温到560℃保温，之后钢锭炉内冷却到500℃以下出炉冷却到室温，温速率为1.33℃/min(80℃/h)，保温时间范围为5-12h，然后钢锭升温到560℃保温，钢锭冷却到室温，完成二次回火。
实施例3：
与实施例1不同的步骤在于：
第一火次：钢锭进行表面处理，去除钢锭表面毛刺等缺陷。之后将钢锭送入到加热到锻造温度1250℃。
第二火次：钢锭入炉加热到锻造温度1250℃，之后钢锭送入压机进行锻造，最后锻件空冷到室温。
步骤S2、钢锭热处理，包括以下工步：
(1)、第一热处理阶段：钢锭以≤400℃的温度条件装炉加热，钢锭升温到520℃保温，升温速率为1.33℃/min(80℃/h)，保温时间范围为3～6h。
(2)、第二热处理阶段：钢锭升温到945℃保温，温速率为1.33℃/min(80℃/h)，保温时间范围为2.5～3h。
(3)、第三热处理阶段：钢锭升温到1245℃保温，之后钢锭自然冷却到800℃以下，温速率为0.833℃/min(50℃/h)，保温时间范围为3～4h。
第一火次：钢锭进行表面处理，去除钢锭表面毛刺等缺陷。之后将钢锭送入到加热到锻造温度1240℃。在钢锭加热的过程中，同时预热模具，模具的预热温度范围是700～800℃，为了减少钢锭与模具之间的温度差距，避免钢锭避表面快速冷却的情况。之后钢锭装入模具一同送入压机进行锻造，锻造比＞3.0。
第二火次：钢锭入炉加热到锻造温度1240℃，之后钢锭送入压机进行锻造，最后锻件空冷到室温，锻造比＞3.0。
步骤S5、第二次热处理，包括以下工步：
(4)淬火阶段：钢锭升温到870℃保温，温速率为1.33℃/min(80℃/h)，保温时间范围为8～12h。
(5)回火阶段：钢锭升温到570℃保温，之后钢锭炉内冷却到500℃以下出炉冷却到室温，温速率为1.33℃/min(80℃/h)，保温时间范围为5-12h，然后钢锭升温到570℃保温，钢锭冷却到室温，完成二次回火。
合金微观检测：
实验准备：实施例1中的取样记作试样1；实施例2中的取样记作试样2；实施例3中的取样记作试样3。
试样低倍外观检测：
试样1：如图2所示，试样无气泡、裂纹、夹杂、白点、翻皮、残余缩孔、一般疏松、中心疏松、一般偏析缺陷。
试样2：如图4所示，试样无气泡、裂纹、夹杂、白点、翻皮、残余缩孔、一般疏松、中心疏松、一般偏析缺陷。
试样3：如图6所示，试样无气泡、裂纹、夹杂、白点、翻皮、残余缩孔、一般疏松、中心疏松、一般偏析缺陷。
试样金相检测：
试样1：如图3所示，放大规格100μm，晶粒度6.5～8.0级，无晶粒不均匀现象。
试样2：如图5所示，放大规格100μm，晶粒度6.0～7.0级，无晶粒不均匀现象。
试样3：如图7所示，放大规格100μm，晶粒度6.5～7.5级，无晶粒不均匀现象。
力学测试：其结果见表1。
Figure BDA0003773342760000101
表1
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 (10)

1.一种4330V合金的锻造工艺，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、准备4330V钢锭：将各元素原料投入到真空炉中进行熔炼，冷却后得钢锭坯料；
步骤S2、钢锭热处理，包括以下工步：
(1)、第一热处理阶段：钢锭升温到500±20℃保温；
(2)、第二热处理阶段：钢锭升温到930±15℃保温；
(3)、第三热处理阶段：钢锭升温到1230±15℃保温，之后钢锭自然冷却到800℃以下；
步骤S3、钢锭锻造，包括以下工步：
第一火次：钢锭进行表面处理，之后钢锭入炉加热到锻造温度850～1250℃，之后钢锭送入压机进行锻造；
第二火次：钢锭入炉加热到锻造温度850～1250℃，之后钢锭送入压机进行锻造，最后锻件空冷到室温；
步骤S4、钢锭机械加工；
步骤S5、第二次热处理，包括以下工步：
(4)淬火阶段：钢锭升温到860±10℃保温；
(5)回火阶段：钢锭升温到560±10℃保温，之后钢锭炉内冷却到500℃以下出炉冷却到室温，然后钢锭升温到560±10℃保温，钢锭冷却到室温。
2.根据权利要求1所述的一种4330V合金的锻造工艺，其特征在于：在步骤S3中，第一火次和第二火次的锻造比＞3.0。
3.根据权利要求1所述的一种4330V合金的锻造工艺，其特征在于：在步骤S2的第一热处理阶段中，升温速率为1.33℃/min(80℃/h)，保温时间范围为3～6h。
4.根据权利要求3所述的一种4330V合金的锻造工艺，其特征在于：在步骤S3的第一热处理阶段中，钢锭的装炉温度≤400℃。
5.根据权利要求4所述的一种4330V合金的锻造工艺，其特征在于：在步骤S3的第二热处理阶段中，温速率为1.33℃/min(80℃/h)，保温时间范围为2.5～3h。
6.根据权利要求5所述的一种4330V合金的锻造工艺，其特征在于：在步骤S3的第三热处理阶段中，温速率为0.833℃/min(50℃/h)，保温时间范围为3～4h。
7.根据权利要求1所述的一种4330V合金的锻造工艺，其特征在于：在步骤S5的淬火阶段中，温速率为1.33℃/min(80℃/h)，保温时间范围为8～12h。
8.根据权利要求7所述的一种4330V合金的锻造工艺，其特征在于：在步骤S5的回火阶段中，温速率为1.33℃/min(80℃/h)，保温时间范围为5-12h。
9.根据权利要求8所述的一种4330V合金的锻造工艺，其特征在于：在步骤S5的回火阶段中，钢锭采用水温不高于60℃的水冷却到室温。
10.根据权利要求1所述的一种4330V合金的锻造工艺，其特征在于：在步骤S1中，4330V钢锭包括按质量百分比计数的元素：C：0.28～0.32％；Si：0.05～0.25％；Mn：0.50～0.80％；P≤0.015％；S≤0.010％；Cr：1.20～1.50％；Mo：0.52～0.60％；Ni：3.00～3.50％；Cu≤0.20；V：0.10～0.20％；合金中杂质元素：O≤30PPm；N≤130PPm；H≤2.00PPm。
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CN115740314A (zh) * 2022-11-24 2023-03-07 南京工程学院 一种高强度大型锻件抗裂节能的锻造工艺

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